表面波プラズマのフィラメント配列とプラズマフォトニック結晶
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21K03519
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14030:Applied plasma science-related
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| Research Institution | Iwate University |
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Principal Investigator |
向川 政治 岩手大学, 理工学部, 教授 (60333754)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鎌田 貴晴 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (50435400)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | マイクロプラズマ / 自己組織化 / 誘電体バリア放電 / 散逸ソリトン / マイクロ波放電 / フィラメント化 / プラズマフォトニック結晶 / 容量結合方式 / プラズマ / マイクロ波 / フォトニック結晶 |
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| Outline of Research at the Start |
マイクロプラズマは、微小寸法の放電空間に発生し、高密度・非平衡を特徴とするプラズマである。大気圧下でのマイクロプラズマの生成には、安定生成のため誘電体バリア放電やマイクロ波放電が用いられる。これらは特定の条件下で空間対称性の高い放電形態を示し、自己組織構造が自発的に生成されることがあり、特に、フィラメント状の放電は、その高い局在性からプラズマフォトニック結晶（マイクロプラズマが周期的に配置された空間）を実現する候補である。本研究では、マイクロ波放電や誘電体バリア放電のフィラメント構造をフォトニック結晶とみなし、電磁波禁制帯の制御性を実験的・理論的に検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、屈折率の周期構造をマイクロプラズマで実現し、電磁波制御デバイスとしてのプラズマフォトニック結晶の実現方法として提案し、電磁波と散逸ソリトンの基本相互作用の学理を探求する。令和4年度では、（１）大気圧窒素流速場中における100kHzマイクロギャップDBD のフィラメント構造の観測、（２）準大気圧におけるマイクロ波放電プラズマのフィラメント状構造の測定を行った。
（１）では、昨年度に引き続きICCDカメラによる撮影と画像処理による解析を行った。目視ではストライプ構造に見える放電様相を露光時間を徐々に減少させ１ショットで観測し、約50～100μsの露光時間（5～10サイクル）で観測される六角構造フィラメントの形状変化から１フィラメントの移動速度を求めた。ギャップ長0.14 mm、印加電圧2.7 kVでのフィラメントは流量2.0 L/minの流速場中では62.5 mm/sの速度で下流側に移動する放電電流の立ち上がりから露光時間1μs（1/10サイクル）で観測されるフィラメント配置は六角構造を成さず、窒素μDBDではフィラメントは同時に現れてないことがわかった。
（２） では、昨年度に引き続き10GHz近傍の電磁波の制御を想定し、空洞共振器としての真空容器内に棒電極を設置しフィラメント状構造を生成した。200～500 hPa の準大気圧、電源入射電力450 W,500 Wの条件では、プラズマ長は約45 mmで圧力依存性が小さく、300 Wでは圧力の増加とともにプラズマ長は減少する。この圧力の範囲内では入射電力の増加にともない投入電力は穏やかに上昇し、反射電力は整合点で0 W、整合点から遠ざかると大きくなる。入射電力500W以上で投入電力は徐々に増加するが、反射電力の増加とともに回路損失が増大し投入電力に対するプラズマに投入される電力の割合は減少しフィラメント長は飽和する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、屈折率の周期構造をマイクロプラズマの自己組織化で実現し、電磁波制御デバイスとしてのプラズマフォトニック結晶の実現方法として提案し、この研究を通じて、電磁波と散逸ソリトンの基本相互作用（電磁場がプラズマ自己組織化に及ぼす相互作用）の学理を探求することを目的としている。科研費申請時の当初計画では、BSO 結晶のポッケルス効果による電荷密度分布測定をパルスレーザとCCDカメラの組み合わせで行うこととしていたが、予想外の予算配分の少なさの関係で入手できず、見送ることとなった。しかし、本研究には実験や計算において多くの方向性があるので、本来の目的であるＰＢＧ生成に適したフィラメント構造をつくることや、このフィラメント構造の制御可能な範囲の特定については、研究室の資源を活用することで順調に進んでいるので、結果的に進捗は順調とみなせることとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和５年度は、令和４年度の研究成果に基づき、大気圧窒素マイクロギャップDBDの観測を行い、各種条件の下でフィラメント移動速度を測定する。令和４年度の研究の成果を手掛かりに、六角構造の生成の起源、フィラメント構造の起源の解明を実験的に行うための基礎情報の収集を行う。また、令和３年度の窒素放電の自己組織化の観測調査の結果、フィラメント配列の隙間に線状や微細スポットが観測され、これはフィラメントの六角構造の形成の初期に表れることが知られている。この解明のため、BSO 結晶のポッケルス効果による自己組織構造の電荷密度分布測定については、CCDカメラの入手を別財源に求め、継続可能性を模索したい。また、大気圧マイクロ波放電プラズマを用いたフィラメント状構造の生成では、複数本のフィラメントの生成の可能性を模索し、プラズマフォトニック結晶への応用に近付ける。空洞共振器内の電磁界分布の知見が有用と思われるので、実験的な手法で電界強度分布の推定を行う予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(23 results)
