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ー資料ー特集 プラズマ理解への誘い
鍍資料欝特集 プラズマ理解への誘い 1954年生．19配年九朴 大字大学院総合埋⊥字 研究科エネルギー変換 工学専攻博上課程修 了．同年丁字博士．現 在，大分大学工学部機 械・エネルギーシステ ム工学科教授． プラズマ計測入門 lntroductiontoPlasmaDiagnostics ■キーワード：プラズマ診断 発光分光，レーザー分光，電磁波応用計測，粒子ビーム応用計測 イKEYWORDS：Plasmadiagnostics，emissionspectroscopy，laserspectroscopy，electromagneticwave 正会員 漬 本 誠 MakotoHamamoto aideddiagnosticmethod，particlebeamaideddiagnosticmethod ABSTRACT Characteristicsofplasmadiagnosticsarepresented，andplasmadiagnosticmethodsarebrieflyreviewedbyclassificationofpassive method，aCtivemethod，electromagneticwaveaidedmethod，Particlebeamaidedmethodandsoon，aSanlntrOductionforbeginnersto sucha石eld． 憲■莞三 職 1．はじめに いるので，興味のある個別のテーマの論文を参考いただ きたい 宇宙のスケールで考えると，自然界は99．9％プラズマ 状態であり，直接人間の生活環境に関係する太陽および ここでは，とくにプラズマの入門者に向けて，プラズ マ計測の特徴と計測手法としてどのようなものがあるか 地球周辺のプラズマを除いて，その自然界プラズマの計 測は純粋に宇宙の成り立ちなどの解明のために行われ の概略を紹介する． る．その一方，地上において，人工的に生成されたプラ ズマに対する計測は，そのプラズマの応用目的に照らし て評価・検証するための基礎データを得る目的で行われ， 必然的に価値判断をともなう．また，「長さ」を「もの さし」で測るのと異なり，プラズマの計測では，生の測 定データがそのまま使われることは少なく，さまざまな 理論・仮定・モデルにより解釈・解析が行われて，ある 物理量が決定され，それが計測値として表に出てくる． すなわち，プラズマの計測値の中には（測定者の）価値 判断が含まれている．このように，プラズマ計測は，た だ単に「測る」のではなく，計測の目的や手法・解釈な どの価値判断も含むことから，しばしばプラズマ診断と よばれる． またプラズマの生成・制御とプラズマ計測（診断）は， 表裏一体の関係にあるといえる．たとえば，プラズマを 利用したある光源の効率をさらに高めたい時には，電気 入力と光出力のみでなく，その途中におけるエネルギー の変換過程の正確な把握が重要で，プラズマ計測（診断） はその現状と改善の方向性を検討するための基礎情報を 与えるからである． このプラズマ計測（診断）については，これまでに多 くの教科書的な本が出版され1）￣13），とくにプラズマ・核 融合学会誌において講座や特集記事の形でまとめられて いる14ト31）ので，詳しい内容はそれらの参考文献に譲り たい．また，具体的な測定例についても，純粋に理論的 な内容の論文を除いて必ず何らかの計測結果が含まれて 574 2．プラズマ計測の特徴 プラズマ計測の特徴は，計測対象の温度が数千Ocから 数億Ocと非常に高く，なおかつlmlから数111の位置に 隣接する国体表面に面していて，その固体表面との間に おける温度の空間的勾配が大きい点にある．温度計や熟 級 凛爛蜘欄 礪芸 蒜這蒜 駄r 田 可■＿．