2015 Fiscal Year Annual Research Report
パルス放電プラズマの時間分解発光分光計測と原子分子過程
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26286070
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
赤塚 洋 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 准教授 (50231808)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | プラズマ計測 / プラズマ分光 / 原子分子過程 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実験的には、２年度目は積極的に装置パラメータを変化させて、HeやArに加えてN2やO2を含んだプラズマも対象とし、パルス放電プラズマの特性を変化させ、それによって発光特性の変化する様子を追跡する事を試みた。すなわち、加えるパルスの電圧、パルス幅、パルス立ち上がり速度、放電気圧、などを変化させつつ、He, Ar, N2, O2のそれぞれのプラズマの各励起状態の数密度、さらに分子気体の場合は振動温度や回転温度について、時間変化を詳細に実験的に追跡した。
一方、理論研究としても、HeやArに加えてN2やO2を含んだプラズマも対象とし、26年度と同様、EEDFの時間的変化を時間依存ボルツマン方程式で追跡し、励起種の生成消滅のレート方程式と連立させた解法を研究した。もちろん、これら分子種のカイネティックスには主要な電子状態の振動励起状態なども含める。26年度と異なり、衝突項に、窒素分子振動励起状態との衝突による超弾性衝突も含めた。窒素プラズマの各電子励起状態の振動励起状態も時間依存の関数として計算し、超弾性衝突と振動励起緩和の関係を十分モデルに取り入れた。ボルツマン方程式の過渡変化を取り入れるために、定常状態で確立したストラテジーが現実のパルス放電プラズマに対しても適用できる事を実験的に確認した。
また、実験結果を理論研究にフィードバックして反応理論モデリングの改良を加える。窒素分子・酸素分子の励起準位や解離して生じるラジカルなどについても、主要な気相化学反応も含めた励起種生成消滅の時間依存方程式を立式し、それらも含めたパルス放電プラズマの発光分光計測に堪えるレート方程式理論モデルの作成・改善を実施した。
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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
実験的に、積極的に装置パラメータを変化させて、HeやArに加えてN2やO2を含んだプラズマも対象としプラズマの特性を変化させ、それによって発光特性の変化する様子を追跡する事ができた。すなわち、加えるパルスの電圧、パルス幅、パルス立ち上がり速度、放電気圧、などを変化させつつ、He, Ar, N2, O2のそれぞれのプラズマの各励起状態の数密度、さらに分子気体の場合は振動温度や回転温度について実験的に放電条件への依存性を追跡できている。
一方、理論研究としても、HeやArに加えてN2やO2を含んだプラズマも対象とし、26年度と同様、EEDFの時間的変化を時間依存ボルツマン方程式で追跡し、励起種の生成消滅のレート方程式と連立させた解法を研究できた。もちろん、これら分子種のカイネティックスには主要な電子状態の振動励起状態なども含められた。26年度と異なり、衝突項に、窒素分子振動励起状態との衝突による超弾性衝突も含めた。窒素プラズマの各電子励起状態の振動励起状態も時間依存の関数として計算し、超弾性衝突と振動励起緩和の関係を十分モデルに取り入れた。ボルツマン方程式の過渡変化を取り入れるために、定常状態で確立したストラテジーが現実の放電プラズマに対しても適用できる事を実験的に確認することも、進展しつつある。
また、実験結果を理論研究にフィードバックして反応理論モデリングの改良を加えつつある。窒素分子・酸素分子の励起準位や解離して生じるラジカルなどについても、主要な気相化学反応も含めた励起種生成消滅の時間依存方程式を立式し、それらも含めた放電プラズマの発光分光計測に堪えるレート方程式理論モデルの作成・改善を実施しているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
28年度前期は理論研究の続きとして、窒素・酸素を含むアルゴンあるいはヘリウムの放電気体を対象として、それらの励起準位・ラジカルをも含めて、励起種生成消滅の時間依存方程式を立式し、反応性気体を含むパルス放電プラズマの発光分光計測に堪える理論モデルへの改善を実施する。
実験研究としては、26-27年度は、放電条件を入力条件として分光特性を測定し、そのメカニズムを考察し解明する事が基本であった。28年度には本研究の最終目標として、これを逆転させ、分光計測結果から電子温度(あるいはEEDF)・電子密度の変化を導出する。すなわち発光特性からプラズマパラメータの特定の可能性を探るという方針に切り替える。これによって求められたEEDFや電子密度、あるいは放電条件変化による電子温度(あるいはEEDF)・電子密度の値の変化が、理論的にも妥当なものであるか否か、自作の理論との合致はもちろん、電気回路的にも矛盾のないものであるかを検討する。また、理論・実験を総合して、電子温度・密度変化に敏感に応答する励起準位の組を見いだすよう努める。平成26-27年度の研究を下に適宜実験を再度実施しつつ確認する。以上を総合して、論文の作成、国際会議および国内学会での成果発表を行い、以降の課題の抽出を行い、総合的な実験・理論の総括を行う。
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| Causes of Carryover |
実際の放電プラズマを生成するにあたり、幸運なことに当初予想よりも電極の消耗や放電管の損傷が激しくなく、高価な金属電極材料や石英放電管を大量に必要としなくなったことが挙げられる。合わせて、当初予想よりも放電プラズマの維持のための電気回路に、高価な高耐圧コンデンサを必要とすることがなくなり、さらに電流安定化用のコイルについてもほとんど必要とせず、電気回路部品としても、消耗品の必要量が当初予定のおよそ6割で済んだことが挙げられる。さらに、放電装置の運転が予想以上に簡単で、当初計上していた学生アルバイト謝金を全く必要としなくなったことが最も大きい要因である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
アジア圏の国際会議に出席すべく、海外出張旅費として使用を計画している。（ICPP, 台湾、高雄市）
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