164

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010

第2回CPS実験実習報告
荒川 政彦 , 門野 敏彦 , 中村 昭子 ，杉田 精司 ，鈴木 絢子 , 大野 宗祐 ，
4
6
7
4
3
4
関根 康人 , 長谷川 直 ，山下 靖幸 , 岡村 奈津子 , 桂 武邦 , 洪 鵬 ,
8
3
3
3
4
1
佐藤 雅彦 , 関川 知里 , 高沢 晋 , 高部 彩奈 , 長 勇一郎 , 土肥 弘嗣 ,
1
9
4
10
11
保井 みなみ ，豊田 丈典 , 中村 真季 , 長岡 洋一 , 新居見 励 ,
3
4
10
12
羽倉 祥雄 , 羽村 太雅 , 平井 隆之 , 楊 馬風
12

3

1. はじめに

435から物質回収分析や質量分析技術まで様々な技術と装置を持っている．しかしながら，どこも教員1〜2名で昨年に引き続き今年度（2009年度）もCPS（惑星科学

学生の指導を行うような小規模のグループである．学

研究センター）との共催で実験実習を神戸大学中心に生に対する実験の指導は，実際に実験を行いながら装実施することになった．この実習は，惑星科学会の研置の前で直接行うことが望ましいが，現在の大学の教究会である衝突研究会の世話人が中心となり，全国の育環境では基礎的な技術からすべてを一人の教員が教大学院生を対象に開催している．衝突実験を題材としえることは難しい状況にある．また，このような小規て，物理実験の基礎から応用までを集中講義形式で教模グループでは，各研究室において広い分野の高度実授しようという試みである．今年度は，昨年度のCPS

験技術・設備を維持し，発展させることは困難である．

衝突実験実習からCPS実験実習と名称を変更し，そのそのため，研究に利用できる程の高度な実験技術とな

実習内容も基礎コース（実験基礎実習）と応用コース

ると各研究室で学生が習得できる技術は，大変狭い分（衝突実験実習）の２つに分けることにした．昨年の報野に限られてしまっているのが現状である．しかしな

告記事と内容は重なるが，この実習を計画することにがら，今後若い研究者が，惑星探査等の技術開発を行なった背景を簡単に説明したいと思う．

っていく上では，学生の頃からできるだけ広い分野に惑星科学の分野では数カ所の大学で衝突実験を行っ

おいて一流の技術に触れておく必要がある．CPS 実ている．全国に散らばる衝突実験関連の研究グループ

験実習は，この2つの問題点を解消して将来の実験研

は，トータルで見れば，低速（数 10 m/s）から超高速（数究者を育成することを目的に立案され，実験の基礎教

10 km/s）までの非常に広い速度領域をカバーする実

育を行う実験基礎実習と最先端の実験技術を習得する

験設備を持ち，計測系についても高速撮像・分光技術

衝突実験実習の2つのプログラムから成る．このようなプログラムを実施することにより，全国に散らばる

1. 名古屋大学大学院環境学研究科
2. 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
3. 神戸大学大学院理学研究科・惑星科学研究センター
4. 東京大学大学院新領域創成科学研究科
5. 千葉工業大学惑星探査研究センター
6. JAXA/ 宇宙科学研究所
7. 中部大学
8. 東京工業大学大学院理工学研究科
9. 東京大学大学院理学系研究科
10. 総合研究大学院大学物理科学研究科
11. 大阪大学大学院理学研究科
12. 名古屋工業大学大学院工学研究科
arak@eps.nagoya-u.ac.jp

高度だが狭い分野に特化しつつある研究・教育資源を有機的に連携させ，最先端教育と広範囲教育という二律背反を両立させることを狙っている．
実験基礎実習では，本来なら各大学において教えるべき知識や技術であるが，各大学で時間をとることが難しい内容をピックアップしてカリキュラムに反映させている．特に一人一人が自分の手を動かして行う実習に重点を置いている．そのため，CPS からの援助

第2回CPS実験実習の報告/荒川 他

165
表１：実験基礎実習のスケジュール

日程

時間
内容
10：00－12：30 講義「衝突実験」
2月22 日（月）13：30－18：00 実習「衝突実験」
9 ：30－11：30 実習「金属工作1」
2月23 日（火）13：00－17：30 実習「金属工作2, 3」
2月24 日（水）9 ：00－11：50 講義「電子回路」
13：30－18：30 実習「電子回路I」

9 ：00－12：00 講義「真空技術」
2月25 日（木） 13：00－18：00 実習「真空技術」
19：00
懇親会
9 ：00－12：00 実習「電子回路実習 II」
2月26 日（金）13：00－17：00   衝突実験実習報告会

