:::

學術成果

:::

研究成果

      1. 學術榮譽與獎項

美國物理學會電漿物理研究傑出獎1名:陳秋榮教授(2004)
普林斯頓大學電漿物理實驗室傑出研究獎1名:陳秋榮教授(1996)
傑出人才講座1名:向克強教授(97年度第1期、102學年度第1期-二度獲獎)
日本文部科學大臣科學技術獎1名:西田靖教授(2011)
美國物理學會會士3名:陳秋榮教授、向克強教授、西田靖教授
中華民國物理學會會士1名:陳秋榮教授
2013年電漿數值模擬領域的約翰道森獎1名:陳秋榮教授
● 2015年日本電漿核融合學會學會論文獎1名:河森榮一郎教授
● 2015年成大講座教授1名:向克強教授


2. 研究方面:

本所結合電漿與太空科學中心主要發展整合的太空科學與核融合研究計畫,並建立具備探索太空環境並發現新科學能力的世界級太空科學團隊,有別於國內其他相關研究單位皆以購置儀器進行觀測為主,或專注於觀測資料分析之科學研究,我們的目標是在太空科學研究、衛星科學儀器研發、執行衛星與探空火箭任務等方面,建立頂尖專門知識與能力。我們已經組成了一個包括國際知名資深科學家與年輕科學家的傑出研究團隊,尤其在先進的太空儀器組裝、測試與校正系統,以及尖端儀器製造能力方面已獲得國際肯定,受邀提供太空儀器以參與日本ISASERG衛星任務與其他大學之衛星計畫。

過去幾年來我們著手建立核心的太空科學研究能力,其中包括先進的太空儀器研發設施與基礎電漿實驗室、先進的太空科學儀器研發、「與太陽共生(Living with A Star, LWS)」研究計畫與「太空天氣(Space Weather)」研究計畫中重要關鍵的太空電漿物理問題研究、以及與世界頂尖的太空研究中心共同參與國際合作。現有研究成果詳述如下。

 

A. 太空儀器自主研製與尖端太空科學研究

 

A-1. 太空儀器研發設備與電漿實驗室

為建立發展先進的太空科學儀器的能力,我們已經建置台灣第一個尖端的太空儀器組裝、測試與校正系統(Fabrication, Test and Calibration Facility, FT&C),包括100K等級無塵室內的130 keV的離子束系統,能提供先進的粒子儀器研發、組裝、測試與校正使用。這個裝置目前是世界上最好的裝置之一,僅日本有一套類似的裝置。我們也已經建置一個直徑2、長度3的太空電漿實驗腔(Space Plasma Operation Chamber, SPOC)SPOC能模擬電離層的電漿環境,它同時是亞洲第2(僅次於日本ISAS)、但最先進的太空電漿實驗腔。SPOC將被用來測試校正低能量電漿與電磁場儀器,並可提供如電漿推進器的太空推進技術研發使用。為了研發衛星任務的光學影像儀,我們也已經建置100K等級無塵室內的太空光學儀器實驗室。另外,為了研究地球磁層內與太空電漿科學相關的磁化電漿物理,我們也已經建置直徑40公分、長度1.5、磁場最大強度為2 kG的磁鏡電漿裝置,該裝置能產生電子溫度50 eV以上及電子密度約109~1011 cm-3的磁化電漿。除了太空儀器研發以外,這些設備也可用來訓練學生與年輕科學家,進行太空電漿診測研發與基礎太空電漿物理實驗。

 

A-2. 太空儀器發展

我們已經依據國家太空中心與國外衛星任務需求,首度在台灣研發先進的高精密度太空儀器。過去2年來,我們與國家太空中心完成簽訂合約進行探空火箭實驗,並完成研發下列儀器:量測電子密度與溫度之蘭摩爾探針(Langmuir Probe)及其部署裝置、量測離子能量分佈及其密度與溫度之離子能量分析儀(Ion Energy Analyzer)、量測中性粒子能量分佈之中性粒子分析儀(Neutral Particle Analyzer)、以及量測直流與低頻磁場之高解析度磁阻抗磁力計(MagnetoResistive Magnetometer)。中性粒子分析儀與磁阻抗磁力計的元件與設計已經完成,整個系統正進行組裝測試。這些儀器將被使用在探空火箭實驗中,以用來研究Sq電流(solar quiet current)形成與EF區域中電漿不規則變化之電離層物理,也探索電離層與同溫層間粒子、動量與能量的耦合過程。探空火箭實驗同時也充當驗證儀器的平台。

