医療用、非平衡大気圧マイクロセルプラズマのモデリング

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マイクロサイズのプラズマが工学的に利用される時代をむかえている。本研究のゴールはバイオ医療技術に使用するためのマイクロセルプラズマの数値シミュレーションコードの開発にあった。非平衡RFプラズマのプラズマ特性とその機能は、偏微分方程式で記述した数密度保存、運動量とエネルギーの緩和、ならびに、マクスウェル方程式からなる支配方程式系の数値解法から研究する手法が慣用的である。この方法は歴史もあり確立されている反面、任意の複雑な境界を有するリアクター内のプラズマ特性を解明するためには課題もある。本研究課題、マイクロサイズのプラズマ特性は境界条件の影響を強く受けながら実現されるものであり、境界条件の取り扱いが鍵となる。そこで、本研究では先の偏微分方程式で記述できる支配方程式系を、積分方程式系に変換した後、これを数値解法する新しい手法を提案している。本研究で対象とするバイオ医療用マイクロセルプラズマは熱の影響を極力減じた非平衡性の高いプラズマ機能を発現させるのがデザイン原理である。そこで、この積分手法から、容量結合型Ar,13.56MHzマイクロセルプラズマをモデリングし、大気圧、最低維持状態におけるプラズマ特性を初めてシミュレーションすることに成功している。具体的には、最低維持状態におけるRFプラズマは1012cm^<-3>の数密度を有し、プラズマの維持は主に、準安定励起原子(Ar^*)と電子との電離衝突によりおこなわれる、いわゆる2段階過程で実現されることなどを明らかにしている。今後はさらにガス温度分布などの制御をモデリングから実現し、安全なバイオプラズマ医療機器を実現したい。