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KAIST、プラズマ内の電子の加熱の原理を解明

チェ・ウォンホ教授チーム、大気圧プラズマ発生源の開発と活用に期待


大徳所在のKAIST(シン・ソンチョル総長)は原子力および量子工学科のチェ・ウォンホ教授研究チームが弱くイオン化したプラズマで電子が加熱される構造とその制御原理を解明したと7月26日に発表した。

物質の三つの状態である固体、液体、気体とともに物質の四番目の状態と呼ばれるプラズマは標準温度と圧力(25℃、1気圧)の状態では自然に存在しない。だが人為的に気体にエネルギーを加えるとプラズマの状態になる。

学界、産業界では活用目的と条件に合わせてさまざまな形態のプラズマ発生源を開発して使用している。このうち大気圧プラズマは応用可能分野が広く活用度が高いため多くの関心集めている。一般的にプラズマ内の多様な化学的、物理的反応は電子から始まるので電子の密度と温度の時空間的な変化は重要な情報。プラズマや加速器物理学の分野で自由電子の加熱の有無は科学者の関心の的だった。

だが大気圧の条件では自由電子と中性気体の衝突が起きやすいのでイオン化されたプラズマ内の自由電子の密度と温度を測定するには限界がある。これまでは自由電子の加熱構造と原理を実験的に解明できなかった。また電子加熱の制御方法と主要要因に関する情報が不足しておりプラズマの反応性と活用性改善は限られていた。

研究チームはこうした問題を解決するために電子-中性粒子制動複写という技術を用いた。プラズマ内の自由電子の密度、温度を正確に測定してこれを2次元で映像化する技術を開発した。研究チームはこの技術を利用して大気圧プラズマで数ナノ秒単位で自由電子の温度(エネルギー)を測定し電子がエネルギーを得る加熱の過程の視空間的分布と根本原理を明らかにした。

研究チームは0.25~1気圧の圧力区間で電子の温度の視空間的分布変化を実験的に初めて確認した。大気圧や大気圧より低い圧力で電子がエネルギーを得る加熱の基本原理を解明した。

研究に当ったチェ・ウォンホ教授は「自由電子と中性粒子の衝突が頻繁に起きる条件で発生するプラズマでの電子加熱原理を学問的に理解するのに役立つだろう。経済的、産業的活用の可能な大気圧プラズマ発生源を開発し活用するのに貢献できると思う」と述べた。

研究結果は『Scientific Reports』に5月14日付で掲載され電子版には7月5日付で掲載された。







[2018-07-31]

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