グロー放電プラズマの電離度測定装置の開発

• Project/Area Number: 15H00368
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 工学Ⅱ-A(電気・電子系)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 三輪 美沙子 東北大学, 工学部・工学研究科, 技術一般職員
• Project Period (FY): 2015
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2015: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: プラズマ / PLC

Outline of Annual Research Achievements

本開発では、プラズマの生成過程に着目し、より深いプラズマ生成メカニズムの理解を支援するための「プラズマの電離度測定装置」を製作した。具体的には、放電管中に設置したプローブへの印加電圧Vpをスイープさせながらプローブに流れる電流Ipを測定し、得られたVp-Ip特性のグラフを用いてプラズマの電離度を導出する。この実験を行うために必要となる放電管、プローブ、電極、真空計装置、保護抵抗等は、既存の装置を使用した。これらの既存の装置に以下の機構を追加で製作することで、プラズマの電離度測定を学生が安全かつ効率的に行えるようなシステムを構築した。
・プラズマ生成用の高圧直流電源の制御システム
プラズマ生成用の高圧電源の制御にはプログラマブルロジックコントローラー(PLC)を用いた。電源としては、外部からのOV-10Vの信号で出力電圧および電源のON、OFFを切り替えられるものを使用し、プログラマブルロジックコントローラーのDAC出力値で電圧値の連続的な制御および、10モジュールで電源の出力の切り替えを行うようにすることで、プラズマ生成に関わる電源電圧の制御をPLC経由でパソコンからの操作が可能になった。
・ 測定値のデジタル化とオンライン解析プログラム
プラズマの電離度の導出は、Vp-lp特性の飽和領域に対して接線を引き、得られたY切片の値を基にいくつかの計算をする必要があるが、放電管内の発光状態を刻々と変化させながら電離度の推移を追いかけることを可能としたかったため、オンライン解析プログラムを製作した。具体的には、PLCのADCモジュールで電源の電流値、電圧値、電源のON ・ OFF等のステータスを断続的に読み込み、得られた測定値のデジタル値を、PLCの通信モジュールを用いてパソコンに転送し、LabViewを用いて製作したプログラムで演算おおびグラフ描画等をさせる。
以上のような装置の開発を行い、学生実験用のプラズマ電離度測定装置を製作した。オンライン解析プログラムに関しては、大人数の学生の使用に合わせて、実際の学生の使用に合わせて改良を加える必要がある。