J. Plasma Fusion Res. Vol.88, No.6 (2012)２９７‐２９９

サロン

たかがロウソク，されどロウソク−理科教育にも使える身近なプラズマ−藤田順治（原稿受付：２０１２年５月８日）

１．はじめにうことなどの問題点は承知の上で，手軽で有用なラング

ロウソクは古より光源として広く用いられ，宗教儀式にミュア・プローブ測定を試みた．その結果，電子温度は約とってもなくてはならない存在であった．そして鎮魂のと0.2 から 0.3 eV，電子密度は約 1013 m−3 のオーダーという値もしびとして心に訴えるものを持っている．このロウソクが得られた．
これらの実験によって，俄然，ロウソクも捨てたものでを科 学 の 目 で と ら え た Faraday の 名 著「ロ ウ ソ ク の 科学」は古今の名著として広く読まれている．

はないな！との思いに至った．複雑で高価な装置を用いなロウソクの炎に強い電場をかけると，明るく輝いている

くても，電離現象や基礎過程，生成されたプラズマの性質

炎の先端部がマイナス極の方へたなびくことはよく知られてを知ることができ，中で起こっているプロセスについて，おり，A. von Engel の著名な教科書［１］でも図入りで紹介さいろいろと思考を巡らす絶好の教材となる．一般市民や若れている．この部分が熱電離によりプラスに帯電した粒子

い人たちに対するプラズマに関する楽しい演示実験の一つであるとすれば，熱電離で生じた電子はどのような振る舞いとして役立つだけでなく，炎の燃焼機構解明にもつながるをしているのであろうか．このことがずっと気にかかっていた．

意味ある実験になるものと思われる．

筆者らは数年来，若者の理科離れを何とか食い止めたい

２．ロウソクの炎に電場をかけると願い，名古屋市科学館で「先進科学塾」と題したボラン
ティア活動を続けている．これは科学を思いっきり楽しみ

図１の装置概念図に示すように，シースルーの実験装置ながら科学に対する興味と関心を深めてもらおうというもを製作した．4 cm の間隔で立てられた金網電極間に約のである．ここでの経験と蓄積を活かし，２０１１年度は高校4 kV の電圧をかけた．大気の流れは線香の煙や別のロウソの Super Science High School（SSH）活動とも連携して理科クの炎のたなびき方によって観測した．明るく輝く炎の先教育のお手伝いをしている．

端部はマイナス極の方にたなびく．そのとき，マイナス極核融合炉の実現という長い道のりを考えると，若い人た

外部では，外向きの大きな大気の流れが観測された．これ

ちにもっと興味と関心を持ってもらわねばならない．しかは，熱電離で生じた炭素イオンやプラスに帯電した炭素のし，プラズマをテーマとして取り上げ，プラズマの性質を微粒子がマイナス極に向かって加速され，電極表面で電荷理解するための演示実験を行おうとすると，どうしても大が中和された後も，あるいは中和しきれなかったものも，掛かりな実験装置が必要となる．

外向きに運動を続けていると考えられる．また，大気を構成する分子のうち，これらのイオンと衝突して外向きの運２０１
１年末の SSH 活動においてロウソクの炎の実験を取動量を得たものも加わっているであろう．

り上げ，炎の様子が四方八方から観測できるように電極板を金網にして電場をかける実験を行った．金網電極とした

一方，熱電離で生成された電子は，電場で加速されて大余得は思わぬところにあり，ある高校教師の提案で電極外気分子と衝突を繰り返しながらプラス極へとドリフトして部の大気の流れを観測してみようということになった．そ行く．平均衝突距離は 1 μm 程度と短いため電場から得るの結果，炎がたなびくマイナス極の外部では，予想されるエネルギーは小さく，放電に進展するほどの電離衝突を起通り外向きの大きな大気の流れが見られたが，プラス極のこすまでには至らない．しかし，電子と酸素分子との電子外部でも，非常に局部的ではあるが外向きのかなり強い大付着衝突の断面積は大きく，負イオンが生成されているも気の流れが観測された．この電極を通過した粒子の電荷をのと考えられる．こうして作られた負イオンはプラス極の極性判別機能付き箔検電器［２］を用いて調べたところ，マ方へとドリフトしていくが，電極表面で電荷は失っても，イナスであることが確かめられた．

さらに外向きの運動を続けるものもあれば，金網を通り抜炎の中で熱電離が起こっていれば，電離度はきわめて低けて進むものもある．また，衝突によって運動量を貰ったいであろうがプラズマとしての性質も持っているものと考

大気分子も外向きに流れて行くと考えられる．このこと

え，プローブ挿入による擾乱や，放電プラズマとは訳が違は，プラス極の外側においても外向きの大気の流れが観測

Only a Candle, but a Candle -Useful Plasma for Science EducatiionFUJITA Junjiauthor’s e-mail: jyfujita@za2.so-net.ne.jp

