岩石の衝撃破壊機構の解明-レーザー・ボーリング技術への展開-

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10875206
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 堀岡 一彦 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (10126328)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 渡辺 正人 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助手 (20251663)
• Keywords: レーザー / 衝撃破壊 / パルスパワー / ボーリング / 穿孔 / 高エネルギー・レーザー / 空力窓 / 超音速混合流

Research Abstract

本研究は、高速パルスパワーや短パルスレーザーを用いて種々の物性値を持つ岩石に衝撃エネルギー入力を行い、パルス・エネルギー注入による穿孔機構を解明するとともにレーザー・ボーリング技術への展開を検討することを目的とした。
穿孔実験には、放電型のKrF・エキシマ・レーザー(出力〜200mJ/20nsec)を使用した。種々の岩石のサンプルを購入し、衝撃破壊に及ぼすエネルギー吸収率、熱伝導率、破壊応力限界、固体中での衝撃波の伝搬特性などに着目してデータ収集を行った。その結果、レーザー波長に透過しない物質では、穿孔速度は標的物質の熱容量と熱伝導率に依存性をもち、熱応力とアブレーション圧力に駆動される衝撃応力による穿孔機構が支配的であることが明らかになった。比較のために、石英板とCaF2板を購入し、穿孔実験を行ったところ、レーザー波長に対して透過性の物質ではレーザー出力密度がしきい値を越えると、標的内部から衝撃破壊が急速に進行し、穿孔速度が急激に大きくなることがわかった。
基礎的な穿孔機構を明らかにする一方、レーザー・ボーリング技術を展開するには可搬性を持つ大出力レーザーを開発することが不可欠である。可搬性を持つ大出力レーザー(高エネルギー流体レーザー)の最も重要な要素技術である空力レーザー窓の開発と超音速混合流の圧力回復特性を明らかにした。開発したレーザー窓は、ディフューザー形状の改良により圧力比50を達成し、従来の3倍の圧力保持能力を持つことがわかった。また、超音速混合流の基本的な散逸機構と圧力回復特性を明らかにした。これらの研究結果を基にして、スケールアップしたパラメータ領域での穿孔実験を現在計画中である。

Research Products

• [Publications] K.Horioka et.al.,: "Experimental Investigation of Supersonic Free-Vortex Flow for Aerodynamic Laser Windows" Jap.J.Appl.Phys.Vol.37. 4377-4382 (1998)
• [Publications] K.Horioka et,al.,: "Ion Beam Driven Shock Device using Phased Z-pinch" Shock Compression of Condensed Matter. CP-429. 993-996 (1998)
• [Publications] H.Hanajima et.al.,: "A Ray-trace Modeling for Inhomogeneous and Heavily Saturated Laser Amplifier" Proc,6^<th>Sym. X-ray Lasers. P2-30. 148 (1998)
• [Publications] 堀岡一彦: "超高エネルギー密度状態の発生と応用" 電気学会シンポジウム論文集. S2-4. 13-16 (1998)