Low electron temperature in ablating materials formed by picosecond soft X-ray laser pulses

石野 雅彦; 長谷川 登; 錦野 将元; Pikuz, T.*; Skobelev, I. Y.*; Faenov, A.*; Inogamov, N.*; 河内 哲哉; 山極 満

X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources; Development and Applications XI (Proceedings of SPIE, Vol.9589), p.958904_1 - 958904_6, 2015/09

https://doi.org/10.1117/12.2186053

波長13.9nmを持つピコ秒軟X線レーザーパルスを集光照射すると、物質表面には多彩なアブレーション構造が形成される。軟X線レーザーによるアブレーション機構の解明を目指して、アブレーション物質からのプラズマ発光観察および電子温度の導出を試みた。アブレーションに伴う可視発光の観察から、アブレーションの継続時間を1,000ps以下と仮定したとき、軟X線レーザーによって加熱された物質の電子温度が1eV未満であることがわかった。また、導出した加熱物質の電子温度は、Warm Dense Matterと呼ばれる非平衡な物質状態の中でも特に低温領域にあることが判明した。発表ではアブレーション実験の現状についても述べる。

2次元C/C複合材料の超高温ガス炉への応用のための特性評価

柴田 大受; 角田 淳弥; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治*; 沢 和弘; Kim, W. J.*; Jung, C. H.*; Park, J. Y.*

日本機械学会論文集,A, 76(764), p.383 - 385, 2010/04

日本原子力研究開発機構では、1000C近い高温のガスを炉外に取り出すことができる超高温ガス炉(VHTR)の研究開発を進めており、高効率発電や水素製造への利用が可能である。VHTRの炉内構造物には、金属に代わる耐熱性に優れた耐熱セラミックス複合材料を開発することが重要であり、炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材料)は候補材料の一つであるが、炉内構造物への応用のためには、その破壊挙動を明らかにしておく必要がある。本研究では、二次元(2D-)C/C複合材料についてSENB試験片により破壊特性を評価し、以下の結果を得た。(1)3つの銘柄の2D-C/C複合材料について、金属材料の評価式を適用して応力拡大係数を評価することを試み、今回の試験体系で材料ごとの破壊特性を評価することができる見通しを得た。(2)荷重-開口変位量曲線において、き裂の進展だけではなく層間はく離の効果が含まれていることを確認した。今後、定量評価を行う予定である。

高速炉構造材料照射に伴う試験研究(その1) 照射前試験の結果

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PNC TJ259 72-01, 107 Pages, 1972/05

PNC-TJ259-72-01.pdf:8.03MB

動力炉・核燃料開発事業団では,高速実験炉「常陽」の建設を進めるにあたり,炉容器および炉内構造材料が速中性子照射をうけるため,材料の照射損傷を評価する必要が生じた。これら構造材料の照射試験は高速中性子束の高い炉,すなわち,高速実験炉を用いて実施することが望ましいが,わが国では望むべくもないので,JMTR(日本原子力研究所材料試験炉)のもっとも高速中性子束の高い実験孔を使用して,数次わたる照射試験が立案された。このような照射試験計画は将来,「常陽」が稼働した場合の,先行試験をも意味している。動燃団のJMTR照射試験を実行するに当り,同団は日本学術振興会に次の項目について研究,委託することになった。(1) 照射キャプセル収容試験片の編成作業(a) 研究目的に応じた照射試験片の製作を行ない,キャプセルにおける照射位置を決定する。(b) 照射試験片は,引張試験片51本(常温試験片:25本,高温試験片:26本),クリープラプチャ試験片28本,金属組織試験片3コからなるものとする。(2) 試験片の製作および供試材料試験の実施供試材料は国産ステンレス鋼SUS27とし,素材および溶接部より試験片を採取して照射試験に供する。非照射試験については照射前試験および熱履歴付与の約4倍の試験片を準備し,照射前試験を実施する。(3) 国内,国外の照射試験結果の比較検討照射試験の成果を有効に評価するため,同一条件および類似した条件において実施された国内国外の照射試験結果を集収して検討する。これらの項目にわたる委託研究を実施するため,日本学術振興会では第122委員会(委員長:長谷川正義)のもとにステンレス鋼照射委員会を関係材料会社および中立機関によって構成した。同小委員会では,ステンレス鋼SUS27を供試材料として選定して,試験計画を審議し,内外の照射研究を調査し,かつ供試材料の照射前試験を実施した。本報告書は以上の成果を整理しまとめたものである。