２９７!2012 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchJournal of Plasma and Fusion Research Vol.88, No.6 June 2012

されたことからも実証される．ここで改めて炎の形状を注に加える電圧の極性を逆転させて，炎の先がたなびく側の意深く観察すると，炎の下部がわずかではあるがプラス極電極外部で粒子の電荷を調べたところ，これは予想どおの方へ膨らんでいることが分かる．外向きの大気の流れがり，プラスの電荷が誘起された．

まさにその延長線上の狭い範囲に限られていることから，プラス極へとドリフトする電子流を調べようと，電極直上述の僅かながらの電離衝突も手伝ってチャンネルのよう前に表面積 3 mm2 程度の小電極をおき，位置を変えて流入なものが形成され，大半の電子と負イオンはそれに沿ってする電流を測定したところ，これも強い大気の流れが観測流れているものと思われる．

された数 mm の範囲で，最大約 2 μA の電流が観測された．
電極全体での電流が約 3 μA であることを考えると，電子

図２（a），（b），（c）は，それぞれ，右側電極をアース電位電流の大半はこの領域に集中していることになる．とし，左電極をプラス，共にアース電位，左電極をマイナ

ここでクイズを一つ．電極前面をガラスのような絶縁物ス電位としたときの，炎のたなびきと，電極外部の大気ので覆ったら，たなびいていた炎はどうなるであろうか？誘流れを線香の煙の挙動で示した写真である．
次に，線香に替えて極性判別機能付きアルミ箔検電器

電体を間に入れても電場はシールドされないから，変化な［２］を用い，電極を通過した粒子の電荷を調べた．この検電

くたなびくか，回路として電流は流れなくなるので炎はた器は，アルミ箔に対して直角方向，つまり箔の開く方向になびかないか．答えは後者である．なぜ電場がかからなく電場をかけ，どちら向きの箔が開くかによって誘起されたなるのか，読者の皆さんの頭の体操に残しておく．

電荷の極性を知ろうとするものである．この検電器と炎に

３．炎プラズマのプローブ測定

対する電場印加のためには，ブロッキング発振とコッククロフト・ウォルトン回路をベースとした自作の高電圧電源

電位の基準となる電極を持たないプラズマに対してはダを用いた［２］．その結果，箔にマイナスの電荷が誘起されブルプローブを用いるのが常識であろうが，より多くの情ることが確認された．金網電極で電荷を失いきれなかった報が得られ，プラズマの性質を知るために有用であるシン負イオンが電荷捕集電極まで達したものと思われる．電極

グルプローブ法を適用することにした．しかし，プラズマの電位の基準が必要である．そこで，!0.3 のステンレス線をロウソクの炎を取り囲むようにコイル状に巻き，電位の基準を定める電極とした．炎の燃焼流は上向きなので，擾乱を少なくするため，下流つまり炎の上寄りに設置した．
プラズマ中に小電極を挿入すると，電子と正イオンとが同じ温度であっても，流入する粒子束は質量の違いにより電子の方が圧倒的に大きい．したがって，小電極の電位は自動的にプラズマの電位よりもマイナスとなって，電子電流とイオン電流が釣り合って正味電流がゼロとなる浮遊電位（floating potential）に落ち着く．しかし，この小電極が赤熱されて熱電子を放出し得る場合には，その電位がプラズマ電位よりも低い限り熱電子が放出され，正味電流がゼロとなるように自動的にプラズマ電位に落ち着く．エミッシブ・プローブ（emissive probe）の原理である．それ故この赤熱される電位基準電極はシングルプローブ測定の基準

図１電位としてお誂え向きである．プローブは !0.8 の Mo 線をロウソクの炎への電場印加実験装置概念図．アース電位の右側電極外部の大気の流れを線香の煙で，流れてきた粒子の電荷を極性判別機能付き検電器で検出．

断面だけプラズマに面するようにセラミックスの碍管で覆い，経方向に挿入した．
ロウソクの炎は安定しているとは限らないので，その時間変化に較べて充分短い時間内にプローブ特性を取らなくてはならない．そこで，プローブ電圧を数ボルト程度時間的に変化させ，電流は直列に挿入した抵抗の両端に現れる電圧としてオシロスコープで観測する．手軽に実験するには交流トランスを用いて 3 V もかければ充分である．しかし，プローブの周りにできるシースの応答時間を考えると，あまり高速でプローブ電圧を掃引することはできな
い．ここでは繰り返し 20 Hz の三角波を加えた．また，印

図２

炎のたなびきと電極外部の大気の流れを示す写真．すべて右側電極をアース電位に保ち，左電極をプラス（a），アース（b），マイナス電位（c）とした．再現性の観点からオイルランプを用いた．（c）
では，炎は左に，線香の煙は右へたなびいている．

