JP4707065B2 - オーロラ発生装置及びオーロラ発生方法 - Google Patents

オーロラ発生装置及びオーロラ発生方法 Download PDF

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Description

本発明は、真空容器内にガスを供給しプラズマを発生させてオーロラの発生状況を表現するオーロラ発生装置及びオーロラ発生方法に関する。
オーロラを人工的に発生させるための装置として、真空容器内にガスを供給してプラズマを発生させてオーロラの発生状況を再現するオーロラ発生装置がある。
このような真空放電を利用した従来のオーロラ発生装置は、特許文献1に示すように、真空容器内にガスを供給するとともに内部電極に高電圧を印加してガスを放電状態にすることによってプラズマを発生させる。さらにオーロラ発生装置は、真空容器外部からコイル等によって磁界を変化させることによりプラズマを移動させ、オーロラの発生状況を再現している。
特開平10−63180号公報
しかしながら、従来のオーロラ発生装置では、オーロラの発生状況特有の色彩変化をきめ細かく表現することができない。
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、従来に比べてきめ細かい色彩表現を可能とするオーロラ発生装置及びオーロラ発生方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するために、本発明に係るオーロラ発生装置は、真空容器と、上記真空容器の内部を所定の真空度に維持する維持手段と、上記真空容器内にプラズマを発生させるためのガスを供給する供給手段と、上記真空容器内にプラズマを発生させるため上記真空容器内に設けられた電極と、上記電極に電圧を印加する印加手段と、上記維持手段と上記印加手段とを制御する制御手段とを備え、上記供給手段は、上記真空容器内の、上記電極の近傍に設けられたガス供給口と上記電極から離れた位置に設けられたガス供給口から、上記真空容器内に複数種類のガスを供給し、上記制御手段は、上記真空維持手段が維持する上記真空度、及び、上記印加手段が印加する電圧値を制御するとともに、上記印加手段と上記電極間に接続される可変抵抗体の抵抗値を制御することによって上記電極間に流れる電流値を制御して、上記真空容器内に供給するガスの種類の組み合わせに応じた空間的に異なる色のオーロラを発生させる。
また、本発明に係るオーロラ発生方法は、所定の真空度に維持された真空容器内に設けられたプラズマを発生させるための電極に電圧を印加するとともにガスを供給することにより、上記供給したガスの種類に応じた色のオーロラを発生させるオーロラ発生方法であって、上記真空容器内の、上記電極の近傍に設けられたガス供給口と上記電極から離れた位置に設けられたガス供給口から、上記真空容器内に複数種類のガスを供給し、上記真空容器内の真空度、及び、上記電極に印加する電圧値を制御するとともに、上記圧印加手段と上記電極間に接続される可変抵抗体の抵抗値を制御することによって上記電極間に流れる電流値を制御して、上記真空容器内に供給するガスの種類の組み合わせに応じた空間的に異なる色のオーロラを発生させる。
本発明は、電極の近傍に設けられたガス供給口と電極から離れた位置に設けられたガス供給口から、真空容器内に複数種類のガスを供給することによって、ガスの種類の組み合わせに応じた空間的に色が異なるオーロラの発生状況特有の色彩変化をきめ細かく表現することができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
<<第1の実施形態>>
オーロラ発生装置1は、図1に示すように、例えば、直方体形状の真空容器10と、真空容器10内を所定の真空度に維持するガス排気部11と、真空容器10内にガスを供給するガス供給部12と、真空容器10内に設けられた2つの放電電極13a、13bに電圧を印加する電源14と、ガス排気部11、ガス供給部12及び電源14を制御する制御部15とから構成されている。なお、図1に示す真空容器10の形状は、模式的に示したものであって、直方体に限定されるものではない。
