2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of plasma window for vacuum interface and its application to quantum beam science
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20H00141
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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岸本 牧 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 上席研究員 (40360432) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は真空隔壁としてのプラズマウィンドウをより高性能化するための熱陰極，及び，実用化を視野に入れた小型中間電極を製作した．特に，独自に考案した傍熱型ホローカソード熱陰極を設計・製作し，8mm大口径カスケードアークプラズマ源と組み合わせることで，より高温高密度のヘリウムプラズマ発生実験を広島大学と核融合科学研究所にて試みた．その結果，電子温度は従来の3倍の3eV以上，電子密度は10倍以上の10^15/cc台まで高めることに成功した．また，アーク放電の開始，及び，安定性を大幅に向上させることもできた．これは実用化に向けて大きな進展と言える．プラズマウィンドウ性能に関しては目標値である7kPaと1Paの圧力勾配に対し，実現できたのは2.5kPaと16Paであった．この原因は熱陰極で発生したプラズマが中間電極に達するまでの間にガラス容器内へ膨張するためであることが判明し，現在ガラス容器なしの放電部構造とするための設計を進めている．PLASIMO数値計算コードによるとこの変更により，温度は5eV以上，密度は5倍以上増大すると評価できており，目標の圧力勾配を確実に達成できると判断している．
一方，3mm小口径プラズマウィンドウに関しても陰極構造，及び，プラズマ対向壁をすべてモリブデン材に変更することで電極溶融なしに，電子温度1eV，密度10^16/cc以上のアルゴンプラズマを安定に発生できた．この超高密度プラズマの発生により目標である圧力勾配100kPaと1Paを達成できた．
また，プラズマウィンドウが大気中へのＸ線透過窓として機能することを実証するための15.5nmコヒーレントプラズマＸ線レーザー発振，水の窓域（波長2.3-4.3nm)Ｘ線の高出力化に関する研究開発も同時に進めた．Ｘ線レーザーに関しては安定な発振ができており，水の窓域Ｘ線の高出力化にも成功した．．．
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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
当初の予定通り，大口径プラズマウィンドウに関しては傍熱型ホローカソード熱陰極を設計・製作した．カスケードアーク放電と組み合わせることでヘリウムプラズマの高温化・高密度化に成功した．ただし，圧力隔壁性能として目標値の7kPaと1Paの圧力差をまだ達成できていないが，これを実現するための対策をすでに講じており，現在装置の改良のための図面を描いている最中である．2022年度上半期には目標値を達成できると判断している．
また，3mm小口径プラズマウィンドウに関しては100kPaと1Paの圧力勾配を発生させるアルゴンプラズマ源を開発することに成功しており，当初の予定通り計画が進んでいる．
一方，この3mm径プラズマウィンドウが大気と真空を隔てるＸ線透過窓として有効であることを実証するための，Li様アルミニウムを用いた再結合型Ｘ線レーザー開発も進めた．現在，目標として掲げたレーザー出力・ビーム拡がりを達成できている．また，プラズマウィンドウを介して大気中で生きたままの細胞を観察できる水の窓域Ｘ線発生についても着実に出力を高めることに成功している．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度の最優先課題は，大口径プラズマウィンドウの圧力隔壁性能を目標値7kPa-1Paまで高めることである．そのため，傍熱型ホローカソード熱陰極で発生したプラズマを如何にして冷やすことなく追加熱するかが重要となる．この原因がガラス管内で一度，プラズマが膨張して冷却することにあることを突き止めたので，プラズマ冷却回避の方針を打ち出し，現在詳細な設計図面をほぼ描き終えている．4月中に装置製作を行い，上半期で目標値を達成させる予定である．
このプラズマ源開発と同時にプラズマウィンドウの実証実験も開始する．これにはすでに圧力隔壁性能の目標値を満たしている3mm径プラズマウィンドウを用いる．対象とするのは大気中での電子ビーム溶接・切断，及び，大気中へのＸ線の引き出しである．電子ビーム源は6月頃には入手予定であり，装置一式を電力・冷却設備が整っている核融合科学研究所TPD装置に取り付けて実験を行う．電子ビームの軌道変更には製作済みのアインツェル静電レンズを用いる．一方，大気中へのＸ線引き出し実験に関しては開発してきたプラズマ励起Ｘ線レーザー，及び，水の窓域Ｘ線を用いるため，広島大学にて実施する．．
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[Presentation] Demonstration of 122-nm VUV laser by means of a transient collisional excitation scheme2021
Author(s)
S. Namba, J.H. Wang, K. Yamasaki, T. Johzaki, A. Sunahara, T. Kawamura, S. Mochizuki, T. Higashiguchi, T.-H, Dinh, N. Hasegawa, M. Nishikino, and T. Kawachi
Organizer
5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Radiation Trapping of He Ⅰ Resonance Line in Helium Arc Jet Plasmas2021
Author(s)
R. Shigesada, Y. Sunada, H. Kawazome, Md. Anwarul Islam, M. Sumino, K. Hatta, O. Yanagi, K. Kurosaki, N. Tamura, T. Okuno, K. Yamasaki, and S. Namba
Organizer
5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Stationary hot dense He arc discharge apparatus using an indirectly heated LaB6 hollow cathode electron emitter2021
Author(s)
M. Sumino, Y. Sunada, O. Yanagi, Md. Anwarul Islam, R. Shigesada, K. Hatta, K. Kurosaki, N. Tamura, H. Okuno, N. Ohno, M. Takagi, K. Yamasaki, S. Namba
Organizer
5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research
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