J. Plasma Fusion Res. Vol.82, No.10 (2006)６
８２‐６９２

解説

大気圧プラズマの物理と化学
チャング ジェン シー
マクマスター大学（原稿受付：２
０
０
６年７月１
９日）

大気圧プラズマはアーク放電による熱プラズマとストリーマー・コロナ放電による低温プラズマに分類されるが，近年，大気圧プラズマの工業上の実用化に伴って注目されつつある．本稿は大気圧プラズマの物理と化学をわかりやすく解説するとともに，最近の研究を紹介する．
Keywords:
thermal plasma, non-thermal plasma, corona discharge, spark discharge, arc discharge

１．序言ては，化学的応用が中心であるが，生成される材料は薄膜，

通常，各種プラズマの分類は表１で示したように，気圧エアロゾル等の固体も物理的に生成することができる．そと温度雰囲気で分類される［１］．大気圧プラズマの応用は，の主な応用は，

過去においては熱プラズマ（大気圧／高温電子およびガス

１．排ガス処理温度）が中心であったが，近年，低温大気圧プラズマ（大２．水処理気圧／高温電子温度／低温ガス温度）の応用が注目されて

３．燃料改質いる．熱プラズマは，その物理的高温と高速電子，イオン

４．燃焼コントロール

によって生じる化学効果の重畳という特性を生かして，

５．材料表面処理とコーティング

１．排ガス処理６．超微粒子の生成

２．液体および水処理等を挙げることができる．本稿では，大気圧プラズマの物

３．固体廃棄物処理

理的化学的特性を熱および低温プラズマ双方に対して解説

４．プラズマセラミックコーティング

する．

５．プラズマ超微粒子製造
６．金属および無機材料の精製

２．大気圧低温プラズマの種類と物理現象

７．プラズマ切断と溶接

２．
１ コロナ放電の種類と電極の影響

８．燃料改質コロナ放電は，使用する電極の形状によって異なる形態

等に主に利用されている．また，低温プラズマの応用とし
表１
Type

PressureHigh
Low

Low Pressure
PlasmaNon-Thermal
PlasmaThermalPlasma各種プラズマの分類と定義．

Gas Temperature
High
Low

○

- Air Pollution Control- Waste Treatment- Polymer Coating- Polymer Treatments○○- Solid Waste Treatments- Coating- Ceramic Processing- Water Treatments- Cutting & Welding○○- Energy- Military○○

Typical Applications- Semiconductor- Lump and Lasers- Display○○○

Electron Temperature
High
Low

○

○

Nuclear Fusion
Plasmaを有する．例えば，図１に示される針−平板直流放電ではPhysics and Chemistry of Atmospheric Plasmas
CHANG Jen-Shihauthor’s e-mail: changj@mcmaster.ca

６８２!2006 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Commentary

Physics and Chemistry of Atmospheric Plasmas

J.S. Chang

針電極に正極性を加えた場合，低い電圧において放電開始

らに電圧を上昇させると，放電路は多岐に分れた細い線状

電圧でバーストパルスコロナ（Burst Pulse Corona）放電がで平板電極に向かう．これをストリーマコロナ（Streamer

発生し，針電極の先端にほのかな放電光が観察される．さCorona）放電という．そしてさらに電圧を加えると，放電
は強い光を針先端で放射するグローコロナ（Glow Corona）
放電となり，最終的にスパーク（Spark）放電となる．ス
パーク放電が起こる電圧をスパーク開始電圧といい，線状のやや太めの放電路が針電極と平板電極間に繰り返し通電
する［１，
２］．
針電極に負の印加電圧を加えると，コロナ放電開始電圧
ではトリチェリパルスコロナ（Trichel Pulse Corona）放電というやや長い放電路が針電極近傍で発生し，電圧が大きくなると更に長い放電路になり，パルスレスコロナ（Pulseless Corona）放電となり，最終的にはスパーク放電に移行
する［１，
２］．
電極形状を針−針電極にすると，図２に示されるように，針電極先端にグローコロナが発生して，やや電圧を高くするとスパーク放電に移行する．針−針電極では放電は不安定で，ほんのわずか印加電圧を増加するだけで，グローコロナからスパーク放電に移行してしまう［２，３］．
一般に，直流コロナ放電が一番安定している電極形状
は，図３に示されるような同軸円筒放電または線−平板電極である［２，３］．線電極に正電圧を印加すると，コロナ開始
電圧ではグローコロナが均一に線電極に沿って生成し，電圧の増加とともにストリーマコロナからスパーク放電に移

