プラズマ（英語表記）plasma

デジタル大辞泉

プラズマ（plasma）

１ 高度に電離した物質の正イオンと電子とが混在している状態。特に、超高温において電子をはぎ取られた裸の原子核が飛び回っている状態。
２ 血漿けっしょう。
３ 原形質。

出典　小学館

精選版 日本国語大辞典

プラズマ

1. 〘 名詞 〙 ( [英語・フランス語] plasma )
2. ① 高度に電離した物質の電子と陽イオンとが混在している状態。超高温の太陽コロナ・電離層・星間物質や放電中の発光部で見られるほか、人工的にも作られ原子核融合の実験などに利用。〔世界を変える現代物理（1963）〕
3. ② ⇒プラスマ

出典　精選版 日本国語大辞典

改訂新版　世界大百科事典

プラズマ
plasma

プラズマなることばは，三つの学問分野において別々の意味をもって用いられている。すなわち，血液学分野においては血漿（けつしよう）を意味することばとして，細胞学分野においては原形質を意味することばとして，そして物理学・電気工学分野においては自由運動する荷電粒子の集団を意味することばとしてそれぞれ用いられている。しかしここでとり上げるのは3番目の意味でのプラズマである。

プラズマの定義

プラズマという語を〈電解気体ionized gas〉という意味に用いた最初は，1920年代アメリカのI.ラングミュアである。彼は，例えばグロー放電やアーク放電中の陽光柱と呼ばれる部分には，負の電荷をもつ電子と正の電荷をもったイオン（正イオン）とがほぼ同じ割合で混在して巨視的には中性状態になっていることを確かめ，このような媒質を物質の一つの状態と考えてプラズマと名付けた。

　現在の物理学でこのプラズマは〈異なった符号（正と負）の電荷をもつ2種以上の荷電粒子群を含み，そのうち少なくとも一方の荷電粒子群は不規則な熱運動を行っており，寸法としてはデバイ長よりも大きな部分〉と広く定義されている。ここでデバイ長とは，巨視的に見てこの媒体が電気的中性を保つとみなしうる最小の長さであり，言い換えれば，個々の電荷（荷電粒子）のクーロンポテンシャルが周囲に集まった逆符号の電荷によって遮へいされる距離といえる（図1）。家庭用の蛍光灯に見られる放電プラズマではこのデバイ長は0.01mmくらいであり，これより大きな体積部分は巨視的に見て電気的中性をほぼ保つと見てよいので，その放電管内にある気体の状態はプラズマと呼んでよい。

　さて上の定義によると，プラズマは通常の放電気体にかぎらず，半導体，その他の固体中にも存在し，事実固体中にも，電子とドナー，正孔（ホール）とアクセプター，あるいは電子と正孔からなる種々のプラズマが存在しうると考えられており，これらは固体プラズマと呼ばれている。しかし現在，狭い意味では，荷電粒子（電子と正，負のイオン）の密度および電離度（荷電粒子の密度と中性分子の密度の比）が大きく，しかもその中での導電現象などの物性が磁場によって大きな影響を受けるような状態にある気体をプラズマと呼んでいる。

　ところで，たいていの気体では荷電粒子群の温度（熱エネルギーの目安）が数万～10万K以上になるとほぼ100%電離してしまって中性分子はほとんどなくなり，いわゆる完全電離プラズマができる。この状態は通常の中性気体，あるいはわずかに電離した（弱電離）プラズマとは非常に異なった新しい物性を示すようになるので，〈物質の第4態〉（固体，液体，ふつうの気体に次ぐ第4番目の状態という意味）といわれている。このような理想的な100%電離気体をとくにプラズマと呼ぶことも多く，その物性，とくに電磁界との相互作用を研究する物理学の新しい分野としてプラズマ物理学が生まれ，最近とくに急速に発展しつつある。プラズマ物理学の中でも，とくにそれを電気的なふるまいを示す流体としての特徴を重視して研究する分野を電磁流体力学（MHDとも略称される）と呼んでいる。

