| Project/Area Number |
20H00141
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
難波 愼一 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (00343294)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥野 広樹 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 副部長 (70280716)
岸本 牧 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 上席研究員 (40360432)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥45,370,000 (Direct Cost: ¥34,900,000、Indirect Cost: ¥10,470,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Fiscal Year 2020: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
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| Keywords | プラズマウィンドウ / アークプラズマ / 真空インターフェース / 超高密度プラズマ源 / プラズマ発光分光 / トムソン散乱計測 / 超高温高密度プラズマ源 / 大気中電子ビーム溶接 / バーチャル真空インターフェース / 超高温高密度プラズマ |
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| Outline of Research at the Start |
金属のように大気と真空を隔てる圧力隔壁となるが，荷電粒子や光は自由に通過できる物質は存在しないのであろうか? これを解決するのがプラズマウィンドウである．
このプラズマウィンドウが実用化すれば，大気中での電子ビーム溶接・微細加工，大気中の生きた細胞の内部構造をナノメートル空間分解でイメージングできる革新的真空技術を提供できる．一方，プラズマウィンドウは差動排気として機能するため，イオン加速器の多価イオン化ガスセルに適用すれば差動排気系の小型化やビームの大口径化が可能になる．高強度・大口径ビームである次期大型イオン加速器の多価イオン発生の基盤要素技術としてプラズマウィンドウは貢献できる．
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| Outline of Annual Research Achievements |
2023年度は小口径，大口径プラズマウィンドウの放電部をより耐久性の高いものに改良することを行った．また，陰極部は従来の直熱型加熱から傍熱型加熱へと完全移行し，放電が短時間で安定して開始できるようにした．大口径プラズマウィンドウの装置開発はほぼ終えているが，小口径プラズマウィンドウは中間電極の除熱が未だ十分でなく，無酸素銅を材料とするものに変更し，陰極も熱的に耐えられるような装置を見直して設計し，2024年6月に装置が納入される予定である．
プラズマ特性を評価するために，これまでの可視分光計測に加え，真空紫外分光，及び，トムソン散乱計測を新たに導入した．真空紫外分光ではプラズマ内，及び，周辺部ガスの輻射捕獲に関する基礎研究を行うことができ，衝突輻射モデルにおける線強度比法を用いた電子密度，温度決定に関する基調は情報を得ることができた．この成果をPhys.Plasmas誌にて報告した．一方，トムソン散乱計測ではトリプル分光器を自作し，陰極周辺部と陽極出口の電子密度・温度を計測することに成功した．具体的には大口径8mmプラズマウィンドウでは2～3eV, 10^14/cc以上のヘリウムプラズマが発生していることが分かった．これらの値は可視分光で得られた値と一致するため，プラズマパラメータのクロスチェックが可能になった．更に，計測されたプラズマパラメータからどの程度の中性粒子が加熱されているかが評価でき，ガス粘性をより高めるための指針を得ることができた．この成果はJ. Appl. Phys誌にて報告した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
大口径プラズマウィンドウでは目標とするプラズマ特性をほぼ実現でき，圧力隔壁性能も45分であるが達成することができた．一方，小口径プラズマウィンドウでも高い圧力隔壁が形成されたが，極めて高い熱負荷に長時間耐えられなかった，そのため装置の大幅な改良を行った．この装置が納品されるのが6月であり，このプラズマウィンドウを用いて連続長時間運転を試みる．したがって，計画はおおむね順調に進んでいると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年6月までに大口径，小口径プラズマウィンドウの製作がすべて完了するので，まずは両装置で目標とする圧力隔壁が長時間維持できるのかを確認する．その後，プラズマウィンドウ内に電子ビームを入射する実験を行う．電子ビームは30kVの電子ビーム源を整備したので，放電部陽極出口側から電子ビームを入射し，陰極側に設置されたステンレスまで電子が到達するか調べる．その後，アインツェルレンズを用いて電子ビームを上下左右に振ることでステンレス母材が加工できることを実証する．
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