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消えるプラズマの時空間構造を支配する物理・化学機構の解明と制御

研究課題

研究課題/領域番号 20H00138
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
研究機関名古屋大学

研究代表者

大野 哲靖  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)

研究分担者 梶田 信  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00455297)
澤田 圭司  信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (40262688)
荒巻 光利  日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
星野 一生  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50513222)
田中 宏彦  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (60609981)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 交付 (2022年度)
配分額 *注記
44,460千円 (直接経費: 34,200千円、間接経費: 10,260千円)
2022年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2021年度: 20,930千円 (直接経費: 16,100千円、間接経費: 4,830千円)
2020年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円)
キーワード核融合 / ダイバータ / 再結合プラズマ / 非接触プラズマ / 非熱平衡過程 / 電子-イオン再結合 / 三体再結合 / 放射再結合 / プラズマ電位計測 / 流体コード / 衝突輻射モデル / 電子再加熱効果 / 分子駆動再結合 / 非熱平衡
研究開始時の研究の概要

プラズマプロセッシングや核融合研究において重要な課題となっている気相中で消えるプラズマの物性を明らかにする。電子・イオン再結合(三体再結合,放射再結合)が主要な過程となる再結合プラズマ中の非熱平衡性,電位構造に関連した熱・粒子輸送過程を,直線型高密度プラズマ発生装置を用いた基礎実験とシミュレーションとの相補的な研究により明らかにする。また,振動励起水素分子により駆動される再結合(分子駆動再結合)プラズマ生成に関して,固体壁で生成される振動・回転励起水素分子の影響と同位体効果を明らかにする。さらに,再結合プラズマのパルス応答を高時間分解で調べ,時空間変化を決定する物理・化学過程を明らかにする。

研究実績の概要

プラズマプロセッシングや核融合研究において重要な課題となっている気相中で消えるプラズマ(非接触プラズマ)の物性,特に電子・イオン再結合(三体再結合,放射再結合)が主要な過程となる再結合プラズマ中の非熱平衡性,電位構造に関連した熱・粒子輸送過程を明らかにする。
非接触プラズマ中のプラズマ電位(VP)計測の高精度化を行った。非接触プラズマ中においても電子温度の計測精度が保証されたダブルプローブ(DP)を用いて,シングルプローブ(SP)による浮遊電位計測を援用した高精度なプラズマ電位計測手法(DSP)を確立した。さらに,加熱用のスイッチング回路を導入したエミッシブプローブ(EP)計測法によるVP計測法も開発した。空間電荷制限効果を考慮することによりEP計測とDSP計測は,電子温度が1eVを下回っている領域においても良い一致を示した。二つの計測手法により非接触プラズマにおいてもVP計測が可能であることを示した。さらに,EP計測とSPの浮遊電位の同時計測により,VPの高時間分解計測手法を開発した。
原子・分子過程の精度が非接触プラズマシミュレーションに対する影響を系統的に調べた。ヘリウム衝突輻射(CR)モデルを用いて流体コードのシミュレーションモデルを高精度化した。CRモデルを用いて電離過程と再結合過程における実効的な速度係数を計算したところ,実効的な速度係数は経験的な速度係数に対して,電離過程では大きく,再結合過程では小さくなることが分かった。また,新たに電子冷却速度係数と放射損失率を計算し,より厳密な電子エネルギー生成項を導入した。この三体再結合による再加熱効果を考慮しない場合はより電子温度が減少した。また,電子温度の低下により,電子密度も大きく減少した。再加熱効果を考慮しないと,電子温度・電子密度ともに過小評価されるため,この効果を考慮することは重要であることが分かった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

