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2014/3/6 第17回 若手科学者による プラズマ研究会 レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を 利用した宇宙推進器の研究 嶋村耕平(D3)、ジョセフオフォス、小紫公也 東京大学新領域創成科学研究科 先端エネルギー工学専攻 小泉宏之 東京大学先端科学技術研究センター 1 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 発表内容 1. レーザー推進機の推力発生機構解明 2. 流体可視化・プラズマ診断 3. エネルギー変換に関する研究成果 4. まとめ 2 2 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie 研究背景 w 実験手法Objecti ve Results & Methodolog Discussion Conclusio エネルギー変換 まとめ y ns s レーザー推進(地上宇宙間)と２つの推進方式 圧力変換方式 (Myrabo) レーザープラズマにより誘起され る 衝 撃 波 を 推 力 に 変 換 (Pulse Detonation Engine 作動) 大気の推進剤利用が可能 推進剤供給ポンプシステム等が不 要となり、シンプルなシステム 熱変換方式 地上打上げイメージ図 SSTO: single-stage-to-orbit 3 3 (Kare, Parkin等) レーザーやマイクロ波で推進器下 部の熱変換器を加熱 水素等推進剤が加熱され、ノズル を用いて加速・排気 地上からのエネルギー供給 複雑なシステムは地上,メンテナンス容易 高ペイロード比、簡素な推進器の実現 レーザー推進コストは化学推進の1/10 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie 研究背景 w 実験手法Objecti ve Results & Methodolog Discussion Conclusio エネルギー変換 まとめ y ns s PDE作動は熱変換型に比べて高効率 PDEはエントロピー生成量が高く、 熱効率に優れたサイクル LSD (laser-supported detonation) によってレーザーエネルギーは圧力波 へ変換 Ignition Energy Conversion LSD Wave Laser 1 Thrust Generation Thrust 1→2 Air Intake Blast Wave 2→4 4→1 デトネーションサイクル(0→4)は定圧燃 PDE型レーザー推進器サイクル 焼サイクル(0→4’’)より高効率(熱量同じ) 4 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 4 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie 研究背景 w 実験手法Objecti ve Results & Methodolog Discussion Conclusio エネルギー変換 まとめ y ns s 「レーザー駆動デトネーション」とは 衝撃波面 プラズマ LSD プラズマが衝撃波面に追随して伝播 レーザーは衝撃波の近傍のプラズマに吸収され、 レーザーは効率的に爆風波エネルギーへ変換 Laser LSD 面積当たりレーザー強度の減少 LSD維持後 プラズマと衝撃波面が離れていく レーザーから爆風波へのエネルギー変換はない Laser LSD維持後 • レーザー照射時間は数マイクロ秒程度、伝播速度は数km/s • 瞬間的に高温、高圧な現象のため定量的な測定が困難で、検 証すべき実験結果が存在しない 5 5 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie Introducti 研究背景 w on Objectiv 実験手法 e Results & Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns 高速・高分解能計測の必要性 極めて高速かつ非定常なデトネーション計測に対応した以下 の3つの計測手法を確立 ナノ秒オーダーの瞬間現象を測定可能な検出器(ICCD)を使 用し、TTL回路でこれら実験系を同期 • レーザーシャドウグラフ法： – 衝撃波・プラズマの伝播履歴を密度変化から可視化 • 2波長マッハツェンダー干渉法： – 中性粒子密度、電子密度を干渉縞の移動量から得る • プラズマ発光分光計測法 – プラズマのスペクトル線から電子温度を得る 6 6 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Objectiv Results & 実験手法 Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns e 炭酸ガスレーザーの発振特性 Overvie Introducti 研究背景 w on 炭酸ガスパルスレーザーはレーザー推進研究に最も広く使用されている 波長10.6 um, 10J 発振。ビーム分布はガウシアンとトップハット デトネーション限界は1-2 us, 5 usまでレーザー発振 7 7 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Objectiv Results & 実験手法 Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns e レーザーシャドウグラフ法 Overvie Introducti 研究背景 w on 5 mm プラズマ 衝撃波 ターゲット シャドウグラフ法 レーザーシャドウグラフ構成図例* 手法：気体の密度変化による光の影を投影して撮影 応用例：屈折率の急激な勾配のある衝撃波の観察に有用 8 8 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Objectiv Results & 実験手法 Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns e マッハツェンダー干渉計について Overvie Introducti 研究背景 w on マッハツェンダー干渉計構成図例* 手法：光路を2つに分けて、位相差（干渉縞）を作る 応用例：流体の可視化、圧力測定等に有用 9 9 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie Introducti 研究背景 w on Objectiv 実験手法 e CO2 Laser@10 J Results & Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns 集光ミラー ビーム ミラー スプリッタ ミラー ミラー ビームスプリッタ 10 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 10 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie Introducti 研究背景 w on Objectiv 実験手法 e ビーム スプリッタ Results & Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns バンドパスフィルタ ミラー ミラー ミラー ICCD カメラ 11 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 11 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Objectiv 実験手法 e プラズマ発光分光計測法 Overvie Introducti 研究背景 w on Results & Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns 波長380-600 nmにおけるスペクトル分布 12 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 12 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 4 5 0 Neutral density, 1026 m-3 Electron density, 1024 m-3 • 様々な形状と実験条件 においてプラズマ密 度・温度を調べた 5 Shock nn ne Te,N2 Te,O2 3 5 4 3 Shock • カメラ露光時間はすべ て100 ns. Laser • 干渉実験から得られた 中性粒子と電子の密度 及び、分光実験から得 られた電子温度の結果 10 Results & Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns 2 1 0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2 1 Electron temperature, eV Objectiv 実験手法 e プラズマ内部診断結果の例 Overvie Introducti 研究背景 w on 0 3.5 Displacement from the wall, mm 電子密度、温度、中性粒子密度分布 13 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 13 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Methodolo Results & エネルギー変換Discussion Conclusio まとめ s ns gy エネルギー変換に対する疑問 Overvie Introducti 研究背景 w on Objecti 実験手法 ve • どれだけのエネルギー変換が可能なのか？ – エネルギー変換効率は？ – 変換効率はどのように決まるのか？ • どのようにエネルギーは変換されているのか？ – 燃焼現象とそもそも何が違うのか？ – レーザーでデトネーションはどのように駆動してい るのか？ 14 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 14 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie Introducti 研究背景 w on Objecti 実験手法 ve Methodolo Results & エネルギー変換Discussion Conclusio まとめ s ns gy 爆風波へのエネルギー変換(1/2) レーザーエネルギーの変換内訳 レーザーエネルギーから爆風波への変換プロセス 爆風波へのエネルギー変換効率は波長10 mmで40％程度 (Mori, 2004) デトネーションの伝播限界がエネルギー変換効率を決めている デトネーション限界以下で、照射されるレーザーエネルギーは損失 このLSD限界を特定し、よりパルスに対して長い時間維持できれば効率が上がる 15 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 15 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Methodolo Results & エネルギー変換Discussion Conclusio まとめ s ns gy 固体レーザー(1mm)発振時のエネルギー変換効率 (2/2) Overvie Introducti 研究背景 w on Objecti 実験手法 ve • 従来は米国スターウォーズ計画に利用されてきた10mmレーザーを利用 想定したレーザー推進の研究が進められてきた • レーザー核融合に使用されている波長帯は大出力化の開発が目覚ましい • 通常短波長ではレーザーの吸収効率が悪く、エネルギー変換効率も下が ると考えられてきたが、固体レーザーの有用性が確認された Pressure (kPa) ηbw=Ebw/Ei (%) Eab (J) Ebw/Eab (%) 固体レーザーの開発ロードマップ 固体レーザー(1mm) 10mm Ei =2.0 J, f = 3.75 Ei =10 J, f = 3.3 101 80 50 30 101 40 38 38 24 44 0.98 0.97 0.91 0.82 9.8 81 78 83 59 45 固体レーザーと炭酸ガスレーザーの比較 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 16 / 56 16 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Methodolo Results & エネルギー変換Discussion Conclusio まとめ s ns gy エネルギー変換に対する疑問 Overvie Introducti 研究背景 w on Objecti 実験手法 ve • どれだけのエネルギー変換が可能なのか？ – エネルギー変換効率は？ – 変換効率はどのように決まるのか？ • どのようにエネルギーは変換されているのか？ – 燃焼現象とそもそも何が違うのか？ – レーザーでデトネーションはどのように駆動してい るのか？ 17 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 17 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Methodolo Results & エネルギー変換Discussion Conclusio まとめ s ns gy 燃焼反応駆動衝撃波とレーザー駆動の違い(1/2) Overvie Introducti 研究背景 w on Objecti 実験手法 ve • 衝撃波近傍で1023 m-3程度の電子密度を確認 • プラズマの輻射による種電子が衝撃波前方に生成している • 放電面の伝播がデトネーションを駆動していることが明らかに。 Trigger Push 燃焼駆動デトネーションの1次元伝播 Filipe Carvalho,2012 18 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 18 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Methodolo Results & エネルギー変換Discussion Conclusio まとめ s ns gy 電子電離と輻射計算による伝播速度(2/2) Overvie Introducti 研究背景 w on Objecti 実験手法 ve • プラズマの輻射強度を分光実験の結果を利用し、速度を計算。 • 別のシャドウグラフ実験との結果が計算結果と一致した。 10 = 1.053 mm in Air U, km/s = 10.6 mm in Air 1 = 1.053 mm in Argon 波長 ガス 11mm Air 1mm Argon 分光実験 0.1 0.5 1mm Air シャドウグラフ 1 1.5 S, 100 MW/cm 2 2.5 3 2 1次元の放電面での輻射計算 実験と解析の速度を比較 19 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 19 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 研究結果のまとめ • 発振波長によらずエネルギー変換効率は約40% • ガラスレーザーは核融合等で利用され、開発が進められている。 • 短波長は吸収効率が悪いが、変換効率に影響は無かった。 B. Wang,et al, “Energy conversion in a glass-laser-induced blast wave in air,” J. Appl. Phys., vol. 108, no. 12, Dec, 2010 • 衝撃波と放電波面の伝播 • 衝撃波に先行して放電面が伝播している。 K. Shimamura et.al, Internal Structure of Laser Supported Detonation Waves by Two-Wavelength Mach-Zehnder Interferometer. J. appl. Phys. 109 (2011) • 放電波面の伝播速度は電離反応と輻射輸送から説明可能 K. Shimamura et.al,. Precursor ionization and propagation velocity of a laser-absorption wave in 1.053 and 10.6 μm wavelengths radiation, IEEE Transactions on Plasma Science, Oct. 2014 (Accepted) 20 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 20 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 21 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 21 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ セミナー内容 1. レーザー推進機に関する研究(25-30分) レーザー推進研究の必要性 エネルギー変換の実験的研究 エネルギー変換効率, 伝播メカニズム, 2. JAXA, 他大学との共同研究(2分) 3. 今後の研究方針(8分) 22 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 22 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Methodolo Results & エネルギー変換Discussion Conclusio まとめ s ns gy イオンエンジン内部のプラズマ診断 Overvie Introducti 研究背景 w on Objecti 実験手法 ve 月崎竜童 他, マイクロ波放電式イオンエンジンμ10の推力増強と準安定中性粒子の空間 密度分布との関係, 日本航空宇宙学会論文集, Vol. 60, No. 3, pp. 141 – 147, 2012. はやぶさに搭載されたイオンエンジン ・エンジン内部の形状や推進剤投入方法による推力向上が目的 ・各種分光法を利用し推進器内部のプラズマ状態を把握 一部写真はJAXAホームページより引用 23 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 23 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie Introducti 研究背景 w on Objecti 実験手法 ve 大学間協力研究 Methodolo Results & エネルギー変換Discussion Conclusio まとめ s ns gy • パルスプラズマスラスターのプラズマ診断（独：シュ ツッツガルト大学） – 発光分光法や干渉法で推進器内部のプラズマ温度・密度を計測 – 主にドイツ人院生への実験指導を担当 T. Schonherr et al., “Characteristics of plasma properties in an ablative pulsed plasma thruster,” Physics of Plasmas, vol. 20, no. 3, pp. 8, Mar, 2013. •レーザー推進器連続発振による推力低下（名古屋大学） •連続パルス動作における換気不良と推力低下の関係を解明。 •主に学部生への実験指導を担当 •超音速航空機の抗力低減（帝京大学） •レーザー誘起衝撃波で航空機先頭の流れを制御。 •東大柏の極超音速風洞を利用し、主にレーザー発振やシュリーレ ン可視化実験の学部・院生を指導を担当。 24 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 24 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ セミナー内容 1. レーザー推進機に関する研究(25-30分) 宇宙開発とレーザー推進研究 高速・高分解能計測の必要性 エネルギー変換に関する研究成果 2. JAXA, 他大学との共同研究(2分) 3. 今後の研究方針(8分) 電磁デトネーション型エネルギー変換器の研究 25 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 25 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 今後の移動体への電力伝送は小型軽量受電システムが必須 • 電気自動車や電車が再評価されているように近年「電気駆動」が注目 • 電力伝送技術は、航空宇宙機等の高ペイロード比（初期重量に対する 貨物質量）化に向けた有力な手段 • 移動体へのエネルギー伝送にはアンテナは不向き（高効率な反面、大 面積を要し搭載が容易ではない） 模型飛行機への電力伝送実験 (京都大学生存圏99’) ジェット機を飛ばすのには膨大な量の アンテナやパネルが必要 一部写真はJAXAホームページより引用 26 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 26 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 「電磁デトネーション型エネルギー変換器」の可能性 特徴 • エネルギー供給源は外部にあるためコンパクトかつ簡素なシステム • レーザーは指向性が高く、長距離伝播向き 最終的なアウトプット • 電磁デトネーション変換システムの商業利用の検討（航空機、離島間、 惑星間エネルギー伝送） • レーザーロケットによる宇宙大量輸送システムの設計・開発への応用 航空機への応用 本島と遠く離れた離島へ 新惑星探査のエネルギー源 一部写真はJAXAホームページより引用 27 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 27 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 研究期間内に何をどこまで明らかにするのか • 変換効率の限界は何によって決まるのか？ – 変換器の効率特性の解明 • デトネーションの伝播で放電面が常に先行しその先頭におけ る種電子の生成が、変換効率の限界を決めると考えられる • 放電面先頭や境界付近においては非平衡性が強くなり、正確 な伝播限界を知るのには数値計算コードが必要 • 変換効率を上げるためには？ – 作動ガスの最適化による変換効率向上 • 放電面の伸長はプラズマからの輻射輸送で決まる • 希ガスは核電荷が大きいため輻射強度が高く、電離しやすく、 放電面の進展を長く保つことが期待できる 28 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 28 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 研究計画・方法 • 輻射流体モデルの構築と数値シミュレーション – 長距離伝播する輻射、中距離輸送を担う流体、そして微視的スケー ルの原子過程と多階層のモデル – 輻射輸送は名大・酒井准教授のLine by line法を、流体と原子過程 の計算はJAXA(現山口大)・葛山助教授のコードをベースに開発中。 – デトネーションの伝播を1次元,2次元の順に再現、検証する • 希ガスを利用した作動ガスの変換効率測定 (東大との共同研究) – 繰返し作動する変換器の効率向上を目指す – 繰返発振レーザーと小型チャンバ（購入予定）を利用したエネル ギー変換効率の測定＠筑波大 – 単作動での各種プラズマ診断計測機器を利用したエネルギー変換 のメカニズム解明＠東大 29 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 29 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 研究計画・協力関係フローチャート(1/2) 平成26年度 1D輻射流体コードの開発 平成27年度 レーザーデトネーショ ンの伝播限界の解明 1D輻射流体コードの検証 平成28年度 希ガス中での変換効率 の測定＠東大(筑波大） レーザーデトネーショ ンの伝播限界の解明 2D輻射流体 コードの開発 30 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 30 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 研究計画・協力関係フローチャート(2/2) 平成29年度 希ガス中での変換効率 の測定＠東大(筑波大) レーザーデトネーショ ンの伝播限界の解明 2D輻射流体 コードの検証 平成30年度 小型軽量なエネルギー変 換器、推進器の提案、変 換器モデルの実験的検証 電磁デトネーション物理 モデルの提案・検証 最終的な アウトプット レーザーロケットによる 宇宙大量輸送システムの 設計・開発への応用 電磁デトネーション変換シ ステムの商業利用の検討 31 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 31 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Laser Propulsion Space transportation!! Airplane 電磁デトネーション型 エネルギー変換器の描 く未来予想図 Deep space exploration Isolate island 32 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 33 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 研究期間内に何をどこまで明らかにするのか(2/2) • 変換器の効率向上への施策(2/2) – 連続発振時の吸気不良の改善 • これまでの実験で、連続作動時の吸気不良が確認された • 強制吸気機構を取り付けた実験においても尚不十分で、放電 の種電子が取り残され異常放電が起きていることが原因 • 印加磁場で電子が排出できれば常に単パルス作動のように圧 力波への変換が期待できる。 圧力波発生メカニズムと吸気 磁場によるプラズマの膨張促進 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 34 / 56 34 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 研究背景 実験手法 エネルギー変換 まとめ 研究計画・方法(2/2) • 外部印加磁場を利用した単・連続パルス実験 (筑波大or東大、名大・佐宗研との共同研究) – コーン型ノズル内部にネオジウム磁石を設置 – 単パルス実験（東大)で磁石の形状や数を最適化する。 – 連続パルス実験でどれだけ吸気不足が改善されるのかを弾道振子法で 計測（名大） ネオジウム磁石搭載のコーン型ノズル 弾道振子法式による効率計測実験図 35 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 35 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Objectiv Results & 実験手法 Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns e 2波長マッハツェンダー干渉法 Overvie Introducti 研究背景 w on -20 Refractive index, log10 Kx 屈折率変化∆𝑁 ∆𝑁 = ℎ𝜆/𝑑 = 𝐾𝑛 𝑛0 − (𝐾𝑛 𝑛𝑛 +𝐾𝑖 𝑛𝑖 + 𝐾𝑒 𝑛𝑒 ) 𝐾𝑛 = 1.1 × 10−29 m-3 𝐾𝑖 = 7.4 × 10−30 m-3 - Ke -25 一定 𝐾𝑒 = −𝑒 2 𝜆2 /(8𝜋 2 𝑐 2 𝑚𝑒 𝜀0 ) m-3 Kn -30 0.1 1 10 波長に依存 Ki 100 Wavelength, mm 1000 比屈折率と波長の依存性 ∆𝑁2 − ∆𝑁1 = (𝐾𝑒1 − 𝐾𝑒2 )𝑛𝑒 屈折率変化は中性粒子、イオン、電子の影響を受ける 2種類の波長のプローブ光で電子密度の項のみ引き出す 36 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 36 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Objectiv 実験手法 e プラズマの発光分光診断 Overvie Introducti 研究背景 w on プラズマの 発光 分光器 Results & Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns 励起状態の 占有密度 原子分子過程に 基づく正しい解釈 原子分子データ プラズマの巨視的な特性 （電子温度・密度、ガス温度等） 37 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 37 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 Overvie Introducti 研究背景 w on Objectiv 実験手法 e Results & Methodolo Conclusio エネルギー変換 Discussion まとめ s gy ns 38 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 38 / 19 「レーザー誘起プラズマにより生成する衝撃波を利用した宇宙推進器の研究」，第17回若手プラズマ研究会，JAEA，2014/3/6 パラメータ３：レーザー波長 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 発光分光法で電子密度、 温度を測定 エッシェル分光器を使用 ミラー、レンズで分光器 に集光 炭酸ガスレーザーと同じF 値で比較 アルゴン、空気雰囲気 39 / 56 10.6 1.053 Air ○ ○ Argon - ○ セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 波長：発光分光結果 波長λ = 390-600 nm 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 Gas: Air 10.6 mm Gas: Air 1.05 mm Gas: Ar 1.05 mm 40 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 レーザー波長が密度温度に与える影響 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 41 電子密度は1024 m-3 程度、電子温度は数eV程度であった。 ガラスレーザーの結果は密度、温度共に炭酸ガスレーザーより高い / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 2章まとめ 膨張エンタルピー損失 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 損失による影響で３次元では同じレーザー強度でも遅い 2次元密度分布は1次元より低く、損失が影響している 雰囲気ガスの電離エネルギー LSD伝播速度に関してはほとんど影響を与えない 電子密度分布、温度分布共に衝撃波背後にピークを持つ 衝撃波背後1mm程度でレーザーを完全に吸収する レーザー波長 炭酸ガスレーザーはガラスレーザー比べてLSD伝播速度は速い ガラスレーザーの温度・密度は炭酸ガスレーザーに比べて高い 42 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 3.光電離モデルによるLSD伝播速度の解析 関連論文 既刊 嶋村他 2波長マッハツェンダー干渉法を用いたレーザー支持爆 轟波構造の解明,日本航空宇宙学会論文集 58, 323 (2010) K. Shimamura, et al, Internal Structure of Laser Supported Detonation Waves by Two-Wavelength Mach-Zehnder Interferometer, J. Appl. Phys. 109, 084910 (2011) 準備中 K. Shimamura, et al, Precursor ionization and propagation velocity of a laser-absorption wave in 1.053 and 10.6 μm wavelengths laser radiation, J. Appl. Phys. 43 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 LSD伝播と電離波面の物理について 3.光電離モデルによるLSD伝播速度の解析 ２波長マッハツェンダー 干渉法によってデトネー ション内部の電子密度を 測定した（左図） 衝撃波近傍で1023 m-3程 度の電子密度を確認した。 Fig. (left)Time varying of electron density distribution (middle) Image of interferometer and LSD inside. (right) NEW LSD model 種電子が衝撃波前方に存 在している K. Shimamura et.al, Internal Structure of Laser Supported Detonation Waves by Two-Wavelength Mach-Zehnder InterferometerJ. appl. Phys. 109 (2011) 電離波面が衝撃波を追い越して伝播している 44 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 3章目的、概要 3.光電離モデルによるLSD伝播速度の解析 本章目的 LSD波面における電離反応、光電離による種電子生成 から電子雪崩による電子数密度の増加という一連の流れ を定量的に評価し、LSD伝播速度を解析的に求める アプローチ ストリーマ放電の進展における光電離モデルを利用 Y.P.Raizer, Spark discharge, ch.3, A.A.Kulikovsky, J.Phys.D 33,1514, 2000 電子密度・温度を分光結果から利用した LSD伝播速度に影響を与えるレーザー波長の結果と解析結果を 比較 45 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 定常一次元LSD伝播と光電離 (i) 3.光電離モデルによるLSD伝播速度の解析 電離波面の進展を一次元定常系での電子の増加から求める 電子の増加率と電子密度の収支から半実験式を導出 LSD先頭の電子密度,バルクの電子密度、レーザー吸収帯長さ、電離周波 数を実験結果や解析から求める。 LSD伝播速度半実験式： 𝑣𝑖 𝑧𝑎 𝑈= 𝑛𝑒 (0) ln 𝑛𝑒 (𝑍𝑎 ) 46 / 56 Za:レーザー吸収帯長さ n :電離周波数 ne: 電子密度 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 定常一次元LSD伝播と光電離 (ii) 3.