Oxidation behavior and property change of nuclear grade C/C composite

Kim, W. J.*; Seo, M.-R.*; Park, J. Y.*; 角田 淳弥; 柴田 大受; 沢 和弘

no journal, , 

C/C複合材料は、優れた機械的特性及び耐熱衝撃性を有することから、高温構造材として使用されている。原子力分野では、核融合炉のプラズマ対向壁及びガス冷却炉の高温構造材の候補となっている。高温ガス炉では、制御棒要素,炉心拘束ベルト,タイロッド,上部プレナムシュラウド,高温ダクト断熱カバー材,床ブロック等への適用が検討されている。しかし、C/C複合材料は400C以上で酸化されやすいので、空気進入事故を想定したヘリウム環境下又は空気環境下での酸化挙動及び特性の低下を、実際に使用する前に評価する必要がある。本研究では、数種類の原子炉級C/C複合材料の酸化挙動をさまざまな温度条件で評価した。酸化試験は、酸化温度500から1100Cの範囲で空気又はアルゴン雰囲気で行った。また、酸化前後の熱拡散率,曲げ強度,引張強度及び層間強度を評価した。

Source development and novel applications of coherent X-rays and energetic particle beams using high peak power lasers in Japan Atomic Energy Agency

河内 哲哉; 錦野 将元; Faenov, A.*; Pikuz, T.*; 石野 雅彦; 長谷川 登; Magnitskiy, S.*; Pirozhkov, A. S.; Esirkepov, T. Z.; 西内 満美子; et al.

no journal, , 

レーザー駆動粒子線源および輻射線源は、超短パルス性、高輝度性、そして装置の小型化が可能、といったユニークかつ魅力的な特徴を持っている。近年のペタワットレベルに達するほどの高強度レーザー技術の進展により、我々はこれらの粒子線源や輻射線源を更に高いエネルギー領域で発生させることが可能になってきており、今まさにこれら放射線源の発生メカニズムの詳細な解明や利用研究を推進する時期にきている。本講演では、まず、日本における主だった高強度レーザー施設の研究活動を紹介した後に、原子力機構における高強度レーザー開発とそれによる応用研究について、特に日露の協力をベースに実施している最近の研究成果について発表する。

軟X線レーザーの集光照射によって加熱される物体の電子温度

石野 雅彦; 長谷川 登; 錦野 将元; Skobelev, I.*; Faenov, A.*; Pikuz, T.*; Inogamov, N.*; 河内 哲哉; 山極 満

no journal, , 

波長13.9nm、パルス幅7psのピコ秒軟X線レーザーパルスを物質表面に集光照射すると、アブレーションによって損傷構造が形成される。モデル計算によるアブレーションモデルの理論的考察からは、破砕的なアブレーション過程が提唱されており、特にアブレーション閾値近傍の低フルーエンス領域では、表面溶融層が飛散することによる損傷構造の形成が示唆されているが、アブレーション機構の詳細を解明するためには、実験観察に基づくモデル計算が重要となる。最近、我々は軟X線レーザーによって起こるアブレーション機構の解明を目指して、軟X線レーザーパルスの照射時にアブレーションに伴って発生する可視発光の観察を試みた。これにより照射によって加熱される物体の電子温度が明らかになると期待される。実験の結果、軟X線レーザーを集光照射した物質表面には損傷構造が形成されたが、アブレーションに伴う可視発光を捉えることはできなかった。これは、アブレーションに伴うプラズマまたは高温の融解層が生成されてないことを示唆している。

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。

Source development of plasma-based soft X-ray laser and the applications for probing nano-scale dynamics of laser ablation

河内 哲哉; 錦野 将元; 長谷川 登; 南 康夫*; 馬場 基芳*; 山極 満; 近藤 公伯; Inogamov, N. A.*; Zakhovsky, V.*; Faenov, A. Y.*; et al.

no journal, , 

Short pulse X-ray sources become indispensable diagnostic tools in modern science and technology and are widely used in probing substances for new material development, protein crystallography in innovative drug development, and non-destructive X-ray imaging etc. The improvement of the sources is also important subject, and in particular coherent X-rays in both the laser-based and accelerator-based are intensively studied, which enable us to achieve quite high spatial-resolution as the probe and quite intense X-ray as the pump. Besides the laser-driven sources have potentials to downsizing and table-top systems, therefore we carry out the development of fully spatially coherent soft X-ray laser (SXRL) at the wavelength of 13.9 nm and its applications. The advantages of SXRLs are the large number of photons in coherent volume enough for shingle shot probe, which enable us to observe non-repetitive and irreversible phenomena, and this wavelength for which highly reflective optics are available.