2016 Fiscal Year Research-status Report
磁界分界面がプラズマ中電子に及ぼすエネルギー選択的シャッタ・フィルタ効果の解析
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16K05626
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
菅原 広剛 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (90241356)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 磁化プラズマ / 対向発散磁界 / 閉じ込め効果 / フィルタ効果 / 電子運動 / 分界面 / モンテカルロ法 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
対向発散磁界分界面による誘導結合型低気圧プラズマ中の電子閉じ込め効果・フィルタ効果の機能・用途開拓のため，計画に沿って，その基礎特性の計算機解析プログラムの調整整備と評価条件の吟味検討を行い，次の成果を得た。
１．閉じ込め効果定量化に必要な電子脱出判定において，磁力線の周りの電子旋回運動に伴う見かけの脱出を排するため，電子の分界面通過だけでなく電子旋回中心の分界面通過を判定条件に加えた。また，見かけの脱出中でも衝突により閉じ込め領域外に化学反応面で影響を与えることを踏まえ，閉じ込め領域外での衝突も脱出とみなした。従来法で脱出と判定されていた事象の数割が見かけの脱出であった。新基準により分界面通過位置で電子を区別したところ，分界面中央の弱磁界域（電子旋回径大で閉じ込めが働き難い磁気的開口部）を通過した電子には低エネルギー電子が，その外側の強磁界域で磁力線を横切る方向へ移流・拡散し分界面を通過した電子には高エネルギー電子が多い傾向を観察した。
２．装置設計指針提示に向け，アンテナ配置・容器形状を変え，その影響を観察した。アンテナを容器天井から側壁へ移すと電力投入域（イオン生成域）の拡大が見られた。材料処理などの際には基板の近くでイオン生成ができ効率的と期待される。また，プラズマ容器下部の基板設置部を広げバイアス電圧を広範に印加することでイオンをより均一な分布で導ける可能性が見出された。
３．前述１，２においてプラズマ反応や電子輸送を定量評価するための基礎となる電子速度分布関数および電子輸送係数の安定な算出法として，ボルツマン方程式の数値計算法であるプロパゲータ法を電磁界下の系に拡張した。電磁界下の電子速度分布関数と代表的電子輸送係数が適正に算出できることを確認した。
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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
初年度の取り組みとして計画した通り，シミュレーションモデルとプログラムの調整を行うとともに，以降の分界面通過電子統計取得に必要な閉じ込め効果脱出判定条件について吟味し，シミュレーションにおける即時判定に適した条件を定めた。ここで定めた条件は，これを用いた電子脱出統計の試験的シミュレーション結果とともに国内外の学会・国際会議等で発表し，査読付レターとして論文誌に掲載も決定している。
装置設計指針の検討材料となる形状依存性については，計画を前倒しして着手できた。アンテナ配置に応じた特徴的な構造が観察されており，以降の詳しい解析が待たれる。
また，対向発散磁界に特有な電子輸送の特性を識別するための比較基準となる電磁界下の電子輸送係数を安定的に算出する計算法を新たに開発し，磁化プラズマとその基礎過程の解析に資するシミュレーション技法の面でも新たな展開の方向性を見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的には計画に沿って解析を進める。初年度に構築した閉じ込め効果からの電子脱出判定条件を組み込んだプログラムを用い，分界面通過（閉じ込め脱出）経路により電子を区別して電子エネルギー分布を取得し，分界面によるシャッタ効果・フィルタ効果を，選択性に焦点を当てて制御特性の面から定量的に検討する。
また，アンテナ配置等を変えたモデルによる解析を進める。特にイオン生成に直結するプラズマへのエネルギー投入の様態（空間分布，各種条件依存性）を引き続き調べ，反応活性種生成と輸送の効率化に向けた知見を得ることに繋げる。
更に，初年度に新たに開発した電磁界下のボルツマン方程式解法とそれによる電子速度分布関数・電子輸送係数の解析結果を活用し，電磁界下電子輸送の基礎過程に関する一般的知見を基に対向発散磁界諸特性の特徴づけを行い定量評価と機能に関する議論の補強を図る。
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| Causes of Carryover |
論文誌掲載が決定した研究成果の公開時期が初年度末以降となったことから，掲載料・別刷代等は第２年度に支出の見込みとなった。また，計画していた作図用現有旧版ソフトウエアの更新は，論文投稿を見込んでいた論文誌で計画初年度中の関係課題特集論文募集が見送られたことと新規導入したデータ管理・ソフトウエア運用環境で現有代用ソフトウエアの互換性が得られたことから更新を持ち越し，初年度に前倒し実施した内容と新規展開が見られた内容を踏まえこの先見込まれる解析に適した最新のソフトウエアを導入するため改版内容等を見極めた後とした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
論文掲載料・別刷代等は掲載決定となった成果物が公開され手続き可能となり次第支出する。ソフトウエア等は最新の改版状況ならびに研究の展開を踏まえ，第２年度に導入を計画していた計算機システムの一部として合算使用することも検討しつつ，目的に適したものを選び導入する。また，第２年度に本研究課題に関する国際会議招待講演を受諾したことを踏まえ，余裕が生じれば旅費への充当も調整する。
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