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.

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

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAEA-Conf-2015-001.pdf#page=27

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。

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。

Predicting the long-term Cs distribution in Fukushima after the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident; A Parameter sensitivity analysis

山口 正秋; 北村 哲浩; 小田 好博; 大西 康夫*

Journal of Environmental Radioactivity, 135, p.135 - 146, 2014/09

https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2014.04.011

福島第一原子力発電所事故後のセシウム137(Cs)の長期分布予測を試行した。本研究では、USLE(土壌流亡予測式)と簡易的な水理公式を併用した土壌およびセシウム移行モデルを適用して福島におけるセシウムの長期分布予測を行った。本モデルは、土壌侵食、土砂移動および堆積モデル、およびセシウムの移行モデルとその将来分布モデルにより構成される。観測値等の得られていないパラメータについては、感度解析を実施し、パラメータの不確実性に起因する結果の幅を示した。本試行により、ほぼすべての解析ケースにおいて、河川流域内への砂の顕著な堆積傾向が示された一方、シルトや粘土については大半が河口まで運搬されることが示された。一方、侵食・運搬される土砂Csの量については、土地利用や地形、降雨に関わるパラメータに起因するケース毎のばらつきがみられた。これに対し、運搬される土砂中のCs濃度はこうしたパラメータの設定に関わらず、流域毎にほぼ一定の値を示すことが示された。このことは、Csの移動には、土砂の侵食・運搬量と、セシウムの沈着量の寄与が大きいことを示唆する。

土砂移動に着目した福島第一原子力発電所事故後の放射性物質分布に関する解析手法の開発

山口 正秋; 前川 恵輔; 竹内 真司*; 北村 哲浩; 大西 康夫*

原子力バックエンド研究(CD-ROM), 20(2), p.53 - 69, 2013/12

https://doi.org/10.3327/jnuce.20.53

東京電力福島第一原子力発電所事故後に地表に降下したCsを対象に、主要な移行経路の一つと考えられる土砂移動(侵食,運搬,堆積)を考慮した移行解析のための簡易的な解析手法を考案した。本検討では、地理情報システム(GIS)のモデル構築機能を用いて、各関係機関がオンラインで提供する公開データを用いて解析を行うためのプログラムを構築した。試解析の結果、ダム湖や貯水池における顕著な堆積傾向や、シルト・粘土等の細粒物が粗粒の砂等に比べてより遠方まで運搬されるといった粒径毎の流送土砂量の違いなどが計算で再現され、定性的には既存の観測結果とおおむね整合的であることが確認された。

Preliminary calculation of sediment and Cs transport in the Ukedo River of Fukushima

操上 広志; 北村 哲浩; 山口 正秋; 大西 康夫*

Transactions of the American Nuclear Society, 109(1), p.149 - 152, 2013/11

河川中の土壌粒子の成分ごとに、河川水中の懸濁濃度を河口からの距離の分布として計算した。その結果、砂成分は河川中に蓄積し、海まで到達しないものの、シルトと粘土成分は海まで到達する結果となり、河川はシルトや粘土を媒体に放射性Csの運搬経路となる試算結果となった。地形勾配が大きい箇所においては顕著な侵食が生じ、地形勾配が緩やな箇所で堆積が生じた。放射性Csの溶存成分は下流になるにつれてわずかに低下し、浮遊物質(細かい土壌粒子)への付着成分の割合が高くなったが、ほとんどがシルト,粘土への付着成分としての輸送であった。

Observation of the nano-scale surface dynamics of femtosecond laser ablation by time-resolved soft X-ray imaging technique

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 南 康夫*; 武井 亮太*; 馬場 基芳*; 江山 剛史*; 高吉 翔大*; 河内 哲哉; 羽富 大紀*; et al.

