超高強度レーザーを用いた電子・陽電子プラズマ生成に関する研究

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24244095
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中井 光男 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 教授 (70201663)
• 研究分担者: 長友 英夫 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 准教授 (10283813) ; 高部 英明 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (20150352) ; 西村 博明 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (60135754) ; 近藤 公伯 独立行政法人日本原子力研究開発機構, その他部局等, 研究員 (80225614)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: プラズマ物理 / 対生成 / 相対論的プラズマ物理 / 超高強度レーザー

研究実績の概要

当初計画では、LFEXレーザーを用いた照射実験によって、基本的実験条件でのパラメータスタディーを実施する予定であったが、平成２５年度には、実ショットによるデータ収集は行えなかった。しかし、以下の通り成果が得られている。
１．大出力のレーザーを用いたプラズマ鏡の実験を実施　１.5ピコ秒と言う比較的長いパウル幅での反射特性を世界的にも初めて計測し、その結果を元に、低F値のプラズマ集光鏡を設計した。
２．平成２４年度より開発を進めていたγ線検出器（コンプトン散乱電子分光器、光核反応分光器）の開発を進め、学会等でその成果を発表。また、多チャンネル・シンチレーション検出器については、モンテカルロシミュレーションによる実験環境の解析より、当面はシンチレーション素材をCsIとすることに変更し、マルチ・チャンネル検出器の設計を行った。（設計装置の製作については、予算を繰り越し、H２６年度に進めた。）
３．高強度レーザーの高調波発生に関する観測は、平成２６年度に、繰り越し予算によって、ターゲットからの散光の観測系を整備し、実照射ターゲットからの基本波、第二高調波の観測を実施した。
４．電子・陽電子対生成の理論的解析については、平成２４年の実験結果のより詳細な解析を行い、国際会議(IFSA2013)、研究会等で報告した。高部教授のグループでは、相対論的レーザー強度でのPICコードを開発、その成果を国際会議で報告した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本課題は、大阪大学レーザーエネルギー学研究センターのLFEXレーザーを用いて、電子・陽電子プラズマを生成する実験を段階的に進めつつ、プラズマ鏡並びに計測器の開発を行い、最終的に理論・計算器シミュレーションとの比較を通して最適化を図る計画であったが、東日本大震災によって被害を受けた光学部品メーカーの再稼動が当初予想以上に遅れ、LFEXレーザーの整備計画が大幅に遅れてしまっており、予定された実験計画を変更して対応している。また、連携研究者の国外での実験結果で、磁場のガイドが有効であることが検証され、最適化設計のためには、強磁場の生成とその圧縮を取り込むことが不可欠との判断より、レーザー生成磁場を応用するために新たにMHD化した輻射流体シミュレーションコードを用いた解析を進めることとなった。

今後の研究の推進方策

当初計画では、湾曲ターゲットを用いた実験による電子・陽電子ジェットの生成を実施する予定になっていたが、LFEXレーザーのマシンタイムの制限と準備実験の遅れにより、期間中の実施は断念せざるを得ないが、引き続き、電子陽電子対生成の実験を実施し、基礎データの蓄積に勤める。本研究は、高エネルギー密度科学に相対論的電子陽電子プラズマと言う新しい研究対象を持ち込むために高出力レーザーを用いた電子・陽電子プラズマの発生とその診断のための基礎的知見を得ようとするものである。そのために必要な道具立て、高出力レーザーへのプラズマ鏡の導入と超高強度レーザーによって生成される高エネルギーX線のスペクト計測器の開発、対生成並びに電子の放射過程を正しく組み込んだ解析ツールの開発が本課題で整備される。

