·전기상형 화학 옥소 레이저(AGIL)의 개발
07/10/01
09/05/23개정
09/06/29개정
1.종래형 COIL의 약점
그림1: 화학 산소 옥소 레이저(COIL)의 발진 원리
그림 1은, 화학 산소 옥소 레이저(COIL)의 개념도이다.COIL는 주로
- 여기 산소의 발생
- 옥소와의 혼합, 옥소의 해리
- 에너지 이승, 역전 분포 생성 및 레이저 발진
의 세 개의 파트로부터 완성되어 있다.COIL의 주된 어플리케이션에 미사일 요격등의 방위 용도가 있는 것은 주지대로.그 중에서도, 유명한Airborne Laser는 곧 실전 배치될 것이다.그러나, 방위 용도에 COIL를 사용할 때, 산업용에서는 별로 문제가 되지 않는 「BHP의 생성」이 약점으로서 가로막는다.BHP와는 Basic Hydrogen Peroxide의 약어로, COIL의 말하자면 연료이다.BHP는 과산화 수소수에 KOH 수용액을 혼합하는 것으로 생성하지만, 이 때 좋은 반응열이 생성한다.
H
O(aq) +KOH(aq) 
BHP +
50kJ/mol(농도에 의한다)
BHP는 온도가 오르면 격렬하게 분해해 산소를 발생하므로, 상온보다 낮게 유지할 필요가 있다.따라서 과산화 수소수와 알칼리의 혼합은 냉각하면서 천천히, 신중하게 실시할 필요가 있다.물론, 적이 나타나고 나서 혼합을 시작해도 늦다.
「에서는, 미리 혼합해 두면」이라고 생각하겠지만, 실은 그것도 남아 좋은 방법은 아니다.BHP는 반응성이 높기 때문에, 그저 얼마 안되는 불순물이 존재해도 자발적으로 분해를 시작한다.이것은 냉각에 의해 어느 정도 늦출 수 있지만, 대략적으로 말해 1일 갖게하는 것은 곤란.
Airborne Laser에서는 무엇을 하고 있는가 하면, 이것은 추측의 역을 나오지 않지만, 지상에서 생성한 BHP의 조성을, 비행기안에서 전기 분해 반응을 이용하고 일정하게 유지하는 장치가 있을 것이라고 생각된다.BHP의 전기 분해는 우리도 일찌기 연구했던 적이 있지만 매우 어렵다.더하고, BHP는 본래 반응에 관련되지 않는 물이 그 중량의 약1/2을 차지하기 위해, 기동성이 중요시되는 어플리케이션에는 불리하다.
이러한 문제를 단번에 해결하는 방법이, 반응 프로세스(1)를 완전히 다른 것에 옮겨놓아 기상 반응만으로 옥소를 여기 가능한 매체 M*를 생성한다, 라고 하는 것이다.이것을 「전기상형 화학 옥소 레이저(AGIL)」라고 부르고 있다.
AGIL가 가져오는 메리트는 아무것도 방위 목적에 머무르지 않고, 산업용, 방재용 등 COIL의 응용이 적용 가능한 모든 응용에 있어서 복음이 된다.거기서 우리도 미군과 관련 기업의 그룹에 잇고, AGIL의 연구를 시작하기로 했다.
2.AGIL의 2방식
오랜 세월에 걸치는 기초 연구의 결과, M*의 후보는 거의 NCl(1Δ)와 NF(1Δ)에 좁혀졌다.그리고, 생성 반응의 용이함으로부터 한층 더 NCl(1Δ)가 선택되어 AGIL의 레이저 매질로서는 현재 NCl(1Δ)→I에너지 이승형만이 연구되고 있다.
NCl(1Δ)를 생성하는 방식도, 현재 두 개의 방법이 연구되고 있다.일본어에 의한 정식적 이름은 없지만, 여기서 하나를 「아지드계」, 또 하나를 「아민계」라고 부르자.각각의 화학반응은 이하와 같이 나타내진다.
그림2: 아지드계 AGIL와 아민계 AGIL
아지드계 AGIL의 경우, 에너지원에 되는 것은 HN3, 통칭 전갱이화 수소다.암모니아와는 다르므로 주의.전갱이화 수소의 소금인 아지화 나트륨(NaN3)은 한시기 에어백의 인플레이터-로서 사용되고 있었다.HN3로부터 NCl를 얻는 방법은, 한 번 HN3로부터 N3래디칼을 분리하고, 거기에 염소 원자를 작용시킨다.한편, 아민계의 경우, 원료가 되는 것은 NCl3, 통칭 트리크로라민.진한 개에 수소 원자를 작용시켜, 염소를 벗겨 취하면 NCl(1Δ)가 생성한다.