図１

針−平 板 コ ロ ナ 放 電 形 態 と 電 流 依 存 性．a）
正 コ ロ ナ，b）
負コロナ．

行する．線電極に負の高電圧を印加すると，線電極に沿って移動を繰り返すグローコロナから，線上の固定点のみコロナが発生するタフト（Tufts）またはビーズ（beads）コ
ロナ放電に移行する（図３）．タフトの数は通常印加電圧とともに増加して，最終的にはスパーク放電に移行する．またタフトコロナは放電音を伴い，電流は定常であるが小さ

図３
図２

針−針コロナ放電形態と電流依存性．

６８３

同軸円筒コロナ放電特性．（a）
正コ ロ ナ，（b）
負 コ ロ ナ，（c）
電流電圧特性（Vc：コロナ開始電圧，Vs：スパーク開始
電圧）．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.82, No.10 October 2006

なパルスが重畳される．コロナ放電時間平均電流−電圧特く，さらに，イオン，電子と荷電ダストの存在によって，プ性は，通常ラズマ中での反応はさらに速くなることがわかる［１，
８］．

""%$#
$!$!$

（１）

３．大気圧低温プラズマの維持機構と不安定性（%：実験で得られた定数，$!：コロナ開始電圧）

正極性ストリーマは，図４のような領域に示される［９］．

で表される［２］．

線状のストリーマは，径が約 20 μm で電極表面から約 10

２．
２ 放電発生機構とプラズマ化学

mm 伸展する．ストリーマ内はプラズマであり，その先端

負コロナは主に分子の電子衝突電離によって，正コロナ

では正イオン雲が他の電極の方向に高速移動する．また，は光電離によって伝達される．したがって，正のストリー

正イオン雲の先端からは強い発光があり，ストリーマ近傍

マは光速度の約１％の伝搬速度を有する．また極性にかかに光電離領域が形成される．ストリーマの長さは 10〜100

わらず，電子−イオン再結合による強い紫外線光を放出す

mm まで延び，プラズマ密度は約 109 cm−３，電界強度はる．

!!
#"10−１９〜10−１７ Vm２，イオン温度は数百℃程度である

正 極 性 シ ー ス 領 域 は，通 常 ヘ ル ム シ ュ タ イ ン グロー［２］．一つのストリーマの寿命は約 1 μs で，次のストリーマ（Hermstein's Glow）とも呼ばれ，一定電圧で定常電流であは約 1 μs で生成される．したがって，ストリーマが発生すり，スパークがなく，静かな放電である．正極性ストリーると非定常プラズマではあるが，広範囲にわたって低温高

マコロナは，電極から細い光を放出し，非定常電流（パル密度プラズマが形成される．
スパーク放電は，ストリーマよりも高密度のプラズマがス状電流波形）で放電音を発生する．
負グローの発生には，クリーンでスムースな電極表面を高ガス温度（約 1,000℃）［２，４］で発生するが，放電は狭い線必要とする．グローは電子なだれで発生し，電流は比較的上に集中している．スパークチャンネルは狭く，電極表面定常であるが小さな多くのパルスを含む．また負グローはを移動し非定常である．

放電雑音が大きいが，正極性ストリーマコロナやスパーク

３．
１ コロナ放電と安定化

放電電圧よりも十分低い電圧で発生する．コロナ放電は，

これまで説明してきたように，コロナ放電は極めて狭い

通常，空間における電荷の制限領域内にて電流が発生し，領域（数 mm 以下）に不安定に存在するので，工業的応用

電極空間は正または負イオンで満たされる．したがって，［１０］には放電の安定化または拡大化の必要がある．した

電流は電圧とともに上昇する（正特性）．一方，ストリーマ

がって，コロナ放電を安定な広い空間に作成するには次の放電はスパーク放電と同様負特性であり，電流は電圧ととアプローチが提案されている［２，３，１０］．

もに低下する．よって，コロナ／ストリーマ／スパーク間!

