Mechanism of aerodynamic heating at reentry to the Earth atmosphere has been investigated experimentally and numerically. In the experimental investigation, reentry conditions have been reproduced on the ground by using high enthalpy flow generator. For detailed understanding of heating mechanism, diagnosis of the high enthalpy flow is of importance. Although new ground test facilities are being developed for in-space missions to other planets, diagnostics of translational temperature is not established yet. For translational temperature measurements in the plasma wind tunnel, the high wavelength-resolution, high sensitivity and point-measurement are required. Objectives of this thesis are 1) to measure the absorption of atomic oxygen in the arc heated air plasma flow, 2) to extend the applicability of LIF to optically thick plasma in combination with LAS and 3) to develop a novel technique to access to translational temperature in the shock layer.

Currently there is no successful work of LAS measurement in an arc heated air plasma flow. This is because absorbance between two excitation states is quite small because of its low electronic excitation. Cavity enhanced absorption spectroscopy (CEAS) was applied to an arc heated plasma wind tunnel at Japanese Space Exploration Agency (JAXA). The undesired signal induced by the mechanical vibration was eliminated in the data processing. The reflectivity of the cavity was 0.9935 and sensitivity of LAS was enhanced by two orders of magnitude. As a result the absorption of atomic oxygen was observed as shown in Figure 1. The minimum detectable absorbance of this measurement system is 3.0×10(-4). To our best knowledge this is the first demonstration of the absorption measurement in the arc-heated air plasma flow.

In optically thick plasma measurements, the absorption of laser and re-absorption (or self-absorption) of fluorescence distort a fluorescence profile and make it difficult to deduce Doppler broadening from the observed fluorescence profile. Furthermore, when the probe laser intensity is high enough to induce saturation effect, saturation broadening makes the profile wider than the true profile. Correction methods for these effects were proposed and applied to the arc heated argon plasma. Observed LIF broadening and corresponding translational temperature without correction were, respectively, 2.20±0.05 GHz and 2510±100 K and corrected broadening and temperature were, respectively, 1.96±0.07 GHz and 1990±150 K. The profiles of corrected LIF signal is shown in Figure 2. The temperature of corrected profiles are shown in Table 1. The result showed a good agreement with the result of LAS with Abel inversion. This technique is valid only for measurement on the center axis of the plasma flow, however this technique can be a power tool to obtain a 1-D distribution of temperature along the center axis.

It is difficult to apply LAS to shock layer measurement. Although DLIF combined with LAS enables point measurement even in optically thick plasma, the absorption of probe laser is not the same as re-absorption of fluorescence in shock laser and the correction method can't be used. In this thesis a novel technique which is termed as cross-beam saturated absorption spectroscopy (XBSAS) is developed to measure translational temperature in the shock layer. This technique can be applied to an arbitrary distribution. First XBSAS was applied to free stream measurement as shown in Figure 3. The result showed a good agreement with the result of LAS. Next, XBSAS was applied to the shock layer measurement. The 1-D temperature distribution in front of the probe, which is shown in Figure 4, was obtained successfully.

LAS has developed for point measurement and sensitive measurement of translational temperature. Although it is difficult to figure out the plasma condition in detail only by one measurement technique, the combination of these measurements, or proper application of these techniques depending on the plasma condition, help us to understand the plasma in detail.

Figure 1 Absorbance profile of CEAS.

Figure 2 Measured and corrected fluorescence profiles of argon.

Table 1 Full width at half maximum (FWHM) and temperature of distorted profiles.

Figure 3 XBSAS profile with a fitting curve.

Figure 4 Temperature distribution in front of the spherical probe.

修士(科学)野村哲史提出の論文は,"Highly Sensitive and Point-Measurement Laser Spectroscopy of High Enthalpy Flow"(邦題:高エンタルピー気流の高感度および点計測レーザー分光計測)と題し,6章から成っている.

高エンタルピー風洞のプラズマ気流は熱化学的に非平衡であり,並進温度はその非平衡性を議論する上で最も重要な物理量である.プラズマ気流の並進温度の分光計測には,ピコメートル以下のオーダーの高い波長分解能が必要であり,非常に線幅の狭い半導体レーザーを光源に用いたレーザー吸収分光法およびレーザー誘起蛍光法が有力な計測手段となる.しかし,従来の半導体レーザー分光法によってすべての風洞気流条件を測定できるわけではなく,特に光学的に薄いプラズマ,厚いプラズマ,あるいは半径方向に流速成分を持つ衝撃層内の並進温度には適用できないという課題があった.

