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2015 年度 実績報告書

高エネルギー電磁ビームに誘起される放電とその工学的応用

研究課題

研究課題/領域番号 15H05770
研究機関東京大学

研究代表者

小紫 公也  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90242825)

研究分担者 坂本 慶司  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門 六ヶ所核融合研究所, 次長 (90343904)
今井 剛  筑波大学, 数理物質系, 教授 (80354637)
白石 裕之  大同大学, 工学部, 教授 (50273272)
大西 直文  東北大学, 工学研究科, 准教授 (20333859)
森 浩一  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90375121)
葛山 浩  山口大学, 理工学研究科, 准教授 (80435809)
研究期間 (年度) 2015-05-29 – 2020-03-31
キーワードエネルギー / マイクロ波 / ワイヤレス給電 / プラズマ / 放電 / デトネーション
研究実績の概要

1)レーザー放電爆轟波の1次元伝播実験:  TEA炭酸ガスレーザーを用い、非常に焦点距離の長い集光系を構築して、ほぼ1次元のレーザー爆轟波伝播を実現し、伝播速度を計測した。その結果、従来は集光の幾何的形状により爆轟波伝播速度はまちまちであったが、理想的な1次元集光系ではビーム径が4 mm以上の太さであれば伝播速度と局所レーザー強度の関係が一意に定まることを発見した。またこのビーム径の閾値に関して、プラズマからの真空紫外光とプリカーサ電子生成のモデルを用いて説明を試みており、数値計算にフィードバックを試みている。
2)レーザー放電モデルの構築と数値シミュレーション:  小紫、白石、葛山のそれぞれの電子輸送・電離モデルに基づく結果の比較を行った。それぞれに再現できる現象とできない現象があるが、レーザー爆轟波終了条件付近の低強度域は小紫のモデルのみ再現できることがわかった。実験値を定量的に再現することが次の課題である。
3)レーザー放電爆轟波の1次元伝播実験:  筑波大学の28GHzジャイロトロンを用いた。これまで行ってきた170 GHzの実験では、粒状のプラズマがビーム入射方向に伸展し、ミリ波の電界面と磁場面で有意な違いは見えなかったが、28 GHzジャイロトロンの場合はフィラメント状のプラズマが電界方向に伸び、波長の1/4程度のピッチを持つ構造が見られた。この違いが何に起因しているのか現在解析を行っている。
4)ミリ波放電モデルの構築と数値シミュレーション:  2次元詳細シミュレーションで、170GHz放電で見られた粒状プラズマ構造を再現し、その間隔がミリ波波長や電離周波数に依存することなく、波長の0.9倍であることを明らかにした。低強度域での電離モデルは引き続き模索中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

(理由)レーザー放電爆轟波の伝播実験において、自信を持って検証に使える伝播速度特性を得ることができたことは、今後のレーザー放電物理モデルを構築する上で大変心強い。また、ミリ波放電爆轟波に関しては、粒状プラズマの構造が電離速度や電子輸送のモデルによらず、入射波と反射波の干渉の幾何形状で決定されることが示唆された。今後は伝播速度の再現に注力すれば良いことが明らとなり、因果関係について見通しが立ってきた。

今後の研究の推進方策

レーザー放電爆轟波に関しては、雰囲気ガスをアルゴン、キセノンなどガスを変えて実験を行い、さらに豊富な計測データを取得するとともに、まずは単原子分子の放電で、計算機シミュレーションでの定量的再現を試みる。
ミリ波放電爆轟波に関しては、まだレーザー放電爆轟波に比べて計測結果が不足している。空気中での放電に限りつつも、さらに詳細なフィラメントの伸展(粒状プラズマの形成)の様子を高速度カメラを用いて撮影し、解析する。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件、 オープンアクセス 8件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 9件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Air-Breathing System Using Reed Valve for Pulse Detonation Microwave Rocket2016

    • 著者名/発表者名
      Masafumi Fukunari, Toshikazu Yamaguchi, Kimiya Komurasaki Yasuhisa Oda, Ryosuke Ikeda, Ken Kajiwara, Koji Takahashi, Keishi Sakamoto
    • 雑誌名

      Transactions of JSASS, Aerospace Technology Japan

      巻: 14 ページ: 1-7

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Shock Formation by Plasma Filament of Microwave Discharge under Atmospheric Pressure2016

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Takahashi, Naofumi Ohnishi
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 688 ページ: 1-4

    • DOI

      10.1088/1742-6596/688/1/012119

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Beam-Riding Flight of a Laser-Propulsion Vehicle Using Actively Controlled Pulse2016

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Takahashi, Naofumi Ohnishi
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 32 ページ: 237-250

    • DOI

      10.2514/1.835631

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optical Phase Conjugation by Four-wave Mixing in Nd:YAG Laser Oscillator for Optical Energy Transfer to a remote Target2015

    • 著者名/発表者名
      Kotomi Kawakami, Hideki Okamura, Shigeaki Uchida, and Kimiya Komurasaki
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 117 ページ: 083106

    • DOI

      10.1063/1.4913595

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Predicting Propagation limits of laser-supported detonation by Hugoniot analysis2015

    • 著者名/発表者名
      Kohei Shimamura, Joseph A. Ofosu, Kimiya Komurasaki and Hiroyuki Koizumi
    • 雑誌名

      Japan J. Appl. Phys.

