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論文

Condition of MeV electron bunch generated from Argon gas-jet target in the self-modulated laser wakefield regime

森 道昭; 神門 正城; 小瀧 秀行; 林 由紀雄; Bulanov, S. V.; Koga, J. K.; 近藤 公伯; Pirozhkov, A. S.; 西村 博明*; 永島 圭介

Journal of the Physical Society of Japan, 80(10), p.105001_1 - 105001_2, 2011/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:75.59(Physics, Multidisciplinary)

自己位相変調領域におけるアルゴンがスターゲットからの高エネルギー電子バンチのプラズマ密度・レーザーパワーの条件について調査した。相対論的自己収束による2次元的なレーザーパルス圧縮を含めた解析モデルから、電子のインジェクションのベクトルポテンシャルの閾値が、標準型レーザーウェーク場加速領域における3次元的なパルス圧縮を含む閾値に近い2.8であることを見いだした。

論文

Correlation between laser accelerated MeV proton and electron beams using simple fluid model for target normal sheath acceleration

反保 元伸; 粟野 信哉*; Bolton, P.; 近藤 公伯; 三間 圀興*; 森 芳孝*; 中村 浩隆*; 中堤 基彰*; Stephens, R. B.*; 田中 和夫*; et al.

Physics of Plasmas, 17(7), p.073110_1 - 073110_5, 2010/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:56.2(Physics, Fluids & Plasmas)

High density energetic electrons that are created by intense laser plasma interactions drive MeV proton acceleration. Correlations between accelerated MeV protons and electrons are experimentally investigated at laser intensities in the range, 10$$^{18}$$ - 10$$^{19}$$ W/cm$$^2$$ with $$S$$-polarization. Observed proton maximum energies are linearly proportional to the electron slope temperatures with a scaling coefficient of about 10. Experimental results also indicate that, in the context of the simple analytical fluid model for transverse normal sheath acceleration, the ion (proton) density is comparable to density of the hot electron cloud near the target rear surface if an empirical acceleration time is assumed.

論文

Modeling of the atomic processes and photo emission of the plasmas for the EUV source

佐々木 明; 砂原 淳*; 西原 功修*; 西川 亘*; 小池 文博*; 田沼 肇*

レーザー研究, 36(Suppl.), p.1132 - 1135, 2008/11

EUVリソグラフィの実現のために、高出力,高効率の光源の実現が重要と考えられており、Snをターゲットとしたレーザー励起プラズマ(LPP)光源の輻射流体シミュレーションにより特性の評価と動作条件の最適化を行っている。本研究では、シミュレーションに用いる輻射輸送係数の理論計算を行った。HULLACコードで計算した原子データをもとに衝突輻射モデルを構築し、得られた結果を実験と比較して検証,改良を行った。主要な発光線波長を電荷交換分光法の実験結果で校正したこと、及びサテライト線の効果を適切にモデル化した結果、シミュレーションはよく実験を再現するようになった。プラズマを低密度化すると発光スペクトルが狭窄化することから、炭酸ガスレーザー励起が高効率化のために有利なことが示唆された。

論文

多価イオンの衝突輻射モデルの構築の自動化支援

佐々木 明; 西原 功修*; 村田 真樹*

プラズマ・核融合学会誌, 84(8), p.546 - 554, 2008/08

多価イオンの発光を用いた分光解析や、光源への応用のためのシミュレーションモデルの構築を目的とし、任意の原子・イオン種を対象としたプラズマの衝突輻射モデルを構築してポピュレーションや発光スペクトルの計算を行えるようにする手法を示す。原子状態の文字列による表現の解釈によってプラズマの状態の決定のために重要な原子状態を推定する方法を示す。そして、衝突輻射モデルで考慮する原子状態の数を変えた計算を行ってポピュレーションや放射損失を収束させ、適切な原子状態を選択する過程を手続き化し、衝突輻射モデルの構築を自動化する方法を示す。

