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各種放電プラズマに適用可能なシャックハルトマン型電子密度分布可視化装置の開発

 放電プラズマ内の現象は極めて複雑であるため、物理機構に不明な点も多く、基礎物理量の計測が問題解決の重要な鍵を握っている。

 開発者らは、全ての放電プラズマが屈折率という基礎物理量を持つことに着目した。この普遍的物理量はシャックハルトマン型レーザ波面計測法を利用すれば、高精度かつ高感度に視覚化できるため、放電プラズマの種類に依存しない汎用型可視化装置が実現できる。まず、レーザ波面の歪みノイズ除去に成功することで測定精度を劇的に改善し、測定を繰り返すことなく単一の測定で電子密度分布をその場測定できる可視化装置を世界で初めて開発した。次に、主要部品であるマイクロレンズアレイ等を独自に設計・開発することで、経時変化する電子密度を従来の1000 倍の測定感度で可視化することに成功した。この世界に先駆けて開発した電子密度可視化装置は、サブμs の時間分解能、100μm の空間分解能、1020m-3 の測定感度を有する。更に、全ての放電プラズマに対し電子密度の経時変化が単一測定で可視化できるため、多様な社会的計測需要に応えうる汎用型実用装置である。そしてこれらの装置を空気中およびSF6 ガス中アーク放電や真空プラズマ等に適用することで、その高い汎用性や有用性を実証した。

 また近年では、環境や医療、エネルギ分野で活用が期待されるストリーマ放電、真空開閉器や真空放電応用機器のキーとなる真空中の電子放出・アーク放電などに対しても本装置の適用を進めている。こうした適用範囲の急速な拡大に加え、本汎用型電子密度可視化装置による測定結果がもたらす新知見により画期的な技術進展が期待できる。



 本研究の成果に対して、電気学会は、2015年、稲田 優貴 (東京大学)、熊田 亜紀子 (東京大学)、日髙 邦彦 (東京大学)に電気学術振興賞 進歩賞を贈った。

文献

[1] Y. Inada, H. Matsumoto, S. Matsuoka, A. Kumada, H. Ikeda, and K. Hidaka, 「A Shack–Hartmann laser wavefront sensor for measuring electron density in low-current arc」, Electrical Engineering in Japan, Vol. 181, No. 4, pp. 1-8, 2012.
[2] Y. Inada, S. Matsuoka, A. Kumada, H. Ikeda, and K. Hidaka, 「Shack–Hartmann type laser wavefront sensor for measuring two-dimensional electron density distribution over extinguishing arc discharge」, Journal of Physics D: Applied Physics, Vol.43, p. 435202, 2012.
[3] Y. Inada, S. Matsuoka, A. Kumada, H. Ikeda, and K. Hidaka, 「Highly sensitive Shack–Hartmann sensor for two-dimensional electron density imaging over extinguishing arc discharges」, Measurement Science and Technology, Vol.25, p. 055201, 2014.
[4] Y. Inada, S. Matsuoka, A. Kumada, H. Ikeda, and K. Hidaka, 「Multi-time electron density imaging over arc discharges around the current zero point」, Journal of Physics D: Applied Physics, Vol.47, p. 175201, 2014.
[5] 稲田優貴、神谷朋輝、松岡成居、熊田亜紀子、池田久利、日髙邦彦、「シャックハルトマン装置による真空アーク放電内の2 次元粒子密度分布測定」、平成26 年放電・静止器・開閉保護合同研究会、ED-14-076、SA-14-063、SP-14-032、 pp.79-84、 2014.

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放電プラズマ、電子密度分布、レーザ波面計測
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