2021 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanism elucidation of spatio-temporal structure formation of sheath fluctuation using optically trapped fine particles in plasmas
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20H00142
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
白谷 正治 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (90206293)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 達哉 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30733703)
布村 正太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (50415725)
石川 健治 名古屋大学, 低温プラズマ科学研究センター, 教授 (60417384)
鎌滝 晋礼 九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (60582658)
富田 健太郎 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70452729)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ゆらぎ / 高アスペクト比 / エッチング / 光ピンセット / 微粒子プラズマ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シース電場の時空間構造揺らぎ形成機構の解明とこの電場揺らぎとエッチング形状揺らぎの関係解明を目的とする本研究では、4年間の研究期間において次の2項目について明らかにする。1)光捕捉微粒子を用いた低侵襲・超高感度電場計測法によるシース電場の時空間揺らぎ計測・解析(1-3年目)。2)高アスペクト比構造を用いた入射イオンの振る舞い解析(3-4年目)。2年目（2021年度）は、3次元計測用プラズマ装置の製作を行うとともに、電場計測の定量評価に最も重要である、電場較正を行い、光線光学モデルによる力の計算のとのずれは約3%であり高い精度でレーザー光による力が計算できることが確認できた。次にレーザーパワーをパラメータとして光捕捉微粒子を電極に対して水平方向に100μmごとに移動したところ、微粒子の電極に対して垂直方向（z方向）の位置は、バルクプラズマ方向へ移動した。またレーザーパワーを増加させるとレーザーの垂直方向の力の増加により微粒子のz方向の位置がバルクプラズマ側へシフトし光捕捉力の増加により微粒子が光捕捉から離脱するまでに水平移動させることができる距離が増加した。
また、力のつり合いから、各微粒子位置における垂直方向と水平方向の電場強度EzとErを評価し、zr平面における電場ベクトルの空間分布を評価することに成功した。
次に、プラズマ中光捕捉微粒子の位置揺動からプラズマ電場揺動を求めた。電場強度、電場揺動はプラズマ中の位置に強く依存し、水平方向の電場強度が強くなる位置では,水平方向の電場揺動が大きくなる傾向にあることを明らかにした。
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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
今年度予定していた検討事項のうち、予定していた研究項目1)光捕捉微粒子を用いた低侵襲・超高感度電場計測法によるシース電場の時空間揺らぎ計測・解析(1-3年目)。について、電場計測および電場揺らぎの2次元分布評価、および３次元計測への準備など、研究目的達成へのマイルストーンを着実にクリアできているところから、おおむね順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
３年目にあたる2022年度は、z方向の微粒子運動を評価するとともに、２つの微粒子を同時にプラズマ中で光捕捉し、2体粒子間の相互作用について検討を開始する。光捕捉されたプラズマ中微粒子には、レーザー光捕捉力、静電力、イオン粘性力、ガス粘性力が作用し、これらの揺らぎに起因して微粒子捕捉位置からの揺動が発生する。イオン粘性やガス粘性、電荷の揺らぎの影響を除去し、電場の時空間動態を計測するため、プラズマ中２体微粒子に作用する力（シャドー効果による引力とクーロン斥力）を起因とした微粒子のふるまいを明らかにする。加えて、捕捉微粒子位置のz方向ゆらぎを評価することで、2年目までに実施したxy方向の電場揺らぎを3次元の電場揺らぎに拡張する。今後の研究推進において考えられる課題の一つに、微粒子帯電量の評価がある。現在 微粒子の帯電量はOML理論により導出しているこの帯電量を較正する必要がある。較正実験方法としてはダストプラズマ周波数を用いたものが考えられる微粒子はダストプラズマ周波数によって振動しているダストプラズマにAM変調をかけることで微粒子は変調周波数で振動しダストプラズマ周波数と変調周波数の共振を調べることで帯電量が求められる。この実験を行うための実験装置改造が今後必要になる。もう一つの校正方法としては微粒子のクーロン力を利用したものがある。プラズマ中に2つの微粒子を浮遊させ微粒子を近づけることで発生するクーロン力を光ピンセットで計測する。クーロン力とレーザーの力のつり合いにより帯電量を計測する。
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[Presentation] 光ピンセットによる捕捉微粒子を用いたArプラズマ中の電場強度分布及び電場揺動計測2022
Author(s)
鎌滝晋礼, 奥永冴京, 佐藤斗真, 富田健太郎, P. Yiming, 山下大輔, 山下尚人,奥村賢直, 板垣奈穂, 古閑一憲, 白谷正治
Organizer
第69回応用物理学会春季学術講演会
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