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☆ News ☆

2017年3月22日
EU(欧州連合)国家間プロジェクト"Horizon 2020"外部アドバイザー委員として会合に参加してきました。

2016年11月9日
英国物理学会から依頼されて執筆したレビュー論文Journal of Physics D: Applied Physicsに掲載されました。→ 該当ページ



I N D E X
 

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DC-RFハイブリッド熱プラズマの3次元流動ダイナミクス
Three-dimensional flow dynamics of a DC-RF hybrid thermal plasma


 

高周波(RF)誘導結合型熱プラズマに直流(DC)熱プラズマジェットと組み合わせることで放電場を補完することができます。しかし、熱プラズマは強い発光を伴う特殊な流体で、その温度が1万度に及ぶ上、電磁気力と熱膨張によって複雑な流れ場になっているため、実験による直接計測は難しく、放電場の熱流動の詳細は不明でした。

そこで電磁流体力学(MHD)に基づく非定常3次元数値シミュレーションによる現象の解明を試みました。 現象を記述する方程式は、流体力学における連続の式、Navie-Stokes方程式、エネルギー方程式、電磁気学におけるMaxwellの方程式で、これらはプラズマ維持条件の下、すべて同時に数値的に解かれます。 またプラズマが流体として持つ物性値や熱力学的特性が温度によって大きく変化する(数ケタ変わるものもある)効果も考慮されます。

右図および左図はそれぞれ電磁場と相互作用する熱流動場および渦構造の動的な挙動 (※左は右の1/6の再生速度)を示しています。両図ともに色は温度を表しています。このように非常に複雑な流れ場になっていることは、実験的研究によって示唆はされていたものの、それまで行われていた軸対称2次元シミュレーションでは全く予測できませんでした。今回の非定常3次元シミュレーションによって、より現実的な結果が得られ、現象の詳細が初めて明らかに示されたと言えます。
(:数値計算によって熱プラズマ流渦構造を捉えるためには少々配慮が必要です。下の項目をご覧ください。)

※ 詳しくはこちら(↓)をご参照ください。
Three-dimensional flow dynamics of an argon RF plasma with DC jet assistance: a numerical study,
Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 46, No. 1, (January, 2013) 015401 (12 pages).
Masaya Shigeta


 

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熱プラズマ流の数値計算における基本的な問題
Fundamental problem in numerical simulation of thermal plasmas


 

上の項目でも述べましたが、熱プラズマ流の数値計算では室温〜1万度超という大きな温度の時空間変化を同じ計算領域内で取り扱わなければなりません。同時に温度変化に伴う物性値や密度の変化も考慮に入れる必要があります。 一方でマッハ数は小さく、渦の動的挙動をシミュレートするためには、圧縮性流体用の計算スキームでは非常に長い計算時間を要してしまいますので、非圧縮性流体用の計算スキームを用いることが現実的となります。しかしこれは数値流体計算において“とても過酷な条件”で、計算は容易に破綻してしまいます。そのため、これまでの熱プラズマシミュレーションでは解を得るために計算を安定に行うことのできる差分スキームが用いられてきました。ところがそのようなスキームは計算を安定化すると同時に物理的な不安定性も抑制してしまうため、得られる結果は左図のように渦運動が全く再現されないものとなってしまいます。一方で、渦運動を伴う現実的な流体運動を再現するためには(熱プラズマのような過酷な計算条件において解を得るには大きな労を要しますが)やはり渦運動の捕捉に適した差分スキームを用いる必要があります。そのようにして得られた結果が右図です。

熱プラズマジェットが Kelvin-Helmholtz不安定性によって周囲の低温気体を巻き込むことは20年以上も前から実験により示唆されてきました。それにも関わらず、これまで数値計算によって再現されたという報告がなかったのは上記の理由によるところですが、今回ようやく成功したと言えます。

※ 詳しくはこちら(↓)をご参照ください。
Turbulence modelling of thermal plasma flows,
Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 49, No. 49, (November, 2016), pp. 493001 (18 pages).
Masaya Shigeta


 


エアロゾルの成長を簡潔に記述する方程式系の提案
Simple equations to describe aerosol growth



        従来の方程式系               提案した方程式系

エアロゾルの粒子数密度や平均粒径の時間変化について、両者は ほぼ"同じ結果" を与えてくれます

これまで 均一核生成・不均一凝縮・粒子間凝集を経るエアロゾルの成長過程は、粒度分布関数の関数形を仮定した上 さらにモーメントを取ることで導いた連立方程式系(左)により記述され、計算が行われてきました。この手法では4つの複雑な常微分方程式を解かなければなりません。

それに対して、私たちは2つの常微分方程式1つの代数方程式だけでほぼ同一の結果が得られる方程式系(右)を導きました。しかも、粒度分布関数の関数形を仮定する必要もなく、従来のものと比べて簡潔なのは一目瞭然です。計算機資源の節約や計算時間の短縮にもつながります。

