高周波熱プラズマは様々な産業応用に利用されている．例えば，超微粒子の合成や各種廃棄物の処理などがある．熱プラズマは高温熱源として利用できるだけでなく，不活性雰囲気のアルゴンに対して酸素や水素などの反応性ガスを混入させることで酸化雰囲気や還元雰囲気の選択が可能となり，材料プロセスなどに有用である．これらのプラズマプロセスを産業応用で有効に使うためにはシミュレーションによりプラズマの特性を把握することが重要である．そこで，本研究では反応速度と拡散，および電子と重粒子の温度が異なる状態を考慮した反応非平衡2温度モデルによる高周波熱プラズマの数値解析を行い，その特性について検討した．

熱プラズマを解析するにはその物性値を正確に知る必要がある．本研究では輸送係数をChapman-Enskog法で求め，高い次数の推算式を数値計算に組み込んだ．特に電子の寄与が大きい電子の並進熱伝導度や電気伝導度は1次近似計算法とのずれが大きく，高次近似で計算する必要があることがわかった．

本研究はアルゴン‐酸素およびアルゴン‐水素プラズマに関して，局所熱平衡モデルとおよび反応速度と拡散を考慮した反応非平衡1温度モデル，そして反応速度と拡散の考慮に加えて重粒子と電子の温度が異なる反応非平衡2温度モデルの数値解析を行い，各モデル間の比較および非平衡性に関しての考察を行った．従来は酸素や水素は反応速度が速く，局所熱平衡が仮定できると考えられていたが，トーチ壁近傍において化学種の平衡組成および熱平衡が成り立たないことが分かった．

また，反応非平衡１温度モデルにおいて様々なインジェクション方法でアルゴンプラズマ中に酸素を入れたときの数値解析を行い，酸素分子の解離度，化学種の濃度分布および非平衡性について検討を行った．酸素インジェクション領域および壁近傍は非平衡性が強いが，高温部分はほぼ平衡組成が成り立つことが分かった．またインジェクション方法により解離度およびトーチへの熱損失が大きく異なるため，プラズマプロセスに適したインジェクション方法を選択する必要があることが分かった．

　さらに本研究では非平衡を示す指標パラメータとして，拡散速度と反応速度の関係を示す無次元数であるダムケラー数を導入した．ダムケラー数によりアルゴン‐酸素，アルゴン‐水素，アルゴン‐窒素プラズマにおける解離反応と電離反応の非平衡性を評価することができた．

研究論文

• 渡辺隆行, 杉本憲昭, 厚地伸彦: 高次近似の輸送係数推算による誘導結合型酸素熱プラズマの数値解析, 高温学会誌, 30 (3), p.122-130 (2004.5).
• Nobuhiko Atsuchi, Masaya Shigeta, and Takayuki Watanabe: Modeling of Non-Equilibrium Argon-Oxygen Induction Plasmas under Atmospheric Pressure, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49 (5-6), p.1073-1082 (2006.3).
• Takayuki Watanabe, Nobuhiko Atsuchi, and Masaya Shigeta: Two-Temperature Chemically Non-Equilibrium Modeling of Argon Induction Plasmas with Diatomic Gases, International Journals of Heat and Mass Transfer, 49 (25-26), p.4867-4876 (2006.12).
• Masaya Shigeta, Nobuhiko Atsuchi, and Takayuki Watanabe: Numerical Investigation of Local Oxygen Injection Effect on Argon Induction Plasmas Using Chemically Non-Equilibrium Model, Journal of Chemical Engineering of Japan, 39 (12), p.1255-1264 (2006.12).
• Takayuki Watanabe, Nobuhiko Atsuchi, and Masaya Shigeta: Modeling of Non-Equilibrium Argon-Hydrogen Induction Plasmas under Atmospheric Pressure, Thin Solid Films, 515 (9), p.4209-4216 (2007.3).

