高速点火レーザー核融合に向けた高速電子エネルギー分布の時間発展計測

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23360412
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 羽原 英明 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60397734)
• 研究分担者: 藪内 俊毅 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20397772)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 慣性核融合 / 高速点火 / 高エネルギー電子 / エネルギー伝搬

研究概要

前年度に得られたシリコン平板を用いたチェレンコフ光計測の実験結果の解析を行ったが、チェレンコフ光とターゲット前面で発光する赤外光との分別が困難であるため、それを分離するための時間ゲートをかけるMCPを研究協力者に購入いただき、H26年度継続して実験を行うことを双方で合意した。また特に低エネルギー成分の高速電子流のエネルギー分布を計測する目的でプリズム型シリコンターゲットを用いる予定であったが、プリズム状への加工が難しいことから、屈折率が4とシリコンより高いゲルマニウムの市販プリズムを用いることとした。
またチェレンコフ光と同じ電子エネルギー領域を計測するための特性X線計測を試み、そのためのX線イメージ結像器を購入する予定であったが、これも研究協力者のほうで準備いただいたため、別財源でコート装置、及び本研究費でメッキ用の電源などを購入した。
さらにチェレンコフ光の発光強度を向上させるため、ターゲット表面への単純なコートではなく、ナノポーラスやワイヤなどナノ構造を持ったコーティングをターゲット表面に施し、そこに高強度レーザーを照射したところ、生成される高エネルギー電子が２０倍、裏面で加速される高エネルギーイオンが数倍上昇するという顕著な結果が得られ、さらに解析の結果その構造依存性の物理的なメカニズムを明らかにすることに成功したため、現在論文を準備中である。
また大阪大学のLFEXレーザーを用い、コーンワイヤターゲットを用いた実験を行い、銅ワイヤからのKa線計測から高速電子のエネルギー分布を推測したところ、平均エネルギー数MeVとなり燃料コアの加熱に最適なエネルギー範囲であることが分かったが、さらにワイヤの周りに爆縮プラズマを付与したところ、電子がプラズマ中に飛散し、燃料までの到達フラックスが大幅に減少することが確認された。本結果は国際会議で発表し、また論文を準備中である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

シリコンプリズムターゲットは任意の形状での作成ができなかったが、それよりも屈折率の高いゲルマニウムプリズムターゲットを購入することで当初の目的を達成することが可能になった。このプリズムにコートを施し、底面を砂目上に加工することでH26年度の実験に供する予定である。
またチェレンコフ光の発光強度を向上させるため、ターゲット表面への単純なコートではなくナノ構造を持った薄い層をメッキしたターゲットに高強度レーザーを照射したところ、高エネルギー電子の生成量が単純なコートに比べ20倍以上増加し、また裏面から生成する高エネルギー陽子量が数倍増加すると言った結果が得られた。この結果を２次元粒子シミュレーションを用いて解析を行い、構造内部で電界集中によりレーザーエネルギーの吸収と高速電子の生成効率が大幅に上昇することが明らかになり、さらに最適な構造サイズがあることを明らかにした。これはチェレンコフ光計測にとってだけではなく、高エネルギー密度科学にとって重要な知見である。現在関連した２つの論文を執筆し、共著者に確認後投稿する予定である。
また赤外チェレンコフ光計測を用いて比較・校正するためのX線計測に関する大型レーザー装置実験を実施し、現在広く用いられている手法で高速電子のエネルギー分布を推測することに成功した。更に本実験ではターゲットの周りに爆縮プラズマを付与したところ実験結果に大きな差が現れ、レーザー進行方向絵の粒子フラックスが大幅に減少するという結果が得られた。これは最近の論文で提案されている誘電率構造による高エネルギー電子のガイディングが効果がないことを明らかにしたことになり、外部磁場によるガイディングが必要なことを明らかにする結果である。本結果は国際会議で２回発表を行い好評を得、さらに著名論文誌に投稿するための準備中である。