아지드계 AGIL는 2000년에 첫 레이저 발진에 성공하고 있는[1].그 후, 출력은 수십 W의 장치까지 개발되고 있지만, 아지드계 AGIL에는 하나 문제가 있다.사용되는 화학물질이 꽤 귀찮다.HN3는 청산가스와 거의 동등의 독성을 가지는 기체.불소는 상온 상압에서는 F2분자이지만, 꽤 강력한 부식성이 있다.더하고, DCl(HCl의 동위체)는 일반의 가스가게에는 팔지 않은 특수한 가스로, 일본에서는 손에 넣는 것조차 불가능.따라서 우리는 조속히아지드계에 단념을 붙였다.
한편, 아민계 AGIL의 경우, 원료 물질의 트리크로라민은 상온 상압에서는 황색의 휘발성 액체로, 옛날은 표백제에 사용되어 아프고들 있어이니까 독성은 비교적 약하다.수도의 이른바 「칼크취」는 이 화합물의 탓이므로, 일상적으로 뵐 수 있는 물질이기도 하다.물론, 화학 레이저의 연료가 될 정도로이니까 귀찮은 화합물임에 틀림없지만, 아지드계의 반응에 비하면 다루기 쉽다.그렇다고 하는 것으로 우리는 아민계에 목표를 좁혀 AGIL의 연구를 시작했다.
3.선행 연구
2007년 9월 현재, 아직도 아민계 AGIL의 발진에 성공했다고 하는 보고는 없다.즉, 우리를 포함해 몇개의 그룹에 의한 「제일 먼저 도착」을 싸우고 있는 상태다.기기의 구성도 시행 착오 상태로 결정해서되는 것은 없지만, 아마는 그림 3과 같이 되는 것이라고 추측된다.
그림3: 아민계 AGIL의 장치 구성도(일례)
현재까지 아민계 AGIL의 실험장치에 대해 두 개의 연구기관으로부터의 보고가 이루어지고 있다.하나는 Denver Research Institute로 또 하나가 Physical Sciences Inc.이것들 두 개의 기관이 라이벌이 되지만, 우리는 말하자면 신참자로, 그들의 보고로부터 대부분을 배우게 해 주었다.
그림4: Denver Research Institute의 실험장치[2]
그림 4는 Denver Research Institute의 실험장치.DRI에서는 아직도 옥소를 혼합한 실험 결과에 대한 공표는 없다.DRI의 장치의 목적은 두 개 있다.하나는 NCl(1Δ) 생성 과정의 단위반응의 해명, 그리고 또 하나는 방전을 이용하지 않는 순화학 AGIL 실현을 위한 기초 연구다.NCl3는 적당한 촉매 존재하에서 자발적으로 해리 하는 것이 알려져 있어 생성물은 Cl원자와 NCl(1Δ)이다.그리고는 이것에 HI를 혼합하는 것만으로 AGIL가 실현될 것이다.방전으로 해리 한 Cl를 더하고 있는 것은 그 때문에.H원자는 Cl래디칼과 수소 분자의 반응에 의해 방전없이 생성 가능하다.
그림5: Physical Research Institute의 실험장치[3]
그림 5는 Physical Research Institute의 실험장치다.아직 진심으로 레이저 발진을 노리고 있는 것은 없는 것 같지만, 구성으로서는 Gain Diagnostic의 부분에 광공진기를 조합하는 것만으로 AGIL가 완성한다.유감스럽지만, I*→I의 레이저 천이의 이득은 현재로서는 마이너스.역전 분포를 얻기까지는 도달하지 않았다.
이것들 선행 연구에 대해서 우리가 가지는 강점은 상세한 화학반응=광자련성뮤레이션코드에 의한 레이저 발진 조건의 탐색이다.시뮬레이션 코드의 개념도를 그림 6에 나타낸다.
