J. Plasma Fusion Res. Vol.92, No.5 (2016)３７８‐３８２研究最前線

微小重力環境下における微粒子プラズマ研究の最前線−プラズマパラメータ計測にもとづく研究の現状−
Recent Progress in Study of Dusty Plasmas under Microgravity- Current Status of Researches Based on Measuring Plasma Parameters "橋和生
TAKAHASHI Kazuo
京都工芸繊維大学 電気電子工学系（原稿受付：２０１６年２月１６日／原稿受理：２０１６年３月１６日）

微粒子プラズマの微小重力環境実験は２００１年に，日本では宇宙環境利用の地上研究として盛んに行われ，国際宇宙ステーション（ISS）では本格的にロシアとドイツの共同プロジェクトにより実施されるようになった．その共同プロジェクトが進行する中，日本の研究者は国際協力を得ながら臨界現象のデモンストレーションを目的として，ISS における実験の経験を持つに至った．そこでは微粒子プラズマ計測が重要視され，現在でも計測に触れずに研究の最前線を示すことはできない．本稿では，他のプラズマと異なり例が豊富ではない，微粒子を含むプラズマにおける電子温度等のパラメータの測定について紹介する．典型的な現象である微粒子の波動伝搬は微粒子間相互作用に関係する．また，微粒子の帯電量はプラズマパラメータによって決定される．これらのことから，波動の観測によりプラズマパラメータを推定できる．またダブルプローブを用いると電子温度とイオン密度を直接測定できる．電子温度からはプラズマが微粒子の存在により大きな影響を受けていることが確認され，イオン密度からは微粒子の帯電量の計算や臨界現象を観測するための条件を算出できる．微粒子プラズマにおけるさらなる物理の探究と微小重力環境実験に対して，計測にもとづく微粒子プラズマの理解が今後益々期待される．
Keywords:
dusty plasma, fine particle plasma, complex plasma, microgravity, international space station

１．はじめにのグループは，それまでにドイツ航空宇宙センターの支援

２００１年に宇宙開発事業団（NASDA，当時）によって，第を受け落下塔や観測ロケット，航空機を用いた実験にて装５回「宇宙環境利用に関する地上研究公募」のテーマとし置開発も含めて準備を進めていた．これら２つのグループて，微粒子プラズマに関する５つの研究グループの提案がが，お互いのリソースを共有して実現させたのがこのプロ選定された．NASDA が提供する機会において，静岡大学ジェクトである．

三重野グループは，微小重力環境における無対流アーク

日本では，２００１年以来，核融合科学研究所との共同研究放電を利用して，高品質な炭素材料を得ようとした［１，２］．

として微粒子プラズマ研究会（Workshop on Fine Particle

また，九州大学

渡辺・白谷グループは，超高品質結晶 Siナノ粒子の作製を試みた．微粒子の挙動やクーロン結晶については，東北大学
大学

佐藤・飯塚グループ，京都工芸繊維林グループ，京都大学筆者（当時）グループがそれぞれ独自の解析を行った．図１では，２００１年以降の日本および欧州における筆者が関わった主な研究活動の進捗を示している．
図１

同年，微粒子プラズマの微小重力環境実験が，国際宇宙ステーション（ISS）においてロシアとドイツの共同プロジェクトとして本格的に開始された［３］．ロシアのグルー
プは，ISS が運用される前に稼働していた宇宙ステーション

ミールにて，簡単な装置を使用し微小重力環境下において帯電した微粒子の観察をすでに済ませていた．ドイツ

日本および欧州において筆者が関わった主な研究活動の進捗．NIFS，NASDA，JAXA はそれぞれ核融合科学研究所，宇宙開発事業団，宇宙航空研究開発機構（WG：ワーキンググループ，RT：研究チーム，PJ：プロジェクト）の支援を受けた研究活動を示す．欧州の欄には国際宇宙ステーションにおける実験プロジェクトの呼称が示されており，
JAXA PJ では国際協力により PK-3 Plus のミッションにおける実験データ（MD）を得た．