実験研究においては,低電子温度で電位揺動が大きい非接触プラズマ中のプラズマ電位分布の計測法を確立することができた。また,空間電荷制限効果を考慮したプラズマ電位の高時間分解計測法も確立した。また,シミュレーション研究においては,ヘリウムプラズマを対象として,衝突輻射モデルを用いて,電離,励起,再結合などの原子・分子データの電子密度・電子温度依存性を詳細に解析して,データベースを構築した。それらのデータを流体コードに組み込むことにより,高精度の非接触プラズマのシミュレーションの可能となった。上記の成果は,国際会議などで発表されるとともに,学術論文としてPhysics of Plasmas誌,Plasma and Fusion Research誌に公表されている。以上より,当該年度の研究は順調に進展したと判断した。
さらに,直線型プラズマ装置の下流側のレーザートムソン散乱計測(LTS)装置の改良(光学系の改良)を行い,より低電子密度で1 eV以下の電子温度計測を可能とした。一方,上流側のLTSの整備を実施しているが,ポートの制限などにより光学系が複雑であり,SNの向上のために迷光対策を含めた改良がさらに必要である。

今後の研究の推進方策

当該年度は,実験及びシミュレーション研究において,主にヘリウムプラズマを対象に研究を進めてきたが,今後,水素プラズマによる分子駆動再結合プラズマに対して研究を進める。流体・衝突輻射コードによる定常非接触再結合プラズマ解析においては,流体コードと改良を加えた中性粒子輸送コードを結合させることにより,非接触(再結合)プラズマの構造,特に再結合フロント近傍の解析を行い,実験との比較検討を行う。また,分子駆動再結合過程による非接触プラズマ形成のモデリングを行うために,多種水素分子イオンを考慮した流体コードの開発を行う。実験的には,現行の直流放電システムでは大きな放電電力時に水素ガス放電が不安定になることを改善するために,放電の安定化のために分割型中間電極群を導入し,放電条件の最適化により,高密度水素プラズマの生成を可能とする。
さらに,非接触プラズマの動的挙動を明らかにするために,非接触プラズマへの摂動印加方法を確立し,非接触プラズマ摂動応答を高時間分解計測(プローブ,分光)により明らかにする

報告書

(2件)
  • 2020 審査結果の所見   実績報告書

研究成果

(18件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件)

  • [雑誌論文] Spatiotemporal dynamics of cross-field ejection events in recombining detached plasma2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hirohiko、Kajita Shin、Natsume Hiroki、Saeki Isaya、Ohno Noriyasu
    • 雑誌名

      Plasma Physics and Controlled Fusion

      巻: 印刷中 ページ: 075011-075011

    • DOI

      10.1088/1361-6587/ab8e19

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cross-field transport in detached helium plasmas in Magnum-PSI2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka H、Hayashi Y、Kajita S、van der Meiden H J、Yoshikawa M、Vernimmen J W M、Scholten J、Classen I、Morgan T W、Ohno N
    • 雑誌名

      Plasma Physics and Controlled Fusion

      巻: 62 ページ: 115021-115021

    • DOI

      10.1088/1361-6587/abb88f

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Evaluation of axial decay length of plasma pressure in detached plasma2020

    • 著者名/発表者名
      H. Tanaka, N. Ohno, S. Kajita, H. Takano, S. Hattori, and Y. Imaeda
    • 雑誌名

      Nuclear Materials and Energy

      巻: 25 ページ: 100812-100812

    • DOI

      10.1016/j.nme.2020.100812

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Detached helium plasma simulation by a one-dimensional fluid code with detailed collisional-radiative model2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka H.、Saeki I.、Ohno N.、Kajita S.、Ido T.、Natsume H.、Hatayama A.、Hoshino K.、Sawada K.、Goto M.
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 27 ページ: 102505-102505

    • DOI

      10.1063/5.0015912

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Application of dynamic mode decomposition to rotating structures in detached linear plasmas2020

    • 著者名/発表者名
      Natsume H.、Tanaka H.、Kajita S.、Ohno N.
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 27 ページ: 042301-042301

    • DOI

      10.1063/1.5134869

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Plasma Potential Measurement in Detached Plasmas by Emissive Probe Considering Space-Charge-Limited Effect2020