流体安定化コロナの遷移は明確でない．針−平板電極では，針の先端が加熱"

短パルス印加電圧コロナ

され，時間とともにコロナからスパークに移行する［２，４］．

#器壁安定化コロナ

コロナ放電化学は複雑で，窒素ガス中でも N+，N２＋，N３＋お

$

バリア放電

よび N４＋と複数のイオンがイオン−分子反応で生成される%

使用ガスまたは添加ガスによる安定化［５］．また，負性ガスである酸素では電子が分子に付着する&磁場による安定化ので，O−，O＋という多種のイオンが生
x（x=1〜6）y（y=1〜5）成される［６］．また，空気中では乾燥の場合は Nx O＋
y および
Nm O＋
y，m，n=0〜6），湿 度 が 高 い 場 合 は X＋（H２O）n（x，nおよび Y＋（H２O）
n と重い水クラスターイオンが支配的となる［７］．分子，ラジカル，正／負イオンおよび電子間の反応係数を表２に示す．反応の速さは分子よりもラジカルが速
表２分子，ラジカル，電子，正負イオン反応の二体および三体反応係数のオーダーと表面反応の比較［１，８］．

two body reaction three body reaction
rate [cm6/s]
rate [cm3/s]
molecule-molecule
１
０−４−１
０−３１
１
０−３０−１０−４０
atom/radical-molecule１０−１１−１０−２４
１０−３０−１０−３６
ion-atom/molecule
１
０−９−１
０−１３
１
０−２８−１０−３２electron-molecule/molecule １
０−７−１
０−１１
１
０−２７−１０−３５positive-negative ion
１
０−６−１
０−８
１
０−２５−１０−２６electron-ion
１
０−６−１
０−７
１
０−２６−１０−２８molecule/radical-aerosol （１０−５−１０−１０） Rp（nm）
Rp: diameter of aerosolcomparison of dominant reaction[reaction rate]×[molecule density]×[reactant density]（×[third body molecule density]）
Reaction

図４

６８４

ストリーマコロナ．

Commentary

図５Physics and Chemistry of Atmospheric Plasmas

J.S. Chang

コロナ放電 （a）
高速気流点−平板コロナ，（b）
コロナトーチ，（c）
針−平板コロナトーチ，（d）
キャピラリー放電，（e）
同軸円筒放
電，（f）
線−平板放電．

３．
２ 高速流安定化コロナ放電

する放電形態の一つである．また，使用ガスまたは添加ガ

流体安定化コロナ放電は，コロナ放電の発生領域を高速スによって放電を安定化することも可能である．ヘリウム気流で覆うことによって，放電の安定化を行う方式で，気や希ガスに炭化水素系のガスを添加した大気圧グロー放電

流の速度は約 50〜200 m/s とイオンのドリフト速度（数１０がその例である．

〜1,000 m/s）の数％である．コロナ放電の安定化のメカニ

３．
４ パルスコロナ放電

ズムは不明であるが，一般には次の要因が考えられる［１
１］．

短パルスコロナには，nsec〜μsec の立ち上がりのパルス

・高速気流による冷却効果で電極表面が高くならないた

電圧を印加する．つまりコロナ放電がスパーク開始電圧まめ，スパーク放電に移行しにくい．

で上昇しないような波形の電圧を印加する．したがって，
立ち上がり電圧は数nsecから1 μsecとイオン周波数より速・イオン流によって発生する二次的電気流体力学的渦流を制限することができる．

く電子周波数より遅いので，重いイオンを加速することが・ガス流によってイオンの電界によるドリフト流を制限なく，温度が上昇しない軽い電子のみを有効に移動させるできる．