Kyoto Institute of Technology, KYOTO 606-8585, Japanauthor’s email: takahash@kit.jp

３７８!2016 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchFront Runner

Recent Progress in Study of Dusty Plasmas under Microgravity

K. Takahashi

Plasmas）が開催されており，研究者間において議論を深加えることにより，疎密波を励起した．Ar ガスの圧力を低めながらコミュニティーが発展してきている．ロシア・ド下させる，また高周波電力を低減させる方が，疎密波を励イツ共同プロジェクトが進行する中，日本の研究者コミュ起しやすい傾向にある．

ニティーは，日本の ISS モジュールである Japan Experi-

疎 密 波 が 伝 搬 す る 速 さ &!（周 波 数 !! と 波 数 #! と のment Module（JEM，きぼう）における実験機会 を うか比）は，次式で与えられ，微粒子の電荷数 "!，イオン密度がっていた．一方で，２００５年には，ロシア・ドイツ共同プ%"，イオン温度 !"，微粒子の密度 %!，微粒子の質量 $!

ロジェクトでは実験装置が更新され，さらに活発に実験がで表される［１０，１１］．

実施されるようになった［４］．その頃，日本の研究者とドイツのグループとの交流が広がり，直後には日本の研究者が&!!

国際協力を得て ISS における実験の経験を持つに至った．

!! "! %!!"!
#! "%"! $!

（１）

この国際協力による研究活動では，微粒子プラズマにおけ実験において，ガス圧力および高周波電力をそれぞれる臨界現象のデモンストレーションが目的とされ［５，６］，

24 Pa，0.25 W とし，疎密波を励起する周波数を変えながら日本宇宙航空研究開発機構（JAXA）におけるプロジェク波動を観測した．そのときに得られた励起周波数と波長のトとして実験が実施された［７］．

関係を図３に示す．波数の小さい領域において周波数と波数の関係が線形であるとする長波長近似により，疎密波がJAXA プ ロ ジ ェ ク ト で は，臨 界 現 象 を 観 測 す る た めに，プラズマパラメータの測定が重要視された．ロシア・ドイツ共同プロジェクトの装置における実測データが皆無であったためである．ISS に搭載される装置では，重量や容積が制限されるため，プラズマを発生させるチェンバは極端に小型化される．小型のチェンバでのプラズマ計測や計測機器の搭載が困難であるため，それまでにプラズマパラメータの測定が実施されたことはなかった．また，微小重力環境実験でなくとも微粒子の存在が計測に困難をもたらすこともあり，微粒子プラズマの計測例は豊富ではな
い．他のプラズマではごく通常のものとして行われる計測が，微粒子プラズマにおいてはそうではない．これは，微小重力環境における微粒子の振る舞いが地上で見られるものとあまりにも異なり，その観察結果に人々の興味が集中することと，現象についてプラズマの電子やイオンを除いた微粒子の荷電粒子系における解釈に終始することに無関

図２

PKE-Nefedov の実験［３］により得られた微粒子プラズマにおける粗密波の例．矢印（太線）は微粒子が密である部分．
写真下部に高周波電極が配置されており，その外側のガードリングに 30 Hz 以下の正弦波電圧が印加される．疎密波は，この電位揺動によって励起される［９］．

図３

疎密波における周波数 !d と波数 kd の関係［９］．波数の小さい領域において周波数と波数との関係が線形であると近似でき（長波長近似），疎密波の伝搬する速さ vd を求めることができる．

係ではない．
JAXA プロジェクトでは，微粒子の波動を観察しその現象からプラズマパラメータを推定することやダブルプロー
ブを用いた電子温度とイオン密度の測定が行われた．航空機を用いた微小重力環境実験の機会を得て微粒子の振る舞いを観察し［８］，一方地上では微小重力環境実験に合わせたプラズマ発生条件において計測を進めた．本稿では，そのようにして実施した微粒子プラズマ計測の様子を紹介したい．

