2019 Fiscal Year Research-status Report
自己反転インコヒーレント光源を用いた原子状ラジカルの並進エネルギー計測
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18K03601
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
竹田 圭吾 名城大学, 理工学部, 准教授 (00377863)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 吸収分光法 / プラズマ / 原子状ラジカル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和１年度に本研究では、プロセスプラズマ内の水素原子の真空紫外吸収分光計測において実績のあるマイクロホローカソード放電を用いた光源を使用し、前年度に引き続き光源内の自己吸収現象の制御範囲拡大を目指した光源内の放電条件や構造の最適化を行うとともに、構築した光源を用いて水素原子の並進温度計測の可能性を調査した。
測定対象となるプラズマには水素ガスを用いた誘導結合型プラズマを用い、光源から放出される水素原子のバルマーα線の真空紫外光をこの測定対象プラズマ内を透過させ、その内部に存在する水素原子による光吸収率を求めた。今回、自己反転インコヒーレント光源として用いるマイクロホローカソード放電の電極配置など内部構造を最適化したことにより、光源の放電条件の変化（発光スペクトルの自己反転度）に伴う測定対象プラズマ内での水素原子による光吸収率の減少割合を大きく改善でき、測定対象プラズマ内部の水素原子による光吸収が確認できなくなるまで自己吸収の影響を制御することに成功した。この成果は、現在すでに研究開発に用いられているマイクロホローカソード放電を用いた吸収分光用光源においても計測制度向上に応用できるものであり、非常に有用な知見である。
次に、構築した自己反転インコヒーレント光源を用いた吸収分光計測を用いて、異なる条件下で生成した計測対象プラズマ内の水素原子の計測を行った。その結果、光源の放電条件の変化に伴う計測対象プラズマ内の水素原子による光吸収率の減少率が、計測対象プラズマの生成条件によって異なることを確認した。これは、水素原子の並進温度がプラズマ生成条件によって変化し、光吸収スペクトルの形状が変化したためと考えられ、理論的に求めた吸収率変化の温度依存性の計算結果と一致するものであった。以上の結果は、本研究で構築した自己反転インコヒーレント光源を用いた原子温度計測の可能性を示すものである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
二年目となる令和１年度において本研究では、初年度に引き続き、光波長121.567 nmに遷移線（バルマーα線）を有する水素原子の真空紫外吸収分光計測時の遷移線近傍の高精度なバックグランド補正のための自己反転インコヒーレント光源の更なる改良と最適化を行うとともに、構築した自己反転インコヒーレント光源を用いた水素原子の並進温度の計測の可能性を探索した。前年度には、マイクロ波放電の様式を用いたプラズマ光源を使用した実験をも実施していたが、令和1年度では、これまでプラズマプロセスの研究開発の現場において、水素原子の真空紫外吸収分光計測に使用された実績のあるマイクロホローカソード放電をプラズマ光源とした実験に取り組んだ。これは本研究で開発するバックグランド補正など新たな技術を迅速に現場に導入することを可能とし、次年度の研究をスムーズに遂行するための方策でもある。
今回、上記のマイクロホローカソード放電の電極配置など内部構造を最適化したことにより、測定対象プラズマ内部の水素原子による光吸収が確認できなくなるまで光源内の水素原子の発光スペクトルの自己吸収度を制御することに成功した。さらには、光源内の発光スペクトルの自己反転度を制御することにより、異なる放電条件下における計測対象プラズマ内の水素原子の並進温度が違いについて評価できる可能性を確認できた。一方、年度後半に予定していた計測対象プラズマ内の水素原子の吸収スペクトルを同定するための真空紫外レーザー吸収分光計測については、計測システムの立ち上げはほぼ終わっているものの実計測に若干の遅れが生じている。しかし、次年度も継続して計測実験を行える環境にあり、本研究の中枢を担う自己反転インコヒーレント光源の構築自体は順調に進んでいるため研究遂行の計画には全くの問題ないものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、水素原子の発光スペクトル（ライマンα線：波長121.567 nm）に着目し、真空紫外吸収分光時の水素原子の遷移線近傍のバックグランド吸収の補正と、水素原子の並進温度計測に使用するための自己反転スペクトル光源を構築し、実プロセスに応用することを目的としている。
最終年度となる令和２年度は、前年度から引き続き、真空紫外レーザー吸収分光システムにより測定対象となる水素ガスを用いたプラズマ内の水素原子の密度・温度の計測を実施し、測定対象プラズマ内の水素原子の吸収スペクトルの形状の同定を行う。その後、構築した自己反転インコヒーレント光源から放出される水素原子の真空紫外スペクトル光を上記の測定対象プラズマ内に入射し、光源内条件の変化に伴う、水素原子による光吸収率の低下現象を解析することで、光源のスペクトル自己反転（自己吸収）度を定量的に評価する。そして、構築した自己反転インコヒーレント光源を用いた吸収分光法を用いた、プロセスプラズマ内の水素原子の吸収スペクトルの形状（並進温度）を見積もる技術の構築につなげる。次に、構築した自己反転インコヒーレント光源を用いた吸収分光法により、実プロセスガスを用いたプラズマ内における水素原子の計測を行い、分子性ガス分子によるバックグラウンド補正の実用性を確認するとともに、水素原子の並進温度の計測に挑戦し、粒子温度がプラズマプロセスに与える物理化学的影響について科学的知見を蓄積するための技術的基盤を構築する。
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