| 研究課題/領域番号 |
19K03816
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分14030:プラズマ応用科学関連
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| 研究機関 | 高知工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
長門 研吉 高知工業高等専門学校, ソーシャルデザイン工学科, 教授 (80237536)
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| 研究分担者 |
栗田 弘史 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70512177)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2020年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2019年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
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| キーワード | 大気圧プラズマ / 反応活性種 / イオン / 質量分析 / 過酸化水素 / イオン-分子反応 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
大気圧プラズマ応用技術の開発が、工学、農業、医療など幅広い分野で活発に進められている。応用技術の多くは大気圧プラズマから発生する様々な反応活性種による効果を利用しているが、プラズマ発生装置から発生している活性種についての情報が容易に得られないことが、応用技術の研究者にとって大きな問題点となっている。本研究は、大気圧イオン化質量分析装置を利用した大気圧プラズマ診断技術を開発し、大気圧プラズマで発生する活性種の種類や分布を明らかにすると同時に、プラズマ発生条件の変化によって活性種生成反応が受ける影響について解明することを目的としている。
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| 研究実績の概要 |
大気圧プラズマで生成する反応活性種を分析するために、プラズマで生成するイオンの質量分析とその組成解析を進めている。令和5年度は下記の2項目について調査を行った。
①添加ガスによる反応活性種の変化
ヘリウムやアルゴンを用いた大気圧プラズマにおいて、酸素や窒素を少量加えると生成する反応活性種に変化が生じることが知られている。そこで、添加ガスの導入によってイオン組成がどのように変化するのかを調べた。ヘリウムプラズマに酸素を加えた場合、O-, O2-, O3- などの酸素由来のイオンの生成量が増加することを確認した。特にO3-の生成量が酸素導入量の増加とともに増えることから、酸素添加によりO3の生成が促進されることがわかった。一方、さらに酸素導入量を増加させるとNO2-やNO3-の増加が観測され、酸素の添加によりNOxの生成を促進するメカニズムがあることが示唆された。窒素ガスを添加した場合は、酸素由来のイオンは減少すると同時にNOx由来のイオンの増加が確認され、活性窒素種の生成が促進することが示された。また、窒素導入時にCN-やCNO-と思われるイオンの増加が確認され、これらのイオンに関連する反応活性種の生成が示唆された。
②プラズマジェット内外での活性種の空間分布
ヘリウムプラズマジェットの進行方向およびジェットに垂直な方向のイオン組成空間分布を測定し、反応活性種の空間分布の推定を行った。その結果、プラズマジェットの内部ではO-が主要なイオンであるが、ジェットの先端に行くにしたがってO3-が増加することを確認した。さらに先端部分からジェットの下流域に向かって、COx-、NOx-へとイオン組成が変化することを確認した。またジェットに垂直な方向では、ジェットの境界付近において多様なイオン種が観測され、様々な活性種が生成していることが示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
実験で使用するプラズマ発生装置については、形状や配線方法、電極間の絶縁方法に改良を加え、安定的に大気圧プラズマを生成できるものを製作することができた。
アルゴンやヘリウムを用いた標準的な大気圧プラズマで生成するイオンの質量スペクトル測定によるイオンピークの解析は終え、これによりプラズマ中で生成する特徴的なイオンピークを抽出することができた。プラズマ特有のイオンの詳細な同定と反応活性種との関連調査については、特に過酸化水素と関連していると推定されるイオンの調査は行った。一方窒素を添加した場合のスペクトルにはこれまでに見られなかったイオンピークが新たに確認され、それらのイオンについてはまだ完了していない。イオン組成の同定には裏付けとなる生成反応の確認が必要であるが、プラズマ特有のイオンにはこれまでに報告されていないイオン種が含まれている可能性があるため、その手掛かりについて既往の研究結果を調査しながら解析を継続している。
気相プラズマ中の活性種由来イオンの測定との比較を行うための、プラズマ照射溶液中の活性種測定法については、電子スピン共鳴 (ESR)と化学プローブ法を用いた測定・分析手法が確立した。気相中の活性種分布との比較については一定の相関が確認できたものの、測定データ数がまだ十分とは言えない状況にある。
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| 今後の研究の推進方策 |
プラズマ特有のイオンについて、特に酸素や窒素などの添加ガスを導入した場合の変化について引き続き実験・解析を行い、添加ガスが反応活性種の生成に与える影響についてより詳しい評価を進める。また、これまでの実験からイオンとそのもとになる反応活性種はプラズマジェットの内部や周辺において、ジェットの進行方向やそれと垂直な方向に対して割合が変化することが確認されている。これまでに知られているプラズマ内での反応モデルと比較を行い、イオン生成反応と反応活性種の関連を定量的に表すプラズマジェット内外における気相反応モデルの構築を行う。さらにこれらの研究結果を総括し、イオン組成分析による活性種分析法の有用性について取りまとめを行う。
プラズマを照射した溶液中の活性種測定との比較においては、最終的にH2O2およびNO2/NO3について取りまとめを行う。
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