2014A1-37 - 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター

Hydrodynamic Instability of laser-produced high-energy-density plasmas
under strong magnetic field
藤岡慎介、Zhe Zhang、松尾一輝,長友英夫,坂田匠平,小島完興,
佐野孝好,原由起子,坂和洋一,重森啓介
(大阪大学レーザーエネルギー学研究センター)
森田太智(九州大学総合理工)
蔵満康浩(国立中央大学)
Philippe Nicolai, Jerome Breil(ボルドー大学 CELIA)
Feilu Wang(中国国家天文台)
1.
研究背景
強磁場下におけるレーザー生成プラズマの流体運動の研究について,いくつかの重要な
実験結果が報告されている.ただし,これらの実験で用いられている磁場強度はせいぜい
10 T 程度であり,レーザー生成プラズマの特徴である「高エネルギー密度プラズマ」と磁
場が相互作用領域には踏み込めていない.
近年,キャパシター・コイル・ターゲットを用い,kJ クラスのレーザーでキロテスラレ
ベルの磁場を生成することが可能になった.キロテスラ級の磁場を使うことで,高エネル
ギー密度プラズマと強磁場の相互作用を調べられるようになった.
強磁場と高エネルギー密度科学の相互作用の応用として,二つがあげられる.一つは,
Perkins らが発表した磁場アシストの中心点火レーザー核融合の研究,もう一つは宇宙物理
と関係した強磁場下でのプラズマ流体運動である.
2.
強磁場下での電子熱伝導
強磁場がプラズマの流体運動に与える影響は,大きく分けて二つに分類される.一つ
は,プラズマ圧力と磁気圧の比であるベータ値が 1 を下回る場合であり,この場合,磁場
の圧力によって,プラズマの流体運動は変化する.もう一つは,熱伝導を担う電子の平均
自由行程とラーマ半径の比であるホール係数が 1 よりも大きい場合である.ホール係数が
1 よりも大きくなれば,磁場によって熱電子の軌道が大きく曲げられ,熱伝導は磁場無し
の場合よりも大きく変わる.本研究では,ベータ値は 1 よりも十分大きく,磁気圧は直接
プラズマ運動に作用し無いが,ホール係数が 1 程度であり,磁力線に垂直な方向の熱伝導
係数が約半分になる. 図 1 に簡単な模式図を示した.
図 1 磁場中での電子
熱伝導の模式図.プラ
ズマの膨脹方向に平
行な磁場を印加する
ことで,ターゲット面
に平行な方向の電子
熱伝導が抑制される.
3.
ヘルムホルツ型コイルを用いた空間的に均一な磁場発生
強磁場下でのプラズマ流体運動を研究するためには,空間的に均一な磁場を生成するこ
とが望ましい.本研究では,二つのキャパシターコイルを並べて,空間的に均一な磁場を
作り出した.図 2 は実験レイアウトと,LADIA コードを用いた空間分布を示す.磁場強度
は,ファラデー回転法及び磁気プローブを使って測定し,ターゲット位置で 350 +/- 19 T
であった.
図 2 二つのキャパシ
ター・コイルターゲッ
トを用いたヘルムホル
ツ配置,及び磁場の空
間分布の計測
4.
強磁場下でのプラズマ流体運動
350 +/- 19 T の強磁場下においたプラ
スチック薄膜に,1 x 1013 W/cm2 のレーザ
ーを照射し,プラスチック薄膜の加速の
様子を計測した.レーザーの波長は 0.35
µm で,照射の均一性を高めるために,ラ
ンダム位相板を挿入した.測定結果は 1
次元の流体シミュレーションコード
(HELIOS-1D)と比較した.
左は磁場無しの状態での実験結果とシ
ミュレーション結果である.互いに良く
一致していることが分かる.右が磁場を
かけた場合の実験結果(黒点)と,実験
と同じレーザー強度で計算した磁場無し
でのシミュレーション結果である.磁場
を加えることで,ターゲットの飛翔が早
くなっていることが分かる.
図 3 (左)磁場を印加しない場合のポリス
チレン薄膜の加速軌跡,
(右)磁場を印加した
場合の加速軌跡.
5.
2 次元の MHD シミュレーション
との比較
2 次元の放射流体シミュレーションに,磁場による影響を考慮したシミュレーションを
行い,実験結果と比較した.シミュレーションから明らかになったことは,外部磁場を印
加することで,ターゲット表面に沿った方向の熱伝導が抑制され,アブレーションプラズ
マの温度が上昇し,結果として飛翔速度が増加するという機構である.