| 研究課題/領域番号 |
18H01207
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| 研究機関 | 首都大学東京 |
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研究代表者 |
杤久保 文嘉 首都大学東京, システムデザイン研究科, 教授 (90244417)
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| 研究分担者 |
中川 雄介 首都大学東京, システムデザイン研究科, 助教 (80805391)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | プラズマ液体相互作用 / 液滴 / エレクトロスプレー / コロナ放電 / 誘電体バリア放電 / 放電数値解析 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，(i)誘電体バリア放電へ液滴を導入した系，(ii)コロナ放電を伴うエレクトロスプレーの系，の2種の系において，実験とモデリング・数値解析からプラズマと液滴の相互作用の解明を目的とする。今年度の成果概要は以下の通りである。
系(i)について：石英管とステンレス棒を用いた同軸円筒型誘電体バリア放電装置を作成し，超音波霧化装置で発生させた液滴をヘリウム流で放電装置内に導入することによって液滴を含むヘリウムプラズマを発生させた。この時の電気的特性（電圧電流波形）の観測，及び，発光分光診断を行った。液滴の導入により，He発光に加えてOHとHの発光を観測した。また，放電管内に導入したレーザー光（532 nm）の散乱光より，放電路内を輸送される液滴の挙動を観測した。これらより，液滴を導入したヘリウム誘電体バリア放電のマクロな性質は分かったが，ミクロな視点での液滴とプラズマの相互作用の解明は不十分であり，次の段階としてプラズマ中の単一液滴の挙動解析を視野に入れている。数値解析として，前年度に開発したプラズマ中に置かれた単一液滴の帯電過程のモデルを拡張して，プラズマ誘起液滴内液相反応モデルを構築した。液滴内の短寿命活性腫の反応は，プラズマからの電子・イオンのフラックス量に依存し，液滴表面近傍のみで起こることが示唆された。
系(ii)について：前年度に引き続き，トリチェルパルス放電を伴うテイラーコーン形成及び微小液滴の放出過程について，高速カメラによる画像観測と放電電流の観測を実施した。特に，今年度は，液体の特性（導電率，粘性），電極間距離，液体供給量をパラメータとして，詳細な特性を調べた。特に，放電電流波形，液滴放出の周期，放出された液滴の速度は条件によって異なるが，動的に変化する液滴先端の曲率半径が重要なパラメータであることが示された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2019年度の当初研究計画では，系(i)については，放電チャンバーや電極を設計・製作し，液滴を含むプラズマの電気的特性，光学的特性を調査することを目標としていた。当初予定していた減圧環境下での計測には至っていないが，ほぼ当初の予定通りに研究を遂行できた。数値解析についても，プラズマ中に置かれた単一液滴に対して，プラズマ誘起液滴内液相反応モデルを構築できており，ほぼ計画通りに進行している。系(ii)については，トリチェルパルス放電を伴うテイラーコーン形成及び微小液滴の放出過程について，液体の導電率や粘性率，電極間距離，電圧，液体供給量をパラメータとして詳細な結果を得た。現在，データと知見の詳細を取りまとめている所ではあるが，予定通りに進行している。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験：系(i)では，液滴を含む大気圧ヘリウム誘電体バリア放電のマクロな電気的特性，光学的特性については調べることができたが，プラズマと液滴の相互作用を厳密に調べるためには，プラズマ中の単一液滴の挙動を明らかにすることが重要であるとの認識に至った。そこで，2020年度の計画としては，誘電体バリア放電内に単一液滴を投入できる実験系を作製し，単一液滴の挙動の詳細を高速ビデオや分光計測により調査することに注力する。系(ii)については，コロナ放電を伴うエレクトロスプレーの動作条件の拡張のために，0.1気圧程度の減圧環境下，及び，空気以外のガス（希ガスであるヘリウムを候補とする）の環境下における実験を進める。既に，そのためのリアクタ設計と製作は終えている。得られた実験結果を詳細に解析することで，プラズマ－液滴相互作用に関する新たな知見を得る。
モデリング・数値解析：系(i)に対しては，今年度に構築した，プラズマ中に置かれた単一液滴に対するプラズマ誘起液滴内液相反応モデルを拡張して，誘電体バリア放電様に時間変化するプラズマ中でのプラズマ－液滴相互作用を調べるとともに，単一液滴モデルを空間一次元流体モデルと連成して，ミクロな反応系を組み込んだマクロモデルの構築を目指す。
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