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

• 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

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。在阳极热阻改善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，而放电效率（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原子密度，使得测量氘原子密度成为可能。

项目成果

トーラス型装置NAGDIS-Tを用いた窒化チタン形成と特性評価

使用环形装置 NAGDIS-T 进行氮化钛的形成和性能评估

• 发表时间: 2021
• 作者: 東條圭吾;大野哲靖;梶田信;田中宏彦;西尾亮佑;溝口桜子
• 通讯作者: 溝口桜子

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
• 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

Nitrogen Atom Density Measurements from Vacuum Ultraviolet Absorption Spectroscopy and Actionometry in Spiral Shape Plasma

螺旋形等离子体中真空紫外吸收光谱和作用测量法的氮原子密度测量

• 发表时间: 2020
• 作者: R. Nishio; N. Ohno; S. Kajita; H. Tanaka; K. Asaoka; T. Tsutsumi; M. Hori
• 通讯作者: M. Hori

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

• 发表时间: 2023
• 作者: K.Hiraiwa; S.Kajita; R.Nishio; H.Tanaka; K.Tojo; M.Aramaki; R.Yasuhara; N.Ohno
• 通讯作者: N.Ohno

トーラス型装置NAGDIS-Tを用いた窒素水素混合プラズマ照射による窒化チタン形成

使用环形装置 NAGDIS-T 通过氮氢混合等离子体辐射形成氮化钛

• 发表时间: 2022
• 作者: 東條圭吾;平岩晃汰;田中宏彦;梶田信;大野哲靖
• 通讯作者: 大野哲靖