CPSセミナー

Kadono et al.

Dec. 22, 2010

レーザーを使った超高速度衝突実験について
Hypervelocity impact experiments using high-power laser
門野敏彦
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター

1

Kadono et al.

・10 km/s 以上での衝突実験
・衝突により発生した蒸気雲からのＸ線を観測

2

10 km/s以上での隕石衝突はなぜ > 10 km/s?

Kadono et al.

少なくとも金星と地球表面では,必ず起こった

Moon Mercury Venus EarthMars
脱出速度0510 km/s
Melosh 1989

珪酸塩岩も蒸発すると考えられている→大気・海洋・生命の起源と進化
However,
過去の衝突実験で使われたAir guns，Explosive guns，Two-stage light-gas guns…
> ~ 10 km/sに飛翔体を加速することが難しい.

3

衝突クレーター・破壊実験
年：60年代70-80年代

90年代

00年代10年代

平板飛翔体加速レーザー

高圧物性・核融合

弾丸飛翔体加速クレーター
Gault(米）
Shoemaker

Kadono et al.

Schultz(米）

クレーター

岩石

岩石，金属

破片

岩石，氷

静電加速器

Fechtig(独）蒸気Burchell(英）

溶融物
Holsapple
Davis
Hartmann （米）衝撃変成
二段段式軽ガス銃

東大

Paolicchi(伊)
氷破壊

千葉工大

Ahrens(米）

ガラス

Gault&Wedkind

岩石

藤原，水谷，松井，

破壊の物理
Gilvary> 10 km/s
衝突実験

岩石，氷，氷

高空隙率

クレーター

名大

破壊

神大

加藤，中村，荒川，杉田
Astrom, Kun...

Grady

Oddershade, 門野, 桂木．．．

阪大

衝突蒸発実験
年：60-80年代

90年代

00年代

10年代

クレーター・破壊：岩石・氷・空隙体
発光中村，荒川，杉田，．．．

磁場Friichinichit
Eichorn> 10 km/s
衝突実験

Crawford & Schultz

静電加速器

クレーター

二段式軽ガス銃破片

衝突蒸発：蒸気岩石脱ガス

蒸気

門野 & 藤原

Schultz

Ahrens et al.

溶融物

Sugita & Schultz

高速カメラ

衝撃変成

分光

レーザー直接照射

珪酸塩蒸気
Muhin et al.

佐々木

Gerasimov et al.

平板飛翔体加速

門野大野

東大

QMS

大野，河原木，千葉工大

福崎，関根

名大
神大

核融合・高圧物性

弾丸飛翔体加速レーザー加速門野阪大

Kadono et al.

High-power laser
激光 XII号レーザー (12 beams)
大阪大学

平板飛翔体：タンタル~50µｍt, ~0.8mmΦ
弾丸飛翔体：アルミ・ダイヤ・ガラス・金球(~ 0.1-0.3 mmφ)を加速
6

Kadono et al.

Experiment 1: Ta sheet flyers• GXII-HIPER
X線 フレーミング カメラ
targets

X-rayBacklightLaser~ 0.5 mmφ

Spectrometer＋streak camera

X-ray
Backlight

Ta-sheet ~ 30-50 µmt＋
Polystyrene sheet
X線 ストリーク カメラ
7

Kadono et al.

結果 1-1: 加速過程
• Ta flyer(#32086): 50 µmt
Laser energy 〜4 kJ~ 500 µｍΦ，ω，20 ns

6.5 ns0 ns

9.5 ns12.9 ns9.1±0.9 km/s

Time20 ns

10.4±0.6 km/s
8

結果 1-2. 飛翔体速度
Sheet-flyer

Velocity (km/s)

100

Ta 30 µm
Ta 50 µm

101
100

1000

10000

Laser Energy (J)• Ta シート飛翔体は ~ 10 km/s以上に加速されている
9

Kadono et al.

Experiment 2: Spheres• GXII-HIPER
Ta plates X線 フレーミングカメラ
ガラス, Al,ＬｉＦ or Cu plates
X-ray
金, ダイヤモンド
Backlight
100-400µm

Spectrometer＋streak camera

X-ray
Backlight

X線 ピンホールカメラ，可視カメラ

X線 ストリークカメラ

10Kadono et al.

結果2-1: 加速
Framing camera#31634（Al 96µｍΦ）

Streak camera

Time

6.5 ns

9.5 ns100µｍ
12.9 ns0

Antipodal

100µｍ

Laser
Irradiation

速度~ 60 km/s

Time (ns)31634
5101520

Irradiation
Antipodal
framing

0

100 200 300 400 500 600 700

Distance (µm)

11

結果 2-2: Velocity vs 2E/mp(速度 vs レーザーエネルギーE/飛翔体質量mp)

Velocity (km/s)

100

k=1 %
10Al sphereGlass

k=0.1 %

GoldDiamondTa (30t)k=0.01 %Ta (50t)

1101011101210131014102E/mp•

エネルギー変換効率 k (運動 /レーザー エネルギー) < ~ 0.1 %•Al 飛翔体はガラスや金より効率がよさそう

・シート飛翔体の方が球よりも効率がよさそう

12

結果 2-3. クレーター

Kadono et al.

1 mm• #31634
Crater on Cu plate
projectile: Al 0.1 mmφ@60 km/s
SEM
1 mm
13

Kadono et al.

