2023 Fiscal Year Research-status Report
Ammonia synthesis using low and high electron temperature coexisting plasma with spiral magnetic field
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20K20909
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2025-03-31
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| Keywords | 単純トーラス型プラズマ / 螺旋状プラズマ / 高密度水素・窒素混合プラズマ / アンモニア合成 / 水素原子 / 窒素原子 / 2光子吸収レーザー誘起蛍光計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素ならびに窒素基底原子密度/温度は，アンモニア形成に大きな影響を与える。しかし基底原子はよく用いられる受動分光法（励起原子からの発光を計測）と静電プローブ法（プラズマ中のイオン/電子電流を計測）から直接計測できないため、実験的に取得することは困難である。そこで本研究では、2光子吸収レーザー誘起蛍光法（TALIF）に着目し，その計測系を螺旋状プラズマ生成装置NAGDIS-Tに実装し，水素原子密度，温度の絶対計測を行った。
重水素プラズマ放電において，重水素基底原子からのTALIF信号計測に成功した。放電電力500 Wから2000 Wの増加に伴い，基底原子密度は1.5×10^19 /m^3から2.9×10^19/m^3まで増加することが確認された。この研究では，トロイダル磁場の強度を固定し，垂直磁場の強度を変化させることで得られた結果を基に，重水素基底原子密度と温度の1周目接触プラズマにおける相対位置依存性を解析した。また，静電プローブ計測と受動分光計測を行い，その結果を解析した。
結果として，1周目接触プラズマを基準に，上下方向の重水素基底原子密度と温度の分布が明らかになった。密度については，1周目接触プラズマ中心で約5.0×10^18 /m^3で最小となり，プラズマ上方では約7.0×10^18/m^3まで増加し，プラズマ下方では約3.0×10^19 /m^3まで増加した。これにより，1周目接触プラズマに対して上下方向に非対称な分布であることが明らかになった。一方，温度については，1周目接触プラズマ中心で0.27 eVで最小となり，上下方向に対称な分布を示した。
静電プローブの計測結果からは，垂直磁場の変化によって1周目接触プラズマの状態が変化していないことが示された。しかし，2周目以降の非接触プラズマが基底原子密度の増加と非対称性の分布に影響を与えていることがわかった。
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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
単純トーラス型プラズマ装置における長い磁力線長有する螺旋状水素・窒素混合プラズマにおいてアンモニア生成を示唆するNHラジカルからの発光と質量数18のマススペクトルが観測され，アンモニア形成の最適条件が明らかになった。
またアンモニア生成を規定する水後原子密度・温度の計測を2光子吸収レーザー誘起蛍光法（TALIF）より計測した。研究は概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
アンモニア合成の効率を評価するために，さらにガス圧，磁場強度，ガス流量比を変化させて，継続して実験を行う。また，これまで得られて実験成果をまとめて，査読付論文として公表する。
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| Causes of Carryover |
磁場コイル，真空容器を冷却する既設の冷却塔および水冷ポンプが故障し，アンモニア合成の効率を検証する実験が未完了となった。昨年度新たに水冷チラーを購入したが，冷却水用バルブにもリークがあることが判明し，その改修工事が必要となった。そのため，一部を次年度に繰越を行い，水冷バルブの交換のための経費に使用する。
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Research Products
(1 results)
