飛翔体衝突の動的圧縮による炭素の単純立方格子結晶の生成のシミュレーション

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11680478
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 青木 尊之 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 助教授 (00184036)
• 研究分担者: 堀岡 一彦 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (10126328) ; 関根 利守 文部科学省, 無機材質研究所・高圧ステーション, 主任研究官
• キーワード: 炭素単純立方格子 / ダイヤモンド / 衝撃波 / テラパスカル圧力 / レーザーアブレーション / 飛翔体加速 / 衝撃インピーダンス / SESAME状態方程式

研究概要

レーザー照射によるアブレーション圧力で加速された飛翔体をダイヤモンドに衝突させ、衝突による動的圧縮で炭素単純立方格子が生成する熱力学的条件に到達することが可能であるかを、数値流体力学シミュレーションにより明かにした。炭素単純立方格子は圧力2TPa(テラパスカル)以上で生成することが予測されているが、温度は数千度以上になると融解するおそれがある。飛翔体衝突は強い衝撃波による高い圧力を発生するが、温度も高くなってしまう。そこで、弱い衝撃波が多数発生し、断熱圧縮に近づけるような標的および飛翔体の構造を検討した。衝撃インピーダンスの評価から、2TPaを発生するためには飛翔体の衝突速度が14km/sec以上でなければならないことが明らかになり、この速度でサンドウィッチ構造をした飛翔体が標的に衝突して高圧を生じる過程をロスアラモス国立研究所で開発された状態方程式SESAMEライブラリと圧縮性流体コードを用いて検証した。最も低エントロピー圧縮が達成したのは、厚さ10μmのダイヤモンドを厚さ80μmの金と厚さ20μmプラスチックで挟んだ構造(衝突面がプラスチック)の標的に、金(20μm)-銅(10μm)-プラスチック(20μm)(衝突面がプラスチック)の標的が衝突する場合であり、温度上昇は2000度程度に抑えられた。衝突面に衝撃インピーダンスの低いプラスチックを配置したことで1次衝撃波の強度を低下させ、背面に衝撃インピーダンスの高い金を配置したことで衝撃波が外へ逃げて行くことを妨げ効率的な圧縮を達成した。
一方、飛翔体を14km/sec以上に加速するには、厚さ20μmの金に波長250nm、強度6TW/cm^2のレーザーを10nsecの時間照射することで達成されることをレーザープラズマ相互作用まで含んだ圧縮性流体コードで示した。

研究成果

• [文献書誌] K.Kato,T.Aoki,T.Sekine: "Numerical Simulation of carbon Simple Cubic by Dynamic Compression"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.40,Part.1,No.2B. (2001)
• [文献書誌] K.Sakurai,T.Aoki: "A Semi-Lagrangian Cubic-Interpolated Propagation (CIP) Scheme for Long Parcel Trajectories"Comput.Fluid Dynamics Journal. Vo.10,No.1. (2001)
• [文献書誌] K.Sakurai,T.Aoki: "A Numerical Procedure to Evolving Contact Discontinuity by using Moving Cut-Cell Method"Comput.Fluid Dynamics Journal. Vo.10,No.1. (2001)
• [文献書誌] 二ノ方壽,村松壽晴,青木尊之 他: "原子炉熱流動の微視的シミュレーション"日本原子力学会誌. Vol.42,No.12. 1242-1259 (2000)
• [文献書誌] T.Aoki: "Direct 3D Simulation for Falling Leaves"Proc.1^<st> Intl.Conf.on Computational Fluid Dynamics,Kyoto,Japan. 140-141 (2000)
• [文献書誌] K.Kato,T.Aoki,T.Sekine: "A Numerical Simulation of State of Compressed Diamond"The 8^<th> NIRIM International Symposium on Advanced Materials(3月4日〜8日つくば). (発表予定). (2001)