Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

エネルギー全般 / ミリ波 / プラズマ / 航空宇宙工学 / 放電 / ジャイロトロン

（１）94 GHz ジャイロトロンを使用した大気ミリ波放電試験：超電導コイルと真空管の相対姿勢について100マイクロメートル精度でアライメント調整を行い、発振出力を増大した。加えて従来、発振中の真空度上昇に起因するアーク放電により、電極電圧40 kV, 発振パルス幅10 μsに制限されていたが、真空配管の改善とイオンポンプの導入により、電極電圧45 kVにて、300 μsを超え、繰り返し周波数1 Hzを超える準定常発振を達成した。その結果、発振ミリ波強度の正確な評価と、100 mmを超える長さのミリ波放電進展の観察が実現し、放電構造が遷移する様子の撮影に成功した。また、ミリ波強度分布について、従来の測定手法では強度の積分値と、強度分布形状の２回の測定が必要であった。樹脂製の厚板吸収剤と熱伝導計算と感温液晶を組み合わせ、１回の測定で強度分布を簡便に測定する手法を確立した。
（２）デトネーション伝播現象解明のための数値解析：２次元CFDコードを発展させ、より現実に近い円筒形状の推進器におけるミリ波支持デトネーション流れが計算された。また、ミリメートルスケールで生じるプラズマの微細構造に注目した2次元CFD計算によって、振動-並進温度の非平衡流れが生じ、従来の化学デトネーションとは異なる位置に衝撃波が発生することを示した。
（３）マイクロ波ロケットの打ち上げ軌道解析：昨年度の解析により、28 GHzをはじめとする低周波数のミリ波での打ち上げがコストを最小とすることが示された。実績（１）に記す94 GHzにおける放電進展観測の結果によって、ミリ波放電進展速度が周波数によって変化する様子が確かめられたため、その影響を考慮して推進性能を再評価することで、より高周波でのミリ波を用いた打ち上げが最適となることが示唆された。

航空宇宙工学 / エネルギー全般 / プラズマ / 放電 / レーザー / ミリ波 / マイクロ波 / デトネーション / プラズマ・核融合 / エネルギー / ワイヤレス給電

レーザー・ミリ波ビームが誘起する放電現象に関して実験と数値シミュレーションを行った。レーザー放電に関しては、実験により局所的なレーザー強度と放電進展速度に一意な相関があることが明確に示され、１次元シミュレーションとの比較からは、レーザー強度分布の２次元性の影響が強く示唆された。ミリ波放電に関しては、微細プラズマ構造と放電の高速な進展が対となり熱力学的諸量の保存が成立していると結論された。どちらの放電においても、電子温度や密度等の空間分布を実験と解析で詳細に比較できるレベルまで計測技術の向上や物理モデルの改良が進んだ。更に、今後の研究に資すると期待される高出力の大電力ジャイロトロンが完成した。

将来的な高エネルギー電磁ビームの工学的応用を見据えて、実験で観測される放電現象を数値シミュレーションで再現するために実験と数値シミュレーションの双方に必要な知見・課題が得られ、また研究者の広がりとそのネットワークが構築された。その成果として、本領域においては我々の研究活動が世界を圧倒的にリードしている。
また、新設された大気ミリ波放電用ジャイロトロンは、今後のさらなる大気放電デトネーション現象の物理研究と工学的応用研究に資することが期待される。

エネルギー / レーザー / ミリ波 / 放電 / プラズマ

高エネルギーのレーザーやミリ波ビームにより誘起される爆轟波を工夫された実験系により純粋な１次元現象に帰し，その計測結果の解析によってレーザーとミリ波の双方の放電・爆轟現象に内在する普遍的な物理モデルを構築することを目的とし，以下の２つの課題について研究を行った．
(1) レーザー放電爆轟波１次元伝播実験装置を構築し，従来の実験で使用していた集光された１ミリメートル径レーザービームを，ほぼ平行な７ミリメートル径ビームに拡大し，壁面による側方膨張制限が有るものと無いもので実験を行った．その結果，ビーム径拡大によって爆轟波伝播速度がおよそ２倍になる一方，壁面制限の有無は伝播速度にほとんど影響を及ぼさないことが分かった．Raiser等の理論では，伝播速度と側面への膨張によるエンタルピー流出の関係を直接的に関連付け定式化していたが，今回の実験結果はこの理論では説明がつかず，新しいレーザー爆轟波伝播理論が必要となることが示唆された．
(2) ミリ波放電爆轟波の詳細なフィラメント構造を撮影し，その特徴的な放電伸展のメカニズムに迫ると共に，詳細な多次元数値シミュレーション結果との比較を行うため，高解像度（４百万画素）の高速シャッターカメラの選定を行った．また放電実験に用いるミリ波発振器ジャイロトロンの基礎設計を開始した．真空管のボア径をできるだけ小さく設計することで超電導マグネットを小型化し，実験室に収まる装置を製作可能であるとの見通しが立った．本基盤研究Ａに続く，基盤研究Ｓでジャイロトロン装置の製作を行う．

エネルギー / ミリ波 / ワイヤレス給電 / プラズマ / 放電 / ｴﾈﾙｷﾞｰ

ミリ波電磁ビームを用いたワイヤレス給電を実現するため小型軽量な受電，エネルギー変換システムの開発を目的とし研究を行った．ビーム径を拡大した後収束させて爆轟波管に導けるよう最短のテーパ型ビーム収束器を設計し，90%以上の電力捕集性能を示した．さらにこれと高出力ジャイロトロンを組み合わせて放電実験を行い爆轟波管内にミリ波放電を駆動することに成功した．一方理論解析においては，電離閾値電界強度を電子の積算加熱現象で説明できる可能性を示すと共に，我々の実験に特有のビーム軸に平行に伸展するフィラメント構造の内部に，電界方向に伸展する小さなフィラメント群が入れ子の構造になっていることを発見した．

【研究分担者】
大西直文	東北大学	工学研究科	教授	(Kakenデータベース)
假家強	筑波大学	数理物質系	准教授	(Kakenデータベース)
白石裕之	大同大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)
葛山浩	山口大学	大学院創成科学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
坂本慶司	国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構	六ヶ所核融合研究所核融合炉材料研究開発部	部長(定常)	(Kakenデータベース)
森浩一	名古屋大学	工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
小田靖久	摂南大学	理工学部	講師	(Kakenデータベース)
今井剛	筑波大学	数理物質系(名誉教授)	名誉教授	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
坂本慶司	独立行政法人日本原子力研究開発機構	研究員	(Kakenデータベース)
小田靖久	独立行政法人日本原子力研究開発機構	研究員	(Kakenデータベース)