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．