2020 Fiscal Year Research-status Report
Computational analyses on asymmetric directional electron transport and partial resonance originating in the arrangement of electric and magnetic fields in inductively coupled magnetized plasmas
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19K03780
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
菅原 広剛 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (90241356)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁化プラズマ / 電磁界配位 / 電子エネルギー利得機構 / 電子サイクロトロン共鳴 / 電子輸送 / 交流電界応答特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
材料プロセス用弱電離プラズマの磁界制御技術の基礎として電磁界下電子群の指向性挙動やプラズマ維持に関わる電子のエネルギー獲得過程への磁界の作用に注目し，計算機シミュレーションによる解析を通じて主に次の３点について検討を進めた。
１．交流電界直流磁界下実気体中電子平均速度応答の解析：プロセスガスを代表するフッ素，アルゴン，四フッ化炭素中の電子平均速度を算出し楕円ベクトル軌跡として視覚的に表現した。気体中の電子輸送過程の特徴を表す楕円軌跡の歪みを各気体固有の電子衝突断面積構成に起因する散乱（指向性減殺）の効果と関連付け定量評価を試みた。また，電子平均速度電界方向成分の振幅や電界との位相差について極大値他特徴的値を取る条件を検討した。一定衝突周波数理論モデルによる簡素化近似理論値と実ガスの数値計算結果を比較し，効率的電子エネルギー獲得条件を議論した。
２．実機系磁界下部分共鳴効果の解析：実機への印加を想定する対向発散磁界の下の電子軌道を計算し，磁界強度が電子サイクロトロン共鳴磁界強度の概ね１～２倍となる領域（部分共鳴域）で運動する電子のエネルギーが増加する傾向を観察した。電子運動方程式の初期値には複数の変数の多様な組み合わせが考えられるため，部分共鳴発現条件特定のために次年度に計画している多角的な電子運動追跡に向け，主要な変数の選定方法やその範囲の取り方を検討した。また，励磁コイルの間隔を狭めると部分共鳴域を変形拡大できることを見出し，拡大された部分共鳴域での電子運動を試験的に観察した。
３．電子速度分布関数長期緩和過程計算法の開発：電子運動が束縛され緩和が遅くなりがちな磁界下の電子速度分布関数の長期緩和過程計算への将来的適用を見据え，先進的計算機系での実現が期待される効率的行列計算を利用する電子速度分布関数計算法を案出し原理実証するとともに磁界下の系への適用法を検討し提案した。
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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
第２年次に当たる本年度は冒頭より新型コロナウイルス感染症への対応により所属機関における研究活動に諸制限が課せられ，通常業務の負担増もあって本研究課題に充てるエフォートの確保も難航した。例年成果発表の場としていた国内外の学会発表についても開催自体の有無や形式，海外開催の場合は渡航可否など，直前まで不確実な要素が多くあったため一部参加を見送った。
一方で，前年度の成果をまとめた論文の投稿から出版までの諸作業に当たるとともに，継続的・発展的課題については計算機解析を進め，後段の多角的で大規模な本格計算に向けた解析データの特徴抽出や評価方法についての検討と知見の蓄積に努めた。
また，研究計画では終盤の実施あるいは発展的課題としていた実機系の磁界設計に関する一部内容については，順序が前後したが，次年度に向けた設計変更や付随して行われる予定の電子運動追跡の予備計算などに先行着手した。
さらに，本研究で扱う電磁界下電子輸送過程の基礎情報となる物理諸量の長期緩和過程数値計算法についても新たな着想を得て技術実証結果や拡張方法に関する議論を論文にまとめた。
制約があり見通しが不確かな状況下ながら実施可能な範囲で研究活動の継続に努め一定の成果を得ていることから，おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画で終盤の実施ないし発展的課題としていた実機系磁界形状を想定した解析のための準備や予備的知見の蓄積が進んだことから，これらを基に多角的な本格計算に取りかかる。計算は主に，単電子運動追跡による個々の電子のエネルギー増減の観察と，電子集団の追跡による空間領域別の電子エネルギー増減傾向分布観察の２つのアプローチで行う。
電子エネルギー増加が起こりやすい傾向が見られた空間領域の磁界強度に一定の範囲があると見出されたことを踏まえ，シミュレーションで電子追跡を行う際の条件として磁界強度がこの範囲となる部分共鳴域を変形し広げた磁界を第２年度に設計してある。この磁界の下における電子運動追跡結果と電子エネルギー増減傾向の観察結果を旧設計の磁界の下における結果と比較し差異や共通性の議論をすることを以降の課題の一つとする。また，新設計の磁界における部分共鳴域は円筒形プラズマ反応容器上底面に設置したプラズマ励起用ＲＦアンテナの近くまで広がりを持つことから，アンテナ直下の高電界と部分共鳴の相乗効果発現の有無なども観察対象とする。さらに，上記ＲＦアンテナの配置は可変であることから，アンテナが上底面に設置された天井励起型配置の他にアンテナを側壁に設置した側壁励起型配置における電子のエネルギー獲得過程や電子輸送特性の評価も試みる。
電磁界下の電子運動ならびに電子輸送過程に関して本計画の範疇で初年度と第２年度に見出された諸特性についても派生発展した課題として引き続き解析を行い実機における電子輸送過程を理解し制御する上での基礎知見とするとともに，その積極的活用法なども検討する。解析の際は，本計画で着目している部分共鳴が関係する電子のエネルギー獲得過程や，電磁界配位，指向性など他の要素との関連や相互の影響についても注視する。
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| Causes of Carryover |
海外渡航制限に伴い参加取り止めとなった国際会議関連の旅費は主に備品として購入予定であった技術計算用ワークステーションの性能を当初予定より高く望むなどして計算力増強に振り向けたが，一部は学会等参加費や論文掲載料など従量制の要素があり実現後に請求される諸経費で当該年度内に当初見込み通りの執行とならなかった額と合わせ次年度使用額となった。
次年度も同様に状況推移予見の困難が予想されるが，できるだけ当初計画に沿って成果発表に関連する支出に充てることを基本とする。状況変化により使途の変更が必要となる場合は，本年度と同様にシミュレーション解析に係る計算力の増強など，研究目的達成に資するよう合目的的かつ有効に使用する。
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Research Products
(8 results)
