プラズマや酸素アセチレン炎など高温ガス体では，分子・原子，イオン，電子などが熱運動しており，それぞれランダムな方向に衝突を繰り返しながら飛行している。粒子の運動エネルギーの平均値（J/個）は次式のようになり，気体温度が高くなると大きくなる。

 

(1)

 

ここで，m：粒子質量（kg)，v：粒子速度（m/s)，k_B：ボルツマン定数（1.38×10^－23J/K)，T：気体温度（K）である。

熱源として利用することを考えると，パワー密度は熱流束ベクトルであり，一方向成分の粒子の流れに注目する必要がある。自由空間における分子・原子などの質量粒子は３方向（x，y，z方向）に運動している。いま，粒子速度v（v_x，v_y，v_z）の速度成分がv_xからv_x＋dv_x，v_yからv_y＋dv_y，v_zからv_z＋dv_zの範囲にある粒子密度をdnとすると，次のボルツマン分布に従う。

 

(2)

 

(2)式からx方向の粒子束j_x(個/m²s）は，次式のようになる。

 

(3)

 

Q11－１－３に示した(1)式ならびに上の(1)，(3)式から，高温気体のパワー密度は次式で与えられる。

 

(4)

 

以上から，高温気体が有するパワー密度は，温度もしくは粒子密度が高くなるほど，大きくなる。

なお，励起状態にある原子・分子（ラジカル）やイオンは，原子・分子の電子エネルギー準位が高い状態にあり，照射された材料表面とさまざまなエネルギー交換による相互作用をする。

〈平田　好則〉