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複数の移動度・拡散係数測定手法によるクラスターイオン・分子間の衝突断面積の推定

Research Project

Project/Area Number 23K03828
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21010:Power engineering-related
Research InstitutionTomakomai National College of Technology

Principal Investigator

奥山 由  苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (50761699)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords負イオン / 移動度 / パルスタウンゼント法 / イオン・分子反応 / 反応速度定数 / 大気圧プラズマ / 酸素 / イオン移動度 / 衝突断面積
Outline of Research at the Start

近年,大気圧プラズマの医療,環境,農業をはじめとした幅広い産業分野における応用研究が進められているが,その基礎データとなる研究は大気圧下で得られたものではなく低いガス圧力(真空中)で得られたものが多い。本研究では,大気圧下でそれらの基礎データ収集を目指して研究を進める。本研究では,よりミクロな視点でイオン輸送理論を説明できる衝突断面積に着目し,これまでに実験的に観測することができなかったクラスターイオンについて,新たな手法として複数の移動度および拡散係数測定法を用いて幅広いガス圧力下でデータ収集し,シミュレーション結果とのフィッティングやJWKB近似などによって,その断面積の推定に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

大気圧プラズマの応用研究は,医療,農業,環境などの幅広い分野で急速に発展しており,今後の工学の発展には欠かせないものである。それらの基礎データについては,電子スオーム法による電子衝突断面積推定や定常タウンゼント法による電離係数決定などによる電子・原子分子間の衝突現象の解明および基礎データ収集などがあげられるが,これらの実験は主に低ガス圧力下で行われてきた。それに対し,大気圧下ではイオンの観測が主となり,そこでは移動度,拡散係数などのイオン輸送係数が重要となる。
本研究では「低ガス圧力下から高ガス圧力下までの幅広い範囲において,これまで行ってきたHPIDT法と共に新たにパルスタウンゼント法を導入し,幅広い圧力下における移動度・拡散係数・反応速度定数の測定を行いクラスターイオン・分子間の衝突断面積の推定を行う」ことを目的として研究を進めている。そのため,拡散係数の測定も可能なパルスタウンゼント法を導入し,世界的に見ても最大と言える幅広い圧力下(0.01~3気圧程度)において測定可能な移動度装置への改良を行うとともに実験結果をフィッティングすることによって衝突断面積を推定することを目指す。
2023年度については、従来の移動度測定装置で使用していたイオン源となる自作のパルス紫外光照射装置を窒素レーザーへと改修することによって、①パルスタウンゼント法を用いた移動度および拡散係数の測定を行うと共に②シミュレーションの拡張を行っていく予定であった。その結果、実験装置の窒素レーザーへの改修は行えたが、パルスタウンゼント法によるイオン検出のための電流増幅が不十分であることが判明し、現在電流増幅アンプの設計を行っている所である。シミュレーションについては、従来よりも短ギャップでの結果を得ることができ、実験では見ることが難しいイオンドリフトのより詳細なデータを得ることが出来た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2023年度においては,①パルスタウンゼント法を用いた移動度および拡散係数の測定および②シミュレーションの拡張を行う予定であり,①についてはイオン源を従来までの自作のパルス紫外光から窒素レーザーへの改修を問題なく行うことができ,測定に必要な電流アンプの取り付けを残すのみである。②については,従来よりも詳細なデータを得ることができ,複数の学会で成果を発表している状況である。
①の電流増幅アンプの取り付けについてはすぐに実施できる予定であるので,(2)おおむね順調に進展しているとした。

Strategy for Future Research Activity

2024年度については,パルスタウンゼント法による移動度測定のための電流増幅アンプの設置を行い次第,改修した装置で移動度および拡散係数の測定を行っていくと共に,得られた実験結果とシミュレーションとのフィッティングを行っていく予定である。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023

All Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Presentation] Investigation of mobility and collision cross sections for clustered ions O4- and O2-‧(H2O)n (n = 1, 2, 3) in O2 at atmospheric pressures2024

    • Author(s)
      Yui Okuyama and Hirotake Sugawara
    • Organizer
      ISPlasma2024/IC-PLANTS2024/SPSPT-13
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 短ギャップ長おける負イオン移動度スペクトルに電子が与える影響2024

    • Author(s)
      仲川真生, 奥山由, 菅原広剛
    • Organizer
      プラズマ・核融合学会 北海道地区研究連絡会 第27回研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 大気圧イオン移動度測定において電子移動度が移動度スペクトルに与える影響2023

    • Author(s)
      仲川真生, 奥山由, 菅原広剛
    • Organizer
      令和5年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Investigation of Several Ion Mobility and Cross Sections in O2 at Atmospheric Pressure Based on High Pressure Ion Mobility Measurement2023

    • Author(s)
      Yui Okuyama
    • Organizer
      The 7th Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] O2中におけるH2Oクラスターイオンの衝突断面積の検討2023

    • Author(s)
      奥山由, 菅原広剛
    • Organizer
      第47回静電気学会全国大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Simulation of negative ion mobility at atmospheric pressure in O2 by Monte Carlo method using rate coefficients of ion-molecule reactions2023

    • Author(s)
      Yui Okuyama and Hirotake Sugawara
    • Organizer
      XXXV International Conference on Phenopmena in Ionized Gases
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] イオンドリフトシミュレーションにおける サンプリング手法とデータ処理方法の検討2023

    • Author(s)
      仲川真生, 奥山由, 菅原広剛
    • Organizer
      電気学会 令和5年度 放電・プラズマ・パルスパワー研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 針対平板電極をイオン検出器として用いた大気圧イオン移動度測定とイオン・分子反応の反応速度定数の検討2023

    • Author(s)
      奥山 由
    • Organizer
      第11回イオン移動度研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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