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

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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。