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

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。

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。