J. Plasma Fusion Res. Vol.86, No.10 (2010)５７８‐５８１

小特集 大型レーザー装置を用いた科学研究の新展開

２．高出力レーザーを用いた実験室宇宙物理実験
坂 和 洋 一１），蔵 満 康 浩１），森 田 太 智２），高 部 英 明１，２）
１）

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター，２）大阪大学大学院理学研究科宇宙地球科学専攻（原稿受付：２０１０年９月１日）

宇宙からやってくる高エネルギーの粒子である宇宙線の生成には，無衝突衝撃波が重要な役割を果たしていると考えられている．我々は高出力レーザーによって無衝突衝撃波を生成しその物理的機構を明らかにするとともに，衝撃波による粒子加速機構の解明を最終的な目的として研究を行っている．本章では，激光 GXII 号 HIPERレーザーを用いて行った，高速対向プラズマ流の相互作用による無衝突静電衝撃波生成実験を紹介する．
Keywords:
collisionless shock, cosmic ray, particle acceleration, counter-streaming plasma flows, High-power laser,
Gekko XII HIPER laser

２．
１ はじめにしたグラファイト球とレーザー生成高速プラズマ流の相互

２０世紀の初めに気球実験によって，当時地球の内部に源作用によって無衝突バウ衝撃波を生成した［１１］．Woolseyを有すると考えられていた放射線が，宇宙からやってくるらは，SNR の衝撃波を模擬して外部磁場を印可し，対向プ高エネルギー粒子（宇宙線）であることが発見された．しラズマ流の無衝突相互作用の実験を行った［１２］．磁場の有２０かし，１０ eV に至る高エネルギー粒子の起源は，宇宙線の無で密度プロファイルに違いはあったものの，無衝突衝撃発見当時から現在に至るまで明らかになっていない．

波は観測されなかった．Romagnani らはレーザーアブレーその一方で，宇宙線の生成には従来から衝撃波が重要なションプラズマとレーザーで電離された低密度の雰囲気ガ役割をはたしていると考えられてきた．１９７０年代には科学

スプラズマとの相互作用による無衝突衝撃波の生成を示し衛星の観測結果から，太陽フレア現象で作られた惑星間空た［１３］．Nilson らは超高強度（＞1020 W/cm2）のレーザー間衝撃波において高エネルギー粒子が生成されていることによって生成された低密度ヘリウムプラズマ中において，が示された［１］．また１９９０年代には我が国の X 線天文衛星

高マッハ数の無衝突静電衝撃波（円筒状爆風波）を生成し観測の結果，超新星爆発の残骸（超新星残骸：SNR）を伝た［１４］．

搬する衝撃波によって残骸のエッジ近傍で 1014 eV もの高近年，particle-in-cell（PIC）シミュレーションによって，速電子が作られている証拠が得られた［２］．これらの衝撃

外部磁場なしでも高速対向プラズマ流の相互作用によって波はすべて，粒子間の衝突の自由行程よりもはるかに短い無衝突衝撃波が生成されることが示された［１５‐１８］．加藤

領域で衝撃波面が形成される，無衝突衝撃波である．宇らは対向プラズマにおけるワイベル不安定性によって自己宙・天体プラズマ物理学における長年の未解決問題である生成磁場が発生し，それによって無衝突衝撃波が生成され高エネルギー粒子や宇宙線の加速・生成には無衝突衝撃波ることを示した［１５，１６］．さらに加藤らは，ワイベル不安定が深くかかわっていると考えられている．

性による無衝突衝撃波が励起されるまでの初期段階では，無衝突衝撃波は，長年にわたって，理論・シミュレー静電無衝突衝撃波が生成されることを示した［１７］．Sora-

ション［３］，ダブルプラズマ装置［４］，Q‐マシン［５］，光電離

sioらは，異なる温度と密度をもつ対向プラズマ流の相互作

プラズマ［６］，3 J のレーザーによって生成された LiD のク用によって高マッハ数（# !"!）の無衝突の静電衝撃波がラスタープラズマ［７］，および高出力・高強度レーザーを生成されることを示した［１８］．

