レーザー加工プロセス計算科学シミュレーションコードSPLICEの整備; 令和元年度研究成果

村松 壽晴

JAEA-Research 2019-008, 111 Pages, 2019/11

JAEA-Research-2019-008.pdf:8.64MB

レーザー光を熱源とした材料加工などに対する数値解析的な評価手法の確立を図ることを目的として、レーザー溶融・凝固計算科学シミュレーションコードSPLICEを開発した。本コードは、レーザー加工分野における多品種少量生産を行う上で、レーザー照射条件などの設定に費やすオーバーヘッドを適切に低減させるため、レーザー-物質相互作用、半溶融帯を介した溶融金属-固体材料間の熱的機械的相互作用、溶融・凝固相変化過程などの複合物理過程を取扱うために必要となる物理モデル, 数学モデルなどを導入した気-液-固統一非圧縮性粘性流汎用多次元コードである。本コードの主要な特徴は以下の通りである。(1)ミクロ挙動とマクロ挙動とを多階層スケールモデルにより接続し、固体材料へのレーザー光照射から、固体材料の溶融・凝固過程までの一連の複合物理過程を、汎用ワークステーション上で評価することが可能、(2)レーザー光を熱源とする材料加工として、溶接, 溶断, 穿孔, コーティング, 金属光造形などを対象に、数値解析評価が可能、(3)SPLICEコードユーザーへの負荷を低減させるため、グラフィックユーザーインターフェースを整備し、対話形式でのコード運用が可能なことである。

レーザー光イオン化されたネオジムイオンビームの収束特性測定

田村 浩司

真空, 45(3), p.255 - 257, 2002/03

https://doi.org/10.3131/jvsj.45.255

レーザー光イオン化により生成したイオンビームの利用を目的として、引き出されたイオンの強度分布を多チャンネルファラデーカップにより求めた。ビーム広がりを抑えるため円筒型の収束用電極を加えることで、横方向のイオン広がりを減少させることができた。半球型電極付加では、水平,垂直方向とも、電場がない場合に比べビーム広がりが減少し、中心部のビーム強度も増加させることができた。

Enantioenrichments of -amino acids with high-intensity excimer laser

清水 雄一

Laser Chemistry, 18(3), p.143 - 154, 1999/09

https://doi.org/10.1155/1999/90875

メチオニンラセミ体のエナンチオ区別反応がXeFエキシマレーザー(波長:351nm)からの高強度の左右円偏光レーザー光照射によって効率良く起こることを見いだした。また、トレオニンも同様な結果を示した。これらの結果から、-アミノ酸のエナンチオ濃縮反応は脱カルボキシル及び脱アミン反応のようなレーザー光選択的分解反応が関与し、-アミノ酸の化学構造、特に官能基、によって大きく影響されることが明らかになった。さらに、単独では反応しないプロリンとバリンでも、それらを混合して水溶液で円偏光レーザー光を照射すると、それらのエナンチオ選択的光分解反応が同時に効率良く起こることを初めて見いだした。また、この反応はプロリンとバリンの混合比によって大きく影響されることから、プロリンとバリンとの間の分子間相互作用を経てエナンチオ区別反応が進行していると考えることができる。

Laser-induced photochemical reaction of maleic acid solutions in the presence of hydrogen peroxide

清水 雄一; 杉本 俊一*; 河西 俊一; 鈴木 伸武

Laser Chem., 17, p.97 - 108, 1997/00

過酸化水素存在下でのマレイン酸溶液の光化学反応をエキシマレーザーを用いて研究した。レーザー光の波長効果の研究から、オキシ酸の生成にはXeF光(351nm)が有利であることがわかった。XeF光による水溶液中の反応では、グリコール酸が主生成物であり、酒石酸生成の選択率は非常に小さかった。しかし、水に1,4-ジオキサンを添加すると、その選択率は急激に増大し、ジオキサン溶液中では、約80%の選択率が得られた。このように、少量の過酸化水素を含むマレイン酸の1,4-ジオキサン溶液を室温でXeFレーザー光照射すると、酒石酸が選択的に直接合成できることを見出した。一方、メタノール、N,N´-ジメチルホルムアミド、アセトニトリルおよびテトラヒドロフラン溶液中の反応では、酒石酸の選択率は水溶液中の反応に比べてほとんど増大しなかった。これらの結果に基づいて、酒石酸の選択的生成の反応機構を考察する。

レーザーによるフッ素系高分子の表面化学修飾反応

河西 俊一; 一ノ瀬 暢之

レーザー研究, 24(7), p.780 - 786, 1996/07

https://doi.org/10.2184/lsj.24.780

フッ素系高分子は耐熱性や耐薬品性などに優れているが、表面の接着性、親水性が乏しいことから表面改質の要求が高い。しかしながらフッ素系高分子は化学的に安定なため改質が困難である。そこで、レーザーの単色性や高強度性などによる特異反応を利用した改質の研究が行われるようになってきた。本報告では、レーザーを用いたフッ素系高分子の表面改質についての研究の現状をまとめるとともに、「レーザー有機化学反応の研究」で実施したフッ素系高分子表面のレーザー光化学修飾について紹介する。これは、フッ素系高分子を種々の化合物の水溶液や溶媒中でレーザー光を照射することによって、フッ素系高分子表面に化合物の持つ官能基を選択的に反応させる技術であり、これによってフッ素系高分子表面に任意の機能を付与することができるようになった。さらに、先端レーザーを用いた研究への展望を述べる。