プラズマ研究の歴史

プラズマ研究の歴史を顧みると，前述のラングミュア以来主として放電物理という立場から弱電離プラズマの基本的性質が調べられた。一方，これらと並行してほぼ同時代の1930年前後から始まり天体物理学，地球物理学との関連において発展してきた別の流れがある。これは地磁気，磁気嵐，オーロラ，さらに後には宇宙線の起源の究明に端を発したものである。そしてこの研究を通じて太陽を含む多くの恒星の内部およびその周辺（太陽コロナなど），あるいは宇宙空間内における電離気体の重要性がしだいに認識されるようになった。現在のプラズマ物理学および電磁流体力学の理論的発展はこの方面の多くの研究者の業績に負うところがきわめて大きく，さらに最近の宇宙科学の進展ともあいまってますます盛んになりつつある。例えば宇宙通信という実用的見地からも，一種のプラズマとみられる電離層とかバン・アレン帯内での電波の伝搬，それからの反射，散乱というような問題と関連して研究が行われている。

　さらに，プラズマ研究の大きな流れが，宇宙および地上での熱核融合研究と関連して発展した。すなわち1929年ホウターマンスF.G.Houtermansらは，太陽をはじめとする恒星における膨大なエネルギー源のおもなものは高温のプラズマ状態にある軽い原子核間の熱核融合反応であることを理論的に示唆し，その後40年代になって，太陽における核融合反応がベーテH.A.Betheらによって解明された。さらに第2次世界大戦後水素爆弾という形で熱核融合プラズマの地上における応用が現実のものとなった。現在，原子力平和利用として世界各国で大規模に行われている核融合炉建設のための研究は，50年ころから主としてアメリカ，イギリス，ソ連などで開始されたものであるが，これは将来における高温プラズマのもっとも大きな工学的応用とみなされ，この研究開発に刺激されてプラズマの学術的研究がおおいに進歩しつつある。

プラズマの応用

プラズマの応用としては，往々にして上述した核融合研究に目を奪われがちである。しかし，見方によっては，プラズマの応用ともみられるものはむしろ核融合以外の分野において実用的な成果を上げている。現在すでに放電管，または放電装置と呼ばれる各種の応用機器があり，周知のように光源（水銀灯とかナトリウムランプ），熱源，整流装置，スイッチおよび遮断機，電気集塵器，各種の気体レーザー，プラズマ化学および半導体のプラズマプロセス，同位体の分離などに利用されているか，あるいは利用が検討されている。また高電圧工学の分野でもプラズマの性質が調べられその知識が利用されてきた。しかし従来のこれらの応用ではおもに弱～中電離で，かつ数万K程度の比較的温度の低いプラズマの性質が利用されるのが大部分であった。したがって，それは電離度の高い（数十%程度以上の）プラズマで，しかもそれ自身の物性，とくにプラズマと電磁場との相互作用をより直接的，積極的に利用しようとする今日の核融合研究中心の高温プラズマ研究とは，その性格がかなり異なっている。以下，簡単にプラズマの工学的応用について述べる。

（1）核融合反応の研究　重水素プラズマ，または重水素と三重水素の混合プラズマを一定の空間内に閉じ込めることによって核融合反応を起こさせ，そのエネルギーを電力の形で取り出して利用することを目的として世界各国で大規模な研究が行われている（核融合，核融合炉）。

（2）直接発電への応用　MHD発電および熱電子発電などの直接発電にプラズマが利用されている（直接発電，MHD発電）。

（3）宇宙科学への応用　ロケットの電気推進の一種にプラズマを用いた推進方式がある。この方式においてはロケットを推進するための力（推力）そのものはふつうの化学燃焼方式のものより小さい。しかし燃料そのものが気体であるため，推力とその推力を出すために必要な1秒間当りの燃料量との比（特性インパルス）が大きくなる。そこで，大気圏外の長距離宇宙旅行に好適として注目を浴びている。