光電離モデルによるLSD伝播速度の解析 レーザー吸収帯長さは電子密度・温度の関数として求まる 逆制動放射で加速された電子エネルギーが電離エネルギー以上で衝 突電離を起こすと仮定すると、電離周波数は d 1 ni dt i バルクでの電子密度は分光実験結果を利用した LSD先頭の電子密度は輻射光子流束とLSD伝播速度から求めた ne ( z ) 47 / 56 U セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 光電離による種電子の生成 3.光電離モデルによるLSD伝播速度の解析 電離エネルギー以上の真空紫外波長域の光子を制動放射から見積る Eb 6.3 10 Z (n )ne ni ni 48 53 2 hn e dn exp k BTe k BTe 輻射輸送を考慮し、LSD先頭での光子流束を求めた / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 実験と解析:LSDの伝播速度とレーザー強度の関係 3.光電離モデルによるLSD伝播速度の解析 10 = 1.053 mm in Air = 10.6 mm in Air U, km/s 1 = 1.053 mm in Argon 波長 ガス 11mm Air 1mm Argon Analysis 1mm Air Experiment 0.1 49 0.5 1 1.5 S, 100 MW/cm2 / 56 デトネーション限界近くの LSD伝播速度と解析解を比較 した。 実験結果は実線で、解析結果 はプロット＋エラーで示した 異なる実験条件において，実 験結果と解析結果が一致する のが確認できる。 2 2.5 3 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 3章まとめ 3.光電離モデルによるLSD伝播速度の解析 LSD伝播速度を光電離、電離反応モデルを提案 50 / 56 レーザー波長や雰囲気ガス，照射レーザー強度によらず一致 レーザー強度や電界、プラズマの輻射によってレーザーデトネー ションの伝播が説明できることが明らか 実験や数値計算によるプラズマ温度・密度が必要不可欠 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 4. デトネーション限界における維持条件 51 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1次元，2次元でのデトネーション限界の比較 4. デトネーション限界における維持条件 Parameters 2D Quasi-1D Termination timing, ms 1.2 1.8 Laser intensity, GW/m2 34 17 Mach Number 5.3 6.3 (M. Ushio, Shockwave 2008) LATERAL EXPANSION 52 レーザー光軸に対して膨張によるエンタルピー損失を防いだ一次元系 では、2次元に比べて低いレーザー強度のデトネーション限界となる デトネーション限界を調べるためには膨張損失を抑えた系が必要 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 4章の目的、概要 4. デトネーション限界における維持条件 現状 膨張エンタルピー損失がデトネーション限界に影響 伝播速度からではデトネーション限界を予測困難 本章目的 1次元伝播におけるデトネーション限界条件を調べる アプローチ 1次元定常伝播を仮定して、質量・運動量・エネル ギー保存則が成り立つような系を解析した 53 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 検査体積，LSD背後希薄波による解析 4. デトネーション限界における維持条件 Conservation of Mass r2, p2, e2 U2 S0 U1 r1, p1, e1 Control volume 1: ambient air 2: behind LSD wave r1U1 r 2U 2 Conservation of Momentum p1 r1U12 p2 r 2U 22 Conservation of Energy 𝑈12 𝑈22 𝐶𝑝 𝑇1 + + 𝑞(𝑈, 𝜂) = 𝐶𝑝 𝑇2 + 2 2 左図のような波面に乗った座標系において定常流れであるとする 検査体積の前面をデトネーションの十分上流に、検査体積の後面をデト ネーション後面、希薄波先頭に設定する 検査体積前後面において質量、運動量、エネルギーの保存則が成り立つ。 54 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 v-p平面上での2曲線 4. デトネーション限界における維持条件 ユゴニオ曲線 質量、運動量、エネルギー保存則から得られる レーザー強度を固定するとV-p平面上の１本の双曲線 LSD伝播速度が変化するときのデトネーション後面の状態の集合 レイリー線 質量、運動量保存則からレイリー線を得る V-p平面上で始点(v1,p1)を通る,傾き速度の2乗の直線 定常デトネーション内部の流体状態は必ずレイリー線上 3式と状態式の4式では5つの未知数(U1,U2,r2,p2,e2)を決定 できず、もう一つ別の条件が必要 → CJ条件 55 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 v-p平面上2曲線交点とデトネーション状態 4. デトネーション限界における維持条件 Chapman-Jouguet (CJ) 状態 安定なデトネーション速度は、ユゴニオ式を満たす速度の最小値 ユゴニオ曲線は、始点から接線がひけ、接点（CJ点）が存在 CJ点が表す状態では後面の流速が音速に等しい デトネーション下流から希薄波がその内部に侵入できない 過駆動 (Overdriven)状態 CJ状態よりもデトネーション速度が速い ユゴニオ曲線とレイリー線の交点が2つ（強 or 弱過駆動状態） 燃焼反応駆動では強過駆動状態、レーザー駆動では弱過駆動状態 56 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 １次元解析の条件 解析条件 4. デトネーション限界における維持条件 膨張損失の影響を受けないよう、一次元系の結果を使用 シャドウグラフから得られるLSD伝播速度とレーザー強度を利用 異なるレーザー強度の２状態を比較 デトネーション限界 レーザー照射近くの高レーザー強度 57 / 56 High Low Laser intensity, GW/m2 34 17 Mach Number 6.3 5.3 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 v-p平面と解析結果 4. デトネーション限界における維持条件 解析結果 ユゴニオ曲線とレイリー線がそれぞれの状態で交点を持った。 100 p2/p1 60 40 ic Curve Shock Adiabat 80 Blue: Overdriven state Red: CJ state HUGONIOT CURVE RAYLEIGH LINE >Slimit =Slimit Intersection 2 1 State variation 過駆動 CJ Pressure, atm 14 11 デトネーション後面での圧力 20 デトネーション限界は2曲線 の交点で表せる可能性がある 0 58 Laser intensity / 56 0.2 0.4 0.6 v2/v1 0.8 1.0 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 4章まとめ 4. デトネーション限界における維持条件 ユゴニオ曲線とレイリー線の交点で限界条件の提案 2章のLSD伝播速度、レーザー強度を利用した 一次元定常伝播を仮定し、ユゴニオ曲線とレイリー線を導出 S > Slimit にて交点2つの過駆動状態 S = Slimit にて交点1つのCJ状態 デトネーション限界は2曲線が接するとき 59 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 関連論文 準備中 K. Shimamura, et al, Observation of a laser-supported detonation wave propagating in a tube, J. J. Appl. Phys. 60 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 5章目的、概要 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 本章目的 1次元の実験系においてデトネーションの圧力を測定し、 前章の1次元ユゴニオ解析の結果の妥当性を検証する アプローチ ピエゾ圧力素子でテーパー矩形管端の圧力計測 管内の波動解析からデトネーション圧力を解析と比較 61 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 圧力分布-伝播履歴同時計測系 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 ピエゾ圧力センサー： キスラー社製 603B 測定範囲：0 ~ 200 bar 固有振動数：> 400 kHz 使用温度範囲: -196 ~ 200 ℃ シャドウグラフと圧力計測を同時に行った ピエゾセンサが熱に弱いため、シリコングリスを塗布した。 ブレイクダウン時の高温高圧で圧力素子が破壊されないよう、閉管端から 0.1mm上に圧力測定穴を設けた 62 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 LSD伝播連続シャドウグラフ 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 1.5 2.5 3.5 10 mm t = 0.5 us SHOCK 4.5 5.5 6.5 7.5 • テーパー付矩形管内部をLSDが伝播している(0<t<1.5) • 途中で衝撃波が伝播し、テーパー付矩形管開放端に到達する 63 / 56 (1.5<t<7.5) セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 片閉管内圧力履歴と内部分布について 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 L:管の長さ 片閉端管におけるLSD伝播と圧力分布 LSD(衝撃波)が開放端へ流れる 減速希薄波がLSDを追随する 閉端に接したガスは静止しなければならず、LSDと閉端との間 で速度0まで減速されねばならない ガスを減速するこの流れは希薄波によって実現される 64 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 7.5 23.5 • 希薄波が管内部を伝播し、閉端まで到達する (7.5<t<23.5) 65 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 減速希薄波侵入と圧力の推移 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 衝撃波が開放端から管外部に放出 衝撃波に続く減速希薄波も開放端に到達するが、依然として管 外の圧力比べて高い 排気希薄波が閉端に向かって伝播する 排気希薄波前面が閉端に到達されるまでの間は、閉端での圧力 は一定に保たれる 閉端到達後、排気希薄波は壁面で反射され閉端での圧力 は減衰する 66 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 圧力の時間履歴と内部の圧力波伝播履歴 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 管内の圧力、時間、距離のグラフ デトネーション開始から、閉端に排 気希薄波到達までの間、閉端での圧 力は一定 プラトー圧力は維持時間が長く、実 験で測定可能範囲内 LSD後面の圧力を直接測 定はサンプリングレート が足りず困難 管端でのプラトー圧は 3.5±1.0 atm 67 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 ４章解析結果との比較 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 25 Hugoniot SHock Rayleigh Adiabatic A' 20 Ra yl eig p2/p1 15 • デトネーション限界付近解析結果 と比較 • 希薄波による断熱膨張が起きる (v-p平面上断熱曲線) h A(p2) 10 Adiab atic c urve 5 Hugoniot Shock a diabatic 0 0.2 0.4 0.6 C(p3) O(p1) 0.8 1.0 1.2 • 希薄波による減衰を考慮した解析 の結果、閉管端圧力は4.0 atm • 実験は3.5±1.0atmで両者は一致 Experiment v2/v1 68 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 5章まとめ 5.