レーザー生成超強磁場を用いた高エネルギー量子ビーム制御と実験室Ｘ線天文学

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24684044
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 藤岡 慎介 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 准教授 (40372635)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 強磁場 / プラズマ / 高強度レーザー / 相対論的電子ビーム / ゼーマン効果 / ファラデー効果 / プロトンラジオグラフィー / マイクロコイル

研究概要

本研究では，磁場発生方法として，レーザー駆動コンデンサー及びマイクロコイルを用いる。この方法で生成可能な磁場は、微小な空間（数 mm以下）で短時間（数ナノ秒）に限られるが、100 Tを越える磁場強度を生成出来るという利点がある。
本手法で得られる磁場強度を定量的に評価するために「等温膨脹」に基づいたモデルを開発した．直径500ミクロンの銅製の一巻きコイルに流れる電流の最大値はI = 0.4 MAと求まり，磁場強度はB = 1.0 kTであり，比較的簡易なモデルで実験結果に近い磁場強度が得られることが分かった．
平成24年度に開発したピックアップコイル及びファラデー回転を用いた磁場計測方法は，プローブの位置を固定した定点観測であり，磁場の空間分布を測定するには不適切である．高強度レーザーで加速されるプロトンビームを用いた，プロトンラジオグラフィーによる磁場分布観測をフランスとの国際共同研究で実施した．6.7 MeVのプロトンに銅メッシュを使い，空間的にパターンを印加した後に，磁場中を伝搬させることで，磁場によるメッシュ像の歪みが観測された． モンテカルロ・コードを使った実験データの解析が進行中である．最終結論には至っていないが，他の計測法と同等の磁場強度と，磁場の空間分布が得られている．
今年度は，更に磁場強度のコイル材料依存性についても明らかにした．アルミニウム・銅・ニッケルについて比較を行い，銅製コイルが最も強い磁場強度を示し，ニッケル製コイルは銅コイルよりも若干低く，アルミニウム製のコイルが最も低い磁場強度が得られた．この結果は常温状態での各金属の導電率では説明出来ず，プラズマと中性物質の境界にあるWarm Dense Matterの物性値が重要な役割を果たしていることが示唆されている．

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

キャパシターコイルターゲット中で発生する磁場を計算する簡易モデルを開発し，実験と比較的良い一致が得られることを明らかにした．ファラデー回転，ピックアップコイル及びプロトン・ラジオフラフィーを用いて，キャパシターコイルターゲットによるキロテスラ級磁場の発生を観測した．また理論・シミュレーション研究者との連携により，外部磁場による相対論的電子ビームのガイディングや，磁化プラズマ流体に関する考察，強磁場下での原子状態などの知見が蓄積されており，平成26年度以降の強磁場利用実験の基盤が整った．また，日仏及び日中の国際共同研究も順調に進んでおり，国際共同研究ネットワークの構築も順調に進んでいる．

今後の研究の推進方策

レーザー駆動キャパシターコイルターゲットを使うことで，1 kTを越える磁場を生成出来ることが，簡単なモデル計算及び実験で確実になった．
平成26年度は，まず日仏の共同実験として，5月にキャパシターコイルターゲットを使った強磁場下での相対論的電子ビームのガイディングに関する実証実験が予定されており，相乗りで強磁場下にあるアルミ原子のゼーマン分離の観測も行う予定にしている．．また7月には大阪大学の激光XII号レーザーを用い，強磁場下での流体不安定性に関する国際共同実験を行い，磁化プラズマ中での電子熱伝導の異方性やアルフベン波が高エネルギー密度プラズマの流体運動に与える影響等を定量的に明らかにする予定である．11-12月には強磁場によるワイベル不安定性の抑制実験が予定されている．
上記の通り，平成24年及び25年度で構築した強磁場実験プラットフォームを大いに活用し，平成26年度の強磁場とプラズマの相互作用に注目した強磁場応用実験を展開する．

次年度の研究費の使用計画

日本ローパー製の電子冷却型ICCD検出器の値引きが当初予定よりも大きかったため，来年度使用額が生じた．
今年度使用するキャパシターコイルターゲットの購入代として使用する．

