素過程・相互作用軸

2022年2月22日

プラズマ量子過程ユニット
Plasma Quantum Processes
連絡先：pqp@nifs.ac.jp

キーワード
核融合科学： 高Z多価イオン、非等方非平衡プラズマ、プラズマ物質相互作用、負イオン、レーザー核融合、レーザープラズマ相互作用、量子エネルギー変換、連成現象制御、連成現象モデル化、ミュオン触媒核融合
学際的： 原子分子素過程、ミュオン原子分子、高エネルギー密度プラ
ズマ、太陽コロナ、キロノバ、X線天体、重元素起源、星間物質、極端紫外・軟X線光源開発、地球大気・惑星大気、プラズマエッチング、医療、バイオプラズマ、超高圧物性科学、レーザー量子ビーム科学、量子真空物理学、新材料、放射線化学、同位体科学、中性子リソグラフィー

核融合としての課題
 ITERや核融合炉における高Z不純物の蓄積量・放射パワー評価や挙動解明のための高Z原子多価イオンの原子物理的性質と発光スペクトルの解明
 非等方非平衡プラズマ中の原子分子挙動とモデリング構築によるコアでのW蓄積量とIgnition条件（Putterich et al. 2010）

Radiation power of tungsten
Murakami et al. (2015) 原子・分子と輻射場やプラズマ対向壁との相互作用素過程
 Warm Dense Matterの原子過程やエネルギー変換機構
 負イオン形成固体表面反応

ダイバータPMI

Warm Dense Matter ※ レーザー核融合実現のために、レーザーエネル
ギーから始まる複合かつ連続した⾮平衡開放系において連成するエネルギー変換現象，特に，レーザーとプラズマの相互作⽤や粒⼦線と物質の相互作⽤の研究・モデル化，その連成する物理現象のコントロール
 ミュオン触媒核融合の研究基盤拡充に向けた、素過程の検証および効率的なミュオン生成と標的生成の技術基盤開発

負イオンNBItμ*(2s, 2p混合状態)※ https://phys.org/news/2021-01-harnessing-power-ai-dense.html

μ-tdtμ* 分子共鳴状態d学術的な特徴づけ
プラズマでのミクロな量子プロセスとして、発光線強度比

 内部構造を持つ原子・分子の量子遷移とそれに伴う光子・電子・（負）イオンの発生と消滅過程

66Dy

 量子プロセスとプラズマの電磁場・輻射場との相互作用、レーザーや原子核の高強度場中の量子プロセス
 低温から高温、低密度から高密度（縮退も含め）に至る多様なプラズマにおいて、量子プロセスがいかにプラズマ物性を規定し、どのようなプラズマ現象として発現し観測されるか

共鳴励起

Nd:YA
G LPP
CO2LPP
LHD(low Te)

電子ビームエネルギー(eV)Opacityの影響のあるレーザー生成プ
ラズマと影響のないLHDでのDyスペ
クトル 多様な方式（磁場閉じ込め、レーザー、ミュオン触媒等）での核融合科学の課題を解決できる原子分子素過程の総合的研究の展開
 レーザープラズマ相互作用に対し、個別の物理現象を複合・連続した非平衡開放系におけるエネルギー変換現象として、モデル化と、粒子線物質相互作用研究
 素粒子ミュオンの量子的性質を用いたミュオン原子分子科学、強い結合力を生かした新たなミュオン触媒核融合、宇宙線ミュオンを応用した革新的宇宙天気予報研究
新しいμCFサイクル

アプローチ（１）原子分子素過程の切り口で多様なプラズマの物性やダイナミクスを記述し、多様な方式での核融合科学の課題を解決するとともに、多様な分野へ展開する。

相対論的電子配置が高次に絡み合った領域では、原子構造がよく分かっていない原子物理学、プラズマ科学、レーザー核融合・応用、ミュオン科学、情報科学等の国内外の専門家との共同研究ネットワークを構築し、世界的にも類を見ない原子分子素過程の総合的研究を展開。
 高Z多価原子イオンやラジカルなどのエキゾチックな原子・分子の内部構造や発光・光吸収スペクトルについて、理論原子物理学に基づいた理論研究、衝突実験やプラズマ実験での分光計測などによる素過程の実験研究
 非平衡非等方プラズマ分光モデルの構築と実験によるモデル検証を行い、核融合・天体プラズマ診断の高精度化を実現
 原子・分子の物質や場との相互作用研究として、電子・イオンビームやレーザーを用いた固体との相互作用、高強度場やトポロジーを持った光と原子・分子の相互作用、固体表面における負イオン形成などの原子・分子過程、強結合プラズマやWarm Dense Matterなどの高密度プラズマなどにおける量子プロセス、プラズマ中の原子・分子の集団現象の研究を、原子・分子素過程を取り込んだ化学反応過程や運動論的プラズマダイナミクスの数値シミュレーション、輻射流体力学計算、分子動力学シミュレーション、密度汎関数法などの理論的・数値的手法と、粒子ビームやレーザー等用いた実験、プラズマ実験での分光等様々な計測で遂行W27+とW26+イオンの近紫外域M1発光線強度から得られたLHDコアプラズマでのW多価イオン密度の時間変化（#121534）．

