プラズマ物理

佐藤 杉弥 教授

Laboratory

研究室紹介

オーロラや宇宙空間のプラズマの基礎的なしくみに注目して、真空放電装置を用いたプラズマの実験的な研究をしています。プラズマはイオンと電子を含んだ物質の状態で、宇宙に普遍に存在し、また、工業的にも広く利用され、核融合の原理ともなるものです。また、もう一つのテーマとして、理科離れを防ぎ、科学リテラシーを高めるために、物理を中心にした教材や指導法の研究を行っています。

主な研究紹介

プラズマ中の基礎現象、乱れ現象の研究

地球の極地方の周辺で見られるオーロラは、宇宙から電荷を帯びた粒子が高速で突入して上層大気を強くプラズマ化して起こるものです。地球は大きな棒磁石状の磁場を持っており、太陽からのプラズマ(太陽風)と太陽の磁場に対抗して地球を守っています。このように磁場とプラズマがあるところではさまざまな現象がおこりますが、プラズマ粒子の自由エネルギーや磁場の変動によって引き起こされるプラズマ中の波は注目すべきものの一つです。このようなプラズマ中の波や、プラズマと壁との境界(シース領域)で起こる乱れ現象を実験的に調べています(図1,2)。これまで負電位の網状電極のシースでの大振幅揺動(密度の乱れ)の発生現象や、地球状磁場周辺をめぐる自励波動などの実験研究をしています。現在は、地球の両極の磁場の形に当たる、カスプ磁場でのプラズマの基礎的な状態を、他大学の研究者などとも協力して調べています。

物理・理科の教材開発と指導法の研究

大学の授業で物理を教えるのは本業ですが、教科書だけで教えることは年々難しくなっています。この背景には、理科離れとも呼ばれる、科学に対する関心やリテラシーの低下があります。そのため、より興味を持って物理を学んでもらえるような、デモンストレーション実験の教材や授業方法の工夫を研究しています。例えばレーザーを使った光の実験や液体窒素を使った実験のような、目を引くけれども危険を伴う実験を見やすく安全に行える装置や手法、広い場所でないと行えない投射実験を机の上で行う装置、実際に操作をしながらデータを取って分析ができるコンピュータシミュレーションなどを開発してきました。これらは、授業で効果的に使う方法も考えて実際に授業に応用したり、地方自治体や学会などと協力して行う小中学生や教員向けの理科教室で活用したりもしています。

プラズマ実験や、物理・理科教育に興味のある学生へ

プラズマ実験は真空容器内で放電を起こして行うため、機械工作、電気工作、測定やデータ解析などさまざまな知識や技術が必要となる面白い分野です。実際に行うことは地味ですが、もともと自分に宇宙への興味があったので、つながりを感じながら研究をしています。理科教材の開発はあまり高度な技術や知識は必要としませんが、実際に使えるものとするにはかなり工夫をこらす必要があります。しかし、実際に使ってもらえる、見てもらえるという役立ちを感じることができます。興味のある学生はぜひ訪ねてきてください。