RESEARCH

Plasma windows

 金属のように大気と真空を隔てる圧力隔壁となる一方,荷電粒子や光は自由に通過できる魔法のような物質は存在しないのであろうか?
これを解決するのが大気圧熱アーク放電を用いたプラズマウィンドウです.この高気圧アーク放電を用いた革新的なバーチャル壁(真空インターフェース)は 高温ガスによるガス流量の大幅な低下,及び,高温ガスの高い粘性により流れが抑制されることで実現されます. 右図のように高温高密度プラズマ圧力と中性ガスの圧力かバランスし,流れが実効的に凍結するというイメージを持って頂ければいい分かりやすいかもしれません.
 我々の研究室では,核融合科学研究所の前進である名古屋大学プラズマ研究所にて開発が進められてきたTPD型放電(Test Plasma by Direct current discharge)を改良し 小型で長時間運転可能な,実用型カスケードアーク源の開発を目指しています 小型・低コストのプラズマウィンドウが実現されれば,電子ビーム溶接や各種イオン注入・エッチングといった 従来真空中で行われてきたプロセスが大気中で可能になる画期的な技術になります. 航空機や大型船舶,ビルなどの大型構造物にも電子ビーム溶接を適用できるようになるため,実社会に大きく貢献でき,我々に大きな恩恵をもたらすことになるでしょう.このような応用以外にもその用途に応じて、大口径(8mm)小口径(3mm)の2種類のカスケードアーク源の開発を行っています。

In order to demonstrate a high-performance plasma window as a vacuum interface, a compact and low-cost wall-stabilized arc (cascade arc) discharge apparatus has been developed. The device diameter was 120 mm, a length of 100 mm and its weight of <15 kg, which had a 3.2mm-CeW cathode, eight intermediate electrodes, and a CuW anode to generate the plasma channel with an opening of 3 mm. Absolute pressures in the discharge and expansion sections were measured to examine the performance as the plasma window. Visible emission spectroscopy to determine the plasma parameters has been carried out as well. At Ar discharge of 50 A, the gas pressure significantly decreased from 100 kPa to 0.1 kPa between the discharge channel. Spectral analysis indicated that the plasma had an electron temperature of >1 eV and a density of 2.4×1016 cm–3 at 50 A at the anode exit. By installing a higher-power water pump and cooling tower, providing a pressure of 10 atm at a flow rate of 15 L/min, we will increase the discharge current up to 100 A to obtain much hot, dense arc plasmas.

Arc discahrge source and hydrodyamic behavior 

  アークジェットプラズマは,金属加工,宇宙空間での電気推進機や産業廃棄物の処理等様々な工学分野において応用されてiいます.本研究室ではアークプラズマの基礎物理を調べるため軸対称アークジェットプラズマ発生装置を開発し,様々な実験を試みています.その中で,断熱膨張プラズマ噴流が特徴的な明暗構造およびらせん構造を示すが判明しています.これまでに可視分光や真空紫外分光器,マッハプローブやトモグラフィー計測にて各種プラズマパラメータ,流体特性などをを評価したところ,明暗構造は圧縮性流体の不足膨張時に現れるショックセル構造と類似していることが分かりました.このことは,超音速アークジェットプラズマの特性が高速圧縮性流れの理論で記述できることを意味してみます.

 A compact apparatus to produce arcjet plasma was fabricated to investigate supersonic flow dynamics. Periodic bright-dark emission structures were formed in the arcjets, depending on the ambient gas pressure in the vacuum chamber. A directional Langmuir probe and emission spectroscopy were employed to characterize plasma parameters such as the Mach number of plasma flows and clarify the mechanism for the generation of the emission pattern. The results indicated that the arcjets could be classified into shock-free expansion and under-expansion, and the behavior of plasma flow could be described by compressible fluid dynamics. Comparison of the Langmuir probe results with emission and laser absorption spectroscopy showed that the probe was unreliable to determine the Mach number of the supersonic jet due to additional shock caused by insertion of the probe into the jet and the collisional sheath within the high residual pressure.

Arc discahrge source and hydrodyamic behavior 

  アークジェットプラズマは,金属加工,宇宙空間での電気推進機や産業廃棄物の処理等様々な工学分野において応用されてiいます.本研究室ではアークプラズマの基礎物理を調べるため軸対称アークジェットプラズマ発生装置を開発し,様々な実験を試みています.その中で,断熱膨張プラズマ噴流が特徴的な明暗構造およびらせん構造を示すが判明しています.これまでに可視分光や真空紫外分光器,マッハプローブやトモグラフィー計測にて各種プラズマパラメータ,流体特性などをを評価したところ,明暗構造は圧縮性流体の不足膨張時に現れるショックセル構造と類似していることが分かりました.このことは,超音速アークジェットプラズマの特性が高速圧縮性流れの理論で記述できることを意味してみます.