研究成果

• [雑誌論文] Effect of Magnetic Field Strength on a Magnetic Thrust Chamber System (2013)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Maeno, Tomoyuki Hinaga, Naoji Yamamoto, Atsushi Sunahara, Shinsuke Fujioka, Hideki Nakasima
  • 雑誌名: Journal of Propulsion and Power 巻: 30 ページ: 54-61
  • DOI: 10.2514/1.B34911
  • 査読あり
• [雑誌論文] Present status of fast ignition realization experiment and inertial fusion energy development (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Azechi, K. Mima, S. Shiraga, S. Fujioka, H. Nagatomo, et al.,
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 53 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1088/0029-5515/53/10/104021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative measurement of hard X-ray spectra from laser-driven fast ignition plasma (2013)
  • 著者名/発表者名: Z Zhang, H Nishimura, T Namimoto, S Fujioka, Y Arikawa, H Nagatomo, M Nakai, T Ozaki, M Koga, T Johzaki, A Sunahara, H Chen, J Park, GJ Williams, H Shiraga, S Kojima, M Nishikino, T Kawachi, H Hosoda, Y Okano, N Miyanaga, J Kawanaka, Y Nakata, T Jitsuno, H Azechi
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 9 ページ: 435-438
  • DOI: Simulations of laser imprint reduction using underdense foams and its consequences on the hydrodynamic instability growth
  • 査読あり
• [雑誌論文] New insights into the laser produced electron–positron pairs (2013)
  • 著者名/発表者名: Hui Chen, M Nakai, Y Sentoku, Y Arikawa, H Azechi, S Fujioka, C Keane, S Kojima, W Goldstein, BR Maddox, N Miyanaga, T Morita, T Nagai, H Nishimura, T Ozaki, J Park, Y Sakawa, H Takabe, G Williams, Z Zhang
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 15 ページ: 065010
  • DOI: 10.1088/1367-2630/15/6/065010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulations of laser imprint reduction using underdense foams and its consequences on the hydrodynamic instability growth (2013)
  • 著者名/発表者名: M Olazabal-Loumé, Ph Nicolaï, G Riazuelo, M Grech, J Breil, S Fujioka, A Sunahara, N Borisenko, VT Tikhonchuk
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 15 ページ: 085033
  • DOI: 10.1088/1367-2630/15/8/085033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extremely high-pressure generation and compression with laser implosion plasmas (2013)
  • 著者名/発表者名: K Shigemori, Y Hironaka, H Nagatomo, S Fujioka, A Sunahara, T Kadono, H Azechi, K Shimizu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 102 ページ: 183501
  • DOI: 10.1063/1.4804200
  • 査読あり
• [学会発表] 高出力大エネルギーレーザーを用いたキロテスラ級磁場の発生とその応用
  • 著者名/発表者名: 藤岡慎介，Zhang Zhe，石原和大，池之内孝仁，城崎知至A，砂原 淳B，山本尚嗣C，中島秀紀C，
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第34回年次大会
  • 発表場所: 北九州国際会議場
  • 招待講演
• [学会発表] 大エネルギーレーザーを使ったキロテスラ級磁場の発生とレーザー核融合研究への応用
  • 著者名/発表者名: 藤岡慎介
  • 学会等名: 2013 年度低温工学・超伝導学会関西支部第1 回講演会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 招待講演
• [学会発表] Fast-ignition laser inertial fusion research on GEKKO-LFEX laser facility
  • 著者名/発表者名: S. Fujioka1, H. Shiraga, Y. Arikawa, et al.,
  • 学会等名: 4th International Conference on High Energy Density Physics
  • 発表場所: Saint-Maro, France
  • 招待講演
• [学会発表] Application of Kilotesla Magnetic Field Generated by High Power Laser to Laboratory Astrophysics
  • 著者名/発表者名: S. Fujioka
  • 学会等名: The 5th International Workshop on Laboratory Astrophysics
  • 発表場所: Weihai, Shandong, China
  • 招待講演
• [学会発表] Efficient Generation and Collimation of Relativistic Electron Beams for Fast-Ignition Laser Fusion
  • 著者名/発表者名: S. Fujioka, H. Shiraga, Y. Arikawa, Y. Fujimoto, Y. Hironaka, T. Jitsuno, J. Kawanaka, K. Mima, N. Miyanaga, M. Murakami, H. Nagatomo, M. Nakai, Y. Nakata, K.
  • 学会等名: The Eighth Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • 発表場所: Nara, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] レーザー駆動高強度磁場の発生と高速点火レーザー核融合への応用
  • 著者名/発表者名: 藤岡慎介，Zhang Zhe，石原和大，池之内孝仁，城崎知至A，砂原淳B，山本尚嗣C，中島秀紀C，近藤康太郎D，渡辺二太E，坂上仁志E，Santos J. JoaoF，
  • 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