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論文

国際核融合エネルギー研究センターの高性能計算機システムHeliosを利用した国内シミュレーション研究プロジェクトの進展

石澤 明宏*; 井戸村 泰宏; 今寺 賢志*; 糟谷 直宏*; 菅野 龍太郎*; 佐竹 真介*; 龍野 智哉*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 前山 伸也*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 92(3), p.157 - 210, 2016/03

幅広いアプローチ協定に基づいて国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)の計算機シミュレーションセンター(CSC)に設置された高性能計算機システムHeliosは、2012年1月に運用を開始し、日欧の磁気核融合シミュレーション研究に供用され、高い利用率の実績を示すとともに、炉心プラズマ物理から炉材料・炉工学にわたる広い分野で多くの研究成果に貢献している。本プロジェクトレビューの目的は、国内の大学や研究機関においてHeliosを利用して進められているシミュレーション研究プロジェクトとその成果を一望するとともに、今後予想される研究の進展を紹介することである。はじめにIFERC-CSCの概要を示した後、各研究プロジェクト毎にその目的、用いられる計算手法、これまでの研究成果、そして今後必要とされる計算を紹介する。

論文

Observation of dynamics and modification of solid surface using a picosecond soft X-ray laser

錦野 将元; 河内 哲哉; 長谷川 登; 石野 雅彦; 南 康夫*; 末元 徹*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 佐藤 克俊*; Faenov, A.*; et al.

X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources; Development and Applications XI (Proceedings of SPIE, Vol.9589), p.958902_1 - 958902_7, 2015/09

The high quality soft X-ray laser (SXRL) source enables us to achieve quite high spatial-resolution as a probe and quite intense X-ray as a pump. As an application using the SXRL, we have observed the spallative ablation process by the interaction with SXRL or femto-second (fs) laser. In the presentation, we show several new application results using the SXRL. We discuss the scenario of the spallative ablation of the sample surface. The numerical simulation study is underway by using a molecular dynamics code. These results lead to understanding the full process of the interaction with the SXRL and/or fs laser.

論文

The Observation of a transient surface morphology in the femtosecond laser ablation process by using the soft X-ray laser probe

長谷川 登; 錦野 将元; 富田 卓朗*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 井筒 類*; 南 康夫*; 馬場 基芳*; et al.

X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources; Development and Applications XI (Proceedings of SPIE, Vol.9589), p.95890A_1 - 95890A_8, 2015/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:34.55

フェムト秒レーザーポンプ・軟X線レーザープローブ計測法を開発し、フェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を開始している。レーザーアブレーション過程は、初期過程における変化が高速(~ピコ秒)である反面、粒子が飛散する過程はマイクロ秒程度と長い時間をかけて行われる。我々は、この様な現象を同一の装置で観測するため、ポンプ光とプローブ光を異なる発振器で発生させることで両者の遅延時間を数ピコ秒の時間精度を保ちつつ、マイクロ秒以上の幅広い時間に対応させた。今回は本システムを用いることで、金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程において、その初期(数ピコ秒)に金属表面から剥離した薄膜が、マイクロ秒程度まで膜としての形状を保持したまま膨張することを新たに見いだした。

論文

軟X線レーザープローブによるフェムト秒レーザーアブレーション機構の照射強度・物質依存性の観測

長谷川 登; 富田 卓朗*; 錦野 将元; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 南 康夫*; 馬場 基芳*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 河内 哲哉; et al.

JAEA-Conf 2015-001, p.17 - 20, 2015/07

軟X線レーザーをプローブとした干渉計を構築することで、フェムト秒レーザーアブレーション過程におけるexpansion frontとablation frontの同時計測に成功した。これにより、フェムト秒レーザーアブレーションのダイナミクスの全体像を実験的に得ることに成功した。更に金とタングステンのexpansion frontの形状を比較することにより、アブレーション過程が局所的な照射強度と加工閾値に強く依存していることが示された。これは、照射レーザーのプロファイルの制御により、expansion frontの形状が制御可能であることを示しており、過渡的な光学素子の形成等への応用が期待される。

論文

タングステンにおけるフェムト秒レーザーアブレーション過程の軟X線レーザー反射・干渉観測

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 馬場 基芳*; 南 康夫*; 河内 哲哉; et al.

