2014/3/6
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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 PowerPoint PPT Presentation


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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 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. 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. 発表 内容. レーザー推進機の推力発生機構解明 流体可視化・プラズマ診断 エネルギー変換に関する研究成果 まとめ. 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 )

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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

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Presentation Transcript


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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

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

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


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発表内容

  • レーザー推進機の推力発生機構解明

  • 流体可視化・プラズマ診断

  • エネルギー変換に関する研究成果

  • まとめ


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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 (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

地上打上げイメージ図

  • 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

SSTO: single-stage-to-orbit


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PDE作動は熱変換型に比べて高効率

Energy

Conversion

Thrust

Generation

Air

Intake

  • 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

Ignition

Thrust

  • LSD (laser-supported detonation) によってレーザーエネルギーは圧力波へ変換

LSD

Wave

Blast

Wave

Laser

4→1

2→4

1→2

1

PDE型レーザー推進器サイクル

デトネーションサイクル(0→4)は定圧燃焼サイクル(0→4’’)より高効率(熱量同じ)


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衝撃波面

プラズマ

Laser

LSD

Laser

LSD維持後

「レーザー駆動デトネーション」とは

  • 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

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

  • 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


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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


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炭酸ガスレーザーの発振特性

  • 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


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レーザーシャドウグラフ法

5 mm

衝撃波

プラズマ

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


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マッハツェンダー干渉計について

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


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集光ミラー

CO2 [email protected] J

ビーム

スプリッタ

ミラー

ミラー

テストチャンバ

ミラー

473nm

785nm

ビームスプリッタ


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ビーム

スプリッタ

バンドパスフィルタ

ミラー

473nm

ミラー

785nm

ミラー

ICCD カメラ


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プラズマ発光分光計測法

波長380-600 nmにおけるスペクトル分布


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プラズマ内部診断結果の例

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

  • カメラ露光時間はすべて100ns.

  • 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

Shock

Shock

電子密度、温度、中性粒子密度分布


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エネルギー変換に対する疑問

  • 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?


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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


1 m m 2 2

固体レーザー(1mm)発振時のエネルギー変換効率 (2/2)

  • 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

固体レーザーと炭酸ガスレーザーの比較

固体レーザーの開発ロードマップ


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エネルギー変換に対する疑問

  • 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?


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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。

燃焼反応駆動衝撃波とレーザー駆動の違い(1/2)

Trigger

Push

燃焼駆動デトネーションの1次元伝播

Filipe Carvalho,2012


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電子電離と輻射計算による伝播速度(2/2)

  • 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。

ガス

波長

11mm Air

1mm Argon

分光実験

1mm Air

シャドウグラフ

1次元の放電面での輻射計算

実験と解析の速度を比較


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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。

  • 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。

    • 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

B. Wang,et al, “Energy conversion in a glass-laser-induced blast wave in air,” J. Appl. Phys., vol. 108, no. 12, Dec, 2010

K. Shimamura et.al, Internal Structure of Laser Supported Detonation Waves by Two-Wavelength Mach-ZehnderInterferometer. J. appl. Phys. 109 (2011)

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)


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セミナー内容

  • 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,

  • JAXA, 他大学との共同研究(2分)

  • 今後の研究方針(8分)


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イオンエンジン内部のプラズマ診断

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


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大学間協力研究

  • 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. Schonherret 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。


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セミナー内容

  • 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

  • JAXA, 他大学との共同研究(2分)

  • 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


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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

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

(京都大学生存圏99’)

一部写真はJAXAホームページより引用


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「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


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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


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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


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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

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27年度

平成28年度

2D輻射流体コードの開発

レーザーデトネーションの伝播限界の解明

希ガス中での変換効率の測定@東大(筑波大)


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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

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

平成30年度

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

最終的なアウトプット


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Laser Propulsion

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

Space transportation!!

