プラズマとその応用
大学院工学研究科 機械物理工学専攻 多幾山 憲，難波 愼一 1. はじめに プラズマテレビの登場により，「プラズマ」という言葉があちこちで話題に上るようになった．しかし ながら，「プラズマ」が固体，液体，気体と同様に物質の「状態」のひとつであることを知っている人は 非常に少ない．ここでは，まずプラズマとはどのような状態の物質であるかを解説し，自然界に存在する プラズマや人工のプラズマの代表的なものを取り上げ，それらを温度と密度によって特徴づける．また， プラズマのエネルギー，動力源，光源，環境への応用例を紹介する． 2. プラズマとは プラズマは固体，液体，気体に次ぐ第４の物質状態であり，宇宙の 99％以上を占めていると言われてい る．固体を高温に熱すると融解して液体になり，構成原子や分子が蒸発して気体となる．さらに高温にす ると，気体原子や分子が熱運動により激しく衝突するようになり，原子や分子から電子が剥ぎ取られる． その結果，電荷を持つ電子とイオンが気体中に生成される．こうして現れる電気を帯びた粒子を含む高温 気体のことを「プラズマ」と呼ぶ． 太陽，恒星，オーロラ，雷などは我々が見ることのできる自然のプラズマである．また，我々の生活の中 にもプラズマを利用した製品が数多く存在する．光源として昔から使われているナトリウムランプや蛍光 灯もプラズマによるものである．最近では，自動車のヘッドライトやテレビにも使われるようになった． 火炎もまた，プラズマの仲間である．この様に，我々は色々なプラズマに取り囲まれている．プラズマは 構成粒子の温度と密度によって特徴づけられる（表１参照）．+
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固体
液体
気体
プラズマ
温 度
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固体
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プラズマ
温 度
図 1 物質の状態変化
表１ プラズマの特徴 （参考：１気圧の大気中分子密度 2.5×1025 個/m3） プラズマ 温 度［K］ 密 度［個/m3 ］ 気体圧力 オーロラ 1000-2000 度 1011 － 火 炎 1000-3000 度 1014 大気圧 グロー放電プラズマ （蛍光灯，ネオン） 数万度(電子) 数百度(ガス) 1015-1016 1/10 万-1/100 気圧 アーク放電プラズマ 数万度 1017-1021 1/100-数 気圧 太陽 コロナ 表面 内部（核融合） 数百万度 6000 度 1600 万度 1014 1016-1019 大気の 200 万倍 重力(2400 億気圧) 磁気閉じ込め核融合 数千万～1 億度 1020(大気の 1/20 万) 1/100 万 気圧 レーザー核融合 数千万～1 億度 1031(固体の 1000 倍) － 3. プラズマ応用 プラズマの密度と温度の範囲は極めて幅広い．従って，プラズマの応用範囲も極めて広く，様々な用途 に使われている．以下に主な応用例を簡単に紹介する． 3.1 地上に太陽を－超高温プラズマエネルギー エネルギーの大量消費による化石燃料の枯渇と環境破壊は 21 世紀の人類が直面する最も重要な課題で あり，環境にやさしい新しいエネルギー源の開発が急務とされている．なかでも，プラズマを利用した熱 核融合発電は究極のエネルギー源として期待されている．太陽がその輝きを保持しているのは，太陽内部 で持続して起こっている核融合反応による．この反応を地上で実現することを目標として 1950 年代に核 融合研究がスタートした． 核融合反応とは，原子と原子をいきおいよく衝突させることにより原子核が融合して別な原子が生成さ れ，同時にエネルギーを持った中性子やアルファー線が放出される反応である．図３に重水素(D)と三重 水素(T)による核融合反応が示されている． 核融合反応が起こると，反応前の衝突原子の総質量よりも反応後の生成物の総質量が減る．この質量の 減少が莫大なエネルギー（E=mc2）の放出をもたらす．図 2 の例では，ヘリウムと中性子が運動エネルギ ーとしてそれぞれ 3.5 MeV および 14.1 MeV を分け持つことになる．このエネルギーは D-T 燃料 1 グラム
核融合
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+14.1 MeV +3.5 MeV 中性子 三重水素 重水素 ヘリウム+
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核融合
