2019 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，クリプトンをベースとしてレーザー維持プラズマ（LSP）の生成条件を検証した。クリプトンはキセノンに比べ電離電圧が2 eVほど高いがコストが20分の1以下でありまた原子量が低いため推進剤としてキセノンより適している．まずクリプトン単体でのLSP生成条件を検証した結果，レーザー出力4 kWにおいて0.7 MPa～0.9 MPaの圧力化でのLSP生成に成功した．発光分光により得た原子スペクトルからボルツマンプロットにより温度を推定した結果，LSP温度は9,000 K～15,000 Kであることがわかった．この結果は従来のキセノンLSPと同等である．次にアルゴンおよび水素を混合してLSP生成を行った．その結果，体積流量でアルゴンは最大50%，水素は5.3%の混合比率でLSPの生成に成功した．アルゴン50%混合時の比推力は505 sに達し，ヒドラジンアークジェットと同等の性能であることがわかった．一方でメタンベースでのLSP生成では着火用アーク放電作動時に生成する煤が窓に付着し，煤がレーザー光を吸収することで破損する現象が多発した．従って本年度は希ガスを窓に吹き付けメタンを下流から供給する新しいガス供給系の開発を行った．
数値計算コードの構築はベースが完成し，LSP生成条件に関して実験と比較を行った．その結果，しきい値レーザー出力の圧力依存性は実験結果と定性的には一致するものの，出力の絶対値は10%～20%程度常に数値計算結果の方が大きくなった．数値計算では原子スペクトル吸収の効果をまだ入れておらず，それが原因ではないかと考えられる．
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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
本年度は昨年末に導入が完了した4kW級半導体レーザーを用いた実験を行い，これまでキセノンベース以外で例がないクリプトンベースでのLSP生成に成功した．一方，数値計算コードに関しては定性的には実験結果と一致するものの絶対値は20%程度のズレがあるため今後原子スペクトル吸収などのモデル化を詰めていく必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度はまずメタン供給系の開発を引き続き行う．本システムは着火時にレーザー光入射窓に煤がつかないことを目的とするため，LSP生成実験とは独立に進めることができる．LSP生成実験としては分子量が軽くまたペニング電離が期待できるヘリウムベースの実験を行う．この実験は一部行っていたが昨今のヘリウム不足により中断していたものである．次年度では入手の目処が立ったため再開する．またレーザー分光法により並進温度，電子密度を計測することで数値計算コードの評価を行う．
数値計算モデルは原子スペクトルラインを組み入れることで定性的だけでなく定量的なLSPしきい値評価を行う．また実験で得られた結果を随時フィードバックして評価を行う．
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Research Products
(16 results)