我們同時也與國家太空中心完成簽訂合約發展6個太空等級單波段光學影像儀,這些儀器將使用在福爾摩沙6號衛星任務中,用來進行E-VAC (Explorer of Vertical Atmosphere Couplings)計畫的紅色精靈、大氣輝光與海洋水色的研究。針對E-VAC科學酬載,我們已經完成製造4個單波段CMOS相機原型涵蓋全可見光以進行海洋觀測,以及4個單頻道CCD相機分別以762 nm (寬頻與窄頻)557.7 nm630 nm濾波器對閃電、高空短暫發光現象與大氣輝光進行觀測。我們也已經研發科學資料處理單元(Science Data Processing Unit, SPDU)。照相機目前正在測試校正中。

我們已經與日本ERG (Energization and Radiation in Geospace)衛星科學任務團隊達成協議,研發一個頂帽型靜電電子能量測量器LEPe,佈置於ERG衛星,用以量測10 eV~20 keV能量範圍的電子。ERG衛星將研究地球磁暴與副磁暴期間,范愛倫(Van Allen)輻射帶中高能粒子加速以及高能粒子消失於電離層中的物理機制。ERG衛星預訂於2014~2015年發射。我們已與日本東京大學Prof. Masafumi HiraharaISASDr. Kazushi Asamura合作,已著手設計與組成元件。Prof. HiraharaERG任務所有粒子儀器計畫的主持人。LEPe的結構已經完成設計,粒子運動的模擬也顯示儀器設計能滿足衛星任務的效能要求。在儀器設計階段完成後,粒子儀器的原型將使用我們的太空儀器組裝、測試與校正(FT&C)系統進行製造測試,LEPe將是台灣第一個安裝於國外衛星任務的自製高精密度太空粒子儀器。

 

A-3. 太空科學研究

我們已經投入許多重要關鍵的太空電漿物理問題研究領域,包括「與太陽共生 (Living with A Star, LWS)」計畫、「太空天氣(Space Weather)」計畫、磁層與電離層的耦合作用、副磁暴極光弧結構的暴裂與動態。「與太陽共生」計畫研究有關太陽磁暴產生的太陽閃焰與日冕物質拋射,太陽閃焰是太陽系中最強大的爆炸,通常在10~1000秒內釋放約1032~1033 ergs的能量 (相當於約2000億顆投擲在廣島的原子彈)。日冕物質拋射在1~3日內抵達地球,攜帶約10~100億噸的電漿,以約1000~2000 km/s的速度猛烈襲向地球,造成成數千萬英哩寬的電漿雲。觀測發現大型太陽閃焰與日冕物質拋射是同一物理作用的兩種不同表現。為瞭解大型太陽閃焰與日冕物質拋射的結構與動態,我們建立領先世界的衝擊式磁場重聯模型,並對太陽閃焰與日冕物質拋射的觀測數據進行分析。「太空天氣」計畫則研究太陽磁暴與太陽風引起的地球磁暴與副磁暴對地球太空環境所造成的影響。地球磁暴能造成環電流密度與范愛倫(Van Allen)輻射帶高能粒子通量以幾個數位級大量地增加,副磁暴是最重要的能量儲存與釋放過程,頻繁地發生在磁層與電離層間 (平均每天2~3),可於100~1000秒間釋放約1020 ergs能量。

運用福爾摩沙2號衛星高空大氣閃電影像儀的光學儀器觀測資料,我們已經進行電離層大氣輝光與副磁暴極光弧暴裂的研究,尤其針對大氣輝光結構及其相關電子密度進行研究。在副磁暴極光的研究上,透過福爾摩沙2號衛星高空大氣閃電影像儀,我們從太空中成功觀測到第一個高時空解析度的極光弧暴裂結構與動態,發現暗亮相隔的極光弧細微結構,我們並已經發展出領先世界的動力氣球波理論來解釋並預測副磁暴極光弧暴裂的發生機制。

我們同時也投入GPS科學應用研究,支援福爾摩沙3號衛星任務所佈置的6個微衛星,進行GPS無線電掩星觀測實驗。我們已經研究電離層中電子密度的整體分佈並監控其變化,並使用地面GPS接收網站來研究電離層的總電子密度含量(Total Electron Density Content, TEC),也同時投入太空天氣的電離層密度數據、大氣與地震對電離層的影響等相關研究。


