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2017 Fiscal Year Annual Research Report

プラズマと液体の相互作用に関する学理構築

Research Project

Project/Area Number 16H02121
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

佐々木 浩一  北海道大学, 工学研究院, 教授 (50235248)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 西山 修輔  北海道大学, 工学研究院, 助教 (30333628)
白井 直機  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80552281)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2020-03-31
Keywordsプラズマ・液体相互作用 / 大気圧プラズマ / レーザー応用計測
Outline of Annual Research Achievements

平成29年度には,研究計画調書で平成28年度に実施するとしていた事項のうちで積み残しとなっていた実験を遂行するとともに,平成29年度に実施を計画していた実験を順調に遂行し,さらに,研究計画調書には無いより進んだ研究を展開している。
まず,塩化カルシウム水溶液と接する大気圧ヘリウムグロー放電中のカルシウム原子およびカルシウムイオンの2次元空間分布をレーザー誘起蛍光法で計測した。研究計画調書(28年度)ではナトリウムとしていた測定対象をカルシウムに変更することで,中性原子だけで無く,研究計画調書には無いイオンの測定も可能とした。結果として,カルシウム原子に比してカルシウムイオンの密度は極めて低いとの推定が得られ,液体中でイオンとして存在するカルシウムが気相に輸送されるメカニズムを解明するための材料が得られた。
研究計画調書では,平成29年度の課題として,プラズマと相互作用する液相の振る舞いおよび液相での反応現象の理解を挙げていたが,これについては,研究計画発案時には無かった新しいアイデアに基づく方法を開発した。即ち,ルミノールをアルカリ溶液に溶かしてプラズマと相互作用させると,プラズマから供給される短寿命酸化種との反応に起因するとみられる化学ルミネッセンスが観測できることを新たに示し,これを既存の方法と併用することで,プラズマと相互作用する液相での反応現象を調べた。
さらに,研究計画調書では実験項目として挙がっていない実験として,低ガス圧プラズマと液体金属の相互作用による液滴生成実験,フラッシュフォトリシスを用いてイオン液体中に生成した溶媒和電子とプラズマとの反応を調べる実験,および,塩化カルシウム液滴が存在する空間にレーザー誘起プラズマを生成し,液滴の蒸発による生成物をレーザー誘起蛍光法で調べる実験を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

上に述べたように,平成28年度の計画開始以来,本計画は順調に進行している。研究計画調書発案時に計画した実験項目は,一部について実験方式に異なる点があるものの,得られるべき科学的理解という点では,ほぼすべてにおいて結果が得られるに至っている。実験方式を変更したものについては,当初計画のダウングレードということでは無く,より明確な結果が得られる優れた実験技術を開発したものである。さらに,低ガス圧プラズマと液体金属の相互作用による液滴生成実験,フラッシュフォトリシスを用いてイオン液体中に生成した溶媒和電子とプラズマとの反応を調べる実験,および,塩化カルシウム液滴が存在する空間にレーザー誘起プラズマを生成し,液滴の蒸発による生成物をレーザー誘起蛍光法で調べる実験は,研究計画調書発案時には着想できていなかった実験であるが,それぞれ,液滴の発生に重要なプラズマパラメータの同定,研究例がほとんど無い溶媒和電子とプラズマとの相互作用を調べる新しい実験技術,および,液滴の瞬時蒸発時には熱平衡的な蒸発と異なる生成物が生じることを示す事実のように,科学的に価値の高い成果が得られている。以上のことから,本計画は当初の計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

研究計画調書における平成30年度の実験計画は,1)プラズマ生成をパルス化した場合にこれまでの実験技術を適用し過渡現象を調べること,および,2)プラズマ誘起液相反応における短寿命ラジカルと長寿命ラジカルの効果を分離して理解することとしている。1)についてはこれまでの実験でも折に触れて実施しており,今年度は体系的に実施してキーとなる諸現象の時定数を整理したいと考えている。2)については,平成29年度に開発したルミノールの化学ルミネッセンス法と,気相で実施するエバネッセント波レーザー誘起蛍光法(研究計画調書には無い新しい方法)の結果を比較することで,重要な知見が得られると考えている。
また,計画開始後に新たに着想した液体金属を用いる実験によりプラズマとの相互作用による液体からの液滴発生メカニズムを解明するとともに,フラッシュフォトリシスを用いる方法により溶媒和電子とプラズマとの反応過程を理解したい。

