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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

CPSセミナー

Dec. 22, 2010

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

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Kadono et al.

3

0 　　　　　5　　　　　10　km/s

Moon Mercury　Venus Earth

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.

Mars

脱出速度

10 km/s以上での隕石衝突は 少なくとも金星と地球表面では,

必ず起こった

Kadono et al.

なぜ > 10 km/s?

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

Melosh 1989

　　　　　　　　　　　　　二段段式軽ガス銃

静電加速器

レーザー

岩石

氷

岩石，金属

岩石，氷

氷岩石，氷，高空隙率

岩石

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

クレーター

Gault(米）Shoemaker

Fechtig(独）

平板飛翔体加速

HolsappleDavisHartmann （米）

Paolicchi(伊)

Schultz(米）

Burchell(英）

弾丸飛翔体加速

Kadono et al.

> 10 km/s衝突実験クレーター破片蒸気溶融物衝撃変成

東大千葉工大名大神大阪大藤原，水谷，松井，　加藤，中村，荒川，杉田　　　　　　

高圧物性・核融合

破壊の物理

Gilvary Grady Oddershade, 門野, 桂木．．．

Astrom, Kun...

クレーター破壊ガラス

破壊 Ahrens(米）Gault&Wedkind

二段式軽ガス銃静電加速器

高速カメラ

レーザー直接照射

レーザー加速

クレーター・破壊：岩石・氷・空隙体

QMS

衝突蒸発実験年：60-80年代　　　90年代　 　　　　　　00年代　　　　　　　　　10年代

発光

珪酸塩蒸気

岩石脱ガス

Muhin et al.

Ahrens et al.

平板飛翔体加速

核融合・高圧物性

佐々木

Gerasimov et al.

磁場Crawford & Schultz

Sugita & Schultz

門野 大野

大野，河原木，福崎，関根

門野

> 10 km/s衝突実験クレーター破片蒸気溶融物衝撃変成

東大千葉工大名大神大阪大

衝突蒸発：蒸気

分光

中村，荒川，杉田，．．．

FriichinichitEichorn

弾丸飛翔体加速

門野 & 藤原 Schultz

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

Kadono et al.

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

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Experiment 1: Ta sheet flyers• GXII-HIPER

X線 ストリーク カメラ

targets

Ta-sheet ~ 30-50 µmt＋Polystyrene sheet

Spectrometer＋streak camera

X-ray Backlight

X-ray Backlight

X線 フレーミング カメラ

Kadono et al.

Laser~ 0.5 mmφ

結果 1-1: 加速過程 • Ta flyer(#32086): 50 µmt

Laser energy ～4 kJ

~ 500 µｍΦ，ω，20 ns

8

6.5 ns

9.5 ns

12.9 ns

9.1±0.9 km/s

10.4±0.6 km/s

Time

20 ns

0 ns

Kadono et al.

結果 1-2. 飛翔体速度

• Ta シート飛翔体は ~ 10 km/s以上に加速されている9

1

10

100

100 1000 10000

Sheet-flyer

Ta 30 µm

Ta 50 µm

Velo

city

(km

/s)

Laser Energy (J)

10

Experiment 2: Spheres• GXII-HIPER

X線 ストリークカメラ

ＬｉＦ or Cu plates ガラス, Al,金, ダイヤモンド100-400µm

Spectrometer＋streak camera

X-ray Backlight

X-ray Backlight

X線 フレーミングカメラTa plates

Kadono et al.

X線 ピンホールカメラ，可視カメラ

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結果2-1: 加速 #31634（Al 96µｍΦ）

Time

Framing camera

6.5 ns

9.5 ns

12.9 ns

100µｍ

100µｍ

Streak camera

速度 ~ 60 km/s

Laser

0 100 200 300 400 500 600 700

0

5

10

15

20

31634

IrradiationAntipodalframing

Distance (µm)

Tim

e (n

s)

Irradiation

Antipodal

Kadono et al.

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)

• Al 飛翔体はガラスや金より効率がよさそう

12

1

10

100

1010 1011 1012 1013 1014

Al sphere

Glass

Gold

Diamond

Ta (30t)

Ta (50t)

Velo

city

(km

/s)

2E/mp

k=0.1 %

k=0.01 %

k=1 %

・シート飛翔体の方が球よりも効率がよさそう

• エネルギー変換効率 k (運動 /レーザー エネルギー) < ~ 0.1 %

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結果 2-3. クレーター

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

1 mm

1 mm

Kadono et al.

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Result 2.1. Crater• #31634Crater Cu plate front

SEMrear (spallation)

1 mm

1 mm

Kadono et al.

15

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

Elemental mapping (Cu)

(Al) Magnified SEM image

It looks that droplets impact

500 µm

Kadono et al.

projectile

Cu target

Ta plate

crater belt

0.1 mm

10 µm

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Impact time at LiF (#31634)

0 5 10 15 20 25 30 ns

Velocity ~ 20 km/s

spectroscopy

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

laser

Impact

Kadono et al.

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Result 3: Spectroscopy#31492Al cylinder：Diameter&length100µｍVelocity 20 km/s

The measurement of spectroscopy starts at 20 ns after the beginning of laser irradiation, with an interval of 5 ns

50

55

60

65

70

75

80

85

20_25ns

50

55

60

65

70

75

80

85

30_35ns

50

55

60

65

70

75

80

85

35_40ns

50

55

60

65

70

75

80

85

350 400 450 500 550 600 650 700 750

40_45ns

Wavelength (nm)

50

55

60

65

70

75

80

85

25_30ns

• 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?)

Kadono et al.

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The entropy increase with impact and adiabatic release<calculation>

• LiF vaporizes at impact velocity larger than10 km/s.

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

100

101

102

103

104

0 2 4 6 8 10

LiF-Al

Pres

sure

(GP

a)Entropy (J/gK)

10 km/s

20 km/s30 km/s

Initiate vaporization

Complete vaporization

Kadono et al.

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☆ 珪酸塩岩 (e.g., 玄武岩など)

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)

．．．

> 10 km/s

Kadono et al.

未踏領域の扉が開いた

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

20Melosh 1989

なぜ X線?

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Experiments：X線• GXII-HIPER

X線 ストリークカメラ

ガラス, Al,金, ダイヤモンド100-300µm

X-ray Backlight

Kadono et al.

X線 ピンホールカメラ，可視カメラ

かんらん岩玄武岩シリカ焼結体石膏

結果X線 ピンホールカメラ

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#33752かんらん岩

金ガラス球 ←直接照射

• 衝突による発光のエネルギー

#33769かんらん岩

#33770シリカ焼結体

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~ 10-3

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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）

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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）

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天体サイズ 1 m 10 cm 1 cm 1 mm1 m2 あたり 3×1010 3×106 300 0.0320×20 cm 1×109 1×105 10 0.001

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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

Kadono et al.

Thank you

• 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

謝辞：実験でお世話になった方