論文

Detailed atomic modeling of Sn plasmas for the EUV source

佐々木 明; 砂原 淳*; 西原 功修*; 西川 亘*; 小池 文博*; 田沼 肇*

Journal of Physics; Conference Series, 112, p.042062_1 - 042062_4, 2008/00

 被引用回数:3 パーセンタイル:14.35

リソグラフィ用EUV光源として求められる、波長13.5nmにおけるSnプラズマの発光効率の向上,最適化のために、HULLACコードによって計算された原子データから求めた輻射輸送係数を用いて流体シミュレーションを行っている。理論,実験スペクトルの詳細な比較より、4から14価までのSnイオンの4d-4f, 4p-4d, 4d-5p, 4d-5f共鳴線とサテライト線が発光におもに寄与することが明らかになった。CIの効果を考慮して発光線波長を行い、さらに電荷交換分光法による実験との比較により原子データの精度が向上した。また、モデルを変えた反復計算により、サテライト線への寄与が大きい多電子励起,内殻励起状態が明らかになり、流体シミュレーションの精度が向上した。プラズマの密度が低いほど発光スペクトルが狭窄化し効率が高まるため、CO$$_{2}$$レーザー励起は高効率化のためにも有利なことがわかった。

論文

Plasma physics and radiation hydrodynamics in developing an extreme ultraviolet light source for lithography

西原 功修*; 砂原 淳*; 佐々木 明; 沼波 政倫*; 田沼 肇*; 藤岡 慎介*; 島田 義則*; 藤間 一美*; 古河 裕之*; 加藤 隆子*; et al.

Physics of Plasmas, 15(5), p.056708_1 - 056708_11, 2008/00

 被引用回数:93 パーセンタイル:1.88(Physics, Fluids & Plasmas)

Extreme ultraviolet (EUV) radiation from laser-produced plasma (LPP) has been thoroughly studied for application in mass-production of the next generation semiconductor devices. One critical issue for realization of a LPP-EUV light source for lithography is the conversion efficiency (CE) from incident laser power to EUV radiation of 13.5 nm wavelength (within 2% bandwidth). Another is solving a problem of damage caused by debris reaching a EUV collecting mirror. We here present an improved power balance model, which can be used for the optimization of laser and target conditions to obtain high CE. An integrated numerical simulation code has been developed for target design. The code is shown to agree well with experimental results not only for the CE but also for detailed EUV spectral structure. We propose a two pulse irradiation scheme for high CE and reduced ion debris using a carbon dioxides laser and a droplet or punch-out target.

論文

Development of polarization interferometer based on Fourier transform spectroscopy for Thomson scattering diagnostics

波多江 仰紀; Howard, J.*; 平野 洋一*; 内藤 磨; 中塚 正大*; 吉田 英次*

Plasma and Fusion Research (Internet), 2, p.S1026_1 - S1026_5, 2007/11

核融合プラズマの電子温度・密度分布を測定するトムソン散乱では、散乱スペクトルの分光器として従来、回折格子を用いた分光器や干渉フィルターを用いたフィルターポリクロメータが使われてきた。これらの手法では、スループットが小さい、相対波長感度較正が必要といった課題がある。近年、フーリエ分光に基づく偏光干渉計をトムソン散乱へ応用することが提案され、この手法は上記の課題を改善できる可能性がある。本研究ではこの手法の原理実証のため、トムソン散乱計測のための偏光干渉計を開発中である。この手法では、干渉計の遅延光路長を適切に選んだとき、トムソン散乱光のコヒーレンスが電子温度と電子密度の関数で表現できることから、干渉信号強度から電子温度と電子密度が評価できる。JT-60での本格的な測定に先立ちTPE-RXで初期的な測定実験を行う予定である。プロトタイプの分光器では、TPE-RXの運転領域にあわせて、100$$sim$$1000eVの電子温度レンジ,5$$times$$10$$^{18}$$m$$^{3}$$以上の電子密度をターゲットとして設計を行った。

論文

レーザー生成スズプラズマからの極端紫外光発生の放射流体シミュレーション

砂原 淳*; 佐々木 明; 田沼 肇*; 西原 功修*; 西川 亘*; 小池 文博*; 藤岡 慎介*; 青田 達也*; 山浦 道照*; 島田 義則*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 83(11), p.920 - 926, 2007/11

