数値シミュレーションによる超臨界マイクロプラズマ放電機構の解明

超臨界流体中の微小平行平板放電において、絶縁破壊電圧が臨界点において降下することが実験的に確認されている。本研究では、この現象を説明する理論を提唱し、数値シミュレーションを用いて、一般的に、高密度媒体中における絶縁破壊現象を解析する手法を確立した。超臨界状態においては、我々の3次元MDシミュレーションが示すように、流体中に原子のクラスターと小さな空隙(マイクロキャビティ)が生成される。この際、そのマイクロキャビィにおいて電子が十分加速されることにより、イオン化に必要な運動エネルギーを、背景流体の平均的な密度が比較的高いにもかかわらず得られる。このため、臨界点近傍においてイオン化率(すなわち第一タウンゼント係数)が増大する。このイオン化率の上昇値は、背景流体の原子(分子)配位に依存しており、我々は、分子動力学シミュレーションを用いて、モデル流体の臨界点近傍において、このようなマイクロキャビティ構造をもとめ、この与えられた構造にたいして、一様電場のもとにおける電子衝突のシミュレーションを行い、電子の速度分布関数(エネルギー分布関数)やその他の衝突の関係する物理量の測定をおこなった。第一タウンゼント係数は、過去の研究から、気体のように、密度が低い場合と、液体のように密度が高い場合で、そのN/E(流体密度Nと電場Eの比)依存性が異なることが知られている。これは第一タウンゼント係数が液体原子や分子の構造因子に依存するためであるが、本研究では、電子衝突に関する直接数値シミュレーションにより、第一タウンゼント係数を計算する手法を確立した。現在、これらの成果を投稿論文にまとめている。

超臨界流体中の微小平行平板放電において、絶縁破壊電圧が臨界点において降下することが実験的に確認されている。本研究では、この現象を説明する理論を提唱し、数値シミュレーションを用いて、一般的に、高密度媒体中における絶縁破壊現象を解析する手法を確立した。超臨界状態においては、我々の3次元MDシミュレーションが示すように、流体中に原子のクラスターと小さな空隙(マイクロキャビティ)が生成される。この際、そのマイクロキャビィにおいて電子が十分加速されることにより、イオン化に必要な運動エネルギーを、背景流体の平均的な密度が比較的高いにもかかわらず得られる。このため、臨界点近傍においてイオン化率(すなわち第一タウンゼント係数)が増大する。このイオン化率の上昇値は、背景流体の原子(分子)配位に依存しており、我々は、分子動力学シミュレーションを用いて、モデル流体の臨界点近傍において、このようなマイクロキャビティ構造をもとめ、この与えられた構造にたいして、一様電場のもとにおける電子衝突のシミュレーションを行い、電子の速度分布関数(エネルギー分布関数)やその他の衝突の関係する物理量の測定をおこなった。第一タウンゼント係数は、過去の研究から、気体のように、密度が低い場合と、液体のように密度が高い場合で、そのN/E(流体密度Nと電場Eの比)依存性が異なることが知られている。これは第一タウンゼント係数が液体原子や分子の構造因子に依存するためであるが、本研究では、電子衝突に関する直接数値シミュレーションにより、第一タウンゼント係数を計算する手法を確立した。現在、これらの成果を投稿論文にまとめている。