２．微粒子疎密波とプラズマパラメータ
プラズマ中に分布する微粒子群に揺動を加えると，疎密波が伝搬する．疎密波は，微粒子の密度が極端に高くなったときに不安定性として現れることもある．平行平板型高周波放電によって微粒子プラズマを生成し，意図的に励起された疎密波 の 観測 か ら，プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ を推定した研究について概容を説明する［９］．図２で は，PKE-Nefedov 装置［３］において微粒子群中を伝搬する疎密波の例が示されている．実験では，上下に配置した電極に13.56 MHz の高周波電圧を印加し，Ar プラズマを発生させ，粒径が 3.4 μm の微粒子を注入した．さらに，高周波電極の外側にあるガードリングに 30 Hz 以下の正弦波電圧を
３７９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.92, No.5 May 2016

伝搬する速さとして 0.98 cm/sec の値が得られる．この値

ここで大雑把な値の検討はできても，値の妥当性を検証すと測定が可能な微粒子密度 &%を（１）式に代入し，イオン温ることは難しい．

度 !(を仮定することにより，微粒子の電荷数 "% とイオン密度 &(との関係（関係１）３．微粒子プラズマにおけるダブルプローブ計測"%# $&(

前章で述べたような間接的な手法でプラズマパラメータ（２）が得られた後，その妥当性を検討するために直接的な方法でのパラメータ測定が求められた．筆者らは，扱う装置にを求めることができる．
一方で，微粒子の帯電量は軌道運動制限理論から求めらおける電子（イオン）密度がそれほど大きくないとの予想れる［１２］．プラズマに浮遊する微粒子の表面では，電子電から，電子密度の変動に対して敏感なマイクロ波共振プ流とイオン電流が等しいことから下記の関係が成り立つ．

ローブを利用して電子密度を測定した［１３］．この測定で#"#"!(&& !& &*)! ' ""&(!"! ' "$$!&$$!(# %&
$ %(は，マイクロ波の共振を得るためにプラズマの体積に対して比較的大きなアンテナをプローブとした．そのためプ（３）ローブがプラズマに大きな影響を与え，プローブ表面におここで，&&，!&，%&はそれぞれ電子の密度，温度，質量でけるプラズマの消滅が無視できない状態となり，本来の電あり，%(，#，$$ はイオンの質量，電気素量，ボルツマン定子密度よりも低い値を見積もるにとどまった．それでも，数である．また，"'は微粒子表面の電位である浮動電位を電子密度が微粒子の存在により変化することやその変化が表し，微粒子の電荷数と次の関係にある．

わずかであっても検知できることが有意義であり，その後の計測の発達につながった．

#"%"##!
!''%"

ここではダブルプローブ法を用いて，イオン密度と電子式中の !
!，'%，はそれぞれ真空の誘電率，微粒子の半径で温度が測定された例を紹介する［１４］．この方法では，高周ある．この式と（３）式においてイオン温度と電子温度を仮波放電におけるプラズマ電位の時間変動への対策を講じる

定すると，微粒子の電荷数とイオン密度との関係（関係２）ことなく，測定ができる［１５］．直径 60 mm の円盤電極が上を得ることができる．

下に30 mm隔てられて配置されているPK-3 Plus装置［４］に

図４では，疎密波から得られる（２）式（関係１）を実線おいて，測定が行われた．装置では，Arガスの圧力を40 Paで，また軌道運動制限理論から得られる電荷数とイオン密に保ち，13.56 MHz，0.4 W の高周波電力を印加することに度の関係（関係２）を破線で示している．それぞれにおいよってプラズマを発生させた．そこへ粒径が 2.6 μm の微粒て，イオン温度と電子温度が仮定されている．これら二つ子を大量に注入した．その様子が図５に示されている．微の関係を表す曲線の交点が，疎密波を観測したプラズマに粒子の密度が極端に高いため，微粒子群の底部では疎密波おけるプラズマパラメータを与えると考えられる．イオンが見られる．この微粒子群へ一対のプローブチップを挿入温度として室温程度を仮定したとき，電子温度が 1.0 eVした．図５より，チップがシースで覆われており，チップ910−3となる．こからある程度距離を隔てたところに微粒子が分布している