ことができる．短パルスコロナでは，通常コロナは直流よ

ここで，流体安定化コロナ放電の例を図５に示す．図５

りも均一となり，安定なコロナを発生することができる．

(a)は針−平板コロナプラズマの例であるが，ガス流を 50

図６にその典型的な電圧および電流波形を示す．電圧波形〜100 m/s にして針電極先端からのストリーマコロナを安は波の立ち上がりが nsec〜μsec と速く，波尾も早く減衰す定化している．図５の(b)と(c)は針−針または針−平板電

るほうが望ましい．電流波形は同軸円筒の場合の例で，波極の例であり，通常コロナトーチと呼ばれる．電極の針の尾が小さいピークを作ったり振動する場合がある［２，３］．

部分はホロー状で，気流はホロー電極内を通り放電管に導３．
５ 磁場によるコントロール

入される．他の一方が平板の場合はメッシュ電極から，ま磁場安定化放電は，コロナ放電に数百ガウス以上の磁場

た他の一方がホロー電極の場合は管内から気流が放出されを印加することによって，電子の動きを磁力線に沿って制る．ホロー電極先端でのガス流速はやはり 50〜200 m/s

限し，安定化を試みる方法である．したがって，特に負コ程度で，電流−電圧特性はガス流量に依存するのみなら

ロナの安定化に用いられている［１２］．ただし，理論的に大ず，気流が導入される電極の場合，つまりガスの流れと電気圧では数百ガウスの領域でイオンは影響を受 けない

界の方向の組み合わせに大きく依存する．

［１２］．

３．
３ 壁安定化放電

３．
６ バリア放電器壁安定化コロナには図５(d)に示されるような細管（0.1バリア放電は図７に例を示すように，ストリーマコロナ〜10 mm）に針−針電極を配置したものが使用されており，を安定化させることを目的としたもので，交流電圧を金属器壁の電位および速いガス気流によってコロナを安定化さ間に印加した場合，その金属電極の前面にある誘電体が帯せる［２，１０］．バリア放電［１，２］については３．
６節で詳しく述

電され，その電荷が局所的に大きくなった場所で電荷は誘

べるが，この放電は電極表面に誘電体を配置することに電導体面で逆電界を形成するために，高電界で発生していよって，スパークを発生しない安定なストリーマを目的とるストリーマコロナは制限され，スパークの発生しない放６８５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.82, No.10 October 2006

電空間を得ることができる［１‐３］．図８に電圧−電流波形を示す［１３］．この図で明確なように，サイン波の最大電圧近傍で誘電体の荷電が起こり，電圧がゼロより最大になる
正および負電圧の領域でのみ放電が起こる．誘電体バリアが使用されているが，には主にガラス（比誘電率 !
!!2〜4）
アルミナ（!
!!9〜12）などのセラミックスや強誘電体（例えばチタン酸バリウム !
!≧10,000）なども使用されている．
バリア放電は，主としてオゾンの発生器や公害ガス処理装置に使用されているが，放電管は主に次の３種類に分類さ
れる［２，
３］．
・平行電極方式（Parallel Electrode Barrier Discharge /Silent Discharge）
・沿面放電方式（Surface Discharge）
・充填および移動層方式（Packed Bed

BarrierDis-

charge）
平行電極方式は，平行平板または同軸円筒のものが使用されているが，図７(a)と(b)に示されるように金属電極と誘電体バリアの組み合わせを変化させることによっても放電をコントロールすることができる．
沿面放電方式は，図７(b)に示されるような金属表面電極
間に誘電体層が存在する方式である．ただし，グラウンド
電極は通常誘電体層の外側に配置される．ストリーマ放電
は金属表面電極が正・負の場合で異なり，誘電体沿面に沿って強い発光が見られる．平行電極バリア放電と沿面放
図６

