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

2016 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: レーザープラズマ実験 / 磁気流体シミュレーション

研究実績の概要

本研究では、プラズマ中の界面不安定、特にリヒトマイヤー・メシュコフ不安定(RMI)、における外部磁場の影響を、レーザー実験と理論シミュレーションの両面から検証している。このような不安定性は、超新星爆発衝撃波と星間プラズマとの相互作用の際に重要になり、星間乱流や磁場増幅の起源になりうると考えられている。また、慣性核融合プラズマでは、球殻状ターゲットを高強度レーザーで爆縮する際に、界面不安定が起因となる乱流混合の制御が鍵となっている。もしこのような不安定性が発生してしまうと、均一な効率的圧縮が妨げられ、核融合点火の大きな障害となっている。本研究では、界面不安定と磁場との相互作用を精査することで、界面擾乱の非線形進化の理解し、最終的には不安定成長の抑制にまで結びつけることを目標としている。
実験的研究の実績としては、これまでの三年間は大阪大学の激光レーザーを用いた実験を実施してきた。今年度もレーザーエネルギー学研究センターの「大型レーザー装置による共同利用・共同研究」に引き続き採択され、実験の実施が決定している。昨年度には、これまでの実験成果をレーザー学会と日本物理学会で初めて発表することができた。一方、理論面では、磁気流体シミュレーションと渦シートモデルの比較を進め、その成果を論文として発表することができた(Matsuoka, Nishihara, and Sano, J. Nonlinear Sci., 2017)。また、これまで注目されていなかった不安定抑制機構として、リップル衝撃波が残すバルク渦度の効果についての解析を進めている。この効果は、プラズマの状態方程式に強く依存し、圧縮性の高い流体の場合により顕著になることが明らかになっている。

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

実験的研究に関しては、国内最大の大出力レーザーである大阪大学激光レーザーを用いた実験を行ってきた。これまでの三年間は毎年度、一週間程度の実験期間を獲得し、磁化プラズマ中のリヒトマイヤー・メシュコフ不安定(RMI)実験を実施した。昨年度の実験では、ポリスチレン表面の初期擾乱がレーザー駆動衝撃波の通過後にRMIによって振幅が数十倍も増幅される様子を観測することに成功した。その成長速度はおよそ秒速５キロメートル程度となり、これは理論的な予測とよい一致を示している。また、透過衝撃波や窒素ガスとの界面速度がほぼ一定で、実験の時間スケールでは原則が無視できることも確認できた。これらの結果から、レーザープラズマを用いたRMIの実験フォーマットは確立できたと考えている。残る課題は、プラズマ中の磁場強度の見積りであり、これについては最終年度に取り組む予定である。
理論シミュレーション面では、以前に行ったRMIの二次元磁気流体シミュレーションの結果を、渦シート近似によって記述するモデルの構築を行った。磁場が存在する場合、界面には単なる渦シートだけではなく、電流シートも付随するため、この電流シートを含むモデルの構築に世界で初めて成功した。この電流渦シートモデルは、磁気流体シミュレーションで明らかになった、RMIによる磁場増幅現象や、ある臨界値を越える強磁場によるRMIの抑制過程などの特徴をきれいに再現することができる。これによって、界面の運動が磁場中のRMI成長の本質であることが示せただけでなく、大規模な磁気流体シミュレーションを行う代わりに、このシンプルなシートモデルでRMIの進化を近似的に予測する事が可能となる。今後は、RMIの三次元的な振る舞いの理解に向けて、三次元磁気流体シミュレーションの実施を考えている。

今後の研究の推進方策

最終年度である本年度は、大型レーザー実験を用いて、不安定成長に起因する乱流混合の様子や磁場の時間変化の計測を重点的に行いたい。実験デザインの更なる最適化を探ると同時に、未だに確立されていない磁場の直接計測法の開発も重要課題として取り組んでいく。そして、磁化プラズマ中のリヒトマイヤー・メシュコフ不安定実験を、世界に先駆けて成功させたい。
最重要課題である磁場計測については、磁場誘導(B-dot)コイルによる局所的な磁場の観測を行い、RMIの成長に伴う磁場増幅の時間発展を調べたい。過去の実験では、衝撃波の伝播する方向とずれた位置にB-dotプローブを設置していたため、RMIと磁場増幅の因果関係を有意に議論できるデータの取得には至らなかった。そこで来年度は、ターゲット構造に改良を加えることで、RMIに伴う乱流増幅磁場の計測に成功したい。
本年度はさらに、二段衝撃波によるRMIの成長過程についても明らかにしていきたい。天体および核融合プラズマにおけるRMIでは、複数の衝撃波の影響を受けることが常に起こりうる。理論的には、多重衝撃波によってRMIの成長がさらに加速する可能性が指摘されている。したがって、二段衝撃波によって乱流混合がどの程度促進されるのかを、レーザー実験を用いて定量的に理解することは極めて大きな意義を持つと考えている。
一方、理論的研究においては、実験との定量的な比較が可能な二次元磁気流体シミュレーションを実施し、レーザー実験で実際に起こっているRMIの特性を丁寧に理解していきたい。また、磁場を伴う現象は三次元効果が本質となる場合が多いため、シミュレーションを三次元に拡張し擾乱成長の詳細な解析も同時に進めていきたい。

次年度使用額が生じた理由

昨年度に実施したレーザー実験において、予定していた計測器が故障によって使用できないことになり、次回の実験に持ち越しということになった。そのため、その計測器の準備費用も次年度に持ち越すという形を取った。この計測は、本研究課題にとって極めて重要な要素となるので、本年度の実験では万全の体制で臨めるよう準備を進める予定にしている。