Hαの表面反射の空間分布

タングステンスペクトルアプローチ（2） 共同研究を通じた様々な原子実験による原子・分子データの導出を行う。

 ハイパワーレーザーが創り出す連成するエネルギー変換の系として個別の物理現象を理解し、コントロールすることで達成する系全体の効率化や、非平衡開放系の現象として、エネルギー変換過程の複合や連鎖を実験により創り出し研究を遂行する。
 ミュオン原子分子科学として、革新的分光技術の導入、新しいミュオン原子分光手法、ミュオン分子高精度分光を実施、ミュオン触媒核融合における素過程の理解を進める。

直接照射・高速点火

高出力レーザー
高効率化

電子質量の200倍μ-電子
軌道半径が200分の1まで小さくなるFe
ミュオン原子形成過程(数十フェムト秒) を反映

エネルギー [keV]

6.0

カウント数 / 3 eV

 原子・分子データに対し、統計的手法や機械学習の方法を適用し、スパースモデリングによる新たな物理的解釈、転移学習による多体複雑系原子・分子データの推算方法の導出等を行い、新たな原子物理学研究の展開、実験への指針、応用プラズ
マのためのデータセットの提供を可能に。

CFx分子に対し、原子物理計算と経験則を組み合わせた電離断面積計算を教師データとして、CFから順にF原子数を増やした分子の電離断面積を推定（Zhong 2019)1751501251007550250Mn
KαMn
hKαMn
KβFe
Kα6.5

学際的展開群論、位相空間論
原子構造の新記述法考察
ミュオン核融合
エキゾチック原子分子
多電子系の相対論的ダイナミクス

原子物理学

高Z多価イオン
Solar-C＿EUVST計画
太陽コロナ

レーザー量子ビーム
新材料Warm Dense Matter
半導体リソグラフィー
用EUV光源開発
核融合科学
希土類元素スペクトル次々世代EUV光源

プラズマ量子プロセス

マルチメッセンジャー天文学

LIGO/Virgo/Kagra
重元素の起源
宇宙の化学進化
星間物質
キロノバ
分子形成
X線天文学
ALMA
超新星残骸
XRISM計画
ガンマ線バースト

医療・バイオオーロラ
高層大気・惑星大気
気相反応
CO2, NOx, SOx
液相との相互作用
ラジカル反応重粒子線治療水の窓X線顕微鏡用光源

分子反応ネットワーク
スパッタリング
積層
素過程の解明統計解析・機械学習
データ推算
構造解析

独自性・優位性
 名大旧プラズマ研の時代から核融合研では、・独自の多価イオン実験装置を用いた多価イオン物理研究、・プラズマ中の原子・分子衝突断面積の数値データベース活動において国際的リーダシップをとってきた実績
・原子物理分野、太陽プラズマ研究、キロノバ研究、X線天文学グループ等天文学分野やレーザー生
成プラズマ研究分野との共同研究の実績があり、これらの研究に優位性をもって取り組むことができる。
 多様なプラズマ研究分野との交流実績から原子・分子・光過程研究を応用した新たな共同研究の発展も期待できる。
 大阪大学レーザー科学研究所との連携研究により、・ハイパワーレーザーが創り出す実験系では線源からの距離によって，強力な極限環境から自然環境までの幅広いレンジの実験環境を再現可能である．
・核融合分野においては，核融合燃焼物理学の確⽴および現実的な核融合炉⼯学の端緒になる．
・⻑期的には，核融合燃焼を理解する物理研究から燃焼を制御する⼯学研究までの⼀貫した学術体系が構築できる．
 宇宙プラズマにおける⾼エネルギー粒⼦が拓く物理学への発展が期待できる．
 原子分子研究とミュオン触媒核融合研究のシナジー効果により、新しいミュオン触媒核融合過程をはじめとする革新的な研究を世界に先駆けて展開できる。

他のユニットテーマ軸との連携
ミクロ・マクロダイナミクス・
時空揺らぎ・乱流・輸送

非等方性

シミュレーション

計算科学

ミクロ・マクロ計測

計測・データ

データサイエンスシステム
輸送

高Z不純物挙動研究
非等方非平
衡プラズマ
中の原子分
子挙動とモデリング
原子分子構
造、データ
等への機械学習応用

核融合炉
システム
高強度場
中の量子プロセスレーザー
核融合「素過程・相互作用」軸
プラズマ量子プロセス

ミュオ
ン触媒
核融合

負イオ
ン形成
固体表面反応過程

異相連成現象輻射場との相互作用

低温ダイ
バータプラ
ズマでの原子分子過程
原子分子とプラズマ対
向壁相互作
用素過程

水素分子過程弱電離プラズマ

PWI

負イオン源

材料学

装置学・技術素過程・相互作用軸
プラズマ量子過程ユニット
Plasma Quantum Processes
連絡先：pqp@nifs.ac.jp

キーワード
核融合科学： 高Z多価イオン、非等方非平衡プラズマ、プラズマ物質相互作
用、負イオン、レーザー核融合、レーザープラズマ相互作用、量子エネルギー変換、連成現象制御、連成現象モデル化、ミュオン触媒核融合
学際的： 原子分子素過程、ミュオン原子分子、高エネルギー密度プラズマ、太陽コロナ、キロノバ、X線天体、重元素起源、星間物質、極端紫外・軟X線光源開発、地球大気・惑星大気、プラズマエッチング、医療、バイオプラズマ、
超高圧物性科学、レーザー量子ビーム科学、量子真空物理学、新材料、放射線化学、同位体科学、中性子リソグラフィー