界面不安定性による磁化プラズマの乱流混合過程の解明とその実験的検証

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26287147
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 佐野 孝好 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 助教 (80362606)
• 研究分担者: 森田 太智 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (30726401) ; 西原 功修 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 名誉教授 (40107131) ; 坂和 洋一 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 准教授 (70242881)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 磁気流体シミュレーション / レーザープラズマ実験

研究実績の概要

「磁場」と「乱流混合」が様々なプラズマ現象でホットなキーワードとなっている。本研究は、界面不安定の一つであるリヒトマイヤー・メシュコフ不安定に着目する。 まず、宇宙プラズマに見られる界面不安定駆動の「磁気乱流」の特性を理解し、観測される星間磁場との比較を通して「乱流と磁場」の相互作用を明らかにする。そして、「磁化プラズマ中の乱流混合」を、制御できるまでに理解を深めることで、慣性核融合プラズマへの応用も視野に入れて研究を進める。本研究の最大の特色は、理論シミュレーションに加えて、レーザープラズマを用いた実験的検証も平行して行う点である。これらによって、観測や実験に裏付けられたロバストな理論モデルが構築できると確信している。
実験面では計測技術の成熟によって、外部磁場中でのリヒトマイヤー・メシュコフ不安定の成長過程及び磁場の計測に成功した。固体ーガス界面に初期に与えられた擾乱が、レーザー駆動衝撃波の通過によって不安定成長し、10倍以上の擾乱振幅の増大を観測した。その形状は指型に延びており、固体ーガス界面のように密度比の大きな界面における不安定性の特徴と一致している。また、0.1テスラ程度の永久磁石によって印可した外部磁場の有無によって、プラズマの持つ磁場強度に大きな違いがあることも明らかに出来た。しかしながら、界面不安定の成長による磁場の増幅という、定量的な部分については依然として決着がついておらず、次年度以降も実験に改良を加えつつ引き続き研究を進めていく予定である。

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

レーザー実験に関しては、今年度も大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの大型レーザーを用いた共同利用・共同研究課題「リヒトマイヤー・メシュコフ不安定性による磁化プラズマの乱流混合過程」として、約一週間の実験を実施した。今年度は、精度が飛躍的に向上した可視光計測によって、界面擾乱が不安定成長する様子をきれいに捕えることに成功した。また、不安定性によって増幅された磁場の情報も、再現性よく計測することができた。その結果、例えば磁場計測に関して、現状の計測器の配置では本来期待していた効果による磁場の変化を観測することが出来ないなどの課題も明らかになり、これに関しては今後の実験で改善していきたいと考えている。
理論面では、磁化プラズマ中でのレーザープラズマ相互作用に関する新しい研究展開も行っている。レーザーからプラズマへのエネルギー変換過程は、その後の流体不安定の成長にとっても極めて重要なプロセスであるため、この理解を主に粒子シミュレーションを用いて詳しく解析を進めている。次年度以降も、粒子シミュレーションによるプラズマ加熱現象を扱いながら、さらに三次元磁気流体シミュレーションによる界面不安定の解析にも取り組む予定である。

今後の研究の推進方策

理論的研究では、三次元シミュレーションによる磁場入りリヒトマイヤー・メシュコフ不安定の解析を行いたい。界面不安定の特性を詳しく調べることを目的として、ここでも計算領域に一つのモードの初期擾乱のみを考えるシングルモード解析を適用する。二次元解析と同様に不安定性の非線形進化や磁場の増幅過程を、様々な物理パラメータに対して定量的に解析する。さらに、磁場の三次元構造を考慮することにより、磁場の幾何学的構造と不安定性の成長及び抑制条件の相関を明らかにしていく。また、三次元化によって、磁気ヘリシティという新しい概念を導入できる。そこで、磁気ヘリシティが界面不安定にどのような効果を及ぼすのかについて、特に注目しながら解析を進めていきたい。
実験面では、来年度も大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの共同利用・共同研究実験に採択されており、国内最大の大出力レーザーである激光12号レーザーを用いたリヒトマイヤー・メシュコフ不安定の実験を実施する予定である。実験的には、界面の密度比、すなわちアトウッド数に対する依存性に着目する。これまでは、固体プラスチックターゲットと窒素ガスとの間の界面擾乱の成長過程を扱っていたが、ガス圧をコントロールできる新しいターゲットを導入し、異なる物理パラメータを模擬する実験に挑戦していきたい。また、フランスの大型レーザーを用いた類似の実験にも参加し、新しい実験の可能性についても追求していきたいと考えている。

次年度使用額が生じた理由

実験に使用予定であった計測器に不具合が生じたため急遽その修理などに費用が必要になるなどの予定変更があったため、当初購入予定であった計算クラスタは次年度の予算で購入するようにしたため。なお、理論シミュレーション研究には、大阪大学などの計算機資源を有効に利用することでほぼ予定通りの研究を進めることが出来た。

