超高速度速度シアをもつ微粒子クーロン流体のミクロ構造成長

• Project/Area Number: 19654086
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Plasma science
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 飯塚 哲 Tohoku University, 大学院・工学研究科, 准教授 (20151227)
• Project Period (FY): 2007 – 2009
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2009)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2009: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2008: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2007: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
• Keywords: 微粒子プラズマ / ダストプラズマ / クーロン流体 / 速度シア流 / ミクロ不安定 / カオス / クーロン相互作用 / 強結合プラズマ / 渦 / レイノルズ数

Research Abstract

本研究では、超高速の速度シアを持つ微粒子流を形成することにより、微粒子間サイズ長を持つミクロ的な渦列や、乱れ・揺動などのミクロ構造の発生と成長過程を明らかにする。
今年度は最終年度であり、微粒子対向シア流の境界領域に発生する揺動の観測を中心に実験を行ない、以下の成果を得た。
(1)速度シアが4s^<-1>程度になると、境界領域の微粒子の流れが乱れ始め、さらに速度シアを増すと渦流のような乱流状態になる。このことは微粒子クーロン粘性係数をもつナビストークス流体方程式から得られる不安定性の発生条件とほぼ一致することが分かった。
(2)渦流の発生は微粒子駆動力、放電電流、背景ガス庄力に依存し、これらの値によって結合パラメータΓ、及び微粒子揺動の成長・減衰定数が変化し、揺動が発生することが分かった。
(3)本実験系では微粒子駆動力を与えるための中性粒子流が背景として存在することが分かった。
(4)微粒子流に発生する揺動の周波数スペクトルを計測する方法として2つの方法を考案した。第1として個々の微粒子の軌跡を追跡し、その軌道変化を解析する方法であり、第2として定点を通過する微粒子の平均的揺動を観測し、解析する方法である。前者は短時間の計測しかできないのに対して、後者は長時間計測が可能となる。
(5)上記後者の計測法を用い、微粒子揺動の時系列データから揺動を支配している複雑性の評価を行なった。3次元位相空間での揺動の軌跡は平面に近いアトラクタを持つことが分かった。また相関次元の解析から、この揺動の次元は約2.4となり、非整数となることが分かった。また、リアポノフ指数のうち少なくとも1つは正となり、カオス的な振舞いを示すことが分かった。
以上により、微粒子速度シア流によるミクロ構造形成の非線形的振舞いが解明された。

