J. Plasma Fusion Res. Vol.97, No.5 (2021)２５５‐２６０

解説

水中放電による圧力波の生成と利用
Generation and Application of Pressure Wave by Discharge in Water
佐藤岳彦
SATO Takehiko
東北大学流体科学研究所（原稿受付：２０２１年２月２８日）

水中放電を用いて生成する衝撃波は，医療や環境などの分野に応用され，現在も精力的に研究が進められている．著者らは，水中放電現象のより深い理解をめざし，水中負ストリーマ進展中に発生する微弱な衝撃波の可視化法を新たに開発し，負ストリーマの詳細な進展過程を解明した．また，水中スパーク放電で発生する衝撃波の反射により生成した正圧と負圧の圧力波を利用し，キャビテーション気泡崩壊時に指向性マイクロジェットを生成した．本解説ではこれらの研究成果について紹介する．
Keywords:
shockwave, negative streamer, cavitation bubble, directed microjet, compression wave, expansion wave,discharge in water

１．はじめに示すようにフィラメント形状のガスチャネルが樹枝状に水中放電が生成する，化学活性種，衝撃波，気泡，紫外20 km/s 以上で進展する．いずれも，背景から入射した線，高電界などを利用した水処理や殺菌，環境浄化，材料

レーザー光の影を撮影するシャドウグラフ法［１６］でスト加工，医療応用が 進ん で い る［１］．水 処 理 で は，キ ャビリーマチャネルの進展の観察が可能である．一方，負ストテーション微小気泡群放電を用いた難分解性物質の処理

リーマは，図１（c）に示すように進展の様子が珊瑚状に広［２］，環境浄化では，衝撃波を利用したシアノバクテリアがり全体が影として撮影されてしまうため内部構造が可視の気泡破壊による沈殿［３］，材料加工では，衝撃波を利用化できない．また，正ストリーマより発光領域や発光強度したマグネシウム合金の成形［４］，医療応用では，体外衝が小さく，生成するストリーマチャネルが電極付近の微小撃波結石破砕術（ESWL）の改良に向けた衝撃波収束効率領域に限られるなど，自発光による進展過程の観察も極めの向上［５］，ウォータージェットメスの開発のための細管て難しく，詳細な進展過程は不明であった．本解説では，

内放電流動現象の解明［６］，低温アブレーションや手術用負ストリーマ進展中に断続的に発生する微弱な圧力波を可メス PEAK（Pulsed Electron Avalanche Knife）［７］がある．

視化することで進展過程を解析した［１７］．

気泡生成では，マイクロ・ナノメートルサイズの気泡生成

２．
２ 圧力波可視化法の開発
図２に新たに開発した負ストリーマ中の圧力波を可視化

や帯電作用［８］や食品の殺菌に向けて空気プラズマガスを微細気泡にする方法の研究［９］などがある．

する装置を示す．超純水を満たしたキュベット内に白金の以上のように，水中放電による圧力波は，基礎から応用針電極と接地電極を設置し，針電極に−18 kV 印加した．

まで幅広く研究が進められている．本解説では，水中の絶電圧は，666 pF のコンデンサーに蓄えた電荷を MOS-FET縁破壊の前駆現象である負ストリーマの詳細な進展過程のスイッチを介して与えた．撮影は，高速度カメラ（ナック

解析と水中放電で生成した衝撃波を利用した指向性液体マイクロジェットの生成について紹介する．

２．水中負ストリーマの進展過程
２．
１ 水中正ストリーマと負ストリーマの違い
著者らは，水中正ストリーマの進展過程について，詳細に明らかにし て き た［１０‐１５］．図１に 水 中 ス ト リ ーマのシャドウグラフ写真を示す．正１次ストリーマは，図１（a）

図１に示すように半球状に多数のフィラメント状ガスチャネルが 2 km/s 程度で進展する．２次ストリーマは，図１（b）に水中ストリーマのシャドウグラフ写真．（a）
正１次 ス トリーマ［１１］，（b）
正２次ストリーマ［１３］，（c）負ストリーマ［１７］．

Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai, MIYAGI 980-8577, Japanauthor’s e-mail: takehiko.sato.d7@tohoku.ac.jp

２５５!2021 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

図２

負ストリーマ進展過程可視化装置［１７］．

イメージテクノロジー，Ultra Neo）に顕微鏡レンズ（キーエンス，VH-Z50L）を装着し，532 nm のレーザー光を背景光にして行った．撮影速度は40 Mfpsとし，露光時間は5 nsとした．同期は，ディレイジェネレータを利用し，放電電圧と放電電流を高速オシロスコープにより同時計測した．
圧力波の可視化には，図２に示すようにレーザー発信器とキュベットの間にグランレーザープリズム（シグマ光機，GLPB2-10-26 SN-3/7）を，カメラとキュベットの間にワイヤーグリッド偏光フィルター（シグマ光機，WGPF-30C）をそれぞれ挿入した．ここで，背景光として用いたグリー
ンレーザーの出力は直線偏光であり，挿入した２つの偏光板の透過軸はレーザー光の偏光軸と一致するように設定した．また，それぞれの偏光板をわずかに回転させることで，

図３

微小な圧力変動を捉えられるように調整した．これにより，２つの偏光板を挿入するだけでシャドウグラフ法では観察できなかった微弱な圧力波を負ストリーマの影と同時圧力波発生の可視化と電流電圧波形［１７］
．（a）
負ストリー
マ進展時に発生する圧力波の連続写真，（b）
印加電圧と放電電流波形，（c）
放電電流波形における連続写真の撮影タ
イミング．に可視化することに成功した．なお，得られた画像から波面が円状に広がること，波面の速度が約 1480 m/sであり水

ここで，この円状の圧力波を解析することで，圧力波の中の音速程度であることから，観測された波は圧力波であ発生位置と発生時間が特定できると考えた．圧力波が多数ると判断した．

撮影されている写真に着目し解析した結果を図４に示す．

２．
３ 圧力波解析による負ストリーマ進展過程の解明

図４（a）は９枚目の写真（$!200 ns）を解析し圧力波の中図３に，（a）負ストリーマ進展時の圧力波発生の連続写心を示した結果，（b）は１１枚目の写真（$!250 ns）の圧力真と（b）その時の電流・電圧波形を示す．図３（c）は，（b）

波の中心を示した結果，（c）は解析した圧力波中心を図３の一部を拡大して表示し（a）の撮影タイミングを示してい（a）の連続写真に重ねた結果，（d）は放電電流と圧力波発る．使用したカメラの記録できる連続写真フレーム数が最生時間の関係を示した．さらに，図５に，図４（c）の中心位大１２フレームであるためストリーマ進展途中からの写真と置と発生時間を抽出した負ストリーマの進展過程をまとめなる．時間表示は（a）では撮影開始時を $!0 ns とし，（b）た結果を示す．

（c）では電圧印加開始時を $!0 ns としている．図３（a）の

図４（a）で は，半 径 "!"""の 円 形 波 面 に つ い て 解 析$!0 ns において既にストリーマはわずかに進展 しておに各圧し，それぞれ中心位置 !!"!"を特定した．図４（d）

り，そのときに発生したと見られる圧力波が下方に伝播す

力波の発生時間 #!"#"を示すが，これは水中の音速と半る様子が示されている．図３（c）の電流波形から，２枚目の径から伝播時間を計算し求めた．同様に，図４（b）では，半写真（$!25 ns）以降に繰り返しパルス電流が発生し放電

径 "#""&の円形波面について解析し，それぞれ中心位置していることが示されている．これより，ストリーマは放!#"!&を特定し，図４（d）に各圧力波の発生時間 ##"#&

電発生と共に進展し，円状の圧力波の広がりが繰り返し発を示した．図４（c）に示すように，求めた中心位置は図３生している様子が捉えられている．圧力波が発生する理由（a）の連続写真上において，ストリーマの先端に位置するとしては，水中におけるストリーマ形成時のジュール熱にことが明らかになった．また，図５よりストリーマは，!"