主担当
荒川，門野
荒川，中村，門野工作技術センター
山田
山田，山下
大野
大野
山田，山下

により一通りの基礎物理実習装置を1〜2人で使用でき

衝撃波の観察実験を行った．各大学で行った実習の結る環境を整えた．また，学生が所属する研究科によっ

果は，2月26日の午後に神戸大学で行われた発表会でては経験することが難しい工作実習も神戸大学工学研

披露してもらい，参加者全員でじっくりと時間をかけ究科の工作技術センターの方々のご助力でカリキュラて議論した．その結果をまとめた内容は，以下の学生

ムに入れることができた．丸1日という短い間ではあ諸氏のレポートを参考にして頂ければと思う（荒川政るが学生にとっては大変に貴重な体験になったと思う．

彦）．

昨年度の反省点も踏まえて，今年度はこの実験基礎
実習と衝突実験実習を明確に分けて開催することにし

2. 実験基礎実習

た．昨年度は，衝突実験実習のすべてのプログラムを
神戸大学で行った．しかしながら，一大学で10名程度

実験基礎実習の全体的なスケジュールに関しては，の学生が同時に実験を行うのは，実験装置の準備やス

昨年度は学部四年生が講義のみに参加することを想定

ペースの点でやや無理があった．そこで，今年度は衝して前半に講義，後半に実習をまとめる形をとってい突実験実習を最先端の研究で利用されている実験・分た．しかし実際にはそのような学生がほとんどいない析装置を利用して行う実習として定義し，実験基礎実こと，また講義で学んだことを直ぐに実習で実際に手習とは実習目的を差別化してカリキュラムを組むことを動かして経験した方が効率的ではないかという意見にした．実験基礎実習では，半日で行う学生に負担のを踏まえて，基本的には午前中に講義，午後に実習を少ない衝突実験を課題として用意し，3班に分かれて行う様に変更した（表1）．また昨年度は参加者のほと

大理石の衝突破壊強度Q*に関する衝突破壊実験，弾んどが実際の衝突実験経験者だったために実験基礎実

丸潜り込み観察実験，クレーター形成実験を行った．

習では実習として衝突実験を行わなかったが，今年度

一方，衝突実験実習では，神戸大学以外の衝突実験施

は衝突実験未経験者の参加も加味して前述のような基設を利用し，実際の研究に用いている装置で実習を行本的な衝突実験を実習初日に行うことにより，その面

うことにした．日本には特徴的な実験設備を持つ研究

白さや難しさを実感して貰えるように変更を行った．

室がいくつかあるが，その中で東大，宇宙研，名大が昨年度行った弾丸作成実習を今年度は取りやめ，この

この実習に協力することになった．東大では，杉田と時間を代わりに衝突実験に充てることとした．また昨関根が担当し，レーザーアブレーションによる分光分

年度，当初の予想よりも時間に余裕があった電子回路

析の実習を行った．宇宙研では長谷川，門野，中村のに関しては本年度は時間を多少削り，その分を衝突実指導により，二段式軽ガス銃を用いた岩石クレーター験実習報告会に充てることとした．

の形成実験とその超高速撮影を行った．また，名古屋

また個別の講義，実習の内容に関しても昨年度の反大学では荒川の指導により，固体，気体中を伝播する

省点等を踏まえていくつかの変更を行った．電子回路

166

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010に関しては実験において実践的な内容を行うというこ

挙げられていた．そこで，今年度は講義室をそのままとで，昨年度はOPアンプを中心に講義や実習を行った．

実習に使用する様に変更を行い，昨年度よりも広いス

しかし，電子回路に慣れ親しんでいない学生に対してペースを確保した．また学生への作業分担をより明確

は，やはりトランジスタを用いた回路を使って増幅回にすることで，昨年度とほぼ同じ実習内容を三分の二路の基本的なしくみを理解してもらう方が教育的な効

程度の時間で行うことが出来た．以上の様に昨年度か果が高いということから，今年度はトランジスタによらいくつかの変更を行うことによって，より多方面のる増幅回路を学んでからOPアンプによる実用的な回学生に対してスムーズに対応できる様なカリキュラム

路に進むように変更を行った．また昨年度の実習ではに改善出来たのではないかと思っている（山下靖幸）．

それぞれの課題を想定よりもかなり早くこなしていく
学生が何名か見受けられ，最終的に少し手持ちぶさた

3. 衝突実験実習になっていることがあった．そこで中部大学教授の山田功夫さんにご尽力いただき，今年度はOPアンプを

3−1 テーマA：レーザーアブレーションによる模用いたフィルタ回路といった少し応用的な課題もいく

擬衝突蒸気雲の発光分光測定

つか用意して，これに対応できるようにした．実際に参加者：佐藤雅彦，高沢晋，高部彩奈，豊田丈典，

今回の実習では，昨年度に比べてオシロスコープなどの測定機器やハンダ付けなどに多少不慣れな学生が多かったために応用的な課題に到達する学生はいなかっ羽村太雅，平井隆之
場所・日時：東京大学柏キャンパス・2009年12月9日から11日たが，様々なレベルの学生に対応できる，より柔軟性