Proceedings of SPIE, Vol.8849, p.88490E_1 - 88490E_6, 2013/09

https://doi.org/10.1117/12.2022834

近年、リップル形成やナノアブレーションなどのフェムト秒レーザーアブレーション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。このような現象は基本的にはマルチパルス照射によって引き起こされるものであるが、その基礎過程を理解するためには、まずは単一パルス照射によって引き起こされる過程を理解することが重要である。われわれはプラズマ励起軟X線レーザー(波長13.9nm)による軟X線干渉計を用いたアブレーションフロントの膨張過程の観測、及び軟X線反射率計測から複数の金属におけるアブレーションフロントの表面状態についての計測を開始している。ガウス型の強度分布を持ったフェムト秒チタンサファイアレーザー光(波長795nm)をポンプ光とし、局所フルエンスに対するアブレーションダイナミクスの依存性を明らかにすることを試みている。白金や金表面の干渉計測・反射率計測で得られたアブレーション初期過程の表面変化について講演を行う。

Evaluation of radionuclide and sediment transport mathematical models and adsorption/desorption mechanisms for marine environments

大西 康夫*; Arnold, E. M.*; Serne, R. J.*

PNC TN841 78-65, 215 Pages, 1978/10

PNC-TN841-78-65.pdf:6.21MB

東海再処理施設から低レベルの放射性廃液が東海おきの太平洋に放出されている。これらの廃液は海流と波と乱流による混合により拡散される。又廃液は海中と海底の土砂に吸着され、土砂と共に海中に拡散、あるいは海底に沈澱する。東海おきの放射性物質の長期の移動と堆積を調べる為には、放射性物質移動のコンピーター・シミュレーション(Computer simulation)と実地調査を行なう事が重要である。このレポートは再処理施設付近の太平洋内での放射性核種の長期的拡散と堆積を予測する為の土砂と核種のトランスポート・シミュレーション・モデル(Transport simulation model)についての文献調査の結果を述べる。文献調査の結果にもとづき、東海再処理工場の場合に適用されるシミュレーション・モデルの選定がなされ、そのモデルの修正される部分の数式の公式化が行なわれた。以上の外に、東海再処理工場の廃液中にふくまれる核種の吸着機構(Adsorption mechanism)についての詳細は文献調査も行なわれた。調査にふくまれた放射性物質は、セリウム、セシウム、沃素、プルトニウム、ルテニウム、ストロンチウム、三重水素、ジルコニウムの8種である。

フェムト秒レーザーアブレーション過程における軟X線反射率の局所フルエンス依存性,1

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 南 康夫*; 武井 亮太*; 大西 諒*; 石野 雅彦; 山本 稔*; 寺川 康太*; 海堀 岳史; 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等の現象の理解は、レーザープロセッシングの新たな可能性を開拓するために不可欠であるが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。単一パルス照射によって引き起こされる過程を高空間・高時間分解能で取得したダイナミクスに関する情報は、フェムト秒レーザーによるアブレーション現象を理解するうえで重要である。そこで低密度プラズマの影響を受けずに物質表面の構造変化を直接観察することが可能な軟X線レーザーをプローブ光とするフェムト秒レーザーポンプ・軟X線レーザープローブの時間分解反射率イメージングを行い、レーザーアブレーション過程の時間分解イメージングを行った。フェムト秒レーザーの照射強度によって生成されるアブレーション領域を3つの領域に分けて得られた時間分解計測結果について講演を行う。

福島長期環境動態研究,5; 一次元コードTODAMを用いた河川解析

齋藤 龍郎; 操上 広志; 大西 康夫*; 小田 好博; 北村 哲浩

no journal, , 

福島原子力発電所事故により福島県の表層土壌に蓄積した放射性セシウム分布の予測と今後の環境動態は、外部または内部被ばくの評価のために、また、農業環境及び水中生物相への影響のために不可欠である。セシウムは粘土が多い土壌で吸着されるため、運搬機構は主として地表面の土壌侵食と堆積土に吸着した汚染物質の河川等の水によるとされる。本研究では、セシウム運搬のうち土壌侵食によるものはUSLE準拠モデル、河川によるものはTODAMモデルにより計算した。TODAMモデルはUSLE準拠モデルの計算結果を入力として利用している。また、福島県請戸川をモデル河川とし、堆積土とセシウムの運搬をダムから河口まで試算した。