| 研究課題/領域番号 |
25287153
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
岸本 泰明 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (10344441)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 高強度レーザー / レーザープラズマ / 高エネルギー密度科学 / 輻射減衰 / 輻射プラズマ |
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| 研究概要 |
本研究は、極限輻射プラズマの開拓とそれを用いた応用研究を推進することを目的として、平成25年度は以下の研究を推進した。
(1) 高強度レーザー場の非局所動重力の理論構築とシミュレーションによる検証：極限輻射プラズマの基礎を司る高強度レーザーの動重力について、粒子振動距離とレーザー場勾配のスケール長の比を展開パラメータとして、その１次の局所的力として導いていた従来理論に対し、位相空間ラグランジアンに基づく非正準Lie摂動論をレーザー分野に初めて導入し、3次までの効果を取り入れた新しい動重力理論を構築した。この理論は、電場の曲率やその変化率で記述される非局所的な動重力項を有し、1次動重力が消失する平坦な集光構造のレーザーに対して重要な役割を果たす。
(2) Vlasov手法による運動論コードの開発とLandau減衰の数値的検証： 粒子手法とともに位相空間を流体的に扱うVlasovコードの開発を行うとともに、安定な揺らぎに対するランダウ減衰の特性の詳細な解析を行った。特に、Landau減衰を固有モードとして再現するには衝突による散逸効果の存在が重要な役割を果たすことを明らかにした。
(3) 高強度レーザーとクラスター媒質の相互作用シミュレーション： 拡張型プラズマ粒子コード(EPIC3D)を用いて、集光強度が輻射減衰から相対論的イオンに差し掛かる高強度レーザーとクラスター媒質との相互作用シミュレーションを行い、基本ダイナミクスと実現されるイオン加速の詳細を明らかにした。ターゲット媒質として、半径や空間充填率の異なるクラスター媒質と固体薄膜を比較した結果、クラスター媒質ではクーロン爆発効果によりイオンの最大エネルギーが固体薄膜より増大するとともに、最大加速を与える適切なパラメータ領域が存在することを明らかにした。今後、輻射減衰効果をEPIC3Dに導入する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
本研究は、近年の大型光学素子技術や極限集光技術などの目覚ましい発展により、従来を大きく上回る超高強度レーザーの実現が視野に入りつつことを踏まえ、その領域で実現される極限輻射プラズマの学術基盤とその応用研究を展開することを目的としている。このような新規なプラズマの解析には、従来のアプローチにとらわれない斬新で挑戦的な理論・シミュレーション手法を開拓するとともに、実験事実との比較・検証相補的・有機的に研究を展開することが求められる。
この方針に則り、本年度は、極限輻射プラズマを記述する理論的および数値的方法論を開拓するとともに、極限輻射プラズマを生成するクラスター媒質と高強度レーザーの相互作用に関する基本的理解の進展に努めた。
特に、位相空間ラグランジアンを基礎に置いた非正準Lie摂動論のレーザー研究への導入とそれによる非局所動重力の表式導出の成功（研究実績(1)）は今後の研究展開の基礎を築くものである。また、Vlasov手法による運動論コードの開発とLandau減衰の数値的検証研究（研究実績(2)）は、今後開発検討を行う輻射輸送コードの基礎資料となるとともに、本研究において今後中心的役割を果たす拡張型プラズマ粒子コード(EPIC3D)の計算精度を比較・検証する役割を果たすものである。また、クラスター媒質と輻射減衰領域での高強度レーザーの相互作用シミュレーションで得られた成果（研究実績(2)）は、極限輻射プラズマ生成の現実性を示唆するものである。
以上から、平成25年度は、予定通りの順調な研究の進展であると評価できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
H25年度の成果に基礎に、極限輻射プラズマを再現するシミュレーションコードの開発を進展させるとともに、各開発段階において可能なシミュレーションを実施することにより極限輻射プラズマの構造とダイナミックスに関する理解を進展させる。また、極限輻射プラズマを記述する理論モデルの開拓する研究を進める。具体的には以下の方針で進める。(1) 本研究において今後中心的役割を果たす拡張型プラズマ粒子コード(EPIC3D)に、極限輻射プラズマの再現に不可欠な散逸過程である輻射減衰効果を取り入れるとともに、その下でのクラスター媒質と高強度レーザーの相互作用シミュレーションを実施する。また、クラスター媒質には高価数物質（金・銀・タングステンなど）を想定するが、それらの電離過程を高精度で再現する原子データをEPICに導入する研究を進展させる。
(2) 連携研究者等の研究機関では、高強度レーザーを用いたクラスター媒質による粒子加速や電子・陽電子生成の実験が進展している。上記(1)で開発しEIC3Dにより実験に対応した数値実験を実施し、両者の比較・検討を通して数値モデルの適用性と妥当性を検証する。これにより極限輻射プラズマ研究を総合的に推進するミュレーション体系を確立する。
(3) 上述(2)のような実験と比較・検討しながら極限輻射プラズマ研究を進めるためには、ペタフロップスレベルの大規模シミュレーションが必要になる。このため、開発したEPIC3Dの超並列計算を行うためのコードのチューニングを行うとともに、神戸京速コンピュータ等の使用なども検討する。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
本研究においては、極限輻射プラズマを高精度で再現する拡張型プラズマ粒子コード(EPIC3D)の開発を主要課題として進めている。H25年度は、EPIC3Dに輻射減衰効果を導入するとともに、高強度レーザーに照射された高価数物質のクラスターの電離過程を再現するための場および電子衝突による電離モデルの導入を検討していた。しかし、このために、輻射減衰領域での急峻な時空間構造も持ったレーザー場中での高精度かつ長時間の粒子ダイナミックスを理解する必要がある。このため、コード開発に先立って、平成25年度は、上記の理論解析および輻射減衰効果（散逸効果）を含まない理想状態での高強度レーザーとクラスター媒質の相互作用を理解することに注力した結果、上記のコード開発はH26に持ち越す判断を行った。
H26年度は、H25年度に予定していた輻射減衰効果および高強度レーザーに照射された高価数物質（金・銀・タングステンなど）のクラスター媒質の電離過程を再現する機能を拡張型プラズマ粒子コード(EPIC3D)に導入するとともに、その正常動作の確認および超並列計算を実現するためのコードのチューニング作業をH26年度前半に実施する予定である。また、H26年度前半に開発したコードを基礎に輻射減衰領域における高強度レーザーとクラスター媒質の相互作用シミュレーションを実施し、極限輻射プラズマを理解する研究に着手する。
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