レーザー学会第471回研究会報告; 短波長量子ビーム発生と応用, p.9 - 12, 2014/12

フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。これまでの金や白金に加えて融点の高いタングステンを用いて実験を開始した。フェムト秒レーザー照射によるタングステンのアブレーション過程の解明のために、フェムト秒レーザー(波長795nm、パルス幅80fs)ポンプ・ピコ秒軟X線レーザー(波長13.9nm、パルス幅7ps)プローブを構築し、ピコからナノ秒スケールで起きる金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を行った。レーザー照射の数ピコ秒後から数ナノ秒後の時間領域のサンプル表面でのアブレーション面の膨張過程について軟X線による反射及び干渉計測を行い、アブレーションフロントの表面状態について解析を行った。また、講演ではタングステンと他の金属のアブレーション過程の違いについて考察を行う。

論文

炉内トリチウム

上田 良夫*; 大宅 薫*; 芦川 直子*; 伊藤 篤史*; 小野 忠良*; 加藤 太治*; 川島 寿人; 河村 学思*; 剣持 貴弘*; 斎藤 誠紀*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 88(9), p.484 - 502, 2012/09

特定領域科研費「核融合炉実現を目指したトリチウム研究の新展開」のレビューのうち第3章4節を執筆した。JT-60Uの30秒Hモード放電では外側ダイバータ板からの炭化水素の発生量が多いときに容器内に残留する水素量が増加することを示した。さらに外側ダイバータ板から発生した炭化水素がプラズマ中でどのような経路を輸送されるのかを調べるため、人為的に外側ダイバータから$$^{13}$$CH$$_{4}$$を注入する実験を行い、実験後にダイバータ・タイルを取り出しタイル上の堆積物を同定した。その結果、注入口のほぼ正面の内側ダイバータ・タイル上に$$^{13}$$Cが多量のHとともに検出された。この結果は、磁力線を横切った輸送が支配的であること、及び$$^{13}$$CとHが結合した形態で輸送された可能性が高いことを示しており、これらから中性の炭化水素、すなわち$$^{13}$$CH$$_{x}$$, x=1$$sim$$4の形態で外側ダイバータから内側ダイバータまで輸送されたと解釈される。

論文

連結シミュレーションによるアプローチ

星野 一生; 藤間 光徳*; 河村 学思*; 斎藤 誠紀*; 伊藤 篤史*

プラズマ・核融合学会誌, 86(12), p.698 - 705, 2010/12

ITERや原型炉を見据えたとき、プラズマ,不純物,壁材料等、個々の要素の物理現象の理解に加え、装置全体としての総合的な現象の理解が重要となる。総合的なシミュレーションを行うため、各要素を扱うモデルの結合が進められている。周辺領域における総合シミュレーションコードの開発として、周辺プラズマ及び不純物,プラズマ対向壁材料のまでの連結コード開発の最先端の取り組みについて述べる。

論文

核融合炉実現を目指したトリチウム研究の新展開,3; 核融合炉のトリチウム蓄積・排出評価のための理論及びシミュレーションコードの開発

大宅 薫*; 井内 健介*; 清水 勝宏; 滝塚 知典; 川島 寿人; 星野 一生; 畑山 明聖*; 藤間 光徳*; 冨田 幸博*; 河村 学思*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 85(10), p.695 - 703, 2009/10

平成19年度より採択された文部科学省科学研究費特定領域「核融合炉実現を目指したトリチウム研究の新展開」の中の6研究項目の一つである「核融合炉のトリチウム蓄積・排出評価のための理論及びシミュレーションコードの開発」に関して、研究目的,研究開発の現状及び今後の課題について述べる。特に、(1)炉内プラズマ中のトリチウム輸送と対向壁への蓄積と放出,(2)ダスト粒子の炉内プラズマ中の挙動とトリチウム蓄積,(3)プラズマ対向材料のトリチウム蓄積と放出にかかわるモデル構築,コード開発及びシミュレーションの現状を紹介する。

口頭

軟X線レーザーによる金のフェムト秒レーザーアブレーション過程のイメージング

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 羽富 大紀*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 河内 哲哉; 山極 満; et al.

no journal, , 

近年、フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。フェムト秒レーザー照射による金のアブレーション過程の解明のために、プラズマ軟X線レーザー(波長13.9nm、パルス幅7ps)をプローブ光源として、金属表面におけるアブレーション過程についてのピコ秒からマイクロ秒にわたる変化の観測を行った。我々はプラズマ励起軟X線レーザーによる軟X線干渉計測や軟X線反射率計測からアブレーションフロントの表面状態について解析を行った。これらの実験結果と分子動力学シミュレーションを用いたフェムト秒レーザーアブレーションに関する結果を比較しアブレーションダイナミクスの検討を行った。

口頭

軟X線レーザーを用いた金属表面のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観察,2

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 大西 直文*; 羽富 大紀*; 伊藤 篤史*; 南 康夫*; 武井 亮太*; et al.