、 榊鵬 鷹蠣打門 ・・僧二二 電対は，プラズマ中に差し込まれても原理的に温度を計 測できないだけでなく，溶けたり蒸発したりしてプラズ マの冷却や不安定を引き起こす原因になる．したがって， ちょうど夜空に輝く星（恒星＝プラズマ）からの光（電 磁波）を地上から望遠鏡を使って観測するように，プラ ズマから放射される種々の電磁波（や粒子）を離れたと ころから観測するのがプラズマ計測の基本になる（図 1）． プラズマは，荷電粒子である電子とイオンおよび中性 の粒子（原子，分子）から構成される気相の媒質である． プラズマ計測において計測される基本的物理量は，これ らプラズマを構成する各種粒子種の密度（分布）および 温度（分布）である．密度は単位体積中の粒子数，温度 は粒子群の運動の活発さ（速度（ェネルギー）分布関数） を表すパラメーターであり，どちらもプラズマ中の素過 程（衝突，励起，電離，再結合，幅射（吸収，自然放射， 碁 光（電磁波） 図1 星の観測 Fig．10bservationofastar． 照明学会誌 第91巻 第9号 平成19年 T∴・肋間 誘導放射，制動放射など），核反応，など）の反応率に 大きく関係し，プラズマの応用目的に対応した評価・検 証に欠かせない基本量だからである． 3．プラズマ計測の分類（図2） 上述のように，プラズマ計測は，プラズマからの電磁 波や粒子を受動的に検出するのが基本であり，宇宙のプ ラズマのように接近が困難な場合，それ以外に方法はな い（図2（a））．しかし，地上に作られた人工的プラズマ は容易に接近が可能なため，電磁波や粒子の受動的計測 以外に，いくつかの能動的な計測が存在する（図2（b汁 】つ目は，電気的計測およびプローブ計測である．プ ラズマの生成・制御には電源が用いられ，電極の有無に 関わらずその電力は，レーザーアブレーションやレー ザー核融合プラズマなどのレーザー生成プラズマを除い て，直接プラズマに投入される．その電気的量の計測で ある．また，低温のプラズマでは，全体のプラズマを乱 さない程度の固体片を探り針（プローブ）としてプラズ マ中に差し込み，プラズマからの応答を計測することが 可能である． 2つ目は，全体のプラズマを乱さない程度の電磁波（特 に，単色性，指向性に優れたレーザー）をプラズマ中に 入射し，プラズマと電磁波との相互作用の結果放出され 二から ±置に る2次的電磁波を観測する計測法である． 3つ目は，全体のプラズマを乱さない程度の粒子ビー つ問に ムをプラズマ中に入射し，プラズマと入射粒子との相互 汁や熱 作用の結果放出される電磁波や2次的粒子を観測する計 芝を計 7〉ラズ ごって， 江たと （a）passIVemethod 二（中性 三ある． これ 光（a）受動計測 および ．温度 ヲ関数） D素過 ≒放射， （b）能動計測 （b）Activemethod 図2 プラズマ計測の分類 Fig．2 Classificationforplasmadiagnostics・ 手成19年 4．電気的計測およびプローブ計測 4．1電気的計測 プラズマ中を流れる電流や投入される電九 有電極の 場合プラズマに加わる電圧などは，直接計器（電流計， 電力計，電圧計）により計測可能であり，プラズマの全 体としての振る舞いや稼働状況をモニターするために用 いられる． 4．2 静電プローブ計測 低温のプラズマ中に，小さい金属片（静電プローブ） を差し込むと，その表面には，その場所に存在する電子， イオン，中性粒子がある割合で飛び込んでくる．その金 属片を導線に接続して外に導き，基準電極に対してバイ アス電圧を加えると，金属片の単位表面積に流入する荷 電粒子の数およびその結果としての流入電流は，電子， イオンおのおのの粒子数密度とエネルギー分布（温度） に依存し，バイアス電圧によって変化する．この静電プ ローブへの印加電圧に対する流入電流の特性を計測・解 析することにより，電子密度（イオン密度），電子温度（ェ ネルギー分布）を求めることができる． 4．