J. Plasma Fusion Res. Vol.91, No.6 (2015)３
７５‐３８３

解説

航空機放物線飛行による微粒子プラズマの微小重力環境実験
Microgravity Experiments of Dusty Plasmas by Aircraft Parabolic Flights" 橋 和 生１）， 斗 内 愛 美１），＊， 井 出朋１），＊＊， 足 立聡２）， 東 辻 浩 夫３）， 林

康 明１）

TAKAHASHI Kazuo１）, TONOUCHI Manami１），＊, IDE Tomo１），＊＊, ADACHI Satoshi２）,
TOTSUJI Hiroo３）and HAYASHI Yasuaki１）
１）

京都工芸繊維大学 大学院工芸科学研究科 電子システム工学部門
２）

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所，３）岡山大学（原稿受付：２
０
１
５年２月１
６日）

国際宇宙ステーション（ISS）を使った微粒子プラズマの微小重力環境実験が，ロシアとドイツの共同プロ
ジェクトとして進められている．プラズマにおける微粒子の振る舞いに対する重力の影響は興味深く，地上では観察されない，もしくは観察が困難な現象が，微小重力下において数多く確認されている．日本でも，ISS の日本
実験モジュールにおける実験をめざす研究者が，航空機を用いて独自に微小重力環境実験を実施している．航空機を使った微小重力環境実験では，ISS の実験にはない重力が変化する中での系の応答が観察され，そのデータからは特有の理解が得られる．これまで，平行平板型装置とガラス管内に対向電極を配置した装置の２種が使われ，それぞれにおいて，ボイド形成や微粒子の直線配列形成についての観測が行われている．これら二つの現象について，ISS ではなく航空機を用いたために得られた理解を伝えると共に，航空機実験について技術や実際を紹介する．
Keywords:
dusty plasma, fine particle plasma, complex plasma, Coulomb crystal, microgravity, parabolic flight

１．微粒子プラズマ（クーロン結晶）と微小重力環境

数百 μm におよび肉眼で容易に観察できる．このことから，

電子とイオン，中性ガス粒子，微粒子が存在する系を微結晶化や相転移など原子集団が起こす物理現象を，クーロ

粒子プラズマもしくはダストプラズマと呼んでいる［１］．

ン結晶を用いて視覚的に理解しようと多くの研究が進めら実験室では，圧力が数十Paの希ガスに高周波や直流の高電れてきた．

圧が印加されて発生するプラズマに，粒径が数 μm の微粒プラズマ（放電空間中）では微粒子に様々な力が働く．

子が注入されることが多い．このようなプラズマでは通常，電子の温度（数 eV）がイオンの温度（室温程度もしく
は室温より一桁高い程度）に対して圧倒的に高いため，微粒子は負に帯電する．また，微粒子の温度については，
数々の議論があるが，ここでは雰囲気である中性ガス粒子との摩擦により，室温程度であると考える．図１は平行平板型高周波プラズマ中に微粒子が注入された様子を示している．微粒子にレーザ光を照射し，散乱光を得ることにより微粒子の分布や挙動を観察する．この図において電極間隔は 30 mm であり，微粒子は下側電極の上，4 mm の位置に 7 mm の厚さの分布をもって浮遊していることがわかる．
負に帯電した微粒子はクーロン力を介して相互に作用す
る．クーロン相互作用のエネルギーが微粒子の熱運動エネ
ルギーを大きく上回るとき，微粒子が物質結晶中の原子のように整然とした配列をつくる．これをクーロン結晶と呼

図１んでいる（図２）［２‐５］．物質結晶中の原子と同様，体心立
方や面心立方の構造がみられる．その格子定数は数十から

微 粒 子 プ ラ ズ マ の 例．40 Pa の Ar ガ ス 中 で 13.56 MHz，600 mW の高周波電力が印加され，2.6 μm のメラミンホル
ムアルデヒド微粒子が注入されている．

Kyoto Institute of Technology, KYOTO 606-8585, Japan＊２
０
１
３年３月修了，＊＊２
０
１
０年３月修了corresponding author’s e-mail: takahash@kit.jp

３７５!2015 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

で数秒，航空機で２０秒程度である．炭坑跡の縦坑を利用し１０秒程度の微小重力環境が得られる落下塔もあったが閉鎖されており，現在稼働している落下塔は限られている［８］．落下塔や航空機の利用機会は，日本ではこれまで宇宙航空研究開発機構（JAXA）の宇宙環境利用科学委員会
により提供されてきた．同委員会が，微小重力環境科学に興味を持つワーキンググループ（WG）を募り，それに採択されれば必要に応じて審査され，微小重力実験の機会を得ることができた．ただし，現在ではこれも限られたものとなり，新しいテーマを応募して，微小重力実験を実施する
ことは現実的でなくなっている．そのような状況の中，落下塔と航空機については，研究者個人が委員会を通すのではなく施設へ直接申し込むことでも利用が可能である．研
図２

