2016 Fiscal Year Research-status Report
レーザープラズマ生成初期の構造形成のモデル化とEUV光源の高効率励起の機構解明
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26610195
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
佐々木 明 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主幹研究員(定常) (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, 副主任研究員 (00370213)
西原 功修 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 名誉教授 (40107131)
西川 亘 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (80243492)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | レーザー生成プラズマ / 流体シミュレーション / EUV光源 / 状態方程式 / 相転移 / 臨界現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザープラズマ励起(LPP)極端紫外(EUV)光源において、プリパルスレーザーによって照射された液滴が粒子になって飛散する機構の解明と、それを計算で再現する手法の確立、最適化を目指した研究を行った。理論研究および数値計算手法の研究を行った。
ラグランジメッシュを用いた２次元流体シミュレーションコードにおいて、流体の密度分布に応じて動的にメッシュを配置することで、メッシュの破綻を回避するとともに、液相中の気泡、気相中の粒子のダイナミクスを追跡するアルゴリズムを開発した。さらにセルを分割することによって、状態方程式によって与えられる平均的な温度、密度に対して正しい気液の分布を与えるアルゴリズムを考案し、構造形成を伴う蒸発（沸騰）や凝縮の現象を再現できるようにした。モデルを適用するプラズマ、流体の条件の理論的な検討、相転移モデルの検討のもとに数値解法の開発を行った。とくに相転移のモデル化においては、計算の各タイムステップにおいて、流体運動の計算とメッシュの再構築の処理を交互に行う手法に基づき、断熱条件での相転移を考えることにより潜熱の効果を正しく評価できるようにした。
開発したシミュレーションコードを用い、テスト計算、検証を行った。Sn円柱を定常的、均一に加熱する条件で計算を行い、はじめに、相転移などが発生しない低密度の気体を初期条件とした計算を行って、１次元コードと正しく一致すること、エネルギーや質量などの保存を確認した。次に液体密度のSnを初期条件とした計算を行い、媒質の温度、密度状態が相図上で気液混合状態になるときに粒子の発生が起こること、臨界温度の高い物質ではより粒子発生が起こりやすいことを示す結果を得、実験で観測されている現象とつじつまがあう結果を得た。
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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28年度の研究では、シミュレーションコードの開発においては、その理論的基礎を確立することができた。理論的な検討と数値計算によって、熱平衡状態の概念に基づく状態方程式を用いレーザーで加熱されたターゲットの過渡的な膨張、冷却およびそれに伴う気泡や粒子発生を扱う手法を確立するとともに、それが適用可能な必要な条件を明らかにした。メッシュの動的再配置によって、これまで困難とされてきたラグランジ流体シミュレーションを２次元への拡張を可能にするとともに、粒子発生のモデリングにおけるその利点を明らかにした。レーザー生成プラズマ、レーザープラズマ相互作用の物理の導入においては、試験的、概念的な段階に留まる一方で、実験との比較検証に適した条件の検討を行い、均一、定常的な加熱の条件で計算を行うことで、モデルおよび計算結果の妥当性を確かめるとともに、EUV光源ターゲットからの粒子発生について実験とつじつまがあう計算結果を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
開発したモデル、シミュレーションによって、 EUV光源ターゲットプラズマのより具体的な解析を行う。短パルスプリパルスレーザー照射の条件を想定し、衝撃波で圧縮、加熱されたSn液滴の破砕のシミュレーションを行い、従来の計算や実験との比較を行い、モデルの検証を行う。衝撃波によって引き起こされる相転移の特性を解析する。モデルの特性、取り扱うことが可能な流体の特性やターゲット物質の物性について検討を行う。EUV光源の条件で、ターゲットの破砕によって生成する粒子の時間的、空間的特性と、それとメインパルスレーザーの相互作用の解析を行い、生成するプラズマの特性の評価、発光効率や出力などの特性について考察する。
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| Causes of Carryover |
当初計画を効率的に進めた結果、旅費、その他経費を全般的に節約できたため、未使用額が生じた。これにより当初計画に追加して、レーザー生成プラズマからの粒子発生のモデルの理論的検討、数値計算手法の改良を行い、シミュレーションコードの確立を図るとともに、検証、EUV光源プラズマのシミュレーションを行い、レーザーアブレーションのメカニズムの解明、EUV光源における発生粒子の特性の解明およびEUV発生効率の最適化により大きく寄与する成果の達成を図る。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当初計画に追加して、シミュレーションコードの改良とそれを用いたレーザーアブレーションの計算、理論や他の計算との比較による検証を行い、結果の解析を行う。メッシュの動的な再配置のアルゴリズムにおける物理量の保存の向上や、計算の安定性を向上させる改良を行う。衝撃波によるターゲットの破砕のシミュレーションを行う。研究経費は、追加して行う研究の成果を発表するための、国内、外国出張旅費、会議参加費、論文投稿料として使用する。
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