次に、真空容器10の構成について、図2に示す直交座標X、Y、Zを用いて説明する。真空容器10には、放電電極13a、13bが配設されるとともに、ガス排気口16とガス供給口17が形成され、さらに容器外壁面に整形コイル18が設けられている。
放電電極13a、13bは、真空容器10内に、Z軸に対向した位置に配設されている。さらに、放電電極13a、13bは、例えば、一方がX−Y平面上に配設された板形状であって、他方がX軸を長手方向とした棒形状を有している。ここで、便宜上、板形状の電極は放電電極13aとし、棒形状の電極は放電電極13bとする。また、放電電極13a、13bは、それぞれ電源14に接続されている。なお、放電電極13a、13bの形状は、棒及び板形状に限定されるものではない。
ガス排気口16は、所定の管を介してガス排気部11に接続されている。すなわち、真空容器10は、ガス排気口16から真空容器10内のガスが排気されることにより真空容器10内部を所定の真空度に維持する。
ガス供給口17は、所定の管を介してガス供給部12に接続されている。ここで、ガス供給口17は、真空容器10内の壁面に複数設けられており、それぞれ異なる種類のガスがガス供給部12から供給される。すなわち、ガス供給部12には、例えば、複数種類のガスが充填されたガスボンベ等が設けられており、それぞれ異なる種類のガスを真空容器10内に供給する。
整形コイル18は、Z軸方向を軸として真空容器10の外壁面を覆うように形成されている。すなわち、整形コイル18は、電流が流されることにより、放電電極13aと放電電極13bとの間にZ軸方向の磁力線mを発生させる。ここで、磁力線mは、真空容器10内に発生するプラズマの電流の流れと作用して電磁力が生じ、プラズマの形状を平板にすることができる。また、平板形状のプラズマの厚さ寸法は、磁力線mの強さに応じて変化する。
オーロラ発生装置1は、ガス排気口16により真空放電が発生される程度(例えば、0.01〜0.02mmHg)程度に減圧された真空容器10にガス供給口17からガスが供給されるとともに放電電極13a、13bに高電圧が印加されることにより電極間にプラズマ19が発生して、オーロラの発生状況を再現する。
ここで、真空容器10内で発生されるプラズマ19の発色は、ガス供給口17から供給されるガスの種類によって変化する。
よって、制御部15は、ガス供給口17から真空容器10内へ供給されるガスの種類を選択する。さらに、制御部15は、所望とする色のプラズマ19を発生させるため、真空容器10内に供給されたガスの種類に応じて、真空容器10内の真空度、及び、放電電極13a、13b間に印加させる電圧値、及び、当該電圧に応じた放電電極13a、13b間に流れる電流値を制御する。具体的に、制御部15は、排気部11を制御して真空容器10内の真空度を変化させ、電源14を制御して放電電極13a、13b間に印加する電圧値を変化させる。また、電源14と放電電極13a、13bとの間には、図示しない可変抵抗体が直列接続されている。よって、制御部15は、この可変抵抗体の抵抗値を制御することにより、放電電極13a、13b間に流れる電流値を変化させる。
以下では、制御部15の制御方法に注目してオーロラ発生装置1の動作について実施例1〜3に分けて詳述する。
<実施例1>
本実施例の真空容器10は、図3に示すように、放電電極13a、13bの電極間の略中央部分に2つのガス供給口17a、17bを設けるものとする。そして、制御部15は、ガス供給部12に、2つのガス供給口17a、17bからそれぞれ異なる種類のガスを供給させる。
具体的に本実施形態で用いる真空容器10内に供給されるガスの種類は、ヘリウム、酸素、二酸化炭素、アルゴン、ネオンである。実際に、これらのガスを単独で真空容器10に供給して放電させたプラズマの発色は、それぞれ図4(A)に示すようになる。すなわち、ヘリウム、酸素、二酸化炭素、アルゴン、ネオンのそれぞれ対応するプラズマの発色は、緑色、黄色、青紫色、橙色、ピンクである。ここで、上述したガスの種類とプラズマの発色との間に一義的な対応関係がないが、制御部15は、供給されるガスの種類に応じて、真空度、電圧値、電流値、及びガス注入量の各値を制御することにより、所望とする色のプラズマを発生させる。