一次元系圧力測定による解析結果の検証 69 / 56 閉管端での圧力は3.5 ±1.0 atm 前章解析から得られる圧力は4.0 atm 解析と実験で得られた圧力は誤差の範囲内で一致 デトネーション伝播の一次元性が保たれている セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 研究のまとめ 伝播速度 U LSD伝播速度は波長、閉じ込め効果に影響を受ける。 ガス種によらず衝撃波背後にレーザー吸収帯は1mm程度 1次元伝播ではエンタルピ損失がないため、電子密度が高い 電離反応を考慮したLSD伝播速度モデルと実験結果の一致 エネルギー 変換効率 h デトネーション限界はCJ状態 維持条件はレイリー線とユゴニオ曲線の交点の有無 1次元伝播実験との解析解の一致、一次元性の実証 70 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 (現行タイトル） Effect of ionization waves on propagation of a laser supported detonation wave レーザーデトネーションの伝播に電離波面が与える影響 (タイトル案) Effect of ionization waves on propagation of a laser supported detonation wave and detonation limits レーザーデトネーションの伝播に電離波面が与える影響と その伝播限界 71 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 72 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 雰囲気ガスが分布に与える影響(2次元) 4 1 0 1 2 3 2 4 5 2 6 4 1 0 0 1 2 3 4 Displacement from the target, mm 2 5 0 LOCAL LASER POWER, W/m2 2 3 4 Displacement from the target z, mm デトネーション限界における 衝撃波背後の電子密度と温度分布 HEATING RATE, W/m3 4 2 Electron Temperature, eV 3 6 Shock 1 73 2 Shock 5 4 3 2 1 0 1 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 5 Shock 5 4 3 2 1 0 Shock Electron density ne, 1024 m-3 Argon Nitrogen 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 局所レーザー強度と加熱率 窒素、アルゴン雰囲気によらず電子密度は衝撃波背後にピーク 電子温度はほぼ衝撃波背後のピークから緩やかに減少する 衝撃波背後1 mm前後でレーザーは完全に吸収 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 伝播次元が電子密度に与える影響 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 １次元 Shock 4 2 0 6 1 2 3 4 ２次元 4 2 0 5 Shock Electron density ne, 1024 m-3 2D 1D 6 1 2 3 4 Displacement from the target z, mm 5 デトネーション限界における衝撃波背後の電子密度 74 一次元の電子密度が高く維持されている。 閉じ込め効果によるエンタルピー損失が低減したことが影響 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 LSDのデトネーション限界と変換効率 1. 序論：背景、目的、実験装置概要 レーザーエネルギーの変換内訳 レーザーエネルギーから爆風波への変換プロセス レーザーから爆風波へのエネルギー変換効率は50％程度 (Mori, 2004) デトネーション限界以下で、照射されるレーザーエネルギーは損失 レーザー照射パルスのうち、約1/4程度LSDを維持できる このLSD限界を特定し、よりパルスに対して長い時間維持できれば効率が上がる 75 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 研究目的、論文のながれ PDE型推進器の高効率化に必要なパラメータの物理現象 を明らかにする。 伝播速度 U LSD伝播速度に影響を与えるパラメータの比較(2章) 光電離からLSD伝播速度を解析(3章） エネルギー 変換効率 h 76 / 56 ユゴニオ解析からデトネーション限界の考察(4章） 圧力測定によるユゴニオ解析の検証(5章） セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 実験装置概要：レーザー波長とパルス長 1. 序論：背景、目的、実験装置概要 ガラスレーザー = 1.053 mm TEA CO2レーザー = 10.6 mm パルス長が異なるためデトネー ション限界時間で無次元化 77 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 実験装置概要：ビームプロファイルの違い 1. TEA CO2レーザー = 10.6 mm 序論：背景、目的、実験装置概要 ビーム分布はガウシアンとトップ ハットからなる ガラスレーザー = 1.053 mm トップハットの円形 バーンパターンとエネルギーディテクタよりビームプロファイルを測定 レーザーによるビームプロファイルの違いはほぼない 78 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 関連論文 既刊 嶋村他 “発光分光法によるレーザー支持爆轟波のレーザー波長 依存性の解明” ,プラズマ応用科学 19, 17 (2011) 79 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 2章の目的、概要 本章目的 LSD伝播速度に影響を与える以下のパラメータについて調べる – 膨張エンタルピ損失 – 雰囲気ガスの電離エネルギー – レーザー波長 アプローチ デトネーション速度をシャドウグラフから求めた 発光分光法より電子温度 2波長マッハツェンダー干渉法から電子密度を求めた 80 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 シャドウグラフによる伝播履歴の測定 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 気体による密度変化の影、衝撃 波などを撮影可能 プローブ光はグリーンレーザー レンズで平行光線 ICCDカメラによる連続撮影 チャンバーでガス・圧力調整 81 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 パラメータ1：膨張によるエンタルピー損失 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 実験室レベルの小径レーザーは膨張エンタルピ損失が無視できない 右図のようなガラス板を使いエンタルピー損失を抑えた 82 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 パラメータ1：膨張によるエンタルピー損失 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 5 U, km/s • 1-2次元では差はない • 3 次元 と1-2次 元 を比 較す る と LSD伝播速度が大きい 1D 2D 3D 1 10 • 1-2次元では膨張分のエンタル ピー損失が、デトネーションを 駆動に利用されたことが原因だ と考えられる 100 S/r, 1010 Wm/kg 83 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 パラメータ2: 雰囲気ガスの与える影響 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 10 Energy, eV Ar N2 O2 Ionization 15.8 15.6 12.1 Dissociation - 9.8 5.2 デトネーション限界に違いは見 られるが、LSD伝播速度の観点 ではほぼ影響はない U, km/s 電離・解離エネルギーは電子衝 突や光子による電離に影響 N2 1D Argon 1D N2 2D Argon 2D 1 1 10 S, 1010 W/m2 84 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 パラメータ：3. レーザー波長の与える影響 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 種電子は逆制動放射によって加速、 電子衝突、電子雪崩を起こす 逆制動放射係数は波長の３乗に比例 85 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 パラメータ：3. レーザー波長の与える影響 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響 10 U, km/s 炭酸ガスレーザーのLSD伝播速度 は、ガラスレーザーに比べて速い。 比較的長い波長の炭酸ガスレー ザーは、同じレーザー強度でも LSD伝播速度は高くなる 1 Argon Glass laser Air CO2 laser Air Glass laser 100 1000 S 1010 W/m2 86 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1-1.実験装置の概要 i. 