【研究分野】プラズマ科学

【研究領域課題番号】20244090 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プラズマ / 高エネルギー密度 / 輸送係数 / 導電率 / 状態方程式 / 衝撃波 / パルスパワー / イオンビーム / 重イオン核融合 / ドライバー / 高エネルギー密度プラズマ / 荷電粒子ビーム / 高速プラズマ流 / パルスパワ / 高エネルギー密度プラズ / 重イオンビーム / 電離緩和 / 輻射輸送

【研究成果の概要】

本研究は,高出力の電磁パルス発生装置やイオン加速器を用いて一様で良く定義された高エネルギー密度のエネルギー付与を行い,固体密度付近で数千度(WDM : Warm Dense Matterと呼ばれる状態)の物質の相変化や強い衝撃波を伴う高速プラズマ流の挙動を解明することを目的とした。WDM内の輸送係数や状態方程式を議論するために小型の高速電磁パルス入力装置を製作,同軸で均一な高密度プラズマを形成し,導電率や比熱の密度・温度依存性を調べた。その結果,導電率は固体密度の数十分の一と数千度の状態で最小値を持つこと,最小値は温度の上昇に伴って消失すること,そのような特性は物質に依存しないことなどを明らかにした。電磁エネルギーの入力を制御することによって一次元的な高速・高密度(高エネルギー密度)のプラズマ流を形成し,強いプラズマ衝撃波の構造や輻射輸送の影響を議論した。また,電圧重畳型誘導加速モジュレータを用いる粒子ビーム変調装置を製作してイオン加速器の高出力化に不可欠なビーム・バンチングに伴うエネルギー散逸過程を検討した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】50,570千円 (直接経費: 38,900千円、間接経費: 11,670千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】16106012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電気推進 / ホール型推進機 / 放電振動 / プラズマシミュレーション / プラズマ診断 / 粒子法数値解析 / 宇宙推進 / プラズマ / イオンビーム / LIF法 / 並列計算 / セラミック壁面損耗

【研究成果の概要】

次世代宇宙機用エンジンとして有望なホール型推進機について、実機搭載上深刻な問題となりうる放電振動現象について、高速度カメラによる観測、1次元および2次元モデルの構築により、このメカニズムを解明した。その上で、振動を抑制することに成功し、高密度のプラズマイオンを抽出することが可能となった。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2004 - 2008

【配分額】110,630千円 (直接経費: 85,100千円、間接経費: 25,530千円)

【研究分野】核融合学

【研究領域課題番号】13480132 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

慣性核融合 / プラズマ / 阻止能 / クーロン対数 / 陽子ビーム / 重イオンビーム / 加速器 / レーザーイオン源 / イオンビーム / 核融合 / レーザー / 有効電荷 / 飛行時間法 / 高温プラズマ / イオン源 / 有功電荷

【研究成果の概要】

重イオンビーム・プラズマ相互作用におけるクーロン対数の測定のために,高強度陽子ビーム発生用レーザープラズマイオン源,及び低エネルギーパルス陽子ビーム加速装置の設計・製作を進め,実験に必要なμA級のビームを得た.またビーム集束用静電型四重極レンズを設計・製作し,集束力を確認した.専用ビームラインを建設し,既存のビームラインに損失なく合流させることに成功した.飛行時間法による陽子のエネルギー損失測定のために,空洞共振器を用いたビームパルス化装置を製作し,標的位置において陽子ビームを時間幅で1ns以下にパルス化することに成功した.予備実験として,炭素薄膜中の120keV陽子の阻止能測定を行い,他の文献の値と良く一致する結果を得た.次にレーザー生成プラズマ標的とビームの相互作用実験を試みたが,シングルショットのパルスビームであるためにビーム位置モニターの感度が不足し,プラズマ標的の中心にビームを通過させることが困難であった.この理由により,予定していたクーロン対数,すなわち低エネルギー陽子ビームの阻止能測定には至らなかった.以上の低エネルギー陽子加速器を用いた実験と並行して,プラズマ中のクーロン対数に関する情報を得るため,電荷状態の異なる高エネルギー重イオンビームの阻止能測定を行った.またHe^<2+>イオンビームを用いて,zピンチ放電プラズマとの相互作用実験を行い,エネルギー損失の測定結果からクーロン対数の評価に成功した.さらにクーロン対数を数値計算により評価するための粒子コード開発を行い,高密度・低温プラズマ中で高荷電数イオンの阻止能に非線形性が現れることが確認できた.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】14,900千円 (直接経費: 14,900千円)

【研究分野】原子力学

【研究領域課題番号】11480122 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イオンビーム / エミッタンス / 加速器 / 空間電荷効果 / 大電流ビーム / 慣性核融合 / レーザー / プラズマ / 重イオンビーム / イオン源

【研究成果の概要】

平成11年度にはレーザーイオン源から低エミッタンスビームを発生するためのKrFエキシマレーザー照射系の開発とイオン源の特性試験を中心に研究開発を行い,結果的に当初使用していたNd:YAGレーザーの場合を上回るビーム強度を得ることができた.またMCPとCCDカメラを用いてエミッタンスの時間分解測定に成功し,実際にレーザーイオン源からのビームのエミッタンスが1パルスの間で時間的に大きく変化することを見出した.しかし,より短波長のエキシマレーザーを用いても予想された低いエミッタンスは得られなかった.この結果から,レーザープラズマの流体的挙動やプラズマへのレーザーの進入深さ等,多数の因子間の複雑な相互作用によってビームのエミッタンスが決まっていることが明らかになった.
一方,平成12年度には非線型空間電荷力によるエミッタンス増大測定実験のために静電四重極チャンネルを接続してビーム輸送試験を開始した.しかしビームの発散が極めて強く,チャンネルにほとんど入射できないことが分かった.そこで電極を同心球面状構造に変更して再度チャンネルへの入射を試みたが,過集束のためビームは再び大きく発散した.したがって当初予定していたビームエミッタンス増大測定実験は実施できなかった.
実験に並行してビーム粒子に働く非線型空間電荷力とその運動を記述する3次元粒子コードを開発し,ビーム挙動の数値解析を行った.断面の粒子密度分布が一様及び非一様の楕円断面ビームに対してチャンネル内でのエミッタンスの推移を調べたところ,非一様ビームの場合に大幅なエミッタンスの増大が見られ,同時に断面密度分布は一様に近づくことが数値的に再現できた.これによりビームに蓄えられた非線型空間電荷エネルギーが解放されてエミッタンスの増加をもたらすというメカニズムを数値的に確認することができた.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】15,800千円 (直接経費: 15,800千円)