2018 Fiscal Year Annual Research Report
半導体レーザー維持プラズマの高効率化機構の解明と宇宙推進機への応用
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18H03812
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
松井 信 静岡大学, 工学部, 准教授 (90547100)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
葛山 浩 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (80435809)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | レーザー維持プラズマ / プラズマ診断 / レーザー分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，レーザー維持プラズマ（LSP）の生成条件を緩和させるために，シード材としてキセノンガスを利用したLSPの生成を試みた．その結果，キセノンガスをシード材に用いることで，キセノン・水素，キセノン・アルゴンLSP生成に成功した．LSPの生成閾値は，キセノンガス単体では圧力と共に単調に減少するのに対し，キセノン混合ガスでは圧力に対して最小値を持つように変化することが確認された．そして，LSP生成に必要なキセノンガスの最小の封入圧は，キセノン・水素LSPで40.0%，キセノン・アルゴンLSPで7.7%となり，この結果から推測された比推力は両者とも200 s程度となった．またレーザー光の吸収率は両者とも最大40%程度にまで増加した．次にメタンを用いたレーザー維持プラズマ生成条件を検証した．その結果，メタン単体ではLSPの生成に成功しなかったものの，メタン・キセノンではLSPを生成することができた．また圧力をパラメータとしてその生成しきい値を検証したところ純キセノンより低いことがわかった．これはメタンが解離して生成された炭素原子がレーザー光を吸収しているためだと思われる．次にペニング電離効果を狙ってヘリウム・アルゴンでLSP生成実験を行った．その結果，アーク放電中にレーザーを照射した時は発光領域が大きく広がるのを確認できたがアーク放電を切ると同時にプラズマも消滅した．したがって維持はできなかったがレーザープラズマは生成できていることが確認でき今後の高出力化による検証が期待できる．
一方で並行して数値計算コードの構築を行い，二次元軸対称モデルでのアルゴンLSPの生成可能条件を検証した．その結果，CFDでは2MPa以上でのLSP生成が可能であったが，この結果は実験と矛盾（6.5MPaでもLSP生成はできていない）するため，ビーム形状などを検証し直す必要がある．
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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
本年度はシード剤効果（キセノン），原子線吸収効果（メタン），ペニング電離効果（ヘリウム）の全てを検証することができた．この結果は従来の1kW級半導体レーザーを用いて行ったものであり，本年度導入が完了した4kW級半導体レーザーを用いた実験での作動条件を決める上で非常に有用なものである．一方，数値計算コードに関して，結果は未だ実験と一致しないものの基盤となるコードの作成は終えており，今後はビーム形状，輻射モデルの再検討などより詳細なモデル化を詰めていく段階である．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は導入を終えた4kW級半導体レーザーを用いてLSP生成実験を試みる．まず計算コードの基準となる純アルゴンでの生成を試みる．次にキセノンを用いないメタン及びヘリウム・メタンでの生成条件を検証する．着火方法に関して，従来はアーク放電を用いていたが，宇宙機搭載に向けてより現実的な高周波放電，パルスレーザープラズマを用いた手法を検証する．この際，高速カメラにより着火状況を観察することでLSP生成条件を決めるのは何かを見極める．
数値計算モデルはビーム形状をガウシアンから半導体レーザーの楕円に合うよう改良する．また4kW級半導体レーザーによりアルゴンLSPの生成に成功すれば閾値だけではなく，レーザー計測による温度，電子密度測定結果を用いて検証する．
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