一方、これらのガスから2種類を選択して、ガス供給口17a、17bから供給して放電したプラズマの発色は、図4(B)に示すようになる。すなわち、真空容器内にヘリウムと酸素を供給した場合には、プラズマが黄緑色に発色する。真空容器内にヘリウムと二酸化炭素を供給した場合には、プラズマが青白色に発色する。真空容器内にヘリウムとネオンを供給した場合には、プラズマが肌色に発色する。真空容器内にヘリウムとアルゴンを供給した場合には、プラズマが白色に発色する。ここで、制御部15は、供給されるガスの種類に応じて、真空度、電圧値、電流値、ガス注入量及びガスの注入量に応じた混合比の各値を制御することにより、所望とする色のプラズマを発生させる。
このように、オーロラ発生装置1は、制御部15がガスの種類、真空度及び放電電極13間に印加する電圧値をそれぞれ制御することにより、多くのプラズマの発色種類から所望とする色を選択して発色するので、オーロラの発生状況特有の色彩変化をきめ細かく表現することができる。
<実施例2>
本実施例に係るオーロラ発生装置1には、図5に示すように、例えば放電電極13a、13bの電極間にガス供給口17aを配設し、放電電極13bの近傍にガス供給口17bを配設する。具体的に、放電電極13bの近傍に配設されたガス供給口17bは、放電電極13bと同じ棒形状からなるものとする。なお、ガス供給口は、真空容器内に2箇所配設される場合に限らず、電極近傍及びそれ以外に分け、複数箇所に設けるようにしても良い。
そして、真空容器10内に、ガス供給口17aから窒素を注入している状態で、ガス供給口17bからヘリウムを注入した場合には、放電電極13a側が放電状態の窒素により赤紫色に発色し、放電電極13b側が放電状態のヘリウムにより緑色に発色する。また、このプラズマの発色現象は、ヘリウムの注入量の増加に応じて、緑色に発色する範囲が拡大する。なお、制御部15は、実施例1の場合と同様、ガスの供給を制御するとともに、真空容器10内の真空度と放電電極13間に印加する電圧値とこの電圧値に応じた電流値を制御している。
ところで、真空容器10内に、ガス供給口17aからヘリウムを注入している状態で、ガス供給17bから窒素を注入した場合には、上述したように2つの放電電極13a、13b側でそれぞれのガスの種類に応じた発色が分離せずに混ざり合ってしまう。この原因としては、図6に示すように、ヘリウム原子Heの大きさが窒素原子Nに比べて非常に小さく、ヘリウム原子Heよりも窒素原子Nの方に電子eが多く衝突するため、ヘリウム原子Heのほとんどが放電状態にならないと考えられる。
したがって、電子が流れる方向、すなわちカソード電極を放電電極13bとして、ガス供給口17bからヘリウムガスを注入させることにより、ヘリウム原子を電子と衝突しやすくする。このようにすると、装置の上部側をアノード電極、底部側をカソード電極として電極間から窒素を注入した状態でカソード電極近傍からヘリウムガスを注入させた場合には、図7(A)に示すように、上部側が赤紫色(プラズマ19a)に底部側が緑色(プラズマ19b)のオーロラ現象を再現することができる。これと同様に、装置の上部側をカソード電極、底部側をアノード電極として電極間から窒素を注入した状態でカソード電極近傍からヘリウムガスを注入させた場合には、図7(B)に示すように、上部側が緑色(プラズマ19b)に底部側が赤紫色(プラズマ19a)のオーロラ現象を再現することができる。図7では、プラズマ19aとプラズマ19bの色の違いを、互いに斜線方向が異なる図形で表している。
ここで、図7では2つの異なる色のプラズマを発光させるオーロラ発生装置1を模式的に示しているが、図8に示す構成のオーロラ発生装置1によって実際に2つの異なる色のプラズマを発光することが確認されている。よって、以下では図8に示すオーロラ発生装置1の各構成について具体的に説明する。