世話人：杉田精司
（東大）
，関根康人
（東大）
，レーザ

のある新しいカリキュラムになったと感じている．

ー操作法指導・スペクトル分析法指導：鈴木絢子

真空実習については，配管や真空ポンプ等の設置のためかなり広いスペースが必要となるが，昨年度は実（CPS），分光計操作法指導：長勇一郎
（東大）
（1）
実験概要

習を行った部屋が多少手狭だったことに加え，講義な

太陽系内の惑星X, Y, Zから岩石試料を採取した．

どを行っていた建物と離れていたことで効率が悪くな

レーザーアブレーションにより発生する岩石蒸気の分り，想定以上に実習に時間が掛かったことが反省点に

光観測から，母惑星を特定せよ!!この指令で実習は始

図1：各班の試料写真（C4は写真撮り損ね）．

図１

第2回CPS実験実習の報告/荒川 他

図2： レーザーアブレーションによる岩石蒸気の分光実験ター
ゲット部．(a)実験装置．(b)岩石試料．円内にレーザーの
図２ 照射痕が見える．

まった．天体衝突に伴い発生する超高温・高圧の衝突

167

図3： 測定結果(試料A2)．輝線の上の文字は同定した元素を表す．
320－390 nmに，多くのFe輝線が見られる．

図３

蒸気雲は現象の持続時間も短く計測が難しい．そこで有効な分光観測に関して講義の後，各班異なる天体からの複数の岩石へレーザー照射・分光測定を行った．
（2）実験方法と結果及び考察
テーマAは東京大学杉田研究室のバックアップの元，
Nd-YAGパルスレーザー，真空チェンバーおよび分光器を用いて実習を行った．実験はA，B，Cの3班に分かれて行い，各班に異なる惑星X，Y，Zの岩石試料が複数個配布された（図1）．レーザー照射により発生した岩石蒸気の発光を分光測定し，解析結果から惑星
X，Y，Zを特定することが目的である．まさに，惑
星衝突現象・惑星探査を模擬した実験である．以下，
A班が行なった実験を例として，詳細を説明する．
真空チェンバー内に岩石試料をセットし，数 k Paの真空状態とした．集光したレーザー光を岩石試料に

図4： ボルツマンプロット(試料A2・Ca)．プロットは測定値を，
破線はフィッティングを表す．
I，g，A，νはそれぞれ光の強度，統計的重率，遷移確率，
光の振動数である．縦軸の切片から粒子数，傾きから温度が算出できる．

図４

照射し，岩石蒸気の発光を分光観測した（図2a）．得られたデータは，波長が既知の水銀アルゴンランプを用

ここで原子輝線とは，原子の電子軌道が励起状態からいて波長を，約 3000 Kの黒体放射に近い発光をするより低エネルギーの状態へと遷移する際に，差分のエ

クォーツタングステンハロゲンランプを用いて強度をネルギーが決まった波長を持つ光として放出されるもそれぞれ較正した．較正後，原子輝線のデータベースのである．また，複数の輝線が観測できた原子についを参照し，得られたスペクトルの輝線がどの元素の発ては，各波長における発光強度の測定値からボルツマ

光かを同定，岩石試料が含有する元素を特定した（図3）． ンプロット[1]を作成し，岩石蒸気中の原子総数と温度

168

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010の推定を行った（図4）．
A班は Ca，Fe にターゲットを絞って輝線を同定し，
5試料中2試料についてボルツマンプロットを作成してることも身を持って感じることができました．これからの自分自身の研究においても，ここで得た経験
は大きく役に立つと思います．

原子総数を求めた．そして求めた Ca/Fe 比を惑星の（高部彩奈）
今回，私たちに与えられた課題は「岩石の地殻・マントル組成のデータベースと比較し母天体の分光観測から惑星Xを決定せよ！」というものでし推定を行った．2試料ともCa/Fe比が0.01程度と非常にた．目的も明確であり，やりがいのある課題だと感小さかった事から，水星・金星・火星・月の候補中でじました．2人1組でグループを作り実習を行いまし最も Ca/Fe 比の小さい火星であると結論付けた．B班，

た．レーザーを用いた実験も，分光観測も初めてで

C班は分光学的に得られた元素の情報と，岩石学的知わからないことばかりでしたが，始めに受けた講義

見を組み合わせてそれぞれ火星，金星の岩石であるとの知識や指導者のアドバイスにより理解することが結論付けた．なお，正解は実験参加者のみに知らされ，でき，多くのことを学ぶことができました．輝線の文書に残すことはできない．

波長から観測できた原子を特定することの大変さや上記の結果は改善すべき点を含んでいる．岩石試料

その結果による岩石の推定など，今までにない多く中の結晶粒径に比べ，ごく一部しかレーザーアブレーの体験ができました．また，グループで協力しながションしていない（図2b）．岩石試料のバルク組成をら実習をやることは私にとって非常に楽しく，他大反映していない可能性があるため，試料の複数位置を学の人と交流を深めることもできました．知識，経アブレーションする必要がある．また，原子輝線の同験，交流等を得た，意義深い実習でとても満足して

定，ボルツマンプロットの不十分さも挙げられる．こおります．最後に遊星人投稿というかけがえのないの問題を解決し，さらには将来の惑星探査への応用に機会を与えてくださった関係者の方々，また貴重なつなげるには，最適な実験条件（真空チェンバー内の時間を使ってご指導くださった東京大学の皆様に深圧力・レーザーのセッティング等）によるデータの改く感謝を申し上げます．

善や，得られたより多くの輝線を丁寧に同定し，ボルツマンプロットから含有元素比を正確に求め，惑星X

3−2 テーマB：堆積岩に対する二段式軽ガス銃にを決定することが必要である．

よる超高速度衝突実験（3）感想

参加者：関川知里，中村真季，新居見励，羽倉祥雄，（高沢 晋）惑星科学分野において非常に応用範囲の広いレーザーアブレーションにより発生する蒸気雲の羽村太雅
場所・日時：JAXA / 宇宙科学研究本部・2010年1

