2020 Fiscal Year Research-status Report
Study on stabilization of plasma using chaos theory
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20K03895
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
福山 隆雄 長崎大学, 教育学部, 准教授 (20403800)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | カオス / 大気圧プラズマ / 電離波動 / 制御・安定化 / 同期現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大気圧中において２つのアルゴン放電プラズマ（火花放電プラズマ）を生成し，それら２つの火花放電を同時に発生させて，相互作用によって１本の放電経路に統合（合体）させた場合の力学的挙動を調べた。プラズマ発光強度の揺らぎの時系列について，ラインスキャンカメラを用いて測定し，データの補間後，パワースペクトル，振幅・位相相関，最大リアプノフ指数の計算に用いた。その結果，相互作用・統合（合体）前には，それぞれの系の時系列はカオス的な振動を呈する一方，相互作用・統合（合体）中には，それぞれの系の時系列の振動はコヒーレントになり，周期化することを明らかにした。
さらに，プラズマ中の陽光柱における，電離波動で観測される非線形現象に関する研究を進めた。プラズマ発光強度の揺らぎの時系列について，フォトダイオードやラインスキャンカメラを用いて光学的に測定し，パワースペクトルやSN比，最大リアプノフ指数などの，カオス解析の計算に用いた。プラズマ中の電離波動において，光強度の揺動によって観測されるカオスに対して，①周期外力として電場が印加された場合，②光信号を電気信号に変換してシステムにフィードバックした場合について，カオス軌道がどのような過程を経て周期化するのか研究し，①②の両方とも，同じ程度の外力の大きさで系が周期化されること，また，外力の強さを徐々に上昇させていった場合，一定のSN比で飽和するということを，実験およびカオス解析を通して明らかにした。
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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
本研究では，グロー放電下の陽光柱における電離波動の同期現象に関する研究，および，そこから得られた知見を活用して，まず，大気圧プラズマジェットの時間・空間構造を測定し，続いて，プラズマジェットを用いた同期現象の研究を通して大気圧プラズマジェットの安定化を試みることを目的としている。
電離波動の同期現象に関する研究については，外力としての周期的な電場に関する同期，フィードバックによる系の周期化を中心として，同期のメカニズムを調べている。これまでに得られた成果は，Journal of the Physical Society of Japan 誌において発表した。
大気圧プラズマに関する研究については，まずは大気圧における火花放電を発生させて，非常に強い結合（合体）によって，系が周期化することを見出してきている。得られた成果は，Plasma and Fusion Research 誌において発表した。
このように，研究はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究をふまえて，今後は以下のように本研究を推進する。
カオス的な状態を呈するプラズマ中の電離波動に関して，周期外力やフィードバックなどの摂動に対する系の応答についての研究を進め，電離波動の同期現象に関する知見を深めることを目的として研究を推進する。具体的には，カオス状態を呈するプラズマ中の電離波動を周期化するとき，必要な周期外力の強度は，フィードバックを有する系では，有しない系と比べて違いがあるのか，もし違いがあればそれはなぜかを，明らかにするべく研究を進める。
また，大気圧中における火花放電の合体に関する研究から得た知見に基づいて，大気圧プラズマジェットを発生させ，それをカオス理論の一つである同期現象を応用して制御し，新たな知見を得ることを目的として研究を推進する。具体的には，大気圧下において，２本のヘリウム・プラズマジェットを発生させ，それらを相互作用させることで発光の同期現象が生じるかどうか，ハイスピードカメラを用いた観測を通して研究する。さらに，２つのプラズマジェットが相互作用するときに，どのような空間構造を形成するのかに着目して研究を推進する。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍のため研究打ち合わせ等がオンライン化され，旅費が不要になり，次年度使用額が生じた。本年度にコロナ禍が与える影響は予測できないが，オンライン等の整備に活用し，研究の進展に資する使用を計画している。
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