よるガスチャネルの急速膨張によること，ストリーマガス（""）において分岐し，!#（"#）から !%（"%）と !$（"$）

チャネルの先端の気液界面に放電が衝突する衝撃などが原から !&（"&）と２方向に進展していることが示された．こ因と考えられる．のときの圧力波面の半径 "#，"$と "%，"&の違いより，発２５６

Commentary

Generation and Application of Pressure Wave by Discharge in Water

T. Sato通じて電荷が !"と !#に供給される．!"で形成される電界強度が十分に大きくなると !$に進展し，その後 !#の電界強度も閾値を越え!%に進展する．このような過程で分岐進展すると考えられる．
過去のストリーマ研究によれば，分岐の要因として，ストリーマの進展経路にある気泡などの不均質性が，低密度で電離しやすい領域となり分岐を導くこと［１８，１９］，ストリーマ先端における衝突電離の不安定性と電子拡散の安定性のバランスから，ストリーマ先端の半径が大きくなると不安定になり分岐が起こること［１９‐２１］が報告され，いずれも分岐時の時間差はないものとして扱われている．また，局所電界による分岐形成についての報告も見当たらない．
なお，図４（d）より，圧力波の発生時間は電流パルスの発生時間に概ね一致することが示された．このことは，ガスチャネル内で放電が起きストリーマが進展する時に圧力波が発生することを示唆しており，前述の考察を裏付けている．
２．
４ 水中負ストリーマ進展過程のまとめ
以上の結果より，従来の可視化方法で観察できなかった微弱な圧力波を精密に可視化し解析することに成功した．
この可視化された圧力波を利用した解析により，図５に示すように負ストリーマは，20〜50 ns 毎に 20〜50 μm の進
図４

圧力波解析方法［１７］（．a）
図３（a）の写真９枚目（t = 200 ns）の 圧 力 波 発 生 位 置 の 解 析，（b）
図３（a）の 写 真１
１枚 目
（t = 250 ns）の圧力波発生位置の解析，（c）
図３（a）の連続写真における圧力波発生位置の特定，（d）
圧力波発生時間と放電電流．

行・停止・分岐を繰り返しながら進展することが明らかになった．また，ストリーマ内部における現象の考察から局所電界による分岐モデルの提言や分岐が時間差で発生することを発見し，負ストリーマの新しい進展モデルの提唱につながった．

３．指向性液体マイクロジェットの生成
３．
１ 液体マイクロジェット「キャビテーション」［２２］は，圧力減少に伴う発泡現象であり，液体圧力が飽和蒸気圧より低くなるときに発生する．発生した気泡は成長後収縮し，崩壊時に衝撃波の生成［２３］，発光［２４］，化学反応［２５］，液体マイクロジェット（以降：マイクロジェット）の生成［２６］などの特異現象をもたらすことが知られている．ここで，図６に著者らが撮図５影した膨張波により生成したキャビテーション気泡の収負ストリーマの進展過程の解析結果［１７］．

縮，崩壊，再膨張，マイクロジェット生成の過程を示す
生時間が，""と "#で 9 ns，"$と "%で 10 ns，異なること［２７］．ここで，膨張波とは負圧の圧力波であり，後述するから，ストリーマが分岐するときの進展開始時間に差があ

圧縮波は正圧の圧力波である．マイクロジェットは，収縮ることが明らかになった．

時に気泡の一部が凹状に変形し針状となり気泡内部に向か

ここで，ストリーマの分岐過程について考察する．電流

い，反対側の気泡壁を貫いて形成される液体のジェットでパルスの発生に伴い !!から !"に向けたストリーマ進展があり，圧力勾配がある場合，半球形の気泡が固体表面に付最初に起こり，放電の電荷供給により!"のポテンシャルは着している場合，気泡付近に固体壁がある場合などに発生高くなる．!"に帯電する電荷により形成される !!と !"することが知られている［２８］．マイクロジェットは流体機の間の内部電界は，外部電界と逆向きで外部電界強度を低

械の壊食の原因となるが，近年では医療への応用が進めら減させる．そのため，!"に供給される電荷が減少し，!!

