大気圧プラズマジェットの発光分光診断 - muroran …PPT-14-029 ED-14-037 放電計測・基礎1 MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY プラズマを適切にコントロールすることが重要

パルスパワー・放電合同研究会平成26年5月16日(金) 岩手大学工学部

大気圧プラズマジェットの発光分光診断

○川浪迅人佐藤孝紀伊藤秀範 (室蘭工業大学)○Hayato Kawanami, Kohki Satoh and Hidenori Itoh (Muroran Institute of Technology)

Diagnostics of an atmospheric plasma jet using optical emission spectroscopy

PPT-14-029

ED-14-037 放電計測・基礎1

MURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

プラズマを適切にコントロールすることが重要

プラズマ診断を行い

プラズマ中で生成される種の特定

プラズマパラメータの調査

プラズマを用いた技術や機器の効率の向上

メリット真空装置を必要としない高密度なプラズマを生成可能

デメリットプラズマの安定生成が容易ではない

パルス放電


背景

細管を用いて誘電体バリア放電を発生放電プラズマをガス流によって大気中に押し出す

プラズマの固体や液体への照射が容易

医療器具の滅菌や固体の表面修飾に応用

大気圧プラズマジェット

大気圧放電誘電体バリア放電

.

8 mm13 mm電極間

copper tube

aluminium

sheet

the exit of

the reactor

プラズマジェット中のOHの発光スペクトルを測定し，その回転スペクトルの形状からプラズマジェット中のガス温度を導出

供給ガスへの水添加がOHの発光スペクトルおよびプラズマジェット中のガス温度に与える影響を調査

大気圧アルゴンプラズマジェットの発光分光診断目的


背景および目的

プラズマジェット中で生成される種に関する研究

8 mm

桑畑ら[1]・・・大気圧アルゴンプラズマジェットを蒸留水に照射することで水中にNO2-，NO3

-

およびH2O2が生成され，プラズマ照射時間が長くなるにつれて水中のNO3-お

よびH2O2の濃度が増加

伊藤ら[2]・・・大気圧ヘリウムプラズマジェット中にCOx-イオン，OH-，NO3

-およびHO2-を核とし

た水クラスターイオンが生成

プラズマジェットのプラズマパラメータに関する研究

プラズマジェット中のプラズマパラメータの調査に関する研究はあまり行われていない

プラズマパラメータ・・・電子温度・電子密度・ガス温度

発光スペクトルから導出することが可能

[1]桑畑ら：第61回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集，18p-PA8-7，08-122 (2014)

[2]伊藤ら：第61回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集，19a-F2-8，08-137 (2014)


実験装置および実験条件

copper tube (f 3 x 2 mm) glass tube (f 6 x 3 mm)

aluminum sheet

10 mm

10 mm


aluminum sheet

10 mm

10 mm



印加電圧: AC 12 kVp-p

周波数: 17 kHz

ネオン変圧器(小寺製作所製，CR-N16)

-8

-4

0

4

8

volt

age

[kV

]

5.845.805.765.72time [ms]


aluminum sheet

10 mm

10 mm




周波数: 17 kHz


-8

-4

0

4

8

volt

age

[kV

]

5.845.805.765.72time [ms]

分光器(日本分光製，CT-25CS)

入射スリット幅 0.05 mm

出射スリット幅 0.05 mm

分解能 0.16 nm

測定範囲 304 ~ 316 nm

copper tube (f 3 x 2 mm)

aluminum sheet

10 mm

10 mm

分光器(日本分光製，CT-25CS)



入射スリット幅 0.05 mm

出射スリット幅 0.05 mm

分解能 0.16 nm

測定範囲 304 ~ 316 nm


周波数: 17 kHz


-8

-4

0

4

8

volt

age

[kV

]

5.845.805.765.72time [ms]

0 ~ 10 mm


理論スペクトルの算出および回転温度の導出

OHの理論発光スペクトルは，

𝑁𝜈,𝐽 = 𝑁0 ∙ 𝑓𝐵(𝜈, 𝐽) (1)