研究成果

• [雑誌論文] Breit-Wheeler process in very short electromagnetic pulses (2013)
  • 著者名/発表者名: A.I. Titov, B. Kampfer, H. Takabe, A. Hosaka
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 87 ページ: 042106-1-13
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.87.042106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasma particle-in-cell simulations with QED reactions for pair production experiments using a high-Z solid target (2013)
  • 著者名/発表者名: T Moritaka, L Baiotti, A Lin, L Weiwu, Y Sakawa, Y Kuramitsu, T Morita, H Takabe
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 454 ページ: 012016-1-12
  • DOI: 10.1088/1742-6596/454/1/012016
  • 査読あり
• [学会発表] 高速点火プラズマからの放射光測定による高速電子計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小島完興, 中井光男, 有川安信, 長井隆浩, 安部勇輝, 坂田匠平
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第３０回年会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス、東京都目黒区大岡山
  • 年月日: 2013-12-05
• [学会発表] 高速点火核融合実験における高エネルギーX線スペクトル計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 坂田 匠平, 有川 安信, 小島 完興, 長井 隆浩, 宇津木 卓, 安部 勇輝, 井上 裕晶, 加藤 龍好, 中井 光男, 白神 宏之, 疇地 宏
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第３０回年会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス、東京都目黒区大岡山
  • 年月日: 2013-12-05
• [学会発表] 非線形QED効果による放射の反作用の安定化モデル (2013)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸慧大、張森、甲賀ジェームス、長友英夫、中井光男、三間圀興
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第３０回年会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス、東京都目黒区大岡山
  • 年月日: 2013-12-05
• [学会発表] (γ,n)反応を用いた高エネルギーX線スペクトロメーターの改良 (2013)
  • 著者名/発表者名: 坂田 匠平, 有川 安信, 長井 隆浩, 宇津木 卓, 小島 完興, 安部 勇輝, 井上 裕晶, 加藤 龍好, 中井 光男, 白神 宏之, 疇地 宏
  • 学会等名: 日本物理学会2013秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学、徳島県徳島市
  • 年月日: 2013-09-26
• [学会発表] 高速点火プラズマからの高エネルギー放射光測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小島 完興, 中井 光男, 有川 安信, 長井 隆浩, 安部 勇輝, 坂田 匠平, 波元 拓哉, 池之内 孝仁, 尾崎 哲, 疇地 宏
  • 学会等名: 日本物理学会2013秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学、徳島県徳島市
  • 年月日: 2013-09-25
• [学会発表] Dressed Charge of Electron by Radiation Reaction (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Seto, J. Koga, H. Nagatomo, M. Nakai, K. Mima
  • 学会等名: The Eighth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2013)
  • 発表場所: 奈良県立新公会堂、奈良県奈良市
  • 年月日: 2013-09-12
• [学会発表] NEW RESULTS ON THE LASER PRODUCED RELATIVISTIC ELECTRON-POSITRON PAIR PLASMA RESEARCH (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Chen, J. Bonlie, F. Fiuza, W. Goldstein, A. Hazi, A. Link, E. Marley, S. Nagel, J. Park, R. Shepherd, R. Tommasini, G. J. Williams, D. D Meyerhofer, G. Fiksel, M. Nakai, Y. Arikawa, H. Azechi, S. Fujioka, S. Kojima, N. Miyanaga, T. Morita, T. Nagai, H. Nishimura, T. Ozaki, Y. Sakawa, H. Takabe, 他8名
  • 学会等名: The Eighth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2013)
  • 発表場所: 奈良県立新公会堂、奈良県奈良市
  • 年月日: 2013-09-12
• [学会発表] Development of Compton X-ray Spectrometer for The Fast Ignition Experiment (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kojima, Y. Arikawa, T. Nagai, Y. Abe, S. Sakata, H. Inoue, T. Namimoto, M. Nakai, H. Shiraga, T. Ozaki, M. Asakawa, R. Kato, and H. Azechi
  • 学会等名: The Eighth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2013)
  • 発表場所: 奈良県立新公会堂、奈良県奈良市
  • 年月日: 2013-09-10
• [学会発表] High energy x-ray spectroscopy by using (γ,n)reaction (2013)
  • 著者名/発表者名: S.Sakata, Y.Arikawa, S.Kojima, Y.Abe, T.Nagai, H.Inoue, R.Kato, M.Nakai, H.Siraga, H.Azechi
  • 学会等名: The Eighth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2013)
  • 発表場所: 奈良県立新公会堂、奈良県奈良市
  • 年月日: 2013-09-10
• [学会発表] Pair Plasma Production from Matter and Vacuum (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Takabe
  • 学会等名: Kick-off Meeting of HIBEF at DESY
  • 発表場所: DESY, Hamburg, Germany
  • 年月日: 2013-06-04
• [学会発表] Development of Compton X-ray Spectrometer for The Fast Ignition Experiment (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kojima, Y. Arikawa, T. Nagai, Y. Abe, S. Sakata, H. Inoue, T. Namimoto, M. Nakai, H. Shiraga, H. Azechi, M. Asakawa, T. Ozaki, R. Kato
  • 学会等名: Conference on Laser and Accelerator Neutron Sources and Applications (LANSA’13/OPIC2013)
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2013-04-24
• [学会発表] Development of the high energy bremsstrahlung x-ray spectrometer by using (γ,n) reaction (2013)
  • 著者名/発表者名: S.Sakata, Y.Arikawa, S.Kojima, Y.Abe, T.Nagai, H.Inoue, R.Kato, M.Nakai, H.Siraga, H.Azechi
  • 学会等名: Conference on Laser and Accelerator Neutron Sources and Applications (LANSA’13/OPIC2013)
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川横浜市
  • 年月日: 2013-04-24