れ，細胞膜に微小孔を形成して細胞膜の透過性を高め薬剤に蓄積し !!のポテンシャルが高くなる．一方，このポテンの輸送効率を向上させるなどの研究が進められている

シャルに応じた !#方向への局所的な電界が新たに形成さ［２９］．

れ，ある一定の電界に達したときに，!#にストリーマが進

３．
２ 圧力発生方法とマイクロジェット生成過程の概要
図７にスパーク放電を利用した圧力波を発生させる装置

展する．分岐後は，形成されたストリーマガスチャネルを
２５７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

図７

スパーク放電による圧力波発生装置．（a）
球状圧力波発生装置，（b）
平面状圧力波発生装置［２７］．

泡表面で反射し，再び球状の２次圧縮波として水面に伝播する．このとき，電極間を通る垂直軸方向の反復する圧力
図６波において，圧縮波は常に水面に向かう方向のみとなる．

キャビテーション気泡の収縮，崩壊，リバウンド，マイクロジェット生成過程の連続写真［２７］．

膨張波が通過すると気泡が現れ成長を始めるがその間に２次圧縮波が通過する．気泡は非球形崩壊しマイクロジェッを示す［２７］．また，図８にこの装置を利用した圧力波生成

トを形成し，再膨張の過程で観察できるようになる．

過程の概要を示す．純水を満たした容器内に２本の対向す

図７（b）は設置した２本の電極の上部に厚さ 0.2 mm のアる針状電極を設置し，コンデンサーからギャップスイッチ

ルミナ平板を固定することで，平面状の圧力波を生成するを介して電圧を与えスパーク放電を発生させ，水中に衝撃装置である．図８（b）に示すように，電極間にスパーク放波を発生させる．本解説では，複数の圧縮波と膨張波を利電が発生すると，アルミナ平板が衝撃を受け振動すること用するため，スパークで発生した衝撃波を１次圧縮波と呼で，水面に向かう平面状の１次圧縮波が発生する．１次圧

ぶこととする．水中を伝播する圧力は，光ファイバーハイ

縮波は，水面で反射し膨張波となりアルミナ平板に向かっドロフォン（FOPH 2000，RP Acoustics）で測定した．水て伝播する．膨張波は，アルミナ平板で反射し膨張波のま中に生成されるキャビテーション気泡とマイクロジェット

ま平面状に水面に向かって伝播する．これは，水の音響イ

は，高速度カメラ（ナックイメージテクノロジー，Ultra

ンピーダンスがアルミナより小さいことによる．膨張波がNeo）と顕微鏡レンズ（キーエンス，VH-Z50L）を用いて可通過すると気泡が生成され成長するが，その間に２次圧縮視化した．

波が通過する．気泡は非球形崩壊しマイクロジェットを形

図７（a）は，電極間にスパーク放電を発生させ球状の圧成し，再膨張の過程で観察できるようになる．

力波を生成する装置である．図８（a）に示すように，１次圧

３．
３ 圧縮波の方向と液体マイクロジェットの方向の関係

縮波は水面で反射し膨張波となり逆向きに球状に伝播す

図９に球状圧力波の結果を示 す．
（a）に示すようにスる．これは，水の音響インピーダンスが空気より大きいこパーク放電により発生した球状の１次圧縮波（１）が水面でとによる．膨張波は，スパーク放電で生成された球状の気反射し膨張波（２）として伝播し，（b）に示すように最大径