Deep space exploration

Airplane

Isolate island


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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。

磁場によるプラズマの膨張促進

圧力波発生メカニズムと吸気


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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


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2波長マッハツェンダー干渉法

屈折率変化

+

m-3

一定

m-3

m-3

波長に依存

比屈折率と波長の依存性

  • 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


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プラズマの発光分光診断

原子分子過程に基づく正しい解釈

プラズマの発光

励起状態の占有密度

分光器

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)


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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


390 600 nm

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


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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

  • 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


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2章まとめ

  • 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響

  • 膨張エンタルピー損失

    • 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


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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 SupportedDetonation Waves by Two-Wavelength Mach-ZehnderInterferometer, 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.


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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。

  • 種電子が衝撃波前方に存在している

Fig. (left)Time varying of electron density distribution

(middle)Image of interferometer and LSD inside.

(right) NEW LSD model

K. Shimamura et.al, Internal Structure of Laser Supported Detonation Waves by Two-Wavelength Mach-ZehnderInterferometerJ. appl. Phys. 109 (2011)

  • 電離波面が衝撃波を追い越して伝播している


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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


Lsd i

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:

  • Za:レーザー吸収帯長さ

  • n:電離周波数

  • ne: 電子密度


Lsd ii

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

  • 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


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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

  • 輻射輸送を考慮し、LSD先頭での光子流束を求めた


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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

  • 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。

ガス

波長

11mm Air

Analysis

1mm Argon

1mm Air

Experiment


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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

    • 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


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4. デトネーション限界における維持条件


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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

  • (M. Ushio, Shockwave 2008)

LATERAL

EXPANSION

  • 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


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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


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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

r2, p2, e2

S0

U1

U2

r1, p1, e1

Conservation of Mass

1: ambient air

2: behind LSD wave

Control volume

Conservation of Momentum

  • 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。

Conservation of Energy


V p 2

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


V p 21

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


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1次元解析の条件

4. デトネーション限界における維持条件

  • 解析条件

    • 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


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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。

  • デトネーション後面での圧力

  • 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


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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


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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.


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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


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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


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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

t = 0.5 us

  • 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 (1.5<t<7.5)

LASER

10 mm

SHOCK

4.5

5.5

6.5

7.5


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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


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  • 希薄波が管内部を伝播し、閉端まで到達する (7.5<t<23.5)

7.5

23.5


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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


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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


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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

  • 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)

  • 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


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5章まとめ

5.一次元系圧力測定による解析結果の検証

  • 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


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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


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(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 waveand 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


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雰囲気ガスが分布に与える影響(2次元)

  • 2. LSD伝播速度に与えるパラメータの影響

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

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


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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

2次元

デトネーション限界における衝撃波背後の電子密度

  • 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


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LSDのデトネーション限界と変換効率

  • 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


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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

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)


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実験装置概要:レーザー波長とパルス長

  • 序論:背景、目的、実験装置概要

ガラスレーザー

l = 1.053 mm

TEA CO2レーザー

l = 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


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実験装置概要:ビームプロファイルの違い

  • 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

TEA CO2レーザー

l = 10.6 mm

  • LASER specifications:

  • Pulse Energy:

  • 1J, 2J

  • Wavelength:

  • 1,053 nm

  • Pulse FWHM:

  • 33 ns

  • Beam Diameter:

  • 10 mm

ガラスレーザー

l = 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

Laser power history

Transverse mode


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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)


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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


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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


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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


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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

  • 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

  • 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


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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

  • 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

  • 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


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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


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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

  • 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


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1-1.実験装置の概要

炭酸ガスレーザーとガラスレーザー

ICCDカメラ

エッシェル型とツェルニターナー型分光器


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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


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分光器の仕様

1度に広い波長範囲を計測可能

Spectrometer:Eschelle Type

F-number10

Focal length200 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

Spectrometer:Cyrney-Turner Type

Slit with:10 mm

F-number3.8

Focal length350 mm

Specific wavelength resolution: 7,800

Wavelength range: 30 nm (depending on the grating)

MS3504i by

SOL instruments


L 450 490 nm in argon

エンタルピ損失とガス:l = 450-490 nmin Argon

Displacement from

the target

  • 原子の発光線は見えない。二価電離プラズマ


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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

  • 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


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1章付録


Lsd 2

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


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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


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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.