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+14.1 MeV +3.5 MeV 中性子 三重水素 重水素 ヘリウム+
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図 2 重水素(D)と三重水素(T)による核融合反応でおよそ 8 トンの石油に相当する． しかしながら，核融合反応は，プラスイオン同士の衝突なので，衝突イオン間の相対速度が小さい場合 には電気的な斥力により反発してしまいある程度までしか近づけない［図 3 参照］．核融合を実現させる ためにはこの反発力に打ち勝って近づけてやる必要がある．そのためには 1000 km/秒以上の速度が必要と なる．これをプラズマの温度に換算すると 1 億度以上という超高温プラズマが必要となる．この様な超高 温に耐えうる材料は存在しないため，プラズマを，そのままの状態で，真空容器内に閉じ込めておくこと は不可能である．そこで，磁場にまきつくというプラズマの性質を利用して真空容器内に閉じ込める．核 融合プラズマの閉じ込め方法は色々あるが，旧ソ連で考案されたトカマク方式［図 4］が最も有力な方法 としてこれまで多くの研究が積み重ねられてきた．核融合炉のエネルギー収支は，エネルギー増倍率（Q 値＝核融合出力／プラズマの加熱に要するエネルギー）を用いて評価される．Q=1 の場合が臨界プラズマ 条件と呼ばれる．現在，JET（ヨーロッパ連合），TFTR(米国)，JT60(日本)などの世界三大トカマク装置 では，すでに Q が 1 を超えるところまで到達している．次の段階の研究は，国際熱核融合実験炉（ITER） を用いて Q が 10 以上を目指し，2016 年ごろスタートする予定である．実用化に要求される Q は 30 以上 と考えられている．
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三重水素イオン 重水素イオン+
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三重水素イオン 重水素イオン+
核融合
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原子核間距離 斥力 障壁 引力 標的 核力+
三重水素イオン 重水素イオン+
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三重水素イオン 重水素イオン+
核融合
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三重水素イオン 重水素イオン+
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三重水素イオン 重水素イオン+
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三重水素イオン 重水素イオン+
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核融合
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原子核間距離 斥力 障壁 引力 標的 核力+
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原子核間距離 斥力 障壁 引力 標的 核力 図 3 核融合反応の誘起．二つの原子核を核力の作用する距離まで近づける．トロイダル磁場コイル
プラズマ電流
一次電流
トロイダル磁場コイル
プラズマ電流
一次電流
図 4 磁気閉じ込め核融合（トロイダル方式）装置の概略．3.2 プラズマ推進 3.2.1 熱力学的推進 近年，従来の化学推進機関と比べて高比推力で信頼性の高い電気推進機関が，人工衛星などの様々な宇 宙探査機に搭載されてきている．電気推進機は太陽電池により太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換 し，この電気エネルギーで種々の方式により推進剤をプラズマ化し，これを運動エネルギーに変換するこ とで加速し，推力を発生させる．化学ロケットに比べて，電気推進は推進剤噴出速度が格段に大きいので， 推進剤を節約することができる．つまり，電気推進は高比推力，低加速度であり，正確な推力制御が可能 であるという特徴をもつ．そのため，重力の影響が少ない宇宙空間での長期ミッションに適しており，深 宇宙探査の主推進機，宇宙飛翔体の軌道遷移，保持，姿勢制御用推進機として期待され，今後はその利用 が増えていくと考えられる． このうち，アークジェット推進機（スラスタ）と呼ばれるものは，アーク放電により１万度程度の高密 度熱平衡プラズマを発生させ，これを圧縮膨張ノズルから噴射させることにより推力を発生させる．