image: This illustration shows atmospheric-pressure low-temperature plasma for medical application. view more
Credit: NINS/NIFS
自然科学研究機構 核融合科学研究所と東京大学大学院 新領域創成科学研究科 物質系専攻の研究グループは、環境保全や医療・バイオ分野への応用が見込まれる、大気圧低温プラズマの電子密度計測方法を開発しました。核融合プラズマ研究における計測技術を応用し、従来は大気の影響で困難であった、干渉計での電子密度計測を可能にしました。
大気圧低温プラズマを有害物質分解などの環境保全や医療・バイオ分野（例えば、図1）に応用する研究は、世界中で行われています。それぞれの分野で最適なプラズマを作るためには、プラズマの物理量を精密に測定し、制御する必要があります。電子密度は基本的な物理量の一つであり、これまで様々な測定方法が用いられてきました。レーザー光を用いた干渉法はプラズマの電子密度計測の代表的な手法ですが、大気圧低温プラズマの場合は、プラズマ内及び周囲の大気の状態変化の影響によって、電子密度を正確に測定することが難しいという問題がありました。 一方、核融合科学研究所で研究を行っている、核融合炉を目指した磁場閉じ込め核融合プラズマにおいても、高精度な電子密度計測手法の開発が大きな研究テーマになっています。
核融合科学研究所の大型ヘリカル装置（LHD）において、プラズマの電子密度を高精度で計測可能なディスパーション干渉計（高調波干渉計）を開発しました。高温プラズマ計測で開発したこの手法を利用することで、図2に示すように、大気圧低温プラズマの高精度計測で問題となる、大気（ガス）の影響を大幅に低減することに成功しました。それにより、電子密度を以前の干渉計よりも高精度でかつ比較的簡易に測定できることを実証しました。
大気圧低温プラズマで精度良く電子密度を測定できることで、経験や試行錯誤だけに頼ることなく、医療・バイオ分野への応用等に最適なプラズマを作ることができるようになります。さらに、電子密度が正確に測定できることで、生体や環境有害物質との作用で重要な活性イオン種の挙動を、コンピューターシミュレーションで解明することが可能となります。 今回開発した高調波干渉計による測定手法は、他の大気圧低温プラズマの電子密度計測手法と比較して、プラズマを作る際に使用するガスの組成によらず、高精度な電子密度測定が可能であるという利点もあります。これにより、大気圧低温プラズマ研究を基礎・応用の両面で大いに加速することが期待されます。
###
Articles:
本研究成果は、以下の論文発表、招待講演で広く一般公開されています。
1. "Application of phase-modulated dispersion interferometry to electron-density diagnostics of high-pressure plasma"
Keiichiro Urabe1,2, Tsuyoshi Akiyama3, Kazuo Terashima1
1 The University of Tokyo, 2 Japan Society for the Promotion of Science,
3 National Institute for Fusion Science
Journal of Physics D: Applied Physics, DOI 10.1088/0022-3727/47/26/262001
（本論文は、2014年6月5日付けで掲載されており、IOP Select論文に選定されました。）
2. "Development of a dispersion interferometer for magnetic confinement plasmas and application to high-pressure plasmas"
T. Akiyama1, R. Yasuhara1, K. Kawahata1, K. Nakayama2, S. Okajima2, K. Urabe3,4,
K. Terashima3, and N. Shirai5
1 National Institute for Fusion Science, 2 Chubu University, 3 The University of Tokyo,
4 Japan Society for the Promotion of Science, 5 Tokyo Metropolitan University
1st EPS Conference on Plasma Diagnostics
Frascati, Italy, April 14-17, 2015
3. "Laser diagnostics of microplasmas on metal and liquid electrodes"
Keiichiro Urabe1,2,3
1Air Liquide Laboratories, 2 The University of Tokyo,
4 Japan Society for the Promotion of Science
8th International Workshop on Microplasmas
Newark, USA, May 11-15, 2015
Contacts:
核融合科学研究所・准教授 秋山 毅志 （TEL: 0572-58-2189 E-mail: takiyama@nifs.ac.jp）
東京大学大学院・新領域創成科学研究科・物質系専攻・教授 寺嶋 和夫 （TEL: 04-7136-3799 E-mail: kazuo@plasma.k.u-tokyo.ac.jp）