分光観測法を学べたことを大変嬉しく思います．このような機会を我々に与えて下さった惑星科学研究

月27日から29日
世話人：門野敏彦
（阪大）
，中村昭子
（神戸大）
，鈴木

センターの皆様，そして実習の準備，進行等に多大な時間を割いて下さった東京大学大学院新領域創成

絢子
（CPS）
，長谷川直
（ISAS/JAXA）
（1）
実習概要

科学研究科杉田精司研究室の皆様に篤く御礼申し上
げます．
輝線の発生する波長，そしてその強度は詳細に決まっているため，実習では波長較正や感度較正など
データ解析に高い精度を求められました．しかしその分輝線から元素を特定できたときは大きな達成感と充実感を得ることができました．また，そういった高い精度の解析を求められる状況下で，大胆さや勘といった要素が解析スピードに大きく影響してく

図５

図5：実験系の概略図

第2回CPS実験実習の報告/荒川 他

169

これが岩石に対しても適応されるかということは解明されていない．そこで我々は5種類の堆積岩に対して，
宇宙科学研究本部の2段式軽ガス銃を用いてクレータ
ー形成実験を行い，既存のスケーリング則との比較を行った．また高速カメラを用いて，衝突時の発光，イジェクタの飛散のその場観察を試みた．
図6： (a)ショット4で形成されたクレーター．(b)クレーター形状
図６ の概略図．すべてのクレーターには，スポールとピットが見られ，図に示したそれぞれの長さからクレーター体積を
概算した．

（2）
実験方法と結果及び考察
   二段式軽ガス銃（藤原銃）を用いて，堆積岩（大理石，
砂岩，泥岩，中国砂岩，石灰岩）を標的としたクレーター形成実験を行った．この二段式軽ガス銃は，火薬の燃焼によって駆動されたピストンが軽ガス（ヘリウム）を断熱圧縮し，高圧のガスが，ダイヤフラムと呼ばれる金属板の隔壁を破って噴出する圧力で，弾丸を数km/sにまで加速することのできる装置である．弾丸の速度は，無煙火薬の量，ダイヤフラムの材質や厚さを変えることで調整が可能である．一度ショットを行うと，銃身等を丁寧に掃除する必要がある．
今回の実験では，全てのショットで，弾丸は直径7.14 mmの ナ イ ロ ン 球 を 用 い， 真 空 中（数 十 ～ 数 百Pa）で2 ～ 4 km/sで の 衝 突 実 験 を 行 っ た．2台 の 高

図7： 既存のスケーリング則[3]との比較．表面が剥離した中国
砂岩は体積が少なめに見積もられていると考えられる．中図７ 国砂岩以外のデータをフィット（図中破線）すると，金属の場合[3]とは異なった傾向が見られる．

表2：衝突実験条件と形成されたクレーター体積の結果．

ショット
標的 衝突速度（km/s） 体積（×cm3）
番号
1
大理石
3.85
7.7 ± 7.5
2
大理石
4.20
18 ± 113
大理石
2.31
4.2 ± 3.4
4
砂岩
3.90
9.36 ± 0.06
5
砂岩
2.02
1.5 ± 0.1
6砂岩
3.90
7.7 ± 1.0
7
泥岩
4.37
32 ± 7
8
泥岩
3.67
×
9
泥岩
1.91
1.6 ± 2
10
中国砂岩
4.21
4.0 ± 3
11
中国砂岩
2.22
6.2 ± 5.5
12
中国砂岩
3.96
11 ± 6
13

石灰岩

3.82

×

× 測定不能速カメラ（Ultra Cam HS-106E ; nac イメージテクノ
ロジー / HyperVision HPV-1 ; 島津製作所）でそれぞれ衝突時の発光（カラー ; FPS（Frame per second）=
250,000 ～ 1,000,000）とイジェクタの飛び散る様子（モ
ノクロ ; FPS = 31,250 ～ 125,000）を撮影した．実験系の概略図を図5に示す．
形成したクレーターは全てスポールとピットを有した．既存のスケーリング則[3]と比較するため，まずク
レーター体積を求めた．体積は，必要なパラメータをノギスで測定し，クレーターのスポールとピットをそれぞれ半楕円体に近似することで求めた（図6）．大理石等の，元々クラックが存在する堆積岩が衝突時に粉砕した場合は，可能な限り岩石を復元してから測定した．ただし，ショット8の泥岩は弾丸が端に当たった
ため，ショット13の石灰岩は非常に不均質であったた
め，それぞれクレーターの復元が不可能であった．衝
突実験条件と，クレーター体積を表2に示す．

