2015 Fiscal Year Annual Research Report
輻射減衰領域でのレーザー物質相互作用による新物質状態の創成と応用研究の開拓
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25287153
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
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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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 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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| Outline of Annual Research Achievements |
高強度レーザーと物質との相互作用を高精度で再現する拡張型粒子コード（EPIC3D）の開発を進めた。これを用いて、X線・ガンマ線を含む広帯域の輻射過程を中心に、高強度レーザーと様々な重元素からなる構造性媒質との相互作用で生成される「非平衡極限輻射プラズマ」の素過程を調べた。
1)高密度プラズマ状態を高精度で再現するため、これまでの線形補間による粒子情報の計算メッシュへの割り当に対して、補間次数を2次に拡張するとともに、そのもとで高並列計算を可能にするコード開発を行った。
2)重元素物質と高強度レーザーとの相互作用を再現するため、電子の輻射減衰過程および高エネルギー電子と重元素イオンとの衝突によるBremsstrahlung過程によるX線・ガンマ線輻射、内殻電離による輻射遷移過程および自動電離過程をEPICに導入した。
3)異なった空間充填率の炭素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により、固体薄膜に比べてクラスターを使用することによって優位に輻射減衰効果（X線・ガンマ線放射）を増大させることができること、また、それを最大化するクラスターサイズが存在することを明らかにした。
4)EPICを用いて、炭素、アルミニウム、鉄、ゼノン、金などの各種重元素からなる固体薄膜と1021W/cm2領域レーザーとの相互作用シミュレーションを行い、Bremsstrahlung過程、内殻電離による輻射遷移X線放射および自動電離過程などによるX線輻射への変換率などの詳細を調べた。
5)JAEA関西研究所で行っている高強度レーザーとクラスター媒質との相互作用実験を、EPICを用いて再現・予測する研究を進展させた。H28年度に予定されているレーザー強度の増大の計画を受け、レーザーと水素クラスターの相互作用による水素イオン加速のシミュレーション研究を着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「非平衡極限輻射プラズマ」を再現することを目的に、EPICに電子の輻射減衰過程や高エネルギー電子と重元素イオンとの衝突によるBremsstrahlung過程、内殻電離による輻射遷移X線放射および自動電離（オージェ）過程などを導入することにより、X線・ガンマ線を含む広帯域の輻射過程を取り扱うシミュレーションコード体系を整えるとともに、高強度レーザーと様々な構造性媒質との相互作用シミュレーションを実現した。これは、非平衡極限輻射プラズマとして位置付けられるとともに、今後様々な応用研究が期待される重元素プラズマの複雑な特性を調べる研究の基礎になるものである。
このコード開発によって、共同研究を行っているJAEA関西研究所(H28年度よりQST)の増強したレーザー装置で予定されている輻射減衰を含む1022W/cm2 領域の相互作用実験の予測が可能になる。コード開発と平行して、1022-1023W/cm2領域のレーザーと炭素クラスター媒質との相互作用による輻射減衰とX線・ガンマ線放射のシミュレーションを行い、論文投稿を行った（H28年4月現在査読中（Physics of Plasmas））。また、「非平衡極限輻射プラズマ」におけるX線・ガンマ線を含む広帯域の輻射過程を調べる研究にも着手した。
これらは、当初計画における課題2「基礎実験との比較による極限輻射プラズマの理論・数値モデルの同定・検証（本科研申請書の研究目的）」を概ね達成したことを意味している。以上から、平成26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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| Strategy for Future Research Activity |
H27年度までに開発した物質の原子過程や衝突・緩和過程、輻射減衰効果を含む様々な輻射過程を取り入れた粒子コードEPIC の開発とそれによる理論・シミュレーション研究を継続することによって、当初目的である重元素からなる構造性媒質と輻射減衰領域の超高強度レーザーとの相互作用で実現する非平衡極限輻射プラズマ研究を世界的にリードする基盤を構築することを目指す。具体的には、残された研究期間中に以下を実施する。
1)現在まで別々に計算しているa) 電子の輻射減衰過程によるX線・ガンマ線放射、b) 高エネルギー電子と重元素イオンとの衝突によるBremsstrahlung過程によるX線放射、内殻電離による輻射遷移X線放射および自動電離（オージェ）過程などの輻射過程を自己無撞着に統合するとともに、輻射輸送コードと結合することにより、非平衡極限輻射プラズマを再現する統合化コード体系を構築する。
2)内殻電離を含む様々な重元素の輻射遷移過程をコードに取り入れるとともに、電子・陽電子生成過程や核変換・核融合・中性子生成などの素過程の導入を目指す。
3)上記1) 2) などの様々な素過程を含むシミュレーションは大規模になることから計算科学分野の研究者と協力してコードの高効率並列化を行うとともに、高密度状態においても高精度計算を行うことができるよう、数値手法の改良を行う。
4)開発したコードを使用して、金やウランなどを含む重元素からなるクラスターなどの構造性媒質と1022-24W/cm2 領域の超高強度レーザーの相互作用シミュレーションを実現し、(1) 高強度・広帯域の光子場、(2) 超相対論的電子・陽電子、(3) 多価イオン が動力学レベルで強く結合した新しい物質状態の創成に関する研究を実施する。
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| Causes of Carryover |
H27年度は、当初H26年度に計画していた (1) 粒子情報の計算メッシュへの割り当手法改善（2次補間）の精度の確認作業、(2)H26年度から開発を進めてきた電子の輻射減衰効果の検証（主に、輻射場まで考慮したエネルギー保存の検証）、(3) 高エネルギー電子と重元素イオンとの衝突によるBremsstrahlung過程によるX線放射などの導入作業を行ってきた。(1) および(2)については、検証作業を成功裏に終了したが、(3)については、多様な過程が共存するとともに、輻射まで含めたエネルギー保存を確保することが容易でなく、予想以上に時間を費やした経緯がある。このため、本計画を成功に導くには、その一部の作業をH28年度に持ち越す必要があるとの判断に至った。また、これに伴って、同様にH27年度に行う予定であった輻射輸送コードの開発の一部をH28年度に実施する。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H28年度は、H27年度に基本的な開発を行ったBremsstrahlung過程や内殻電離、自動電離（オージェ）過程などを取り入れたコードの（主にエネルギー保存性を中心に）検証作業を実施する。また、発生した広帯域の輻射輸送を解析するための輻射輸送コードを開発するとともに、これを粒子コードへの組み込みの作業を実施する。輻射輸送コードは、H27年度当初は、輻射場を粒子として再現する方向でコード開発を着手したが、重元素プラズマは多量の輻射を放出することから粒子数が膨大になることが判明し、そのため、輻射強度に対する分布関数を解く手法を年度後半に変更した経緯がある。このため、H28年前半に輻射輸送コードを完成させ、後半に上記の組み込み作業を行う。これらのコード開発に予算を配分する予定である。
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