大出力レーザを長焦点距離のレンズや凹面鏡により集光すると、大気中で長尺プラズマチャネルを生成することが出来る。このようなプラズマチャネルは長ギャップ放電のスパークオーバ電圧を低下させたり、その放電の進展方向を制御したりすることが可能である。前者は放電トリガ効果、後者は放電ガイド効果と呼ばれており、この二つの効果を総称してレーザ生成プラズマチャネルの放電誘導効果と一般に言われている。レーザ生成プラズマチャネルは雷放電を制御して雷害を防止するレーザ誘雷や高電圧、大電流の高速スイッチイングを可能にするレーザトリガードギャップスイッチへの応用が期待されている。これらの工学的応用を効率よく進めるためには、プラズマチャネルの放電誘導効果のメカニズムを解明する必要がある。これまでにもプラズマチャネルによる放電誘導効果の研究は行われているが、応用に特化した研究が多くメカニズムに重点を置いた研究は少なかった。そこで本論文では放電誘導のメカニズムの解明を目的として、プラズマの物理特性の測定と放電誘導実験を行い、その両者の結果の比較・検討を行った。

　レーザにより生成されるプラズマチャネルの特性は、レーザのパラメータによって変化する。レーザ生成プラズマチャネルの中でも代表的な2種類のプラズマチャネルについて物理特性の測定を行った。一つは赤外レーザにより生成される離散的な強電離プラズマチャネルである。このプラズマチャネルについてはこれまでにも多くの測定結果が報告されているが、レーザ照射終了後の減衰過程の様相は未解明であった。本論文ではCO₂レーザを用いて強電離プラズマチャネルを生成し、分光法やマイクロ波干渉計を用いて電子密度の時間変化の測定を行った。その結果、プラズマ生成直後から100s後までの電子密度の減衰特性を明らかにした(図1)。この他にもレーザ干渉計等を使用してプラズマの形状変化を測定し、生成直後は径約5mm程度であるプラズマが、約10s後には径12mmまで膨張し、その後はほとんど変化しないことを明らかにした。もう一つは紫外レーザにより生成される連続的な弱電離プラズマチャネルである。このプラズマチャネルに関してはこれまでは物理パラメータ自身がほとんど測定されていなかった。本論文ではエキシマレーザを用いて弱電離プラズマチャネルを生成し、マイクロ波干渉計を使用して電子密度の時間変化を初めて測定した。その結果、生成直後は10¹⁴/cm³あるが30ns程度で10¹²/cm³以下にまで低下することを明らかにした。さらに、簡単なプラズマチャネルのシミュレーションを行い、電子密度の急速な減衰は付着によるものであり、負イオンが急激に増加してプラズマの減衰はイオンの減少で決まるようになることを示す結果を得た(図3)。

　プラズマチャネルの放電誘導実験では、従来は物理的に不明確なパラメータによる測定が多かったが、本論文では50スパークオーバ電圧と放電ガイド長(放電がプラズマに沿った長さ)という2つの物理的に明確なパラメータを使用して実験を行った。

　強電離プラズマチャネルに関しては雷インパルス電圧により、ギャップ長1mから10m程度までについて放電誘導実験を行い、50%スパークオーバ電圧-ギャップ長特性、プラズマチャネル生成と電圧印加のタイミング(遅れ時間)が放電誘導効果に及ぼす影響、放電進展様相等の測定がなされた。これらの結果より、以下のことが明らかになった。

　(1)プラズマチャネルにより50%スパークオーバ電圧が低下し、その特性はギャップ中に導体棒が挿入されたようになる(図2)。このプラズマチャネルが作る等価的導体棒の長さはレーザのエネルギーと光学系に依存している。

　(2)正極性放電を誘導するためには負極性放電時より密にプラズマチャネルを生成する必要があるため、多くのレーザエネルギーが必要になる(放電誘導特性の極性効果)。

　(3)レーザ照射と電圧印加のタイミングは放電誘導効果に大きな影響を与える。負極性ではプラズマチャネルは生成後200sまで放電誘導効果を完全に維持しており、その後低下が始まり、生成後2ms程度で放電誘導効果は消滅する(図1)。

　(4)放電進展は次のような過程になる。ストリーマがプラズマチャネルの効果により低い電界で発生し、プラズマチャネルに沿って進展する。さらにプラズマに沿ったストリーマはリーダへの遷移が促進され、短時間にリーダヘ遷移する。このストリーマ進展とリーダへの遷移の繰り返しにより放電が進展する。正負による進展様相の差は、負ストリーマは離散的なプラズマチャネルでもそれに沿って進展するのに対して、正ストリーマは密に生成されたプラズマチャネルにのみ沿って進展することである。

図1 強電離プラズマチャネルの電子密度のと放電誘導効果(トリガ効果)の時間変化○:電子密度 ●:50%スパークオーバ電圧 [横軸の時間はプラズマ生成後の経過時間を示す。]