この スラスタの特徴としては，(1) 電気推進の中では，アークジェットは比較的高い推力を持つ，（２）他の 電気推進と比較して低電圧放電であり，且つ，単純な構造であるため軽量，といった長所があるため，人 工衛星等の姿勢制御などを目的として開発が進められている．図 5 には，広島大学にて開発したアークジェットプ ラズマ発生装置の写真を示す．明るく輝いているのがプラズマであり，左側のプラズマ生成部から超音速で右側の 真空槽に膨張する． 3.2.2 レーザー推進 ロケットが発生する推進力は，噴射推進剤の運動量発生割合から算出することができる．運動量は質量 と速度の積であるが，従来の化学推進では燃料（推進剤）の質量とその燃焼で発生するエネルギーが化学 ポテンシャルで決まっているため，燃料質量当たり発生できる運動量はほぼ一定であり，燃料の質量と発 生可能なエネルギーは比例している．それ故，燃料を選ぶとほぼロケット性能も決まる． 一方，レーザー生成プラズマは，宇宙空間輸送に適した高い燃料利用効率を持った大推進力システムの 原理となりうる可能性を持つ．ここでレーザー推進とは，ターゲットに高強度レーザーを照射することに より材料を蒸発させ，発生したプラズマを宇宙機進行方向とは逆向きに噴射し，その反作用を利用して推
アークジェットプラズマ源
高密度プラズマ
アークジェットプラズマ源
高密度プラズマ
図 5 超音速アークジェットヘリウムプラズマ進力を得るシステムである（図 6 参照）．したがって，レーザー推進技術の観点から，連続発振レーザー や繰り返しパルスレーザーを用いた実験や，固体のアブレーション実験などの研究が精力的に行われてい る． このレーザー推進の第一の特徴は，レーザーパワーと推進剤の流量を独立に設定でき推進剤の噴出速度 が非常に広い範囲で制御できるため，推進システムの適用分野によって最適な設計ができることである． これは，推進剤単位質量に注入するエネルギーを任意に設定できるということでもあり，水蒸気程度の温 度からプラズマ温度まで制御が可能である．そのため，運動量発生のために質量をより多く利用する場合 や，速度（エネルギー）をより多く利用する場合など，設計の自由度も持ち合わせているということにな る．また，地上もしくは宇宙空間に設置されたレーザー基地からレーザーを推進機にあてることで推力を 獲得するため，従来の化学ロケットのような複雑なシステムを搭載する必要がなく，機体の軽量化や構造 の簡素化を図ることができる．それゆえ，レーザー推進の応用は，地上打ち上げから軌道上の姿勢制御お よび軌道遷移機さらには惑星間の長距離推進機関向けまで様々な提案，研究がなされている． 3.3 大気圧プラズマによる居住環境改善技術 屋内の微生物（細菌など），汚染物質や活性酸素と健康との密接な関わりが明らかになり，これらの防 除技術の開発が重要なトピックスのひとつとなりつつある．イオンによる空気清浄器（市販）は，大気中 に含まれている水分子や酸素分子を水素プラスイオンや酸素マイナスイオンに変え，これらを空気中に放 出し，浮遊しているウイルス，バクテリア，カビ，アレルゲンなどを減少させる効果を持つものである． 最新のものでは，水素プラスイオンに電子を付着し，原子状水素に転換させることにより，OH ラジカル を中和・減少させる機能を付加したデバイスが開発されている． OH ラジカルは活性酸素の一種であり，その中でも最も反応性が高く，最も酸化力が強い．その酸化力 は生態高分子や DNA 等に対しても多大な損傷を与えることから，老化や様々な障害の原因となるとされ ている．都市環境における大気中には 1011～1012 個/立方メートル程度の濃度の OH ラジカルが存在してい る．これらの主な発生源は太陽光線によるものや大気中に含まれる NO などの化学物質による化学反応で ある．ところが，太陽光線や大気中の化学物質などによる影響が少ないと思われてきた室内環境において も 1010～1011個/立方メートル程度の OH ラジカルが存在していることが近年報告された．これらの発生源 は芳香剤や洗剤等に含まれる芳香族と空気中のオゾンの化学反応であると考えられている．室内環境にお ける OH の存在は，自身の毒性だけでなく，揮発性有機化合物を分解してシックハウス症候群の原因とな る有害な物質を作り出してしまう点からも，人の健康にとって有害であることが最近明らかになってきた． 原子状水素は，この様に有害な OH と反応し無害な水に変えることができるため，活性酸素の理想的な除 図 6 レーザー推進の概念図
去剤として期待できる．
大気圧下での放電により大気中の分子（N2，O2，CO2，H2O）を解離・電離することによってイオンを
