金属－プラズマ転移を利用した X 線点光源の開発
先進理工学科 蛭田興明
指導教員 米田仁紀 教授

はじめにDense Matter 状に遷移させ、エネルギー付与領域を限定させたものを作る方法である。

X 線は、多くの物質の透過像をとること、実験では、可視域の発光画像、発光波形、電微細な構造を得ることができるため、物性流波形の変化を、レーザーを照射させた場研究や分子科学研究、医療分野応用など広合とさせなかった場合で比較し、最適な発く使われている。X 線の発生方法としては、

光条件を調べることを行った。

高電圧によって加速させた電子をフィラメントに照射させてその励起光を得る方法や、
X 線自由電子レーザーのように磁場によるWarm Dense

Matter

固体密度状態で温度が数千から前後におシンクロトロン放射を利用する方法、短パ

ける固体－プラズマ中間領域状態は、ルスレーザーや高電圧パルスを金属や気体

Warm Dense Matter(WDM)と呼ばれていに照射・印加し高温化する方法などがある。

る。この領域においては、固体物理学の理

様々な応用で要求される光源は異なってく論を適用しても、プラズマ物理学の理論をるが、エネルギー効率改善や光源大きさの適用しても理論値から大きくずれてしまう縮小化など、未だに改善する開発研究が進ことが多く、さらにまだまだ十分な実験デんでいる状況にある。

ータが出揃っていないといった現状があ

最近、銅や金などの特定の金属が固体かり、物理学の新たな分野を開拓する上でのらプラズマ状態に向かう遷移過程の Warm良い題材となっている。例えば、銅線に大Dense Matter 状態領域において、金属であ電流を流した場合において、固体物理学的る物質の導電率が３桁程度急激に低下するには、自由電子のフォノンとの散乱が温度ことが、実験・理論研究で明らかになってき上昇とともに増加し、抵抗率が上昇する。

た。この物質変化を用いれば、高温、高圧の一方で、プラズマ物理学的には、電子温度高エネルギー密度状態を空間的に局在したの－3/2 乗に比例して低下することが予測形で短時間で生成できる可能性がある。そされているが、WDM 領域では、抵抗値がこで、本研究では、通常のパルス放電と、レこれら 2 つのモデルでは説明できない異常ーザーによる加熱を組み合わせた形の高効な値になってしまうことが観測されてい率微小 X 線源の開発を行った。具体的には、る。また、流体力学的な振る舞いを考える

直径 30μm～150μm の銅線にレーザーをと、WDM 領域では、金属の膨張が止まる

用いたスパークギャップにより数 kA のパことが観測されており、この気液 2 層流体ルス電流を流し、その銅線の一部にレーザ領域において、臨界点の理論的予測は、自ー パ ル ス を 照 射 し 、 そ こ だ け を Warm

由電子、束縛電子、イオン、中性原子のすべてを考慮する必要があるといった点か率が急激に下がっているはずであるため、ら、非常に難しいという現状がある。

レーザーを照射させた場合とさせなかった場合の波形を比較し、その真偽を追及した。

図 1．

Warm Dense Matter

前項で説明したように、Warm Dense
Matter とは物質に高密度のエネルギーを与えることによって再現できる新たな物性

図 2． 本研究における WarmDense

Matter 状態の再現

銅の発光実験である。この物質状態は高エネルギー密度実験セットアップ図を以下に示す。まず、状態の中では最もエネルギー密度が低く、コンデンサーに DC 電源を接続し、10ｋV1010 ～1011 J/𝑚3 の領域である場合が多い。の電圧を帯電させた。本研究では、ターゲッ

このため、微小体積における WDM 状態

トに瞬間的に大きな電流を流す必要がある

は、2～3mJ 以下のエネルギー付与で可能ため、高速でスイッチングできる素子を利となる。そのため、小さいターゲットを用用する必要がある。そのために、LTSG(レーいることによって、通常の実験室で用いらザートリガースパークギャップスイッチ)れているレーザーでこの物性状態を再現すを作成した。これは同サイズの金属を交互ることが可能である。に設置し、片方にレーザーパルスを照射さ