そこで,本論文では独創的な手法で半導体レーザー分光法の適用範囲を拡張している.具体的には,高感度なレーザー吸収分光法のプラズマ風洞計測への適用,レーザー誘起蛍光法の光学的に厚いプラズマへの適用範囲拡張,そして,衝撃層内計測のための点計測レーザー吸収分光法の開発が述べられている.

第1章は序論であり,研究の背景と目的を述べている.

第2章では,原子線スペクトルのドップラー拡がり,およびレーザー吸収飽和によるプロファイルの歪みについて,その原理を述べている.

第3章では,光学的に薄いプラズマへのレーザー吸収分光法の拡張として,微小な酸素原子の吸収を計測するため,光学的共振器により光路長を増倍するキャビティエンハンスト吸収分光法を適用し,JAXA750kWアーク加熱風洞空気プラズマ流の温度計測を試みている.風洞運転に起因する機械的振動環境下で,真空チャンバーを挟んだ長距離の光学的共振状態を維持しつつ微小な吸収信号を得るため,半導体レーザーの周波数掃引速度と共振モードに留意しながら共振器を構築し,データ解析において共振モードの選別と多重掃引によるプロファイルの平均を行うことで,機械的振動による感度低下の問題を解決している.その結果,有効光路長を従来の150倍に増倍し,世界で初めて空気プラズマの吸収信号の取得,並進温度の計測に成功している.

第4章では,半導体レーザー誘起蛍光法の適用範囲を光学的に厚いプラズマへと拡張している.光学的に厚いプラズマにおいては,プローブレーザーの吸収,吸収飽和,および蛍光の再吸収が原因となり,最終的に得られる並進温度が過大に評価される傾向にあるが,その影響は,励起と蛍光が同じ二準位間の遷移であり,かつ軸対称気流の中心軸上のみを計測するという条件に限れば補正可能であることを理論的に示している.また本手法を,アブソーバンス0.4の光学的厚さを有する1kWアーク加熱風洞アルゴンプラズマ流の分光計測に適用している.プローブレーザーの吸収は高強度レーザーでの吸収分光結果,蛍光の再吸収は低強度レーザーでの吸収分光結果,吸収飽和はレーザー強度を変化させながらの吸収分光結果を利用して補正し,合計で10%の下方補正が行われて正しい温度を得たと述べている.従来手法のようなトモグラフィによるデータ再構築を必要とせずに中心軸上分布を得られる本手法は,風洞計測において意義深い.

第5章では,点計測が可能なレーザー吸収分光法として,クロスビーム飽和吸収分光法を並進温度計測法へと発展させている.クロスビーム法において,挟線幅の半導体レーザーを光源に用い吸収線拡がりを評価した計測は例がなく,新規性が認められる.まず,本計測法における拡がり関数を導出し,その妥当性を1kWアーク加熱風洞アルゴンプラズマ流計測において従来の計測法と比較することで評価している.次に,風洞内に置かれた試験体前方に形成される衝撃層の内部の計測に適用し,淀み流線上の温度分布を得ている.この気流は連続流と自由分子流の間の中間流で,衝撃波と温度境界層が融合した構造となり,流線上の最高温度は,自由流中の温度とマッハ数から見積もられる淀み点温度と妥当な一致を示している.

第6章は,結論であり,本論文の研究成果をまとめている.

以上要するに,本論文は高エンタルピー風洞気流診断において今まで計測できなかった条件下での物理量を計測するために,半導体レーザー吸収分光法および誘起蛍光法の適用範囲を拡張したものである.これらの結果は数値流体力学のモデル検証にも利用でき,先端エネルギー工学,特に高温空気力学に貢献するところが大きい.

なお,本論文第3章は,小紫公也,高柳大樹,藤田和央,第4,5章は小紫公也,金子剛,荒川義博との共同研究であるが,いずれも論文提出者が主体となって実験ならびに解析を行ったもので,論文提出者の寄与が十分であると判断する.

したがって,博士(科学)の学位を授与できると認める.