阪大,レーザーで核融合燃料の表面形状観測

大阪大学の研究グループは,非一様なレーザー光をダイヤモンドの表面に照射することによって,その表面に発生する特異な表面形状を発見した(ニュースリリース)。

ダイヤモンドは地球上でもっとも硬い物質のひとつであり,様々な場面で幅広く応用されている。核融合燃料が内包された燃料カプセルをレーザー光で直接照射する核融合の方式(直接照射型慣性核融合)では, 主に,“インプリント”と呼ばれるレーザーの照射によるカプセル表面の凸凹形状の発生が問題となっている。

これまでの研究グループは,ダイヤモンドを用いることによりインプリントの発生量が大きく抑制されることを実証した。この抑制効果のさらなる検証によって,ダイヤモンドを燃料球材料とするレーザー核融合方式の進展が期待されている。

研究グループは, ダイヤモンドのインプリント低減の抑制効果を検証する段階で,照射レーザーの非一様性(強度のムラ)を変化させ,データ取得を大阪大学レーザー科学研究所の高出力レーザー激光XII号において実施した。

実験では正弦波状の非一様性を与え,X線シャドウグラフ法により表面の形状変化を計測した。実験結果より,その非一様性が小さい時はダイヤモンド表面で正弦波状の形状があらわれる一方で,非一様性が大きい時にはくさび型の特異なひび割れ形状が現れることを発見した。この特異な形状は過去の内外の実験結果からは見られなかったものであり,そのメカニズムの解明のため2次元シミュレーションによる解析を行なった。

シミュレーションによる解析は,この研究においてレーザー照射面でダイヤモンドが与えられる圧力は弾塑性点(80万気圧)付近であり,非一様性が大きい条件では弾塑性点を超える部分と下回る部分が共存し,弾塑性点以上の領域においてひび割れが進行することを示唆した。

このひび割れは,ダイヤモンド球を用いたレーザー核融合の実現にとってはマイナス要因となる。そこで,表面に薄い(0.1μm)銅のコーティングを施し,レーザー照射によって発生するプラズマの効果により,非一様性がもたらすダイヤモンド上での圧力分布を緩和する試みを行なった。

その結果,発生するプラズマの緩和効果により,非一様性が大きい場合でもくさび状のひび割れは発生しなかった。シミュレーションによる解析からも,プラズマの効果によって圧力の分布が平坦となり,弾塑性転移点以下の領域が現れないことから,この特異な形状が消失することを示しているという。

今回の研究成果により,レーザー核融合の燃料カプセルへの応用や,レーザー加工のメカニズム解明が期待されるとしている。

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