放電と光の融合によるレジリエントな窒素系プラズマ反応場の学理

• Project/Area Number: 23K20930
• Project/Area Number (Other): 21H01316 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21010:Power engineering-related
• Research Institution: Oita University
• Principal Investigator: 金澤 誠司 大分大学, 理工学部, 教授 (70224574)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 市來 龍大 大分大学, 理工学部, 准教授 (00454439) ; 立花 孝介 大分大学, 理工学部, 助教 (10827314)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2021: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
• Keywords: 励起窒素 / 放電 / レジリエンス作用 / レーザー誘起蛍光法 / ストリーマ / 光励起 / 活性酸素と活性窒素 / 準安定窒素分子

Outline of Research at the Start

空気や水には容易に多くの物質が混じりこんだり、溶け込んだりする。そのため空気の質が向上できれば、空気・水の環境改善からバイオ・医療系の応用にまで適用できる。
本研究では、空気の主成分であり、水に最も触れる「窒素」に着目して、放電プラズマによる励起窒素の利活用を目指す。励起窒素のなかでも準安定準位の窒素分子について、気相中ではレーザ誘起蛍光法で直接観測し、液相中はその化合物を化学プローブ法や電子スピン共鳴法により計測する。寿命の長い準安定準位の窒素に光エネルギーを注入することにより、再励起できれば、準位間でのレジリエンス(回復的)作用により放電プラズマの革新的な反応制御法となる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、空気を構成する最も重要な分子である「窒素」に注目し、放電プラズマにより生成される励起された窒素の振舞を明らかにした。これまでは放電で生成されるプラズマ中には励起された窒素による放電発光のみが観測されていたが、発光しない準安定準位の窒素について、その時間空間的振舞や放電化学反応における役割を解明した。
励起窒素のなかでも注目を集める準安定準位の窒素分子について、レーザー誘起蛍光法を用いることで放電空間での準安定窒素分子の2次元分布の可視化を成功させた。特に、シングルショットのレーザー誘起蛍光法により準安定準位窒素分子の放電プラズマ空間における時間的・空間的ダイナミクスをストリーマ放電の進展およびその後の発光状態であるアフターグローと同時に観測した。すなわち一つの観測画像は放電とその残光を、もう一つの画像は放電では本来見えない準安定準位の窒素分子を可視化したものであり、それらを同時に実時間（リアルタイム）で追跡できるようになったことが最も大きな成果である。
さらに、準安定窒素分子は存在可能な振動準位が多くあり、そのうち最重要と考えられる基底準位から順に上の４つの振動準位について、生成と消滅の過程を放電後の時間経過とともに解明した。励起窒素分子の化学反応に関する反応モデルを提案し、それが実験結果をうまく説明できることがわかった。通常の放電電極から改良した短ギャップタイプの電極系では、準安定窒素分子の密度は、通常のストリーマ放電やバリア放電に比べて1桁以上多く生成され、プーリング反応により上準位の窒素が生成されるといったレジリエンス（回復的）作用を見出した。
応用面では準安定窒素分子が水との反応でOHラジカルを発生させるため、これら化学反応も調査できる新規な放電プラズマ水処理リアクタを開発し、より放電の効果を取り込める機構を付随したリアクタの提案を行った。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences/Gdynia Maritime University(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences/Gdynia Maritime University(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences/Gdynia Maritime University(ポーランド)
• [Journal Article] Tribological Properties of Steel Surface Nitrided by Atmospheric-Pressure Thermal Plasma Jet (2024)
  • Author(s): Ando Shoho、Koyanagi Koki、Ichiki Ryuta、Otsu Takefumi、Furuki Takashi、Kanazawa Seiji
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials Volume: 144 Issue: 5 Pages: 159-164
  • DOI: 10.1541/ieejfms.144.159
  • ISSN: 0385-4205, 1347-5533
  • Year and Date: 2024-05-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An innovative method of pressure measurement inside a laser-induced cavitation bubble (2024)
  • Author(s): Uehara Satoshi、Sato Takehiko、Kamata Sayaka、Kanazawa Seiji、Iga Yuka、Nakajima Tomoki、Farhat Mohamed
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 36 Issue: 4 Pages: 041706-041706
  • DOI: 10.1063/5.0206640
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deepening of the Study of Corona Discharges by Recent Advances of Electrical and Optical Measurement Techniques (2023)