（4）プラズマ電気工学　プラズマはその基本的な性質として，その電子の密度，温度，外部より加えられた磁場などの条件によって多種多様のモード（姿態）の電磁波を伝える。そこでこのような電磁波の特異な伝搬特性を利用して電子工学方面への応用が種々考えられている。現在のところ，マイクロ波帯における種々の回路素子（減衰器，移相器，導波管スイッチ，周波数逓倍器，検波器など）としての応用が検討されている。さらにマイクロ波用の増幅器，発振器としての応用もいろいろ研究されている。また本項の初めに半導体その他の固体中にもプラズマが存在することを述べたが，現在この固体プラズマを応用した電子の回路素子の研究も行われている。情報機器の分野においては，プラズマ・ディスプレーと呼ばれるカラー画像の表示装置の開発が行われている。そのほかとくに最近の傾向として，半導体デバイスの製造過程に各種のプラズマ応用が取り入れられつつある。なかでも放電プラズマを用いた酸化皮膜の生成とか，アモルファス・シリコン太陽電池の製造は，工業ベースに乗っている。

（5）プラズマ・ジェット　大気中のアーク放電プラズマは強力な熱源として金属工業その他の方面でアーク炉，アーク溶接などに広く実用されている。このエネルギー集中度を大きくして高温を得るためにくふうされたのがプラズマ・ジェットである。ふつうのプラズマ・ジェット発生装置は，金属円筒状容器の一端を一方の電極とし，それと同心的に設けたタングステンなどの棒状金属を他方の電極として，その間にアークを起こし，その円筒内に外部から適当な高圧ガスを送り込む形式のものである。このようにすると高温プラズマが外部に向かって安定にピンチされて噴出する。このような方法で得られるプラズマ・ジェットは温度が1万～2万Kで，厚い金属板または棒の高速度切断（溶断），高融点材料（セラミックスその他）の物体表面への塗布（塗布しようとする高融点材料を粉末状にして加圧ガス流とともにジェット装置内に注入する），金属材料表面の各種熱処理，溶接などにすでに実用されている。

（6）その他　以上のほかに，粒子加速器（イオン加速器，プラズマ・ベータートロン，プラズマ加速器などと呼ばれるもの）の応用として，高エネルギーばかりでなく，高密度の荷電粒子流をつくるという原子核物理学方面および半導体処理工程への貢献がある。また気体レーザーはプラズマ中における各種粒子の量子力学的な効果の応用とみなすことができ，その性能の向上にはプラズマの研究が不可欠である（メーザー，レーザー）。

プラズマの物理

プラズマの物理的性質を議論するとき，それを構成する個々の荷電粒子の運動に着目して議論する場合と，プラズマ全体を一つの流体とみなして議論する場合（MHD理論）の二つが代表的な方法といえる。以下ではそれらの議論に際して基本と考えられるいくつかの現象について，簡単な説明を加えておく。

ドリフト運動

速度を有する荷電粒子が静磁界B中に置かれると，その運動の軌道は磁力線にまつわりつくような円軌道となり，この運動を旋回運動あるいはサイクロトロン運動と呼ぶ。旋回の方向は磁界の方向に対して電子（負電荷）は右回り，正イオン（正電荷）は左回りである。このとき静磁界ばかりでなく，さらに静電界Eが磁力線と直角方向に加わると図2のように荷電粒子は旋回運動の途中で加減速を交互に受け，結果として，正負の符号によらずに，磁界と電界の両者に直交する方向に旋回中心が移動していく。一般に磁力線を横切る荷電粒子の運動はドリフト運動（移動）と呼ばれるが，上の例ではそれが磁界と直交する電界によって起こるため，とくに〈E×Bドリフト〉と呼ばれている。