次世代の半導体露光用光源として注目されるレーザー生成スズプラズマからの極端紫外光(Extreme Ultra-Violet: EUV)を一次元、及び二次元の放射流体コードを用いて解析した。われわれは輻射過程を正確に計算するために、詳細原子コードを用いてスズプラズマのX線放射率,吸収率を計算し、その遷移エネルギーの精度を実験的に確認した。精度が検証された原子データをもとに光励起を考慮した一次元放射流体シミュレーションを行い、EUV光のプラズマ中での自己吸収が輻射輸送において重要であることを見いだした。さらにプラズマのスケール長がレーザースポットサイズと同等か、もしくは大きい場合には多次元的なプラズマの膨張が無視できないため、二次元放射流体コードを用いて解析を行った。その結果、プラズマの多次元な膨張が無視できない場合にはEUVの吸収スペクトルが減少し、EUV出力が増大することを見いだした。また、計算で得られたスペクトルは実験値をよく再現している。

論文

多価イオンを用いたプラズマ光源

田沼 肇*; 佐々木 明

プラズマ・核融合学会誌, 83(8), p.679 - 683, 2007/08

多価イオンのEUV(極端紫外)光源への応用について述べる。XeやSnの10価前後のイオンの4-4遷移から放出される光を、高出力,高効率なEUV光源に応用する可能性が、詳細な理論的及び実験的研究により明らかにされた。電荷交換分光法によるXe, Sn多価イオンの共鳴線の波長の測定をはじめ、原子データ,原子モデルの精度を高めることにより、実験的なレーザープラズマ光源の輻射変換効率やスペクトルを輻射流体シミュレーションで再現し、光源の特性の評価が行えるようになった。

論文

Atomic modeling of the plasma EUV sources

佐々木 明; 砂原 淳*; 西原 功修*; 西川 亘*; 藤間 一美*; 香川 貴司*; 小池 文博*; 田沼 肇*

High Energy Density Physics, 3(1-2), p.250 - 255, 2007/05

 被引用回数:11 パーセンタイル:54.25(Physics, Fluids & Plasmas)

EUV光源の研究開発を目的として行ってきた、Sn, Xeなどの高Z多価電離イオンの原子過程・輻射輸送に関する、理論・シミュレーション研究の成果を報告する。本研究では、HULLACコードで計算した原子データをもとに衝突輻射モデルを構築し、プラズマの輻射放出・吸収係数の計算を行った。次に、これらの係数を用いた輻射流体シミュレーションを行って、EUV発光スペクトルや変換効率を求め、実験結果と比較した。さらに、電荷交換分光実験やオパシティ測定実験の結果と詳細な比較を行い、原子データ、とりわけ主要な発光線の波長を精度よく求めることにより、シミュレーションによってEUV発光スペクトル,変換効率のレーザー照射条件やターゲット条件を再現できるようにした。原子素過程データ,衝突輻射モデル,スペクトル線幅や輻射輸送モデルなどの各要素について、本研究で改良を行った点と、さらに精度を向上させるために必要な研究開発の課題について議論する。

論文

Progress in development of edge Thomson scattering system for ITER

波多江 仰紀; 中塚 正大*; 吉田 英次*; 海老沢 克之*; 草間 義紀; 佐藤 和義; 勝沼 淳*; 久保村 浩之*; 信夫 克也*

Fusion Science and Technology, 51(2T), p.58 - 61, 2007/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:56.65(Nuclear Science & Technology)

ITERの周辺トムソン散乱計測装置では、測定領域としてr/a$$>$$0.9,電子温度0.05$$sim$$10keV,電子密度5$$times$$10$$^{18}$$$$sim$$3$$times$$10$$^{20}$$m$$^{-3}$$,測定周期10ms,空間分解能5mmの測定性能が要求されている。本研究では、おもに計測用レーザーシステム,ポートプラグ内光学系(集光光学系,レーザー入射光学系)の検討を行った。計測用レーザーシステムには、波長1064nm,エネルギー5J,繰り返し周波数100Hz,パルス幅10nsの性能が要求される。この要求を満たすため、(1)高効率のCr,Nd:YAGセラミックスの使用,高平均出力レーザー増幅器で誘起される熱的影響はJT-60で実証された位相共役鏡で補正することを検討した。位相共役鏡を効果的に動作させるためには、特に単一縦モード性能が重要であり、レーザーダイオード励起のリング共振器型のレーザー発振器の試作を行った。さらに、フラッシュランプ励起方式ではフラッシュランプの寿命が問題となり、寿命の伸長を図るために、6本のフラッシュランプを内蔵した高平均出力レーザー増幅器の試作を行った。ポートプラグ内光学系はITER工学設計活動(EDA)中に初期検討が行われた。この検討では、(a)プラズマから比較的近い位置にレンズが配置されており、放射線による光学特性の劣化が懸念される。(b)真空境界がポートプラグの中央部に位置しており保守が容易でない、などの問題が考えられる。そこで、真空境界はポートプラグの終端部とし、ポート内光学系の最適化を行った。