no journal, , 

近年、フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。フェムト秒レーザー照射による金属のアブレーション過程の解明のために、フェムト秒レーザー(波長795nm, パルス幅80fs)ポンプ・ピコ秒軟X線レーザー(波長13.9nm, パルス幅7ps)プローブを構築し、ピコからナノ秒スケールで起きる金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を行った。フェムト秒レーザー照射直後、数百ピコ秒後までの時間領域のサンプル表面でのアブレーション面の膨張過程についてダブルロイズ鏡を用いた軟X線干渉計測を行い、アブレーションフロントの表面状態について解析を行った。これらの実験結果と分子動力学シミュレーションを用いたフェムト秒レーザーアブレーションに関する結果を比較しアブレーションダイナミクスの検討を行った。これらの解析結果について講演する。

口頭

軟X線レーザープローブを用いた金属表面のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測

山極 満; 長谷川 登; 錦野 将元; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 大西 直文*; 羽富 大紀*; 伊藤 篤史*; 南 康夫*; et al.

no journal, , 

「フェムト秒レーザー照射によるアブレーション」の解明を目指して、物質表面の計測に最適な軟X線(波長13.9nm)をプローブ光として、時間分解反射イメージング及び干渉計測を行っている。現在までに、フェムト秒レーザーが照射された直後に「表面から剥離した薄膜状の膨張フロント」がその形状を保ちつつ、膨張していく過程を明らかにしてきた。今回は、同じ時間帯において干渉計測を行うことで、膨張フロントの下方に存在する固体溶融面の膨張過程の観測に成功した。講演においては、これら固体溶融面と膨張フロントの時間発展について論議する。

口頭

軟X線レーザーを用いた金属表面のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測,1

長谷川 登; 錦野 将元; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 羽富 大紀*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 南 康夫*; 武井 亮太*; et al.

no journal, , 

光と固体の相互作用の初期過程である「フェムト秒レーザー照射によるアブレーション」の解明を目指して、物質表面の計測に最適な軟X線(波長13.9nm)をプローブ光とした時間分解計測を行っている。フェムト秒レーザーが照射されたサンプル表面を軟X線プローブにより干渉計測及び反射イメージング計測を行い、金属のアブレーション過程を数ピコ秒から数百ナノ秒に渡って観測することに成功している。本件では、フェムト秒レーザーがサンプルに照射された直後に「表面から剥離された薄膜状の膨張フロント」と基板の間での干渉現象(ニュートンリング)や膨張フロントの軟X線シャドウグラフ計測を用いたアブレーションダイナミクスの計測結果とその物質依存性について紹介する。

口頭

Observation of Weakly Excited Ablation Dynamics with Femtosecond Laser by using Time-Resolved Soft X-ray Imaging Technique

錦野 将元; 長谷川 登; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 富田 卓朗*; 羽富 大紀*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 南 康夫*; 馬場 基芳*; et al.

no journal, , 

近年、フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。フェムト秒レーザー照射による金属のアブレーション過程の解明のために、フェムト秒レーザー(波長795nm、パルス幅80fs)ポンプ・ピコ秒軟X線レーザー(波長13.9nm、パルス幅7ps)プローブを構築し、ピコからナノ秒スケールで起きる金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を行った。アブレーション閾値程度の強度のフェムト秒レーザー照射後、数百ピコ秒後から数百ナノ秒後程度までの時間領域のサンプル表面でのアブレーション面の膨張過程について軟X線による反射及び干渉計測を行い、アブレーションフロントの表面状態について解析を行った。これらの実験結果と分子動力学シミュレーションを用いたフェムト秒レーザーアブレーションに関する結果を比較しフェムト秒レーザーアブレーションのダイナミクスについての検討を行った。

口頭

Observation of femtosecond laser ablation on tungsten by using soft X-ray laser

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 馬場 基芳*; 南 康夫*; 河内 哲哉; et al.

no journal, , 

近年、フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。これまで金や白金のアブレーション過程の観測を行ってきたが、新たなターゲットとして融点の高いタングステンを用いた。フェムト秒レーザー照射によるタングステンのアブレーション過程の解明のために、フェムト秒レーザー(波長795nm、パルス幅80fs)ポンプ・ピコ秒軟X線レーザー(波長13.9nm、パルス幅7ps)プローブを構築し、ピコからナノ秒スケールで起きる金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を行った。レーザー照射の数ピコ秒後から数ナノ秒後の時間領域のサンプル表面でのアブレーション面の膨張過程について軟X線による反射及び干渉計測を行い、アブレーションフロントの表面状態について解析を行った。また、講演では、タングステンと金や白金のアブレーション過程の違いについても考察する。

口頭

A Study of the femto-second laser ablation process in metals by using a soft X-ray laser probe