그림6: Multiple leaky-streamtube 동역학 코드의 개념도
이 코드는 원래 COIL의 레이저 출력 예측을 위해서 개발한 것[4]를, AGIL용으로 고쳐 쓴 것이다.시뮬레이션은 반응 가스가 흐르는 플로우 튜브를 유회 방향에 세세하게 discrete 해, 흐름과 직각 방향에는 몇개의 가상적인 튜브가 있다고 하여 모델화한다.서로 이웃이 되는 튜브에는 확산 계수로부터 결정할 수 있던 레이트로 「빠져」가 있어, 그것이 가스의 혼합을 모델화한다.이른바 leaky stream-tube 모델을 발전시킨 것이다.레이저 발진은 루프 톱형광공진기에 의해 모델화 된다.이 시뮬레이션 이용하면, 실제로 장치를 개발할 경우에 효율적으로 레이저 발진 가능한 유량 조건, injector 위치를 탐색할 수 있다.
4.레이저 발진까지
(1) NCl3 생성계 (2) 플로우 튜브(레이저 본체)
그림7: 실험장치의 개념도
(1) NCl3 생성계 (2) 플로우 튜브(레이저 본체)
그림8: 실험장치의 사진
실험장치의 개념도를 그림 7에, 사진을 그림 8에 나타낸다.실험장치는 NCl3 생성계와 레이저 본체로 나누어진다.NCl3는 유감스럽지만 가게에서는 팔지 않기 때문에, 실험의 번에 스스로 생성할 필요가 있다.생성 장치도 초대부터 개량을 거듭하고 만족이 가는 성능이 나오기까지 1년반을 필요로 했다.
오전중 가득해 충분한 양의 NCl3를 만들면, 오후는 레이저 발진 실험이다.레이저 장치는 상류의 믹싱 튜브와 하류의 게인 섹션으로 나누어진다.믹싱 튜브에서는, 최상류로부터 NCl3가 Ar에 밀려 10 cm(정도)만큼 하류에서 H원자(방전으로 생성)와 HI가 동시에 분사된다.혼합 가스는 가로폭 8 cm, 높이 1 cm의 구형 덕트에 이끌린다.갑자기 레이저 발진 실험은 무모해서, 우선은 이득을 계측하는 실험으로부터 스타트 했다.
레이저의 이득을 측정하는 방법은, 일반적으로 레이저 천이와 같은 파장에 튜닝 한 다른 레이저를 프로브로서 입사, 우선 갚은 후의 강도 변화를 계측한다.역전 분포가 성립하고 있으면 우선 복 후의 레이저 강도는 증가하고, 역전 분포하고 있지 않으면 흡수가 관측된다.다행히, 1.3μ m는 광통신의 파장대이므로, 매우 우수한 반도체 레이저가 비율 염가로 입수 할 수 있다.프로브 레이저의 파장을 소인 하면, 옥소 원자의 천이의 곳만 흡수 or증폭이 관측된다, 라고 하는 것이다.
그러나 말하고는 역 해.AGIL가 예상되는 마사토시 이득은 우선 복 0.1% 정도.진공 펌프의 진동이 마루로부터 전해져 오고, 장치 그 자체는 진동하고 있고, 만족스러운 이득을 측정할 수 있는 것처럼 될 때까지도 개량, 개량의 연속으로 상당히 시간이 걸렸다.
2008년 2월 16일, 어슴푸레하면서 이득 같은 것이 보이게 되었다.그러나 노이즈에 파묻혀 거의 판별하지 못하고, 재현성도 나쁘다.그리고 반년 여러가지 궁리를 거듭해 간신히 재현성 자주(잘) 이득을 얻을 수 있게 되었다.전형적인 이득 계측의 결과를 그림 9에 나타낸다.
Fig9: 이득 계측 결과.왼쪽은 시간을 쫓아 나타낸 NCl(1Σ) 형광 강도와 그 때의 이득.오른쪽은 시각 20, 80, 260, 290 s에 있어서의 이득 계측 결과의 생 데이터.
NCl3는 얼게 해 둔 것을 증발시켜 사용하므로 유량의 컨트롤이 어렵다.시각 제로에서는 유량은 거의 제로.그 후 유량이 안정될 때까지 100초 정도 걸린다.NCl(1Δ) 생성량은, 복제생물인 NCl(1Σ)의 붉은 형광을 주워 확인하고 있다.이득이 당초의 마이너스로부터 서서히 줄어 들고 있는 것을 안다고 생각한다.그 때, 이득 계측 프로브 레이저의 흡수는 오른쪽의 그래프와 같이 되어 있다.그리고 t=290 s로 드디어 손실이 이득으로 바뀌었던 것이 선명하게 잡혔다.절대치는 우선 복으로 약 0.05%.소신호 이득으로 환산하면 0.005%/cm다.매우 작지만, 세계 최초의 성과가 된다.