  • Flux of UV Photon:


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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.


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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

Fig. 1 LSD vs. laser intensity

Table 1 Experimental data

過駆動状態

CJ 状態

  • 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


Laser supported detonation i

衝撃波面

プラズマ

Laser

LSD

Laser

LSD維持後

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)

  • 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

  • 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

  • 面積当たりレーザー強度の減少

    • 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

    変換効率 h

    速度 U

    圧力 p


    L aser s upported d etonation

    レーザー推進とLaser-Supported Detonation

    Energy

    Conversion

    Thrust

    Generation

    Air

    Intake

    Ignition

    Thrust

    Blast

    Wave

    Laser

    LSD

    Wave

    LSD

    LSC

    (デフラグレーション)

    空気吸込式レーザー推進機

    • 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。

    Plasma

    Shock

    wave

    電力密度

    >数10 GW/m2

    Laser


    Laser supported detonation ii

    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。

    • 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)

    • 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)


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    2章付録


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    S-Vグラフでのシャドウグラフ結果まとめ

    • 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。


    2406649

    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。

    A:面積, r:半径,f: F値, I:レーザーパワー


    U s u s

    U-Sグラフ③:各条件でのU-Sグラフ

    デトネーション限界と実験条件


    2406649

    2次元における干渉縞例

    波長473 nm

    波長785 nm

    • 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。


    2406649

    発光分光法の実験系概要

    Table. Experimental condition

    • 電離異なるレーザー波長とアルゴン、

    Fig. Schematic of emission spectroscopy for Nd:Glass laser


    2406649

    3章付録


    2406649

    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

        • Y.I. Fisher, Sov. Phys. JETP52, 6, 1083 (1980)


    2406649

    Electron transportation

    with IB absorption:

    Inverse Bremssrahlung

    coefficient:

    UV photon emission by Bremsstrahlung radiation:

    (2)

    (1)

    (3)

    (4)


    2406649

    LSD先頭とバルクでの電子密度

    • 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


    2406649

    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:

    • 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。

    • Koopmanらの実験によれば1011c.c程度の電子密度をルビーレーザー実験で確認。

    [email protected]= 694.3 nm(1972)


    2406649

    レーザー電界による電子の増加モデル

    M

    N

    N

    +Δεc=0

    N+

    e-

    e-

    +ΔεE

    +ΔεE

    m

    e-

    N

    In the E -field

    • 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


    2406649

    レーザー電界による電子の増加モデル

    • 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

    Translational E*

    +Δεc= 0

    m/M<<1,

    No gain from collision

    ε

    OscillationalE

    +ΔεE

    Increment of electrons:


    2406649

    電子の増加数と電離波面速度の関係

    ne

    • 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

    ne0

    LASER

    Velocity:U

    ne(Z)

    Avalanche

    ionization

    z

    at the bulk plasma:

    Obtained by optical emission spectroscopy

    Z(kIB)

    Photo-

    ionization

    at the wave front:


    2406649

     レーザー波長がLSD伝播に与える影響

    Chemical properties for different laser

    CJ in air

    Air・11 μ m

    Dependency of laser wavelength

    Air・1 μ m

    • 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

    • ることができる。

    Argon・1μm


    2406649

    雰囲気ガスがLSD伝播に与える影響

    Observed on the same line,

    but different laser intensity

    CJ in air

    Air・1 μ m

    Air・11 μ m

    Chemical properties for gaseous form

    Argon・1μm

    アルゴンは空気に比べてデトネーショ

    ン限界のレーザー強度が低い


    2406649

    電子の増加数と電離波面速度の関係

    ne

    Velocity:U

    at the bulk plasma:

    Obtained by optical emission spectroscopy

    ne0

    LASER

    at the wave front:

    ne(Z)

    Avalanche

    ionization

    z

    Z(kIB)

    Photo-

    ionization

    Laser absorption depth:

    IB coefficient

    付録

    速度Uの導出

    • 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。


    2406649

    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

    • Integral of photon energy from ionization energy

    Photon Emission Interval (PEI), Dtp

    • lp as an emitting layer thickness

    where, niis the frequency of ionization threshold, Zstands for the effective nuclear charge, and V means the emitting volume.


