2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of sensitive electric field measurement method by two-stage laser induced fluorescence technique with tunable diode lasers
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20K03890
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| Research Institution | Japan Healthcare University |
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Principal Investigator |
西山 修輔 日本医療大学, 保健医療学部, 教授 (30333628)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 電界計測 / 水素プラズマ / レーザー誘起蛍光法 / キャビティリングダウン吸収分光法 / ラムディップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はシースおよびプレシースにおける電界構造の実験的計測が可能となる半導体レーザーを光源としたプラズマ中の高感度電界計測法の開発を行うことが目的である。
まず二段階励起LIFスキームを検討し、水素原子の励起1段目(n=2->3)および励起2段目(n=3->5)のアインシュタインのB係数と、観測する蛍光(n=5->2)のA係数から微細構造スペクトル毎に励起確率と蛍光収率を比較して2S(J=1/2)-3P(J=3/2)-5D(J=5/2)の経路を選択した。ICP装置で生成した水素プラズマ中に2台の波長可変半導体レーザーで発振した励起レーザー光を同軸に重ねて入射しLIFの検出を試みた。励起1段目のレーザーの波長を選択した遷移に合わせ励起2段目のレーザーの波長を掃引したところ非常に弱いLIFが観測されたが、励起スペクトルはドップラー幅程度の広がりがあり、第一段階励起後のn=3状態の微細構造準位の間でポピュレーションの移動が生じて速度分布が熱化され、波長分解能が制限されていることが示唆された。
次いで電界計測に必要な波長分解能を微小な吸収のスペクトル計測で得る方法としてキャビティリングダウン吸収分光法(CRDS)を導入し、リングダウン周波数の時間変化から飽和度を評価してドップラーフリーの波長分解能を得るSCAR法を試みた。長さ1mの共焦点キャビティを用い低密度の水素プラズマに対してレーザーの発振波長をバルマーα線の範囲で変え、リングダウン周波数の時間変化を解析することで吸収スペクトルの中心波長でラムディップによる吸収の減少が確認された。平板電極をキャビティ中の光軸に対して1.6mmまで近接させても共振状態への影響は小さく、電極に直流電圧を印加するとシース電界によるシュタルク効果でラムディップが移動、分裂していることが確認され、低密度、定常放電のプラズマにおける電界計測の見通しを得た。
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