と表される

回転温度のみを変化させるため，回転励起に関する項のみを考慮したfB(J)を(1)式に代入

𝑁𝐽 = 𝑁0 ∙2𝐽 + 1 ∙ 𝑒

−𝐸 𝐽𝑘𝐵𝑇rot

𝑍elec ∙ 𝑍rot(2)

OHの場合，Zelec = 4, Zrot = 𝑘𝐵𝑇rot

ℎ𝑐𝐵0より，

𝑵𝑱 = 𝑁0 ∙2𝐽+1 ∙ 𝑒

−𝐸 𝐽

𝑘𝐵𝑇rot

4 ∙𝑘𝐵𝑇rotℎ𝑐𝐵0

(3)

kB : ボルツマン定数 h : プランク定数c : 光速 B0 : OH Spec. Constant

理論スペクトルの計算式

ある回転温度における理論スペクトルを算出

測定した回転スペクトルの形状と理論的な回転スペクトルの形状を比較

回転温度(≒ガス温度)を導出

回転温度の導出

100

80

60

40

20

0

inte

nsi

ty [

a.u.]

312311310309308307306

wavelength [nm]

simulated 280 K

380 K 480 K

OH (rotational)

OH (rotational)

100

80

60

40

20

0

inte

nsi

ty [

a.u.]

312311310309308307306

wavelength [nm]

simulated 280 K

380 K 480 K

OH (rotational)

OH (rotational)



ある回転温度における理論スペクトルを算出

測定した回転スペクトルの形状と理論的な回転スペクトルの形状を比較

回転温度(≒ガス温度)を導出


80

60

40

20

inte

nsi

ty [

a.u

.]

308.0307.0

wavelength [nm]

強度が強く，各温度において形状の変化が大きいこの部分が最もよく一致するようにフィッティング


Arガスの各相対湿度におけるプラズマジェットの長さ

relative humidity [%] the length of plasma jet [mm]

2 13

20 13

45 0

90 -

copper tube

aluminium

sheet

the exit of the reactor

13 mm

RH = 2 %, discharge power = 2.8 W

相対湿度が2および20 %のときジェットが13 mm噴出

相対湿度が45 %のとき電極間で放電が発生するがジェット部分は確認できない

相対湿度が90 %のとき電極間で放電が発生しない


OHの発光スペクトルおよびプラズマジェットのガス温度

1 mm

リアクタ出口 RH = 2 % OHの生成電極間で生成

高エネルギー電子によって供給ガスに含まれる水分子が解離

リアクタ出口付近で生成電極間で生成された高エネルギー種によってリアクタ出口周囲の空気に含まれる水分子が解離

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

inte

nsi

ty [

a.u

.]

312311310309308307wavelength [nm]

measuredsimulated 280 K 380 K 480 K

OH (rotational)

OH (A2S+ →

X2P, 309 nm)

OH (rotational)


OHの発光スペクトルおよびプラズマジェットのガス温度

OHの生成電極間で生成

高エネルギー電子によって供給ガスに含まれる水分子が解離

リアクタ出口付近で生成電極間で生成された高エネルギー種によってリアクタ出口周囲の空気に含まれる水分子が解離

測定した回転スペクトルの形状回転温度を380 Kとしたときの理論的な回転スペクトルの形状とよく一致

プラズマジェット中のガス温度は380 K

1 mm

リアクタ出口 RH = 2 %

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

inte

nsi

ty [

a.u

.]

312311310309308307wavelength [nm]

measuredsimulated 280 K 380 K 480 K

OH (rotational)

OH (A2S+ →

X2P, 309 nm)

OH (rotational)


各相対湿度におけるOHの発光強度およびガス温度

どちらの相対湿度においてもリアクタ出口から離れると一旦上がり，その後低下相対湿度が20 %のときのOHの発光強度は2 %のときのものに比べ約1.7倍に増加

OHの発光強度

リアクタ出口

4 6 820 10 mm

420

400

380

360

340

320

300

280

gas

tem

per

atu

re[K

]

1086420

distance [mm]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

emissio

nin

tensity

[a.u.]

rerative humidity = 20 %

4 6 820 10 mm

420

400

380

360

340

320

300

280

gas

tem

per

atu

re[K

]

1086420

distance [mm]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

emissio

nin

tensity

[a.u.]