電を重畳させた場合［１４］は，交流電圧が同相と逆相の場合

パルスコロナ放電特性．

がある．この重畳放電方式（特に逆相の場合）は，平行電極方式および沿面放電方式と比較して，より均一な放電が
得られる．

図７

バリア放電 （a）
無声放電，（b）
沿面放電，（c）and（d）
パックトベット放電，（e）
トレンチ放電．

６８６

Commentary

Physics and Chemistry of Atmospheric Plasmas

J.S. Chang

せるとプラズマがガス空間を通り抜け，スパークからアー
ク放電が電極間で発生する．
バリア放電では印加する電圧の周波数によっても放電をコントロールできるが，ジュール加熱と誘電損によって多くの発熱があるので，通常，電極の空冷または水冷が必要である．バリア放電で使用される周波数は商用 50〜60 Hz
以外に，放電の均一性を向上させるために 1〜10 kHz のものが多く使用されている．
３．
７ 大気圧グロー放電
大気圧グロー放電は，電極間に均一な発光を伴う放電で，上部電極に誘電体を被せた，バリヤー型の電極構造で，使用ガスは He と他のガスとの混合で用いた場合のみ観測
図８

されている［１５］．比較的大きな面積のプラズマ処理ができバリア放電特性．

るという特徴がある．この誘電体層は特定の場所に放電が集中するのを防ぐ役割を持ち，ギャップは薄紫色に光り，更に微細に見ると細い絹糸のような放電が起きている．なお，この形式の放電は主として，有機・無機の化学反応を行うのに用いられている．大気圧グローの発生メカニズムは不明であるが，He ガスは気体中で一番熱容量が高いガスなので，熱的要素が主因である可能性がある．

４．大気圧熱プラズマの種類と物理現象
４．
１ 熱プラズマの種類
大気圧プラズマの分類は発生源によって，図１０に示される有極アークプラズマでは!単相交流オープンアーク；"
直流オープンアーク；#三相交流アーク；$移行型アー
ク；%非移行型アーク；&中空電極アーク；'グライデン
グアーク等に分けられる［１６］．通常熱プラズマはガス燃焼
温度以上の 2,300 K を基準としている．図１０で示されるよ
うに，基本的には電気アーク現象で，スパーク放電とは異なりプラズマに雰囲気ガスのみならず，電極材料の一部が蒸発し主なプラズマの組成イオンとなっている．一方，無電極熱プラズマは，図１１に示されるようなコイル電極を対電管外部に数ターン巻いた誘導結合（Inductive Coupling,
図９

パックトベットの放電形態．

ICP）方式とリング電極間に高周波をかけた容量結合（Ca-充填式または移動層方式は，二つの金属電極（特にメッシュ電極）間に誘電体ペレットまたは粉体を充填した方式
で，ガスの流れと印加電界の方向によって①同方向流方式（Co-Flow）（図７(c),(d)），②交差流方式（Cross-Flow）（図７(e)）に分類される．本方式では，充填したペレット間のとペレット（!
の比誘電率の差異に
狭い空間にガス（!
"!）#!）
よって表される次式!
"!!"!!
#!!#（２）（g：ガス空間，p：ペレット内）
によって強電界が形成されるので，より強力なプラズマが充填層内で均一に発生する．図９に平行平板電極内にチタン酸バリウムの強誘電体を充填した場合の放電形態を示す［２］．図９a)ではガス空間のみ プ ラ ズ マ が 発 生 し ている

図１
０ 有極アークプラズマ a）
非移行型アーク，b）
中空電極アーク，c）
単相交流オープンアーク，d）
三相交流アーク，e）
グ
ライデングアーク．

が，図９b)では印加電圧を上昇させたことにより，ストリーマが電極間に形成される．さらに，印加電圧を上昇さ
６８７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.82, No.10 October 2006

