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田中 学(たなか まなぶ) データ更新日:2021.06.22

助教 /  工学研究院 化学工学部門 生産システム工学


主な研究テーマ
革新的熱プラズマ発生装置の開発および内在する基礎現象の解明
キーワード:アーク放電現象,パワー半導体,変動現象,電極現象,可視化
2018.10.
アーク放電現象および電極現象の可視化
キーワード:アーク放電現象,変動現象,電極現象,可視化
2010.04.
熱プラズマを利用したナノ材料合成プロセスの構築
キーワード:熱プラズマ,大気圧プラズマ,ナノ粒子合成,プラズマ化学
2006.04.
従事しているプロジェクト研究
ナノ粒子を用いた透明遮へい材の開発研究
2018.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 文部科学省
燃料デブリの取り出しでは、ガンマ線とともに中性子の効果的な遮へいが必要となる。本事業では、燃料デブリ取り出しや分析における作業員の被ばく低減や遠隔カメラの光学系・電子系の劣化低減を目的として、中性子とガンマ線を同時に遮へいし、中性子から生じる二次ガンマ線も抑制する透明材料の開発を行う。
二次ガンマ線を抑制するために、可視光の波長の1/4以下(100 nm以下)のナノ粒子化したホウ素化合物を透明な樹脂に混入させることで、透明性を保ちつつ、中性子の遮へい、及び熱中性子の吸収により生成する二次ガンマ線の発生抑制に優れた透明遮へい材を開発する。また、重金属をナノ粒子化して可能な限り高密度で透明体に封入することにより、ガンマ線も同時に効果的に遮へいできる材料を開発する。.
ナノマテリアル量産化に向けた多相交流アークプラズマ装置の開発
2018.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 経済産業省
ナノマテリアルの製造方法として、各種用途向けのものが開発されているが、生産量が産業応用には不十分であり、不安定品質、高コストなどの問題点がある。多相交流アークプラズマ法は機能性材料の大量合成に好適で、粒子成分組成に制限が少ないなどのメリットがある。本事業では、新規開発した多相交流アークの発生方法や電極構造の革新により、電池材料などのニーズの大きな産業用ナノ材料の生産プロセス確立を目指す。.
月資源利用技術に関する研究
2016.10~2021.03, 代表者:渡邉隆行, 九州大学, 宇宙航空研究開発機構
月面基地建設に向けて,難還元性鉱物や月土壌の水素還元プロセスによる金属製造,それに伴う水,酸素の製造プロセスの開発を行い,それらの知見をもとに地上での高品質機能性材料の製造プロセスの開発を行う。今までにバッチ式の固定層および流動層を用いた月土壌シミュラントの水素還元の検討を行ってきたが,地上での事業化や月面での使用を考えると連続運転が必要となる。本研究では連続運転式の水素還元装置として,回転反応炉の検討および設計を行う。水素還元回転反応炉を用いた高品質機能性材料の製造として,酸素欠損型酸化物の格子欠陥制御の半導体素子の製造を行い,事業化に向けたプロセスを開発する。反応温度,反応圧力,反応時間によって酸素欠損 TiO2,WO3,ZnOの格子欠陥状態を制御して,電導性,磁性などの物性値を明らかにする。.
研究業績
主要原著論文
1. Manabu Tanaka, Taro Hashizume, Koki Saga, Tsugio Matsuura, Takayuki Watanabe, Diode-rectified multiphase AC arc for the improvement of electrode erosion characteristics, Journal Physics D: Applied Physics, 10.1088/1361-6463/aa8cac, 50, 46, 2017.10, [URL], An innovative multiphase AC arc (MPA) system was developed on the basis of a diode-rectification technique to improve electrode erosion characteristics. Conventionally, electrode erosion in AC arc is severer than that in DC arc. This originated from the fact that the required properties for the cathode and anode are different, although an AC electrode works as the cathode and the anode periodically. To solve this problem, a separation of AC electrodes into pairs of thoriated tungsten cathode and copper anode by diode-rectification was attempted. A diode-rectified multiphase AC arc (DRMPA) system was then successfully established, resulting in a drastic improvement of the erosion characteristics. The electrode erosion rate in the DRMPA was less than one-third of that in the conventional MPA without the diode rectification. In order to clarify its erosion mechanism, electrode phenomena during discharge were visualized by a high-speed camera system with appropriate band-pass filters. Fluctuation characteristics of the electrode temperature in the DRMPA were revealed..
2. Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Vaporization mechanism from Sn-Ag mixture by Ar-H2 Arc for nanoparticle preparation, Thin Solid Films, 10.1016/j.tsf.2007.11.096, 516, 19, 6645-6649, 2008.08, [URL], The purpose of this paper was to describe the synthesis of Sn-Ag nanoparticles by an arc plasma method. Sn-Ag nanoparticles have been successfully prepared by DC arc plasma with hydrogen addition. The prepared nanoparticles were characterized by X-Ray diffraction, transmission electron microscopy and inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry. The obtained results indicated that the nanoparticles have high-purity and spherical shape. The average diameter of the nanoaprticles with 100%-Ar arc was 19.8 nm and that with 50%-H2 arc was 56.5 nm. Another purpose of this work is to investigate the vaporization behavior from molten Sn-Ag mixture with Ar and Ar-H2 arc. We confirmed the vaporization enhancement of Sn from Sn-Ag mixture by hydrogen in arc plasma..
主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等
1. 田中 学, 渡邉 隆行, 熱プラズマを用いたナノ粒子の大量合成技術確立に向けて, 粉体工学会誌, https://doi.org/10.4164/sptj.56.459, 2019.08, [URL].
主要学会発表等
1. Manabu Tanaka, Yuta Kugimiya, Takayuki Watanabe, and Tsugio Matsuura, Planar Thermal Plasma Jet in Diode-Rectified AC Arc System under Atmospheric Pressure, 47th IEEE International Conference on Plasma Sciences, 2020.12.
2. 田中学, 釘宮悠太, 末永拓也, 玉江藍花, 渡辺隆行, 松浦次雄, 上田紹央, 東崎英樹, 多相交流アークの変動現象とナノ粒子合成への応用, プラズマ・核融合学会 第37回年会, 2020.12.
3. Manabu Tanaka, Hiroki Maruyama, Yuta Kugimiya, Tsugio Matsuura, Takayuki Watanabe, Investigation of Temperature Fluctuation of Diode-Rectified Multiphase AC Arc by High-Speed Visualization, 18th Asia-Pacific Confederation of Chemical Engineering, 2019.09.
4. Manabu Tanaka, Yuki Saito, Hiroki Maruyama, Takayuki Watanabe, High-Speed Visualization of Metal Oxide Precursor in Multiphase AC Arc during Nanoparticle Formation, 10th International Conference on Reactive Plasmas, 2019.07.
5. Manabu Tanaka, Hiroki Maruyama, Taro Hashizume, Tsugio Matsuura, Takayuki Watanabe, Fluctuation Phenomena in Diode-Rectified Multiphase AC Arc for Improvement of Electrode Erosion, 24th International Symposium on Plasma Chemistry, 2019.06.
6. Manabu Tanaka, Kohki Saga, Taro Hashizume,Tsugio Matsuura, Takayuki Watanabe, Improvement of Electrode Erosion Characteristics in Diode-Rectified Multiphase AC Arc, 23rd International Symposium on Plasma Chemistry, 2017.07, An innovative multiphase AC arc was drastically improved by diode-rectification technique. Conventionally, electrode erosion in AC arc originates from a lack of suitable electrode material because required properties for cathode and anode are different. To solve this problem, separation of AC electrodes into pairs of cathode and anode by diode-rectification was attempted. Diode-rectified MPA was then successfully established and erosion characteristics were drastically improved..
7. 田中学, 曽根宏隆, 渡辺隆行, Liイオン電池関連の熱プラズマ技術, 第64回応用物理学会春季学術講演会, 2017.03.
8. Tanaka Manabu, Yuji Nawata, Tomoyuki Imatsuji, Takayuki Watanabe, Dynamic Behavior of Metal Oxide Vapors in Multiphase AC Arc during Oxide Nanoparticle Fabrication Process, 26th Symposium of The Materials Research Society of Japan, 2016.12.
9. Manabu Tanaka, Taro Hashizume, Tomoyuki Imatsuji, Yushi Nawata, Takayuki Watanabe, High-Speed Visualization of Evaporation Phenomena from Tungsten Based Electrode in Multi-Phase AC Arc, 9th International Conference on Reactive Plasmas, 2015.10.
10. Taro Hashizume, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Droplet Ejection Mechanism from Tungsten Electrode in Multi-Phase AC Arc by High-Speed Visualization, 22nd International Symposium on Plasma Chemistry, 2015.07.
11. Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, High-Speed Visualization of Electrode Phenomena in Thermal Plasma Processing, 5th International Conference on Microelectronics and Plasma Technology, 2014.07, A multi-phase AC arc has been developed to apply to innovative in-flight glass melting technology as a promising heat source because it possesses following advantages; the high energy efficiency, the large plasma volume, the low gas velocity, and so on. However, the understanding of multi-phase AC arc still remains to be improved for the practical use. In particular, electrode erosion is one of the most important issues to be solved. The purpose of this study is to investigate the electrode erosion mechanism of the multi-phase arc.
Multi-phase AC arc reactor mainly consisted of 12 electrodes, arc chamber, and AC power supply. The electrodes were made of tungsten (98 wt%) and thoria (2 wt%) with diameter of 6 mm. Argon shield gas was injected around the electrode to prevent them from the oxidation because the melting point of tungsten oxide is lower than that of metal tungsten. As the multi-phase arc discharge was generated under the atmospheric air except of the above mentioned argon, the plasma source gas was mainly air. The argon gas flow rate was changed to investigate the shield gas effect on the electrode erosion.
Combination of the high-speed camera and the band-pass filters system enables to measure the electrode temperature even during arc discharge, and to observe dynamic behavior of the vapors in the arc. In the present work, two synchronized high-speed cameras were applied to investigate the erosion mechanism. One of the systems was used to measure the electrode temperature, while another one was synchronized to observe the vapors in the arc.
The strong tungsten emission separated from the other emissions was successfully observed at the anodic period in the case of lower argon gas flow rate. Moreover, the synchronized temperature measurements revealed that the electrode tip temperature increased with decreasing the argon gas flow rate. This is because the discharge point was stabilized due to the constriction of arc in anodic period at the lower flow rate of shield gas. The droplet ejection from the molten electrode surface was also observed in the case of lower shield gas flow rate. The droplet ejection was contributed to the high electrode erosion of the multi-phase arc.
The high-speed visualization by the synchronized system of high-speed video cameras with appropriate band-pass filters is important to understand electrode phenomena during thermal plasma processing..
12. Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Yaping Liu, Sooseok Choi, Takayuki Watanabe, Investigation on Electrode Erosion Mechanism of Multi-Phase AC Arc by High-Speed Camera Observation, 21st International Symposium on Plasma Chemistry, 2013.08.
13. Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Metal Hydride Formation from Molten Metal Surface by Ar-H2 Arc, 10th Asia-Pacific Conference on Plasma Science and Technology, 2010.07.
特許出願・取得
特許出願件数  11件
特許登録件数  4件
学会活動
所属学会名
International Plasma Chemistry Society
Division of Plasma Physics, Association of Asia Pacific Physical Societies
化学工学会
応用物理学会
プラズマ・核融合学会
学協会役員等への就任
2019.04, 応用物理学会 プラズマエレクトロニクス分科会 若手チャプター幹事, 幹事.
2017.04~2019.03, 応用物理学会 プラズマエレクトロニクス分科会, 幹事.
2015.04~2017.03, 化学工学会 熱工学部会, 幹事.
学会大会・会議・シンポジウム等における役割
2023.05.21~2023.05.26, 25th International Symposium on Plasma Chemistry, Local Organizing Committee.
2022.08~2022.08, International Conference of Young Researchers on Advanced Materials (ICYRAM2022), Local Organizing Committee.
2022.08~2022.08.01, International Conference of Young Researchers on Advanced Materials (ICYRAM2022), Symposium Session Chair.
2021.11.22~2021.11.25, プラズマ・核融合学会 第38回年会, シンポジウムオーガナイザー.
2021.09.22~2021.09.24, 化学工学会 第52回秋季大会, シンポジウムオーガナイザー.
2019.09.23~2019.09.27, 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE2019), Session Chair.
2019.01.15~2019.01.17, プラズマプロセシング研究会, 実行委員.
2017.09.20~2017.09.22, 化学工学会第49回秋季大会, シンポジウムオーガナイザー.
2016.12.17~2016.12.18, プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第20回支部大会, 現地実行委員.
2016.09.06~2016.09.08, 化学工学会第48回秋季大会, 座長(Chairmanship).
2016.08.07~2016.08.10, 20th International drying Symposium, 実行委員.
2015.09.09~2015.09.11, 化学工学会第47回秋季大会, 座長(Chairmanship).
2015.03.26~2015.03.31, 7th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Applications for Nitrides and Nanomaterials, Session Co-Organizer.
