大阪大学レーザー科学研究所の加藤弘樹（かとうひろき）博士課程学生,重森啓介（しげもりけいすけ）教授,長友英夫（ながともひでお）准教授らの研究グループは,レーザーで核融合燃料が圧縮される際に問題となる表面の凸凹形成（レーザーインプリント）が,硬くて重たい物質では抑制されることを初めて明らかにしました.これにより,凸凹が形成されにくいダイヤモンドのカプセルを用いた核融合燃料の安定した圧縮と効率的な加熱が期待されます.また，実際にこれを核融合燃料に応用するためのキーテクノロジーとなる,高精度なダイヤモンドカプセルの作製にも成功しました.

燃料カプセルがレーザー光で直接照射される核融合の方式（直接照射型慣性核融合 ）では,主に,“インプリント”と呼ばれる照射による凸凹形状の発生と，製作時のカプセル表面の粗さが,燃料の圧縮・加熱を妨げるため問題となっていました.

今回,同研究グループは,まず,このインプリントの低減機構の解明を行い，約100万気圧という超高圧状態においても弾性体 として振る舞うダイヤモンドの硬さに着目し,インプリント擾乱における物質の硬さや密度の影響について基礎実験及びシミュレーションを実施しました.その結果,ダイヤモンドに生じるインプリント擾乱は従来の典型的なカプセル材料であるポリスチレンの約30%にまで低減されることを実証しました.本成果はAmerican Institute of Physics社が発行する「Physics of Plasmas」誌に2018年3月20日午前4時（日本時間）に掲載されました.

さらに,大阪大学レーザー科学研究所と産業技術総合研究所との共同研究グループは,水素とメタンから成る原料ガスをフィラメント加熱によって分解し結晶成長させる方法で真球度 ~99.7%,そして数十ナノメートル以下の平滑性をもつ均一性の高いダイヤモンドカプセルの作製に成功しました （図1） .研磨加工を必要としない本手法は核融合用カプセルの大量生産に応用可能です.この成果はELSEVIER社が発行する「Diamond & Related Materials」誌に2018年4月17日午前2時（日本時間）に掲載されました.

図1　原料ガスを熱分解し結晶成長させる方法で得られた核融合実験用ダイヤモンドカプセル（直径約500μm,膜厚~6μm）

核融合燃料が内包されたカプセルは高強度レーザーにより圧縮・加熱されます.この方式で,高温（約1億度）・高密度（固体密度の約1000倍）状態のプラズマ が実現すると，約100億分の1秒という短時間内に核融合反応が可能となります.この核融合反応を起こすには,均一なレーザー照射に加え,ナノオーダレベルの膜厚均一性をもつカプセルが必要です. 図2 (a)のように非一様なレーザー照射によって，表面上に形成されるプラズマの圧力が不均一になります.その結果,カプセル表面に振幅1μm程の微小な凸凹（インプリント擾乱）が発生し,表面が歪みます.このインプリント発生がカプセルの圧縮・加熱を妨げる要因の一つとなっています.したがって,非一様なレーザー照射下でもインプリント擾乱を抑えることが安定な燃料圧縮に対して最重要課題となっています.これまで, 図2 (b)のような照射時間の経過とともに広がるプラズマ中では遮断密度 面近傍での圧力不均一（または温度不均一）が熱伝導により実効的に緩和される効果（熱平滑化効果）が実証されてきました.一方で,この熱平滑化効果は照射直後ではプラズマ形成が不十分であり,この緩和機構は有効でないという欠点がありました（ 図2 (a)）.

図2　レーザーインプリントの概念図(a)レーザー照射極初期時(b)照射直後から時間が経過し,表面上のプラズマ領域が広がっているとき

加藤弘樹らの研究グループは,インプリント低減の解決策として,物質の硬さや密度に着目しました. 図2 (a)にある物質表面の押されるスピードが小さいほど,つまり,重たくて圧縮されにくい物質ほど凸凹が形成されにくい予測がありましたが,実験的な検証はされていませんでした.この予測の実証に向けて,同研究グループは極めて硬いダイヤモンドに生じるレーザーインプリントの基礎実験を大阪大学レーザー科学研究所の高出力レーザー激光XII号において実施しました.