加電圧を高くし過ぎると，プローブ電流を取り込むことによる炎プラズマへの擾乱が激しくなるので，プローブ特性が取れる範囲でなるべく低くした方が良い．
図３にプローブ測定回路の概念図を示す．Ch. 1 の電圧と２９８

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Ch. 2 の電流を X-Y 表示すればプローブ特性を直視するこほど流速は大きく，したがって密度は低くなっていることともできる．プローブ電流は 10 nA オーダーと微小な値なも予想されるし，イオン種 H＋と C＋との成分比が炎の位置ので，ノイズの除去が必須である．デジタルオシロスコーによって異なることも考えられる．プローブ特性から推定プの平均操作機能を用いてノイズを除去し，Excel に取りされるプラズマ電位は，上流部ではほぼ 0 V であるが，下込んで散布図を描かせるのが実際的であろう．プローブ測流部では，＋0.3 から＋0.6 V と，やや高くなっている．プラ定の原理については，文献［３，４］を参照されたい．

ズマ電位も空間的な構造を持っているようである．

炎の上流つまり下部で取ったプローブ特性の一例を図４

プローブ位置を精密に制御できる治具を用意して，上記に示す．プローブ電流の立ち上がり部分は指数関数的に上のイオン密度と成分比を含めて，プラズマ諸量の空間分布昇している．この領域ではイオン電流はほぼ一定なので，を詳細に測定すれば，ロウソクの炎の燃焼過程を知る上で正味の電子電流が電圧とともに指数関数的に上昇してお有用なデータが得られるものと思われる．

り，電子のエネルギー分布関数がマックスウエル・ボルツ

４．おわりに

マン分布に従っていることを示唆している．指数関数へのフィッティングから指数を求め，その逆数から電子温度をロウソクの炎全体がプラズマであるか否かについては議算出すると，約 0.26 eV という値が得られた．この電子電流論の余地が残る．最も密度の高い部分では，デバイの長さに負イオン電流が含まれているか否かは定かではないが，を計算すると約 0.3 mm となり，炎のサイズより小さい．し

炎の中では負イオンはあまり存在しないのではないかと考かし炎の先端部のように密度が低い領域では既に炎のサイえられる．

ズを上回ってプラズマの定義を満たさなくなるであろう．

数種の正イオンが存在しているときには，それぞれの密したがって，炎に電場をかけたとき，中心部ではプラズマ度比が分かっていなくては飽和電流値からイオン密度を求としての性質から電場はしみ込まず，炎はあまり動かないめることはできない．飽和イオン電流値を読み取り，上記が，先端部ではその性質を失って電場がしみ込み，正に帯の電子温度を式に代入してイオン密度を求めてみると，す電したカーボン微粒子が電場から力を受けてたなびいたも＋13＋のと解釈できる．また，プローブ測定で，電子電流がプと仮定すると約 7×1013 m−3 という値が得られ，電離度はローブ電圧とともに指数関数的に立ち上がっていて，いわべてのイオンがH と仮定すると約2×10 m−3−12，すべてCと 見 積 も ら れ る．炎 の 上 部 で は 電 子 温 度 が 約

ゆるプローブ特性が得られていることも，プローブの周り0.35 eVとやや高めであったが，イオン密度は逆にやや低めにシースが形成されるという，プラズマ固有の性質の一端

約 10＋13−3＋13−3を見せているものと思われる．

で，H とすれば 1.2×10 m ，C であれば 4.2×10 m

炎の中では，常にプラズマの生成と消滅が起こっておであった．燃焼流が上向きであることを考慮すれば，下流り，決して平衡状態にはない．これらの実験で，生起しているいろいろなプロセスについて考えるきっかけを作ってくれるという意味でも興味深いテーマではある．
ローテク駆使の文字通り我が家での Kitchen Physics には自ずと限界がある．より設備の整った環境でハイテクを駆使し，さらに，再現性の観点からアルコールランプやブンゼンバーナーなどを用いて，より精度の高い実験を進めることができれば，炎のプラズマそのものの性質や生成過程を知ることもできるし，それをベースとしてプラズマに関心を持つ人たちへの絶好の入門実験のシナリオを作るこ
図３

ロウソクの炎のプローブ測定回路概念図．ともできるであろう．
どなたか，この仕事を一緒に続けてくださる方，いろいろとご教示いただける方，独自に進めてくださる方がいらっしゃれば，これに過ぎたる喜びはない．
この実験に協力してくださった林煕崇氏に感謝の意を表したい．

参考文献［１］A. von Engel, Ionized Gases (Oxford Press, 1955).
［２］藤田順治，林 煕崇：応用物理教育 35, 1 (2011).
［３］プラズマ・核融合学会編：プラズマの生成と診断（コロ図４ナ社，２００４）．
［４］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）．

プローブ特性の一例．プローブ電圧が−1 から 0 V の間で，電子電流は指数関数的に増大している．この指数から電子温度を求めると 0.26 eV となる．

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