クーロン結晶と体心立方構造の模式図．クーロン結晶の像では，体心立方構造の（1 1 0）面が３層重なっている様子がわかり，a= 209 μm である．

究者がその予算を用意すれば利用でき，実際にこの形態を

図３は，プラズマ中で微粒子に働く力とその向きを示して

ボリックフライト）パターンにより与えられる（図４）．機いる．プラズマの中心から外側（電極）へ向かって電位勾首を４５°にして急上昇し，ある時点で航空機の推力を急激

配が存在する．その電位勾配（電界）による静電力が働き，に小さくすれば，ちょうどボールをより遠方に到達させよ

負に帯電する微粒子はプラズマの中心側へ引かれる．一方

うと斜方投射するのと同じ状況になる．航空機は機首方向で，電界により電荷が正のイオンはプラズマの外側へ流れの加速度を失い，惰性で飛行する．その後しばらく上昇をる．イオンによる粘性力が働き，これにより微粒子は外側

続け，最高到達点を経て下降に転じる．この間，機上の実へ引かれる．さらに地上では，重力が働く．どの力もその

験者は重力を感じないのが事実である．航空機の系では重大きさはpNの程度である．他に，中性ガス粒子による粘性力に対して逆方向の慣性力が働いていると解釈され，慣性力や熱泳動力等が働くが，微粒子の分布位置を考える多く

力と重力との釣り合いにより，固定されていないものが浮の場合には，主に静電力とイオン粘性力，重力の３つの力遊するように見える．航空機を運航するダイヤモンドエアの釣り合いを考えればよい．

サービス!（DAS）によると，このときの加速度は，航空とる研究者もいる．
航空機による微小重力環境は，放物線を描く飛行（パラ機の前後方向で 1×10−2G，左右方向で 1×10−2 G，上下方

地上では図１が示すように，微粒子は重力の作用により下側の電極近傍に分布する．一方で，重力がそれほど他の力に比べて強く作用しない小さい（数百 nm 以下）微粒子
は，上下双方の電極近傍に分布する．この様に，微粒子の分布に対して，重力は大きな影響を及ぼす．筆者らが興味を持つのは，微粒子間のクーロン相互作用が非常に顕著に見られる，すなわち粒径の大きい微粒子が存在する系である．微粒子の相互作用の大きい領域では，結晶が形成されるだけではなく，通常の物質では直接的な観察が困難な臨界現象が観察されると予測されている［６］．例えば，気液の臨界点付近では臨界タンパク光を得てその状態を知るのみで，原子や分子の分布の時間的，空間的ゆらぎが直接観察されるわけではない．微粒子の系では，微粒子分布のゆ図３

らぎが肉眼で直接観察できることに期待されている．このプラズマにおいて微粒子に働く力．

実証のためには，粒径の大きい微粒子を広い空間に渡って一様に分布させなければならない．したがって，微小重力環境は必要であり，現状では臨界現象を実証するためには実験装置をその環境に置くことが唯一の手段である．

２．航空機による微小重力環境実験
ボールの投げ上げや斜方投射を例に物理で説明される落下運動を利用して，微小重力環境を得ることができる．主に利用できる設備は，落下塔と航空機である．他の設備もあるが，機会を得ることや装置の制約で利用に困難を伴う

図４

ものが多い
［７］．微小重力環境が得られる時間は，落下塔
３７６

航空機の放物線飛行（パラボリックフライト）パターンと機体の姿勢，ならびに実験者が感じる重力．

Commentary

Microgravity Experiments of Dusty Plasmas by Aircraft Parabolic Flights

K. Takahashi et al.

向で 1〜3×10−2 G であるとされている（1 G は地上の重力訪れる．実験は海上で行われるが，航空機が降下し機首が加速度 9.8 m/s2 である）．パラボリックフライトにおける−３５°になるときは，波間に真っ逆さまに進んでいく様子

加速度の実測値を図５に示す．図では，機体前後方向，翼が窓の外を見ているとわかる．

方向および機体床面に対して垂直方向の座標をそれぞれ

DAS では，三菱式 MU-300 型機とグラマン式 Gulfstream-II!
，"および #軸に対応させている．#方向の加速度がほぼ（G-II）機（図６）の２種類の航空機が用いられ，パラボ

０になる微小重力の状態は２０秒程度続いている．"方向のリックフライトが行われている．１日当たり，１時間程度

加速度はほぼないが，微小重力になる初期の段階では !