真空容器10の形状は、長手方向が3,000[mm]で直径が150[mm]の円筒形状からなる。真空容器10の両端部には、それぞれ放電電極13a,13bが配設されている。そして、真空容器10内の放電電極13a,13b近傍には、それぞれガス供給口17a,17bが配設されている。また、真空容器10の何れか一方の端部、例えば、図8に示すように放電電極13bが配設されてなる端部には、ガス排気口16が配設されている。さらに、真空容器10には、例えば、その外周面に6個の整形コイル18が配設されている。整形コイル18は、真空容器10の長手方向に対してそれぞれ等間隔(530mm)毎に配設されている。また、真空容器10の端部に最も近い位置に配設されている整形コイル18からこの端部までの距離は、両端ともに175mmとなっている。整形コイル18は、コイル用電源18aから電力が供給されることにより、真空容器10内へ磁力線mを発生する。
排気部11は、真空ポンプ11a、ガス排気口16から真空ポンプ11bへの排気流量を調節するバルブ11b、及び真空容器10内の真空度を計測する圧力計11cとから構成されている。
ガス供給部12は、それぞれ異なるガスが充填されているガスボンベ12a,12bと、ガスボンベ12a,12bからそれぞれガス供給口17a,17bへ供給するガスの注入量を調節するバルブ12c,12dとから構成されている。
放電電極13a、13bは、真空容器10の両端部にそれぞれ配設されている。同様に、ガス供給口17a,17bも真空容器10の両端部にそれぞれ配設されている。すなわち、ガス供給口17a,17bは放電電極13a,13b近傍に配設されている。
電源部14は、放電電極13aと放電電極13bとの間に印加される電圧値、及び、この間に流れる電流値を調節する電流・電圧調節部14aが設けられている。
以上のように、オーロラ発生装置1を構成することによって、2色の異なるプラズマを発生させることにより、オーロラの発生現象特有の色彩変化をきめ細かく表現できる。
<実施例3>
本実施例に係るオーロラ発生装置1は、実施例1及び実施例2に係る真空容器10を備えるものであって、ガス供給部12に、図9に示すガス供給口17へ注入される複数種類のガスを切り換える切換部12eが設けられている。具体的に、ガス供給部12は、ヘリウム、酸素、二酸化炭素、窒素、アルゴン、ネオンの複数種類のガスを備え、切換部12eにより、これら複数種類のガスからいずれか2種類のガスが選択されてガス供給口17から真空容器10内へ供給する。ここで、切換部12eは、ガス供給部12と同様に、制御部15によって、その動作が制御される。そして、制御部15は、ガス供給口17へ供給させるガスの種類を順次変更することにより、時系列的に異なる色のプラズマを発光させることができる。
このように実施例1に示すように、オーロラ装置1は、真空容器10内に供給するガスの種類の組み合わせに応じた色のオーロラを発生することができる。さらに、実施例2に示すように、オーロラ装置1は、制御部15がガスの種類や注入量を制御することにより、オーロラの発生状況特有の色彩変化をよりきめ細かく表現することができ、実施例3に係る切換部12eを用いることにより、時系列的に色彩を変化させることもできる。
<<第2の実施形態>>
真空容器10内で発生されるオーロラに動きを与えるため、第1の実施形態のオーロラ発生装置1の構成に変形を加えた第2の実施形態について以下説明する。
オーロラ発生装置1は、図10に示すような、放電電極13a、13bに該当する部分にフレキシブル放電電極20を用いる。フレキシブル放電電極20は、この電極のX軸方向の複数箇所に接続された電極駆動部21を有する。電極駆動部21は、例えばシリンダ機構などを用いて伸縮動作をすることにより、フレキシブル放電電極20との接続点をY軸方向に変位させる。すなわち、フレキシブル電極20は、電極駆動部21により、この電極を自由にY軸方向に撓ませることができる。
なお、電極駆動部21は、シリンダ機構に限らず、フレキシブル放電電極20をY軸方向に機械的に撓ませられる機構であれば良く、例えばリンク機構やカム機構などをステッピングモータによって駆動して機械的に撓ませるようにしても良い。
したがって、オーロラ発生装置1は、フレキシブル放電電極20をY軸方向に撓ませることにより、真空容器10内において平板状のプラズマの一方の端部が撓む、いわゆるカーテン形状のプラズマとなり、より現実的なオーロラの動きを表現することができる。