B. 磁化電漿與核融合能源科學研究

核融合研究的關鍵就在磁化電漿科學研究,目前在台灣研究核融合電漿物理相關的理論、實驗、偵測或技術所投入的資源遠較於其他國家落後許多。我們已經建置台灣目前僅有的小型磁鏡電漿實驗裝置,從事發展核融合電漿現象之量測實驗、理論和模擬等研究。現正在進行有關磁化電漿中的電磁波傳導透明現象(Electromagnetically Induced Transparency)、飄移波(drift wave)與亂流(turbulence)對電漿傳輸的影響等基礎電漿物理實驗。並將進行阿爾芬波(Alfvén wave)與電磁離子迴旋波(electromagnetic ion cyclotron wave)在不均勻的磁化電漿與磁場中傳播的電漿物理實驗。

 

B-1 磁鏡電漿裝置與基礎設施的建立及量測儀器的研發

我們已經建置一小型磁鏡電漿裝置以進行基礎電漿物理的實驗。經過三年的設計、模擬與採購,我們已經完成磁鏡電漿裝置的建置與整體測試,並已開始進行實驗。磁場線圈可以產生的最大磁場強度為2 KGaussMagnetron振盪器可以將電漿加熱到50 eV的高溫。該項設備為台灣僅有的磁化電漿裝置。另外,今年度已完成進行研發製作磁化電漿實驗所需的微波干涉儀(interferometer)與反射儀(reflectometer)偵測儀系統、Laser Induced Fluorescence、靜電探針(Langmuir Probe)等高溫電漿量測儀器的研發,並進行電漿實驗量測。

 

B-2 核融合電漿理論及數值模擬研究

本中心在核融合電漿理論及數值模擬領域上擁有世界頂尖的科學家從事研究,其中包括了托克馬克電漿平衡狀態及大尺度的穩定性、微尺度不穩定性、電漿傳輸、以及alpha粒子與阿爾文波模(Toroidicity-induced Alfvén Eigenmode, TAE)之間相互作用等主題。此外,我們也發展包含粒子gyrokinetic運動與磁流體力學(MHD)kinetic-fluid模擬程式碼,以研究在托卡馬克裝置內MHD類型波模與電漿粒子運動的相互作用效應,並導致其不穩定的物理研究。在核融合的理論基礎研究上,我們已經開始訓練學生與博士後研究員融合電漿力平衡(equilibrium)與電漿傳輸(transport)的理論研究。我們也執行toroidal plasma viscosityAlfven Eigenmodes in tokamak的理論與實驗的研究。我們將持續這些領域的研究,並將訓練年輕科學家及學生參與核融合研究的國際合作計畫。


3.      產學方面:
 

電漿科學為1950年以來所發展的新興學門,其研究領域非常廣泛,涵蓋太空科學與科技、天文物理、核融合能源、高功率厘米波長微波源等許多研究領域,並有許多工業、醫學與軍事等的應用。太空科技為國家重點領域之一,它包含各領域的工程知識。太空科技提供許多應用,所培養出跨領域整合人才,可投入科技產業提高競爭力。本所經費來源,除了第一期頂尖大學計畫,用於太空儀器與實驗室建置外,也積極對外爭取各項建教合作計畫(國科會與國家太空中心等)

 

4.      國際化方面:

我們與數個傑出太空研究的機構與大學都有廣泛的國際合作研究,如美國的SSL/UCB;日本的東京大學、ISAS、名古屋大學、京都大學;韓國的Kyung Hee University;瑞典的Swedish Institute of Space Physics;以及德國的GeoForschungsZentrum Potsdam

除了在ERG衛星任務上與日本東京大學的Prof. Masafumi Hirahara及太空與宇航科學研究所(ISAS)Dr. Kazushi Asamura的國際合作研究,提供LEPe儀器佈放於日本ERG科學衛星上,我們也與加州大學柏克萊分校太空科學實驗室(Space Science Laboratory)Prof. Robert Lin達成合作協議,發展台灣未來衛星任務需要的STEIN (Suprathermal Electrons, Ions, and Neutrals) 儀器。STEIN是先進的的微型高解析度感測器,加上靜電偏斜系統能同時量測2~300 keV電子、4~300 keV質子與高能中性子、以及2~20 keV X-raysSTEIN的重量極輕(0.6 kg),且耗電量低(1W)

2009年我們獲得日本太空與宇航科學研究所(ISAS)SCOPE (cross-Scale COupling in the Plasma universE)衛星的任務主持人Prof. Masaki Fujimoto邀請,參與SCOPE衛星任務,發展粒子儀器或提供子衛星。2010年日本太空與宇航科學研究所的研究主任(Research Director) Prof. Masato NakamuraProf. Masafumi Hirahara訪問成大與國科會,邀請台灣參與日本ERG以及SCOPE衛星任務。