金属ターゲットに対する高速衝突実験[2]により形

次に，各堆積岩のコアをくり抜き，円盤型サンプル成されたクレーターのスケーリング則（実験と実際のを作成して，圧縮試験機（EZ Graph;島津製作所）を用

天体衝突現象をつなぐ関係式）が導出されている[3]が， いた圧裂引張強度試験により引張強度を測定した．ま170

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010

た，質量体積比からバルク密度を決定した.
これらの実験で得られた結果を元に，金属試料に対これらの実験で得られた結果を元に，金属試料に対する既存のスケーリング則[3]との比較をする既存のスケーリング則[3]との比較を行う．[2]にこれらの実験で得られた結果を元に，金属試料に対する既存のスケーリング則[3]との比較をよると，金属に高速衝突して形成されたクレーターは，行う．[2]によると，金属に高速衝突して形成されたクレーターは，無次元数行う．[2]によると，金属に高速衝突して形成されたクレーターは，無次元数
無次元数

 1  V / m ,  3  Y / U 2 ,  4   /  に対して，
 1  V / m ,  3  Y / U 2 ,  4   /  に対して，
に対して，





（1）
 1  0.458  0.080   3  4 0.738
0.709  0.027 (1)0.738 , 1  0.458  0.080   3  4,0.709  0.027

(1)という関係があることが分かっている．ここで，Vはという関係があることが分かっている．ここで，V はクレーター体積，は標的密度，m は飛翔という関係があることが分かっている．ここで，V はクレーター体積，は標的密度，m は飛翔
体質量，クレーター体積，ρは標的密度，mは飛翔体質量，Y
Y は標的の引張強度，は飛翔体密度，U は衝突速度である．
は標的の引張強度，δは飛翔体密度，Uは衝突速度で
体質量，Y は標的の引張強度，は飛翔体密度，U は衝突速度である．
図 7 に式(1)と今回の実験結果を併記する．大理石は，元々存在したクラックの影響で衝突時ある．
図 7 に式(1)と今回の実験結果を併記する．大理石は，元々存在したクラックの影響で衝突時に激しく破砕され，正確に復元ができなかったため，誤差が非常に大きい．また，今回用いた中
図7に式（1）と今回の実験結果を併記する．大理石は，に激しく破砕され，正確に復元ができなかったため，誤差が非常に大きい．また，今回用いた中国砂岩は元々存在したクラックの影響で衝突時に激しく破砕さ5 mm 程度の薄い層が重なったもので，クレーター形成時に表面が粉砕・剥離したため，
国砂岩は 5 mm 程度の薄い層が重なったもので，クレーター形成時に表面が粉砕・剥離したため，れ，正確に復元ができなかったため，誤差が非常に大測定されたクレーター体積は実際より小さいものとなっていると考えられる．
図 7 の中国砂岩以測定されたクレーター体積は実際より小さいものとなっていると考えられる．
図 7 の中国砂岩以
きい．また，今回用いた中国砂岩は5mm程度の薄い外のデータは既存の式の周りにばらついているものの，少し異なった傾向を持つようにも見える．
層が重なったもので，
クレーター形成時に表面が粉砕・外のデータは既存の式の周りにばらついているものの，少し異なった傾向を持つようにも見える．
これは金属と堆積岩の性質の違い(不均質性の程度，延性や展性の有無など)の寄与と考えられる．
剥離したため，測定されたクレーター体積は実際より
これは金属と堆積岩の性質の違い(不均質性の程度，延性や展性の有無など)の寄与と考えられる．
今回の実験では，大理石のように破砕してしまったものがあったため，正確なクレーター体積小さいものとなっていると考えられる．図7の中国砂
今回の実験では，大理石のように破砕してしまったものがあったため，正確なクレーター体積が計測できなかった上に，データ点も少ない．より詳細なスケーリング則の確立には，体積の大岩以外のデータは既存の式の周りにばらついているもが計測できなかった上に，データ点も少ない．より詳細なスケーリング則の確立には，体積の大のの，少し異なった傾向を持つようにも見える．これきな標的とより多くのショット数が必要である．
きな標的とより多くのショット数が必要である．
は金属と堆積岩の性質の違い（不均質性の程度，延性
高速度カメラを用いた発光の観測では，多くのショットで橙色の発光が観測された．カルシウや展性の有無など）の寄与と考えられる． 多くのショットで橙色の発光が観測された．カルシウ
高速度カメラを用いた発光の観測では，
ムの炎色反応の色と類似しており，大理石等のカルシウム含有試料でも見られたことから，標的
今回の実験では，大理石のように破砕してしまった
ムの炎色反応の色と類似しており，大理石等のカルシウム含有試料でも見られたことから，標的中のカルシウムの発光と考えられる．一方，泥岩では緑色の発光が観測された．これは泥岩中のものがあったため，正確なクレーター体積が計測でき中のカルシウムの発光と考えられる．一方，泥岩では緑色の発光が観測された．これは泥岩中の銅の発光である可能性が予測される．分光実験による解析が望まれる．
なかった上に，データ点も少ない．より詳細なスケー
銅の発光である可能性が予測される．分光実験による解析が望まれる．
リング則の確立には，体積の大きな標的とより多くの
また，イジェクタ飛散の観測結果からは，一般的なイジェクタ飛散現象と同様，始めに細かい
また，イジェクタ飛散の観測結果からは，一般的なイジェクタ飛散現象と同様，始めに細かい
ショット数が必要である．
イジェクタが非常に速い速度(～1 km/s)で飛散し，その後に大きなサイズのイジェクタが比較的
高速カメラを用いた発光の観測では，多くのショッ
イジェクタが非常に速い速度(～1km/s)で飛散し，その後に大きなサイズのイジェクタが比較的遅い速度(～100 m/s)で飛散していく様子が観察された．
トで橙色の発光が観測された．カルシウムの炎色反応
遅い速度(～100 m/s)で飛散していく様子が観察された．
の色と類似しており，大理石等のカルシウム含有試料でも見られたことから，標的中のカルシウムの発光と（3） 感想（3） 感想考えられる．一方，泥岩では緑色の発光が観測された．
これまでは知識としてしか知らなかった軽ガス銃を実際に扱うことができた事は有意義な体これは泥岩中の銅の発光である可能性が予測される．
これまでは知識としてしか知らなかった軽ガス銃を実際に扱うことができた事は有意義な体験だった．宇宙研・長谷川さんの指導で，銃の掃除等を含めて実験に必要な一連の作業をよく理
分光実験による解析が望まれる．
験だった．宇宙研・長谷川さんの指導で，銃の掃除等を含めて実験に必要な一連の作業をよく理解することができた．
また，イジェクタ飛散の観測結果からは，一般的な解することができた．
また今回の実習は，同年代の学生との交流の場としても大きな意味合いを持っていたと思う．
イジェクタ飛散現象と同様，始めに細かいイジェクタ
また今回の実習は，同年代の学生との交流の場としても大きな意味合いを持っていたと思う．
が非常に速い速度（～ 1 km/s）で飛散し，その後に大
図8： 衝 撃 波 管 で 発 生 さ せ た 衝 撃 波 の 可 視 化 画 像． 高 圧 室 に
同じ「惑星科学」に関わっているけれども，研究分野を異にする学生と共に実験をする機会はあ
0.25MPaのヘリウムを充填した場合で、圧力比P4/P1は3.5
同じ「惑星科学」に関わっているけれども，研究分野を異にする学生と共に実験をする機会はあ
きなサイズのイジェクタが比較的遅い速度（～ 100 m/
まり無いので，今回の出会いを大切にしたい．自分とは違う環境で研究をしている人たちは，異である。
まり無いので，今回の出会いを大切にしたい．自分とは違う環境で研究をしている人たちは，異なる考え方やものの見方を持っており，そこから生まれる発想に触れられたこともいい経験にななる考え方やものの見方を持っており，そこから生まれる発想に触れられたこともいい経験にな