用いた実験［８‐１３］
等によって研究されてきた．短パルス
19

我々は，高出力レーザーを用いて無衝突衝撃波を生成し2（＜1 ps）で高強度（＞10 W/cm ）のレーザーによって生その物理的機構を明らかにするとともに，衝撃波によるイ成されたカットオフ密度以下のプラズマ中における粒子加オン加速機構の解明を最終的な目的として研究を行ってい速は Ref.［８‐１０］に示された．これらの結果は，レーザーとる．本章では，外部磁場なしで平行平板型 double-plane

プラズマの相互作用によって生成された衝撃波によってイターゲットを用いて高速の対向プラズマ流を生成し，無衝オンが加速されていることを示唆している．一方，比較的突静電衝撃波を生成することを目的として行った実験につ14152

低い強度のレーザー（〜10 −10 W/cm ）を用いた実験

いて紹介する［１９］．さらに，無衝突衝撃波が生成された条

結果は Ref.［１１‐１３］に示された．Bell らは外部磁場中に設置件下で，プラズマジェットのコリメーションが観測された［１９］．

2. Laboratory Astrophysics Experiment using High-Power Lasers
SAKAWA Youichi, KURAMITSU Yasuhiro, MORITA Taichi and TAKABE Hideaki

５７８corresponding author’s e-mail: sakawa@ile.osaka-u.ac.jp!2010 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchSpecial Topic Article

2. Laboratory Astrophysics Experiment using High-Power Lasers２．
２ 実験方法Y. Sakawa et al.

２．
３ 実験結果図１（a）にターゲット照射配位を示す．4.5 mm 間隔のプ

図２に，SI 計測（図２（a））と SOP 計測（図２（b））の同ラスティック（CH）製平行平板型（double-plane）ターゲッ一ショットでの結果を示す［１９］．時間 %!!はレーザー入ト（3 mm×3 mm，厚さ 10 μm と 60 μm）の，手前の厚さ射タイミングである．白色の破線で示したのは CH double

10 μm の CH 平板に高出力レーザーを照射し，裏面プラズ-plane ターゲットの位置で，'!!にレーザーが照射されるマを生成した．この１枚目の CH からの輻射またはプラズ

１枚目の CH，4.5 mm に２枚目の CH が設置されている．２

マ流によって２枚目 60 μm の CH 平板からアブレーションつのストリーク像は異なる特性を観測している．SI 計測はプラズマを生成することにより高速対向プラズマ流を生成

約 1018−1019 cm−3 の電子密度を測定することができ，SOPし，その無衝突相互作用により無衝突衝撃波を生成した．

計測の信号強度は，光学的に薄いプラズマではプラズマ密実験は，大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの度と温度に依存する．SI 計測と同時に IF 計測をしており，

激光 GXII 号 HIPER レーザーの４ビーム（Nd：Glass レー

同時刻の電子密度の２次元分布を求めている．

&），パルス幅：500 ps，エネルギー
ザー，波長：351 nm（#SI 計測（図２（a））より，比較的低密度（$%〜1018 cm−3）〜120 J/beam×4 ビー ム，総 エ ネ ル ギ ー＜500 J，強 度＜で高速（〜400 km/s）のプラズマ流が１枚目 CH の後面に1015 W/cm2）を用いて行った．HIPER レーザーは，１２本の生成されているのがわかる（破線矢印１）．さらに同時にレーザーが一方向に集められ，ターゲットに照射される．

２枚目 CH からもほぼ同じ速度（〜400 km/s）のアブレー

計測は，図１（b）に示すように，ターゲットに対して垂直ションプラズマが１枚目 CH を透過したレーザー光または方向からのプローブレーザー（Nd：YAG レーザー，波輻射によって生成されており（破線矢印２），高速の対向&），パルス幅：〜14 ns）と ICCD カメラを長：532 nm（"プラズアが生成されている．SOP 計測（図２（b））では１用いたシャ ド ウ 計 測（SG：shadowgraphy）と 干 渉計測

