2014 Fiscal Year Research-status Report
磁気ノズルによるレーザー生成高密度プラズマ流の動的制御
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26630470
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
長谷川 純 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (90302984)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | レーザーアブレーションプラズマ / 磁気ノズル / イオン源 / 重イオン核融合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，①実験装置の構築，②シングルショット価数分析器の開発，③磁場印加用パルス電源の製作を行った．実験装置としてプラズマ生成チャンバーおよびプラズマ輸送チャンバーと真空排気系を設計・構築し，超高真空下で清浄な金属標的にレーザーを照射してレーザーアブレーションプラズマの生成・計測を行う環境を構築した．プラズマ生成レーザーにはNd:YAGレーザーおよびKrFエキシマレーザーを用意し，様々なレーザー波長，レーザー強度のもとでプラズマ生成実験を行うことを可能とした．また，プラズマ生成チャンバー全体を新たに構築した30kV高電圧ターミナル上に設置し，ビーム引き出し電圧の印加を可能とした．これと同時に，プラズマ流のイオン価数分布とその時間変化を測定するために，シングルショット価数分析器を設計・開発し，分析器が設計通りに動作することを確認した．アパーチャー通過後の空間電荷力によるイオンビームの発散を抑制するためにプラズマイオンの予備加速の適用を新たに考案し，その原理実証実験を行った．予備加速を行うことで分析後のビームスポットの拡がりが抑えられることを確認し，本アイディアが分析能力の向上に寄与することを実証した．Cu, Pb, Biなどの重金属標的を用いてレーザーアブレーションプラズマを生成し，低エネルギー密度照射条件下での価数分布のデータを取得した．さらに，磁気ノズルによるプラズマ加速実験に向けて，磁場印加用のパルス電源の製作を行い，設計通りの磁化電流波形が得られることを確認した．
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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26年度の研究計画では，①実験装置の構築，②シングルショット価数分析器の開発，③磁気ノズルの設計と磁場印加用パルス電源の製作，④磁気ノズル中でのプラズマ流の挙動解析，の実施を行う予定であった．このうち，①と②に関しては，高電圧ターミナルの導入やシングルショット価数分析器における予備イオン加速効果の実証などを行うことができ，当初の予定以上の成果を挙げることができた．一方，③に関しては，磁場印加用パルス電源の製作にとどまり，磁気ノズルの具体的な設計は次年度の課題として持ち越した．また，④のプラズマ流の挙動解析のための数値シミュレーションコードの構築も途上である．以上から，本研究は全体として概ね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度は，⑤シングルショット価数分析器によるプラズマ診断，⑥磁気ノズル効果の検証，⑦磁気ノズルによるフラックスおよびイオン価数制御の検討，⑧２次元電磁PICコードによる磁気ノズル中でのプラズマの挙動解析を，前年度に引き続き推進する予定である．このうち⑤については前年度において前倒しで実施し，すでに一定の成果が得られているため，分析装置や実験データの高精度化に重点を置く．⑥の実施に向け，磁気ノズルの設計を早急に行い，磁気ノズルによる加速の様子を高速フレーミングカメラにより高時間分解で観測する．プラズマプルームが磁気圧により変形を受ける様子や，プラズマ流の膨張速度の変化を視覚的に捉え，レーザーと磁場の強度をパラメータにして詳細に調べることで磁気ノズルによるアブレーションプラズマの加速機構を調べる．⑤，⑥で得られた結果をもとに，磁気ノズルの形状や磁場強度をダイナミックに変化させることでプラズマ流のフラックスやイオン価数分布の動的制御が可能かどうかを検討する。実際に制御を行うには，磁場をマイクロ秒の時間スケールで変動させる必要がある。そのため，磁気ノズル用のソレノイドに加えて，変動磁場用のインダクタンスの小さいソレノイドを用いて，両者の磁場を重畳させる。追加のソレノイドの形状や配置，磁場強度を変えることで，磁気ノズルの磁力線形状とその時間変化を任意に制御する．また，前年度に引き続き２次元電磁PICコードの開発を行い，磁気ノズルを通過するプラズマ流の挙動解析を行う．⑤，⑥で得られた実験結果と数値計算結果を比較することで，磁気ノズル中でプラズマ流の挙動解析を行い，磁気ノズルによる加速機構の物理を明らかにする，その知見を実験条件にフィードバックすることでレーザーアブレーションイオン源の性能向上に向けた指針を得ることを目指す．
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