  • Author(s): Kanazawa Seiji、Mitsui Taiga、Kuno Akihito、Furuki Takashi、Tachibana Kosuke、Ichiki Ryuta、Sato Takehiko、Kocik Marek、Mizeraczyk Jerzy
  • Journal Title: Lecture Notes in Electrical Engineering Volume: 1052 Pages: 112-122
  • DOI: 10.1007/978-3-031-34526-5_10
  • ISBN: 9783031345258, 9783031345265
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 高速ナノ液滴が拓く「超節水・薬剤フリー・濡れない」殺菌・洗浄 (2023)
  • Author(s): 佐藤岳彦、劉思維、中嶋智樹、肖昀晨、藤村茂、金澤誠司
  • Journal Title: クリーンテクノリジー Volume: 33 Pages: 40-43
• [Journal Article] Development and Evaluation of Newly Designed Coaxial Cylindrical Plasma Reactor with Liquid Flow Control and Post-Discharge Reactions for Water Treatment (2022)
  • Author(s): Tachibana Kosuke、Hanabata Ryosuke、Furuki Takashi、Ichiki Ryuta、Kanazawa Seiji、Kocik Marek
  • Journal Title: Energies Volume: 15 Issue: 11 Pages: 4028-4028
  • DOI: 10.3390/en15114028
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two-dimensional distribution of hydroxyl radicals produced by atmospheric pressure plasmas in contact with gel sheets (2022)
  • Author(s): Seiji Kanazawa, Hikaru Motomura, Takashi Furuki, Kosuke Tachibana, Ryuta Ichiki, Marek Kocik
  • Journal Title: International Journal of Plasma Environmental Science and Technology Volume: 16 Issue: 02 Pages: e02005-e02005
  • DOI: 10.34343/ijpest.2022.16.e02005
  • ISSN: 1881-8692, 2435-0125
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Implementation of a single-shot LIF technique for 2-D imaging of metastable nitrogen molecules in a discharge afterglow at sub-atmospheric pressures (2022)
  • Author(s): Kanazawa Seiji、Mizeraczyk Jerzy、Nakatani Toshiaki、Kuno Akihito、Furuki Takashi、Tachibana Kosuke、Ichiki Ryuta、Kocik Marek
  • Journal Title: Measurement Volume: 196 Pages: 111262-111262
  • DOI: 10.1016/j.measurement.2022.111262
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ignition-area extension of dielectric barrier discharge under high temperature (2021)
  • Author(s): Ichiki Ryuta、Komatsu Tomoki、Yakushiji Kaito、Tachibana Kosuke、Furuki Takashi、Kanazawa Seiji、Yoshimura Shinji
  • Journal Title: Results in Physics Volume: 29 Pages: 104791-104791
  • DOI: 10.1016/j.rinp.2021.104791
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 大気圧放電プラズマによる空気・水の環境改善技術 (2021)
  • Author(s): 金澤誠司、立花孝介
  • Journal Title: 化学工学 Volume: 85 Pages: 470-473
• [Presentation] 放電のダイナミクス：特殊計測法の開発とレーザー分光法の適用 (2024)
  • Author(s): 金澤誠司
  • Organizer: 静電気学会 複雑系静電気ダイナミクス研究委員会 2024 年度第 1 回委員会/研究会
  • Invited
• [Presentation] コロナ放電への回帰と新たな萌芽への期待 (2024)
  • Author(s): 金澤誠司
  • Organizer: 2024年度 第一回静電気学会研究会
  • Invited
• [Presentation] 放電プラズマによる円筒型水処理リアクタの新たな設計と処理特性 (2023)
  • Author(s): 金丸真子, 城戸真紘, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司
  • Organizer: 第32回日本オゾン協会年次研究講演会
• [Presentation] 開閉可能な円筒型水処理リアクタの開発と水処理特性 (2023)
  • Author(s): 城戸真紘, 金丸真子, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司
  • Organizer: 2023 年（令和５年度） 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] 環境条件が負コロナ放電へ及ぼす影響とその統計処理 (2023)
