| 研究課題/領域番号 |
26610195
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
佐々木 明 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究副主幹 (10215709)
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| 研究分担者 |
砂原 淳 公益財団法人レーザー技術総合研究所, その他部局等, 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, 研究員 (40107131)
西川 亘 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (80243492)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 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 |
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| 研究実績の概要 |
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Sn液滴ターゲットを照射した際の、粒子発生の機構の解明、最適化を目指した研究を行った。ターゲット物質が液相から気相、プラズマ状態へと変化する過程について、理論的な研究と、数値計算手法の研究を行った。
第一に、流体とともに動く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において、流体の密度分布に応じて動的にメッシュを再配置することで、液相中の気泡、気相中のクラスタとそのダイナミクスの計算を行う手法の開発を行った。計算のタイムステップ毎に、メッシュの再接続、分割、切断、融合するアルゴリズムを開発し、セルの歪みが大きくなった時に、任意にセルを分割したり、隣接セルと融合する方法によって、メッシュの歪みを抑制し、安定に計算が行えるようにした。
第二に、気液相転移を扱うための状態方程式について検討し、ファンデルワールス状態方程式は、熱力学関数を解析的な式で表し、これを用いるのが適当であるという結論を得た。
第三に、相転移のモデリングについて検討した。熱平衡状態の仮定のもとに、温度、密度に対する液相、気相の体積比を求める方法を見出し、セルの分割による数値計算手法を開発した。対象とするセルを、隣接するセルとともに分割し、分割比に応じた分割方法を用いることで、その値が2.5%-97.5%の範囲で分割できるようにした。この手法を用いることで、潜熱も適切に取り扱えるようになった。
最後に、気相と液相の媒質が共存する条件での流体方程式の記述において、有限体積法を用い、圧力勾配による流体の運動、それが媒質のセルに与える仕事による内部エネルギーの計算するようにした。
開発したコードを用い、初期に高温に加熱された液相のSnの円柱が、膨張しながら蒸発する過程についてテスト計算を行った。
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| 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
交付申請書に記載した、モデルの理論的な考察と、シミュレーションコードの開発において、平成27年度の研究では、レーザー生成プラズマに特有な、熱伝導、レーザーの吸収、輻射損失などの効果の導入においては、一部試験的、概念的な段階に留まったが、相転移過程の物理モデル、シミュレーションコードの開発においては、理論解析、それに基づくプログラムの作成とそれを用いたテストが行われた。また数値計算手法についての研究も進展し、当初予定していたよりも高い計算精度、信頼性を達成した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成28年度の研究では、まず、平成27年度までに開発した物理モデル、シミュレーションコードに、レーザープラズマ励起EUV光源の評価に必要な過程を追加し、計算の検証を行う。レーザーによるターゲットのアブレーションの代表的な条件における粒子発生のメカニズムの解析を行い、既存のモデルによる計算結果との差異の検討、実験結果との比較を行うとともに、相転移過程がターゲット物質が溶融、蒸発し、プラズマ化する過程にどのように影響を与えるかを考察する。EUV光源におけるプリパルスレーザー照射条件における計算を行い、生成するプラズマの特性の評価を試みる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成27年度も、レーザー照射Snターゲットの状態方程式の解析、ラグランジ流体シミュレーションにおけるメッシュの動的な再配置手法の検討などにおいて、理論的研究が中心となり、実際のシミュレーションコードの実行、そのために必要なハードウエア、ソフトウエア等の購入には至らなかった。また学会発表、論文発表も少数であったので次年度使用額が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
平成28年度は、平成27年度までの研究によって開発したシミュレーションコードの実行のためのハードウエア、ソフトウエアの整備や、得られた成果の学会発表、そのための国内、外国出張や、論文投稿、そのための英文校閲等のため次年度使用額分の予算を使用する計画である。
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