X-ray free electron laser observation of ultrafast lattice behaviour under femtosecond laser-driven shock compression in iron

佐野 智一*; 松田 智己*; 廣瀬 明夫*; 寺井 智之*; 掛下 智之*; 犬伏 雄一*; 佐藤 孝弘*; 矢橋 牧名*; 菖蒲 敬久; 他22名*

Scientific Reports (Internet), 13, p.13796_1 - 13796_10, 2023/08

https://doi.org/10.1038/s41598-023-40283-6

Over the past century, understanding the nature of shock compression of condensed matter has been a major topic. About 20 years ago, a femtosecond laser emerged as a new shock-driver. Unlike conventional shock waves, a femtosecond laser driven shock wave creates unique microstructures in materials. Therefore, the properties of this shock wave may be different from those of conventional shock waves. However, the lattice behaviour under femtosecond laser-driven shock compression has never been elucidated. Here we report the ultrafast lattice behaviour in iron shocked by direct irradiation of a femtosecond laser pulse, diagnosed using X-ray free electron laser diffraction. We found that the initial compression state caused by the femtosecond laser driven shock wave is the same as that caused by conventional shock waves. We also found, for the first time experimentally, the temporal deviation of peaks of stress and strain waves predicted theoretically. Furthermore, the existence of a plastic wave peak between the stress and strain wave peaks is a new finding that has not been predicted even theoretically. Our findings will open up new avenues for designing novel materials that combine strength and toughness in a trade-off relationship.

Measurement of 107-MeV proton-induced double-differential thick target neutron yields for Fe, Pb, and Bi using a fixed-field alternating gradient accelerator at Kyoto University

岩元 大樹; 中野 敬太; 明午 伸一郎; 佐藤 大樹; 岩元 洋介; 杉原 健太; 西尾 勝久; 石 禎浩*; 上杉 智教*; 栗山 靖敏*; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 60(4), p.435 - 449, 2023/04

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2115423

加速器駆動核変換システム(ADS)の研究開発及び京都大学臨界実験装置(KUCA)におけるADS未臨界炉物理の基礎研究を目的として、固定磁場強収束(FFAG)加速器を用いて107MeV陽子による鉄、鉛及びビスマス標的に対する二重微分中性子収量(TTNY)を測定した。TTNYは8個の中性子検出器(各検出器は小型のNE213液体有機シンチレータと光電子増倍管より構成される)からなる中性子検出器システムを用いて飛行時間法により得られたものである。測定で得られたTTNYを、粒子・重イオン輸送コードシステム(PHITS)に組み込まれたモンテカルロ法に基づく核破砕反応モデル(INCL4.6/GEM, Bertini/GEM, JQMD/GEM, JQMD/SMM/GEM)及び評価済み高エネルギー核データライブラリ(JENDL-4.0/HE)による計算結果と比較した。JENDL-4.0/HEを含む比較対象のモデルは、検出器角度5度における高エネルギーピークを再現しないなどの特徴的な不一致が見られた。測定で得られたTTNYとPHITSによって評価した20MeV以下のエネルギー及び角度積分中性子収率を比較した結果、INCL4.6/GEMがKUCAにおけるADS炉物理実験のモンテカルロ輸送シミュレーションに適していることが示された。

Influence of pulse duration on mechanical properties and dislocation density of dry laser peened aluminum alloy using ultrashort pulsed laser-driven shock wave

吉田 雅幸*; 西端 樹*; 松田 朋己*; 伊藤 佑介*; 杉田 直彦*; 城 鮎美*; 菖蒲 敬久; 荒河 一渡*; 廣瀬 明夫*; 佐野 智一*

Journal of Applied Physics, 132(7), p.075101_1 - 075101_9, 2022/08

https://doi.org/10.1063/5.0083511

This study aims to investigate the influence of the pulse duration on the mechanical properties and dislocation density of a aluminum alloy treated using dry laser peening. The results of the micro-Vickers hardness test, residual stress measurement, and dislocation density measurement demonstrate that over a pulse duration range of 180 fs to 10 ps, the maximum peening effects are achieved with a pulse duration of 1 ps. Moreover, the most significant dry laser peening effects are obtained by choosing a pulse duration that achieves a laser intensity that simultaneously generates the strongest shock pressure, suppresses optical nonlinear effects, and realizes the least thermal effects, which weaken the shock effects.