がパラボリックフライトのために，またその前後１時間程

方向の加速度が残っている．このため，この段階にはごく度が実験空域への移動のために割り当てられる．１時間のわずかであるが機首方向に向かう力が生じる．得られる加中で，１０〜１５回パラボリックフライトが繰り返される．ど速度条件は，飛行地点の風速，雲の様子等により影響を受のような場合でも，操縦士が実験者の都合や実験の準備状

ける．操縦士がその場での状況を判断し，よりよい微小重況に合わせて，その飛行パターンを開始するため，有効な力環境が得られるよう最善を尽くしてくれる．正操縦士は実験データが絶えず得られる．これに対し，欧州宇宙機関

計器を見ながら操縦桿を操作し，それに合わせて副操縦士（ESA）が用意する機会では，大型の航空機で多数のチーが推力を調節する．双方の操縦士の卓越した技量と呼吸のムが相乗りになるため，ある時間間隔で機械的にパラボ合った操作なしでは，加速度が小さくまたその揺らぎが少

リックフライトが繰り返される．これに参加する欧州の研ない，よい微小重力環境は得られない［９，１０］．後の章で紹究チームは，微小重力実験で得られる実験データの整理に介する結果を欧米で発表すると，それを見た人々は国際宇

大変苦労するようである．DAS の運行により，日本では非宙ステーション（ISS）での実験結果と見まがう．それほど

常に恵まれた微小重力実験のための環境が用意されている

DAS が提供する微小重力環境は，世界で群を抜いて素晴らといえる．

しいものである．

機上では，実験者には肉体的および精神的負担が増すた

その独特の飛行パターンは，実験者の肉体的および精神め，実験装置の構築には，操作を簡略化させるなどの工夫

的負担を増す．中には苦痛を感じ我慢できなくなる人もいが必要である．航空機からは加速度や微小重力信号などのる．微小重力になる前の１分間に，航空機が水平飛行から電気信号が得られるため，それらと装置を連動させること降下し急上昇するが，体にかかる重力が逐次変化し徐々にができる．また，一般的な AD 変換や画像収録などの機能増していくのに耐える必要がある．加重力になるとその分については，航空機の支援システムで用意されている．交

体重も増える．特に頭が重たく感じ，首に力が入る．実験

流電源も利用できるので，地上の実験環境をほぼそのまま

装置のコンピュータを操作しようと，ボタンに指をかけて搭載して，実験を実施することができる．ただし，交流電待機していれば，加重力で不意に押してしまうこともあ

源については，航空機のインバーター出力によるもののた

る．筆者が最初に微小重力の瞬間を迎えたときは，放心にめ，接続する機器によっては，その定格が得られるかを飛も似た状況で，瞳孔は開き（周囲がまぶしく見える）また行前の電磁干渉試験の際に確認する必要がある．その試験

それまでにどこでも感じたことのない感触を得た．遊園地

は実験および実験装置の稼働が，航空機の安全性に支障がで自由落下を体験する遊具があるが，そこでの感触とも全無いことを確認するために，地上で航空機のエンジンが駆く異なる．遊具では，そのほとんどの時間で加速度が変化

動されている状態で必ず行われる．機器類は全てそれぞれしているので， ふわっ としたり ひやっ と感じて事がの航空機の専用ラックに収められた上で艤装される

終わる．それに対して，パラボリックフライトでは，そん（図７）．航空機からの振動や加重力を加味して，使用できな感覚が得られた後，重量が全く何も感じられない時間がる機器を選択し，堅牢に固定しなければならない．筆者らの実験では，真空排気装置やガラスを含む真空容器については，欧州の研究チームで実績のあるものを用いたため，

図５

パラボリックフライトにおける機体前後（x）
方向，翼（y）
方
向および機体床面に対して垂直（z）
方向の加速度の変化．

図６

３７７

G-II を背景にした実験実施時の集合写真．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

３．ボイドの観察
平行平板型の電極を配置する装置において，微粒子の分布が観察された．この装置の真空容器は，２００５〜２
０１３年に
ISS にて行われたロシア・ドイツ共同実験プロジェクトに
お い て PK-3 plus と 呼 ば れ た 装 置 の も の と 同 一 で あ る［１１］．微粒子プラズマにおける臨界現象の観察の可能性を検討し，共同実験プロジェクトにて実証を実現するため，日本でも微小重力環境実験を開始した．実験では，装置にAr ガ ス を 導 入 し て 圧 力 を 33 Pa に 保 ち，13.56 MHz，580 mW の高周波電力を印加してプラズマを発生させた．
そこへ粒径が 2.6 μm の微粒子を注入した．微粒子にレーザ
光をシート状にして照射し，CCD カメラによりその散乱光（a）MU-300 の入り口に見えるのが実験装置ラック（１個）

として微粒子の像を得た．ちょうど図１で示すのと同様の状況で，微小重力下での微粒子の振る舞いを観察した．
航空機では，!方向の加速度に対し 0.1 G 以下の値を２秒以上観測すると μG 信号が発せられる．その信号を実験装置において検出した時を基準とし，その前後４秒間の微粒子の振る舞いを図８に示す．−4 sec の画像では，微粒子は下側電極付近に分布している．加速度が小さくなるにつれ，微粒子は上部へ移動する（−2 sec）．μG 信号を検出したときの画像（0 sec）では，微粒子は上部電極近傍にも分布し，その分布の中央には，微粒子の存在しない部分（ボイド）を確認できる．＋2 sec および＋4 sec の画像より，ボイドが安定して保持されることがわかる．−2 secの画像では微粒子の分布上端中央付近に凹みがある．これはこの部
分においては，微粒子がそのまま全体が持ち上がって上部電極近傍へ輸送されるわけではないことを示している．微（b）G-II に搭載された実験装置ラック（２個）
図７

粒子は上部へ移動すると同時に，ボイドが形成される直前艤装された実験装置の様子．

には，分布の外側へ（画像の左側へ），さらには外側から上
特に問題は発生しなかった．一方で，データ収録やカメラを制御するコンピュータにおいては，航空機の地上滑走中の振動によって，内部のインターフェースボードが脱落
し，パラボリックフライト中の加速度の変化によると思われる HDD の故障が起こった．その際には，ボードを取り付ける向きを考えてコンピュータを配置したり，データの書
き込みのタイミングを考えてコンピュータを動作させた
り，HDD を SSD に置き換えたりするなどの配慮が必要であった．
筆者らは，JAXA 宇宙環境利用科学委員会 WG 活動にて，２００７年度に６フライト９０回，２０１０〜２０１２年度に１０フラ
イト１２２回の微小重力環境を得た．初期の頃は，先行する欧州の研究グループから協力を得て，そのグループと同じよ
うな結果を得ることで精一杯であった．機会を重ねるに従って，実験に関する独自のノウハウが蓄積され，またそ
れと機器類の充実とが相まって，有意義な結果が得られるようになった．地上での実験でもそうであるように，人の経験と共に実験も発展していくが，微小重力実験では機会が限られているだけにその発展は緩やかに進行する．いまから振り返ると，その期間は，その緩やかな進行に対しても寛容な，宇宙環境利用を前提とした航空機実験に対する

図８

理解が得られたよい時期であった．

３７８

微小重力環境になる前後で微粒子の分布が変化する様子．
視野は電極間方向中央にあり，画像の右端はチェンバの中心軸に相当する．

Commentary

Microgravity Experiments of Dusty Plasmas by Aircraft Parabolic Flights

K. Takahashi et al.

部へ巻き込むように輸送される．この振る舞いから，微粒プラズマを発生させる．ここに微粒子を注入し，その振る子がプラズマ中で一様に輸送されてからボイドが形成され舞いを観察する．

るのではなく，微粒子が分布できない場所がありその場を

２０１１年３月には，PK-4 プロジェクトに合わせて実験を行避けて輸送される結果，ボイドが現れると解釈できる．

うため，同サイズ（長さが 550 mm）の主管をもつチェンバ

ボイドの境界にて微粒子に働く力においては，その内側にて航空機実験が行われた．当時筆者らの周辺には，計画へ向かう静電力と外側へ向かうイオン粘性力が釣り合ってが開始された直後で十分な機材がなく，それまでのもののいると考えられる．また，このボイドは微粒子分布の観測あり合わせで実験装置を作製した（図１０）．またこのとき領域を著しく制限する．微粒子を広い空間に渡って一様には，主管と枝管のつくる面が機体床面と平行になるように分布させることを目的として微小重力環境を求めたが，ボガラスチェンバを配置した．Ar ガスを 6 sccm で導入してイドがその様な分布が得られない要因となっている．外側

17 Pa に保ち，900 V の電圧を印加してプラズマを発生させへ働く力が弱く，ボイドが形成されない条件，もしくはプた．ここに 6.8 μm の微粒子を注入した．主管の軸方向と垂ラズマの構造を探す必要がある．

直になる断面をシート状にしたレーザ光により観察した

ここで重要であるのは，ボイドが形成されるときの微粒が，その視野をカメラにて斜め上方から見る形となった．

子の動的振る舞いがわかったことである．ボイドの存在はパラボリックフライトでは，機体が加速して #方向の加速

ISS での実験で確かめられているものの，ボイドが形成さ度が 2 G になるときに，機体後方への力が作用するため微れるときの微粒子の動的振る舞いは必ずしも明らかではな

粒子は主管の軸方向に沿って移動した．さらに，微粒子がかった．航空機実験で見られる微粒子が上部電極近傍にプ枝管にまで達すると電極近傍で放電空間より失われること

ラズマを外側から巻き込むように移動する様子は，加速度がわかった．この様な状況で，微小重力になる前にカメラが徐々に変わる系でしか観察されない．ISS の実験ではわの視野から微粒子の像が消えることがしばしばであった．

からないこの様子が得られたことは非常に重要である．

これに対して，パラボリックフライト中でも肉眼で微粒子の位置を追い，また分布を確認しながら，微粒子の移動や

４．斥力系における直線配列の観察

消滅に合わせて，微粒子を追加して注入する必要に迫られ

２０１４年１０月末に PK-3 plus の次世代となる実験装置 PK-4

た．ところが，それでも微粒子の分布が軸方向において一が ISS の ESA モジュールに輸送された．ISS での実験は様にはならず，微小重力になる瞬間に微粒子の様子をとら

２０１５年の夏頃までに開始される予定である．筆者らはこのえることは困難であった．パラボリックフライトの回数をPK-4 プロジェクトに実験提案をすることを目的として，日重ねて，得られた微粒子の様子を図１１に示す．重力下では，本にて２０１０年度（２０１１年３月）に予備実験を開始している．

微粒子の分布の断面が #方向に沿って楕円状になっておPK-4 と同型のガラスチェンバを作製し２
０１１年度（２０１２年２

り，またその位置はガラス管の中心軸よりも低いところに月）を経て試行錯誤を重ね，２０１２年度（２０１３年３月）にはある．微小重力になると，微粒子は中心軸周りに分布し，日本での航空機実験に最適化された装置 PK-4J を稼働させその断面形状は真円である．あらかじめ，計算によりこのた（図９）．図 で は，直 径 40 mm，内 径 30 mm，長 さ分布が予測され，さらには同心円状の微粒子配列まで求め

295 mm のガラス管（主管）に対して，その端部付近に枝管られていたが［１２］，微粒子配列の詳細を検証するまでの画を設けたコの字型のチェンバが示されている．また，!
，"像は得られなかった．

および #軸はそれぞれ，機体前後方向，翼方向，機体床面

２０１２年２月には，パラボリックフライトの重力が変化すに対して垂直の方向に対応している．双方の枝管には，電る最中であっても微粒子の分布が視野から外れないよう極が配置されている．Ar ガスを導入し，数百 V，1 kHzに，観察系のカメラおよびレーザ光の配置を変更した．まの矩形波を，位相を反転させてこれらの電極に印加して，

図１
０ ２
０
１
０年 度（２
０
１
１年３月）
，２
０
１
１年 度（２０
１２年２月）お よ び
２
０
１
２年度（２
０
１
３年３月）に行われた航空機実験に用いられた主管の形状と配置を表す図．カメラおよびレーザの配置，視野の位置も合わせて示されている．

図９ ２
０
１
２年度の航 空 機 実 験 で 使 用 さ れ た PK‐4J の 装 置 概 略
図．x，y および z 軸はそれぞれ，機体前後方向，翼方向，機体床面に対して垂直の方向に対応する．

３７９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

図１
１ ２
０
１
１年３月の実験で得られた微粒子の様子（上 重力下，下 微小重力下）．ガラス管の斜め上方から，断面（軸と垂直になる面）を観察している．

図１
２ ２
０
１
２年２月の実験で得られた微粒子の様子（上 重力下，下 微小重力下）．ガラス管の真横方向（軸と垂直になる方向）から観察している．

た，高速度カメラ（100 fps）を追加し，これとレーザ光源

した．観察のためのシートレー ザ 光 の 厚 み を 50 μm とをモータステージによって翼（#）方向に走査させられるよ

し，これと 200 fps で動作させるカメラを 4.5 mm/sec の速うにした（図１０）．これにより，微粒子の分布全体にわたっさで機体前後（"）方向に走査し た．こ の と き Ar ガ ス をて，微粒子個々の位置（座標）を記録できることに期待し4 sccmで導入して33 Paに保ち，700 Vの電圧を印加してプた．Ar ガスを 8 sccm で導入して 40 Pa に保ち，800 V の電

ラズマを発生させた．また観察対象の微粒子の 粒径は圧を印加してプラズマを発生させた．ここに 2.6 μm の微粒

2.6 μm で前年と同じであった．図１３に得られた微粒子配列

子を注 入 し た．前 年 と 同 様 に，重 力 下 では 中 心 軸 か らの座標を示している［１３］．図中（a）は $-"平面を示し，ここ7 mm 下方（ガラス管内壁から 8 mm 上方）に位置する微粒での原点はガラス管の中心軸である．重力下（水平飛行時）

子分布が，微小重力になると中心軸周りに移動することがの微粒子配列を下方に，その直後のパラボリックフライト

確認された（図１２）．さらに，微小重力下の微粒子分布にで得られた微小重力下の配列を上方に示している．また，は，軸方向に伸びる筋状のものが多数現れることがわかっ

配列は #方向の射影として示されている．また #-$平面でた．このときの微粒子個々の座標を得るために，ステージ

は，配列は "方向の射影として示されている．重力下ではを走査した．ところが，走査途中において機体前後方向のガラス管中心から下方 3.5 mm を中央とする分布が形成さ加速度が必然的に変化してしまうため，微粒子が移動し，れている．この分布が微小重力下では，ガラス管中心に移画像から座標を抽出するまでには至らなかった．走査時間

動している．前年の実験とはガラス管の形状と放電条件がは 1 sec 以内であるが，少なくともその時間内には微粒子違うため，重力下での微粒子分布の位置や微小重力に変化は止まっていると仮定されなければ，画像解析から座標をしたときの移動量は異なる．ただし，重力が変化するとき抽出することは困難である．

の微粒子の挙動は全く同じである．重力下では，分布の特

その次の２０１３年３月の実験では，機体前後方向の加速度に下部において，同心円筒状の構造が見られる．円筒の中の変化による微粒子の移動を避けるために，ガラス管の配心を適当に仮定し，この最外殻を展開してみる．図（b）で置を９０°回転させた（図９，１０）．航空機のラックの大きさには，周 !（図（a）において矢印 b に沿う）と #を軸とする面装置を合わせるため，主管の長さを短くし（295 mm），枝に微粒子の配列が表示されている．この微粒子配列は二次管が航空機底面に対して垂直になるようにガラス管を配置

元の最密構造である三角格子に相当する．重力下では三角
３８０

Commentary

Microgravity Experiments of Dusty Plasmas by Aircraft Parabolic Flights

K. Takahashi et al.

格子が多層になって同心円筒構造が形成されると理解でき極に印加しているため，イオン流の向きはそれに合わせてる．一方で，微小重力下の微粒子配列に対して，図（a）中の変化しており，ウェイクはイオン流に沿って微粒子の双方!
!
!
!
"#!#"!
"，!#!###"#!を 抽 出c で 示 す 領 域 !!

向に形成される［１５］．

し，その座標を "-#平面において !方向の射影として示した

この微粒子の直鎖の形成過程について，改めて２０１２年の（図１３（c））．ここでは微粒子が "軸（ガラス管の中心軸）方

実験結果で確認してみる．図１４は，パラボリックフライト

向に数十個，直線状に数珠つなぎになっている．前年に確で微小重力になる直前，#方向の加速度において 0.22 G が認した筋状のものは，このような微粒子の直線配列（直鎖）観測された時点での画像である．重力が小さくなり，ガラであることがわかった．この配列は，軸方向の電界に沿っ

ス管中心付近へ移動した微粒子は，直ちに直鎖を形成してて流れるイオン流の作用によるものと考えられる．正の電いることがわかる．このことより，ウェイクによる力は等荷を持つイオンが軸方向に流れながら，負に帯電する微粒

方的に働くクーロン力よりも強く作用していることが示唆子の周りでその軌道を変える．微粒子の背後では，その負される．また，ウェイクによる力は，ガラス管中心軸付近

電荷によって引きつけられたイオンが集中し，局所的にイの局部においてしか作用しないことが理解できる．

オン密度の高い場所（ウェイク）ができる［１４］．これが他

５．まとめの微粒子を引き寄せる．この実験では，1 kHz の電圧を電筆者が経験した微粒子プラズマの微小重力実験について

c

(a) 2

その概要を伝えた．航空機を用いたこの様な実験においてµG

は，その機会が貴重でありながらも，時間的および金銭的に制約された実験環境の中で実施されている．この点は，0

地上での実験と全く同じであり，実施してみて装置や構想

z (mm)の不備に気づくこともある．４章で述べた直線配列の観察に至っては，ガラス管における円柱状プラズマの微粒子配-2

1G列を得ることを目的としながら，装置の改良を重ねつつの実施となり，結果が得られるまでこの程度の地上実験では考えられないほどの長期３ヶ年を要した．地上では数ヶ月-4で終わるような実験に数年をかけることにその評価は様々bにわかれるであろうが，実験を実施する当事者にしてみれ-6ば，恵まれた状況であるにせよ，１年あたり２日もしくは
-2

-1

0
1
x (mm)

2

0

1

2

3
4
y (mm)

5４日のフライトで結果を残さねばならないことはかなりの6重圧である．ただし，評価を気にせずにいえるのなら，微小重力実験ほど当事者にとって心躍る実験はない．実験実(b)

施期間には，３時間のフライトを終えて，その後次の日のL (mm)

1.0

実験のために結果をまとめて装置の動作を確認する．最初

0.0の頃は，服用する酔い止めの副作用を我慢してのその作業-1.0に精一杯であった．肉体的にも高負荷のかかるこの実験で
0

1

2

3
4
y (mm)

5

6

0

1

2

3
4
y (mm)

5

6

感動的なのは，何を置いても微小重力環境を体験できるこ2(c)
z (mm)

1
0
-1
-2

図１
３ ２
０
１
３年３月の実験で得られた微粒子配列の座標．（a）
z-x平面，原点はガラス管の中心軸に相当する．重力下（水平飛行時）の微粒子配列が下方に，その直後のパラボリック
フライトで得られた微小重力下の配列が上方に示されている．また，配列は y 方向の射影として示されている．y-z
平面，配列は x 方向の射影として示されている．（b）
重力下の配列に対して，図（a）
中の矢印 b に沿う周が示す面を展開した様子．その周を軸として L で表している．（c）
微小重力
下の配列に対して，図（a）
中の c で示す領域を抽出し，y-z
平面に x 方向の射影として示している．

図１
４ ２
０
１
２年２月の実験において，z 方向の加速度について 2 Gから微小重力になる過程で 0.22 G が観測された時点の微粒
子分布の様子．

３８１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015とである．微小重力環境に身を置いて実験を実施し，その理への発展へとつなげたい．宇宙空間を意識するのであれ

様子と結果をその場で認識できることは本当に興味深いもば，これまでの実験の方向性とは異にする希薄プラズマ中のである．また，日常生活で重力のない状態を想像するこの微粒子の振る舞いに興味が惹かれるところではある．まとは非常に難しい．体験を元に想像を膨らませ，次の実験

た，微小重力環境におけるプラズマプロセス［１６］やプラズを考えることはできても，経験のないときに最初の実験の

マ中の微粒子を工学的応用に向けることも忘れてはいな状態を想像することは不可能である．地上でと同じく微小い．気相中の配列を眺めるだけではなく，微粒子を表面へ

重力下でも実験は当事者の経験と共に発展していく．得らと輸送してそこで配列をつくることも実施している［１７］．

れる機会が少ないだけに，実験がかたちになるのにも地上

現在の半導体プロセスにおける加工精度は，かつてそこでよりは年月を要する．

微粒子を問題にしていた頃よりもはるかに微細になり，扱

航空機実験で有意義であるのは，微小重力の状態だけでう微粒子のサイズとは比べようもない．ところが，その中なく，そこへ遷移する状態があること，また航空機の操縦にもそのサイズの微粒子が意外と使われていることに気がにより重力が制御されることである．これは，ISS で行う

つく．微小重力環境で微粒子を使うためのアイデアが得ら

微小重力実験では実施できない内容である．ボイドや直鎖れるのも，微粒子を前にする実験室でのことである．実験の形成を理解するにあたり，その形成過程について，重力を継続させ，日本独自の微小重力環境実験の機会が得られが徐々に変化する航空機実験であったからこそ明らかにるよう，今後も準備を進めていきたい．

なった部分がある．このことから微小重力科学に限らず潜謝在的なものまでを含めると，航空機を利用して利点が得ら

辞

日本でのいまの活動の元になったロシア・ドイツ共同実

れる実験は多岐にわたると思われる．
微小重力実験は貴重であるが故に，その結果について周験プロジェクトへの参加の機会をくださった当時マックス

到な理論的予測が求められる．それが実験機会を得るため

プランク圏外物理研究所の Gregor E. Morfill 教授，日本での評価に直結している．ところが，微小重力環境のものも

PK-3 plus チェンバを稼働させるために協力をしてくだ含め実験には，実施してみないとわからない部分，結果がさった研究者の Hubertus M. Thomas 氏，Klaus R. Sütterlin

ある．微粒子の直鎖の形成については，まさにそのような氏，Uwe Konopka 氏，技術者 の Hermann Rothermel 氏，

もので，現象を理解するのに重力項を除いただけでは不十Tanja Hagl 氏に感謝いたします．有意義な実験となったの分である．ある程度寛容な姿勢で判断され，用意される航は，航空機実験を実施するにあたり多くの助言を下さった

空機実験でなければ，有益な科学的知見が得られる機会も

DAS の操縦士失うことがあるかもしれない．

三氏，土居陽浩氏，松!雅人氏，他皆様のご協力の賜です．

景山太郎氏，北原龍一氏，技術部

福島玄地上も含めて全ての実験は，JAXA 宇宙環境利用科学委員

筆者らは，微粒子プラズマの微小重力実験に興味を持会の WG 活動によるものです．

ち，その機会を日本で開拓するために，ドイツとロシアのグループの先行研究を常に後追いしてきた．先例を学び，そのグループからの協力を得て，将来的には独自の実験を参考文献

実施したいとの思いであった．航空機実験の経験を重ねて［１］横田俊昭：プラズマ・核融合学会誌 69, 6 (1993).
［２］Y. Hayashi and K. Tachibana, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2
33, L804 (1994).
［３］H. Thomas et al., Phys. Rev. Lett. 73, 652 (1994).
［４］J. H. Chu and Lin I, Phys. Rev. Lett. 72, 4009 (1994).
［５］A. Melzer et al., Phys. Lett. A 191, 301 (1994).
［６］東辻浩夫：プラズマ・核融合学会誌 82, 693 (2006).
［７］木暮和美：プラズマ・核融合学会誌 83, 161 (2007).
［８］藤田 修：Int. J. Microgravity Sci. Appl. 31, 158 (2014).
［９］景山太郎：Int. J. Microgravity Sci. Appl. 31, 45 (2014).
［１０］景山太郎：日本マイクログラビティ応用学会誌 23, 191(2006).
［１１］H. M. Thomas et al., New J. Phys. 10, 033036 (2008).
［１２］H. Totsuji and C. Totsuji, Phys. Rev. E 84, 015401(R) (2011).
［１３］K. Takahashi et al., Int. J. Microgravity Sci. Appl. 31, 62(2014).
［１４］K. Takahashi et al., Phys. Rev. E 58, 7805 (1998).
［１５］A. Ivlev et al., Phys. Rev. Lett. 100, 095003 (2008).
［１６］三重野哲：プラズマ・核融合学会誌 83, 129 (2007).
［１７］K. Takahashi et al., Europhys. Conf. Abstracts 36, O3.305(2012).

