Development of plasma window for vacuum interface and its application to quantum beam science

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00141
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 難波 愼一 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (00343294)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 奥野 広樹 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 副部長 (70280716)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: プラズマウィンドウ / アークプラズマ / プラズマ発光分光 / トムソン散乱計測

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は小口径，大口径プラズマウィンドウの放電部をより耐久性の高いものに改良することを行った．また，陰極部は従来の直熱型加熱から傍熱型加熱へと完全移行し，放電が短時間で安定して開始できるようにした．大口径プラズマウィンドウの装置開発はほぼ終えているが，小口径プラズマウィンドウは中間電極の除熱が未だ十分でなく，無酸素銅を材料とするものに変更し，陰極も熱的に耐えられるような装置を見直して設計し，2024年6月に装置が納入される予定である．
プラズマ特性を評価するために，これまでの可視分光計測に加え，真空紫外分光，及び，トムソン散乱計測を新たに導入した．真空紫外分光ではプラズマ内，及び，周辺部ガスの輻射捕獲に関する基礎研究を行うことができ，衝突輻射モデルにおける線強度比法を用いた電子密度，温度決定に関する基調は情報を得ることができた．この成果をPhys.Plasmas誌にて報告した．一方，トムソン散乱計測ではトリプル分光器を自作し，陰極周辺部と陽極出口の電子密度・温度を計測することに成功した．具体的には大口径8mmプラズマウィンドウでは2～3eV, 10^14/cc以上のヘリウムプラズマが発生していることが分かった．これらの値は可視分光で得られた値と一致するため，プラズマパラメータのクロスチェックが可能になった．更に，計測されたプラズマパラメータからどの程度の中性粒子が加熱されているかが評価でき，ガス粘性をより高めるための指針を得ることができた．この成果はJ. Appl. Phys誌にて報告した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

大口径プラズマウィンドウでは目標とするプラズマ特性をほぼ実現でき，圧力隔壁性能も45分であるが達成することができた．一方，小口径プラズマウィンドウでも高い圧力隔壁が形成されたが，極めて高い熱負荷に長時間耐えられなかった，そのため装置の大幅な改良を行った．この装置が納品されるのが6月であり，このプラズマウィンドウを用いて連続長時間運転を試みる．したがって，計画はおおむね順調に進んでいると評価した．

Strategy for Future Research Activity

2024年6月までに大口径，小口径プラズマウィンドウの製作がすべて完了するので，まずは両装置で目標とする圧力隔壁が長時間維持できるのかを確認する．その後，プラズマウィンドウ内に電子ビームを入射する実験を行う．電子ビームは30kVの電子ビーム源を整備したので，放電部陽極出口側から電子ビームを入射し，陰極側に設置されたステンレスまで電子が到達するか調べる．その後，アインツェルレンズを用いて電子ビームを上下左右に振ることでステンレス母材が加工できることを実証する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] ウィーン工科大学(オーストリア)
  • Country Name: AUSTRIA
  • Counterpart Institution: ウィーン工科大学
• [Int'l Joint Research] カタルーニャ工科大(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: カタルーニャ工科大
• [Journal Article] Spectral Shift and Split of Harmonic Lines in Propagation Affected High Harmonic Generation in a Long-Interaction Gas Tube (2023)
  • Author(s): Seres Jozsef、Seres Enikoe、Serrat Carles、Dinh Thanh-Hung、Hasegawa Noboru、Ishino Masahiko、Nishikino Masaharu、Namba Shinichi
  • Journal Title: Atoms Volume: 11 Pages: -
  • DOI: 10.3390/atoms11120150
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a large-bore plasma window with an indirectly heated hollow cathode (2023)
  • Author(s): Yamasaki K.、Sumino M.、Sunada Y.、Yanagi O.、Okuda K.、Kono J.、Saito A.、Mori D.、Tomita K.、Pan Y.、Tamura N.、Suzuki C.、Okuno H.、Guo F.、Namba S.
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 134 Pages: -
  • DOI: 10.1063/5.0166798
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimization of extreme ultra-violet light emitted from the CO2 laser-irradiated tin plasmas using 2D radiation hydrodynamic simulations (2023)
  • Author(s): Sunahara Atsushi、Hassanein Ahmed、Tomita Kentaro、Namba Shinichi、Higashiguchi Takeshi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Pages: -
  • DOI: 10.1364/OE.497282
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Water-window x-ray emission from laser-produced Au plasma under optimal target thickness and focus conditions (2023)
  • Author(s): Wang Jiahao、Kishimoto Maki、Jozaki Tomoyuki、Kumeda Tomohiro、Higashiguchi Takeshi、Sunahara Atsushi、Ohiro Hikari、Yamasaki Kotaro、Namba Shinichi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 107 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.107.065211
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation of stationary high-density cascade arc plasma and application to plasma windows (2023)
  • Author(s): Yamasaki K.、Yanagi O.、Sunada Y.、Okuda K.、Saito A.、Kono J.、Mori D.、Tamura N.、Okuno H.、Namba S.
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Pages: -
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acd55e
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development of large channel diameter plasma window using indirectly heated hollow cathode (2023)
  • Author(s): K. Yamasaki, K. Okuda, J. Kono, A. Saito, D. Mori, Y Sunada, O. Yanagi,P. Yimin, K. Tomita, N. Tamura, H. Okuno, and S Namba
  • Organizer: AAPPS-DPP2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Generation of high-order harmonics radiations around 13.5 nm by using a T-shaped He gas tube (2023)
  • Author(s): K. Mizushima, J. Seres, E. Seres. C. Serrat, T.-H. Dinh, N. Hasegawa, M. Ishino, T. Niinuma，M. Kume5 T. Higashiguchi, K. Yamasaki, and S. Namba
  • Organizer: AAPPS-DPP2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron spectra in BISER harmonic radiation-Xe gas interaction (2023)
  • Author(s): S. Namba, H. Ohiro, A.S. Pirozhkov and M. Kando
  • Organizer: OPIC ALPS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Absorption length dependence of He I resonance line in He arcjet plasma (2023)
  • Author(s): K. Okuda, H. Kawazome, A. Saito, J. Kono, R. Hamada, Y. Kanbara, R. Suzuki N. Ohno,N. Tamura, Y. Hayashi, Y. Hamaji, S. Masuzaki, H. Okuno, K.Yamasaki and S. Namba
  • Organizer: AAPPS-DPP2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アルミニウムプラズマにおけるNe様イオン過渡励起法を用いた122 nmレーザー発振 (2023)
  • Author(s): 西井唯人，渡辺恵深，岸本 牧，城崎知至，王笳豪，山崎広太郎，難波愼一
  • Organizer: プラズマ核融合学会年会
• [Presentation] マルチパルスYAGレーザー照射による レーザー生成スズプラズマからのEUV発光の増大 (2023)
  • Author(s): 渡辺恵深，西井唯人，岸本 牧，城崎知至，東口武史，砂原淳，王笳豪， 山崎広太郎，難波愼一
  • Organizer: プラズマ核融合学会年会
• [Presentation] Water window X-ray microscopy based on laser produced Au plasma (2023)
  • Author(s): J.H. Wang, M. Kishimoto, T. Johzaki, T. Higashiguchi, A. Sunahara, H. Ohiro, K. Yamasaki and S. Namba
  • Organizer: AAPPS-DPP2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks]
  • URL: https://www.plasmasciencelab.com/