    2406649

    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。


    2406649

    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

    Laser absorption depth

    Mean free path of photoionization

    • 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


    2406649

    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

    • 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


    2406649

    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


    2406649

    レーザープラズマの電離度

    電離度

    Laser

    Shock

    ・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%

    Shock

    垂直衝撃波の関係式から得られる

    電子密度、温度、中性粒子密度分布


    2406649

    ボルツマンプロット

    線スペクトル

    プランク輻射

    連続放射スペクトル


    2406649

    • 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


    2406649

    制動放射する電子と中性粒子(http://www.shokabo.co.jp/sp_e/optical/labo/opt_cont/brems1.gif)

    Electron transportation

    with IB absorption:

    Inverse Bremssrahlung

    coefficient:

    UV photon emission by Bremsstrahlung radiation:


    2406649

    プラズマ

    強度

    観測者

    周波数

    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)

    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

    I:放射強度


    Mullen 1999

    平衡状態と分布関数(Mullen,1999)

    Stage

    Balance

    Temperature

    Thermal

    Equilibrium

    B,M,S,P

    Equilibrium

    Local

    Thermal

    Equilibrium

    B,M,S,P

    Equilibrium

    B:Boltzmann, M:Maxwell, S:Saha, P:Placnk distribution

    v: photon, e:electron, exc:excitation, H:Heavy particle


    1 raizer 1966

    1次元輻射輸送モデル (Raizer,1966)

    レーザープラズマの径rに対して、輻射源は十分短く一次元性がある

    d

    r

    θ

    z

    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


    2406649

    4章付録


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    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)


    1 lsd

    1次元の流体解析:LSDのユゴニオ曲線

    CONTROL VOLUME ANALYSIS

    1: ambient air

    2: behind LSD wave

    • 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。

    r2, p2, e2

    S0

    h

    u1

    u2

    r1, p1, e1

    Conservation of Mass

    S0: Electromagnetic beam power density

    Control volume

    Conservation of Momentum

    Conservation of Energy


    1 lsd1

    1次元の流体解析:LSDのユゴニオ曲線

    CONTROL VOLUME ANALYSIS

    • 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。

    r2, p2, e2

    S0

    u1

    u2

    r1, p1, e1

    Conservation of Mass

    1: ambient air

    2: behind LSD wave

    Rayleigh

    Line:

    Control volume

    Conservation of Momentum

    Conservation of Energy

    h

    S0: Electromagnetic beam power density

    H-CURVE FOR LSD


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    デトネーション限界とユゴニオ解析

    実験条件

    • 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。

    解析結果


    2406649

    P-V線図上の状態遷移

    • 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

    • 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)


    2406649

    デトネーションの伝播限界とレーザー強度

    • 4章で利用した一次元系をつかって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)


    2406649

    解析条件及び結果と実験の比較


    Comparison of 1d 2d configurations

    Comparison of 1D & 2D configurations

    LATERAL

    EXPANSION

    Geometrical restriction significantly affects the termination condition.


    Czerny turner type spectrometer

    Czerny-Turner Type Spectrometer

    SPECIFICATIONS

    Spectrometer:

    F-number3.8

    Focal length350 mm

    Grating:

    Specific wavelength resolution

    0.06 nm

    Reciprocal dispersion

    2.37 nm/mm

    MS3504i by

    SOL instruments

    SPECIFICATIONS

    Wavelength180-850 nm

    Active Pixels1024 by 1024

    Min. gateas low as 1.2 ns

    iStar 734

    by Andor Tech.


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    変換効率とデトネーション限界

    LATERALEXPANSION

    Transition condition

    • 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, APL88, 121502 (2006)

    2004 J. Hermann, T. Le Floch, JAP


    2406649

    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/visualizing-a-2-dimensional-pdf


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