Micropatterning of organosilane thin layers on glass surface by laser irradiation for patterned immobilization of polyaminopolymers

一ノ瀬 暢之

Macromolecular Reports, 33(SUPPL.1), p.33 - 36, 1996/00

石英ガラス上に3-メルカプトプロピルトリメトキシランとヨード酢酸あるいは無水マレイン酸を用いて作製した有機シラン膜のレーザーを用いたマイクロパターニングを行った。ヨード酢酸を用いてS原子上にカルボキシメチル基を導入した膜では30mJcmpulseのKrFレーザー光をフォトマスクを通して600ショット照射することによってカルボキシメチル基の光分解によるマイクロパターニングを行うことができた。非照射部のカルボキシメチル基のパターン上に縮合剤を用いてアミノ基を持つ高分子(タンパクなど)を固定することができ、照射部では固定されないことが分かった。XPSによりカルボニル基の消失とイオン原子の酸化が示され、選択的にC-S結合が光化学的に切断されることが分かった。一方、無水マレイン酸を用いて作製したシラン膜では、パターニングにより高いレーザー光強度を要した。

Decarbonylation of adamantan-2-one by two-photonic excitation with XeCl laser

一ノ瀬 暢之; 河西 俊一

J. Chem. Soc., D, 0(17), p.2017 - 2018, 1994/09

シクロヘキサン中2-アダマンタノンにXeClレーザー光(308nm)を照射すると徐々に消失し、ノルアダマンタンが生成した。この反応のレーザー光強度依存性を調べたところ、原料消失量とノルアダマンタン生成量は光強度の2乗に比例し、2光子吸収によって反応が誘起されることが分かった。また、ノルアダマンタンの生成は、185nmランプ光による高次励起状態への1光子励起によっても認められたが、254nmランプ光による最低励起状態への1光子励起によっては認められなかった。XeClレーザー光による反応において、三重項消光剤であるビフェニルの添加によって原料消失およびノルアダマンタン生成はまったく影響を受けなかった。これらのことにより本反応は、高次励起一重項状態を経て進行するものと結論した。

Laser-induced reduction of CO in the presence of CH

杉本 俊一*; 清水 雄一; 鈴木 伸武

Chem. Express, 8(7), p.451 - 454, 1993/00

炭酸ガスにメタンの存在下でArFレーザー光(193nm,260mJ/pulse,50Hz)を照射すると、主生成物として一酸化炭素が、微量生成物としてエタン、プロパンおよびブタンが生成し、炭酸ガスの還元が著しく促進されることを見出した。一酸化炭素の生成量はメタン濃度の増加と共に急激に増加し、メタン濃度がおよそ15mol%で最大になった。この時の量子収率は0.25であり、炭酸ガスのみの照射のときの約6倍であった。一方、エタンの生成量はメタン濃度がおよそ50mol%で最大になった。さらに、メタン濃度がおよそ35mol%以上で、プロパンおよびブタンが生成した。炭酸ガスのArFレーザー光分解によって一酸化炭素と共に生成するO原子がメタンによって効率よく捕獲されるために、レーザー光照射による炭酸ガスの還元反応が有効に進行すると結論した。

Excimer laser irradiation effects on ethylene-tetrafluoroethylene copolymer

浜田 祐二*; 河西 俊一; 西井 正信; 清水 雄一; 杉本 俊一; 江間 喜美子*; 山本 忠史*

J. Photopolym. Sci. Technol., 6(3), p.385 - 392, 1993/00

https://doi.org/10.2494/photopolymer.6.385

エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)のエキシマレーザー光(ArF,KrF)照射によって誘起される化学変化を、ETFE全体については、紫外吸光光度法、赤外分光法によって調べ、ETFE表面については、X線光電子分光法を用いて調べた。ArFレーザー光照射によってETFE全体に二重結合が生成し、KrFレーザー光照射ではETFEは炭化した。一方、ETFE表面では、KrF及びArFレーザー光照射によってともに酸化物が生成した。このように、ETFE表面の化学反応は、全体での反応と異なることがわかった。また、レーザー光照射後のETFE表面について深さ方向分析を行い、レーザー光照射に伴う酸化反応は、表面に近い部分ほど進んでいることを見出した。この現象は、空気中の酸素の存在に起因しているものと結論した。

Direct synthesis of hydroxy acid from maleate aqueous solutions containing hydrogen peroxide using an excimer laser

清水 雄一; 杉本 俊一*; 西井 正信; 鈴木 伸武

Chem. Express, 7(8), p.633 - 636, 1992/00

窒素飽和したマレイン酸水溶液を過酸化水素存在下、室温でXeFレーザー光(351nm)照射すると、グリコール酸、酒石酸、リンゴ酸などのヒドロキシ酸が選択性良く直接合成できることを見出した。マレイン酸カルシウム水溶液を照射すると、酒石酸の生成量はマレイン酸の照射の時の3.8倍、リンゴ酸は2.5倍に著しく増大した。この時の選択性もそれぞれ4から14%および2から9%と著しく増加した。マレイン酸ニナトリウムについても同様な結果が得られた。このような増感効果はマレイン酸塩の金属イオン化系列とよく対応した。酒石酸およびリンゴ酸はマレイン酸の二重結合へのOHラジカルの付加によって生成し、一方グリコール酸はこれらの生成反応と競争的にOHラジカルの付加によって生成したヒドロキシ中間体の速い分解によって生成すると考えられる。この分解にはHのようなイオン種が深く関与していることが推察される。