  • Author(s): 宮本大輝, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司
  • Organizer: 2023 年（令和５年度） 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] A Single-shot LIF Imaging of N2(A3Su +) Metastable Molecules in the Afterglow of Streamer Discharge in N2 (2023)
  • Author(s): S. Kanazawa, J. Mizeraczyk, A. Kuno, S. Tanouchi, H. Tasaka, T. Furuki, K. Tachibana, R. Ichiki, M. Kocik
  • Organizer: 5th ISNPEDADM
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Initiation and propagation mechanisms of underwater positive/negative streamers (2023)
  • Author(s): Takehiko Sato, Hidemasa Fujita, Ryo Kumagai, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Tomoki Nakajima, Toshiro Kaneko
  • Organizer: GEC2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of innovative sterilization method by high-speed nanodroplets (2023)
  • Author(s): T. Sato, S. Fujimura, S. Kanazawa, Y. Xiao, T. Nakajima, S. Liu
  • Organizer: 7th Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of High-speed Ultrafine Droplets (2023)
  • Author(s): T. Sato, S. Kanazawa, K. Tachibana, S. Liu, T. Nakajima
  • Organizer: Twenty-third International Symposium on Advanced Fluid Information
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical reactions induced by positive argon plasma in contact with dilute sulfuric acid investigated by using electron spin resonance method (2023)
  • Author(s): Kosuke Tachibana, Seiji Kanazawa, Katsuyuki Takahashi, Junko Hieda, Nozomi Takeuchi, Oi Lun L
  • Organizer: EAPETEA-9
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Surface Coverage of Halide Ions at Plasma-Liquid Interface Investigated by Using Molecular Dynamics Simulations (2023)
  • Author(s): Hiryu Tasaka, Kosuke Tachibana, Seiji Kanazawa, Satoshi Uchida
  • Organizer: EAPETEA-9
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamic Relationship between Streamer Discharge Afterglow and Generated Metastable Nitrogen Molecules (2023)
  • Author(s): Shota Tanouchi, Akihito Kuno, Hiryu Tasaka, Takashi Furuki, Kosuke Tachibana, Ryuta Ichiki, Seiji Kanazawa, Jerzy Mizeraczyk, Marek Kocik
  • Organizer: EAPETEA-9
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Advances in Design of Non-thermal Plasma Reactor for Water Treatment: Proposal of Half-Split Cylindrical Plasma Reactor (2023)
  • Author(s): S. Kanazawa, M. Kanamaru, M. Kido, T. Furuki, K. Tachibana, R. Ichiki
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser Induced Fluorescent Observation of NH radicals in Dielectric Barrier Discharge for Nitriding Treatment (2023)
  • Author(s): S. Wakabayashi, M. Ueda, A. Takeda, *R. Ichiki, K. Tachibana, T. Furuki, S. Kanazawa
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 放電プラズマ水処理用の新規リアクター開発への挑戦 (2023)
  • Author(s): 金澤誠司
  • Organizer: 202３年度静電気学会九州支部・放電プラズマによる水処理研究委員会合同研究会
• [Presentation] 準大気圧放電アフターグロー中の励起窒素 N2(A3 Σu +, V” =2)の Single-Shot LIF 計測における圧力依存性 (2023)
