放電と光の融合によるレジリエントな窒素系プラズマ反応場の学理

放电光融合弹性氮基等离子体反应场原理

基本信息

批准号：
21H01316
负责人：
金澤誠司
金额：
$ 11.56万
依托单位：
Oita University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

通常、空気中で放電させるとその発光は窒素のスペクトルが大部分を占める。そのため発光の元となる励起窒素とそれに基づく化学反応が、放電を利用するプロセスでは重要となる。空気中や水との界面で放電を発生させて空気や水の質を向上させることができれば、空気・水の環境改善に適用できる。研究2年目では、昨年度観測に成功した放電では発光しない準安定準位にあって比較的長寿命な窒素の放電後の状況を精緻に観測した。すなわち、放電によりエネルギーが注入されたあとの、放電電流は流れていないアフターグローと呼ばれる微弱発光が減衰していくなかで準安定準位にある窒素がどのような振る舞いをするのかを解明することに注力した。具体的には、レーザー誘起蛍光法を適用してシングルショットのレーザー照射で、準安定準位窒素分子の放電空間における2次元分布をリアルタイムでその場観測した。放電は大気圧より圧力の低い準大気圧（大気圧の数分の一程度の雰囲気）で実施した。準安定準位にある窒素には多くの振動準位が存在するが、上準位から脱励起されて最終的に落ち着く最下位の準位ではなくその一つ前の過程として経由する振動準位v”=2やv”=3からの蛍光強度が強く観測され、シミュレーションによる予測と一致することが実証された。それらは放電によるストリーマのフィラメント状の発光領域よりも時間経過とともに広がっていく分布をとり、蛍光が観測できる時間は数十マイクロ秒にもなる。この寿命は従来の論文で一般的に言われている2秒という長寿命ではないことがわかった。さらに本研究の目標である光との融合を試みるために、その予備実験として放電で生成する気体成分と紫外光の相互作用を調べた。その結果、反応生成物にはヒドロキシルラジカルや一重項酸素が含まれることがわかった。

通常，当在空气中排放时，发射光谱以氮气为主。因此，作为光发射源的受激氮以及基于它的化学反应在利用放电的过程中非常重要。如果能够通过在空气中或与水的界面处产生放电来改善空气和水的质量，则可以应用于改善空气和水环境。研究的第二年，我们对氮气放电后的情况进行了详细的观测，氮气处于亚稳态，寿命比较长，放电时不发光，去年我们成功观测到了这一点。换句话说，目的是阐明当没有放电电流流动时发生的称为余辉的微弱光发射在通过聚焦放电注入能量后衰减时，处于亚稳态的氮如何表现。具体来说，我们应用激光诱导荧光方法，利用单次激光照射实时观察放电空间中亚稳态氮分子的二维分布。放电是在低于大气压的压力（大约是大气压的几分之一的气氛）下进行的，该压力低于大气压。亚稳态的氮有很多振动能级，但并不是从上能级去激发并最终稳定下来的最低能级，而是经过前面过程的振动能级从v”=2开始的强荧光强度。观察到v”=3，这与模拟预测一致。与放电引起的流光的丝状发光区域相比，它们的分布随着时间的推移而扩展，并且可以观察到荧光的时间为几十微秒。结果发现，这个寿命并不像以前论文中普遍声称的那样长2秒。此外，为了尝试本研究的目标——与光的融合，作为初步实验，我们研究了放电中产生的气体成分与紫外线之间的相互作用。结果发现反应产物含有羟基自由基和单线态氧。