炭酸ガスレーザーとガラスレーザー ii. ICCDカメラ iii. エッシェル型とツェルニターナー型分光器 87 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 ICCDカメラ仕様 広い波長レンジ高分解能で計測可能 NAME: iStar724 Resolution: 1024 by 1024 Wavelength: 190-850 nm Minimum exp. Time: 2 ns 最高1億コマ/秒の超高速撮影 NAME: Ultra 8 Resolution: 520 by 520 Wavelength: 400-850 nm FPS: 1 billion (8 frames) Minimum exp. Time: 10 ns 88 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 分光器の仕様 1度に広い波長範囲を計測可能 Spectrometer: Eschelle Type F-number 10 Focal length 200 mm Specific wavelength resolution:7,000 Wavelength range: 220-800 nm Aryelle 200 by LTB GmbH 1次元分布を同時に計測可能 MS3504i by SOL instruments 89 / 56 Spectrometer: Cyrney-Turner Type Slit with: 10 mm F-number 3.8 Focal length 350 mm Specific wavelength resolution: 7,800 Wavelength range: 30 nm (depending on the grating) セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 エンタルピ損失とガス: = 450-490 nm in Argon 2.16E-008 1.44E-008 Intensity 1.80E-008 1.08E-008 7.20E-009 0 1 2 3 z mm 4 455 460 465 470 475 480 485 Wavelength (nm) 原子の発光線は見えない。二価電離プラズマ 90 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 検査体積，LSD背後希薄波による解析 4. デトネーション限界における維持条件 過駆動 CJ 91 CJ点では交点が1つ、過駆動状態では交点が2つ 過駆動状態では、デトネーション後面でv-p平面上のOからC点に移動 CJ状態では、点Oから点Jに平面上を移動 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1章付録 92 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 LSD伝播と電離波面の物理について(2) ストリーマ放電のように、放電が衝撃波を駆動する 種電子は光電離で、電子雪崩によって電子密度は増大する 93 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 LSD波面における電離構造：輻射と電子雪崩 Seed electrons: Plasma UV Radiation Increment of electrons: Avalanche ionization 94 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 9 制動放射による波面前方の種電子生成 Seed electrons: Plasma UV Radiation Bremsstrahluming is dominant process of plasma radiation Number of photons is defined by the radiation energy divided by the ionization energy. Only consider the range vi < v < ∞, which contributes to the photoionization. 95 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 9 電子雪崩による電子数の増加 Increment of electrons: Avalanche ionization Surrounding gas, laser wavelength and its intensity affects for the condition of electrons increment. Avalanche ionization is described by the collision between the electron and the heavy particles. 96 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 9 デトネーションの分類とレーザー強度 雰囲気ガスが影響、Xeを使えば過駆動状態に 1974 Mayer 1979 Bournot 1978 Boiko (Xe) 1984 Bufetov 2002 Mori 2008 Ushio(1D) 2008 Ushio(2D) Velocity of ionization wave V, km/s 100 10 eff = 1 eff = Fig. 1 LSD vs. laser intensity Table 1 Experimental data 1 .2 7 1.1 1012 1011 1010 Laser intensity per gas density S/r, Wm/kg CJデトネーション(黒線)理論線と実験の傾向が不一致 レーザー軸方向以外へのエンタルピー損失が影響か 97 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 Laser Supported Detonationとは (i) 燃焼におけるデトネーションの概念で説明がなされる。 S.A. Ramsden et al., Nature 203, 1217(1964) プラズマ 衝撃波面 LSD プラズマが衝撃波面に追随して伝播 レーザーは衝撃波の近傍のプラズマに吸収され、 レーザーは効率的に爆風波エネルギーへ変換 Laser LSD 面積当たりレーザー強度の減少 LSD維持後 プラズマと衝撃波面が離れていく レーザーから爆風波へのエネルギー変換はない Laser LSD維持後 推進器においてLSDを制御する上で、次の3つのパラメータが重要である 速度 U 98 / 56 圧力 p 変換効率 h セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 レーザー推進とLaser-Supported Detonation Ignition Energy Conversion Thrust Air Generation Intake Thrust Plasma Shock wave LSD Wave Blast Wave 空気吸込式レーザー推進機 Laser Laser LSD 電力密度 >数10 GW/m2 LSC (デフラグレーション) 地上からのレーザーエネルギーを推力に変換可能であるため、高ペイ ロード比を実現。打ち上げコストを従来の1/100に低減することが可能。 ビームエネルギーの圧力波への変換は、レーザーデトネーション(LSD)と 呼ばれる現象で行われる 推進器を制御するためには、LSDを明らかにすることが重要である。 99 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 Laser Supported Detonationとは (ii) 波面速度はレーザー強度で整理可能で、Detonationモードと過駆動 detonation モードに分類される。 1. 衝撃波加熱による電離モデル (Detonation) 燃焼反応のデトネーション同様に衝撃波誘起による電離として， CJデトネーションの理論と比較された。 Yu. P. Raizer, Sov. Phys. JETP 21,1009(1965) 2. プラズマ輻射による光電離モデル (過駆動 Detonation) プラズマはそれ自身紫外輻射による光電離によって、電離波面が駆 動される。 V.I.Fisher, Sov. Phys. JETP 52, 1083(1980) 100 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 2章付録 101 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 S-Vグラフでのシャドウグラフ結果まとめ V, km/s 100 air 2d Air 1D Raizer Argon 1D 1 1 / 56 10 1974 Mayer 1979 Bournot 1978 Boiko (Xe) 1984 Bufetov 2002 Mori 2008 Ushio(1D) 2008 Ushio(2D) eff = eff = 1.27 1 .1 1 1012 1011 1010 Laser intensity per gas density S/r, Wm/kg 10 102 Velocity of ionization wave V, km/s 100 Gas D tterm( us ) N2 1D 1.8 N2 2D 1.4 Argo 2D 10 n S/r, Wm/kg 実験条件とデトネーション限界 を表1にまとめた。 左図からCJないし，過駆動状態 に各実験条件があることが分か る。 S-Vグラフから実験条件による 違いはほとんどみられず、デト ネーション限界に違いが見られ た。 アルゴンガスや１D伝播時には デトネーション限界が低いこと が確認できる。 1.6100 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 U-Sグラフ②：シャドウグラフ撮影結果 ガラスレーザーの結果 伝播履歴から速度を、 レーザー強度Sを得た。 𝐼 𝑆= =𝐼 𝐴 𝑟 2𝑓 2 A:面積, r:半径,f: F値, I:レーザーパワー 103 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 U-Sグラフ③：各条件でのU-Sグラフ U, km/s 100 デトネーション限界と実験条件 Air 1D Argon 1D air 2d argon 2d ow Argon Glass laser r c ubi c Air CO2 laser r's e z i Air Glass laser Ra tion i d on C CJ 10 1 1 10 100 1000 Gas D S/rter N2 1 0.2 N2 2 0.5 Argo n Gas 2 0.3 D S/rter Air 3 102 N2 3 45 Argo n 3 38 m m S/r, 1010 Wm/kg 104 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 2次元における干渉縞例 波長785 nm 波長473 nm 105 / 56 2次元フーリエフィルタ で高次のノイズを除去 レーザーの光軸上とプラ ズマ外側の影響を受けて いない干渉縞を比較し、 干渉縞の移動本数を調べ る。 