  • Research Products

    (18 results)

All 2018 2017

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Visualization of short-lived reactive species in liquid in contact with atmospheric-pressure plasma by chemiluminescence of luminol2018

    • Author(s)
      N. Shirai, Y. Matsuda, and K. Sasaki
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 11 Pages: 026201-1-4

    • DOI

      https://doi.org/10.7567/APEX.11.026201

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Magnetron sputtering of liquid tin: Comparison with solid tin2018

    • Author(s)
      K. Sasaki and H. Koyama
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 11 Pages: 036201-1-4

    • DOI

      https://doi.org/10.7567/APEX.11.036201

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Characteristics of liquid flow induced by atmospheric-pressure DC glow discharge in contact with liquid2017

    • Author(s)
      F. Tochikubo, T. Aoki, N. Shirai, and S. Uchida
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 56 Pages: 046201-1-7

    • DOI

      https://doi.org/10.7567/JJAP.56.046201

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synthesis of magnetic nanoparticles by atmospheric-pressure glow discharge plasma-assisted electrolysis2017

    • Author(s)
      N. Shirai, T. Yoshida, S. Uchida, and F. Tochikubo
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 56 Pages: 076201-1-7

    • DOI

      https://doi.org/10.7567/JJAP.56.076201

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Excitation of cavitation bubbles in low-temperature liquid nitrogen2017

    • Author(s)
      K. Sasaki and S. Harada
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 56 Pages: 068002-1-3

    • DOI

      https://doi.org/10.7567/JJAP.56.068002

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Discharge phenomena in a cavitation bubble induced by liquid-phase laser ablation2017

    • Author(s)
      K. Sasaki and Y. Takahashi
    • Journal Title

      J. Phys. D: Appl. Phys.

      Volume: 50 Pages: 325202-1-7

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa754a

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] レーザー誘起キャビテーションバブルとそのナノ材料創成における役割2018

    • Author(s)
      佐々木浩一
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第38回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] 大気圧気液界面プラズマにより液相に誘起される短寿命ラジカルのルミノールの化学発光を用いた検出法2018

    • Author(s)
      松田浩,白井直機,佐々木浩一
    • Organizer
      プラズマ・核融合学会北海道地区研究連絡会第21回研究会
  • [Presentation] Ca2+イオンを含む液滴と大気中レーザー生成プラズマとの相互作用によるCa原子の発生プロセス2018

    • Author(s)
      菅剛珠,白井直機,佐々木浩一
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] ルミノール化学発光を利用した液相におけるプラズマ誘起短寿命ラジカルの可視化2018

    • Author(s)
      白井直機,松田浩,佐々木浩一
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Bubble formation in the discharge between planar and needle electrodes via laser ablation-induced cavitation bubble2017

    • Author(s)
      K. Sasaki and Y. Takahashi
    • Organizer
      XXXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Production of electrical discharges in acoustic cavitation bubbles2017

    • Author(s)
      K. Sasaki, N. Takada, Y. Hayashi, and M. Goto
    • Organizer
      70th Gaseous Electronics Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 固体スズ及び液体スズを用いたマグネトロンスパッタリングプラズマの比較2017

    • Author(s)
      小山寛,佐々木浩一
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 液体電極を用いた大気圧直流グロー放電における液面形状と液滴発生との関連性2017

    • Author(s)
      菅剛珠,白井直機,佐々木浩一
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 気液界面プラズマ計測の現状と課題2017

    • Author(s)
      佐々木浩一
    • Organizer
      Plasma Conference 2017
    • Invited
  • [Presentation] CaCl2溶液を陰極とする大気圧気液界面プラズマにおけるCa原子の密度分布2017

    • Author(s)
      細田崚平,白井直機,佐々木 浩一
    • Organizer
      Plasma Conference 2017
  • [Presentation] 大気圧気液界面プラズマによって液相に誘起される短寿命ラジカル検出法の検討2017

    • Author(s)
      松田浩,白井直機,佐々木浩一
    • Organizer
      Plasma Conference 2017
  • [Presentation] カルシウムイオンを含む液滴と大気中レーザー生成プラズマとの反応により発生するカルシウム原子密度の時間進展2017

    • Author(s)
      菅剛珠,白井直機,佐々木浩一
    • Organizer
      Plasma Conference 2017

URL: 

Published: 2018-12-17  

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