次年度使用額の使用計画

繰り越した予算は、磁場計測に用いるB-dotの整備費用とする。この装置は、界面不安定によって発生したプラズマ乱流中で増幅された磁場強度を計測するためのものである。本年度の激光レーザー実験は２月に実施されるため、年度後半から実験準備を始める予定にしている。

研究成果

• [国際共同研究] LULI/CEA(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: LULI/CEA
• [雑誌論文] Nonlinear Dynamics of Non-uniform Current-Vortex Sheets in Magnetohydrodynamic Flows (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka C.、Nishihara K.、Sano T.
  • 雑誌名: Journal of Nonlinear Science 巻: 27 ページ: 531～572
  • DOI: 10.1007/s00332-016-9343-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spontaneous Formation of Surface Magnetic Structure from Large-scale Dynamo in Strongly Stratified Convection (2016)
  • 著者名/発表者名: Masada, Youhei; Sano, Takayoshi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 822 ページ: L22, 7 pp.
  • DOI: 10.3847/2041-8205/822/2/L22
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic compression of dense oxide (Gd3Ga5O12) from 0.4 to 2.6 TPa: Universal Hugoniot of fluid metals (2016)
  • 著者名/発表者名: Ozaki, N.; Nellis, W. J.; Mashimo, T.; Ramzan, M.; Ahuja, R.; Kaewmaraya, T.; Kimura, T.; Knudson, M.; Miyanishi, K.; Sakawa, Y.; Sano, T.; Kodama, R.
  • 雑誌名: Nature Scientific Reports 巻: 6 ページ: 26000
  • DOI: 10.1038/srep26000
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamic X-ray diffraction observation of shocked solid iron up to 170 GPa (2016)
  • 著者名/発表者名: Denoeud, A.; Ozaki, N.; Benuzzi-Mounaix, A.; Uranishi, H.; Kondo, Y.; Kodama, R.; Brambrink, E.; Ravasio, A.; Bocoum, M.; Boudenne, J.-M.; Harmand, M.; Guyot, F.; Mazevet, S.; Riley, D.; Makita, M.; Sano, T.; Sakawa, Y.; Inubushi, Y.; Gregori, G.; Koenig, M.; Morard, G.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 113 ページ: 7745-7749
  • DOI: 10.1073/pnas.1512127113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Shock compression response of forsterite above 250 GPa (2016)
  • 著者名/発表者名: Sekine, T.; Ozaki, N.; Miyanishi, K.; Asaumi, Y.; Kimura, T.; Albertazzi, B.; Sato, Y.; Sakawa, Y.; Sano, T.; Sugita, S.; Matsui, T.; Kodama, R.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 2 ページ: e1600157
  • DOI: 10.1126/sciadv.1600157
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Time Evolution of Kelvin-Helmholtz Vortices Associated with Collisionless Shocks in Laser-produced Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: Kuramitsu, Y.; Mizuta, A.; Sakawa, Y.; Tanji, H.; Ide, T.; Sano, T.; Koenig, M.; Ravasio, A.; Pelka, A.; Takabe, H.; Gregory, C. D.; Woolsey, N.; Moritaka, T.; Matsukiyo, S.; Matsumoto, Y.; Ohnishi, N.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 828 ページ: 93, 10 pp.
  • DOI: 10.3847/0004-637X/828/2/93
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Decaying shock studies of phase transitions in MgO-SiO2 systems: Implications for the super-Earths' interiors (2016)
  • 著者名/発表者名: Bolis, R. M.; Morard, G.; Vinci, T.; Ravasio, A.; Bambrink, E.; Guarguaglini, M.; Koenig, M.; Musella, R.; Remus, F.; Bouchet, J.; Ozaki, N.; Miyanishi, K.; Sekine, T.; Sakawa, Y.; Sano, T.; Kodama, R.; Guyot, F.; Benuzzi-Mounaix, A.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 43 ページ: 9475-9483
  • DOI: 10.1002/2016GL070466
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] キロテスラ級の強磁場中における高強度レーザーの伝播特性について (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐野孝好、田中勇気、山口智士、村上匡且、 岩田夏弥、畑昌育、千徳靖彦、三間國興
  • 学会等名: レーザー学会第37回年次大会
  • 発表場所: 徳島大学
  • 年月日: 2017-01-09 – 2017-01-09
• [学会発表] レーザー駆動衝撃波を用いた磁場中におけるRichtmyer-Meshkov不安定に関する実験的研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 玉谷昇平, 佐野孝好, 村上匡且, 松尾一輝, 下河原浩志, Rajesh Kumar, 坂和洋一
  • 学会等名: レーザー学会第37回年次大会
  • 発表場所: 徳島大学
  • 年月日: 2017-01-09 – 2017-01-09
• [学会発表] High Power Laser-Plasma Interaction under a Strong Magnetic Field (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Sano, Y. Tanaka, T. Yamaguchi, M. Murakami, N. Iwata, M. Hata, K. Mima
  • 学会等名: 58th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 2016-11-04 – 2016-11-04
  • 国際学会
• [学会発表] 高密度磁化プラズマ中の大振幅ホイッスラー波の伝播特性について (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2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [学会発表] 並行強磁場中におけるレーザーとプラズマ相互作用に関する PICシミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中勇気 ,山口智士 ,佐野孝好 ,村上匡且
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [学会発表] High Power Laser-Plasma Interaction under a Strong Magnetic Field (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Sano, Y. Tanaka, T. Yamaguchi, M. Murakami, N. Iwata, M. Hata, K. Mima
  • 学会等名: 6th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical plasmas
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 2016-07-14 – 2016-07-14
  • 国際学会