| 研究課題/領域番号 |
17H04817
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
高島 圭介 東北大学, 工学研究科, 助教 (70733161)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 気液界面プラズマ / 振動励起 / 窒素固定 / 非自己維持直流放電 |
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| 研究実績の概要 |
食料生産に不可欠な化合物窒素を効率的に合成する手法として，自然エネルギーと空気を原料とする高効率な放電プラズマ窒素固定法の実現が期待されている．本研究では，高効率な放電プラズマ窒素固定法の実現を目標として，気液境界高振動温度窒素プラズマ生成を行う．初年度は，高振動温度化のために換算電界を制御したナノ秒パルス維持-非自己維持直流放電の生成実験を行った．以下に得られた知見を記す．
１．高繰返しナノ秒パルス電圧印加による電極間の電離は，高電圧且つ高繰返し運転時のみ実現できることが実験的に明らかとなった．これらは共に，電離波の進展速度増加をもたらすことが知られている．このため，有限時間のナノ秒パルス電圧印加で電極間を電離させるためには，高速な電離波が必要であることが示唆された．またこの結果は，進展速度のある程度の低下は，パルス印加時間の増加によっても補えることを示している．
２．窒素の圧力を大気圧に近づけると，電離波の進展速度低下するため，電極間電離を行うためにはより高電圧高繰返しのナノ秒パルス電圧印加が必要であることが分かった．
３．高繰返し高電圧ナノ秒パルス電圧と直流電圧を重畳することで，電極間に直流電流が流れることが観測できた．この直流電流は，パルス放電後のプラズマ密度の減衰と共に，おおよそ指数的に減衰し，直流電圧印加中に遮断された．これは，ナノ秒パルス維持-非自己維持直流放電が，単一電極対で実現できたことを実験的に示すものである．
４．非自己維持直流放電電圧を増加させると，電流の減衰の速度が急激に低下する閾値があることが明らかとなった．この時，電流の減衰は指数的ではなくべき級数的であり，電子再結合過程に何らかの変化がもたらされた可能性を示唆している．この時，電流の減衰が遅くなるため連続的に電流が流れ，放電電力が10倍近く増加することが明らかとなった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
初年度に予定していたナノ秒パルス維持-非自己維持直流放電を窒素中で実現し，見かけの換算電界で2Td程度を達成した．換算電界をさらに強める実験を行った際，想定以上の放電電力を実現できる放電条件がある事を見出し，計画していたｋWクラスの非自己維持放電が達成できた．また2年目に予定していた振動温度計測の準備を行い，簡易な検出方法で大気圧空気の振動ラマン散乱信号を得ることに成功した．
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度の成果から，二年目でナノ秒パルス放電電圧印加時間を増加させ放電特性を調査することで，電極間の電離と再結合過程を制御し，振動励起に適切な換算電界と放電電力の制御が可能となる放電条件の探索を行う．
それに平行して，1年目に簡易検出器で検出した振動ラマン信号を，入手予定のICCDカメラと分光器で計測するシステムを作製する．また，ラマン散乱が計測できるよう放電装置を改良し，ナノ秒パルス維持-非自己維持直流放電中のラマン散乱計測を行う．さらに，窒素の振動温度計測から，振動励起エネルギー効率を明らかにする．この計測から，換算電界や放電電力等の条件に対し，効率よく窒素を振動励起できる条件を実験的に明らかにする．
さらに液体の水を放電装置内に導入できる実験装置を開発し，気液界面での高振動温度窒素プラズマの生成を試みる．
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