図８スパーク放電による圧力波の発生とマイクロジェット生成過程．
（a）
球状圧力波を用いた場合，（b）
平面状圧力波を用いた場合．

２５８

Commentary

図９

Generation and Application of Pressure Wave by Discharge in Water

球状圧力波の場合の解析結果［２７］．（a）圧力波伝播の連続写 真．（１）
１次 圧 縮 波，（２）膨 張 波，（３）２次 圧 縮 波．フ
レーム間隔は400 ns，スケールバーは200 μmである．上部は気液界面，下部にあるのは電極，中央右側は光ファイ
バーハイドロフォン．（b）
膨張波により生成したキャビテーション気泡．スパーク放電発生から 3.3 μs 後の写真．
スケールバーは 200 μm．（c）
電極間中心を原点とした気泡
位置角度 !pos と垂直軸を基準としたマイクロジェット方向
角度!jet の定義．（d）
キャビテーション気泡からのマイクロジェット生成過程の連続写真．フレーム間隔は 0.5 μs，ス
ケールバーは 50 μm．（e）
光ファイバーハイドロフォンにより計測されたスパーク放電後の圧力の時間変化．（f）
気泡位置角度 !pos と マ イ ク ロ ジ ェ ッ ト 方 向 角 度 !jet の 相関．それぞれの角度の定義は（c）に記載．

T. Sato

図１０ 平面状圧力波の場合の解析結果［２７］．（a）
圧力波伝播の連続写真．
（１）
１次圧縮波，（２）膨張波，（３）反射膨張波（４）２次圧縮波．フレーム間隔は 400 ns，スケールバーは 200 μmである．下部にあるのは電極，中央右側は光ファイバーハイドロフォン．（b）
膨張波により生成したキャビテーション気泡．スパーク放電発生から 9 μs 後の写真．スケール
バーは 200 μm．（c）
電極間中心を原点とした気泡位置角度!pos と垂直軸を基準としたマイクロジェット方向角度 !jetの定義．（d）
キャビテーション気泡からのマイクロジェッ
ト生成過程の連続写真．フレーム間隔は 1.4 μs，スケール
バーは 100 μm．（e）
光ファイバーハイドロフォンにより計測されたスパーク放電後の圧力の時間変化．（f）
気泡位置
角度 !pos とマイクロジェット方向角度 !jet の相関．それぞれの角度の定義は（c）に記載．

が 20〜120 μm のキャビテーション気泡が生成される．膨張波はスパーク放電で生成された電極間の気泡表面で反射１次圧縮波（１）が水面で反射し膨張波（２）として伝播する．

し，球状の２次圧縮波（３）として水面に向かう．伝播する圧

その後，平板において反射膨張波（３）が水面に向かい，圧縮力波の最大圧力は，（e）に示す圧力の時間変化より，（１）波（４）が生成され伝播する．伝播する圧力波の最大圧力は，60 MPa，（２）−18 MPa，（３）20 MPa で あ り，（１）と（３）は（e）に示す圧力の時間変化より，（１）15 MPa，
（２）−9.5 MPa，圧縮波，（２）は膨張波であることが確認できる．（d）に示（３）−7.7 MPa，（４）5.2 MPa で あ り，
（１）と（４）は 圧 縮 波，

すようにマイクロジェットは再膨張の過程で現れ，（f）に（２）と（３）は膨張波であることが確認できる．平面状圧力波示すようにマイクロジェット方向は１次圧縮波の進行方向でも球状と同様に（b）に示すようにキャビテーション気泡と同じ方向であることが明らかになった．一方，マイクロが生成され，（d）に示すように再膨張過程においてマイクジェット生成は気泡周囲の圧力勾配により生成されることロジェットが出現する．マイクロジェット方向を解析するが知られている．キャビテーション気泡を通過する複数のと，（f）に示すように気泡位置角度に関係なく，２次圧縮圧力波があることから，マイクロジェットの方向を決定す波の伝播方向と同じ平板方向に向いていることが示される圧力波があると考えた．そこで，どの圧力波が方向を決た．３次圧縮波以降は圧力が減衰する上，マイクロジェッめる因子となるのかを同定するため，平面状の圧縮波を利ト方向と圧縮波伝播方向の関係には強い相関は見られな用し，圧力波の方向とマイクロジェットの方向の関係を検かった．この結果より，マイクロジェット方向は，１次圧証した．