論文

Applications of stimulated brillouin scattering phase conjugate mirror to Thomson scattering diagnostics in JT-60U and ITER

波多江 仰紀; 内藤 磨; 北村 繁; 佐久間 猛*; 濱野 隆*; 中塚 正大*; 吉田 英次*

Journal of the Korean Physical Society, 49, p.S160 - S164, 2006/12

誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を応用し、トムソン散乱計測の測定性能改善を図った。液体フロン化合物を用いた位相共役鏡はレーザー平均出力145W(50Hz)の入力で95%以上の反射率を示した。トムソン散乱への直接的な応用としては、位相共役鏡によりレーザービームを往復させ、迷光を著しく増加させることなく散乱光を倍増させる手法(ダブルパス散乱)を開発した。初期実験ではJT-60に位相共役鏡を取り付けダブルパス散乱させた結果、散乱光を1.6倍に増加させることができた。ダブルパス散乱を発展させ、一対の位相共役鏡間にレーザー光を閉じ込め、数倍以上の散乱光を発生することができるマルチパス散乱も考案した。また、散乱光のS/N改善のため、位相共役鏡を既存のレーザー装置に組み込み、レーザー装置の高出力化を行った。位相共役鏡は高出力増幅器で誘起される波面歪みが効果的に補正し、レーザー出力が当初の8倍を超える368W(7.4J$$times$$50Hz)に到達した。この結果からITERの周辺トムソン散乱用レーザーで必要とされる5J, 100Hzの出力を得る見通しがついた。これらを踏まえ位相共役鏡を搭載した、最適化されたITER用レーザーシステム、さらに高空間分解型LIDARトムソン散乱用レーザーシステムの設計・検討を行った。

論文

Applications of phase conjugate mirror to Thomson scattering diagnostics (invited)

波多江 仰紀; 内藤 磨; 中塚 正大*; 吉田 英次*

Review of Scientific Instruments, 77(10), p.10E508_1 - 10E508_6, 2006/10

 被引用回数:20 パーセンタイル:26.17(Instruments & Instrumentation)

誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を応用し、トムソン散乱計測の測定性能改善を図った。液体フロン化合物を用いた位相共役鏡はレーザー平均出力145W(50Hz)の入力で95%以上の反射率を示した。トムソン散乱への直接的な応用としては、位相共役鏡によりレーザービームを往復させ、迷光を著しく増加させることなく散乱光を倍増させる手法(ダブルパス散乱)を開発した。初期実験ではJT-60に位相共役鏡を取り付けダブルパス散乱させた結果、散乱光を1.6倍に増加させることができた。ダブルパス散乱を発展させ、一対の位相共役鏡間にレーザー光を閉じ込め、数倍以上の散乱光を発生することができるマルチパス散乱も考案した。また、散乱光のS/N改善のため、位相共役鏡を既存のレーザー装置に組み込み、レーザー装置の高出力化を行った。位相共役鏡は高出力増幅器で誘起される波面歪みを効果的に補正し、レーザー出力が当初の8倍を超える373W(7.46J$$times$$50Hz)に到達した。この結果からITERの周辺トムソン散乱用レーザーで必要とされる5J, 100Hzの出力を得る見通しがついた。これらを踏まえ位相共役鏡を搭載した、最適化されたITER用レーザーシステムの検討を行った。

論文

高強度レーザーとプラズマとの相互作用研究に向けた流体シミュレーションコードによるプリプラズマ特性評価

匂坂 明人; 内海 隆行*; 大道 博行; 小倉 浩一; 織茂 聡; 林 由紀雄; 高井 満美子; 森 道昭; 余語 覚文; 加道 雅孝; et al.