3 磁気プローブ計測 低温のプラズマ中に，導線を巻いた小さいコイルを差 し込むと，そのコイルの両端には，その場所の磁界の変 化（コイルへの鎖交磁束の変化）に比例した起電力が生 じる．この起電力を計測・解析（債分）することにより， 磁界の時間変化を求めることができ，磁気閉じ込めプラ ズマの位置変動の計測などに用いられる． 5．発光分光計測（受動的電磁波計測） 光 七（電 プラ る（図 測法である． JJJ山肌grJg〃g．血〆．々77．柁止別Ab・92ββ7 5．1プラズマの発光メカニズム プラズマは高温であるがゆえに，周囲に種々の光（電 磁波）を自ら発する．この発光のメカニズムには，（i）自 然放射：原子・分子・イオンの束縛電子のおのおのに固 有な状態（ェネルギー準位）問の遷移にともなう余剰エ ネルギーの光（電磁波）による放出で，特定の波長を持 つ線スペクトル，（ii）再結合放射：自由電子がイオンと再 結合し，そのイオンの束縛状態への遷移にともなう余剰 エネルギーの光（電磁波）による放出で，自由電子のエ ネルギー（速度）分布で決まる拡がりを持つ部分的連続 スペクトル，（可制動放射：自由電子がイオンのクーロン カにより軌道を曲げられること（荷電粒子の加速度運動） にともなう光（電磁波）の放出で，自由電子のエネルギー （速度）分布やイオンの荷電数で決まる最大値と拡がり を持つ連続スペクトル，（iv）サイクロトロン放射：自由電 子は磁界中では磁力線に巻きつく形のらせん軌道のサイ クロトロン運動をする．この運動（荷電粒子の加速度運 動）にともなう光（電磁波）の放出で，磁界によって決 575 図3 分光計測システム Fig．3 Spectroscopicmeasuringsystem． まるサイクロトロン周波数およびその高調波の特定のス ペクトル，がある．プラズマのパラメーター（温度，密 度など）の違いにより，その発光のスペクトル波長は， 可視域のみでなく，紫外線やⅩ線あるいは赤外線や電 波の領域にまでおよぶ． 5．2 分光計測システム（図3） プラズマからの発光強度を波長分解（分光）して計測・ 解析することにより，プラズマを構成する粒子種の組成 を同定し，温度や密度に関する情報を得るのが発光分光 計測である．分光計測システムは，（i）集光系：より多く の光を集めるためのレンズまたは凹面鏡，（ii）分光器：光 分散素子（通常，回折格子）による波長分解装置，（鎚）光 検出器：所定の波長域に感度のある，光電子増倍管，フォ トダイオード，CCDなどの光電変換素子，（iv）信号処理 系：光検出器からの電気信号を表示・記録・保存，から なる． 6．レーザー分光計測（能動的電磁波計測）（図4） 6．1プラズマ中の電磁波の伝播 入射電磁波は，プラズマ構成粒子との相互作用により 以下の伝播形態をとる．（i）反射：電子プラズマ周波数よ 576 藤 散乱：散乱計測 図4 プラズマ中の電磁波の伝播と計測法 Fig．4 Propagation ofelectromagnetic wave and relatedmeasunngmethod． りもゆっくり変化する電磁波は，電子の運動により完全 にブロックされプラズマ中を伝播できず反射する．（ii）透 過：電子プラズマ周波数よりも大きい周波数の電磁波は 透過するが，一部吸収され透過強度は一般に減少する， また伝播速度が変わるため真空中を同じ空間距離進んだ 電磁波と比べて位相が変化する．匝）屈折：進行方向と垂 直に密度勾配があると，場所による伝播速度の違いによ り電磁波は屈折する．（iv）散乱：荷電粒子自身や荷電を内 包する中性粒子に電磁波が当たると進行方向以外に2次 的な弱い電磁波が伝播する，また光子としていったん吸 収されその結果として放出される光子は進行方向以外に も進む． 6．2 吸収計測 吸収係数，密度，光路長によって決まる吸収の大きさ （減衰）が適度の範囲（数∼数十％）にある場合 入射 光に対する透過光の強度比の計測から，吸収に関係する 粒子種の密度を知ることができる． 6．