次年度使用額の使用計画

次年度には計算クラスタを購入し、計算コードの開発や小規模シミュレーションを大量に実施し、リヒトマイヤー・メシュコフ不安定の三次元解析を進めていきたい。

研究成果

• [国際共同研究] Universidad de Castilla-La Mancha(Spain)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Universidad de Castilla-La Mancha
• [国際共同研究] LULI(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: LULI
• [雑誌論文] Model experiment of magnetic field amplification in laser-produced plasmas via the Richtmyer-Meshkov instability (2016)
  • 著者名/発表者名: Kuramitsu, Y. et al.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 ページ: 032126
  • DOI: 10.1063/1.4944925
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic reconnection driven by Gekko XII lasers with a Helmholtz capacitor-coil target (2016)
  • 著者名/発表者名: Pei, X. X.; Zhong, J. Y.; Sakawa, Y.; Zhang, Z.; Zhang, K.; Wei, H. G.; Li, Y. T.; Li, Y. F.; Zhu, B. J.; Sano, T.; Hara, Y.; Kondo, S.; Fujioka, S.; Liang, G. Y.; Wang, F. L.; Zhao, G.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 ページ: 032125
  • DOI: 10.1063/1.4944928
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear motion of a current-vortex sheet in MHD Richtmyer-Meshkov instability (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka, Chihiro; Nishihara, Katsunobu; Sano, Takayoshi
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 688 ページ: 012063
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012063
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thomson scattering measurement of a collimated plasma jet generated by a high-power laser system (2016)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa, T.; Sakawa, Y.; Morita, T.; Yamaura, Y.; Kuramitsu, Y.; Moritaka, T.; Sano, T.; Shimoda, R.; Tomita, K.; Uchino, K.; Matsukiyo, S.; Mizuta, A.; Ohnishi, N.; Crowston, R.; Woolsey, N.; Doyle, H.; Gregori, G.; Koenig, M.; Michaut, C.; Pelka, A.; Yuan, D.; Li, Y.; Zhang, K.; Zhong, J.; Wang, F.; Takabe, H.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 688 ページ: 012098
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012098
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 衝撃波によって励起されたRichtmyer-Meshkov不安定による磁場増幅 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐野孝好
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 92 ページ: 83-86
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental and ab initio investigations of microscopic properties of laser-shocked Ge-doped ablator (2015)
  • 著者名/発表者名: Huser, G.; Recoules, V.; Ozaki, N.; Sano, T.; Sakawa, Y.; Salin, G.; Albertazzi, B.; Miyanishi, K.; Kodama, R.
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 92 ページ: 063108
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.92.063108
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Computational study of magnetic field compression by laser-driven implosion (2015)
  • 著者名/発表者名: Nagatomo, H.; Johzaki, T.; Asahina, T.; Sunahara, A.; Sano, T.; Sakagami, H.; Mima, K.; Fujioka, S.; Shiraga, H.; Azechi, H.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 ページ: 093028
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/9/093028
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dependence of the Saturation Level of Magnetorotational Instability on Gas Pressure and Magnetic Prandtl Number (2015)
  • 著者名/発表者名: Minoshima, Takashi; Hirose, Shigenobu; Sano, Takayoshi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 808 ページ: 54
  • DOI: 10.1088/0004-637X/808/1/54
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] P-ρ-T measurements of H2O up to 260 GPa under laser-driven shock loading (2015)
  • 著者名/発表者名: Kimura, T.; Ozaki, N.; Sano, T.; Okuchi, T.; Sano, T.; Shimizu, K.; Miyanishi, K.; Terai, T.; Kakeshita, T.; Sakawa, Y.; Kodama, R.
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 142 ページ: 164504
  • DOI: 10.1063/1.4919052
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spherical shock in the presence of an external magnetic field (2015)
  • 著者名/発表者名: Kuramitsu, Y. et al.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 688 ページ: 012056
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012056
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 強磁場中でのレーザー・プラズマ相互作用による相対論的電子のサイクロトロン共鳴 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐野孝好, 田中勇気, 山口智士, 村上匡且, 三間國興
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] 強磁場中におけるレーザープラズマ実験とその応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐野孝好
  • 学会等名: 日本天文学会2016年春季年会
  • 発表場所: 八王子
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] Impact of bulk vorticity generated by rippled shock waves on the evolution of Richtmyer-Meshkov instability (2015)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Sano, Katsunobu Nishihara, and J. Gustavo Wouchuk
  • 学会等名: The 9th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • 発表場所: Bellevue, USA
  • 年月日: 2015-09-20 – 2015-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] リップル衝撃波が生成するバルク渦度による リヒトマイヤー・メシュコフ不安定の抑制 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐野孝好, 西原功修, J. Gustavo Wouchuk
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季年会
  • 発表場所: 吹田
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] レーザー駆動イオン加速における外部強磁場の効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐野孝好, 村上匡且, 岩田夏弥, 森高外征雄, 三間圀興
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季年会
  • 発表場所: 吹田
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19