世界初、単発X線パルスでナノ〜サブマイクロメートル構造を カメラ一台で同時計測― 微細な初期プラズマ構造がレーザー固体相互作用を劇的に変化させる機構を解明 ―

2026-10-19 核融合科学研究所,大阪大学,京都大学,高輝度光科学研究センター,量子科学技術研究開発機構

核融合科学研究所、大阪大学、京都大学などの国際研究グループは、単発のX線パルスとカメラ1台で、ナノメートルからサブマイクロメートルにわたる構造を同時に計測する手法を開発した。新たに開発した「ビームストップフリーX線小角散乱法」では、金属薄板を組み合わせた減光フィルターによって、従来は強い直接光を遮るために測定できなかった領域も観測可能にした。X線自由電子レーザー施設SACLAで実験を行い、微細なシリコンロッド集合体に高強度レーザーを照射してプラズマ化させ、その膨張過程を10~500ナノメートルの空間スケール、サブピコ秒の時間分解能で捉えた。さらに実験と数値シミュレーションの比較から、固体表面に形成される初期プラズマのサイズが数ナノメートル増加するだけで、レーザーエネルギーの吸収率が約4分の1に低下することを明らかにした。この成果は、レーザープラズマの基礎物理の理解を進めるとともに、レーザーイオン加速や将来の核融合炉におけるプラズマと炉壁の相互作用の研究に役立つと期待される。

世界初、単発X線パルスでナノ〜サブマイクロメートル構造を カメラ一台で同時計測― 微細な初期プラズマ構造がレーザー固体相互作用を劇的に変化させる機構を解明 ―
図1. 高強度フェムト秒レーザーによる微細ロッド集合体ターゲットのプラズマ化ダイナミクスに対するX線自由電子レーザーを用いた観測実験の概念図。

<関連情報>

高エネルギー密度プラズマのマルチスケール構造測定のためのビームストップ不要の小角X線散乱 Beamstop-free small-angle X-ray scattering for multiscale structure measurement of high-energy-density plasma

Masato Ota, Ryutaro Matsui, Melanie Rodel, Shunsuke Egashira, Tomohiro Izumi, Yoshiharu Nakagawa, Yushiro Matsumoto, Otono Kuramoto, Hiroki Ishiara, Kosuke Maeda, Tatiana Pikuz, Alexander Pirozhkov, Alejandro Laso Garcia, Lingen Huang, Alessio Morace, Takumi Minami, Kentaro Sakai, Yuji Fukuyama, Yuto Maeda, Kohei Endo, Soma Nitta, Genki Kamimura, Tomoya Taguchi, Yuki Abe, … Youichi Sakawa
Communications Physics  Published:16 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-026-02872-5

Abstract

The advent of free-electron lasers has enabled in-situ small-angle X-ray scattering (SAXS) measurements of laser-produced high-energy-density plasma at solid density, with nanometer- and femtosecond-scale resolution. Such plasmas generally exhibit gentle density gradients, which suppress large-angle scattering signals while small-angle scattering components dominate near the direct X-ray beam; the latter signals were hard to access in the conventional SAXS method due to the use of a beamstop. Here, we demonstrate a beamstop-free SAXS system comprising layered metallic filters for optimal attenuation of diffraction signals. It enables continuous acquisition of wide q-range/angular scattering signals with a large dynamic range, including the critical small-angle region containing the direct X-ray beam. This method was applied to a two-dimensional array of submicron columnar plasmas generated by irradiating a high-intensity laser pulse onto an assembly of high-aspect-ratio silicon rods with well-defined sharp edges. We experimentally resolve the microscale and macroscale rarefaction dynamics of bulk electrons driven by the pump-laser pre-pulse and main pulse, revealing the initial plasma scale length as a key parameter governing laser absorption in structured targets. Beamstop-free SAXS enables single-shot multiscale structure measurement and establishes a route toward exploration of stochastic plasma dynamics under high-energy-density conditions, including filamentation instability and turbulence.

1701物理及び化学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました