静電気学会誌，45, 3（2021）120-121

J. Inst. Electrostat. Jpn.

ノ ー ト

細径金属パイプ電極から噴出する
大気圧Heマイクロプラズマの流れの可視化
吉木 宏之 ，乙坂 謙次 ，佐藤 岳彦 ，中嶋 智樹 ，上原 聡司
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（2021年1月27日受付；2021年2月23日受理）

Flow Visualization of Atmospheric-Pressure He Microplasma Jet
Ejected from a Narrow Metal Pipe Electrode
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Hiroyuki YOSHIKI , Kenji OTOSAKA , Takehiko SATO ,＊＊＊＊Tomoki NAKAJIMA and Satoshi UEHARA（Received January 27, 2021; Accepted February 23, 2021）

Flow analysis of an atmospheric-pressure non-equilibrium He microplasma jet generated by a narrow SUS pipe electrode of
φ0.9 mm was carried out using Schlieren method. In the case of a free jet, the laminar flow length decreased with increasing aflow rate, and also the length was getting shorter after plasma ignition. On the other hand, the flow turbulence after impinging
onto a SUS plate disappeared with increasing plasma input power. These results imply that the momentum transfer from ionsaccelerated or decelerated by an electric field to neutral gas modulated a gas flow velocity in an afterglow region.

1．はじめにの自由噴流および SUS 平板への衝突噴流をシュリーレ

大気圧非平衡プラズマジェットの開発は，被処理物をン法で観察した際に見出された現象を報告する．

プラズマ発生電極間に設置する従来の概念を大きく変えてユビキタスプラズマを実現した．その応用はオンサイ

2．実験装置および実験方法

ト成膜，局所エッチング，溶液照射によるナノ物質合成，実験装置の概略を図 1 に示す．外径 / 内径が 0.9 mm/0.6

バイオ・医療・農業分野へと裾野を広げている ．大気mm の SUS パイプ電極に He ガスを導入して RF 電力（13.56

圧マイクロプラズマジェット発生にはガラス管の外周まMHz ）を整合回路を介して印加する．He 流量は 0.6 - 1.8 L/

たは内部に電極を設置したもの，金属パイプを電極にしmin，RF 電力は 1.8 - 9 W として実験を行なった．シュリー

たもの等で，励起電源も直流，低周波（ LF ），高周波（ RF ），レンレンズの中央に SUS パイプ電極を設置して大気圧 Heマイクロ波と多岐に及ぶ ．また，ハイスピードカメラマイクロプラズマジェットの流れを観測した．自由噴流およによる LF プラズマジェットの生成・進展機構の解明なび衝突噴流の観測では細径パイプ電極先端と SUS 平板とど大気圧マイクロプラズマジェットの理解も進みつつあの間隔をそれぞれ 120 mm，3.5 mm とした．シュリーレン法

る ．一方，大気圧プラズマジェットをプロセスへ応用

は，観測空間の気体の密度分布により屈折率のムラが生じする際，プラズマ流による周辺気体の巻込みや，被処理て光の進行方向が歪み焦点がずれ光がナイフエッジで遮ら

1）

2）

3）

物近傍の気相の乱れはプロセスに影響を与える．本研究れる結果，気体の密度分布を明暗のコントラストとして観では，筆者がこれまで局所エッチング等へ応用した細径測する方法である．本研究ではハイスピードカメラ（Photron

金属パイプ電極による大気圧マイクロプラズマジェット

FASTCAM SA5）を用いて画像を 5000 fps で記録した．

4）

キーワード：大気圧 He マイクロプラズマジェット，細径SUS パイプ電極，自由噴流，衝突噴流，シュリーレン法＊
鶴岡工業高等専門学校（〒997-8511 山形県鶴岡市井岡字沢田 104）
Tsuruoka National College of Technology, 104 Inooka aza
Sawada, Tsuruoka, Yamagata 997-8511, Japan＊＊
東北大学（〒980-8577 仙台市青葉区片平 2-1-1）
Tohoku University, 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai 9808577, Japan1
yoshiki@tsuruoka-nct.ac.jp
DOI：https://doi.org/10.34342/iesj.2021.45.3.120

図 1 実験装置の概略
Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup.

細径金属パイプ電極から噴出する大気圧Heマイクロプラズマの流れの可視化（吉木 宏之ら）

図 2 He マイクロプラズマ自由噴流のシュリーレン画像
Fig.2 Schlieren images of He microplasma free jets.