図2 強電離プラズマチャネルに誘導された放電の50%スパークオーバ電圧-ギャップ長特性(負極性)●■▲:レーザなし ○□△▽:レーザ誘導放電

　弱電離プラズマチャネルに関しても、雷インパルス電圧により放電ガイド効果及び放電トリガ効果についてのプラズマチャネル生成と電圧印加のタイミングとの関係や放電進展様相に関して実験を行った。その結果以下のような結果が得られた。

　(1)プラズマチャネルの放電ガイド効果は正極性放電にも負極性放電にも有効に働き、プラズマ生成後、約10sは持続するが、それ以後急速に減衰する(図3)。

　放電トリガ効果は強電離プラズマチャネルと比較してかなり弱い。

　(2)放電進展様相は正負共にプラズマチャネルから伸びるストリーマ、リーダが高圧電極と接地電極からのストリーマ、リーダと結合する過程が主である。

図3 弱電離プラズマチャネルの放電ガイド長とイオン密度の時間変化[横軸の時間はプラズマ生成後の経過時間を示す。] ○:イオン密度 ●:放電ガイド長

　これまで得られたプラズマチャネルの物理特性とその放電誘導効果の実験結果を比較・検討することによりプラズマチャネルの放電誘導効果のメカニズムの検討を行った。

　強電離プラズマチャネルの放電誘導効果のメカニズムとして浮遊導体モデルを提案した。浮遊導体モデルとはプラズマの導体としての機能が放電を誘導するというモデルである。金属のような導体は、ギャップ中では周辺の電界を歪めることにより局所的に強い電界をその表面に発生する。この局所電界により、ストリーマは低電界で開始して球に引き込まれ、さらにストリーマーリーダ遷移が加速される。このため導体は放電の進展方向を制御したり、スパークオーバ電圧を低下する事が出来る。プラズマも同様のメカニズムで放電を誘導すると浮遊導体モデルでは説明する。放電誘導実験ではプラズマチャネルは生成後200sまでは放電誘導効果が低下しないことが示された。この時のプラズマチャネルの電子密度は約10¹¹/cm³と推定され(図1)、導電率を電子密度から計算すると0.3S/mとなった。これよりプラズマは生成後200sまでは導体とみなせる状態にあることがわかる。また外部電界がプラズマ内部に侵入しないために必要なプラズマ中の電荷量を計算すると、その限界は電子密度に換算して10¹¹/cm³程度であった。これは電子密度がこの値以下に低下すると、外部電界が補償できなくなり、プラズマは導体として機能しなくなることを示している。以上の結果はプラズマチャネルの放電誘導効果が有効である生成後200s以内ではプラズマは導体として機能することができ、それ以降は導体としての効果は低下することを示している。さらに、浮遊導体モデルを実験的に検証するために多数の金属球を使用してプラズマチャネルを模擬し、放電誘導実験を行った。その結果、金属球に誘導された放電とプラズマチャネルに誘導された放電でその進展様相が酷似していることがわかった(図4)。以上より、プラズマ生成後200s以内であれば浮遊導体モデルはプラズマの放電誘導機構として有効であり、放電誘導に必要な電子密度のしきい値は約10¹¹/cm³であることが明らかになった。なお、浮遊導体モデルによると、プラズマチャネルの放電誘導特性の極性効果は、ストリーマの前面にある正イオンが導体球に付着することにより電位が上昇し、正極性ストリーマが導体球に沿わなくなるためであると説明される。

図4 金属球に誘導された放電とプラズマに誘導された放電の進展様相の比較

　弱電離プラズマチャネルの放電ガイド効果のメカニズムとしては、プラズマチャネルで形成されたストリーマ及びリーダが主たる役目を果たすモデルを提案した。プラズマチャネル中央部から進展を開始したストリーマ、リーダはプラズマチャネルに沿って進展する。これらのストリーマやリーダの先端部は空間電荷により強い局所電界が生じており、電極からの放電はその電界にに引かれてプラズマチャネルに誘導される。プラズマチャネルの放電ガイド効果とプラズマチャネルのイオン密度の時間変化の比較から、放電ガイド効果が減衰を開始するのはイオン密度がl0¹¹/cm³以下になった時であることが明らかになった(図3)。これより、放電ガイドのためのストリーマがプラズマから開始するための条件はイオン密度が10¹¹/cm³以上であると考えられる。

　強電離プラズマチャネル及び弱電離プラズマチャネルの物理特性の測定と放電誘導実験の結果を基に、放電誘導効果のメカニズムを説明するモデルを提案した。今後の課題はこれらのモデルを基にシミュレーション技術を用いて、より定量的な解明を行うことである。

　本論文は「レーザ生成プラズマチャネルによる気中放電の誘導効果に関する研究」と題し、レーザにより生成されたプラズマチャネルの放電誘導効果のメカニズムの解明を目的として、プラズマチャネルの物理特性や気中放電の誘導特性及びその両者の比較・検討によるモデルの提案とその検証をとりまとめたもので、6章より構成される。

　第1章は序論であり、レーザ生成プラズマチャネルの放電誘導効果の典型的な実験例を示し、本論文で取り扱う現象の簡単な説明を行っている。その後、プラズマチャネルの気中放電の誘導に関連した研究のこれまでの流れをまとめ、未解明事項を抽出することによって、メカニズムの解明のために必要な研究課題を明らかにしている。