れらが実験で得られるパラメータであると解釈されるが，ことがわかる．この微粒子の分布位置が，微粒子に働く静よりも低い領域でイオン密度が 10 −10 cm電力とイオン粘性力とが釣り合うところである．このような状況で，チップ間に±30 V の電圧を印加して電流‐電圧特性を取得した．

図４

疎密波と軌道運動制限理論から得られる電荷数とイオン密度との関係［９］．実線はイオン温度を仮定して疎密波（関係１）から得られたもの，また破線はイオン温度と電子温度を仮定して軌道運動制限理論（関係２）から得られたもの．
二つの関係を表す曲線の交点から，実験におけるプラズマパラメータが求められると考えられる．

図５

３８０

プラズマ中の微粒子群に挿入されたダブルプローブ．２本のプローブチップはシースで覆われ，微粒子とは接触していない様子がわかる．

Front Runner

Recent Progress in Study of Dusty Plasmas under Microgravity

図６は，プラズマに微粒子が注入されていない場合と注K. Takahashiに注意をする必要がある．この点について，議論の余地が入された場合に測定されたイオン密度と電子温度を示して残されている．

いる．プローブチップを上下電極間で移動させながら測定４．まとめされた結果である．微粒子が注入された場合には電子温度が上昇している．プラズマにおいて微粒子が帯電することダブルプローブ法により，イオン密度と電子温度が直接により電子密度が減少するが，印加される電力に変化はな測定されることによる恩恵は大きい．これまで微粒子の電い．従って，供給される電子当たりのエネルギーは増加し，荷ですら，その見積もりではプラズマパラメータを仮定し電子温度が上昇すると解釈される［１６，１７］．一方でイオンて軌道運動制限理論に頼るばかりであった．プラズマパラ密度は，微粒子が注入された場合に減少している．これは，メータの測定は，実験で観測される現象とその解釈に用い注入された微粒子があまりにも多量であったために，電離られる理論や計算とのつながりをより密接にする．このこが阻害されたことによるものと考えられる．微粒子が少量とから，理論の再構築も進む可能性がある．実際，JAXAの場合，また高い電力が印加される場合には，電子温度のプロジェクトにおいては，臨界現象の条件を探索する際上昇は見られるが，イオン密度の値は大きく変化しない．に，ある程度確からしい実測されたパラメータは役に立った．

チップ間の電流−電圧特性を取得する間，微粒子は常にチップ間に存在する．また，チップ間の電圧を変えれば，微粒子プラズマ研究の醍醐味は，見えるもの（微粒子）チップを覆うシース厚が変化するが，チップ間に分布すると，こと（現象）の面白さにある．その研究の最前線がやっ微粒子はほぼ等量に保たれる．これらのことから，その特と始められた計測にあると言えば，他の分野の方は拍子抜

性は微粒子を含むプラズマから得られるものと判断できけされることだろうと思う．これについては，波動の伝搬る．ただし，微粒子がプラズマに与える影響として，電子やクーロン結晶の形成など，強い微粒子間相互作用がもたのエネルギー分布を大きく変えるようなことがあれば，電らす現象の視覚的なわかりやすさと微粒子の存在が招く計