 A compact apparatus to produce arcjet plasma was fabricated to investigate supersonic flow dynamics. Periodic bright-dark emission structures were formed in the arcjets, depending on the ambient gas pressure in the vacuum chamber. A directional Langmuir probe and emission spectroscopy were employed to characterize plasma parameters such as the Mach number of plasma flows and clarify the mechanism for the generation of the emission pattern. The results indicated that the arcjets could be classified into shock-free expansion and under-expansion, and the behavior of plasma flow could be described by compressible fluid dynamics. Comparison of the Langmuir probe results with emission and laser absorption spectroscopy showed that the probe was unreliable to determine the Mach number of the supersonic jet due to additional shock caused by insertion of the probe into the jet and the collisional sheath within the high residual pressure.

Laser plasma X-ray sources for X-ray microscope

 短パルス高強度レーザーを固体あるいは高密度ガスターゲットに照射すると,高温・高密度プラズマが発生し,赤外からX線までの広帯域の光が放射される.特に,高輝度短パルスのX線光源は,X線レーザー,X線顕微鏡,X線ホログラフィーなどへの応用が期待されています..しかしながら,現状では駆動レーザーからX線への変換効率が1%以下と低く,実用化には多くの課題が残されています.

 最近になって,大阪大学レーザー研において窒素ガス雰囲気中でレーザー生成金プラズマを発生させると水の窓域と呼ばれるX線(波長:2.3~4.4 nm)が大幅に増大するという現象が報告されました.この実験では100 J級大型レーザーを用いたものですが,市販のナノ秒レーザーにおいても同様の結果が得られれば,汎用性の高い安価なX線源と成り得ます.実際に当研究室では阪大と同様の実験をジュール級Nd:YAGレーザーを用いて行ったところ,水の窓域X線が窒素ガス圧と共に増大すること明らかにしました.このコンパクト・安価なX線光源を用いることで生きたままの細胞を観察できるX線顕微鏡の開発を行う予定です.なお,この研究は量子技術研究開発機構,宇都宮大学,東北大学との共同研究として行っています.

 Water window soft X-ray (wavelength: 2.3-4.4 nm) is a suitable light source for observing nanometer-size structure of living cells and bio-molecules. Although laser produced plasma has been expected as a bright and short pulse X-ray source, the conversion efficiency from driving laser pulse energy to water window radiation is far below 1%, which hinders the realization of a compact and low-cost X-ray microscope. Recently, we found experimentally that the water window radiation increased significantly , when an Au target was irradiated by a joule class Nd:YAG laser under a low-pressure nitrogen atmosphere. For example, the laser plasma X ray yield in the water window at 350-Pa N2 atmosphere increased twice as much as the value measured in vacuum condition. The mechanism underlying this phenomenon was proposed in terms of atomic process, especially, innershell photoionization of N2 and subsequent Auger process. In addition, numerical study by using 2D radiation-hydro code Star2D was performed for understanding the experimental results.

Plasma X-ray laser and intense high-order harmonics generation

  軟X線レーザーは,短波長であること,光子当たりのエネルギーが高いといった特性を利用して,放射光のように多くの分野への応用が期待されています.軟X線レーザーの発生には出力が極めて大きな駆動レーザーが必要であり,汎用性の高いい軟X線レーザー開発には小型・高繰り返し可能なX線レーザーの実現が望まれています.我々は再結合プラズマ法と呼ばれる軟X線レーザー発振法を採用し,多数のパルスからなる励起レーザーを線状に集光してターゲットに照射することで 生成される高密度プラズマ(Li-like Alイオン)から発振する軟X線発光増幅((波長15.5nm)を観測しました.

  一方,フェムト秒レーザーとガスとの非線形相互作用で発生するX線パラメトリック増幅高次高調波をシード光としてプラズマ利得媒質に入射し,時間空間コヒーレントな高出力フェムト秒レーザーを開発する研究にも取り組んでいます.この研究は量子技術研究開発機構,ウィーン工科大学,カタルーニャ工科大学との共同研究の一環として進められているます.