　第2章では「実験装置」と題して、本論文中の実験に使用した実験装置及び計測装置についての説明をまとめている。本論文では赤外レーザであるCO₂レーザにより生成される強電離プラズマチャネルと、紫外レーザであるニキシマレーザにより生成される弱電離プラズマチャネルを対象としている。

　第3章では「レーザ生成プラズマチャネルの物理特性」と題して、プラズマの物理特性を分光測定、レーザ干渉計、マイクロ波干渉計から明らかにしている。強電離プラズマチャネルについてはこれまで調べられていなかったレーザ照射後のプラズマの減衰様相について測定がなされている。強電離プラズマは生成直後は10¹⁸/cm³以上の電子密度があり、直径は5mm程度であるが、100s後には10¹²/cm³程度まで減衰し、直径は約12mmに増加することが明らかにされている。弱電離プラズマチャネルについては、これまでは物理パラメータ自身の測定があまり報告されておらず、電子密度の時間・変化は本論文により始めて測定されたものである。レーザ照射中の電子密度は10¹⁴/cm³であるが、その30ns後には10¹²/cm³にまで減衰することが明らかにされている。またシミュレーションにより電子密度の急速な減少は負イオンの生成で説明できることが示されている。

　第4章では「プラズマチャネルによる放電誘導特性」と題して、プラズマチャネルにより放電のパラメータがどのように変化するかを明らかにしている。強電離プラズマチャネルに関しては雷インパルス電圧を用いて放電を誘導する実験を行い、50%スパークオーバ電圧特性、プラズマチャネル生成と電圧印加のタイミングが放電誘導効果に及ぼす影響、放電進展様相が、詳細に検討されている。その結果、プラズマチャネルはギャップ中に導体棒が挿入されたように50%スパークオーバ電圧を低下させるが、負極性に比べて正極性は電圧が低下しにくいことや、プラズマチャネルは生成後200sまで放電誘導効果を完全に維持しており、その後低下が始まることが明らかにされた。弱電離プラズマチャネルに関しては、放電ガイド効果及び放電トリガ効果について別々にプラズマ生成と電圧印加のタイミングの影響や放電進展様相に関して調べている。その結果、プラズマチャネルは正負両極性の放電の放電路を制御することができ、その効果も約10sは持続するが、スパークオーバ電圧を低下させる効果は弱いことが明らかにされている。また、放電進展様相は正負両極性共に、プラズマチャネルから伸びるストリーマ、リーダが、高圧電陽や接地電極からのストリーマ、リーダと結合するすることによって完結している。

　第5章では「プラズマチャネルによる放電誘導機構」と題して、これまで得られたプラズマチャネルの物理特性とその放電誘導効果の実験結果を比較・検討することによりプラズマチャネルの放電誘導のメカニズムの検討を行っている。強電離プラズマチャネルによる放電誘導のメカニズムとして、等価的な導体の作用により放電を誘導するという浮遊導体モデルが提案されている。プラズマチャネルの物理パラメータから検討すると、放電誘導効果が低下を開始するプラズマ生成後200sの時点での導電率は0.3S/mであり、導体近似は可能である。一方、外部電界がプラズマ内部に浸入しないために必要なプラズマ中の電荷量は、電子密度に換算して10¹⁴/cm³程度であり、また、強電離プラズマの電子密度がその値まで低下する時間は約200sである。これより放電誘導効果が低下を開始する時点でプラズマチャネルも導体として機能しなくなると言える。また、プラズマを模擬した多数の金属球を用いた浮遊導体モデルの検証実験の結果、金属球に誘導された放電とプラズマチャネルに誘導された放電でその進展様相が酷似していることが明らかになり、モデルの妥当性が確認されている。弱電離プラズマチャネルの放電ガイド効果においては、プラズマチャネルで形成されたストリーマ及びリーダが生たる役目を果たしている。最初にプラズマチャネル中央部からストリーマ、リーダが進展を開始し、その先端の空間電荷による強い局所電界により電極からの放電がプラズマチャネルへと誘導されることが放電進展の観測から示された。また、プラズマチャネルの放電ガイド効果とプラズマチャネルのイオン密度の減衰特性から、放電ガイド効果が減衰を開始する時のイオン密度は10¹¹/cm³であることがわかった。この結果から、放電ガイドのためのストリーマがプラズマから開始するための条件は、イオン密度が10¹¹/cm³以上であることが明らかにされている。

　第6章は「まとめ」であり、本論文の成果についてのまとめを行っている。

　以上これを要するに、本論文は、レーザ生成プラズマチャネルによる気中放電の誘導効果について、プラズマチャネルの物理特性およびその放電誘導特性を種々の計測法を駆使して蓄積した上で、放電誘導機構を説明できるモデルを提案し、従来、制御が困難であった長ギャップ放電を誘導するために必要な諸条件を明らかにしている点で、電気工学、特に高電圧・放電工学に貢献するところが少なくない。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。