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

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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。