Research Products

• [Journal Article] Generation of two-dimensional dust vortex flows in a direct current discharge plasma (2009)
  • Author(s): Giichiro Uchida
  • Journal Title: Physics of Plasmas 16
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Liqid-crystal phase transition by electron shower in a direct currect complex plasma (2009)
  • Author(s): Giichiro Uchida
  • Journal Title: Physics of Plasmas 16
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic behavior of dust flow with velocity shear in rf plasma (2009)
  • Author(s): Takuma Gohda
  • Journal Title: J.Plasma Fusion Res.SERIES 8 Pages: 936-939
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-excited irregular oscillation of positively charged fine particles in magnetized double plasmas (2009)
  • Author(s): Satoru Iizuka
  • Journal Title: J.Plasma Fusion Res.SERIES 8 Pages: 269-272
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vortex formation in a high speed dust flow with large velocity shear in RF plasmas (2008)
  • Author(s): Satoru Iizuka
  • Journal Title: Multifacets of Dusty Plasmas Pages: 229-230
• [Journal Article] Sustainment of fine particle cloud by means of time-averaged particle driving force in plasmas (2008)
  • Author(s): Takuma Gohda
  • Journal Title: Multifacets of Dusty Plasmas Pages: 231-232
• [Journal Article] Dynamic Behavior of Dust Flow with Velocity Shear in RF Plasma (2008)
  • Author(s): Takuma Gohda
  • Journal Title: International Conference on Plasma Physics Pages: 259-259
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-Excited Irregular Oscillation of Positively Charaed Fine-Particles in Magnetized Double Plasmas (2008)
  • Author(s): Satoru Iizuka
  • Journal Title: International Conference on Plasma Physics Pages: 105-105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dust behavior in dust flow with velocity shear in RF plasma (2008)
  • Author(s): Takuma Gohda
  • Journal Title: International Interdisciplinary?Symposium on Gaseous and Liquid Plasmas Pages: 101-104
• [Journal Article] Dust behaviors in dust shear flow in RF plasmas (2008)
  • Author(s): Takuma Gohda
  • Journal Title: International Interdisciplinary-Symposium on Gaseous and Liquid Plasmas Pages: 110-111
• [Journal Article] Handling of fine-particles by time-averaged particle driving method in plasmas (2007)
  • Author(s): Satoru Iizuka
  • Journal Title: Thin Solid Films 515 Pages: 4182-4186
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic behavior of dust flow with velocity shear (2007)
  • Author(s): Takuma Gohda
  • Journal Title: 8th Workshop on Fine Particle Plasmas Pages: 18-18
• [Presentation] RFプラズマ中における微粒子速度シア流の揺動 (2010)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: 日本物理学会第65回年次大会
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-23
• [Presentation] RFプラズマ中微粒子速度シア流の揺動 (2009)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: 日本物理学会第64回年次大会
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-25
• [Presentation] RFプラズマ中の速度シア流による微粒子挙動 (2009)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 立教大学, 東京
  • Year and Date: 2009-03-26
• [Presentation] RFプラズマ中微粒子シア流における微粒子挙動 (2009)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: プラズマ科学シンポジウム, 第26回プラズマプロセツシング研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学豊田講堂シンポジオン, 名古屋
  • Year and Date: 2009-02-02
• [Presentation] Dynamic Behavior of Dust Flow with Velocity Shear in RF Plasma (2008)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: International Conference on Plasma Physics
  • Place of Presentation: 福岡国際会議センター, 福岡
  • Year and Date: 2008-09-08
• [Presentation] Self-Excited Irregular Oscillation of Positively Charged Fine-Particles in Magnetized Double Plasmas (2008)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: International Conference on Plasma Physics
  • Place of Presentation: 福岡国際会議センター, 福岡
  • Year and Date: 2008-09-08
• [Presentation] Dust behavior in dust flow with velocity shear in RF plasma (2008)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: International Interdisciplinary-Symposium on Gaseous and Liquid Plasmas
  • Place of Presentation: ホテルクレセント, 秋保, 仙台
  • Year and Date: 2008-09-05
• [Presentation] Vortex formation in a high speed dust flow with large velocity shear in RF plasmas (2008)
  • Author(s): 飯塚哲
  • Organizer: 5th International Conference on Physics of Dusty Plasmas
  • Place of Presentation: アゾレス大学, ポンタデルガダ(ポルトガル)
  • Year and Date: 2008-05-19
• [Presentation] Sustainment of fine particle cloud by means of time-averaged particle driving force in plasmas (2008)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: 5th International Conference on Physics of Dusty Plasmas
  • Place of Presentation: アゾレス大学, ポンタデルガダ(ポルトガル)
  • Year and Date: 2008-05-19
• [Presentation] RFプラズマ中における微粒子シア流の挙動 (2008)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 近畿大学
  • Year and Date: 2008-03-22
• [Presentation] Dynamic behavior of dust flow with velocity shear (2007)
  • Author(s): Takuma Gohda
  • Organizer: 8th Workshop on Fine Particle Plasmas
  • Place of Presentation: 核融合科学研究所
  • Year and Date: 2007-12-20
• [Presentation] 電離非平衡プラズマ中高速ダスト流の生成と渦形成ダイナミクス (2007)
  • Author(s): 飯塚 哲
  • Organizer: 日本天文学会
  • Place of Presentation: 岐阜大学
  • Year and Date: 2007-09-26
• [Presentation] RFプラズマ中における微粒子シア流の形成と微粒子挙動 (2007)
  • Author(s): 合田巧真
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2007-09-21