2012 Fiscal Year Annual Research Report
ＥＵＶ光源、Ｘ線レーザー媒質プラズマ中の原子・輻射過程に起因する相転移現象の解明
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23340185
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
佐々木 明 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究副主幹 (10215709)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
砂原 淳 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 理論・シミュレーションチーム, 研究員 (00370213)
西原 功修 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (40107131)
古河 裕之 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 理論・シミュレーションチーム, 研究員 (70222271)
西川 亘 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (80243492)
小池 文博 北里大学, 医学部, 准教授 (90095505)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2014-03-31
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| Keywords | レーザープラズマ / 放電 / プラズマ原子過程 / 輻射流体力学 / シミュレーション / パーコレーション / 相転移 / ストリーマ |
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| Research Abstract |
レーザー照射や放電で生成するプラズマを媒質とする、EUV光源、X線レーザーの特性に影響を与える、プラズマの温度、密度等の不均一性の生成メカニズムを明らかにする研究を行った。ターゲットのアブレーションや、加熱、冷却の際に、プラズマ中の急激な不均一性が生成する現象を、物性理論における相転移現象として理解するため、プラズマの状態方程式を決定する、原子過程の解析、レーザーアブレーションおよび放電における、相転移現象の具体的なシミュレーションモデルの構築を行なった。
プラズマ原子過程の研究では、高Z多価電離イオンの大規模な衝突輻射モデルを、計算機アルゴリズムを用いて構築する方法を見出し、電離、励起、発光の重要な過程を漏れなく取り込むとともに、他の計算や実験と系統的な比較を可能とし、計算の精度を向上させることができた。
プラズマ相転移のモデリング、シミュレーションコードの開発のうち、レーザーアブレーションのシミュレーションにおいて、レーザー照射初期のプラズマ形成過程について、これまでの実験結果に基づき理論解析を行なった。従来のシミュレーションでは予めプラズマが生成することが前提とされていたが、レーザー照射による固体中のキャリア生成、局所的な加熱や、それに伴う衝撃波による、表面構造形成、粒子発生などの現象を取り扱うことの重要性に注目し、ラグランジ流体モデルにおいて、任意のメッシュの分割、統合によって相転移を扱う方法を考案した。
放電のモデリングにおいては、放電の時間発展を計算するモデルの改良を進めた。電離のダイナミクスと、空間の静電容量を考慮するモデルにおいて、空間の要素を直列に接続された抵抗とコンデンサからなると考え、計算結果を実験と具体的に比較できるようにした。
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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
平成23年度から行なってきた、プラズマ中に相転移現象が存在するか、存在する場合、どのような構造形成等の現象が存在するか、そのモデル化にはどのような手法が適当かを明らかにする研究において、今年度は原子過程モデル、パーコレーションモデルの双方において、理論的検討や、実験、理論計算との比較による検証が進み、モデルの正当性、計算結果の精度、信頼性が確かめられた。レーザーアブレーションを解析するための、プラズマ輻射流体モデルへの相転移モデルの導入においても、ラグランジセルの任意の分割、統合を行なうなどの、新しいアイデアが得られた。研究分担者や、関連分野の研究者を交えた研究会を開催、議論、情報交換を行なうことで、研究の進捗の促進がなされた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度は、平成24年度までに行なった、プラズマの物性の解析や、モデリングの成果を発展させ、以下のプラズマ中の相転移、構造形成の過程を解析のモデル化、シミュレーションコードの開発と検証、それを用いたEUV光源、X線レーザーの特性の評価を行なう。
①プラズマの状態方程式や、輻射放出・吸収係数などの物性値をもとに、固体の溶融、蒸発、凝結などの相転移過程、中性媒質のプラズマ化およびプラズマ状態内部での相転移、二相共存における構造形成を再現できるシミュレーションコードの開発と検証を行なう。
②パーコレーションモデルを用いた放電シミュレーションにおいて、電離、再結合の確率に実際の気体の物性値を当てはめ、印加電界に対するブレークダウン電界などの特性値を再現するとともに、臨界指数などの係数を求めることを通し、相転移現象としての放電の特徴を明らかにする。
③開発したシミュレーションコードを用いて、プラズマ中の相転移現象が、EUV光源、X線レーザーの特性に与える影響の解析を行なう。プラズマの不均一構造の形成と、その発光効率等への効果の検討を行なう。特に、EUV光源において、Snドロップレットターゲットをプリパルスレーザーで照射してミストを生成、それをメインパルスレーザーで加熱することでEUV光を効率的に発生するメカニズム、その特徴、利点について解析する。
これらの研究の推進と成果のまとめのため、研究分担者による研究会を開催するとともに、成果を関連する国内、国際学会で発表し、成果の普及を図る。
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