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 発光分光法の実験系概要 Table. Experimental condition 10.6 1.053 Air ○ ○ Argon - ○ • 電離異なるレーザー波長とアルゴン、 106 / 56 Fig. Schematic of emission spectroscopy for Nd:Glass laser セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 3章付録 107 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 放電現象における電離波面の進展理論 ストリーマ放電 光電離による正ストリーマの進展 A.A. Kulikovsky, J.Phys. D 33, 1514, 2000 ストリーマヘッドの定常一次元伝播解析 Y. P. Raizer, Spark discharge, ch.3 マイクロ波放電 大電力ミリ波帯ビーム上の放電 Y. Y. Broadskii, et al, Sov. Phys. JETP 57, 5, 989 (1983) レーザープラズマ Xe中の過駆動状態レーザーデトネーションの伝播 108 / 56 Y.I. Fisher, Sov. Phys. JETP 52, 6, 1083 (1980) セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 S Electron transportation dne n i ne ennn ne with IB absorption: dt Ei Inverse Bremssrahlung coefficient: en 9.60105 Te2 A(Te )3 (1 exp(0.014388/ Te )) UV photon emission by I [m 3s 1 ] Bremsstrahlung radiation: dne ne n U s e n i ( E , t )ne ( x, t ) (1) dt t x n 6.3 10 53 G (n )ne ni 2 i hn e dn exp k BTe k BTe Ei ln z 0x ne, z 0 ne, z 0x a S U s (x) n i x en x, x E ln[ n / n ( x )] i e0 e z0 ni Us dz (2) (3) 0.014388 (4) T e en 9.6 105 Te2 A(Te ) 3nn 1 exp 109 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 LSD先頭とバルクでの電子密度 ne ( z ) 110 U 種電子は、LSD前方の輻射強度が電離エネルギー以上の時発生する プラズマの輻射は制動放射を考え、前章の分光結果を利用 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 プラズマUV輻射による電子生成 プラズマの 制動輻射強度： I [m s ] 6.3 1053 G 2 ne ni 3 1 ni hn e exp dn Ei kBTe k BTe 1019 ne, m-3 1018 6J/pulse@ = 694.3 nm(1972) = 1.05 mm, Air = 1.05 mm, Argon = 10.6 mm, Air 1017 1016 ne ( Z ) Idz U 0 1015 111 / 56 • 電子雪崩前方での電子の生成 はプラズマ輻射（自由-自由遷 移)と電離波面の速度として表 せる • CO2レーザーで109-10 c.c., ガ ラスレーザーで1011-12c.c.程度 の電子密度が光子によって生 成されている。 0.5 1 1.5 S, 100 MW/cm2 2 2.5 3 • Koopmanらの実験によれば 1011 c.c程度の電子密度をル ビーレーザー実験で確認。 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 レーザー電界による電子の増加モデル M N N+ N +Δεc=0 e- em +ΔεE +ΔεE e- N In the E -field 112 レーザー電界中で電子がエネルギーを得る過程から電子密 度とレーザー強度の関係を導く 衝突によって並進方向が変わることでエネルギーを得る / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 レーザー電界による電子の増加モデル Translational E* +Δεc = 0 ε m/M<<1, No gain from collision Oscillational E +ΔεE 𝑒 2 𝐸 2 𝜈𝑚 = 2 𝑚(𝜛 2 + 𝜈𝑚 ) Increment of electrons: 中性粒子との衝突からのエネル ギーは無視できるほど小さい 励起状態を無視すれば，電子エ ネルギーが電離エネルギーより 大きい時に衝突電離が自動的に 起きる。 電子増加はレーザー強度、電離 エネルギーの関数になる e2 E ( z )2n m 1 dne n i ne ne 2 2 dt m( n m ) i 113 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 電子の増加数と電離波面速度の関係 輻射流束と速度からLSD前方の電子密度を得る 初期電子密度がバルクの電子密度が分かれば、電子増加 の式から速度が求まる LASER Velocity：U ne ne ( x Ut ) ne ne0 Avalanche ionization at the bulk plasma： Obtained by optical emission spectroscopy at the wave front： Photoionization ne ( z ) ne(Z) U z Z(kIB) 114 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 レーザー波長がLSD伝播に与える影響 10 Chemical properties for different laser V, km/s Air・11 μ m Glass TEA CO2 Wavelength 1.053 10.6 Intensity, 2 0.7 Dependency of laser wavelength 1 Air・1 μ m V = 1.06(S/r)1/3 = 10.6 mm, Air = 1.05 mm, Air = 1.05 mm, Argon Argon・１μm 0.1 0.5 𝑈~𝜈𝑖 ~𝜆2 1 1.5 長波長の炭酸ガスレーザーは、低い レーザー強度でも，LSDを維持す 2 2.5 3 ることができる。 S, 100 MW/cm2 115 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 雰囲気ガスがLSD伝播に与える影響 10 Air・1 μ m Air・11 μ m Observed on the same line, but different laser intensity V, km/s Chemical properties for gaseous form 1 V = 1.06(S/r) = 10.6 mm, Air = 1.05 mm, Air = 1.05 mm, Argon 1/3 Argon・１μm 0.1 116 0.5 1 1.5 S, 100 MW/cm2 / 56 Ar Air (O2) Ionization E, eV 15.8 12.1 Dissociation E, eV - 5.2 Laser intensity 0.5 2.0 アルゴンは空気に比べてデトネーショ 2 2.5 3 ン限界のレーザー強度が低い セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 電子の増加数と電離波面速度の関係 Velocity：U ne ne ( x Ut ) ne ne0 LASER Avalanche ionization at the wave front： Photoionization ne ( z ) ne(Z) z Z(kIB) at the bulk plasma： Obtained by optical emission spectroscopy U Laser absorption depth: IB coefficient U n i ( S ) Z (kIB ) ln(ne (0) / ne ( Z )) 紫外輻射により生成される種電子とそれによって形成されるプリカーサ ー長さ，電子雪崩の特性時間から速度Uを求めた 速度Uはz, t, プリカーサーとバルクでの電子密度の関数として表せる。 117 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 どれだけの光子が生成されているのか？ VUV Radiation Energy due to Bremsstrahlung Emission, Eb Eb 6.3 10 Z (n )ne ni 53 2 ni hn e dn exp k BTe k BTe Integral of photon energy from ionization energy Photon Emission Interval (PEI), tp n Eb V p t p hn i 1 p as an emitting layer thickness where, i is the frequency of ionization threshold, Z stands for the effective nuclear charge, and means the emitting volume. 118 / 56 V セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 輻射光子とデトネーション限界 プラズマ応用科学 19, 17 (2011) 実験条件 炭酸ガスレーザー ガラスレーザー 空気、アルゴン ターゲット無（3D) 光子が放出される間隔が0.2 フェムト秒のときにデトネーション限界 これらの結果は波長やガスに依存しない。 119 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 LSDにおけるプラズマ輻射とその輸送 J: Intensity of the radiation at the point x on the axis of the channel x J ( x, ) jn exp a cos d r , 0 arctan 1 cos d x r x , arctan r 0 sin cos 1 x Laser absorption depth Mean free path of photoionization 120 非輻射層（プラズマ前方）・輻射層（プラズマ）の2つに分けて、光子 の非輻射層における行路での光吸収を計算。 吸収係数は空間的に一定とし、輻射層内での再吸収は無視した。 レーザー吸収長は電子密度、温度の関数として得られる / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 輻射計算と実験結果の比較 (iv) 実験・解析結果の比較 空気＞アルゴン 121 / 56 空気中の酸素分子 (12.1eV)の第一イオン 化エネルギーがアル ゴン(15.8eV)に比べて 低く、光電離が起き やすい 1mm＞11mm 電子密度・温度の測 定結果が1mmレーザ ーの方が高く、輻射 強度が高く、電離を 引き起こしやすい セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 １．レーザープラズマ内部の電離度 ２．