高強度レーザーによる超高圧領域での融解現象～高圧地球科学とレーザー核融合の結合～

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23340175
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 重森 啓介 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 准教授 (50335395)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 近藤 忠 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (20252223) ; 境家 達弘 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (60452421) ; 中井 光男 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (70201663)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 高エネルギー密度科学 / 超高圧 / 音速 / 融解 / 流体不安定性

Research Abstract

本研究課題は，超高温・超高圧力下における融解現象を軸として，地球核物質である鉄と鉄化合物，レーザー核融合ターゲット材料候補の一つであるダイヤモンドに焦点をあてて実験的研究を行っている．実験手法としては，高強度レーザー照射によって発生する超高温・超高圧状態を創り出し，その条件下での物性パラメータの計測を実施している．
これまでの研究において，鉄および鉄化合物に関する実験において，スーパーアースに匹敵する圧力条件までの音速計測を実施し，その音速が古典的経験則である「バーチ則」によく従うことが明らかになった．また，NiやSiなどを混合させた鉄化合物の音速計測も実施し，これら微量軽元素が音速に及ぼす効果があきらかとなり，地球外核を構成する物質の組成に関する新しい知見が得られた．
ダイヤモンドの関しては，これまで得られていなかった1500万気圧（1.5 TPa）までの音速計測に成功し，これまでに予測されていた超高圧状態での融解状態に矛盾しない結果となった．さらに核融合ターゲットを模擬した照射非一様によって及ぼされる「インプリント」抑制の実験的研究を行い，弾性体から塑性体に変化するまでの領域でインプリントが大きく抑制されるという新しい概念を構築することができた．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

これまでの3年間の研究において，研究計画調書に記載したほぼすべて網羅する項目を遂行することができた．鉄とダイヤモンドの融解現象を軸とした物理的理解は，地球科学的な見地から地球外核の組成に関する新たな制約条件を与えることが可能になり，レーザー核融合の見地からは物質の「硬さ」に着目したターゲット設計という新しい境地を拓くことができた．加えて調書に含まれてない内容の一つとして，レーザー核融合プラズマを用いた極高圧力（1 GBar以上）の発生とその圧縮・回収実験を開発し，本研究の応用領域として新しい見地のベースを構築することが可能となった．なお，研究計画調書で述べた中で，唯一NIF（National Ignition Facility）での実験が行われていないが，これはマシンタイム上の都合であり，2014年または2015年中に実施可能になる見込みである．

Strategy for Future Research Activity

2014年度は，これまでの研究成果を踏まえて，鉄に関しては更なるデータ取得（異なる圧力条件，化学組成比，バーチ則の拡大検証）を実施するとともに，これらの結果を論文化し精力的に情報発信を行う予定である．ダイヤモンドに関しては，弾塑性転移が初期インプリントの抑制に大きくかかわることから，これを積極的に用いたレーザー核融合ターゲット（照射パルス波形も含む）の設計を行うほか，追加実験を実施して論文化を行う．さらにこれまでの成果を拡張し，ギガバールに至るまでの極高圧力状態を自由自在に得るための実験基盤技術を開発し，本研究で得られた成果を次の研究フェーズに活かすための準備を行う．

Research Products

• [Journal Article] Sound velocity and density measurements of liquid iron up to 800 GPa: A universal relation between Birch's law coefficients for solid and liquid metals (2014)
  • Author(s): Tatsuhiro Sakaiya, Hideki Takahashi, Tadashi Kondo, Toshihiko Kadono, Yoichiro Hironaka, Tetsuo Irifune, Keisuke Shigemori
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 392 Pages: 80-85
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2014.02.019
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Production of sulphate-rich vapour during the Chicxulub impact and implications for ocean acidification (2014)
  • Author(s): Sohsuke Ohno, Toshihiko Kadono, Kosuke Kurosawa, Taiga Hamura, Tatsuhiro Sakaiya, Keisuke Shigemori, Yoichiro Hironaka, Takayoshi Sano, Takeshi Watari, Kazuto Otani, Takafumi Matsui & Seiji Sugita
  • Journal Title: Nature Geoscience Volume: 7 Pages: 279-282
  • DOI: 10.1038/ngeo2095
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extremely high-pressure generation and compression with laser implosion plasmas (2013)
  • Author(s): Shigemori, K., Hironaka, Y., Nagatomo, H., Fujioka, S., Sunahara, A., Kadono, T., Azechi, H., Shimizu, K.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 102 Pages: 183501
  • DOI: 10.1063/1.4804200
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Advances in the investigation of shock-induced reflectivity of porous carbon (2013)
  • Author(s): Batani, D. , Paleari, S., Vinci, T., Benocci, R., Shigemori, K., Hironaka, Y., Kadono, T., Shiroshita, A.
  • Journal Title: Laser and Particle Beams Volume: 31 Pages: 457-464
  • DOI: 10.1017/S026303461300030X
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Present status of fast ignition realization experiment and inertial fusion energy development (2013)
  • Author(s): H. Azechi, K. Mima, S. Shiraga, S. Fujioka, H. Nagatomo,, H. Nishimura, T. Norimatsu, P. Norreys, T. Ozaki, J. Pasley, H. Sakagami, Y. Sakawa, N. Sarukura, K. Shigemori, et al.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 53 Pages: 104021
  • DOI: 10.1088/0029-5515/53/10/104021
• [Presentation] ダイヤモンドアブレーターによる初期インプリントの抑制効果 (2014)
  • Author(s): 加藤弘樹
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 20140328-20140328
• [Presentation] レーザー爆縮プラズマを用いた極高圧力の発生とギガバール科学の開拓 (2014)
  • Author(s): 重森啓介
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原キャンパス
  • Year and Date: 20140308-20140308
• [Presentation] 高強度レーザーを用いた極高圧力の発生～メガバールからギガバール (2013)
  • Author(s): 重森啓介
  • Organizer: 「日本における超高速衝突実験の現状と将来展望」研究会
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所
  • Year and Date: 20131220-20131220
• [Presentation] Mitigation of laser imprinting with diamond ablator for direct-drive inertial confinement fusion targets (2013)
  • Author(s): Keisuke Shigemori
  • Organizer: 45 th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physical Society
  • Place of Presentation: Sheraton Hotel, Denver Downtown
  • Year and Date: 20131115-20131115
• [Presentation] ダイヤモンドアブレーターによる初期インプリントの抑制効果 (2013)
  • Author(s): 加藤弘樹
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学
  • Year and Date: 20130926-20130926
• [Presentation] Sound velocity and density measurements of FeSi alloy by laser‑shock compression (2013)
  • Author(s): N. Yokoyama
  • Organizer: r8th International Conference on Inertial FUsion Sciences and Applications
  • Place of Presentation: Nara New Public Hall
  • Year and Date: 20130910-20130910
• [Presentation] Sound velocities of Fe75Ni15Si10 alloys up to 800GPa by laser‑shock compression (2013)
  • Author(s): R. Hosogi
  • Organizer: Inter8th International Conference on Inertial FUsion Sciences and Applications
  • Place of Presentation: Nara New Public Hall
  • Year and Date: 20130910-20130910
• [Presentation] Mitigation of laser imprinting with diamond ablator for direct-drive (2013)
  • Author(s): Keisuke Shigemori
  • Organizer: 8th International Conference on Inertial FUsion Sciences and Applications
  • Place of Presentation: Nara New Public Hall
  • Year and Date: 20130910-20130910