3 干渉計測 光の波長（周波数），密度，光路長によって決まる位 相変化が適度の範囲（0．1∼数フリンジ：1フリンジは 1波長の位相変化に相当）にある場合，干渉計を用いた フリンジ変化の計測から，密度（とくに電子）を知るこ とができる．吸収および干渉計測では，光の絶対強度は 必要ないが，光路に沿っての寄与が信号に積算されるた め，空間分布を知るには軸対象性を仮定した解析（アー ベル変換）やトモグラフィ解析が必要になる． 6．4 散乱計測 散乱光の強度またはスペクトルを観測することによ り，レーザービームと観測光学系の視線方向の交わる位 置における散乱体の密度または温度を知ることができ る．電子による散乱（トムソン散乱）がよく用いられる． 散乱計測の大きな特長は局所的な値を直接求められる点 にある．ただし，密度計測のためには光学系の絶対値較 正が必要である． 6．5 レーザー誘起蛍光（LIF）計測（図5） 散乱法の1つで，レーザー波長を特定の粒子種の特定 の準位間遷移波長に同調させて，レーザー光の吸収によ 照明学会誌 第91巻 第9号 平成19年 傭匝 喝鰐・ 静思了 蒜 1鮮畿■ 軋 悌 ニー 計測した信号の解析には，（i）未知であるはずの測定対 象プラズマ内でどのような素過程が支配的に起こってい るか，（ii）視線方向の積分の範囲と発光強度の空間分布お よびプラズマ自身による吸収の影響，匝）分光計測システ ム全体の分光感度の較正，に注意が必要である． 5．3 線スペクトル強度比計測 吸収の無視できる自然放射による線スペクトルの絶対 強度を計測すれぼ 遷移に関係する上準位の粒子密度を 知ることができる．粒子間衝突が頻繁な場合，関係する 準位間でボルツマン分布が仮定でき，異なった2本以上 の線スペクトルの相対強度を計測し強度比から温度を知 ることができる． 5．4 線スペクトルプロファイル計測 線スペクトルは有限な幅（拡がり）を持っている．比 較的低圧力のプラズマでは粒子の熟運動によるドップ ラー効果が支配的で，スペクトル形状から速度分布（温 度）を知ることができる．逆に，高密度のプラズマでは， 荷電粒子の作る微視的電界によるシュタルク効果が支配 的で，スペクトル線の拡がりやずれから荷電粒子密度を 知ることができる． 主等 いといけないという矛盾を含む．測定生データに厳密で ない解析を行うと誤った解析結果になる恐れがある．よ り信頼性の高い計測結果を得るためには，原子・分子過 程と呼ばれるこれらの素過程についての理解が重要であ る32）￣37） 測 レーザー 励起 （入1） 10．おわりに プラズマ計測の特徴と計測手法の概略について，プラ ズマに馴染みがない人にも読んでいただけるように，や さしい表現をこころがけて紹介した．プラズマの応用分 縫腰融沌芸根御霊枇 図5 レーザー誘起蛍光計測とエネルギー準位 Fig．5 Lase「−induced fluorescence method and reLevantenergylevels． り選択的励起を行い，増加した自然数出光（蛍光）の強 度から，関係する下位準位の粒子数密度を知ることがで きる．発光分光法では計測できない非発光粒子樺（基底 状態など）を選択的に感度良く空間分解計測できる特長 がある． 7．放出粒子計測（受動的粒子計測） プラズマからの放出粒子の質量・エネルギー分析によ 一＼ ′′↓、 さ 射 る き 入 す り，構成粒子の速度分布（温度）を知ることができる． 受動的電磁波計測と同じように，どこからどのような過 程を経てその粒子が検出器に到達したかについての情報 が，計測した信号の解析には必要である． 野（核融合，プロセスプラズマ，光源など）に固有の計 測上の問題に対して，さまざまな計測手法の開発・改善・ 工夫の努力がなされている．本稿を物足りなく感じた方 や興味を持ちさらに詳しい内容を知りたい方は，参考文 献を多く載せたので，それらをご覧いただければ幸いで ある． 参考文献 （1）赤崎，村岡，渡辺，蛇原：プラズマ工学の基礎（改訂版），産業 図書，5章 プラズマ計測，pp．