プラズマ輻射輸送と分光結果 122 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 レーザープラズマの電離度 nn ne Te,N2 Te,O2 5 Neutral density, 1026 m-3 4 0 Shock 3 1 0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 電子密度、温度、中性粒子密度分布 / 56 2 1 Displacement from the wall, mm 123 4 3 2 𝑛𝑖 𝛼= 𝑛𝑖 + 𝑛𝑛 5 Electron temperature, eV 5 Shock Electron density, 1024 m-3 Laser 10 電離度 ・電離度は0.3~4 %程 度で弱電離プラズマ ・LTE仮定した分光結果 の温度を利用すると 99.8% 0 3.5 垂直衝撃波の関係 式から得られる セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 ボルツマンプロット 線スペクトル 124 プランク輻射 連続放射スペクトル / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 Planck輻射 • 連続放射へのフィッティン グ、温度をパラメータにし て求まる • 熱平衡状態が仮定できる場 合は、電子や重粒子の温度 と等しくなる 2ℎ𝜈 3 1 𝐼𝜈 = 2 𝑐 exp( ℎ𝜈 − 1) 𝑘𝑇 125 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 制動放射する電子と中性粒子 (http://www.shokabo.co.jp/sp_e/optical/lab o/opt_cont/brems1.gif) S Electron transportation dne n i ne ennn ne with IB absorption: dt Ei 5 2 3 Inverse Bremssrahlung en 9.6010 Te A(Te ) (1 exp(0.014388/ Te )) coefficient: UV photon emission by I [m 3s 1 ] Bremsstrahlung radiation: 126 / 56 n 6.3 1053 G 2 (n )ne ni i hn e dn exp k BTe k T B e Ei セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 プラズマ 強度 観測者 i)低周波数、光学的厚さ長い I(プラズマ) = I(観測者) ii)高周波数、光学的厚さ短い I(プラズマ) ≠ I(観測者) 127 / 56 I:放射強度 周波数 黒体として仮定できるので あれば、制動放射とプラン ク放射を同じように扱える セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 平衡状態と分布関数(Mullen,1999) Stage Thermal Equilibrium Balance B,M,S,P Temperature 𝑇𝜈 = 𝑇𝑒 = 𝑇 𝑒𝑥𝑐 = 𝑇𝐻 Equilibrium Local Thermal Equilibrium B,M,S,P Equilibrium 𝑇𝜈 ≠ 𝑇𝑒 = 𝑇 𝑒𝑥𝑐 = 𝑇𝐻 B:Boltzmann, M:Maxwell, S:Saha, P:Placnk distribution v: photon, e:electron, exc:excitation, H:Heavy particle 128 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1次元輻射輸送モデル (Raizer,1966) レーザープラズマの径r 1 𝜕𝐼𝜈 𝜕𝐼𝜈 に対して、輻射源は十分 + 𝑙𝑖 = 𝜌𝜅𝜈 (𝐵𝜈 − 𝐼𝜈 ) 𝑐 𝜕𝑡 𝜕𝑥𝑖 短く一次元性がある 𝜕𝐼𝜈 −𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝜌𝜅𝜈 (𝐵𝜈 − 𝐼𝜈 ) 𝜕𝑧 d r θ z x J ( x, ) jn exp cos a d r , 0 arctan 1 cos d x r x , arctan r 0 sin cos 1 x 無限に広い一次元輻射源を考え、その内部での吸収を無 視し、外部は光子の平均自由行程を吸収係数とした 129 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 4章付録 130 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 デトネーション限界とエンタルピー損失 • デトネーション限界がレーザー光軸に対して横方向へのエンタル ピー損失が影響している。Y.P.Raizer, Sov. JETP 1965 • レーザー強度とLSD半径の積が1.1 MW/cmのときにガス密度によら ず維持する。 K. Mori et al, APL 88, 121502 (2006) 131 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1次元の流体解析：LSDのユゴニオ曲線 CONTROL VOLUME ANALYSIS r1u1 r 2 u 2 r2, p2, e2 u2 Conservation of Mass S0 r1, p1, e1 Control volume u1 1: ambient air 2: behind LSD wave Conservation of Momentum p1 r1u12 p2 r 2u22 Conservation of Energy 1 2 hS 1 2 C pT1 u1 C pT2 u2 2 r1u1 2 S0: Electromagnetic beam power density • 3式からユゴニオ曲線が得られ、圧力、体積、レーザー強度の関数となる • 検査体積背後の圧力は検査体積解析から得られる。 132 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 1次元の流体解析：LSDのユゴニオ曲線 CONTROL VOLUME ANALYSIS p2 y 2 p1 r2, p2, e2 u2 H-CURVE FOR LSD S0 r1, p1, e1 u1 Control volume b 2 v2 v1 p1 v2 1 v1 1 c 2 1 v1 v2 S v2 1 v1 1 Conservation of Mass r1u1 r 2 u 2 1: ambient air 2: behind LSD wave Conservation of Momentum p1 r u p2 r 2u 2 1 1 Conservation of Energy 1 2 hS 2 2 1 C pT1 u1 C pT2 u22 2 r1u1 2 1 3 m n 3 m n y 3 2 2 Rayleigh Line: p2 v 1 1M12 1M12 2 p1 v1 • 左3式からユゴニオ曲線が得られ、 圧力、体積、レーザー強度の関数 として上のようになる。 • 検査体積背後の圧力はレイリー線 との交点として得られる。 S : Electromagnetic beam power density 1330 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 デトネーション限界とユゴニオ解析 low Shock low high high 100 80 60 実験条件 High Low Laser intensity, GW/m2 34 17 Mach Number 5.3 6.3 p2/p1 • 高レーザー強度では（弱い）過駆 動状態、デトネーション限界では CJ状態になる。 40 解析結果 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Pressure, atm 14 11 State variation 過駆動 CJ v2/v1 134 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 P-V線図上の状態遷移 100 low Shock low high high J' B 80 p2/p1 60 40 J 20 A C O 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ユゴニオ解析では，1次元流れの状態 を圧力，比体積で表すことができる CJ状態ではO-A-Jと衝撃波からデト ネーション後面まで反応が進む v2/v1 135 過駆動状態では、LSDは放電誘起によって反応が進むため、 p-V線図に おいて衝撃波誘起のようなO-J’-Bと強い過駆動の解を取らず、O-Cと電 離が進む(過駆動) / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 デトネーションの伝播限界とレーザー強度 10 V, km/s a = 0.13 for Combustion a = 0.33 for Detonation a = 0.95 for Overdriven detonation Nitrogen Argon State S/r 1010 Wm/kg Power a Combusti on S/r < 2.9 0.13 Detonatio 2.9 < S/r 8.0 0.33 n (1/3) 過駆動 • 4章で利用した一次元系をつかって 8.0 < S/r 0.95 U ~Sa アルゴンと窒素の伝播速度を得た。 • 速度とレーザー強度との指数aはデ トネーション状態の遷移とともに 大きくなる(0.13 < a < 0.95) 1 109 1010 1011 S/p (Wm/kg) 136 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 解析条件及び結果と実験の比較 • あ 137 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 1 Comparison of 1D & 2D configurations LATERAL EXPANSION Parameters 2D Quasi-1D Termination timing, ms 1.2 1.8 Laser intensity, GW/m2 34 17 Mach Number 5.3 6.3 Geometrical restriction significantly affects the termination condition. 138 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 Czerny-Turner Type Spectrometer SPECIFICATIONS Spectrometer: F-number 3.8 Focal length 350 mm Grating: Specific wavelength resolution 0.06 nm Reciprocal dispersion 2.37 nm/mm MS3504i by SOL instruments SPECIFICATIONS Wavelength Active Pixels Min. gate 139 / 56 iStar 734 by Andor Tech. 180-850 nm 1024 by 1024 as low as 1.2 ns セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 変換効率とデトネーション限界 LATERALEXPANSION Transition condition Δ𝑥~2𝑟 デトネーション限界がレーザー光軸に対して横方向へのエンタルピー損 失が影響している。 M. Ushio et al, Shockwave 18, 35 (2008) レーザー強度とLSD半径の積が1.1 MW/cmのときにガス密度によらず維 持する。 K. Mori et al, APL 88, 121502 (2006) 140 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日 エンタルピー損失の定量的評価(取組中) 2波長マッハツェンダー干渉法から電子密度の2次元分布を得る 干渉縞に位相接続法を利用し、2次元分布作成に取り組んでいる http://mathematica.stackexchange.com/questions/26110/visualizi ng-a-2-dimensional-pdf 141 / 56 セミナー＠筑波大学, 2013年11月7日