長谷川 登; 錦野 将元; 河内 哲哉; 山極 満; 富田 卓朗*; 末元 徹; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 馬場 基芳*; 南 康夫*

no journal, , 

フェムト秒レーザーアブレーションは微細加工の新たな手法として応用研究が盛んに行われているが、適切な観測手段が乏しく、そのプロセスは未だ明らかにされていない。我々は、フェムト秒レーザーポンプ・ピコ秒軟X線レーザープローブシステムを構築し、軟X線干渉計測、反射率計測を組み合わせる事で、レーザー照射の数ピコ秒後から1マイクロ秒後における金の表面のナノメートルオーダーの形状の時間変化を詳細に観測することに成功した。本結果は、フェムト秒レーザーアブレーションの初期過程からクレーターの形成までの現象を同一の実験条件下で計測した初めての計測例である。

口頭

フェムト秒レーザーによる金属アブレーション過程の軟X線レーザー反射・干渉計による観測

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 河内 哲哉; 山極 満; 末元 徹

no journal, , 

フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。近年、フェムト秒レーザー照射による金属のアブレーション過程の解明のために、プラズマ軟X線レーザーをプローブ光源として、金属表面におけるアブレーション過程についてのピコ秒からマイクロ秒にわたる変化の観測を行った。我々はプラズマ励起軟X線レーザーによる軟X線反射率計測や軟X線干渉計測からアブレーション表面や膨張表面の状態について解析を行った。これらの実験結果と分子動力学シミュレーションを用いたフェ ムト秒レーザーアブレーションに関する結果を比較しアブレーションダイナミクスの検討を行った。これらの解析結果について報告する。

口頭

Observation of femtosecond laser ablation process on Tungsten by using a soft X-ray laser probe

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 馬場 基芳*; 南 康夫*; Inogamov, N.*; et al.

no journal, , 

近年、フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。これまで用いてきた金サンプルより融点の高いタングステンのフェ ムト秒レーザー照射によるアブレーション過程の解明のために、フェムト秒レーザー(波長795nm、パルス幅80fs)ポンプ・ピコ秒軟X線レーザー(波長13.9nm、パルス幅7ps)プローブを用いて、ピコからナノ秒スケールで起きるフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を行った。レーザー照射の数ピコ秒後から 数ナノ秒後の時間領域のサンプル表面でのアブレーション面の膨張過程について軟X線による反射及び干渉計測を行い、アブレーション表面の状態について解析を行った。講演ではタングステンと金のアブレーション過程の違いについて中心に考察する。

口頭

軟X線レーザーを用いた時間分解表面形状計測技術とレーザーアブレーションへの応用

錦野 将元; 長谷川 登; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 河内 哲哉; 山極 満; 末元 徹*

no journal, , 

日本原子力研究開発機構・関西光科学研究所の発振波長13.9nmのプラズマ軟X線レーザーを使用したピコ秒の時間スケールでナノメートルスケールの表面起伏をシングルショット計測可能なポンププローブ軟X線干渉イメージングシステムと反射率イメージングシステムの開発について報告する。この計測手法を用いてフェムト秒レーザー照射による金属表面におけるアブレーション過程のピコ秒からマイクロ秒にわたる変化の観測を行った。この13.9nmの軟X線は、固体密度程度の臨界密度を持つ一方、固体に対する浸透長が数nm程度のため、レーザーアブレーションによって生成される表面プラズマの影響をほとんど受けること無く固体表面の情報を得ることが可能である。これらの実験結果と分子動力学シミュレーションを用いたフェムト秒レーザーアブレーションに関する計算結果を比較しアブレーションダイナミクスの基礎的メカニズムの解明に向けた検討についても報告する。

口頭

軟X線レーザープローブを用いたfsレーザー薄膜アブレーションの観測

錦野 将元; 長谷川 登; 河内 哲哉; 末元 徹*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; Inogamov, N.*; Faenov, A. Y.*

no journal, , 

フェムト秒レーザー照射によるアブレーションは金属表面ナノスケール微細構造生成だけでなくナノ粒子生成等の半導体・材料・医療分野への応用が期待され注目されている。しかし、フェムト秒レーザーアブレーションによる様々な現象がどのように起こるのかについては明らかになっていないため、高効率化やその制御にむけた詳細な理解が望まれている。数百fs程度のパルス幅のフェムト秒レーザーアブレーションは、その照射強度によりミクロン以下の空間領域で、固相・溶融液相・プラズマ相等が混在しながらフェムト秒からナノ秒の高速時間領域で発展する現象であるため、その詳細な現象を捉えるにはナノメートルの空間分解能、ピコ秒の時間分解能をもった時間分解イメージング観察が必要である。そこで、我々は軟X線レーザーを用いて、ピコ秒の時間スケールでナノメートルスケールの表面起伏をシングルショット計測可能なポンププローブ軟X線干渉イメージングシステムと反射率イメージングシステムの開発を行った。今回、金をサンプルにしたフェムト秒レーザーアブレーション過程の計測結果について述べる。

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