2021 Fiscal Year Final Research Report

Diagnostics of Electron Energy Distribution Function of Atmospheric-Pressure Plasmas with Phase-Resolved Optical Emission Spectroscopy Measurement of Continuum Spectrum

Research Project

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Project/Area Number	19H01867
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	Akatsuka Hiroshi 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (50231808)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	山家清之新潟大学, 自然科学系, 准教授 (90452474)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	大気圧非平衡プラズマ / 発光分光計測 / 電子エネルギー分布関数 / 連続スペクトル / 制動放射 / 逆問題 / 不完全第１種ボルテラ積分方程式
Outline of Final Research Achievements	A new method to determine the arbitrary electron energy distribution function (EEDF) from the optical emission spectroscopic measurement in atmospheric-pressure plasma is introduced. The optical emission spectroscopy (OES) continuum emission spectrum, dominated by electron-neutral bremsstrahlung radiation, is analyzed to inspect the usefulness of the conventional OES measurement range for EEDF determination. The EEDF is reconstructed from the OES continuum radiation spectrum by applying machine learning to solve the bremsstrahlung emissivity equation inversely. Through iterative statistical analysis, the presented genetic algorithm can locate the EEDF reliably. Preliminary experimental EEDF results of an argon dielectric barrier discharge (DBD) OES measurement are given. The electron energy range and resolution of the determined EEDF are discussed. The results showed potential for accurate determination of the arbitrary EEDF in atmospheric-pressure plasma using simple OES equipment.
Free Research Field	プラズマ理工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	大気圧非平衡プラズマの放つ発光スペクトルから、電子温度・密度、更には電子エネルギー分布関数EEDFまでも求める方法論を確立することができた。低温プラズマの電子と放電母ガスとの相互作用による制動放射スペクトル解析から原理的にEEDFを求めることが可能であることが見出された。大気圧非平衡プラズマのEEDFの簡便な計測手段を物理的に確立させた。実験的原理実証、およびデータ処理における数理的手法の確立、並びに他方法との実験的クロスチェックまでを実施することができた。将来医療応用も期待されるプラズマ機器について、EEDF測定機器開発の基礎を与え、プラズマ医療の基礎を根本から押し上げることもできた。