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．
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