レーザーエネルギー学研究センター平成17年度共同研究成果報告書(平成17年4月-平成18年3月), p.61 - 62, 2006/07

高強度レーザーと物質との相互作用により、高エネルギー粒子(イオン,電子)やX線が生成される。ここで発生した高エネルギー粒子等は、さまざまな応用が提案されテーブルトップの放射線源として注目されている。このような高強度レーザーと物質との相互作用の物理過程を調べるうえで、レーザーのプリパルスによって生成されるプリプラズマを評価しておく必要がある。本研究では、高強度レーザーを金属ターゲットに照射した時のプラズマ密度プロファイルを干渉計測により測定し、測定結果を多次元流体シミュレーションコードによる計算と比較した。実験は、チタンサファイアレーザーを集光用のポンプ光と計測用のプローブ光に分け、ポンプ光をアルミターゲットに照射し、発生するプリプラズマをプローブ光の干渉計測によって測定した。干渉縞はバイプリズムを用いてレーザービームの波面を傾けることによって生成した。ポンプ光とプローブ光の時間差を調整することにより、プリプラズマの測定を行った。測定結果を多次元流体シミュレーションコードによる計算と比較し、プリパルスとの関連性を調べた。

論文

Low-density tin targets for efficient extreme ultraviolet light emission from laser-produced plasmas

奥野 智晴*; 藤岡 慎介*; 西村 博明*; Tao, Y.*; 長井 圭治*; Gu, Q.*; 上田 修義*; 安藤 強史*; 西原 功修*; 乗松 孝好*; et al.

Applied Physics Letters, 88(16), p.161501_1 - 161501_3, 2006/04

 被引用回数:57 パーセンタイル:10.67(Physics, Applied)

レーザー生成プラズマからのEUV光の発生効率に対する初期密度の影響について実験的及び理論的に解析した。Sn密度が固体の7%の低密度フォームターゲットを波長1$$mu$$mのYAGレーザーで照射する条件で、波長13.5nm, 2%帯域への変換効率が、固体ターゲットの場合の1.7倍(2.2%)まで向上することがわかった。効率の改善の理由は、ターゲットのマイクロストラクチャの効果及び、低密度化による膨張ダイナミックスの変化やオパシティの減少の効果,それによる発光スペクトルの狭窄化によると考えられる。

論文

Analysis of the emission spectrum of Xe and Sn

佐々木 明; 西原 功修*; 砂原 淳*; 西川 亘*; 小池 文博*; 香川 貴司*; 田沼 肇*

Proceedings of SPIE's International Symposium on Microlithography, Vol.6151, p.61513W_1 - 61513W_8, 2006/03

EUV光源用Xe, Snプラズマの原子過程の解析を行った。実験と輻射流体シミュレーションによるEUV発光スペクトルの比較を行い、主要な発光線の波長の精度が、実験結果を再現するために重要なことを示した。13.5nm帯における発光に最も重要な各価数のイオンの4d-4f共鳴線については、電荷交換分光法によって波長を正確に測定し、それによって原子データの改良を行った。サテライト線については、CI(配置混合)を考慮して波長と分布を求めるようにした。EUV波長領域でのスペクトルの形状とそのプラズマ温度,密度,光学的厚さによる変化について検討し、その効率に対する効果について考察した。

論文

Theoretical RCI simulation for spectra emitted from Sn and Xe ions as an EUV light source

香川 貴司*; 西原 功修*; 佐々木 明; 小池 文博*

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.7, p.245 - 248, 2006/00

Sn, Xeの多価イオンは複雑な構造を持ち、そのスペクトルの解析には数値シミュレーションが不可欠であるが、発光に寄与する準位に対して配置間相互作用(CI)の効果が大きく、発光線の遷移波長や強度を正確に求めることは従来困難とされてきた。本報告では、複数の異なる原子構造コード及び実験結果の間の相互比較によって、原子データの精度を向上させることを目標として行った研究の成果の一つとして、相対論的配置間相互作用(RCI)を含む原子構造コードによって、9$$sim$$14価のSnイオンと8$$sim$$13価のXeイオンの、EUV領域(波長13.5nm領域)におけるスペクトルの解析を行った結果を示す。

論文

Opacity effect on extreme ultraviolet radiation from laser-produced tin plasmas

藤岡 慎介*; 西村 博明*; 西原 功修*; 佐々木 明; 砂原 淳*; 奥野 智晴*; 上田 修義*; 安藤 強史*; Tao, Y.*; 島田 義則*; et al.

