高速点火核融合実験における高速電子計測による加熱効率の評価

在快速点火聚变实验中使用高速电子测量评估加热效率

• 批准号: 14J06592
• 负责人: 小島 完興
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J06592/
• 关键词: 高速点火核融合; 高速電子; 高強度レーザー; プラズマミラー; 硬X線分光器; 較正

高速点火方式の慣性閉じ込めレーザー核融合では、予め圧縮した燃料球に加熱レーザーを照射し、レーザープラズマ相互作用によって加速した相対論的エネルギーを有する電子（以下、高速電子）で高密度燃料を加熱する。高速電子の飛程と燃料の面密度が等しいとき加熱効率は最大となる。そのため適切なレーザー集光強度を決定するために高速電子の平均エネルギーとレーザー集光強度の依存性が研究され、Ponderomotiveスケーリング則等が導出された。近年の大規模計算の結果、上記のスケーリング則では考慮されていない加熱レーザーのパルス幅に対する高速電子の平均エネルギーの依存性が示された。電子の平均エネルギーとパルス幅の依存性は、高速点火レーザー核融合に適する加熱レーザーのパラメーターの決定に影響する。研究の最終年度にはこれまでの研究開発を用いてこの電子の平均エネルギーのパルス幅の依存性を実験的に初めて調べた。プラズマミラーによる高コントラスト光とX線分光による電子エネルギー分析法を用いることで、1-4 psの範囲で、加熱レーザーのパルス幅が電子加速に与える影響を実験的に観測することに成功し、実験結果を2次元Particle-in-cellシミュレーションにより解析した。長パルス化による電子の平均エネルギー上昇は、主パルス自身が生成する長スケールのプラズマのみならず、プラズマ中で自己生成する準静的電場・磁場が強く寄与することを明らかにした。準静的電場が存在すると電子はレーザー電場による加速をより長時間受け、磁場は一度加速された電子をもう一度加速場に戻す作用がある。レーザーパルス幅と準静的電場と磁場の成長の時間スケールの関係について考察を行い、高速点火レーザー核融合に最適なレーザーパラメーターを決定するための指針を得た。

在高速点火方法中，惯性限制激光融合，预压缩的燃料球被加热激光照射，并用电子（以下称为高速电子）加热高密度燃料，该电子（以下称为高速电子）具有相对性的能量，该燃料由激光等离子体相互作用加速。当高速电子的范围和燃料的面积密度相等时，加热效率是最大的。因此，为了确定适当的激光聚焦强度，研究了高速电子的平均能量和激光聚焦强度的依赖性，并得出了浮动量缩放定律等。最近的大规模计算表明，高速电子对加热激光器脉冲宽度的平均能量的依赖性在上述缩放定律中不考虑。电子的平均能量和脉冲宽度的依赖性会影响适用于快速点火激光融合的加热激光器的参数。在研究的最后一年，我们首先使用先前的研究和开发首次研究了该电子平均能量的脉冲宽度依赖性。通过使用电子能量分析使用高对比度使用等离子体镜和X射线光谱法，我们通过实验成功地观察了加热激光器对1-4 PS范围内电子加速度的脉冲宽度的影响，并使用二维粒子粒子中的粒子模拟分析了实验结果。据揭示，由于主脉冲本身产生的长尺度等离子体，由于长脉冲引起的电子的平均能量增加，而且还对等离子体中的自生成的准静态电和磁场也有很大的贡献。当存在准静态电场时，由于激光电场会长时间进行加速，并且磁场具有返回电子再次加速到加速场的返回电子的效果。检查了激光脉冲宽度与准静电场的时间尺度与磁场生长的时间尺度，并获得了确定快速点火激光融合的最佳激光参数的准则。

项目成果

Ultrahigh-contrast kilojoule-class petawatt LFEX laser using a plasma mirror

• DOI: 10.1364/ao.55.006850
• 发表时间: 2016-09
• 期刊: Applied Optics
• 影响因子: 1.9
• 作者: Y. Arikawa;S. Kojima;A. Morace;S. Sakata;T. Gawa;Y. Taguchi;Y. Abe;Zhe Zhang;X. Vaisseau

Fast ignition realization experiment with high-contrast kilo-joule peta-watt LFEX laser and strong external magnetic field

• DOI: 10.1063/1.4948278
• 发表时间: 2016-05-01
• 期刊: PHYSICS OF PLASMAS
• 影响因子: 2.2
• 作者: Fujioka, Shinsuke;Arikawa, Yasunobu;Azechi, Hiroshi
• 通讯作者: Azechi, Hiroshi

OPTIMIZATION OF CONE WALL THICKNESS TO REDUCE HIGH ENERGY ELECTRON GENERATION FOR FAST-IGNITION SCHEME

优化锥体壁厚以减少快燃方案的高能电子产生

• 发表时间: 2015
• 作者: S. Kojima;Y.Arikawa;Y. Hironaka;K.Shigemori;S.Sakata;S. H. Lee;K. Matsuo;K.F.F. Law;S. Tosaki;A. Morace;X. Vaisseau;T. Ozaki;Z. Zhang;H. Sawada;A. Yogo;H. Shiraga;H. Nishimura;M. Nakai;M. Hata;T. Johzaki;A. Sunahara;H. Nagatomo;S. Fu
• 通讯作者: S. Fu

Energy distribution of fast electrons accelerated by high intensity laser pulse depending on laser pulse duration

• DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012102
• 发表时间: 2016-01-01
• 期刊: 9TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON INERTIAL FUSION SCIENCES AND APPLICATIONS (IFSA 2015)
• 作者: Kojima, Sadaoki;Arikawa, Yasunobu;Azechi, Hiroshi
• 通讯作者: Azechi, Hiroshi

高速点火核融合における硬X線絶対分光と電子計測

快点火核聚变中的硬X射线绝对光谱和电子测量

• 发表时间: 2014
• 期刊: プラズマ・核融合学会誌
• 作者: Sadaoki KOJIMA;Yasunobu ARIKAWA;Takahito IKENOUCHI;Takahiro NAGAI;Yuki ABE;Shouhei SAKATA;Hiroaki INOUE;Takuya NAMIMOTO;Shinsuke FUJIOKA;Mitsuo NAKAI;Hiroyuki SHIRAGA;GEKKO-XII&LFEX Team;Tetsuo OZAKI;Makoto R. ASAKAWA;Ryukou KATO and Hiroshi;有川安信 Zhe Zhang 池之内孝仁 小島完興 坂田匠平 尾崎哲 藤岡慎介 西村博明
• 通讯作者: 有川安信 Zhe Zhang 池之内孝仁 小島完興 坂田匠平 尾崎哲 藤岡慎介 西村博明