前項の説明でも触れたが、銅線に大きせることによってもう片方の金属をプラズな電流を流して高速で加熱しプラズマ化すマ化することで高速に電流を流すことのでる場合、従来の固体物理学やプラズマ物理きる素子であり、これによってパルス的に学の理論に基づく値よりもはるかに抵抗率電流を流し、銅線を加熱させた。しかし、電が上昇することが今までの実験によって観流のみで加熱すると温度上昇が不十分で、測されている。そこで本研究では、直径さらに電流の場合、銅全体が加熱されてし30～150μm の微細な銅線を用い、これにまい局所的に高エネルギー密度状態を再現10kV の高電圧をかけて瞬間的に大電流をできないといった問題点があるため、本研流し、加熱することによって WDM 状態を究では、電流に加え、レーザーパルスによる再現し、その後にレーザーパルスを照射さ加熱による温度上昇を目標とした。

せることによるターゲットの発光を観測しまず、ピックアップコイルを用いて銅にた。仮に WDM 状態で発光していれば抵抗流れる電流の時間変化を測定した。もし前述の方針による実験で銅線が Warm Dense

レーザーによる加熱と電流による加熱を組Matter 状態に遷移していれば、導電率が固み合わせた場合において、明らかにそれら体状態と比較して 3 桁程度急激に下がるこの影響によるものとは異なる光が認識されとが予測されるため、銅線に流れる電流波ることが分かった。ただ、本研究では画像の形を、固体状態、電流を流した状態、レーザ撮影を通常の CCD カメラで行っており、加ーと電流双方の状態で比較することによっ

熱によるレーザーパルスのタイミングによて、導電率の変化を調べた。って得られる画像が変わってしまう可能性

また、それぞれの状態におけるターゲッも否定できない。

トの発光画像と電流波形の関係を、レーザーを照射させた場合とさせなかった場合とで比較し、最適な条件を定めた。銅が発光している時間をフォトダイオードを用いて検出できるように努めた。回路に電流を流した直後にレーザーによる加熱を行うと、銅線に電流が流れていない状態で加熱されて銅線の位置

レーザー照射図 4．発光画像(レーザー照射のみ)

しまい、十分に加熱されない可能性がある
ため、スイッチと加熱用のレーザーの間に約 16m の光路差をつけ、銅に十分に電流が流れているときにレーザー照射を行うように心がけた。

図 5．発光画像(電流のみ)

最後に、それぞれの条件下における発光画像を、CCD カメラに対物レンズを取り付けた

図 6．発光画像(電流、レーザー双方)

80
Intensity
Laser only
current only
Both75Intensity

706560

図 3．実験セットアップ図

5550-0.5

実験結果
条件を変えた場合における銅の発光画像、およびその強度分布の比較を図に示す。この 3 つの図および強度分布を比較すると、

00.5

11.5Distance(inch)

22.53

図 7．発光強度分布の比較
次に、電流が流れた時間と銅の発光時間の関係を以下に示す。

結論

3voltage(V)current
photodiodevoltage(V)2

直径 100μm の銅ターゲットにギャップス

1イッチを用いてパルス的に電流を流し、同0時にレーザー照射の温度上昇による固体か-1-2-3-7-1 10らプラズマに転移する状態における発光を
0

1 10-72 10-73 10time(s)-74 10-75 10-7

図 8．発光時間と電流波形の関係(電流のみ)利用した光源を開発した。レーザー照射のみ、電流のみ、双方同時によるターゲットの発行画像を撮り、それぞれの強度分布を割り出した結果、双方同時の場合において、3明らかに電流によるものでもレーザーによvoltage(V)current
photodiode2るものでもない光が認識された。

voltage(V)10

さらに、フォトダイオードを用いて、電流と-1発光時間の関係を比較することができた。

-2

最後のデータによると、概ね電流のピーク-3-7-1 100

1 10-72 10-73 10time(s)-74 10-75 10-7位置において発光していることが分かった。

図 9．発光時間と電流波形の関係(電流、レ銅線に電流のみを流した場合と電流に加えーザー双方)てレーザーパルスを照射させた場合の電流最後に、両者の電流波形の比較を行った図

波形を比較すると、レーザーパルスを照射を以下に示す。

させた場合の立ち上がり電流の減衰が大きいことが分かった。
今後の展望としては、よりターゲットを4voltage(V)current only
current and laser

3加熱しやすくするために、スイッチ用と加voltage(V)

2熱用のレーザーを別々に用い、さらに真空10中で同様の実験を行いたいと思う。また、プ-1-2-3-7-1 10リズムを用いた発光波長の特定も行ってい0

1 10-72 10-73 10-74 10-75 10-7time(s)図 10．銅に電流を流した場合、および電流とレーザー双方による加熱をさせた場合の電流波形の比較

きたい。