2020 Fiscal Year Research-status Report
大気圧プラズマジェット屈曲現象のメカニズム解明による荷電粒子密度情報取得への展開
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19K14896
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| Research Institution | Nagano National College of Technology |
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Principal Investigator |
山田 大将 長野工業高等専門学校, 電子制御工学科, 助教 (80825141)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 大気圧プラズマジェット / シュリーレン計測 / 外部電場印加 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、大気圧プラズマジェットに対して外部電場を印可した際に生じるガス流の屈曲現象の作用機序の理解を進めることでプラズマの主要特性の一つである荷電粒子情報の取得を目指し、放電条件 -放電現象の時間発展 - 外部電場印可時の屈曲現象の相関関係を明らかにすることを目的としている。
2020年度の研究では、外部電場印可実験系の作成及び作成した実験系を用いて外部電場印加時における大気圧プラズマジェットの作動ガス流の可視化実験を行った。外部電場印加実験系は、φ10 mmの銅棒を電極として使用し、両電極は10 mmの距離で対向させた構造である。上部電極に＋1 kV、下部電極に-1 kVを印加することで、下方向に2 kV/cmの電場を形成可能である。また、実験では2019年度に作成した放電条件として印加電圧波形を変更可能な大気圧プラズマジェット装置を作動ガスをヘリウムとして用いた。この装置は印加電圧を正、負、両極性の3種類の正弦波(Vpp 3.3 kV、40 kHz)に変更できる。実験では、ガス流方向が地面に対して水平になるように大気圧プラズマジェット装置を設置し、ガス流に直交するように外部電場を印加した。
実験の結果、どの条件においても外部電場印可時にはガス流挙動へと影響があることが明らかとなった。両極性の正弦波電圧を印加してプラズマを生成した場合は、下方向の外部電場発生時は流れの方向は大きく変化しないが上下両方の外部電極の周囲にガス流が現れた。正の正弦波電圧を印加してプラズマを生成した場合は、ガス流は外部電場と同じ方向 (= 下方向) へと屈曲した。一方で負の正弦波電圧を印加してプラズマを生成した場合は、外部電場と逆の方向に屈曲する結果が得られた。これらの結果から、外部電場印可時のガス流屈曲現象にはストリーマヘッドの過剰荷電粒子領域が要因となっている可能性があることが確認できた。
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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
2020年度は、新型コロナウイルス感染拡大による影響により、遠隔授業準備や学生対応等の当初想定していなかった業務が増加することになり、予定していた研究時間を設けることができなかった。また、このことにより、学会に直接参加し、様々な研究者から意見をもらうこともできなかった。しかしながら、当初計画していた外部電場印可実験系の作成及びそれを用いた外部電場印加実験の実施を予定通りに行い、結果を得ることができた。これは、本研究課題を優先研究として他に行っていた研究よりも優先的に進めた点と、元々2020年度に実施を計画していたシュリーレン実験系作成を前年度中に完成することができていたことに起因している。一方で、前年度の研究で新たに明らかにしなければいけない点として示唆されていたプラズマの密度や温度等の詳細なプラズマパラメータ計測については実施することができていない。この点は2021年度に実施する必要がある。
以上のように、新型コロナウイルス感染拡大という世界的な出来事があり、研究遂行に対しても少なからず影響を受けたが、当初の計画にあった研究は進めることができた。このことから、「おおむね順調に進展している。」を選択している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の研究では、「①ガス流と発光伝播の同時計測」、「②プラズマ特性の計測」、「③過剰荷電粒子密度の計測」を実施する。
①ガス流と発光伝播の同時計測では、既存のシュリーレン実験系によるガス流計測に加えてアバランシェフォトダイオード等を用いた発光伝播計測も実施する。これにより、外部電場印加状況におけるストリーマ特性も同時に計測を行う。
②プラズマ特性の計測では、外部電場印可時における生成活性種の変化や、電子密度、各種温度等について、発光分光計測により評価する。各種温度としては、窒素励起分子第２正帯の発光を対象に回転温度 (≒ ガス温度)と振動温度解析を行う。また、ヘリウム原子の発光線から線強度比法により、励起温度の算出を行う。
③過剰荷電粒子密度の計測では、シュリーレン法によるガス流の可視化実験から、外部電場印可時におけるガス流の屈曲量を評価し、その屈曲量から過剰荷電粒子密度を推測する。
以上の①、②、③の実施により、ガス流屈曲現象におけるストリーマ極性の関係性についての考察が可能となる。これらの成果を元に本年度中の論文執筆を目指している。
また、残った課題としては、屈曲現象における大気成分由来のイオン種の関わりが挙げられる。2021年度中の実施は難しいが、2022年度以降における質量分析等を用いた計測やレーザー吸収計測等により、プラズマが生成する酸素分子負イオン種等の比較的長寿命のイオン種評価の実施に向けた検討も進めていく。
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| Causes of Carryover |
2020年度開始時に2021年3月に開催される学会に参加する際の旅費として確保していたが、オンライン開催が決まり、旅費の必要がなくなったため次年度使用額が生じている。オンライン開催が決定後、確保していた額の大部分は2020年度新たに必要となった小型分光器の購入に使用している。その残りの約1.6万円は次年度予算と合算して作動ガスを購入する予定である (残額分のみでガス購入はできないため)。
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