生成することができる．解離エネルギーは分子によって異なるため放電プラズマのエネルギーを制御する ことによって大気中に含まれるガス分子の選択的解離・電離が可能になる．この原理を利用して，原子状 水素および O2－イオンを発生するための大気圧放電プラズマデバイスが開発された（図 7）． このデバイスは沿面放電用陽電極と針状負電極から構成されている．沿面放電により水分子 H2O を解 離・電離し，H+ を生成する．H+ は直ちに大気中の複数の水分子と結合し H+ (H2O)mとなり針状負電極に引 き寄せられる．針状電極近傍で，電極より放出される電子と再結合して H(H2O)mに変換された後，装置か ら放出される．また，針状電極付近に存在する電子は大気中の酸素とも結びつき，O2－を生成する．この O2－も H+と同様に大気中の水分子を配位し，O2－(H2O)mになり放出される．デバイスより放出された原子 状水素と O2－イオンが，大気中を浮遊するウイルス，細菌，カビ，アレルゲンなどに付着し無害化する． 同時に，原子状水素により大気中に存在する OH ラジカルを水分子に変換し，消滅させる． この様な機能を持つプラズマデバイスを搭載した空気清浄機はすでに家電として市販されているが，今 後は，公衆衛生という見地から，公共の広い密閉空間（公共の屋内施設や交通機関など）に適用可能なデ バイスの開発が望まれる． 3.4 プラズマを用いた光源開発 プラズマの特徴のひとつに，発光を伴うということが挙げられる．この発光が引き金となり，現代の量 子物理学が飛躍的に発展してきたことは間違いないであろう．また，プラズマを光源として応用している 装置としては，蛍光灯，プラズマテレビ，車載ヘッドライト，ネオン管などが挙げられ，日常生活でも目 にすることが多いはずである． これまでのプラズマ光源では主に紫外から可視・赤外域までの波長の光を用いてきた．ところが最近で は，より短波長の光にも注目が集まっている．その一例として，極端紫外線と呼ばれる波長域（10 nm 付 近）の光があげられ，これを半導体超微細加工に不可欠なリソグラフィーへ応用する技術開発が精力的に 行われている．ただし，これまでのプラズマと違い非常に高密度，且つ，安定なプラズマを発生させない とリソグラフィーへの適用は難しい．現在は主に，レーザー生成プラズマ，及び，放電プラズマからの高 輝度極端紫外線を利用する方式が採用されている．図 8 は，高輝度の極端紫外線が放射されているレーザ ー生成スズプラズマの写真である． e e e ee H2O H2O H2O H2O H2O H+ H2O H2O H2O H2O H2O H2O H H2O e H2O H2OO 2 -H2OH2O O2 Air flow 沿面放電素子 （陽極） H+イオン生成 針状電極（負極） 電子放出、 O2−イオン生成 e e e ee H2O H2O H2O H2O H2O H+ H2O H2O H2O H2O H2O H2O H H2O e H2O H2OO 2 -H2OH2O O2 Air flow 沿面放電素子 （陽極） H+イオン生成 針状電極（負極） 電子放出、 O2−イオン生成 図 7 大気圧放電プラズマデバイスとその動作原理
図 8 極端紫外線放射レーザープラズマ． 一方，究極のレーザーとも呼ばれるX 線レーザーもプラズマを用いて発生させることが可能である．こ のレーザーの最大の特徴は，第3 世代放射光と比べても 107倍明るい光源であり，さらに空間・時間コヒ ーレンスに優れていることにある．そのため，物理･化学をはじめ，物質･材料科学や生命科学，医学など に革命的研究手段を提供するものとして大きな期待が寄せられている． 6. おわりに プラズマ技術は究極のエネルギーである核融合発電，宇宙機推進システム，環境改善，超微細加工等， 様々な分野で不可欠なものになりつつある．最後に当研究室で行っている研究課題を以下に記す． １）プラズマ核融合 ・磁場閉じ込め核融合プラズマにおける微視的電場測定法の開発 ・静電閉じ込め核融合プラズマにおけるポテンシャル構造の解明 ２）プラズマ推進（動力）・アークジェットスラスタに関する基礎研究 ・マグネトロン型プラズマ加速装置の開発 ・レーザー推進におけるプラズマ特性の解明 ３）ナノテクノロジーへの応用 ・レーザーアブレーションプラズマによる機能性薄膜生成と微細加工． ４）光源・レーザー ・高輝度極端紫外線レーザープラズマの分光診断，及び，デブリ抑制技術の開発 ・マイクロ放電による高輝度光源開発 ・X 線レーザー開発，及び，数値シミュレーション ５）プラズマの環境応用・廃棄物処理，NOXなど有害物質の処理，居住空間内の空気清浄・除菌 参考図書 １）プラズマ・核融合学会編「プラズマエネルギーのすべて」日本実業出版社 ２）飯島徹穂，近藤信一，青山隆司「はじめてのプラズマ技術」工