縮波ではなく，２次圧縮波の進行方向で決まることが明ら

図１０に平面状圧力波の結果を示す．
（a）に示すようにスかになった．

パーク放電によりアルミナ平板を介して発生した平面状の球状圧力波の場合においても，２次圧縮波は球状に１次２５９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

謝

圧縮波とほぼ 同 じ方 向 に 伝 播 す る こ と か ら，マ イクロ

辞

本解説で紹介した，負ストリーマ進展過程については，ジェット方向を決める因子は，２次圧縮波の伝播方向であ金澤誠司（大分大），熊谷 諒，大谷清伸，小宮敦樹，金子ることが明らかになった．
最後に，一般に壁面近傍に形成されるマイクロジェット俊郎，中嶋智樹（東北大）（敬称略）との共同研究であり，指の方向は壁面方向に向くことが知られているため，壁面近向性マイクロジェットの生成については，Outi Supponen，傍におけるマイクロジェット方向を圧縮波の進行方向に変Mohamed Farhat（EPFL（ス イ ス）），南 共 哉，中 嶋 智えられるかどうかについて検討した．これは，壁面近傍の樹，上原聡司，大谷清伸，金子俊郎（東北大）（敬称略）とマイクロジェット方向の制御が可能になれば，応用上の優の共同研究の成果である．ここに，共同研究者に謝意を表位性が大いに高まるためである．ここでは，壁面近傍のす．なお，所属は研究当時の所属を表記した．

キャビテーション気泡が生成するマイクロジェットの方向と２次圧縮波の進行方向との関係を検証した．図１１に球状

参考文献

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７年度東北大学大学院工学研究科修士論［３０］南 共哉：平成２
文（２０１６）．

ane（PDMS））平板上に生成されたキャビテーション気泡の再膨張時に出現したマイクロジェットの様子を示す．
PDMS 平板は電極と水面の間に挿入した．PDMS は音響イ
ンピーダンスが水に近く，圧力波はそのまま透過する性質を持つ．ここでは，固体壁表面と固体壁から離れた気泡が生成するマイクロジェットの様子が示されているが，固体壁表面のマイクロジェットは固体壁から離れた場合と同じ方向の水面方向に向いていることが示されている．一般に固体壁上では，マイクロジェットは壁方向に向かうが，圧縮波の圧力が十分に大きい場合は，固体壁よりも圧縮波の影響の方が大きくなる場合があることが明らかになった．
これより，指向性マイクロジェットの生成が可能であること，さらには指向性マイクロジェットの応用展開が可能であることを示した．

４．まとめ
本解説では，著者らの今までの研究から，水中における圧力波を用いた，水中負ストリーマの詳細な進展過程の解析方法や正圧・負圧などの特徴を生かした指向性マイクロジェットの生成について紹介した．流体現象の理解は，プラズマや放電のみならず，幅広い現象の理解に繋がるため，今後も流体科学の手法を利用して新しい未知の現象の理解に努めたい．

!!!!!!!!!!!!!!

とうたけひこ東北大学 流体科学研究所 教授，１９９５年東北大学 博士（工学）．気液プラズマの熱流動現象や水中放電進展機構，微細な気泡や液滴の生成や挙動，プラズマ刺激に対する細胞応答，プラズマ殺菌などの研究を進めています．特に，微小域の高速現象の可視化法の開発に力を入れています．ハ
イキングや写真を撮るのを楽しんでいます．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

図１
１ PDMS 平板上のキャビテーション気泡から壁面と逆方向のマイクロジェッ ト が 生 成 さ れ る 様 子．ス ケ ー ル バ ー は
50 μm，フレーム間隔は 0.5 μs である［３０］．

さ佐 藤 岳 彦!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

２６０