237−277（ZOOl）． （2）（社）プラズマ・核融合学会編：プラズマ診断の基礎，名古屋大学 出版会（1990）． （3）村岡克紀，前田三男：プラズマと気体のレーザー応用計測，産 業図書（1995）． （4）山本学，村山精一：プラズマの分光計測，学会出版センター （1995）． （5）㈲プラズマ・核融合学会編：プラズマの生成と診断，コロナ社 8．粒子ビームプローブ計測（能動的粒子計測） 粒子ビームをプラズマ中に入射し，2次的粒子（荷電 交換中性粒子など）の質量・エネルギー分析により，温 度の空間分布を知ることができる．さらに，入射粒子が 励起，電離される過程で発する光を分光したり，LIF計 測と組み合わせたりすることにより，他の計測では得ら れない電界などの情報も得られる． 9．プラズマ計測と原子・分子過程 （2004）． （6）肥）プラズマ・核融合学会編：プラズマ診断の基礎と応用，コロ ナ社（2006）． （7）R，H．HuddlestoneandS．LLeonard：PlasmaDiagnosticTechniques， AcademicPress（1965）． （8）W．Lochte−Holtgreven：PlasmaDiagnostics，North−Holland（1968）． （9）W．Lochte−Holtgreven：PlasmaDiagnostics，AmericanInstituteof Physics（1995）． （10）H．R．Griem：PlasmaSpectroscopy，McGraw−Hill（1964）． （11）A．Comey：AtomicandLaserSpectroscopy，OxfordUniversityPress （1977）． 二によ つる位 二でき れる． 二る点 テ値較 プラズマ中には，電子，原子（中性原子，イオン（多 価に電離したものを含む）：混合気相中では種々の元素）， 分子，光子，微粒子が存在し，それぞれが衝突を繰り返 し，粒子群としてある速度分布を持っている．これらの 粒子の衝突により，電離・再結合が繰り返される．また， 束縛電子を持つ原子・分子は，固有の多くの内部状態を 持ち，他粒子との衝突（励起，脱励起）や光子との衝突 （吸収）や光子の放出にともなって状態間遷移を繰り返 す．さらに，低温の固体壁との問に存在する温度や密度 の空間的勾配のため，プラズマは空間的に一様ではなく， 場所によりこれらの複雑な素過程の出現頻度は異なる． プラズマの計測は，対象を知るための計測であるにも かかわらず，事前に計測対象の中身がよく分かっていな JJ肋肌g〃g〃g．J肘，々〃・陥／■タノ〃0・92007 （12）W．Demtroeder：Laser Spectroscopy Basic Concepts and Instrumentation，Springer−Verlag（1982）， （13）0．Auciello and D．L．Flamm：Plasma T）iagT”StjcsVolumel DischargeParametersandChemistry，AcademicPress（1989）． （14）山田語：プラズマの発光からプラズマを知る，プラズマ・核融 合学会誌 69−7，pp．784−792（1993）． （15）雨宮宏：単探針により電子の密度と温度を測る，プラズマ・核 融合学会誌，69−8，pp．934−938（1993）． （16）大江一行：電子エネルギー分布を測る，プラズマ・核融合学会誌， 69−8，pp．939−943（1993）． （17）松村昭作：複探針により電子の密度と温度を測る，プラズマ・ 核融合学会誌，69−8，Pp．944【949（1993）． （18）山際啓一郎：イオンのエネルギー分布を測る，プラズマ・核融 合学会誌，69−9，pp．1024−1029（1993）． （19）天岸祥光二磁気プローブ・ループでプラズマを測る，プラズマ・ 577