  • Author(s): 久納晃人, 田ノ内翔大, 田坂飛竜，古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司, Marek Kocik , Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: 第24回静電気学会春期講演会
• [Presentation] パルス放電プラズマと活性炭処理を併用した平板型リアクタによる水処理特性 (2022)
  • Author(s): 松藤誉、金丸真子、古木貴志、立花孝介、市來龍大、金澤誠司
  • Organizer: 日本オゾン協会第31回年次研究講演会
• [Presentation] Corona Discharge and the induced-EHD gas flow under repetitive ramp and triangular voltage applications (2022)
  • Author(s): Seiji Kanazawa, Taiga Mitsui, Takashi Furuki, Kosuke Tachibana, Ryuta Ichiki, Takehiko Sato, Marek Kocik, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: ISNTP-12 & ISEHD 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コロナ放電の計測自動化と統計処理 (2022)
  • Author(s): 三井大雅,古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司, 佐藤岳彦, Marek Kocik, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: 第46回静電気学会全国大会
• [Presentation] Generation of high-speed mist by condensed water vapor aiming at a novel cleaning technology (2022)
  • Author(s): Siwei Liu, Yunchen Xiao, Tomoki Nakajima, Seiji Kanazawa, Takehiko Sato
  • Organizer: 第46回静電気学会全国大会
• [Presentation] 電子スピン共鳴法を用いて調査した負極性アルゴンプラズマ照射時における希硫酸中での化学反応過程 (2022)
  • Author(s): 村田菜緒、齊藤楓、立花孝介、金澤誠司、高橋克幸、稗田純子、竹内希、Oi Lun Li
  • Organizer: 第46回静電気学会全国大会
• [Presentation] 希硫酸への正極性アルゴンプラズマ照射により生成される液中ラジカルの電子スピン共鳴法による測定 (2022)
  • Author(s): 立花孝介、村田菜緒、齊藤楓、金澤誠司、高橋克幸、稗田純子、竹内希、Oi Lun Li
  • Organizer: 第46回静電気学会全国大会
• [Presentation] バリア放電で生成するOHラジカル分布特性の化学プローブ法による調査 (2022)
  • Author(s): 本村光,古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司
  • Organizer: 第46回静電気学会全国大会
• [Presentation] Deepening of the Study of Corona Discharges by Recent Advances of Electrical and Optical Measurement Techniques (2022)
  • Author(s): Seiji Kanazawa, Taiga Mitsui, Akihito Kuno, Takashi Furuki, Kosuke Tachibana, Ryuta Ichiki, Takehiko. Sato, Marek Kocik, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: ICESP 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水中放電による気泡生成における水の導電率の影響 (2022)
  • Author(s): 藤田英理，佐藤岳彦，金澤誠司，大谷清伸，中嶋智樹，劉思
  • Organizer: 日本機械学会第100期流体工学部門講演会
• [Presentation] Corona Discharge-induced Air Flow Control for Environmental and Biological Applications (2022)
  • Author(s): Seiji Kanazawa, Taiga Mitsui, Takashi Furuki, Kosuke Tachibana, Ryuta Ichiki, Takehiko Sato, Marek Kocik, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: Nineteenth International Conference on Flow Dynamics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Characteristics of High-speed Ultrafine Mist Flow (2022)
  • Author(s): Yunchen Xiao, Seiji Kanazawa, Tomoki Nakajima , Siwei Liu, Takehiko Sato
  • Organizer: Twenty-second International Symposium on Advanced Fluid Information
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] パルス放電水処理用リアクタにおけるギャップ長の放電への影響 (2022)
  • Author(s): 金丸 真子, 城戸 真紘, 松藤 誉, 古木 貴志, 立花 孝介, 市來 龍大, 金澤 誠司
  • Organizer: 2022年（令和4年度）応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] パルス放電で生成した準安定準位窒素 N2(A3 Σu + )の Single-Shot LIF 計測における圧力依存性 (2022)