また、オーロラ発生装置1は、棒形状の放電電極13a、13bに該当する部分に配列電極群22を用いる。ここで、配列電極群22は、図11に示すように、多数の電極素子を格子状に配列して形成されたものである。具体例として、配列電極群22は、図11に示すドット部分の電極が電源に接続されると、実質的にY軸を振幅方向としたサインカーブを描く電極として作用する。したがって、配列電極群22において電極として作用するドット部分を変化させることにより、上述したフレキシブル放電電極20と同様にカーテン形状からなるプラズマを形成することができる。
また、オーロラ発生装置1は、真空容器10の外壁面に備えられるプラズマを平板状にする整形コイル18とともに、図12に示すようにY軸方向の磁力線M、M’を発生させる偏向コイル23を配設する。
具体的に、偏向コイル23は、真空容器10のX−Y平面上の外壁面に3×3に配列し、発生されたプラズマに対してそれぞれY軸方向に磁力線M、M’を与えることにより電極間に発生されるプラズマを屈曲させ、実際のオーロラの動きを表現することができる。
このように、オーロラ発生装置1は、放電電極の変形、及び、磁界の変化によって、プラズマの形状を変化する。例えば、オーロラ発生装置1は、放電電極の変形、及び、磁界の変化を制御して、音楽に合わせてオーロラを変形させることもできる。
以上のように、オーロラ発生装置1は、第1の実施形態によるプラズマの発色変化と、第2の実施形態によるプラズマの形状変化により、オーロラの発生状況特有の色彩変化及び動きをきめ細かく表現することができる。したがって、本実施形態に係るオーロラ装置1は、従来のものに比べて、オーロラの発生状況をより現実的なものとするので、観察者に迫力のある擬似オーロラ現象を提供することができる。
ところで、上述したように、オーロラ発生装置1に係る真空容器を模式的に示したが、例えば、実際にガスを放電して図4に示す結果が得られたオーロラ発生装置1では、図13(A)に示す形状、寸法(縦3,000mm×横3,000mm×奥行き1,500mm)の真空容器10が用いられている。また、真空容器10内に配設される放電電極13a、13bは、図13に示さないが、各電極の長手方向の長さが2,000mm、2つの電極間の距離が3,000mmとなっている。
また、真空容器10は、図13(B)に示すように、その外枠が支持フレームによって支持され、真空容器10の縦方向に整形コイル18が設けられ、真空容器10の奥行き方向に変更コイル23が設けられている。さらに、真空容器10には、この真空容器10の正面からオーロラ現象を見るために外壁面に密接したアクリル板25と、このアクリル板25が転倒するのを防止するためのアクリル板押さえ26が設けられている。このアクリル板25は、真空容器10内の真空度に耐圧可能な程度の厚みとなっている。支持フレームの各角には、ゆがみを防止するためのターンバックル27が設けられている。さらに、支持フレームを含む真空容器10の周囲には、真空容器10の正面、すなわちアクリル板25からなる面、及び、この正面に相対向する背面以外の周囲の面を覆う鉄板28が設置される。この鉄板28は、整形コイル18が発生する磁力線mの拡散を防いで真空容器10内に一様の磁力線mを生じさせ、プラズマを均一な平面形状にすることができる。なお、鉄板28に限らず、磁力線mの拡散を防いで真空容器10内に一様の磁力線mを生じさせるものであれば、他の金属製の板を用いるようにしてもよい。
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
オーロラ発生装置を模式的に示すブロック図である。 真空容器に設けられる構成を示す斜視図である。 真空容器を模式的に示す図である。 ガスの種類、真空度及び放電電極間に印加する電圧値を制御することによって、発色される色の種類を示す図である。 真空容器を模式的に示す図である。 放電状態のガスにおける電子の流れを模式的に示す図である。 2色のオーロラを発光させる工程を模式的に示す図である。 2色のオーロラを発生させるオーロラ発生装置の具体的構成を示す図である。 オーロラ発生装置を模式的に示す図である。 フレキシブル放電電極の形状を示す斜視図である。 配列電極群を示す斜視図である。 変更コイルが設けられた真空容器を示す斜視図である。 実際にオーロラ発生装置に適用される真空容器の形状、寸法を示す斜視図(A)と、真空容器の周囲に設けられる構成を示す斜視図(B)である。
