Ammonia synthesis using low and high electron temperature coexisting plasma with spiral magnetic field

螺旋磁场低、高电子温度共存等离子体合成氨

基本信息

批准号：
20K20909
负责人：
大野哲靖
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-07-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K20909/
关键词：
単純トーラス型プラズマ螺旋状プラズマ高密度水素・窒素混合プラズマアンモニア合成水素原子窒素原子 2光子吸収レーザー誘起蛍光計測単純トーラス型プラズマ装 NHラジカル質量分析器単純トーラス型プラズマ装置プラズマ再結合アンモニア螺旋状磁場

项目摘要

単純トーラス型プラズマ装置を用いて，長い磁力線長有する螺旋状プラズマを生成し，近接領域に異なった電子温度（高温，低温）領域が存在するこれまでにない水素，窒素混合プラズマ反応場を形成し，高電子領域（５eV以上）での水素分子の解離過程と低電子温度（1eV以下）での窒素分子イオンの解離性再結合過程を共存させることにより，アンモニア合成を目的としている。前年度にはこの反応場で，アンモニアに由来するNHラジカルの発光と質量数18のスペクトルが観測された。さらにアンモニア形成効率を向上させるために，放電の最適化と消費電力の低減を実施した。陽極の熱耐性を向上させ放電電力を従来より高くした条件でプラズマ生成を行い、イオン飽和電流の2次元分布を計測した。それに基づきプラズマ中心電子温度、電子密度のガス圧依存性の評価を行った。1周目の中心位置において、ガス圧変化によって電子密度・温度は大きく変化せず、放電電力1.5 kWで電子密度10^18 /m^3以上の高密度プラズマが生成された。またプラズマ生成のために必要な総電力の約6割が長磁力線形成に占められているため，磁場強度変化によるプラズマ生成条件の最適化を行った。磁場生成のための電力を5.4kWから0.5kWに減少させても，プラズマ密度の減少は1/3程度に留まり，放電効率（総電力に対するプラズマ生成量）が著しく向上することを分かった。さらに，水素原子，窒素原子密度を直接観測するために2光子吸収レーザー誘起蛍光システムの立ち上げを行い，重水素原子密度の計測を可能とした。

利用简单的环面型等离子体装置，我们产生了具有长磁力线的螺旋等离子体，创造了前所未有的不同电子温度（高温和低温）区域非常接近的氢/氮混合等离子体反应场。通过同时存在氢分子在高电子温度（5 eV或更高）下的解离过程和氮分子离子在低电子温度（1 eV或更低）下的解离复合过程来合成氨。去年，在该反应现场观察到来自氨的NH自由基的发射和质量数为18的光谱。此外，为提高氨生成效率，我们优化排放，降低电耗。在阳极耐热性提高且放电功率比以前更高的条件下产生等离子体，并测量离子饱和电流的二维分布。在此基础上，我们评估了等离子体中心电子温度和电子密度对气压的依赖性。在第一轮中心位置，电子密度和温度没有因气压变化而发生明显变化，放电时产生电子密度为10^18/m^3以上的高密度等离子体功率1.5千瓦。此外，由于形成长磁力线约占等离子体生成所需总功率的60%，因此我们通过改变磁场强度来优化等离子体生成条件。结果发现，即使用于产生磁场的功率从5.4kW减少到0.5kW，等离子体密度也只会降低约1/3，并且放电效率（产生的等离子体量相对于总功率））将显着改善。此外，我们推出了双光子吸收激光诱导荧光系统，可以直接观察氢和氮的原子密度，使得测量氘原子密度成为可能。

项目成果

期刊论文数量（13）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Deuterium Atom Measurement by TALIF in the Spiral Plasma Generator NAGDIS-T

在螺旋等离子体发生器 NAGDIS-T 中使用 TALIF 测量氘原子

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
K.Hiraiwa;S.Kajita;R.Nishio;H.Tanaka;K.Tojo;M.Aramaki;R.Yasuhara;N.Ohno
通讯作者：
N.Ohno

Nitrogen Atom Density Measurements in NAGDIS-T Using Vacuum Ultraviolet Absorption Spectroscopy

使用真空紫外吸收光谱法在 NAGDIS-T 中测量氮原子密度

DOI：
10.1585/pfr.17.1201004
发表时间：
2022
期刊：
Plasma and Fusion Research
影响因子：
0.8
作者：
Ryosuke Nishio;Shin Kajita;Hirohiko Tanaka;Koji Asaoka;Takayoshi Tsutsumi;Masaru Hori;Noriyasu Ohno
通讯作者：
Noriyasu Ohno

Atomic nitrogen density measurements by actinometry method in the toroidal device NAGDIS-T

在环形装置 NAGDIS-T 中通过光化法测量原子氮密度

DOI：
10.35848/1347-4065/aba456
发表时间：
2020
期刊：
Japanese Journal of Applied Physics
影响因子：
1.5
作者：
Kajita Shin;Asaoka Koji;Tanaka Hirohiko;Nishio Ryosuke;Tsutsumi Takayoshi;Hori Masaru;Ohno Noriyasu
通讯作者：
Ohno Noriyasu

VUVAS/Actionaometry/LIFを用いた窒素原子密度計測

使用 VUVAS/Actionaometry/LIF 测量氮原子密度