高性能レーザー計測で捉えた放電発生初期の超高速現象〜雷現象から医療・農業応用にまで供する実験ベンチマークを提示〜

2025-12-09 埼玉大学

埼玉大学と東京大学の共同研究チームは、放電発生初期に生じる超高速現象「ストリーマ放電」内部の電子密度と電界を、世界で初めてセットで直接計測することに成功した。2波長Talbot干渉計とE-FISH法といった高性能レーザー計測を併用し、再現性の高い単一フィラメント放電を対象に、2次元電子密度分布と1次元電界分布を高時間分解能で取得。これらのデータは互いに整合し、従来モデルが予測していなかった新たな電荷・電界構造を明らかにした。これにより、ストリーマ放電の基礎物理を検証・改良するための実験ベンチマークが初めて提示され、雷放電の理解向上に加え、放電を利用する医療・農業・環境処理・エネルギー技術など、多様な応用分野における予測・制御精度の飛躍的向上が期待される。成果は Physical Review Letters に掲載された。

高性能レーザー計測で捉えた放電発生初期の超高速現象〜雷現象から医療・農業応用にまで供する実験ベンチマークを提示〜
図1 ストリーマ放電のダイナミクスを支配する電子密度(右上)と電界(右下)を
セットで直接計測することに成功

<関連情報>

大気圧空気中における二次ストリーマ放電中の電子密度と電界の直接複合測定 Direct Combinational Measurements of the Electron Density and Electric Field in Secondary Streamer Discharge under Atmospheric-Pressure Air

Yuki Inada, Tatsutoshi Shioda,Ryosuke Nakamura,Akiko Kumada,Mitsuaki Maeyama,Ryo Ono
Physical Review Letters  Published: 8 December, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/5sv6-28qp

Abstract

The electron density and electric field govern physical and chemical reactions in a secondary streamer discharge under atmospheric-pressure air. We present direct combinational measurements of these essential quantities and demonstrate their consistency by solving the continuity equation for electrons. The measurements enabled validity examination of previous computational studies and clarified contradictions; the prominence was a near-cathode phenomenon measured during primary-to-secondary transition, which caused unpredicted ionization inside the positive secondary discharge. The thorough comparison revealed that a fundamental governing mechanism to be established for the secondary discharge is current continuity.

0400電気電子一般
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