図１
１ 無電極熱プラズマ．（a）
誘導結合方式（ICP），（b）
容量結合方式（CCP），（c）
マイクロ波共振（Cavity）
方式，（d）
マイクロ波プラズマ
トーチ方式（MPT）．

pacitive Coupling, CPP）方式，マイクロ波共振（Cavity）方式，マイクロ波プ ラ ズ マ ト ー チ 方 式 が 使 用 さ れ て いる
［１，
１６］
．
４．
２ 熱プラズマの発生維持とプラズマ化学
熱プラズマは，化石燃料の燃焼火炎先端の温度約2,300 K
以上のガス／イオン温度を有するプラズマをもって規定される．火炎先端の 2,000 K 近傍で，原子または分子は振動し衝突を繰り返し，熱電離が行われる．金属原子の熱電離は
通常サハの方程式で表されるが，金属原子と異なる複数のイオンが空間に生成存在するので，例えば図１２で示される
Ar の例をとっても，サハの熱電離式で単純に表すことができず，各種の化学反応を用いた化学反応式モデルを用いる必要がある．表３にその Ar での例を示す［１７］．電離は熱電離のみならず，電子衝突や電子励起された原子によってもなされる．また，生成されたイオンはイオン分子反応等
図１
２ Ar 熱プラズマ中のイオン；中性励起粒子密度の計算例−サハの式−…−，Brawn&Kunc Model［１８］−‥‥−［１７］．

によって，原子イオンのみならず分子イオンも生成される．
イオンや電子の消失は，体積再結合が主なメカニズムと

４．
４ 熱プラズマの熱環境なるが，ガスによっては，酸素や炭化水素等のように，電子が付着して負イオンを生成し，正負イオンによる荷電消図１３に円錐−平面電極間の直流アークプラズマの温度分

失反応等もある．これらのイオン，電子の消失・転換を通布の例を示す［１，１９］．ガス温度は，電流の流れに沿って高じて，ラジカルや励起粒子が生成される．

温で，21,000 K近くの高温雰囲気を生成することができる．

４．
３ 熱プラズマの流体コントロールと二次流の発生

図１４のように直流プラズマトーチはノズル間より，アーク

熱プラズマでは，ガス温度が高いということとガス流速プラズマを吹き出させるので，プラズマの出口近くではやが速い（マッハ数 ! !!
!
"を超えることもある）ので，流体はり 104 K 近くのガス温度が生成できる［１，２０］．一方，ICPの取り扱いは，低温プラズマと異なり圧縮性気体となり，等の高周波電極放電においては，図１５で示されるように

ガス密度が気体温度に依存するのみならず，時間と空間で［１，２１］，磁気渦の影響等も含めて，約 7,000 K の高温雰囲気

均一という仮定はなくなるので，数値モデルは複雑となを生成できる．マイクロ波プラズマトーチの温度雰囲気のる．また，電気流体の項に加えて，大放電電流で発生する解析が一番複雑で，主に分光計測によって温度が決められ磁場による効果も考慮する必要がある．例えば，ICP プラている．その温度はマイクロ波プラズマトーチの形状で大ズマではコイルの近傍に磁場による流体渦ができることがきく異なり，3,000〜6,000 K の間の値が報告されている．し

わかっているので，電磁気流体力学モデルを用いて解析がたがって，マイクロ波トーチの種類によっては低温プラズ

なされている．

マに分類されるものも存在する［２２］．

６８８Commentary

Physics and Chemistry of Atmospheric Plasmas

表３

Ar 熱プラズマの反応過程［１７］．
Reaction Rates [cm3/s], [cm6/s]aReactionsThree-bodyConversion
Dissociative
Recombination

J.S. Chang

k１＋
Ar+＋Ar＋Ar !" Ar２
＋Ar
k２

＋
Ar２
＋e !" Ar＋Ar

k１

$
!
%
*
5.7×10−３２! , "Theory

$
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k２

!
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9.6×10−７!$"*,

300 %*+%670 and *,%670

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4.38×10−７!'
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*,&670 and *,&*+
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'!