5.레이저 발진 성공
그리고 2009년 4월 4일, 마침내 레이저 발진이 관측되었다.그것까지도, 몇회인가는 밀러를 장착한 레이저 발진 실험에 도전해 왔지만 모두 불발.이번은 NCl3 생성계로 개량을 더해 만반의 준비를 한 재도전.실험장치의 구성을 Fig. 10에 나타낸다.
Fig10: 레이저 발진 실험의 구성.Si Photodiode로 플라스마의 발광을, Ge Photodiode로 레이저 파형을 보고 있다
NCl(1Σ)의 형광 강도가 10,000 카운트를 넘었을 때, 밀러의 끝에 둔 Ge Photodiode가 분명한 신호를 잡았다.발진이다！그 순간의, 혈액이 비등하는 흥분은 지금도 잊을 수 없다.지금까지, 「획기적」이라고 해지는 연구 성과를 몇인가 내 왔지만, 이것은 특별.어쨌든, 우리는 「새로운 레이저」를 만들었으니까.
그런데, 「제일 먼저 도착」을 선언하기 위해(때문에), 연구 성과를 신속하게 보고하지 않으면 안 된다.여기서 「」(이)라고 생각한다.누구나가 납득하는, 레이저 발진의 증거란 무엇일까.일찌기, 가스 레이저의 세계에서, 분명하게 발진하고 있지 않음에도 불구하고 레이저 발진을 선언한 일본인이 있고, 업계에 있어서의 일본인 전반에의 비난은 강하다.거기서, 발진 첫날에 최우선으로 세 개의 데이터를 취득하기로 했다.
- 레이저 출력의 시간 파형
- 파워 미터에 의한 출력 측정치
- 반 패턴
Fig11: 레이저 출력의 시간 파형
그림 11은 Ge Photodiode로 취득한 레이저 출력의 시간 변화, Si Photodiode로 취득한 플라스마의 발광, 그리고 전원 전압의 시간 변화이다.레이저 파형만, 알기 쉬움을 강조하기 위해(때문에) 같은 파형을 시간 방향으로 2회 반복해 묘화 되어 있다.광공진기는 완전히 동일한 2매의 밀러 바싹바싹 구성되기 위해, 레이저 출력은 검출치의 2배가 된다.그래프에서는 팩터 2를 걸어 표시했다.레이저 출력은 약 50 mW, 의무 비약40%의 반복 발진이다.이유는 간단하고, 수소 원자를 공급하는 마이크로파 플라스마를 전자 렌지의 마그네트론으로 만들고 있기 때문에.최근에는 다르다고 생각하지만, 옛 전자 레인지는 고전적인 반파 정류 방식이므로, 마이크로파는 간헐적으로 출력된다.물론, 수소 원자가 연속적으로 공급되면 레이저 발진도 연속파가 된다.
파워 미터의 출력은, 유감스럽지만 기록이 남지 않았다.과연, 첫날에 거기까지의 기록을 취할 만큼 냉정하고 있을 수 없었다.파워 미터로조차, 당황해서 다른 실험실로부터 가져온 정도다.후일 취득한, 평균 레이저 출력의 시간 변화를 그림 12에 나타낸다.
Fig12: 레이저 출력의 시간 파형
NCl(1Σ)의 형광 강도가 있는 값( 약 10,000)을 넘으면 발진이 시작되어, 나머지는 NCl(1Σ) 형광 강도의 증대에 따라 레이저 출력도 증대해 나간다.300초에 발진을 중지하고 있지만, 여기가 한계라고 하는 것은 아니고, 연료가 다할 때까지 언제까지나 발진은 지속 가능.
그리고, 레이저 빔에 의해서 빛나는 포스파(적외선 검지지)의 사진을 그림 13에 나타낸다.종이의 하나에서도 구워 보일 수 있으면 틀림없지만, 평균 출력 10 mW에서는 이것이 한계.그러나, 옆모드의 형태는 요행도 없고 아음속의 화학 레이저로 보여지는 전형적인 능형 빔 패턴을 나타내고 있다.
Fig13: 레이저옆모드
물리적으로는, 레이저 발진의 증거라고 하면 스펙트럼의 좁은 휴대지역화나 지수함수적인 증폭을 말하지만, 「레이저 빔」이 나와 있는 곳(중)을 보이는 것이 제일 민첩하다.
