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平成27年5月14日
2倍高調波干渉計による電子密度測定 
- 環境・医療分野へのプラズマ応用に向けた共同研究 -
大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
核融合科学研究所
 

 プラズマは、核融合発電だけでなく、様々な分野への応用が研究されています。特に、最近、環境や医療の分野への応用研究が盛んです。環境に悪影響を及ぼす有害物質の分解や、医療機器の滅菌、さらには病気や怪我の治療にも、プラズマを利用する研究が行われています。核融合発電、環境・医療応用など用途によらず、プラズマの研究にはプラズマの状態を正確に知ることが必要です。プラズマの状態を表す量は様々ありますが、例えば、プラズマ中の電子の密度はプラズマの「濃さ」に相当する量で、物理現象の解明にとても重要なものです。
 プラズマ中の電子密度は、電磁波を使って計測することができます。真空中の電磁波は、周波数が違っても同じ速度(光速)で伝わります。しかし、プラズマ中では、電磁波の周波数が異なると、波の速度も異なります。そして、電子密度が大きくなると、異なる周波数の波の速度差は大きくなります。このようなプラズマ中の電磁波の性質を利用して電子密度を測定するため、核融合科学研究所では高性能の「2倍高調波干渉計」を開発しました。この装置は、ある周波数の電磁波と、丁度その2倍の周波数の波である「2倍高調波」が混じった特殊なレーザー光を使います。この特殊なレーザー光をプラズマに入射すると、周波数の異なる2つの波は速度が違うため、検出器に到達する時間に差が生じます。この時間差から、プラズマの電子密度が分かります。この2倍高調波干渉計を大型ヘリカル装置(LHD)に設置して、プラズマ中の電子密度を高い精度で測定することに成功しました。
 一方、医療や環境分野で使うプラズマは空気中で発生させるので「大気圧プラズマ」と呼ばれています。大気圧プラズマは、周りの空気などの影響のために、電子密度を正しく測定することが難しいという問題がありました。大気圧プラズマを研究している東京大学、首都大学東京の研究グループと核融合科学研究所は、2倍高調波干渉計がLHDのプラズマだけでなく、大気圧プラズマの計測にも役立つことを見出しました。そして共同で検証実験を行い、大気圧プラズマの電子密度を高い精度で計測することに成功しました。2倍高調波干渉計を用いることで、環境・医療応用のためのプラズマ研究を、なお一層効率的に進めることができます。
 これらの共同研究の成果は、英国物理学会の学術雑誌に掲載され、学会から特に優れた論文に選ばれました。また、2015年4月にイタリアで開催された「第一回プラズマ計測に関するヨーロッパ物理学会」に招待され講演を行いました。今後はこの共同研究を更に進め、小型化と高精度化を目指し、様々な場所や用途で利用しやすい計測器にする予定です。

以上