      巻: 54 ページ: 015201

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Simultaneous optical tracking of multiple targets in a field of view greater than 20°2015

    • 著者名/発表者名
      Kotomi Kawakami, Hideki Okamura, and Kimiya Komurasaki
    • 雑誌名

      Optical Express

      巻: 23 ページ: 9777-9783

    • DOI

      10.1364/OE.23.009777

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] レーザー推進による大量宇宙輸送2015

    • 著者名/発表者名
      葛山浩, 小紫公也
    • 雑誌名

      レーザー研究

      巻: 43 ページ: 621-627

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Development of 28 GHz Gyrotron for Cooperative ECH Study2015

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Kariya, Ryutaro Minami, Tsuyoshi Imai, Tadahiro Kato, Hiroshi Idei, Kazuaki Hanada, Hideki Zhushi, Tomoharu Numakura, Yoichi Endo, Makoto Ichimura
    • 雑誌名

      Fusion Science and Technology

      巻: 68 ページ: 147-151

    • DOI

      10.13182/FST14-848

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Design and Sizing of Microwave Rocket Proposed for First Stage Rocket of Conventional Chemical Rocket2016

    • 著者名/発表者名
      Masafumi Fukunari, Kimiya Komurasaki, Yusuke Nakamura, Hiroyuki Koizumi
    • 学会等名
      8th Asian Joint Conference on Propulsion and Power
    • 発表場所
      Sunport Hall Takamatsu (Kagawa、Takamatsu)
    • 年月日
      2016-03-16 – 2016-03-19
    • 国際学会
  • [学会発表] Launch Capability of a Conceptual Laser-Launch System of a Spherical Vehicle and a Donut-Mode Beam2016

    • 著者名/発表者名
      Koichi Mori, Ryo Maruyama, Kohei Shimamura
    • 学会等名
      54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA SciTech 2016
    • 発表場所
      San Diego (USA)
    • 年月日
      2016-01-04 – 2016-01-08
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Study of Breakdown Pattern Induced by Intense Microwave under Atmospheric Conditions2015

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Takahashi, Naofumi Ohnishi
    • 学会等名
      68th Annual Gaseous Electronics Conference
    • 発表場所
      Honolulu (USA)
    • 年月日
      2015-10-12 – 2015-10-16
    • 国際学会
  • [学会発表] Laser-Supported Detonation Generated in a Laser Beam of 7 mm Diameter2015

    • 著者名/発表者名
      Kohei Matsui, Toru Shimano, Joseph A. Ofosu, Kimiya Komurasaki, Tony Schoenherr, Hiroyuki Koizumi
    • 学会等名
      10th International Symposium on Applied Plasma Science
    • 発表場所
      NARA HOTEL (Nara, Nara)
    • 年月日
      2015-08-31 – 2015-09-04
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a Tapered-Tube Millimeter-Wave Receiver for Distant Wireless Power Transfer in Microwave Rocket System2015

    • 著者名/発表者名
      Masafumi Fukunari, Nat Wongsuryrat, Toshikazu Yamaguchi, Yusuke Nakamura, Kaoru Kakinuma, Hiroyuki Koizumi, Kimiya Komurasaki
    • 学会等名
      Joint Conference 30th ISTS, 34th IEPC & 6th NSAT
    • 発表場所
      Kobe International Conference Center (Hyogo, Kobe)
    • 年月日
      2015-07-04 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Two-Stage-to-Orbit Transporting System Combining Microwave Rocket and Microwave Thermal Rocket for Small Satellite Launch2015

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Kakinuma, Masafumi Fukunari, Toshikazu Yamaguchi, Yusuke Nakamura, Hiroyuki Koizumi, Kimiya Komurasaki, Kevin Parkin
    • 学会等名
      Joint Conference 30th ISTS, 34th IEPC & 6th NSAT
    • 発表場所
      Kobe International Conference Center (Hyogo, Kobe)
    • 年月日
      2015-07-04 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Thrust Performance of Microwave Rocket at Low Ambient Pressure2015

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Takahashi, Naofumi Ohnishi
    • 学会等名
      Joint Conference 30th ISTS, 34th IEPC & 6th NSAT
    • 発表場所
      Kobe International Conference Center (Hyogo, Kobe)
    • 年月日
      2015-07-04 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Analysis of Shock Wave Supported by Microwave Discharge in Microwave-Beaming Propulsion2015

    • 著者名/発表者名
      Yoshiaki Kageyama, Masayuki Takahashi, Naofumi Ohnishi
    • 学会等名
      Joint Conference 30th ISTS, 34th IEPC & 6th NSAT
    • 発表場所
      Kobe International Conference Center (Hyogo, Kobe)
    • 年月日
      2015-07-04 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] The Effect of Intensity Profile on LSD Wave Propagation Velocity and Its Application to Laser Propulsion System2015

    • 著者名/発表者名
      Kohei Matsui, Joseph A. Ofosu, Kohei Shimamura, Kimiya Komurasaki, Hiroyuki Koizumi
    • 学会等名
      Joint Conference 30th ISTS, 34th IEPC & 6th NSAT
    • 発表場所
      Kobe International Conference Center (Hyogo, Kobe)
    • 年月日
      2015-07-04 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [備考] 高エネルギー電磁ビームに誘起される放電とその工学的応用

    • URL

      http://www.al.t.u-tokyo.ac.jp/kaken/seminar.html

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公開日: 2017-01-06  

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