この数学モデルの応用範囲は広く、ナノ粒子創製プロセスの予測計算のみならず、例えば蒸気タービン内における水滴発生(しばしばエロージョン(侵食)が問題となる)の計算や、雲や霧の発生といった気象分野に関わる問題、湿度コントロールが重要な建物の空間設計など、様々な分野の一助となることが期待できます。

また上記は自由分子領域での方程式系ですが、論文では連続領域における方程式系も導いてます。

※ 詳しくはこちら(↓)をご参照ください。
Simple equations to describe aerosol growth,
Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, Vol. 20, No. 4, (May, 2012), pp. 045017 (11 pages).
Valerian A. Nemchinsky and Masaya Shigeta


 

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熱プラズマプロセスにおけるシリサイドナノ粒子群(ナノパウダー)の集団的成長過程
Silicide nanopowder growth in thermal plasma synthesis


 

熱プラズマプロセスにおけるシリサイド(ケイ化物:金属-シリコン間化合物)ナノ粒子群の形成過程の計算結果です。

シリサイドのナノ粒子は、熱プラズマ下流(温度が3000度から1000度くらいまで一気に降下する)領域で均一核生成不均一凝縮粒子間凝集を経て形成すると考えられていますが、現象が数十ミリ秒で完了してしまうため(他にも理由はいろいろありますが)実験によって直接調べることは今のところ出来ていません。しかもナノ粒子群は集団的に振る舞いながら、さらに飽和蒸気圧の異なる複数の物質が共凝縮するという非常に複雑な過程ですので、理論や数値計算でも解析することは不可能でした。

そこで この問題を打開するために“Gibbs-Thomson効果による凝固点降下”および“二成分核生成理論・二成分凝縮理論”を組み込んだナノ粒子群形成の新しい数理モデル(方程式系)を構築しました。しかし この方程式系は従来の計算手法では解くことができないので、さらに2方向ノーダル解法という計算手法も独自に考案し、数値的に解くことを試みました。その結果、これまで想像の域を超えず未解明であったシリサイドナノ粒子群の集団的な成長過程を具体的に捉えることに世界で初めて成功しました。

モリブデンとシリコンの混合系(初期蒸気混合比 Mo:Si = 1:1 )の場合、まずモリブデンを主成分とするナノ粒子群が生成し、それからシリコンの凝縮によりが急成長していく様子が見て取れます。 一方でコバルトとシリコンの混合系(初期蒸気混合比 Co:Si = 1:1 )の場合、シリコンを主成分とするナノ粒子群が生成するや否や、コバルトとシリコンが同時に共凝縮しナノ粒子群が形成されていくことがわかります。

どちらの系においても、直径10nm程度、Si分率=50at.% のナノ粒子が多く形成されますが、初期蒸気混合比として 金属:シリコン=1:1というシンプルな条件を与えているにも関わらず、形成されるナノ粒子は大きさ・組成どちらもかなりの幅を持ってしまうことが、この計算によって明らかとなりました。

なお、創製されたナノ粒子群の最終形態だけは実験によって調べることができますので、その実験データと今回の計算結果を比較してみましたところ、両者は良く一致し、今回の新しいモデルと計算手法は妥当であることが示されています。

また同モデルと計算手法を用いて、上記のモリブデンシリサイド(Mo-Si)やコバルトシリサイド(Co-Si)の他に、チタンシリサイド(Ti-Si)や鉄シリサイド(Fe-Si)、さらにはボライド(ホウ化物:金属-ホウ素間化合物)や合金(Fe-Co, Fe-Pt等)のナノ粒子群形成過程の解析も現在進めています。

※ 詳しくはこちら(↓)をご参照ください。
  • Growth model of binary alloy nanopowders for thermal plasma synthesis,
     Journal of Applied Physics, Vol. 108, Issue 4, (August, 2010), pp. 043306 (15 pages).
     Masaya Shigeta and Takayuki Watanabe
  • Effect of precursor fraction on silicide nanopowder growth under thermal plasma conditions: a computational study,
     Powder Technology, Vol. 288, (January 1, 2016), pp. 191-201.
     Masaya Shigeta, Takayuki Watanabe


  •  

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    対向流により急冷された熱プラズマ流中での白金(プラチナ)ナノ粒子群の成長過程
    Platinum nanopowder growth in the cooling counterflow region of thermal plasma


     

    材料蒸気(ここではプラチナ蒸気)を含む熱プラズマ流を対向流によって急冷することで(左図)
    核生成を促進しナノ粒子群を一気に大量生成することが可能となります(右図)。