 

 X-ray laser is applied to many scientific and engineering fields such as X-ray microscope, X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray lithography, and X-ray holography. In the recombination plasma scheme that we focus on, a relatively light element is ionized by laser irradiation onto the metal or gas target and high-temperature and high-density plasma is generated. When the hot, dense plasma is rapidly cooled due to an adiabatic expansion, a non-equilibrium plasma is created, where a three-body recombination process dominate over the other processes. Subsequently, the electron captured into highly-excited states (Rydberg states) are subjected to collisional deexcitation, resulting in the transition into the lower states. Consequently, a population inversion between lower levels is generated. We have observed the soft X-ray amplification (Li-like Al 3d-4f, 15.5nm) in a high-density Al plasma generated by 16 pulsetrains of Nd:YAG laser system. This was suitable for the laboratory base research.

  On the other hand, plasma x-ray lasers have the characteristics of spatial coherence, while less temporal one. In order to realize fully coherent plasma x-ray lasers, we have employed a seed-amplifier scheme. In this experimental setup, the bright seed harmonics with a narrow beam divergence is generated due to parametric interaction (x-ray parametric amplification: XPA) and subsequently is amplified in the plasma laser medium, which is pumped by the same driver laser pulse. The resultant x-ray laser pulse has its original coherences (temporal and spatial) and is operated free from the temporal jitter. The objectives of this study is to demonstrate the full coherent x-ray laser with a wavelength of 13.9 nm, pulse duration of ~400 fs (transform limited pulse), beam divergence of ~0.4 mrad, and output energy of ~2 micro J. This work has been collatorate with QST, Technische Universität Wien, and Universitat Politècnica de Catalunya.

半導体レーザーによるプラズマ計測

 Plasma diagnostics by tunable diode lasers

線幅の狭い連続発振レーザーを用いることにより、プラズマ中の原子速度の分布を直接計測することが可能になります。中でも半導体レーザーは小型・安価であり、ノウハウさえあれば低コストで精密な実験システムを構築することも可能です。我々は空間構造を持つプラズマターゲットとして、アークジェットプラズマの速度分布・温度・密度の空間分解計測を半導体レーザーを用いて行っています。特に飽和吸収分光によって原子間衝突の頻度を計測する手法を独自に考案し、理論研究・数値計算を組み合わせて手法の確立を目指しています。

 

We can directly measure the atomic velocity distribution in plasma by using continuous-wave laser because of its narrow linewidth. In particular, because the diode lasers are compact and low-cost, the flexible and precise measurement system can be constructed at a lower cost by ourselves. We are performing the spatially-resolved laser absorption spectroscopy on the arcjet plasma, which is an interesting target of the plasma with a spatial structure, to determine the parameter distribution such as velocity, temperature, and density.

Furthermore, we attempt to develop an original method to measure the inter-atomic collisions by using saturated absorption spectroscopy. We are performing not only the experimental study but also the theoretical and numerical studies to develop the method.

原子間衝突を利用した高効率レーザー同位体分離法の開発

 Development of highly-efficient laser isotope separation method utilizing inter-atomic collisions

放射性セシウムと安定セシウムは放射能以外の性質が非常に似ており、両者を質量レベルで高効率分離する技術は未だこの世に存在しません。セシウム原子の高効率同位体分離が可能になれば、核変換によって放射能を消滅させるための道を一歩前進することが出来ます。我々は従来はレーザーによる物質選択過程の邪魔者であった原子間衝突を逆に駆動力としたレーザー同位体分離法の開発を進めています。メインとなる分離実験装置の開発に加えて、理論の構築、数値シミュレーション、基礎となる原子データの取得、レーザーの波長安定化、レーザーによる衝突頻度計測法の開発、全光学的な同位体分析法の開発などを同時に進めており、全要素を結集して高効率同位体分離の実現を目指しています。

 

The difference between radioactive cesium and stable cesium is very small except their radioactivities. There is no method to separate them with realistic efficiency in the mass level. If the highly-efficient isotope separation of cesium is realized, the possibility of the reduction of the radioactive Cs isotope by nuclear transmutation gets to be considerable. We attempt to perform the laser isotope separation by utilizing inter-atomic collisions, which had been thought to be the main obstacle to the selecting process by laser. Now we are developing not only the main separation apparatus but also the elemental technology such as a technique of the laser wavelength stabilization, the measurement method of the collisional frequency by laser, and all-optical isotope measurement technology. The project also includes theoretical work, numerical simulation, and experiments for fundamental atomic data.