きたことをふまえて，現時点では，ESA が行うPK-4に対して日本独自のアイデアを提案できるまでに至っている．また，臨界現象の実証をめざして，粒径の大きい微粒子をボイド無しで分布させるための研究を進めている．その様な状況で，宇宙環境利用に対する評価が厳しいものに変わり，ISS の維持についてその先行きが見通せない中，この実験の意義が問われることは多い．それでも微粒子プラズ
マの重要性を強調したい．見えない原子や分子，イオン，
電子が集まるプラズマの中で視覚的に認識できる微粒子が教えてくれることには，それ自身の振る舞いだけでなく，プラズマの本質が含まれる．視覚が直感に変わり理解が進む物理現象は臨界現象だけではないはずである．また，同様の系であると思われる星間塵の挙動や分布の理解は，惑星の形成だけではなく，我々が住む地球の成り立ちや生命の存在をも考えるもとになる．星間塵そのものを直接観測することは重要であるが，身近にあるものにてそれを考える手段を得ておくことは必要である．実験室のプラズマにおける微粒子の理解を是非とも宇宙分野を含む他の基礎物

３８２

Commentary

Microgravity Experiments of Dusty Plasmas by Aircraft Parabolic Flights!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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K. Takahashi et al.

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! 橋 和 生１９９８年京都工芸繊維大学大学院工芸科学研
究科博士前期課程電子情報工学専攻修了．２
００
１年京都大学大学院工学研究科博士後期課程電子物性工学専攻修了．同年京都大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻助手，マックスプラ
ンク圏外物理研究所客員研究員を経て，２００
６年より京都工芸
繊維大学電子システム工学部門（２０１
５年改組電気電子工学系）准教授．２
０
１
５年オルレアン大学客員教授．プラズマプロ
セス，微粒子プラズマに関する研究に従事．経験した航空機
実験のパラボラは MU‐
３０
０にて９０回，G-II にて７
３回．

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!!!!!!!!!!

い

とも

朋

２
０
１
０年京都工芸繊維大学大学院工芸科学研
究科博士前期課程電子システム工学専攻修了．三菱電機姫路製作所勤務．経験した航空機実験のパラボラは MU‐
３
０
０にて４
５回．

つじ

ひろ

お

東 辻 浩 夫

岡山大学名誉教授，理博，プラズマ物理等
理論・数値実験．東大助手，岡大助教授・教授，JAXA 嘱託を経た．銀河の相関以来，相関が研究のキーワードの一つ．BITNET時代に REVTex に接し数式のある文が趣味に近く，半導体工学の教科書も書いたが，論文では懐が寒くなることもある．

うち

まな

み

２
０
１
３年京都工芸繊維大学大学院工芸科学研
究科博士前期課程電子システム工学専攻修了．日本電産株式会社勤務．経験した航空
機 実 験 の パ ラ ボ ラ は MU‐
３
０
０に て３
４回，
G-IIにて７
３回．最近の幸せは，おいしいケーキと紅茶，赤ワイ
ンを飲むこと．

だち

さとし

足 立

あ

聡

宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所・学
際科学研究系准教授．工学博士．現在の専門分野は，ダストプラズマと結晶成長機
構．民間企業から旧宇宙開発事業団への出向を経験した後，２０
０
５年１
２月から現職．民間企業時代から一貫して宇宙環境利用実験に携わってきました．現在はクーロン結晶の形成・維持機構やパワーバランス・パーティクルバ
ランス等に興味があります．最近の趣味は，女もすなる料理といふものを男もしてみむとてするなり．

はやし

やす

林

康 明

あき

京都工芸繊維大学電気電子工学系教授．主な研究分野はプラズマ科学．最近の研究
テーマは，プラズマを利用したナノ材料の合成と制御，微粒子プラズマの物理，プラ!!!!!!!!!!!!!!

とう!!!!!!!!!!!!!

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で井 出!!!!!!!!!!

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との斗 内 愛 美!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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おズマ（プロセス）の偏光利用計測・制御など．学内プロジェク
ト「プラズマ制御科学研究センター」
を一昨年より組織し，国内外の研究者との交流・共同研究・情報交換を行っています．

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

かず!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

はし!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

たか

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