    • 著者名/発表者名
      Shogo HATTORI, Hirohiko TANAKA, Shin KAJITA, and OHNO Noriyasu
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 15 号: 0 ページ: 1301082-1301082

    • DOI

      10.1585/pfr.15.1301082

    • NAID

      130007948939

    • ISSN
      1880-6821
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Conditional averaging measurement of spatiotemporal parameter dynamics during cross-field recombining-plasma ejection events2021

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka, S.Kajita, N.Ohno
    • 学会等名
      AAPPS-DPP2020 as e-conference(4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of ejected and rotating structures in linear detached plasmas using dynamic mode decomposition2021

    • 著者名/発表者名
      H.Natsume, H.Tanaka, S.Kajita, N.Ohno
    • 学会等名
      PSI2020(The 24th International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of axial decay length of plasma pressure in detached plasma2021

    • 著者名/発表者名
      N.Ohno, H.Takano, S.Kajita, H.Tanaka, S.Hattori, Y.Imaeda
    • 学会等名
      PSI2020(The 24th International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cross-field transport in detached helium plasmas in Magnum-PSI2021

    • 著者名/発表者名
      H.Tanaka, Y.Hayashi, S.Kajita, H.J.van der Meiden, M.Yoshikawa, J.W.M.Vernimmen, J.Scholten, I.Classen, T.W.Morgan, N.Ohno
    • 学会等名
      PSI2020(The 24th International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Time resolve measuremejt of electron density and temperature by electrostatic probe with conditional averaging method in pulsed capacitively coupled plasma2020

    • 著者名/発表者名
      S. Hattori, B.B. Sahu, H. Tanaka, T. Tsutsumi, S. Kajita, M. Sekine, M. Hori, N. Ohno
    • 学会等名
      ITC29(The 29th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on heat pulse transport in detached recombining plasma in linear plasma device Magnum-PSI2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Hayashi, H. Tanaka, S. Kajita, N. Ohno, T.W. Morgan, H.J. van der Meiden, J. Scholten, J.W.M. Vernimmen
    • 学会等名
      ITC29(The 29th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ヘリウムプラズマ再結合フロント構造への不純物ガス入射の影響2020

    • 著者名/発表者名
      服部聖悟、田中宏彦、梶田信、大野哲靖
    • 学会等名
      プラズマ・核融合学会第37回年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] NAGDIS-IIにおける水素プラズマのレーザートムソン散乱計測と放電特性2020

    • 著者名/発表者名
      今枝陽平、大野哲靖、梶田信、田中宏彦。服部聖悟、榊原武寛
    • 学会等名
      プラズマ・核融合学会第37回年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 空間非一様な輸送係数を導入した非接触プラズマシミュレーション2020

    • 著者名/発表者名
      夏目祥揮、田中宏彦、梶田信、服部聖悟、井戸太一、大野哲靖
    • 学会等名
      プラズマ・核融合学会第37回年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] LINDAコードを用いた水素原子・分子イオンが共存する非接触プラズマモデリング2020

    • 著者名/発表者名
      井戸太一、田中宏彦、大野哲靖、夏目祥揮、梶田信、澤田圭司、右田龍星、羽下健太、畑山明聖、星野一生
    • 学会等名
      プラズマ・核融合学会第37回年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Magnum-PSI非接触プラズマ中における非拡散的輸送増大現象2020

    • 著者名/発表者名
      田中宏彦、林祐貴、梶田信、 H.J.van der Meiden、吉川正志、J.W.M.Vernimmen、J.Scholten, I.Classen, T.W.Morgan、大野哲靖
    • 学会等名
      プラズマ・核融合学会第37回年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] NAGDIS-IIヘリウムプラズマ統合コード構築をめざした中性粒子輸送コードの整備2020

    • 著者名/発表者名
      増田翔太、右田龍星、澤田圭司、羽下健太、夏目祥揮、井戸太一、田中宏彦、大野哲靖
    • 学会等名
      プラズマ・核融合学会第37回年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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