流−電圧特性より，イオン密度と電子温度を算出するとき測の困難が，実験研究者を計測に向かわせなかったためと言い訳するしかない．特にプロセスプラズマの分野と比べれば，微粒子プラズマで行われている計測はいまだ初歩段階である．他の分野で発達した手法を取り入れ，希ガス放電に微粒子を注入した系にて計測が行われ始めており，今後，微粒子プラズマの素過程の理解がより深まることが期待できる．
また，微粒子プラズマ研究の方向性についても，多くの場で議論がなされている．実験室微粒子プラズマの意義として，物質結晶の成り立ちや惑星環における波動などの理解を挙げるだけでは十分とされない状況がでてきた．この状況は研究者の立場が問われるものであり，ただ単に真理の追究のための研究が拒否されるとしたら混乱するばかりである．しかしながら，すぐに役に立つ研究に重きが置かれる向きを否定することはできない．実験室にある微粒子プラズマを今まさに国内外で進行する計画に合わせることは重要である．例えば，月面には浮遊するダストが存在することが示唆されており，注目されている［１８］．月面におけるダストの帯電や浮遊するための電界が生じる機構は明らかではない．直接観測が試みようとされる中で，観測結果を予測できる実験室実験は有意義であろう．また，微粒子プラズマを材料として使うことにも本腰が入れられるべきである．クーロン結晶が，THz 領域のフォトニック結晶として動作する可能性が報じられてから久しい［１９］．さらには，微粒子が排除され続けてきたプロセスプラズマにおいて，微粒子の利用を考慮してもよい時期かもしれない．
微粒子の存在により結果的に電子温度が上昇することを利用して，反応性ガスの解離過程を制御することができそう

図６である．この十数年間海外も含めて，微粒子プラズマ研究

ダブルプローブ法によって測定されたプラズマにおけるイオン密度と電子温度．いずれについても微粒子がプラズマ中に注入されていない場合（微粒子なし）と注入された場合（微粒子あり）が示されている．

においては，微小重力環境実験によって大きな進展がもたらされたとも言える．その中で見いだされた，先に挙げたような微粒子プラズマの可能性を広げる時期が，これから
３８１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.92, No.5 May 2016［５］東辻浩夫：プラズマ・核融合学会誌 82, 693 (2006).
［６］H. Totsuji, J. Phys. A: Math. Theor. 42, 214022 (2009).
［７］東辻浩夫：プラズマ・核融合学会誌 91, 514 (2015).
［８］!橋和生他：プラズマ・核融合学会誌 91, 375 (2015).
［９］K. Takahashi et al., Int. J. Microgravity Sci. Appl. 32,320409 (2015).
［１０］S. Khrapak et al., Phys. Plasmas 10, 1 (2003).
［１１］V.V. Yaroshenko et al., Phys. Rev. E 69, 066401 (2004).
［１２］H.M. Mott-Smith et al., Phys. Rev. 28, 727 (1926).
［１３］K. Takahashi et al., J. Appl. Phys. 110, 013307 (2011).
［１４］K. Takahashi et al., JAXA Res. Development Rep. 14, 7(2015).
［１５］T. Dote, Jpn. J. Appl. Phys. 7, 964 (1968).
［１６］R.N. Carlile et al., Appl. Phys. Lett. 59, 1167 (1991).
［１７］R.N. Carlile et al., J. Appl. Phys. 73, 4785 (1993).
［１８］千秋博紀：日本マイクログラビティ応用学会誌 29, 169(2012).
［１９］M. Rosenberg, IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 490 (2006).

であると信じている．

謝辞

ロシア・ドイツ共同実験プロジェクトの ISS ミッションへの参加の機会を下さった当時マックスプランク圏外物理研究所の Gregor E. Morfill 教授，日本の研究者コミュニティの中で絶えずご助言を下さった東北大学の佐藤徳芳名誉教授，九州大学の渡辺征夫名誉教授，京都工芸繊維大学の林康明教授に感謝いたします．また計測に関する研究の一部は JSPS 科研費２４２４４０９４の助成を受けたものです．

参考文献［１］T. Mieno, Jpn. J. Appl. Phys. 42, L960 (2003).
［２］T. Mieno et al., J. Appl. Phys. 99, 104301 (2006).
［３］A.P. Nefedov et al., New J. Phys. 5, 33 (2003).
［４］H.M. Thomas et al., New J. Phys. 10, 033036 (2008).

３８２