図８

第2回CPS実験実習の報告/荒川 他

171

図9：圧力比P4/P1に対する衝撃波速度図９s）で飛散していく様子が観察された．
（3）感想
これまでは知識としてしか知らなかった軽ガス銃を実際に扱うことができた事は有意義な体験だった．宇図10：二段式軽ガス銃（名古屋大学）

宙研・長谷川さんの指導で，銃の掃除等を含めて実験

図１０
名古屋大学の衝撃波管，二段式軽ガス銃を用いて，に必要な一連の作業をよく理解することができた．

衝撃波の伝播による媒体中の密度変化を利用した可視また今回の実習は，同年代の学生との交流の場として化実験を行った．衝撃波管実験ではマッハツェンダー

も大きな意味合いを持っていたと思う．同じ「惑星科干渉計を用いて空気中に生じる衝撃波の可視化を行い，学」に関わっているけれども，研究分野を異にする学

圧力と衝撃波速度の関係を調べた．また，超高速衝突

生と共に実験をする機会はあまり無いので，今回の出実験ではナイロン弾丸をアクリルやガラス標的に衝突会いを大切にしたい．自分とは違う環境で研究をしてさせ，標的内に生じる衝撃波を観察した．

いる人たちは，異なる考え方やものの見方を持ってお（2）
実験１：衝撃波管の原理と実験方法

り，そこから生まれる発想に触れられたこともいい経験になったと思う．

実験に使用した衝撃波管は，高圧室，低圧室，両者を分離するための隔膜で構成されている．隔膜には，最後になりましたが，今回の実験実習にてご指導いセロファンやマイラー膜を使用した．高圧室にはヘリただいた先生の方々に感謝の意を表したいと思います．

ウムガスの導入部が接続され，低圧室は大気中に開放

ありがとうございました．

されている．高圧室へのヘリウムガスの導入は大気圧から行われるため，高圧室へ充填されている気体は空3−2 テーマC： 衝撃波の可視化
参加者：桂武邦，楊馬風，洪鵬，長勇一郎，岡村奈
津子，長岡洋一
場所・日時：名古屋大学理学館205/206室・2009年
12月16日から18日

気とヘリウムの混合気体となっている．
撃針で隔膜を瞬間的に破ることにより，高圧気体が高圧室から低圧室へ急激に伝播し，低圧気体はその圧縮を受ける．低圧室に衝撃波が発生し，図8の右方向へと向かう一次元流れとして伝播する．この時に形成

世話人：荒川政彦（名大），衝突実験指導：土肥弘嗣

される衝撃波の速度は，隔膜が破られる前の高圧室の（名大），衝撃波管指導：鈴木絢子（CPS），弾性波

圧力P4と低圧室の圧力P1の圧力比P4/P1で決まり，式

速度指導：保井みなみ（名大）（2）で表わされる．ここで，aは音速，Mはマッハ数，（1）実験の概要

γは比熱比を表しており，添え字の1は低圧室，4は高172

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010(a)