　ドリフト運動の他の例として〈磁界こう配ドリフト〉がある。いま，磁界が空間的に不均一であり，図3のように右側にいくほど磁界が大きくなるとすると，荷電粒子の旋回軌道の曲率は左右で異なり，左側のほうが大きく，結果として正負電荷は互いに逆方向にドリフト運動を起こす。そのためこのドリフト運動によって荷電分離が生ずる。

トロイダル・ドリフト

いま，直線電流で作られる同心円状の磁力線配位内に磁力線群で囲まれた円環状（トーラス）プラズマがあるとする。この中の個々の荷電粒子は上で説明した磁界こう配ドリフトを起こし，したがって正負電荷が上下方向に分離する。その結果プラズマ内には上下方向の電界が発生し，今度はその電界と，もともとの電界とによって，正負両電荷は径方向の外側へE×Bドリフトを起こす。結局，円環状のプラズマは全体として外側へと広がっていってしまうため，それを元の位置にとどめておくことができない。この現象はトロイダル・ドリフトと呼ばれており，核融合研究におけるプラズマ閉込めに際して，まず解決しなければならない問題である。

ミラー効果

旋回運動を行いながら磁力線に沿って進行する荷電粒子は，図4のように磁界が強まって磁力線が絞られていくと，それに従ってその旋回のピッチが小さくなり，ある点でピッチがゼロ，すなわち進行が止んだ後に反射され逆方向に動き始めて，もときた道を戻る。これがミラー（磁気鏡）効果と呼ばれるもので，もし図4のように磁力線に沿った2ヵ所で，対面してこのような場所があると，荷電粒子はその間の領域に閉じ込められる。この効果を応用した核融合プラズマ閉込め装置がミラー装置である。

プラズマ振動とプラズマ周波数

プラズマ内の正・負両電荷の集団が平衡位置より互いにわずかの距離だけ分離したとする。このときその表面には，正，負の分極電荷が生ずるため，内部には電界が生じ，両電荷の集団は元の平衡位置に戻ろうとする。しかしその復元過程において電荷は質量を有するから，その慣性効果で行き過ぎてしまい，今度は逆方向に分極を起こす。こうなると再度復元力が働くが，やはり慣性効果によって平衡位置で静止せず，結局，振動現象が生ずる。この振動のことをプラズマ振動，その固有周波数のことをプラズマ周波数と呼んでいる。いま有限幅をもったプラズマがあり，プラズマに入射する電磁波を考える。この波の周波数が，プラズマ周波数より低い場合，電磁波の振動電界はプラズマ粒子の運動を引き起こし，電界は短絡（ショート）されてしまうから，その電磁波は内部へは入れない。つまりその場合，電磁波はプラズマ表面で反射されてしまう。他方二つの周波数の大小関係が逆だと，電磁波はプラズマ中を通り抜けることができる。

　ところで，地球をとりまいている電離層は地磁気に閉じ込められたプラズマの一種であって，そのプラズマ周波数は数十MHzである。したがって，それ以下の周波数をもつ短波とか長波は電離層で反射されるが，それ以上の周波数をもつVHF～UHF帯の電磁波（例えばFM放送とかテレビの電波）はそこを通過してしまう。

磁束の凍結と再結合

プラズマでは温度が高くなるとその電気抵抗は減少する。そのためプラズマ内を通り抜けている磁力線はプラズマといっしょに運動する。この原因は，プラズマが磁力線を横切って動こうとするとき電磁誘導の法則によって磁束の変化を阻止しようとする渦電流が内部に生じ，磁力線はプラズマとともに動くように変形させられることにある。これは何もプラズマのみに見られる現象ではなく，導電性の高い物質共通のものといえる。ところで流体であるプラズマにおいて，固体の場合とは異なって磁束の凍結は必ずしも理想的には起こらない。とくにプラズマの変位が大きく磁力線の変形が大きくなると，プラズマ中に電磁的な乱れが生じて局所的に電気抵抗が増え，そこで凍結は破れてしまって磁力線の配置換えが起こる。このような現象は〈磁力線の再結合〉と呼ばれている。