枚目 CH から，SI 計測よりも流速が遅く（〜290 km/s）密（IF：interferometer）による２次元密度測定，ストリーク度の高い（$%>1019 cm−3）プラズマ流を観測している（破カメラを用いた干渉像の時間発展計測（SI：streaked in-線矢印３）．さらに同時に２枚目 CH からもほぼ等しい流terferometer）を行った．また，波長 450 nm の自発光計測

速・密度のアブレーションプラズマ流が生成されているによるプラズマ輝度温度の測定を，ICCD カメラ（GOI：（破線矢印４）．
図２（a）に示した高速・低密度の対向プラズマ 流は約

gate optical imager）とストリークカメラ（SOP：streakedself-emission optical pyrometer.）を用いて行った．

6 ns で出会っている．この２つのプラズマ流の相対速度〜800 km/s と $%〜1018 cm−3 を用いて Spitzer の公式
&&$
#
$
" "
$&&!"
# #%#&$!
$&!$"$'("）よりイオン‐イオン衝突平均自"! & &図１ （a）
double-plane ターゲットの照射配位．２つの CH 平板の間隔は4.5 mm．（b）
ターゲットに対して垂直方向からの光学計測配置図．プローブレーザーを用いたシャドウ計測（SG: shadowgraphy）と干渉計測（IF: interferometer）の２次元密度測定，および，ストリークカメラを用いた干渉像の時間発展計測（SI:streaked interferometer）．波長 450nm の自発光計測によるプラズマ輝度温度の ICCD カメラ（GOI: gate optical imager）と ス ト リ ー ク カ メ ラ（SOP:streaked self-emission optical pyrometer）を用いた計測．

図２ （a）
SI 計測と（b）
SOP 計測の同一ショットでの結果．時間
t = 0 はレーザー入射タイミング．白色の破線で示したのはCH double-plane ターゲットの位置で，x = 0 にレーザーが照射される１枚目の CH，4.5 mm に２枚目の CH が設置されている．

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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.10 October 2010

由行程 %++を求めた［２０］．ここで，$!は真空中の誘電率，(+はイオン質量，&++'は平均イオン速度，Ze はイオン電荷量，"，)+#))"$はイオン密度，,&$++'"$"'$%%'$-##,-$%$!(+&!
%' はデバイ長である．CH プラズマの平均 $##%，イオン質 量 数 !#&!
%，電 子 温 度 ")#10−100 eV を 用 い る と，%++#70−77 mm となり，システムの長さである２枚の CH間の距離 4.5 mm と比べて十分に大きな値であることから，
約 6 ns での相互作用は無衝突相互作用である．
図２（b）に示した SOP 計測より，１枚目の CH プラズマからの自発光強度の x 方向分布を求め，%"&/,!,"#%(-*$!$.%の関数でカーブフィットすることによって，発光強度の遷図３

移幅 W の時間変化を導出した（図３）．遷移幅 W は，レーザー照射後広がっていくが，対向プラズマ流が出会う約 10ns から次第に狭くなっている．１枚の CH のみの平板ター

SOP 計測（図２（b））より，１枚目の CH プラズマからの自発光強度の x 方向分布を求め，a ＋ b tanh (− (x − xs) / W )の関数でカーブフィットすることによって求めた発光強度の遷移幅 W の時間変化．

ゲットでは遷移幅は時間とともに単調に増加しており，対向プラズマ流の相互作用が遷移幅の急峻化に不可欠である

した．*#3.5，5.5，7.5 ns に示すように，左側の１枚目 CHことがわかる．また，相対速度 &〜580 km/s，))〜10++'からの裏面プラズマは凸凹した形状をしている．今回の実

cm−3 の対向プラズマ流の %++は ")#10−100 eV に対して，験では，メインレーザー４ビームがそれぞれ 100−250 μm

19%++#2.3−2.4 mm であるのに対し，13 ns における遷移幅がオフセットされており，オフセットのない照射条件ではプ約 40 μm であることから，無衝突衝撃波が生成されたと考

