レーザープラズマを用いた火花放電路の長距離形成に関する基礎研究

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K05733
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 大熊 康典 日本大学, 生産工学部, 教授 (80287581)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 火花放電 / レーザープラズマ

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、レンズで集光したレーザーを照射して気体をプラズマ化させ、これを放電路の中継点とすることで、パッシェン則によって決まる従来の火花放電よりも放電電極間距離の長い火花放電を発生させる手法を確立することを目的としている。本年度は、レーザーで生成するプラズマの衝撃波方向と放電電圧印加方向との関係に着目した放電特性を得るために、Nd:YAGレーザー光のエネルギーを無段階で調整するための光学系の改良、レーザーエネルギーの出力を安定的に制御する手法の確立、従来の放電装置の可動部をより精度良く調整可能とするための改良、を行い、レーザーエネルギー及びレーザー光の照射角度毎の放電確率の電極間距離依存性を調べる実験を行った。
その結果、レーザーエネルギーと電極間距離の関係から、レーザーエネルギーの増加に伴い、放電可能な電極間距離が長尺化されることが分かった。これは、レーザーエネルギーの強度がレーザープラズマの形成に対して時間的・空間的に影響しているものと思われる。
また、レーザー光の照射角度と電極間距離の関係から、放電電圧印加方向と垂直（90deg）よりも15deg程度高圧電極側寄りからレーザー光を照射すると、電極間距離を最も長尺化できることが分かり、レーザー照射角度の依存性が明らかになった。パルスレーザー光をレンズで集光すると、生成されるプラズマは光軸方向に長細く形成されることが知られているが、本研究によって、その方向ではない方向に最適値が存在するという新たな知見が得られた。これは、電極間に形成される電界構造にレーザープラズマが大きく影響しているものと思われる。
これらは、放電路の長尺化に対するエネルギー効率の最適化を検討する際に必要となる成果である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究は、(1)実験装置系及び計測系の構築、(2)放電実験装置の製作、(3)放電電極間距離の延長特性の測定、(4)放電電極間における放電経路の制御方法の検討及び提案、の４つの主要なタスクから構成される。本年度は、本格的な実験として、主要タスクの(3)及び(4)に重点を置いた。
(3)では、レーザーエネルギーと放電エネルギーとの関係から放電路の長尺化に対するエネルギー効率の検討を行うために、レーザーエネルギーを再現性良く安定的に出力調整するための半波長板を用いた制御方法を確立して実験を行った。その結果、レーザーエネルギーが大きくなるにつれて電極間距離がより長尺化することが分かり、レーザーエネルギーの値に強く影響を受けることが示唆された。ただし、放電エネルギーの制御がまだ不十分なため、電極間距離の長尺化に向けたレーザーエネルギーと放電エネルギーの割合についての最適化にまでは至っていない。
(4)では、レーザーで生成するプラズマの衝撃波方向と放電電圧印加方向との関係に着目して、レーザー光の照射角度が放電特性に及ぼす影響を調べた。レーザー光の照射角度をより精度よく設定できるように放電実験装置を改良し、詳細な実験を行ったところ、レーザー光の照射角度依存性に関する実験結果に予想とは異なる新たな知見が得られた。これにより、研究目的をより精緻に達成するために精細な追加実験を行う必要が生じた。
最終年度において研究計画の内容を達成できなかったが、デジタル遅延パルス発生器を用いた放電エネルギー制御に見通しが立ち、また、本研究の主目的であるレーザーの入射角度依存性に関する実験結果に新たな知見が得られたことにより、研究期間を延長して次年度に研究成果を得るための本格的な実験を行う。以上のことから、現在までの進捗状況は、やや遅れていると言える。

Strategy for Future Research Activity

本年度の実験結果を踏まえ、より精度良く詳細なデータを得るために光学系と放電実験装置の改良を行い、長距離放電の特性をより詳細に把握する。
レーザーエネルギーと放電エネルギーの割合についての最適化は、レーザー光の照射とパルス状電圧印加の時間差をパラメータとする実験を行い、レーザーエネルギーの強度がレーザープラズマの形成に対してどのように影響するのかを調べて検討する。レーザープラズマの衝撃波方向と放電方向との関係では、レーザー光の照射方向と放電電圧印加方向との角度を変えながら、放電電極形状と放電電極間距離をパラメータとする実験を行い、電極間に形成される電界構造へのレーザープラズマによる影響を調べて検討する。また、放電確率の放電電極間距離依存性を把握し、放電に必要なレーザーエネルギーや放電電圧しきい値を低減しながら放電電極間距離を延伸させる手法を検討する。
さらに、放電電極間の任意の位置にレーザーによるプラズマを生成して火花放電実験を行う。レーザー光の照射点の位置変化に伴う、(a)放電電圧しきい値の変化、(b)放電電極間距離の延伸の変化、(c)放電経路の変化、を明らかにする。得られた研究成果は、国内の学会等で発表する。

Causes of Carryover

本研究の主目的であるレーザーの入射角度依存性に関する実験結果に新たな知見が得られたために研究目的をより精緻に達成するための精細な追加実験を行う必要が生じたことから、研究計画当初の実験装置系において、放電実験装置の改良や新たな部品を用意する必要が生じることとなった。また、本年度は、部局の業務により本研究に対するエフォートを十分に確保できなかったこともあり、本研究のタスクとしている「放電電極間における放電経路の制御方法の検討及び提案」で実施を予定している、現在のシングルパルスレーザーからダブルパルスレーザーに変更するといった、実験内容のステップアップを図るための実験を次年度に実施することとなったため、今年度使用する予定であった助成金の一部を次年度に使用する。
次年度は早々に更なる放電実験装置や制御系の改良を検討し、関連部品を用意する。また、実験で使用する消耗品費や、得られた研究成果を国内の学会等で発表する際の旅費等については、本年度に予定していた計画に沿って使用する。