*,
(
!
4.38×10−7!'
" ! "
*+
*,
Radiative
Recombination

Ar+＋e !" Ar＋-"

Thermal

Ar＋Ar !" Ar＊＋Ar

Ionization
Three-bodyb
Recombination
Electron Impact

k３

k４

k５

Ar＊＋Ar !" Ar+＋e＋Ar
k６

Ar+＋e＋e !" Ar＋e
k７

Ar＋e !" Ar+＋e＋e

Temperature Range [K]*,&670 and *,%*+

!!
(

k３

$
!
!
1.0×10−１２!* "Theoryk４10（−78.67＋14.89 log10（Tg））

7000 %*,%12000k５10（−36.83＋6.11 log10（Tg））

7000 %*,%12000

k６
k７

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10

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2.0×10−１０T２e ＊

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Cross Section & Theory!&

Ionization

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k８

Cumulative

Ar＋e !" Ar＊＊＋e

Ionization

Ar＊＊＋e !" Ar+＋e＋e

k９

k８

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3.3×10−11T２e ＊

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Cross Section & Theory

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１

3.0×10−11T２e *

&#"!%
!%!
!
"
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'
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&#"
!!&*+(+
f１０k１０Metastable-Metastable

Ar＊＊＋Ar＊＊ !" Ar+＋Ar＋e

k１０ 6.12×10−10

Collisions（1−f１０）k１０＋＋e
Ar＊＊＋Ar＊＊ !!!" Ar２

f１０

0.5

a[cm３/s] for two-body rections and [cm６/s] for three-body reactions.
bwhereA00=−13.319 A01=3.9654
A10=−0.30894 A11=1.4089
A20=−0.10322 A21=0.73602
A30=0.028512 A31=−0.1206

A02=−0.054716
A12=−0.24503
A22=−0.58010
A32=0.085961

図１
４ 直流プラズマトーチ出口の温度分布［２０］．

図１３ 円柱−平板電極間の直流アークの温度分布［１
９］
．

６８９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.82, No.10 October 2006

図１
７ 各種プラズマのガス温度−電子温度領域．
表４

大気圧プラズマの支配方程式．

! Mass Conservation
0
"&#
'
$!
&
%!
&
%#(
" Momentum Conservation
0#$!&-"#&'#(&(&#"$&"#"#$#
"'
%##
&
%#!
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# Energy Conservation
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図１
５ ICP 方式高周波プラズマトーチ出口の温度分布［２１］．

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子温度を基準にして各種プラズマについて示した．図１６および図１７で示されるように大気圧プラズマは熱プラズマでは，高温ガス温度と高いプラズマ密度が特徴的で，大気圧
低温プラズマでは低いガス温度とプラズマ密度が特徴的である．しかるに，双方に共通なのは高い電子温度によって，プラズマが維持されているということである．大気圧プラ
ズマの応用はこれらのそれぞれの特徴を用いて利用されている．
５．
２ 電気流体力学的二次ガス流の発生と支配方程式
大気圧プラズマの支配方程式は通常表４に示される流体
図１
６ 各種プラズマのプラズマ密度−電子温度領域．

モデルが用いられている［２３］．第１，２，３式は流体の質
量，運動量，エネルギー保存式で，第４，５式は電子，正ま

５．結言

たは負イオンの荷電粒子の質量保存式と輸送方程式であ５．
１ 大気圧プラズマのプラズマパラメータ

る．ガス流体の質量保存式は，ガスの密度時間変化の第１

図１６にプラズマ密度の範囲，図１７にガス温度の範囲を電項と（密度×速度）の保存の第２項に分けられる．大気圧
６９０

Commentary

Physics and Chemistry of Atmospheric Plasmas

表５

J.S. Chang

電磁気流体の項．

Additional Force and Energy Terms( i ) Force density terms："! "!#%" %$ $$$ %# #$#!
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１st term: force density due to the space charge
２nd term: force density due to the charged particle motion
３rd term: force density due to the dielectric property change
４th term: force density due to the fluid permeability change
５th term: force density due to the electrostriction and magnetostriction(ii) Energy terms due to electromagnetic fields：
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１st term: energy generation due to the flow of charged particles such as ohmic heating
２nd term: energy generation due to the polarization such as electromagnetic hysteresis loss
３rd term: energy generation due to the displacement current and time varying magnetic field such asenergy storage in an electromagnetic system