図12： 円柱標的側面への衝突で出来たクレーター
(b)

図１２

図8は，衝撃波管で発生させた衝撃波をマッハツェ
ンダー法により可視化した結果である．左（高圧室側）
から右（低圧室側）へと向かう衝撃波が観測された．図9は，今回の実験結果と式（2）から求めた理論曲線である．注目すべき点は隔膜の種類や枚数によってあまり差がなかったことである．圧力比が3.0以上の時は隔膜にセロファンの代わりに，セロファンよりも強度の
図11： シャドウグラフ法により可視化したアクリル中を伝播す
図１１る衝撃波（a）アクリル標的中を伝播する衝撃波の様子，（b）
衝撃波、反射波、破壊領域、エジェクタ

強いマイラー膜を使い，特に圧力比が4.0の時にはマイラー膜を2枚重ねて使った．マイラー膜はゴムのよ
うに伸びる性質があるため，セロファンほど瞬間的に圧室を表している．伝播する衝撃波の後には，衝撃波割れない．そのため，高圧室の圧力を高くしていってによって誘起された高速気流が続く．衝撃波管で発生も理論的に予想されるほど衝撃波速度が上がらないとさせることができる流れの持続時間は極めて短く，一いう結果となったと考えられる．式（2）はマッハ数が般に数ミリ秒から10数ミリ秒の程度である．今回の実

１から10の領域で良く成り立つことから，今回の実験

験では，低圧室側の観測窓から衝撃波面の観測を行っ範囲（マッハ数：1 ～ 2）での各班の実験結果の違いがた．衝撃波の観測可能な領域は，観測窓の大きさと干何に起因するかは定かではないが，隔膜の違いなどが

渉縞の大きさにより決まる．観測した衝撃波は数百影響している可能性がある．

m/s程度の速度であり，現象の観測には高速撮影が可（4）
実験2：アクリル中を伝播する衝撃波の可視化

能なカメラ（HPV-2，島津製作所）を用いた．

本実験は，標的となるアクリル材に高速で弾丸を衝突させ，その際に生じる衝撃波を可視化することを目2 4 /( 4 1)
的とした．


P4 21 M12  (1 1) 1

高速で弾丸を射出する装置として，二段式軽ガス銃
 
（2）

P1 
1 1
1 
( 4 1)a1 M1 

を使用した
（図10）
．二段式軽ガス銃とは，火薬の爆発
1 
M1  (1 1)a4 による圧力を利用して音速の速い軽ガス（分子量の小（３）結果と考察（3）結果と考察（2）

ささと安全性から，今回はHeを用いた）をピストンで圧縮し，その圧力によって弾丸を高速度で飛ばす装置

図8は、衝撃波管で発生させた衝撃波をマッハツェンダー法により可視化した結果である。左（高圧室側）から右（低圧室側）へと向かう衝撃波が観測された。図9は、今回の実験結果と式（2）から求めた理論曲線である。注目すべき点は隔膜の種類や枚数によってあまり差がなかったことである。圧力比が3.0以上の時は隔膜にセロファンの代わりに、セロファンよりも強度の強いマ
イラー膜を使い、特に圧力比が4.0の時にはマイラー膜を2枚重ねて使った。マイラー膜はゴムのように伸びる性質があるため、セロファンほど瞬間的に割れない。そのため、高圧室の圧力を高くしていっても理論的に予想されるほど衝撃波速度が上がらないという結果となったと考えら

第2回CPS実験実習の報告/荒川 他

173である．このとき圧縮されるHeガスの圧力は数百気圧， 計算すると 14 GPaであり，アクリル標的中を伝播す
それによって加速される弾丸の速度は秒速3 ～ 4 km

る衝撃波の速度は 6 km/sである．画像データから求に達する．これは小惑星への隕石の衝突速度に相当すめた結果と比較すると，衝突直後に 6 km/sであった

る速度である．発射された弾丸は，予め1000分の1気

衝撃波の速度は，2μsの間にその半分程度の 3.5 km/

圧程度まで真空引きされたチャンバーへ入って行き，

sにまで減衰したと考えられる．つまり，衝突直後にそこで標的であるアクリルに衝突する．アクリルの大カメラの撮影間隔以下の時間で衝撃波の強い減衰が生

きさ（数十mm）と形状（立方体，円柱）を変えて，各班

じ，更に標的中を伝播すると共に減衰していき，衝撃

５回ずつ衝突実験を行った．

波から強い弾性波となったのではないかと考えられる．

この衝突現象は，イメージコンバータカメラによっ

衝突位置から放出されたエジェクタに関しては，追て一コマ数マイクロ秒の時間分解能でポラロイド写真

跡可能な塊の飛散距離から放出速度を求めたところ，として記録された．それをコンピュータにスキャナで10 ～ 100 m/s程度の比較的低速なものと約 2 km/s

取り込んで，衝撃波・反射波の速度を解析した．またの高速なものとが存在していることが分かった．更

弾丸を発射した後は毎回銃身を解体し，内部の掃除とに，衝突により形成されたクレーターを観察した（図

火薬の詰め直しを行った．

12）．その典型的なサイズは，外側部分の直径（A）が（5）結果と考察

8 ～ 10mm程度, 内側の直径（B）が 2.0 ～ 2.5 mm 程度,

ナイロン弾丸の衝突により標的内に生じた衝撃波を

深さは 2.5 ～ 3.0 mm 程度であった．また，衝突点をシャドウグラフ法により可視化した．図11に実験結果中心とした亀裂が発生しているのが見られた．

の一例を示す．プロジェクタイルは図11（a）の矢印の（6）
感想

向きへ飛行し，標的に衝突した．0μsは画像の撮影が（桂武邦）本実験は CPS と衝突研究会により企画され開始された時刻を表しており，弾丸は時刻2μsで標的た第2回 CPS 実験実習の応用コースの一部であり，に衝突した．時刻4μsから14μsでは衝突位置から衝