ラズマは等方的に広がっていたことから，この不均一な構えられる．PIC シミュレーションによって求めた遷移幅と造はオフセットに起因するものと考えられる．図２（b）との比較から，観測された衝撃波は静電衝撃波であると考え

図４に示すように，高密度プラズマが出会い，無衝突衝撃られる［１７］．

波が生成され始める *#9.5 ns 付近から，裏面プラズマはコ

図４に，メインレーザーからディレーを変えて計測したリメーションし始める．このコリメーション効果は時間とシャドウ計測（SG）の時間発展を示す［１９］．影になっていともに明確になっていき，*#11.5，13.5 ns ではいくつかのる部分が，プラズマ密度が高くプローブレーザーに対してフィラメント構造が観測され，*#15.5 ns では１つの幅が不透明な領域である．図４から，同時に測定した SOP 計測

狭く密度の高いプラズマジェットが生成されている．図４のストリークカメラのスリットが設置された場所でのプラの右下に示したように，single-plane ターゲットではこのズマ先端に位置を求め，図２（a）と図２（b）の SI計測とSOPようなコリメートされたプラズマジェットは観測されず，計測にそれぞれ白丸として示した．このプラズマ先端の速double-plane ターゲット時にのみ観測されていることか度は，直 線 近 似 を 行 うと，246±17 km/s と な り（破 線）ら，対向プラズマ流が重要な役割を果たしている．
このようなジェットコリメーションの機構として，いくSOP 計測で求めた破線矢印３（〜290 km/s）に近い値を示

図４

メインレーザーからディレーを変えて計測したシャドウ計測（SG）の時間発展．右下は single-plane ターゲットの結果．

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Special Topic Article

2. Laboratory Astrophysics Experiment using High-Power Lasers

Y. Sakawa et al.

つかの候補があげられる．１つ目は，衝撃波による影響で英国，フランスの国際共同研究によって得られたものであある．図２と図３に示したように，１枚目の CH からの裏る．大阪大学の丹治浩樹，青木秀憲，井出尭夫，堂埜誠一，面プラズマの前面には無衝突衝撃波が生成されており，こ加 藤 恒 彦，英 国 York 大 学 の C. Gregory，J. Waugh，

れがジェットコリメーションに関与している可能性があ

N. Woosley，フランス CEA の B. Loupias，フランス LULI

る．ま た，オ フ セ ッ ト さ れ た レ ー ザ ー ビー ム に よ っ ての A. Diziere，M. Koenig 諸氏に感謝します．

［２１］，さらにこの磁""!!"!!に起因する磁場が生成され場が対向プラズマ中で励起されたワイベル不安定性によっ

参考文献て合体またはリコネクションを起こしたとの可能性も考え［１］F.B. McDonald et al., Astrophys.J. Lett. 203, L149 (1975);
C.W. Barnes et al., Astrophys.J. Lett. 210, L91 (1976).
［２］F.A. Aharonian et al., Nature 432, 75 (2004); Y. Uchiyamaet al., Nature 449, 576 (2007).
［３］D.A. Tidman, Phys. Fluids 10, 547 (1967); D.W. Forslundet al., Phys. Rev. Lett. 25, 1699 (1970); P.H. Sakanaka et al.,Phys. Fluids 14, 611 (1971); B. Lembege et al., Phys. Rev.
Lett. 62, 2683 (1989); J. Denavit, Phys. Rev. Lett. 69, 3052(1992); L.O. Silva et al., Phys. Rev. Lett. 92, 015002 (2004);
M. Chen et al., Phys. Plasmas 14, 053102 (2007).
［４］R.J. Taylor et al., Phys. Rev. Lett. 24, 206 (1970); H. Ikezi
et al., Phys. Fluids, 16, 2167 (1973); H. Ikezi et al., Phys. Rev.