　例えば，電離層などの地磁気に捕らえられたプラズマを考えてみよう。そこには常時太陽からのプラズマ流（太陽風）が吹きつけているので，プラズマは太陽とは逆側に地磁気の磁力線とともに吹き流されている。しかしときどきプラズマ内に不安定現象が起こるため磁力線の再結合が起こり，そのとき電界が生じてプラズマ粒子は加速される。南極や北極においてしばしば見られるオーロラは，このようにして加速された粒子が原因となった発光であろうといわれている。このような複雑な現象の研究においてはコンピューターを用いたシミュレーションが有効であり，逆の見方をすれば，今日の高性能コンピューターの存在がプラズマ研究を推進させている一要因になっている。
執筆者：関口 忠＋桂井 誠

図1～図4

出典　株式会社平凡社「改訂新版　世界大百科事典」

化学辞典 第2版

プラズマ
プラズマ
plasma

電離した陽イオンと電子からなる荷電粒子を含む気体．プラズマには，大部分が中性粒子でその一部が電離している弱電離プラズマと，全部が電離している完全電離プラズマがある．半導体の分野などをはじめとして，工業的に利用されるのは弱電離プラズマである．プラズマは直流(交流)アーク放電や高周波誘導などによって発生させる．工業的に広く用いられる熱(平衡)プラズマは，電子および中性粒子の温度がほぼ等しく，5×10³～2×10⁴ K の温度範囲にある．熱プラズマは熱容量が大きく，これを用いると物体を急速に加熱できる．応用は広範囲にわたり，プラズマCVD，プラズマ重合，プラズマエッチング，溶射，浸炭など，各種の表面改質などに利用される．

出典　森北出版「化学辞典（第2版）」

知恵蔵

プラズマ

正、負に帯電した粒子が共存して、全体的に電気的に中性になっている物質の状態。その中には、フリーラジカルなどの電気的に中性な物質も共存することがある。物質を加熱していくと固体から液体、気体へと変化し、さらに高温にすると分子の解離や原子の電離が起こり、プラズマを生成する。光などの電磁波や放電でも生成する。金属や半導体内の自由電子と、金属イオンや正孔も一種のプラズマと見なすことができる(固体プラズマ)。有機化合物の気体をプラズマ状態にし、基板上に超薄膜重合体を生成するプラズマ重合や基板の上に化学蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)させるプラズマCVD、エッチングなどの薄膜生成や超精密加工ができる。様々な材料のコーティング、LSI、超LSIなどの製造には欠かせない技術。

(市村禎二郎 東京工業大学教授 ／ 2007年)

出典　(株)朝日新聞出版発行「知恵蔵」

デジタル大辞泉プラス

プラズマ

株式会社芸術生活社が発行する総合月刊誌。おもに中学・高校生向けに生き方や教養を紹介。毎月21日発売。

出典　小学館

世界大百科事典（旧版）内のプラズマの言及

【核融合炉】より

…容器内で壁から隔離して閉じ込められたプラズマを数億度という超高温に加熱し，そのとき起こる熱核融合反応によってエネルギーを取り出そうとする装置。
【熱核融合プラズマの条件】
　熱核融合を起こすには，プラズマを閉じ込め，外部から十分高温になるまで加熱する必要がある。…

【放電】より

…グロー放電とアーク放電は外観から名付けられたものであるが，陰極からの電子放出機構がグロー放電では正イオンの衝突などによるγ作用，アーク放電では熱電子放出あるいは電界放出であるという差がある。放電によって生じた電離した状態の媒質をプラズマという。　気体放電の開始理論にはイギリスのタウンゼントJ.S.Townsendが提唱したタウンゼントの理論と，のちに同じイギリスのミークJ.M.Meekの提唱したストリーマー理論がある。…

※「プラズマ」について言及している用語解説の一部を掲載しています。

出典｜株式会社平凡社「世界大百科事典（旧版）」