低温プラズマでは非圧縮性気体と仮定できるので密度 #は一定と仮定できるが，熱プラズマでは圧縮性ガスのため，この仮定はできない．第２式は運動量保存の式で，左辺第１項の運動量（#-）の時間変化，第２項の慣性，右辺第１項の圧力，第２項の粘性に加えて，第４項については
表５の第１式で示される電磁界による運動量の変化を考慮する必要がある．この電磁気流体の項は，空間電荷の第１項，誘電分極の第２項，磁性分極の第３項，電歪の第４項と磁歪の第５項がある．低温プラズマでは，放電電流が小さいので，外部磁場を印加しても磁場の項の影響は小さい．しかるに，熱プラズマでは，放電電流が大きいのと，高周波を使用する場合が多いので，全ての項を考慮する必要がある．これらはエネルギー保存式にもあてはまるが，ここでは詳細を略す．
表４第４式において右辺第１項は気体による輸送，第２項と第３項は化学反応による生成と消滅である．表４第５式において右辺第１項は気体による輸送，第２項は電界による輸送，第３項は拡散項である．磁場の効果は通常，拡図１８ コロナトーチによる電磁波放射周波数特性．a）
電界，b）
磁
界［３］
．

散係数 "と移動度 "をテンソル化して導入されている．また，表４第６式は電界を支配するポアソンの式で，電磁界に人間の目に害があることがわかっている．コロナトーを支配するマクスウェルの式はここでは略す［８］．
これらの支配方程式より，流れ +，温度 *，ガス密度

チ，高周波トーチやマイクロ波の場合は，かなり広い範囲#，イオン密度 '" または '!，電子温度 ''，電界 #，磁界にわたった周波数成分が図１８の例で見られるようにあり，!および圧力 (は複雑に相互に影響しあうのが大気圧プラ

特に数kHz以上の成分によるコンピュータ等の誤動作が注ズマの特徴である．したがって，ガス流を加えなくても，目されている［３］．

放電プラズマによって二次的にガス流が生成される．まコロナ放電の基礎過程，応用や EMC の問題については

た，ガス流が層流で放電領域に導入されても，下流では渦

文献［１，
２，
３，
８，
９］を参考されたい．

が発生したり，乱流に移行する現象が見られているので参考文献［２３］，将来の研究が必要とされている．
５．
３ 電磁波の発生と EMC［１］T.G. Beuthe and J.S. Chang, Glow Discharge Phenomena,Ch.9 of Handbook of Corona Discharge Processes, J.S. Changet al. Ed., (Mercel Dekker, New York, 1995).
［２］J.S. Chang, P.A. Lawless and T. Yamamoto, IEEE Trans.

EMC（electromagnetic compatibility）の問題は直流や交流アークおよびプラズマトーチでは，その電圧より発生する低周波成分の影響がある．例えば，0.3 Hzの電磁波は，主６９１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.82, No.10 October 2006

Plasma Sci. 19, 1152 (1991).

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９］K.C. Hsu, K. Etemadi and E. Pfender, J. Appl. Phys. 54,［１1293 (1983).
［２０］I. Izumi, T.G. Beuthe, F.Y. Chu, J.S. Chang and T. Kaneda,
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［１４］K. Urashima, H. Miyamoto and T. Ito, Comb. Sci. Tech.

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ジェン

シ ー

チ ャ ン グ

Jen-Shih Chang
武蔵工業大学電気工学科学士および修士
１
９
６
９年／１
９
７
１年卒．カナダ・ヨーク大学実験 宇 宙 科 学 科１９７
３年 博 士 課 程 修 了（Ph.
D.）後，フランス CNRS-GRI 研究員，ヨーク大学物理科助教授を経て，１９
７
９年よりカナダ・マクマス
ター大学物理工学科で助教授，副教授，教授就任．２
００
５年より名誉教授．現在，マクマスター大学でプラズマ環境・エネ
ルギー技術の研究を専従している傍ら，日本文部科学省科学技術政策研究所国際委員，中国環境総局環境技術委員，IEEE
電気流体技術委員長，ポーランド科学アカデミー流体機械研
究所，仏ポアテェ大学，武蔵工大，中国安全・環境研究所等の客員教授．趣味は新石器時代の考古学の旅．

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