相対湿度 20 %相対湿度 2 %


RH = 2 %のとき，リアクタ出口から0.8 mmで最大(390 K)となり，その後低下(10 mmで290 K)

RH = 20 %のとき，リアクタ出口で最大(420 K)となり，その後低下(10 mmで295 K)

実験時の室温は15.7℃(= 288.8 K)であり，ガス温度と室温はほぼ等しい

プラズマジェット中のガス温度

各相対湿度におけるOHの発光強度およびガス温度

リアクタ出口

4 6 820 10 mm

420

400

380

360

340

320

300

280

gas

tem

per

atu

re[K

]

1086420

distance [mm]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

emissio

nin

tensity

[a.u.]


4 6 820 10 mm

420

400

380

360

340

320

300

280

gas

tem

per

atu

re[K

]

1086420

distance [mm]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

emissio

nin

tensity

[a.u.]



OHの発光強度およびガス温度に関する考察(RH = 2 %)

リアクタ出口

4 6 820 10 mm

420

400

380

360

340

320

300

280

gas

tem

per

atu

re[K

]

1086420

distance [mm]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

emissio

nin

tensity

[a.u.]


相対湿度 2 % 相対湿度 20 % 電極間

高エネルギー電子によって準安定励起状態のAr(Ar*)

およびOHが生成Ar + e → Ar* + e ，H2O + e → OH + H + e

リアクタ出口付近Ar*と水分子が衝突することでOHが生成

Ar* + H2O → OH + H + Ar



リアクタ出口

4 6 820 10 mm

420

400

380

360

340

320

300

280

gas

tem

per

atu

re[K

]

1086420

distance [mm]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

emissio

nin

tensity

[a.u.]


相対湿度 2 % 相対湿度 20 % 電極間




Ar* + H2O → OH + H + Ar

衝突確率は出口から離れると増加

出口からの距離の増加に伴い，OHの生成量およびAr*からのエネルギー移行は増加するが，Ar*の密度は低下(Ar*の励起解消)

平均自由行程は極めて短い

出口からわずかに離れた位置でOHの生成量およびAr*からのエネルギー移行が最大

OHの発光強度およびガス温度は一旦上昇した後，Ar*の密度の低下とともに低下


420

400

380

360

340

320

300

280

gas

tem

per

ature

[K]

1086420

distance [mm]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

emissio

nin

tensity

[a.u.]

RH = 20 %

RH = 2 %

4 6 820 10 mm



相対湿度 20 % 電極間




Ar* + H2O → OH + H + Ar





420

400

380

360

340

320

300

280

gas

tem

per

ature

[K]

1086420

distance [mm]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

emissio

nin

tensity

[a.u.]

RH = 20 %

RH = 2 %

4 6 820 10 mm



相対湿度 20 % 電極間




Ar* + H2O → OH + H + Ar




供給ガスに水を添加したことで電極間で生成されるOHの密度が増加 OHの発光強度が2 %のときに比べ約1.7倍に増加

リアクタ出口付近におけるAr*によるエネルギー移行の影響を無視

ガス温度はリアクタ出口で最大となり，その後低下


OHの発光は，供給ガスに含まれる水分子が電極間で高エネルギー電子によっ

て解離およびリアクタ出口付近の水分子がAr*によって解離して生成されたOH

によるものであると考えられる

相対湿度 = 2 %

OHの発光強度およびプラズマジェットのガス温度はリアクタ出口から0.8

mmの位置で最大となり，その後低下した。これは，リアクタ出口付近でのAr*

によるOHの生成プロファイルおよびエネルギー移行が影響したと考えられる。

相対湿度 = 20 %

OHの発光強度はリアクタ出口から0.8 mmの位置で最大となり，2 %のとき

のものよりも約1.7 倍となった。プラズマジェット中のガス温度はリアクタ出口で

最大となり，その後低下した。これは，出口付近でのAr*のエネルギー移行

の影響が無視できる程度であることを意味している。

誘電体バリア放電型大気圧アルゴンプラズマジェット中のOHの発光スペクトルを測

定し，回転スペクトルの形状からプラズマジェット中のガス温度を導出した。また，供

給ガスであるArガスへの水添加の影響も調査した。


まとめ

Documents

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