実験及びシミュレーションの結果,ダイヤモンドのインプリント擾乱は従来のカプセル材であるポリスチレンの約30%にまで低減されていることが明らかになりました.そして,照射時における物質の圧縮率と密度がインプリントの低減に寄与することが初めて実証されました.硬さや密度による効果と従来の熱平滑化効果との組み合わせによって,さらなるインプリントの抑制が期待されています.

さらに,原料ガスを熱分解し結晶成長させる方法（化学気相成長法 ）を用い,ナノオーダレベルの高精度なダイヤモンドカプセルの作製に成功しました.熱フィラメントを用いた結晶成長法 では,通電加熱された高温なフィラメント（タングステン製）によって原料ガス（水素とメタン）が熱分解され,比較的低いガス圧で基材表面上にダイヤモンド粒がコーティングされます.その結果,真球度~99.7%,そして数十ナノメートル以下の平滑性をもつ均一性の高いダイヤモンドカプセルが得られました.合成パラメータ（原料ガス濃度やガス圧）の最適化により表面平滑性がさらに向上できる可能性があります.また,研磨を用いない本手法は研磨工程における加工損傷層や,これらに起因する残留応力 が加工面内に生ずる問題を回避でき,核融合用カプセルの大量生産に繋がることが期待されています.

本研究成果は,レーザー核融合における燃料圧縮の安定化に資するものです.レーザー核融合研究は高温・高密度下におけるプラズマ内部状態の基礎研究としても重要であり,宇宙プラズマをはじめとして，高エネルギー密度科学 全般で幅広い応用が可能です．また,本研究成果はレーザー核融合ターゲット設計だけでなく,レーザー加工の素過程とも深く関連しており,これらの研究の進展に寄与すると考えられます.

レーザーインプリントに関する研究成果は,2018年3月20日午前4時（日本時間）にAmerican Institute of Physics(AIP)社が発行する「Physics of Plasmas」誌（オンライン）に掲載されました.

タイトル：“Effect of equation of state on laser imprinting by comparing diamond and polystyrene foils”
著者名：加藤弘樹 ¹ , 重森啓介 ¹ , 長友英夫 ¹ , 境家達弘 ² , 植田泰智 ¹ , 寺崎英紀 ² , 弘中陽一郎 ¹ , 中井光男 ¹ , 清水克哉 ³ , 疇地宏 ¹

所属：
1. 大阪大学 レーザー科学研究所
2. 大阪大学 大学院理学研究科 宇宙地球科学専攻
3. 大阪大学 大学院基礎工学研究科 附属極限科学センター

なお,本研究は,日本学術振興会・科学研究費補助金（23340175）及び,核融合科学研究所の双方向型共同研究課題の支援（NIFS10KUGK044）のもと実施されました.

また,ダイヤモンドのカプセルに関する研究成果は,2018年4月17日午前2時（日本時間）にELSEVIER社が発行する「Diamond & Related Materials」誌（オンライン）に掲載されました.本成果は，産業技術総合研究所の大曲新矢研究員，山田英明主任研究員らとの共同研究によるものです．

タイトル：”Synthesis and characterization of diamond capsules for direct-drive inertial confinement fusion”
著者名：加藤弘樹 ¹ , 山田英明 ² , 大曲新矢 ² , 茶谷原昭義 ² , 杢野由明 ² , 福山祐司 ¹ , 藤原宇央 ¹ , 宮西宏併 ¹ , 弘中陽一郎 ¹ , 長友英夫 ¹ , 重森啓介 ¹

所属：
1. 大阪大学レーザー科学研究所
2. 産業技術総合研究所

なお,本研究は,大阪大学レーザー科学研究所と産業技術総合研究所との共同研究(2016B2-YAMADA)により実施されました.