高リュードベリガス媒質中における音波伝搬

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最近、プラズマの体積再結合による、高密度高リュードベリ原子群の生成が身近に得られるようになった。高リュードベリ原子は通常の気体原子と比較して数十から数百倍の原子半径を持つのでこのような媒質の新しい多体相互作用を調べるには音波伝搬の特異性に注目することが重要であると提案した。このような媒質は低ガス圧力下で得られるので、低ガス圧力下での通常音波伝搬の基礎特性の解明を第一の目標とした。音源はピエゾ素子で、周波数40kHz。コンデンサーマイクロフォンで検出する。音源とマイクロフォンとの距離dは、マイクロメータによって変化させることができる。Ar、Heの2種類のガスを採用した。低ガス圧でS/Nを向上させるため信号をディジタイザに取り込んだ後、極めて多数のデータ数にわたって平均化し、ノイズを極力低減した。実験領域を音の伝搬形態の違いによって、A、B、Cの3つに分類する。領域A:気体分子間の平均自由行程(Lmfp)Lmfp≪音の波長 かつLmfp≪d。通常の音波伝搬が観測される領域。平面波を仮定すると、位相速度や減衰定数が音の伝搬距離に依らず一定となる。領域B:10Lmfp>波長 かつLmfp<d。気体を連続体としてみなせない周波数緩和領域。領域C:Lmfp>d。音源からマイクロフォンまで、気体分子間衝突なしに音が伝搬する。この領域の音波を擬似音波と呼び、位相速度が伝搬距離の1/3乗に比例して増加し、減衰定数が伝搬距離の1/3乗に反比例して減少することが理論的に予測される。A領域ではもちろん通常の音波が観測され、見かけ上の減衰が見られたが、これは音源の有限性による平面波からのずれ、言わば幾何学的減衰であり、B,C領域での減衰評価の基礎となる。Bの周波数緩和領域では位相速度と減衰定数の観測値はNavier-Stokes方程式からの予測に近いものが得られた。Cの擬似音波領域で得られた位相・減衰特性は擬似音波のそれらに傾向は近いものの定量的には差があることがわかった。その原因は現在のところ明らかではない。低ガス圧力下での音波伝播の実測例は少なく、これら自身価値がある。加えて、本来の目的である高リュードベリ原子群媒質中の音波伝搬研究のための準備が整ったといえる。