我們也與東京大學Prof. Yasushi Ono簽訂合作備忘錄,雙方對研發基礎電漿實驗裝置合作計畫進行研究人員互訪交流。我們也與日本九州大學Prof. Mase合作微波偵測儀系統的研發。我們也已經與韓國POSTECH與韓國國家核融合研究中心(National Fusion Research Institute)協商共同合作研發應用在核融合實驗裝置之微波偵測系統,並將進一步參與韓星托克馬克(Tokamak)裝置(K-STAR)之實驗。此外,我們也準備與日本國家核融合研究中心協商,參與大型螺旋電漿裝置(Large Helical Device)的核融合研究國際合作計畫。


5. 系所師資延攬與學術研究之具體成果


        本校自95年8月1日以邁向頂尖大學計畫經費成立電漿與太空科學中心,成立的兩大目標為:(1) 發展尖端衛星科學儀器研發與自製的能力,培養太空科技人才,從事頂尖的太空科學研究; (2) 建立全國第一個高溫磁化電漿科學中心,培養尖端磁化電漿科學研究人才,從事核融合能源與太空科學相關的基礎高溫磁化電漿實驗與理論科學研究。電漿與太空科學中心成立後積極延攬頂尖人才,當時的策略以聘任長期之教授及專家為主,短期客座人員為輔,並鼓勵對外爭取研究計畫。97年8月1日本所成立,並將3名有成就與潛力之優秀研究人員,轉聘為電漿所編制內專任教師。隨後規劃本所未來發展,將於100學年推動設立博士班,並爭取達到設立博士班的專任師資員額數7人,以及博士班學生員額數。同時計劃延攬研究傑出學者,再增聘太空科學、高能天文物理、或高溫電漿科學領域的師資。


    本所專案講座陳秋榮教授為世界知名電漿與太空科學家,為美國物理學會會士與中華民國物理學會會士,並曾分別於1996年獲得普林斯頓大學電漿物理實驗室的傑出研究獎,2004年獲得美國物理學會電漿物理研究傑出獎。陳教授為前任國家太空中心首席科學家,也是成功大學電漿與太空科學中心主任,並兼任衛星與資訊研究中心主任。

    本所向克強教授為核融合電漿傳輸理論國際專家,主要的研究領域為核融合能源研究、電漿物理及核能工程。向教授是美國物理學會的會士,並獲頒財團法人傑出人才發展基金會97年度第一期傑出人才講座。

    本所小山孝一郎專案教授為太空科學、太空儀器發展、探空火箭實驗與衛星任務的世界頂尖專家,他於1977~2006年間服務於日本的太空與宇航科學研究所並擔任該所教授,期間曾任5個日本衛星任務與超過25個探空火箭實驗的計畫主持人,發表的期刊論文超過240篇。2009年5月小山教授加入電漿與太空科學中心擔任研究教授,負責建置亞洲第2大、僅次於日本ISAS的太空電漿實驗腔SPOC,指導學生研發太空儀器,並參與探空火箭計畫等研究。

    電漿與太空科學中心西田靖教授專長在電漿技術應用於能源、環境改善、醫療科技,他與共同作者在電漿粒子加速的發現與超小型電子加速器的研究,獲得2011年日本文部科學大臣科學技術獎, 該研究成果不僅在電漿技術應用作出貢獻, 同時也可應用於原子精密量測, 以及放射治療, 血管攝影與癌症治療等醫療技術改善。

本所歷年畢業碩士學位論文
http://etds.lib.ncku.edu.tw/etdservice/bl?from=DEPT&deptid=D0026002012

本所104業碩士學位論文
(1)陳彥廷 利用福爾摩沙衛星三號電離層電子總含量觀測資料探討掩星觀測法之誤差原因


本所103畢業碩士學位論文
(1) 陳怡安 探討孤立波在電漿與非線性介電質中加速的理論與數值模擬
(2) 曹祖維 適用於皮米衛星任務之微小化太陽極紫外線光度計
(3) 陳伯辰 常壓非熱平衡電漿處理對可產生黃麴毒素之真菌及其宿主的影響
(4) 陳彥樵 以質點網格法模擬電容耦合電漿在具有庫倫碰撞及二次電子發射下之行為
(5) 陳毅倍 閃電與高空短暫發光現象之放電極性全球分佈統計
(6) 陳科僑 利用西蜜斯衛星觀測離子環狀速度分布之位置
(7) 黃俊維 以粒子網格法在電漿製程中模擬非對稱二次電子激發之現象