첫날의 데이터를 정리해 Chemical Physics Letters에 투고했다.논문의 온라인판[5]는http://www.sciencedirect.com/science/journal/00092614로 입수할 수 있다.
그런데, 세계 최초의 아민계 AGIL 발진을 목표로 해 행해진 연구는 하나의 단락을 맞이한 것이지만, 이것으로 연구가 끝난 것은 아니다.오히려, 세계에서 유일한 레이저 장치를 가지는 우리는, 지금 중이 라이벌을 갈라 놓을 찬스.금년도중에, 지금은 다른 방식으로 발진하는 Amine-AGIL의 연구를 실시할 예정.
6.원저 논문 및 학회 발표
「전기상형 옥소 레이저의 활성 매질의 생성」2007년 9월 제 68회 응용 물리학회 강연회
「전기상형 옥소 레이저(AGIL) 매질의 반전 분포 생성」2008년 9월 제 69회 응용 물리학회 강연회
「전기상형 옥소 레이저(AGIL)」2009년 9월 제 70회 응용 물리학회 강연회
T. Masuda, T. Nakamura, M. Endo and T. Uchiyama, "A study on an All Gas-Phase Iodine Laser based on NCl3 reaction system," SPIE Photonics West 2008 High Energy/Average Power Lasers and Intense Beam Applications II, San Jose CA, Jan. 21-24, 2008.
T. Masuda, T. Nakamura, M. Endo and T. Uchiyama, "Achievement of positive gain in the amine-based all gas-phase iodine laser system," XVII Gas-flow and Chemical Lasers and High-Power Lasers, Lisbon, Portugal, Sep. 15-19, 2008.
T. Masuda, M. Endo and T. Uchiyama, "Numerical simulation of an all gas-phase iodine laser based on NCl3 reaction system," J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 055101 (8pp)
T. Masuda, T. Nakamura, M. Endo and T. Uchiyama, "Observation of Pumping Reaction in an Amine-Based All Gas-Phase Iodine Laser Medium," Jpn. J. Appl. Phys. 48 (2009) 032501
T. Masuda, T. Nakamura, M. Endo and T. Uchiyama, "An all gas-phase iodine laser based on amine chemistry," Chem. Phys. Lett. 476, pp. 25-27, 2009.
7.그 외 보도
"New iodine laser achieves positive gain", SPIE Newsroom SPIE Newsroom Article 26878, http://spie.org/x26878.xml?ArticleID=x26878
제70회 응용 물리학회 학술 강연회 프레스 프리뷰 「 신화학 레이저, 세계 최초의 발진에 성공」(응용 물리학회의 링크)
토카이대학 홈 페이지 이학부 뉴스 2009.9.11 「엔도아수준교수가 응용 물리학회 매스컴 프리뷰로 발표」(토카이대학에의 링크)
테크노 feature 「응용 물리학회 프레스 프리뷰」
「 신화학 레이저 발진 성공」화학공업 일보 9/2
「가스 사용 발진 순간 - 토카이대가 개발」일경 산업 신문 9/18
「 신화학 레이저의 발진에 성공」레이저 포커스 월드 재팬 2009년 10월호
「신물질 사용 화학 레이저」일간 공업 신문 10/27
「 「커히렌트인 빛」이 우주를 청소」토카이대학 신문 11/1
「탐구인」아사히 신문 11/3
8. 참고 문헌
[1] T. H. Henshaw et al., "A new energy transfer chemical laser at 1.315μm," Chem. Phys. Lett. 325 (2000) pp. 537-544.
[2] W. E. McDermott et al., "Flow Tube Studies of NCl3 Reactions," Proc. SPIE 5334 (2004) pp.11-17.
[3] J. R. Amy Bauer et al., "Studies of an Advanced Iodine Laser Concept," AIAA2005-5040 AIAA 36th Plasmadynamics and Lasers Conference, Toronto, Ontario, Canada, 2005.
[4] M. Endo, T. Masuda and T. Uchiyama, "Development of Hybrid Simulation for Supersonic Chemical Oxygen-Iodine Laser," AIAA J. 45 (2007), pp. 90-97.
[5] T. Masuda, T. Nakamura, M. Endo, Taro Uchiyama, "An all gas-phase iodine laser based on amine chemistry," Chemical Physics Letters 476 (2009) pp. 25-27.