    定常2次元軸対称の条件下で、プラズマ流 → 原料蒸発 → ナノ粒子群成長 という一連の物理現象を 「すべて統合した数理モデル」を解くことで初めて得ることができる数値計算結果です。

    ナノ粒子は均一核生成不均一凝縮によって生成・成長すると同時に、ブラウン運動などの影響でナノ粒子同士も衝突し凝集成長します。このような多数のナノ粒子の集団的な成長過程は、分子動力学では現在のコンピューター性能を以ってしても計算することができないので、エアロゾル動力学に基づく方程式によって現象を表現するのが有効です。しかし、その方程式も複雑で数値的にもそのまま解くことができませんので、統計学的手法と組み合わせることで解を得ることができました。なお計算には原料蒸気の輸送過程もさることながら、拡散熱泳動移流によるナノ粒子輸送現象も考慮されています。

    プラズマ流と急冷ガスの衝突面で均一核生成により大量の小さなナノ粒子が生成します。小さなナノ粒子は流れによって下流へ流されていきますが、周りの蒸気が凝縮しますので成長して大きくなっていきます。また同時にナノ粒子間凝集によっても成長しますが、合体成長ですので粒子数は減少します。大きなナノ粒子ほど下流部に多く存在するものの、その数が少ないのはそのためです。

    ※ 詳しくはこちら(↓)をご参照ください。
    Numerical investigation of cooling effect on platinum nanoparticle formation in inductively coupled thermal plasmas,
    Journal of Applied Physics, Vol. 103, Issue 7, (April, 2008), pp. 074903 (15 pages).
    Masaya Shigeta and Takayuki Watanabe



     

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    一様磁場中における2つの非中性プラズマリングの運動
    Dynamics of two non-neutral plasma rings in a unifrom magnetic field


      
    静止座標系                        回転座標系

    一様磁場中における2つの非中性プラズマリングの運動をシミュレートしてみました。
    ここでは 非中性プラズマとして 電子プラズマ 陽電子プラズマ を想定しています。
    一応 有限Larmor半径効果電場の時間変化の効果 も考慮されています。
    色はそれぞれの系における速さを表しています。




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    2017年3月22日
    EU(欧州連合)国家間プロジェクト"Horizon 2020"外部アドバイザー委員として会合に参加してきました。

    2016年11月9日
    英国物理学会から依頼されて執筆したレビュー論文Journal of Physics D: Applied Physicsに掲載されました。

    2016年8月10日
    Best Paper Award for Thermal Engineeringを受賞しました。

    2016年8月2日
    溶接物理・技術奨励賞を受賞しました。

    2016年7月4日
    ドイツ・ミュンヘンで催されたHTPP 14にて招待講演を行いました。

    2016年4月13日
    溶接学会論文賞を受賞しました。

    2016年3月28日
    EU(欧州連合)国家間プロジェクト"Horizon 2020"外部アドバイザー委員として初会合に参加してきました。

    2016年1月19日
    ポルトガル・カパリカで催されたISN2A 2016にて招待講演を行いました。

    2015年12月10日
    MRS-J 2015の国際シンポジウムC5にて招待講演を行いました。

    2015年10月14日
    アメリカ合衆国・ハワイ州ホノルルで催されたICRP-9/GEC-68/SPP-33 (主催:応用物理学会・アメリカ物理学会)にて招待講演を行いました。

    2015年8月4日
    溶接アーク物理研究賞を受賞しました。

    2015年7月22-23日
    九州大学にて非常勤講師として集中講義を行いました。
    講義名「数値プラズマ流体工学の基礎と実例」

    2015年7月14日
    大阪大学総長奨励賞を受賞しました。

    2015年5月29日
    溶接学会関西支部 平成27年度役員総会にて特別講演を行ないました。

    2014年11月1日
    日本機械学会関西支部第15回秋季技術交流フォーラムにて基調講演を行ないました。

    2014年10月10日
    第81回溶接研究会(溶接学会東海支部・日本溶射学会中部支部 共催)にて招待講演を行ないました。

    2014年9月9日
    Award for Encouragement of Research in The IUMRS International Conference in Asia 2014 (IUMRS-ICA 2014) を受賞しました。

    2014年7月29日
    Gordon Research Conference (ゴードン研究会議), Plasma Processing Science, Smithfield (RI), USA にて招待講演を行ないました。

    2014年7月11日
    International Conference on Microelectronics and Plasma Technology 2014 (ICMAP2014), Gunsan, Korea にて招待講演を行ないました。

    2014年6月4日
    JWRI-KMUTT Workshop, Bangkok, Thailand にて招待講演を行ないました。

    2014年5月14日
    Japan-Indonesia Welding Seminar 2014, Jakarta, Indonesia にて招待講演を行ないました。

    2014年4月15日
    平成26年度科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞を受賞しました。