符号の説明
1 オーロラ発生装置、10 真空容器、11 ガス排気部、12 ガス供給部、13 放電電極、14 電源、15 制御部、16 ガス排気口、17 ガス供給口、18 整形コイル、19 プラズマ、20 フレキシブル放電電極、21 電極駆動部、22 配列電極群、23 変更コイル、25 アクリル板、26 アクリル板押さえ、27 ターンバックル、28 鉄板

Claims (9)

  1. 真空容器と、
    上記真空容器の内部を所定の真空度に維持する維持手段と、
    上記真空容器内にプラズマを発生させるためのガスを供給する供給手段と、
    上記真空容器内にプラズマを発生させるため上記真空容器内に設けられた電極と、
    上記電極に電圧を印加する印加手段と、
    上記維持手段と上記印加手段とを制御する制御手段とを備え、
    上記供給手段は、上記真空容器内の、上記電極の近傍に設けられたガス供給口と上記電極から離れた位置に設けられたガス供給口から、上記真空容器内に複数種類のガスを供給し、
    上記制御手段は、上記維持手段により維持される上記真空度、及び、上記印加手段により印加される電圧値を制御するとともに、上記印加手段と上記電極との間に接続される可変抵抗体の抵抗値を制御することによって上記電極間に流れる電流値を制御して、上記真空容器内に供給するガスの種類の組み合わせに応じた空間的に異なる色のオーロラを発生させることを特徴とするオーロラ発生装置。
  2. 上記供給手段は、上記真空容器内にヘリウムと酸素を供給して、黄緑色のオーロラを発生させることを特徴とする請求項に記載のオーロラ発生装置。
  3. 上記供給手段は、上記真空容器内にヘリウムと二酸化炭素を供給して、青白色のオーロラを発生させることを特徴とする請求項記載のオーロラ発生装置。
  4. 上記供給手段は、上記真空容器内にヘリウムとネオンを供給して肌色のオーロラを発生させることを特徴とする請求項記載のオーロラ発生装置。
  5. 上記供給手段は、上記真空容器内に酸素とアルゴンを供給して、白色のオーロラを発生させることを特徴とする請求項記載のオーロラ発生装置。
  6. 上記供給手段は、上記電極の近傍に設けられたガス供給口と上記電極から離れた位置に設けられたガス供給口から上記真空容器内にヘリウムと窒素を供給し、ヘリウムによる緑色と窒素による赤紫色のオーロラを発生させることを特徴とする請求項記載のオーロラ発生装置。
  7. 上記供給手段は、上記真空容器内に供給するガスの種類を変えることにより、時系列的に異なる色のオーロラを発生させることを特徴とする請求項1記載のオーロラ発生装置。
  8. 上記供給手段は、ヘリウム、酸素、二酸化炭素、窒素、アルゴン、ネオン、のいずれか二種類のガスを上記真空容器内に順次供給することにより、時系列的に異なる色のオーロラを発生させることを特徴とする請求項記載のオーロラ発生装置。
  9. 所定の真空度に維持する維持手段により所定の真空度に維持された真空容器内に設けられたプラズマを発生させるための電極に、印加手段により電圧を印加するとともに、供給手段によりガスを供給することにより、上記供給したガスの種類の組み合わせに応じた色のオーロラを発生させるオーロラ発生方法であって、
    上記真空容器内の、上記電極の近傍に設けられたガス供給口と上記電極から離れた位置に設けられたガス供給口から、上記供給手段により真空容器内に複数種類のガスを供給し、上記真空容器内の真空度及び上記印加手段により電極に印加する電圧値を制御するとともに、上記印加手段と上記電極との間に接続される可変抵抗体の抵抗値を制御することによって上記電極間に流れる電流値を制御して、上記真空容器内に供給するガスの種類の組み合わせに応じた空間的に異なる色のオーロラを発生させることを特徴とするオーロラ発生方法。
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