超流動衝撃波管を利用した超流動ヘリウム中の非線形波動と量子相転移現象の研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11305068
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 村上 正秀 筑波大学, 機能工学系, 教授 (40111588)
• キーワード: 超流動ヘリウム / 衝撃波 / λ-相転移 / 断熱変化 / エントロピ生成 / 超流動衝撃波管装置

研究概要

超流動衝撃波管装置を利用した実験的研究において以下のような成果が得られ、かつこれまでの研究のまとめを行った。
1.圧縮衝撃波の波頭部分の圧縮状態は、衝撃波入射前の平衡液体ヘリウム状態がλ点から十分に離れている(HeIとHeIIの両相において)場合には、ほぼ初期状態からの断熱変化に従うが、衝撃波強度(圧力上昇比)が増すと徐々に断熱変化から外れはじめる、しかし平衡状態がλ点に近いと、断熱変化から大きく外れ、余分な温度上昇の現れることが分った。一方、λ点から僅かに温度の高い状態(HeI)からの衝撃圧縮では、再びほぼ断熱変化に従う結果が得られた。
2.断熱変化から大きく外れるばあいには、対応した余分なエントロピ生成が起こることが明らかになった。その量は、λ線に近づくにつれて大きくなり、またλ線を横切る状態におけるエントロピ生成量は、そこでの温度とλ点温度(2.172K)との差にほぼ比例することも確認された。
3.上記の余分なエントロピ生成の原因を探るために行われた、高解像度の高速可視化写真撮影では、圧縮衝撃波の背後に大きな密度揺らぎが誘起され、それがλ線を横切る場合に増長されていることが確かめられた。一方、これらの知見と、T-s線図、相図等から総合的な検討も続けられている。
4.衝撃波圧縮によるHeIIの固体化実験に向けた耐圧/安全性の向上のための装置改良-衝撃波管管壁の厚肉化と低圧部の延伸化-が成功裡になされ、固体化実験に向けた予備試験を進めている。
5.これまでの研究のまとめを行い、成果を幾つかの論文にまとめた。

研究成果

• [文献書誌] Y.Ueta: "Propagation of a compression shock wave in He II induced by gasdynamic shock wave impingement onto He II free surface"Shock Waves,Proc.23rd International Symposium on Shock Waves. (発表予定). (2002)
• [文献書誌] H.Nagai: "Experimental study of thermal shock wave in superfluid shock tube facility"Shock Waves,Proc. 23rd International Symposium on Shock Waves. (発表予定). (2002)
• [文献書誌] M.Murakami: "Study of Evaporation from He II Free Surface Induced by Thermal Shock Wave"Advances in Cryogenic Engineering. 47A(発表予定). (2002)
• [文献書誌] H.Nagai: "Experiments of Highly Transient Thermo-Fluid Dynamic Phenomena in He II Induced by Gas Dynamic Shock Wave Impingement"Advances in Cryogenic Engineering. 47A(発表予定). (2002)
• [文献書誌] H-S.Yang: "Study of Thermal Shock Wave in Shock-Compressed He II Induced by Gasdynamic Shock Wave Impingement"Advances in Cryogenic Engineering. 47A(発表予定). (2002)
• [文献書誌] ヤンヒョンソク: "超流動ヘリウム中での衝撃波の伝播についての実験的研究"低温工学. 36-9. 534-540 (2001)
• [文献書誌] H.Nagai: "Application of superfluid shock tube facility to experiments of highly transient low-temperature thermo-fluid dynamic phenomena"Cryogenics. 41-5/6. 421-428 (2001)
• [文献書誌] ヤンヒョンソク: "気体力学的衝撃波の入射により超流動ヘリウム中に誘起された衝撃波における温度計測実験"低温工学. 36-1. 2-9 (2001)
• [文献書誌] T.Furukawa: "Measurement of He II evaporation induced by impingement of a thermal pulse on a He II-vapor interphase"Experiments in Fluids. 30. 181-189 (2001)