Result 2.1. Crater• #31634
Crater Cu plate

1 mm

frontSEM
rear (spallation)

1 mm
14

Kadono et al.

Result 2.2. Ejacta• #31634
Ejecta: Ta plate
Scanning Electron Microscope image

0.1 mm500 µmElemental mapping (Cu)Ta plate
crater belt(Al)projectile

Magnified SEM image

Cu target

It looks that droplets impact
1015µmKadono et al.

Impact time at LiF (#31634)
05laser
1015

202530 ns

spectroscopy

Velocity ~ 20 km/s

Impact

The distance between the initial position of the projectileand LiF plate＝500µｍ→Impact time ~ 25-30 ns
Consistent with the appearance of Li lines after ~ 30 ns.
16

Kadono et al.

Result 3: Spectroscopy

8580

20̲25ns75#31492
Al cylinder：Diameter&length100µｍ
Velocity 20 km/s

70
65
6055
85
50
80

25̲30ns

75
70
65
6055

The measurement ofspectroscopy starts at 20 ns
after the beginning oflaser irradiation, with aninterval of 5 ns

85
50
80

30̲35ns

75
70
65
60
55
85
50
80

35̲40ns

75
70
65
60
55

85
50
80

•

During “20-25 ns”, there are no lines at ~610 & 670 nm.

•After ~ 30 ns, the lines appear at ~ 610 &670 nm （The lines of Li gas?)40̲45ns

75
70
65
60
55
50

350

400

450

500

550

600

Wavelength (nm)650

70075017

Kadono et al.

The entropy increase with impact
and adiabatic release
Initiate vaporization<calculation>
410• LiF vaporizes at
impact velocity larger
than10 km/s.

Pressure (GPa)LiF-Al30 km/s

31020 km/s
10 km/s

2

10

1

100

1002

4

68Entropy (J/gK)

10Complete vaporization• At #31492, ~20 km/s→LiF vaporizes.
Consistent with the result of spectroscopy 18

未踏領域の扉が開いた☆ 珪酸塩岩 (e.g., 玄武岩など)

Kadono et al.

> 10 km/s

鉱物 (e.g., オリビンなど) を使った衝突実験が進行中•

クレーター：基本的地質過程→サイズ (神大)•放出破片：惑星系円盤の塵生成→サイズ・速度分布 (神大)•蒸気：大気・海洋・生命の起源と進化，月形成→珪酸塩岩蒸気の物理・化学状態＜分光＞ (東大)→硫酸塩岩蒸気の組成＜ガス分析＞ (千葉工大)
X線観測•

溶融物・衝撃鉱物回収：地質記録との比較 (阪大，神大)．．．
19

なぜ X線?

衝突によって発生する蒸気雲はプラズマ化している(e.g., Kurosawa et al. 2010 GRL in press)• プラズマ→制動輻射→Ｘ線✓ 衝突速度が大きくなるとＸ線が強くなると予想される

Melosh 1989

20

Kadono et al.

Experiments：X線• GXII-HIPER
ガラス, Al,かんらん岩

X-ray
Backlight

金, ダイヤモンド
100-300µm

玄武岩
シリカ焼結体石膏

X線 ピンホールカメラ，可視カメラ

X線 ストリークカメラ

21

結果
X線 ピンホールカメラ• 衝突による発光のエネルギー#33752#33769かんらん岩

かんらん岩#33770シリカ焼結体

金ガラス球
←直接照射
22

蒸気雲からのＸ線エネルギー• 制動輻射を仮定して➡金にレーザー照射した場合の光量を見積（プラズマ温度，電子密度，イオン密度から）➡金の時と衝突の時のカウント数を比較➡衝突の時の光量を推定➡弾丸の運動エネルギーとの比~ 10-323

おまけ：系外惑星のLHBの光が地球から見えるか？
e.g., 30光年(=10 pc)，LHBで2×105 kg/m2が一億年で降ってくるとすると• X線(~ 1 keV)@地球：1年に光子〜30個/m2（光は制動輻射で出るとした）24おまけ：月面では？
3.8×108 m，衝突速度20 km/s とすると
• 一回の衝突で出るX線(~ 1 keV)=光子の個数（光は制動輻射で出るとした）
天体サイズ
1m
10 cm
1 m2 あたり 3×1010 3×106
20×20 cm 1×109 1×105

1 cm300
101 mm
0.030.001
25

Kadono et al.

まとめ• 激光XII号レーザーを使って,
Ta sheets（直径~ 0.5 mm，厚さ30-50 µm）

Al, ガラス，金，ダイヤ粒子（直径0.1-0.3 mm）
を 10 km/s以上に加速• X線ピンホールカメラによる発光の観測• エネルギー変換効率（光/弾丸運動エネルギー）〜10-3• 月面天体衝突の観測可能（> ~ 1 cm）• 系外惑星での衝突の観測は難しそう
26

Thank you
謝辞：実験でお世話になった方•

重森啓介，弘中陽一郎，佐野孝好，大谷一人，渡利威士，城下明之，藤原隆史，持山智浩，長友英夫，藤岡慎介，疇地宏
レーザー研：レーザー部，ターゲット部，計測部•

境家達弘，永木恵太•尾崎典雅，宮西宏併•杉田精司，黒澤耕介，関根康人，羽村大雅，長勇一郎，西上原航•

大野宗祐，松井孝典•荒川政彦，土肥弘嗣，高沢晋，桂武邦，中村昭子
研究一般に関しては，他多くの方にお世話になりました．

27