様々な衝突実験を通して惑星科学に関わる学生の基撃波が伝播していく様子が分かる．更に，時刻14 ～礎訓練，また相互啓発を目的とした実験であった．

16μsの間に衝撃波が標的の界面に到達し，反射波とそのため普段行っている研究とは異なる実験である

なって衝突点へと向かっている．また，弾丸が衝突しため，イメージコンバータカメラや衝撃波管などのた位置からは，数十μsに渡ってエジェクタが噴出し実験器具の原理や特徴など，基礎の部分から学ぶこていた．図11（b）の矢印は，弾丸本体の衝突により生ととなった．我々の実験では，特に衝撃波を可視化じたと考えられる衝撃波の波面を示している．また，するための光学干渉計の理解，二段式軽ガス銃の仕

標的内の黒い領域は，光源からの光が透過していない

組みや使用方法，また画像解析の手法を学ぶことが部分であり，衝突により形成された衝突クレーターなできた．この実験により衝撃波が物質中をどのよう

どの破壊領域を示している．これらの破壊領域は，衝に伝播するのかを理解できた．何よりいつもは違う

突直後から形成されていることが分かる．エジェクタ研究をしている学生たちの集まりであるため，結果に関しても，衝突直後から放出されていることが分かに対する捉え方が異なり，お互いに新たな視点を共る．

有できたことが本実験の一番の収穫といえるだろう．

衝突直後の衝撃波速度（時刻 2μs ～ 4μs での平均

今後はこの実験を通して得た惑星科学に対する多様速度）は 3.5 km/sであり，衝撃圧力に換算すると 1 ～なアプローチを，自らの研究にも活かすことができ

2 GPaである．その後の時間帯（4 ～ 28μs）で求めた波の速度は 3.0 km/s程度に減衰していた．また，標的ると考えられる．
（長岡洋一）
私は「宇宙機に対するスペースデブリの超表面での反射前後で有意な速度変化は見られなかった．

高速衝突」を 研究テーマとしており，主に二段式ナイロン弾丸が衝突速度4km/sでアクリル標的に衝突

軽ガス銃を用いて実験を行っています．ただ，衝突した際の衝撃圧力はインピーダンスマッチング法から実験をしていると言っても，大抵の場合，研究テー

174

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010

マは明確に決められているので，自分の研究対象以and lead into semi-infinite targets of aluminum and外の実験を行う機会は，ほとんどありません．以前

stainless steel, Rep. AEDC-TR-65-34, Arnold Eng.

から超高速現象の可視化に興味があったのですが，Develop. Center, Arnold Air Force Sta., Tenn.

実際にそれを行うためには，可視化を行うための光[3] Holsapple. K. A. and Schmidt R. M., 1982, On the

学系や観測装置を用意する必要がありました．そん

scaling of crater dimensions 2. Impact processes, J. G.

な中で，偶然知った第2回衝突実験実習のテーマのR., 87, B3, 1849-1870.

中に「衝撃波の可視化」があり，分野が違いましたが，参加させていただきました．今回の実習では，２種類の可視化法を学ぶことができた上に，私にとってはあまり知り合う機会のない惑星科学の分野の方とも知り合うことができ，貴重な体験となりました．
実習後に開催された神戸大での各コースの発表会の準備でも，皆で時間の都合をつけて協力して実験データの解析や発表資料をまとめることができたのも良い経験になったと思います．
年末のお忙しい時期に，3日の間，6名もの学生の面倒を見てくださった荒川先生ら名古屋大の皆様と神戸大の鈴木絢子さんに，Ｃコースに参加した学生一
同，大変感謝しております．ありがとうございました．

謝 辞
今年度の実験基礎実習は，昨年に引き続き，電子回路技術の講義・実習には中部大学・教授の山田功夫さん，工作実習では，神戸大学工作技術センターに，衝突装置の運用では神戸大学・技術専門職員の三軒一義さんにお世話になりました．衝突実験実習のテーマＢ
は宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部スペースプ
ラズマ共同利用に基づき実施されさました．また，衝突実験実習では（株）ナックイメージテクノロジー様のご厚意で高速度撮影機材（ULTRA cam HS106E）をお借りすることができました．この場をお借りして，お礼申し上げます．

参考文献[1] H. R. Griem, 1997, Principles of Plasma Spectroscopy,
Cambridge University Press.
[2] Payne, J. J., 1965, Impacts of spherical projectilesof aluminum, stainless steel, titanium, magnesium,