3．実験結果および考察

121（33）図 3 He マイクロプラズマ衝突噴流のシュリーレン画像
Fig.3 Schlieren images of He microplasma impinging jets.

図 2 に細径パイプからの He ガスの自由噴流のプラズている．なお，パイプ先端から SUS 平板まで一様なプ

マ点灯前，点灯後のシュリーレン画像のガス流量依存性ラズマ発光を呈しており，流量増加によるプラズマ発光を示す．ガス流量 / パイプ断面積で見積った He 流速の揺らぎ等は見られない．乱れ消失の理由は明らかでな

Vinside を図中に示す．これよりパイプ内部のレイノルズ数

いが，細径パイプ先端と SUS 平板間の電界強度の増加

は He 流量 1.2 L/min で約 390 となり層流領域にある．プが衝突噴流内の荷電粒子をパイプ－平板間へ拘束する結ラズマ点灯時の RF 電力は 1.8 W で，点灯後の経過時間

果，ガス流の乱れが抑制されたと考えている．今後，衝を図中に示す．参考のためプラズマジェットの明視野画

突噴流の流速測定等で電界効果の検証を行なう．

像も示す．プラズマ点灯前は，流量の増加で層流噴流から乱流噴流への遷移点（図中の矢印）がパイプ開口部に4．まとめ近づき層流長が減少した．これは，レイノルズ数がある

細径金属パイプ電極から噴出する大気圧 He マイクロ程度大きくなると周囲の気体を巻込み渦発生が起り乱流

プラズマジェットの自由噴流，衝突噴流をシュリーレン噴流となるためである ．次に，プラズマジェット点灯法で観察した．自由噴流では層流領域がプラズマ点灯と後は時間経過と共に層流長が減少して，He 流量 0.6 L/共に短くなった．これはイオンドリフトと関係すると思min，1.2 L/min 共に層流長は約 10 mm で定常状態となっわれる．他方，衝突噴流では RF 電力の増加で乱れが消た．明視野画像からプラズマジェット発光部の長さは失した．これはパイプ電極－ SUS 平板間の電界強度のHe 流量にほとんど依存せず 3 - 4 mm 程度であった．こ増加による荷電粒子の拘束がガス流の乱れを抑制するたの事から，（1）プラズマによるガス温度の上昇や，（2）めと考えているが今後の詳細な解析を必要とする．本研

プラズマの電位が周囲より高いため RF 振動する空間電究は東北大学流体科学研究所の公募共同研究（ J19L095）

位の平均的電位降下でドリフト運動するイオンから Heの助成を受けて行なわれた．

5）

原子への運動量移行等でガス流速が増加した結果，層流から乱流への遷移点が上昇したと推察する．今後，自由噴流の流速測定により検証を行なう．
図 3 に SUS 平板への衝突噴流のプラズマ点灯前，点灯直後 1 ms および 100 ms のシュリーレン画像の He ガ
ス流量および RF 電力依存性を示す．プラズマ点灯前は，ガス流量が 0.6 L/min から 1.4 L/min へ増加すると衝突噴流に乱れが発生した．次に，プラズマ点灯後は RF 電力が 5.0 W 以下では衝突噴流に変化は見られなかったが，9.0 W では乱れが消失した．しかし，9.0 W 時でもガス流量や電極間隔の増加で再び乱れが生じることを確認し

参考文献
1） K. H. Schoenbach and K. Becker: 20 years of microplasma
research: a status report. Eur. Phys. J. D, 70（2016）29
2） 橘 邦英，石井彰三，寺嶋和夫，白藤 立：マイクロプ
ラズマ－基礎と応用，p. 29，㈱オーム社（2009）3） 北野勝久，浜口智志：低周波大気圧マイクロプラズマジ
ェット．応用物理，77（2008）383
4） H. Yoshiki, K. Ikeda, A. Wakaki, S. Togashi, K. Taniguchi andY. Horiike: Localized Plasma Processing of Materials Using
Atmospheric-Pressure Microplasma Jets. Jpn. J. Appl. Phys.,
42（2003）4000
5） 土屋良明，山口 功，鍋島秀喜：遷移域を持つ軸対称自由噴流Ⅰ．信州大学工学部紀要，35（1973）37