今後の研究の推進方策

H26年度は最終年度であるが、積み残しである赤外チェレンコフ光計測のためのゲルマニウムプリズムターゲットを用いた実験を行い、これまでのまとめとする予定である。実験は引き続き研究協力者であるインド・タタ基礎科学研究所のG.R. Kumar教授の実験施設で行う。また基礎研究としてのナノ構造の高強度レーザーの相互作用を積極的に推進し、電界集中効果だけでなく、表面プラズモン共鳴効果などによる吸収率向上実験なども行う予定である。
また本研究課題による成果を含めた研究結果を、９月に国際会議の招待講演で報告し、さらにそれらの結果を３つの論文として執筆する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Interpenetration and stagnation in colliding laser plasmas (2014)
  • 著者名/発表者名: K. F. Al-Shboul, S. S. Harilal. M. Hassan, A. Hassanein, J. T. Costello, T. Yabuuchi, K. A. Tanaka and Y. Hirooka
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 21 ページ: 013502
  • DOI: 10.1063/1.4859136
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of defocusing on picosecond laser-coupling into gold cones (2014)
  • 著者名/発表者名: I. A. Bush, A. G. R. Thomas, L. Gartside, S. Sarfraz, E. Wagenaars, J. S. Green, M. Notley, H. Lowe, C. Spindloe, T. Winstone, A. P. L. Robinson, R. Clarke, T. Ma, T. Yabuuchi, M. Wei, F. N. Beg, R. B. Stephens, A. MacPhee, A. J. MacKinnon, M. H. Key, W. Nazarov, M. Sherlock and J. Pasley
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 21 ページ: 012702
  • DOI: 10.1063/1.4861375
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced energy coupling by using structured nano-wire targets (2013)
  • 著者名/発表者名: Habara, H. and Mishima, Y. and Nakanii, N. and Honda, S. and Katayama, M. and Gremillet, L. and Willingale, L. and Maksimchuk, A. and Krushelnick, K. and Tanaka, K.A.
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 59 ページ: 17007
  • DOI: 10.1051/epjconf/20135917007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absolute Kﾎｱ line spectroscopy for cone-guided fast-ignition targets (2013)
  • 著者名/発表者名: Nishimura, H. et al.,
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 59 ページ: 13008
  • DOI: 10.1051/epjconf/20135913008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron energy distributions through superdense matter by Monte-Carlo simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Okabayashi, A. and Habara, H. and Yabuuchi, T. and Tanaka, K.A.
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 59 ページ: 17018
  • DOI: 10.1051/epjconf/20135917018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Implosion and heating experiments of fast ignition targets by Gekko-XII and LFEX lasers (2013)
  • 著者名/発表者名: Shiraga, H. et al.,
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 59 ページ: 01008
  • DOI: 10.1051/epjconf/20135901008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stopping and transport of fast electrons in superdense matter (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Okabayashi and H. Habara and T. Yabuuchi and T. Iwawaki and K. A. Tanaka
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 20 ページ: 083301
  • DOI: 10.1063/1.4816812
  • 査読あり
• [学会発表] Enhancement of MeV electron creation using metal nano-foam target (2014)
  • 著者名/発表者名: 永見亮介、羽原英明
  • 学会等名: 日中ターゲット材料ワークショップ
  • 発表場所: 岐阜大学サテライトキャンパス
  • 年月日: 20140124-20140125
• [学会発表] Exotic Fast Electron Generation by using Nano and Micron structured targets (2013)
  • 著者名/発表者名: 羽原英明
  • 学会等名: US-Japan Workshop on High Energy Density Physics
  • 発表場所: Denver
  • 年月日: 20131115-20131115
• [学会発表] Observation of Cu-Kα emission in imploded core plasma by direct irradiation of ultra intense laser light (2013)
  • 著者名/発表者名: 羽原英明
  • 学会等名: 55th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: Denver
  • 年月日: 20131111-20131115
• [学会発表] 急激な密度勾配による高エネルギー電子流の収束 (2013)
  • 著者名/発表者名: 羽原英明
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] Multiple electron beam generation with plasmon resonance field (2013)
  • 著者名/発表者名: 三島陽介、羽原英明
  • 学会等名: The 12th Asia Pacific Physics Conference
  • 発表場所: 千葉・幕張メッセ
  • 年月日: 20130714-20130719
• [学会発表] Enhancement of MeV electron creation using metal nano-foam target (2013)
  • 著者名/発表者名: 永見亮介、羽原英明
  • 学会等名: The 12th Asia Pacific Physics Conference
  • 発表場所: 千葉・幕張メッセ
  • 年月日: 20130714-20130719