られる［１５］．

２．
４ 今後の展望
本章では，高強度レーザーを用いた静電衝撃波の生成とプラズマジェットのコリメーション実験結果について示した．今後の展望として，ワイベル不安定性によって生成された自己生成磁場中，および，外部磁場中の無衝突衝撃波の実験を計画している．加藤らは，高速対向プラズマ流の相互作用によってワイベル不安定性が励起され，不安定の線形成長，非線形構造形成，飽和を経て，イオン流体の運

Lett. 36, 794 (1976).H. Bailung, Y. Nakamura and Y. Saitou,

動エネルギー密度の 2％ 程度の磁場エネルギー密度をもつ

Phys. Plasmas 15, 052311 (2008).
［５］T. Takeuchi, S. Iizuka and N. Sato, Phys. Rev. Lett. 80,77(1998).
［６］D.B. Cohn and K.R. MacKenzie, Phys. Rev. Lett. 28, 656(1972).
［７］D.W. Koopman and D.A. Tidman, Phys. Rev. Lett. 18, 533(1967).
［８］N. Izumi et al., Phys. Rev. E 65, 036413 (2002).
［９］M.S. Wei et al., Phys. Rev. Lett. 93, 155003 (2004).
［１０］H. Habara et al., Phys. Rev. E 70, 046414 (2004).
［１１］A.R. Bell et al., Phys. Rev. A 38, 1363 (1988).
［１２］C. Courtois et al., Phys. Plasmas 11, 3386 (2004); N.C. Woolsey et al., Plasma Phys. Cont. Fusion 46, B397 (2004).
［１３］L. Romagnani et al., Phys. Rev. Lett. 101, 025004 (2008).
［１４］P.M. Nilson et al., Phys. Rev. Lett. 103, 255001 (2009).

高磁場が生成されることを示した［１５］．この磁場が衝撃波上流から流入するイオンの軌道を散乱し，これが実質的な異常粘性の働きをして衝撃波が形成され，強い衝撃波極限である３倍（３次元では４倍）の密度上昇が遷移領域（衝撃波面）を経て起っている［１５］．シミュレーション結果からスケーリング則を求め実験室プラズマに適用した結果，
CH プラズマで約 1000 km/s の流速，1021 cm−3 の密度を実現できれば，数 ns 程度で無衝突衝撃波が形成されることが示唆された．我々はこのプラズマパラメータを実現するために，米国 NIF レーザー［２２］，OMEGA および OMEGAEP レーザー［２３］を用いた実験を提案し，採択された．また，強磁場中の無衝突衝撃波生成実験も激光 XII 号およびOMEGA レーザーを用いて行う予定である．

［１５］T.N. Kato and H. Takabe, Astrophys. J. Lett. 681, L93(2008).
［１６］H. Takabe et al., Plasma Phys. Cont. Fusion 50, 124057(2008).
［１７］T.N. Kato and H. Takabe, Phys. Plasmas 17, 032114 (2010).
［１８］G. Sorasio et al., Phys. Rev. Lett. 96, 045005 (2006).
［１９］Y. Kuramitsu et al., Astrophys.J. Lett. 707, L137 (2009).
［２０］L. Spitzer, Physics of Fully Ionized Gases (2nd ed.; NewYork: Interscience, 1962).
［２１］P.M. Nilson et al., Phys. Rev. Lett. 97, 255001 (2007); P.M.
Nilson et al., Phys. Plasmas 15, 092701 (2008).
［２２］https://lasers.llnl.gov/

２．
５ まとめ
本章では，高出力レーザー激光 GXII 号 HIPER レーザーによって生成された高速対向プラズマ流の相互作用による無衝突衝静電撃波の生成とジェットコリメーションの実験結果について示した．

謝

辞

本章で紹介した研究の一部は日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究（B）（８２１３４０１７２），分野間連携による国際拠点形成（H１８‐２１年）（自然科学研究機構連携事業），およ［２３］http://www.lle.rochester.edu/

びレーザーエネルギー学研究センター共同利用・共同研究からの助成のもとで行われた．またこれらの成果は，日本，

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