新しいX線計測手法で超高強度レーザーによる固体の等積加熱のメカニズムを解明 大阪大学など

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レーザー実験で捉えたレーザー加熱のイメージとレーザープラズマ相互作用シミュレーション

大阪大学は2019年5月13日、ネバダ大学(米国)、理研Spring-8、欧州XFEL(ドイツ)、イエナ大学(ドイツ)、カリフォルニア大学(米国)、ローレンスリバモア国立研究所(米国)との国際共同研究チームが、超高強度レーザーによる固体の等積加熱のメカニズムを新しいX線計測手法により明らかにするとともに、レーザー照射された金属チタン内部が数百万度の高エネルギー密度状態になった兆候を世界で初めて捉えたと発表した。この研究成果は、レーザーを用いた金属内部のエネルギー状態の制御に指針を与え、高輝度X線源など将来の応用が期待される新量子線源の開発につながるものだという。

極短パルスレーザーは物質をサブピコ秒(10-12秒)という短い時間で、数百万度から1000万度まで一気に加熱できる能力を持つ。加熱時間が短いため、物質は固体密度を維持したままプラズマへ変異し、太陽内部と同程度の高エネルギー密度状態になる。このような超高速加熱は「等積加熱」と呼ばれ、密度の値が既知の非平衡輻射プラズマの作成が可能だ。このプラズマは状態方程式や熱伝導、X線吸収過程などの原子過程の研究やレーザー核融合の基礎研究のプラットフォームとして利用される。また、コンパクトなX線源や中性子線源などの新量子線源としての利用も期待されている。

しかし、高強度赤外レーザーによる加熱現象は、現象の時定数(過渡現象の応答速度の指標)が短いうえに、加熱領域がミリメートル以下と小さい。このため、現象の詳細を捉えることが難しく、加熱過程の詳細は実験では明らかになっていなかった。特に、ターゲット前面にレーザー相互作用で生じる低密度の超高温プラズマが形成されるため、従来のX線計測ではX線が固体内部由来なのか、固体前面に形成された超高温の低密度プラズマ由来なのかの区別がつかない。

研究グループは今回、加熱された固体内部で発生する特性X線(Kα線)のターゲット裏面からの発光を、狭バンド幅2次元イメージング(X線がエネルギーごとに反射角度が異なることを利用し、特定のX線のみを取り出して発光の空間分布を計測する手法)によって計測したところ、レーザー照射中心部でKα線の欠損を確認。固体内部でチタンが16価以上に電離するほど加熱されたことを示した。

加えて、研究グループは高強度レーザーと物質の相互作用を、プラズマ粒子の衝突過程・イオン化過程を組み入れてシミュレートした。シミュレーション結果は、実験データを説明するとともに、高価数への電離が起こる高温状態にはレーザー照射後、ピコ秒以上の時間遅れで遷移することを確認した。この結果は、レーザー等積加熱は高速電子の作る電流による加熱という従来の考え方と異なり、レーザー等積加熱がレーザー照射中にターゲット前面に形成された超高温低密度プラズマからの熱拡散過程によるものであることを初めて明らかにした。

さらに研究グループは大阪大学レーザー科学研究所において、GEKKOレーザーで固体密度の10倍以上に爆縮した球ターゲットを、マルチピコ秒のパルス長で数10ミクロンの大きなスポット径を持つLFEXレーザーで加熱した結果、温度1000万度以上・圧力1ペタ(1015)パスカルの太陽コアと同等の高エネルギー密度状態の作成に成功した。

高強度赤外レーザーと物質の相互作用では、温度数百万度から数千万度の超高温のプラズマが生成される。生成したプラズマのエネルギー密度は太陽のコア周辺と同程度のエネルギー密度状態に達するため、プラズマ中では非常に強いX線輻射が起こる。このためコンパクトなサイズで高輝度X線源を発生させることが可能だ。また、太陽のコアで起こっている核融合過程を研究するために、レーザープラズマ相互作用は世界中で活発に研究がされている。今回の研究で確立された計測方法とレーザー等積加熱のメカニズムの解明により、レーザー駆動高輝度X線源などの高エネルギー密度科学の発展が期待されるという。

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