2014.09.17~2014.09.19, 化学工学会第46回秋季大会, 現地実行委員.
2014.09.17~2014.09.19, 化学工学会第46回秋季大会, 座長(Chairmanship).
2014.07.08~2014.07.11, International Conference on Microelectronics and Plasma Technology 2014, 座長(Chairmanship).
2014.03.18~2014.03.20, 化学工学会第79年会, 座長(Chairmanship).
2013.09.16~2014.09.18, 化学工学会第45回秋季大会, 座長(Chairmanship).
2011.10.29~2011.10.30, 日本機械学会 熱工学コンファレンス, 座長(Chairmanship).
2011.09.14~2011.09.16, 化学工学会第43回秋季大会, 座長(Chairmanship).
学術論文等の審査
年度 外国語雑誌査読論文数 日本語雑誌査読論文数 国際会議録査読論文数 国内会議録査読論文数 合計
2020年度 20  28 
2019年度 15  24 
2018年度 30  39 
2017年度
2016年度
2015年度
2014年度
2013年度
その他の研究活動
海外渡航状況, 海外での教育研究歴
University of Queensland, Australia, 2019.09~2019.09.
Jeju National University, Korea, 2016.06~2016.06.
University of Minnesota, UnitedStatesofAmerica, 2008.07~2008.12.
受賞
Junior Researcher Award, Japan Congress on High-Speed Imaging and Photography, 2017.11.
プラズマプロセシング研究会講演奨励賞, 公益社団法人 応用物理学会 プラズマエレクトロニクス分科会, 2017.01.
ISPC22 Poster Award, International Plasma Chemistry Society, 2015.07.
プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部大会 講演奨励賞, プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部, 2015.03.
化学工学会第44回秋季大会 粒子流体プロセス部会シンポジウム奨励賞, 化学工学会 粒子流体プロセス部会, 2012.09.
研究資金
科学研究費補助金の採択状況(文部科学省、日本学術振興会)
2019年度~2021年度, 基盤研究(C), 代表, 交流アークを用いた革新的長尺熱プラズマ流による大面積高速処理技術.
2019年度~2021年度, 基盤研究(B), 分担, ナノ混相プラズマ流の物理・化学現象解明に基づく環境浄化プロセスの開発.
2015年度~2017年度, 若手研究(B), 代表, 新規な熱プラズマ反応場「多相交流アーク」による非白金系触媒ナノ粒子の創製.
競争的資金(受託研究を含む)の採択状況
2018年度~2019年度, 宇宙航空研究開発機構 宇宙探査イノベーションハブ, 分担, 難還元性酸化物の水素還元システムによる機能性材料の製造.
2018年度~2020年度, 経済産業省 戦略的基盤技術高度化支援事業, 分担, ナノマテリアル量産化に向けた多相交流アークプラズマ装置の開発.
2018年度~2020年度, 日本原子力研究開発機構 英知を結集した原子力技術・人材育成推進事業 課題解決型廃炉研究プログラム, 分担, ナノ粒子を用いた透明遮へい材の開発研究.
2016年度~2016年度, JAXA宇宙探査イノベーションハブ, 分担, 月土壌の水素還元システムの構築 -低品位原料の工業的利用を目指して-.
共同研究、受託研究(競争的資金を除く)の受入状況
2013.04~2013.09, 代表, 可視光光触媒材料の合成.
寄附金の受入状況
2021年度, 奨学寄附金.
2019年度, 福伸工業株式会社, 奨学寄附金.
2013年度, 福伸工業株式会社, 奨学寄附金.
学内資金・基金等への採択状況
2020年度~2022年度, SENTAN-Q, 代表, Thermal Plasma Industrialization from Plasma Chemical Engineering.
2018年度~2019年度, 工学研究新分野開拓助成, 代表, 交流アークを用いた超長尺熱プラズマジェット流の開発と大面積基板処理への応用.
2017年度~2017年度, エネルギー研究教育機構 若手研究者・博士課程学生支援プログラム, 代表, 新規な熱プラズマ場「多相交流アーク」中の電極蒸気を原料とした燃料電池触媒として用いる遷移金属酸窒化物ナノ粒子の創製.
2015年度~2015年度, 工学研究院若手研究者助成, 代表, 新規な熱プラズマ発生手法を用いた機能性窒化物ナノ粒子の創製.
2014年度~2014年度, 工学研究院若手研究者助成, 代表, 多相交流アークの電極現象の解明.

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