国際学会

• Nobuhiko Atsuchi, Masaya Shigeta, and Takayuki Watanabe: Effect of Oxygen Injection on Argon Induction Plasmas by Chemically Non-Equilibrium Modeling, Bulletin of The American Physical Society, p.53-54, The 57th Annual Gaseous Electronics Conference, PT1.2 (2004.9 Shannon, Ireland).
• Nobuhiko Atsuchi and Takayuki Watanabe: Numerical Modeling of Non-Equilibrium Argon-Oxygen Induction Plasmas under Atmospheric Pressure, Conference Proceedings of 10th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering, Paper-ID: 1061, 1P-09-012 (2004.10 Kitakyushu).
• Nobuhiko Atsuchi, Masaya Shigeta, and Takayuki Watanabe: Numerical Modeling of Two-Temperature Chemically Non-Equilibrium Induction Plasmas Under Atmospheric Pressure, Abstracts of The 1st COE-INES International Symposium, Paper No.119, p.129 (2004.11 Tokyo).
• Takayuki Watanabe, Nobuhiko Atsuchi, and Masaya Shigeta: Two-temperature Chemically Non-Equilibrium Modeling of Argon Induction Plasmas with Diatomic Gas, Proceedings of 17th International Symposium on Plasma Chemistry, Paper ID:398 (2005.8 Toronto, Canada).
• Nobuhiko Atsuchi, Masaya Shigeta, and Takayuki Watanabe: Effect of Oxygen Injection into Argon Induction Plasmas on Chemically Non-Equilibrium Conditions, Proceedings of 17th International Symposium on Plasma Chemistry, Paper ID:388 (2005.8 Toronto, Canada).
• Takayuki Watanabe, Nobuhiko Atsuchi, and Masaya Shigeta: Evaluation of Non-equilibrium for Dissociation and Ionization in Induction Thermal Plasmas, Abstracts of 2nd International Conference on Fluid Dynamics, p.6-4 (2005.11 Sendai).

国内学会

• Nobuhiko Atsuchi, Masaya Shigeta, and Takayuki Watanabe: Numerical Modeling of Non-Equilibrium Argon-Hydrogen Induction Plasmas under Atmospheric Pressure, プラズマ科学シンポジウム2005プロシーディングス, P1-42, p.109-110 (2005.1 ウィルあいち).
• Nobuhiko Atsuchi, Masaya Shigeta, and Takayuki Watanabe: Effect of Oxygen Injection of Argon Induction Plasmas by Chemically Non-Equilibrium Modeling, プラズマ科学シンポジウム2005プロシーディングス, P1-043, p.111-1112 (2005.1 ウィルあいち).
• 渡辺隆行, 厚地伸彦, 茂田正哉: 2温度モデルによる反応性高周波熱プラズマの数値解析, 化学工学会第70年会研究発表講演要旨集, K209 (2005.3 名古屋大学).
• Takayuki Watanabe, Nobuhiko Atsuchi, and Masaya Shigeta: Modeling of Non-Equilibrium Argon-Hydrogen Induction Plasmas under Atmospheric Pressure, Abstracts of Papers of 18th Symposium on Plasma Science for Material, B1-4, p.12 (2005.6 東京大学山上会館).
• 渡辺隆行, 厚地伸彦, 茂田正哉: 化学的非平衡モデルによる高周波熱プラズマに対する酸素インジェクションの効果, 化学工学会第37回秋季大会研究発表講演要旨集, Q107 (2005.9 岡山大学).
• 渡辺隆行, 厚地伸彦, 茂田正哉: 誘導結合型熱プラズマを用いた材料合成のモデリング, 日本鉄鋼協会第150回秋季講演大会, 材料とプロセス, 18 (4) p.1045 (2005.9 広島大学).
• 茂田正哉, 厚地伸彦, 渡辺隆行: 反応非平衡高周波誘導アルゴンプラズマ流に対する酸素インジェクションの影響, 日本機械学会第83期流体工学部門講演会講演概要集, p.136 (2005.10 金沢大学).
• （優秀論文賞）茂田正哉, 厚地伸彦, 渡辺隆行: 化学的非平衡モデルによる誘導結合型熱プラズマに対する酸素インジェクションの効果, 化学工学会第39回秋季大会研究発表講演要旨集, P119 (2007.9.13北海道大学).