2020 Fiscal Year Research-status Report
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
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17K05733
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
大熊 康典 日本大学, 生産工学部, 教授 (80287581)
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2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 火花放電 / レーザープラズマ |
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| 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、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、Nd:YAGレーザー光の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詳細に調べる実験と，レーザー光の照射と放電電圧印加のタイミングの影響を調べる実験を行った。
その結果、レーザー光の照射角度と電極間距離の関係から、接地電極の位置を0deg、高圧電極の位置を180degとすると、レーザーエネルギーとレーザー光照射角度の組み合わせが50mJ/pulse・105degの場合と、150mJ/pulse・45degの場合で放電確率50％での電極間距離がほぼ同じであることや、電極間レーザー光照射角度が放電電圧印加方向と垂直（90deg）よりもやや高圧電極側から照射した方が電極間距離が長くなる傾向が見られ、レーザー光照射角度の依存性が示唆された。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。
また，レーザー光の照射と放電電圧印加のタイミングは，レーザー光照射開始時刻よりも後に電極間に電圧を印加した方が良いことが分かった。
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。
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| Current Status of Research Progress |
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る成果を得ている。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おいて，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。また，レーザー光の照射と放電電圧印加のタイミングは，レーザー光照射開始時刻よりも後に電極間に電圧を印加した方が良いことは分かったが，その最適化までには至っていない。
本年度は新型コロナウイルス感染症対策による影響で十分な実験時間を確保できなかったことや，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、研究期間を再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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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、レーザーで生成するプラズマと放電電極間の火花放電のシュリーレン現象を捉える実験を行い，放電の様子を可視化して最適化の検証を試みる。得られた研究成果は、国内の学会等で発表する。
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| Causes of Carryover |
本年度は，新型コロナウイルス感染症対策のための入構規制等により，前半はほとんど実験ができない状況にあったことや，新型コロナウイルス感染症対策に関する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ため、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。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、次年度に予定していた計画に沿って使用する。
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Research Products
(1 results)