本所102年畢業碩士學位論文
(1) 陳彥廷 鹿林山觀測站十赫以下極低頻輻射事件之方向角分析
(2) 陳資菁 利用電漿放電分解碳氫化合物但不產生二氧化碳之產氫方法
(3) 莊嘉文 發展電場量測儀器進行地表大氣電場量測
(4) 江炫慶 利用電漿放電技術取得氫氣並純化以驅動燃料電池 
(5) 王睿翰 運用希爾伯特黃轉換法探討鹿林山觀測站10赫以下極低頻輻射事件
(6) 張倞杰 磁拘束電漿具共振磁場擾動的粒子傳輸動力與流體模型
(7) 朱佑晨 磁阻式磁力計與磁通閘磁強計量測之比較
(8) 徐宇威 應用於奈米衛星之電子溫度密度探測器的研發
(9) 陳文晧 太空電漿實驗腔中電子分布函數之量測
(10) 江國祥 電子溫度與密度探測器(TeNeP)的衛星模擬實驗
(11) 楊業葳 三離子電漿中離子迴旋波之交會頻率


本所101年畢業碩士學位論文
(1) 林郁翔 研發使用天線轉換技術的多通道微波干涉儀以量測磁化電漿密度分佈
(2) 黃柏慈 以GPU模擬阿伐粒子在背景亂流中的漂移
(3) 林協成 模擬離子環狀速度分佈之形成
(4) 陳岳紘 模擬Vlasov-Poisson高能電子效應

本所100年畢業碩士學位論文
(1) 林佳廷 平流層瞬間暖化對低緯度電離層的影響
(2) 林佳旻 阿爾法粒子的參數在以質子為主的電漿中對不穩定性的影響
(3) 謝東原 離子、電子溫度同步量測系統:離子感應蘭摩爾探針之研發,及其電漿擾動研究的應用
(4) 李宗憲 使用蘭摩爾探針系統測量電子能量分布函數
(5) 邱政修 使用探空氣球進行大氣直流電場量測
(6) 曾敬霖 應用福衛三號之觀測資料研究電離層電子參數與太陽輻射F10.7指數的相關性
(7) 李紳豪 探討地面磁場的變化與極光區位置的關係
(8) 黃鵬宇 2010年極低頻磁場波型量測分析應用於高空短暫發光現象之極性統計

本所99年畢業碩士學位論文
(1) 王勗哲 應用於磁化電漿量測之微波干涉計研發
(2) 王振宇 應用於磁化電漿量測中微波反射計之研發
(3) 鄭印呈 應用時域有限差分法模擬微波電漿診測
(4) 蘇育正 高密度螺旋電漿源內的密度不連續現象
(5) 黃淇婷 電子溫度儀的研發
(6) 陳汶炫 太陽風之電場與中磁緯度電離層全電子含量之相關性研究
(7) 何紹民 鹿林觀測站極低頻磁場訊號特徵與台灣地震活動之關係
(8) 陳儒良 內磁層區域赤道噪聲之西蜜斯衛星觀測個案研究
(9) 黃昱傑 以光學系統量測磁化電漿實驗室裝置MPX運作空間之研究
(10) 鄭瑋銘 均勻與非均勻網格於轉換光學之光電模擬研究
(11) 林怡伶 水族離子迴旋波在土星磁層的分佈
(12) 翁正杰 探空火箭計畫-磁阻式磁力計系統開發
(13) 謝宗佑 太空電漿量測–阻抗式探針系統

物理系100年畢業博士學位論文
(1) 羅傑文
非熱平衡大氣壓氫電漿之基本性質的數值研究

物理系99年畢業碩士學位論文

(1) 翁堂鈞 數值分析近古典托克馬克在大軸方向的阻尼

物理系97年畢業碩士學位論文
(1) 蕭帆邑 微波干涉計量測
(2) 劉格瑋 福衛二號6300A電離層大氣輝光與福衛三號電子密度觀測之長期比較
(3) 李俊毅 蘭摩爾探針電漿量測系統之研發
(4) 林煒程 相對論效應對副磁暴高能粒子傳輸的影響

物理系96年畢業碩士學位論文
(1) 彭康銘 太空電漿分析儀校準用之離子束系統
 

系所位置所務行政表單下載學生會畢業生專區