    2014年3月3日
    4th International Round Table on Thermal Plasmas for Industrial Applications: Challenges and Opportunities にて展望講演を行ないました。

    2013年12月10日
    第23回日本MRS年次大会(日本MRS学術シンポジウム)にて招待講演を行ないました。

    2013年11月27日
    3rd China-Japan Workshop on Welding Thermo-Physics にて招待講演を行ないました。

    2013年 8月 1日
    大阪大学 接合科学研究所の准教授に着任しました。

    2013年 7月17日
    31st International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG-31) にて招待講演を行ないました。

    2013年 3月 6日
    電気学会北陸支部シンポジウムにて招待講演を行なってきました。

    2013年 2月21日
    一様磁場中における2つの非中性プラズマリングの運動の計算結果を追加しました。

    2013年 1月 6日
    エアロゾルの成長を簡潔に記述する方程式系についての説明を追加しました。

    2013年 1月 3日
    熱プラズマ流の数値計算についての説明とアニメーションを追加しました。

    2013年 1月 1日
    論文で示した渦構造の図面がJournal of Physics D: Applied Physicsの第46巻 第1号の表紙に採用されたそうです。

    2012年12月9日
    帰国しました。

    2012年11月30日
    直流プラズマジェットと高周波誘導プラズマが相互作用する場の3次元流動に関する論文が
    Journal of Physics D: Applied Physicsに掲載されました。

    2012年10月3日
    高周波誘導熱プラズマの動的な3次元流動のシミュレーションに関する論文が
    Plasma Sources Science and Technologyに掲載されました。

    2012年9月30日
    渡米しました。

    2012年6月29日
    イタリアで催された12th European Plasma Conference, High-Tech Plasma Processes (HTPP-12) において招待講演をしてきました。
    講演冒頭で、各国からの震災復興支援への御礼を申し上げておきました。

    2012年6月14日
    オーストラリア CSIRO のMurphy氏と共同執筆した総説記事「Thermal plasmas for nanofabrication」が高ダウンロード論文として選ばれ
    駐日英国大使館 大使公邸にて催されたIOP英国物理学会 東京事務局開設10周年記念レセプションに招待されました。

    2012年5月28日
    アメリカ カイザー大学のNemchinsky先生との共同研究論文がModelling and Simulation in Materials Science and Engineering (IOP publishing)に掲載されました。

    2012年3月1日
    イタリア ボローニャ大学のColombo先生・Ghedini先生・Sanibondi博士研究員との共同研究論文がPlasma Sources Science and Technology (IOP publishing)に掲載されました。

    2012年2月15日
    東京工業大学の渡辺隆行先生・Choi博士研究員の研究グループとの共同研究論文がChemical Engineering Journal (Elsevier)に掲載されました。

    2011年11月21日
    イタリア ボローニャ大学のプラズマ研究グループのホームページをリンク先に加えました。

    2011年10月 5, 7日
    イタリア ボローニャ大学において講義および特別講演を行いました。

    2011年 8月17日
    下記のレビュー記事が約4ヶ月間で 500回 ダウンロードを達成しました。
    これはこの年のIOP scienceの全ジャーナルにおいて上位3%に相当するそうです。

    2011年 4月15日
    熱プラズマを利用したナノ材料創製の研究に関するレビュー記事(依頼)「Thermal plasmas for nanofabrication」が
    Journal of Physics D: Applied Physics (Special issue on perspectives in plasma nanoscience) に掲載されました。
    IOP scienceの記事紹介はこちらをご覧ください。

    2011年 3月11日
    被災しました。

    2010年12月13日
    オーストラリアで開催された Second International Symposium on Plasma Nanoscience (iPlasmaNano-II) にて招待講演を行いました。

    2010年11月11日
    The International Symposium on Visualization in Joining & Welding Science through Advanced Measurements and Simulation にて
    Best Paper Award を受賞しました。

    2010年10月27日
    韓国で開催された 2010 Workshop for Preparation of Nanoparticles by Thermal Plasmas にて招待講演を行いました。

    2010年 9月 1日
    NOVA Science Publishers, Inc. (New York) から書籍Nanomaterials: Properties, Preparation and Processesが出版されました。
    第3章 "Nanoparticle Synthesis by Thermal Plasmas" を執筆しました。

    2010年 8月23日
    熱プラズマ下における合金ナノ粒子群(ナノパウダー)の集団的成長メカニズムの解明に関する原著論文
    Growth model of binary alloy nanopowders for thermal plasma synthesis」が Journal of Applied Physics に掲載されました。

    2010年 7月23日
    日本学術振興会 プラズマ材料科学153委員会 第97回研究会にて招待講演を行いました。

    2010年 4月13日
    イタリアで開催された WORKSHOP ON INDUSTRIAL APPLICATIONS OF THERMAL PLASMAS にて招待講演を行いました。


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