  • Author(s): 久納晃人, 田ノ内翔大, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司, Marek Kocik , Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: 2022年（令和4年度）応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] LIF Imaging of N2 (A3Σu+, v”= 0-3) Metastable Molecules in the Pulsed Positive Streamer at Sub-Atmospheric Pressure Nitrogen (2022)
  • Author(s): Seiji Kanazawa, Toshiaki Nakatani, Akihito Kuno, Takashi Furuki, Kosuke Tachibana, Ryuta Ichiki, Marek Kocik, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: SPP-39/SPSM34
• [Presentation] Single-Shot LIF計測による準大気圧放電アフターグロー中での準安定準位窒素の可視化 (2022)
  • Author(s): 中谷俊晶, 久納晃人, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司, Marek Kocik, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: 2022年（第23回）静電気学会春期講演会
• [Presentation] コロナ放電の新たな実験的アプローチ―温故知新― (2022)
  • Author(s): 金澤誠司
  • Organizer: 2022年度第一回静電気学会研究会
  • Invited
• [Presentation] ニューノーマル時代へのコロナ放電活用技術の開拓 (2022)
  • Author(s): 金澤誠司
  • Organizer: 静電気学会関西支部研究会 大気圧プラズマのエネルギー・環境保全分野への最新応用技術
• [Presentation] コロナ放電の新たな計測と現象理解の深化 (2021)
  • Author(s): 金澤誠司
  • Organizer: 2021年度第1回静電気放電基礎研究委員会
  • Invited
• [Presentation] パルス放電プラズマを用いた活性炭装荷平板型リアクタによる水処理特性 (2021)
  • Author(s): 松藤誉, 金丸真子, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司
  • Organizer: 第45回静電気学会全国大会
• [Presentation] パラレル電極型ストリーマ放電で生成する準大気圧下励起窒素N2(A3Σu+)のSingle-Shot LIF計測 (2021)
  • Author(s): 中谷俊晶, 久納晃人, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司, Marek Kocik, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: 第45回静電気学会全国大会
• [Presentation] 大気圧プラズマジェットで生成するOHラジカルのコンビナトリアル手法による調査 (2021)
  • Author(s): 本村光, 岩永知恵, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司
  • Organizer: 第45回静電気学会全国大会
• [Presentation] コロナ放電の研究（1）：史的考察から未来への提唱 (2021)
  • Author(s): 金澤 誠司
  • Organizer: 第37回九州山口プラズマ研究会
• [Presentation] Single-shot LIF Imaging of Nitrogen Metastable Molecules in Pulsed Streamer Discharges at Sub-atmospheric Pressure (2021)
  • Author(s): Seiji Kanazawa, Toshiaki Nakatani, Takashi Furuki, Kosuke Tachibana, Ryuta Ichiki, Marek Kocik, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: EAPETEA-8
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reaction kinetics of sulfate ion radicals in sulfuric acid investigated by electron spin resonance method (2021)
  • Author(s): Nao Murata, Kosuke Tachibana, Seiji Kanazawa, Katsuyuki Takahashi, Junko Hieda, Nozomi Takeuchi, Oi Lun Li
  • Organizer: EAPETEA-8
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コロナ放電で生成する流れ場のシュリーレン法による観測 (2021)
  • Author(s): 輿石昂宏, 三井大雅, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司, 佐藤岳彦, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: 2021年（令和3年度） 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] ランプ電圧および三角波電圧を用いたコロナ放電特性の計測自動化 (2021)
  • Author(s): 三井大雅, 輿石昂宏, 古木貴志, 立花孝介, 市來龍大, 金澤誠司, 佐藤岳彦, Jerzy Mizeraczyk
  • Organizer: 2021年（令和3年度） 応用物理学会九州支部学術講演会
• [Remarks] 大分大学放電プラズマ研究室
  • URL: https://www.eee.oita-u.ac.jp/elec/plasma/