Physical Review Letters, 95(23), p.235004_1 - 235004_4, 2005/12

 被引用回数:114 パーセンタイル:4.71(Physics, Multidisciplinary)

レーザー生成スズプラズマからの極端紫外(EUV)発光へのオパシティの効果を実験的に解析した。X線放射によって電子温度30-40eVの均一なスズプラズマを生成することにより、EUV波長域(10-20nm)におけるオパシティを初めて測定した。測定されたオパシティは理論計算とほぼ一致した。理論計算で求めたオパシティを用いた輻射流体シミュレーションと実験の比較の結果は、EUV光源としての効率を高めるためには、13.5nm領域でプラズマの光学的厚みが1程度以上になることが必要だが、反面オパシティが大きすぎると吸収の効果によって効率が低下することを示し、オパシティの制御が重要なことを示す。

論文

Recent R&D of Thomson scattering diagnostics for JT-60U and ITER

波多江 仰紀; 近藤 貴; 内藤 磨; 中塚 正大*; 吉田 英次*

Proceedings of 12th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics (LAPD-12) (CD-ROM), 6 Pages, 2005/09

JT-60の近年のトムソン散乱計測の開発研究について報告を行う。非協同トムソン散乱計測では、誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を応用し、トムソン散乱計測の測定性能改善を図った。トムソン散乱への直接的な応用としては、位相共役鏡によりレーザービームを往復させ、迷光を著しく増加させることなく散乱光を倍増させる手法(ダブルパス散乱)を開発した。ダブルパス散乱を発展させ、一対の位相共役鏡間にレーザー光を閉じ込め、数倍以上の散乱光を発生することができるマルチパス散乱も考案した。散乱光のS/N改善のため、位相共役鏡を既存のYAGレーザー装置に組み込み、レーザー装置の高出力化も行った。位相共役鏡は高出力増幅器で誘起される波面歪みを効果的に補正し、レーザー出力が当初の8倍を超える368W(7.4J$$times$$50Hz)に到達した。これを踏まえ位相共役鏡を搭載した、最適化されたITER用レーザーシステムの設計・検討を行った。また、JT-60では核燃焼プラズマのイオン温度や高速$$alpha$$粒子の振る舞いを測定する炭酸ガスレーザを用いた協同トムソン散乱計測の開発を行っている。初期実験結果に基づきレーザーの縦モードの質,ヘテロダイン受信機の電気ノイズの低減,光軸調整の改善を進め、2005年冬から始まるJT-60実験では改善された計測装置で測定を行う予定である。

論文

Characterization of extreme ultraviolet emission from laser-produced spherical tin plasma generated with multiple laser beams

島田 義則*; 西村 博明*; 中井 光男*; 橋本 和久*; 山浦 道照*; Tao, Y.*; 重森 啓介*; 奥野 智晴*; 西原 功修*; 河村 徹*; et al.

Applied Physics Letters, 86(5), p.051501_1 - 051501_3, 2005/01

 被引用回数:102 パーセンタイル:4.75(Physics, Applied)

EUV光源として用いられるSnプラズマの基本的な輻射流体力学的な特性を明らかにするために、阪大レーザー研の激光XII号レーザーで球状のSnターゲットを照射し、生成したプラズマからのEUV光のスペクトル,発光強度分布,波長13.5nm領域の2%帯域中の発光強度とその時間変化,変換効率の測定を行った。照射強度5$$times$$10$$^{10}$$W/cm$$^{2}$$において最大効率3%が得られた。変換効率のレーザー強度依存性を等温膨張プラズマを仮定した理論モデルと比較した。

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