Improving fatigue performance of laser-welded 2024-T3 aluminum alloy using dry laser peening

佐野 智一*; 詠村 嵩之*; 廣瀬 明夫*; 川人 洋介*; 片山 聖二*; 荒河 一渡*; 政木 清孝*; 城 鮎美*; 菖蒲 敬久; 佐野 雄二*

Metals, 9(11), p.1192_1 - 1192_13, 2019/11

AA2019-0690.pdf:3.91MB

https://doi.org/10.3390/met9111192

本研究の目的は、ドライレーザーピーニング(DryLP)の有効性を検証することである。DryLPは、大気条件下でフェムト秒レーザーパルスを使用して、加工合金中の硬度,残留応力,疲労性能などの機械的特性を改善するピーニング技術である。レーザー溶接された2024アルミニウム合金にDryLP処理を施すと軟化した溶接金属は母材の元の硬度に回復し、溶接金属と熱影響部の残留引張応力は圧縮応力に変わった。疲労寿命は180MPaの引張圧縮試験でほぼ2倍になり、120MPaでは50倍以上増加した。以上から、DryLPは低応力振幅での溶接欠陥のあるレーザー溶接アルミニウム試験片の疲労性能を改善するのにより効果的であることを明らかにした。

Stability of magnesite and its high-pressure form in the lowermost mantle

一色 麻衣子*; 入舩 徹男*; 廣瀬 敬*; 小野 重明*; 大石 泰生*; 綿貫 徹; 西堀 英治*; 高田 昌樹*; 坂田 誠*

Nature, 427(6969), p.60 - 63, 2004/01

https://doi.org/10.1038/nature02181

マントル主要鉱物である炭酸鉱物の一つのマグネサイトのマントル最深部における安定性を調べるために、ダイアモンドアンビルセルレーザー加熱技術によりマントル最深部と同等の100万気圧2000度に至る高温高圧条件を試料に与え、その条件下での構造をSPring-8の放射光を用いてその場観察を行った。その結果、同条件下においてもマグネサイトは分解せず存在し、しかしながらより浅部における構造とは異なる構造をとることが明らかとなった。このことはマントル最深部まで炭素が供給されることを示唆する結果である。

FFAG陽子加速器を用いたADS用核データの実験的研究; 研究の概要および鉄標的に対する中性子エネルギースペクトル測定

岩元 大樹; 明午 伸一郎; 西尾 勝久; 石 禎浩*; 廣瀬 健太郎; 岩元 洋介; 栗山 靖敏*; 前川 藤夫; 牧井 宏之; 中野 敬太; et al.

no journal, , 

加速器駆動核変換システム(ADS)の研究開発を目的として、2019年10月より京都大学のFFAG (Fixed Field Alternating Gradient)加速器を用いたADS用核データの実験的研究プログラムを開始した。本プログラムは、数十MeVから100MeV陽子入射に対する「(1)核破砕中性子エネルギースペクトル測定」および「(2)高エネルギー核分裂測定」の二つのサブプログラムから構成される。本発表では、本プログラムの概要および実験の準備状況について紹介するとともに、最初の実験として実施する陽子入射鉄標的に対する中性子エネルギースペクトルの測定結果について報告する。

FFAG陽子加速器を用いた鉛及びビスマス標的からの中性子エネルギースペクトルの測定

中野 敬太; 岩元 大樹; 明午 伸一郎; 西尾 勝久; 石 禎浩*; 廣瀬 健太郎; 岩元 洋介; 栗山 靖敏*; 前川 藤夫; 牧井 宏之; et al.

no journal, , 

加速器駆動核変換システム(ADS)の実現に向け、京都大学FFAG加速器を用いたADS用核データの測定を実施している。本発表では、ADSにおいて最重要核種である鉛及びビスマスに対する107MeV陽子入射反応による生成中性子のエネルギースペクトル測定の概要とその結果について報告する。