2015 Fiscal Year Annual Research Report
プラズマ分子線源とMEMS壁面の創製によるラジカル表面反応機構の構築
| Project/Area Number |
15H05508
|
|---|
| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
齋木 悠 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60550499)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 燃焼 / 化学的消炎 / 表面反応 / MEMS / 分子線 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
燃焼器壁面に近接する火炎は，壁の影響を強く受け，その安定性が著しく悪化する．この壁面の効果には，壁への熱損失による熱的消炎効果と壁面での活性化学種（ラジカル）の吸着・再結合反応に起因する化学的消炎効果が存在するが，化学的な効果に関しては，ラジカル表面反応に関する定量情報の取得が難しく，その消炎メカニズムが未解明のままにされてきた．そこで，本研究では，MEMS，プラズマ，分子線および燃焼診断技術を融合させることで，化学的消炎効果の解明・モデリングを行うことを目的としている．
本年度は，まず，MEMSプロセスで用いられる原子層堆積法および真空アークプラズマ技術により，種々の金属，金属酸化物の薄膜を鏡面研磨した石英基板表面に蒸着し，陽極酸化法などの表面微細加工技術も援用することで，異なる材質・表面欠陥を持つ壁面（MEMS壁面）の製作を行った．また，一方で，平行平板流路内に形成されるメタン・空気予混合火炎を対象とし，気相・表面反応を考慮した数値解析を行うことで，水素ラジカル（H）の壁面での吸着反応が，化学的消炎効果において最も重要な役割を担うことを見出した．この結果に基づき，Hラジカル吸着挙動を解明することを最優先の目標として，ラジカルのオンデマンド生成を可能とする非平衡プラズマ源を備えた分子線銃，および超高真空チャンバからなる分子線散乱計測設備を新たに構築した．これまでに，水素ガス（H2）を真空チャンバ直前でプラズマ分解することで，Hラジカルの超音速分子線を形成することに成功している．今後，上述のMEME壁面に対し，本分子線を用いた散乱測定を実施することで，様々な壁面におけるHラジカル吸着プロセスの定量評価が可能になると考えられる．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度の目標は，MEMS技術による様々な性状の壁面の作成，およびラジカルの壁面における吸着過程を直接評価可能なプラズマを用いた分子線散乱計測手法を開発することであった．これまでに，薄膜および表面微細加工技術を用いることで，異なる粗さを持つアルミナや実機で多用されるステンレス，インコネルなどの表面を製作することに成功している．また，非平衡プラズマ源を備えた分子線ノズルおよび超高真空チャンバからなる分子線散乱測定設備を新たに構築し，本装置により，化学的消炎において重要な水素ラジカルの分子線を形成可能なことを明らかにした．今後，ノズル径の最適化などを通じて，分子線の単色性を向上させる必要があるものの，本研究は，当初の目標に照らしておおむね順調に進展していると考えられる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果に基づき，化学的消炎効果の解明・モデリングを目指す．具体的には，まず，開発したプラズマ分子線散乱測定装置を用いて，水素ラジカルに加え酸素およびヒドロキシルラジカルの分子線の形成を試みる．そして，上述のMEMS壁面に対してラジカルの分子線を照射し，壁面で散乱したラジカルの飛行時間分布を質量分析器により取得・解析することで，異なる性状・温度の壁面に対する各ラジカルの吸着確率を定量的かつ系統的に明らかにする．また，一方で，本分子線計測は，超高真空の環境下での実験であることから，得られたデータを燃焼場においても検証する必要がある．そこで，2枚の壁面で挟まれた火炎を対象とし，紫外線マイクロスコープを用いた顕微レーザー誘起蛍光法により，異なる壁面近傍におけるラジカル分布を測定する．これを分子線計測で得た吸着確率を考慮した数値計算結果と比較することで，散乱実験データの妥当性を確認し，新たなラジカル表面反応モデルの提案を目指す．
|
