酸素原子供給型非自己維持直流放電プラズマによる高効率窒素固定の機構解明

阐明氧原子供给非自持直流放电等离子体高效固氮机理

• 批准号: 20J20527
• 负责人: 國嶋 友貴
• 金额: $ 2.18万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J20527/
• 关键词: 窒素固定; 振動励起; 換算電界; 非自己維持直流放電; 振動・回転温度; 緩和過程; 振動緩和モデル; 流体モデル; ゼルドビッチ機構; 振動温度; 回転温度

本研究では，プラズマ中の換算電界制御により，大量の高振動準位窒素N2(v)を酸素原子Oと反応させるゼルドビッチ機構を活用する，高効率プラズマ窒素固定の実現を目的とした．プラズマ生成用パルス電圧に直流低電圧を重畳する非自己維持直流放電プラズマを用いてプラズマ中の換算電界を制御する実験を行い，以下の成果を得た．1. 振動励起窒素N2(v)の選択的生成：前年度までに，非自己維持直流放電プラズマ中の換算電界や繰り返しパルス周波数の制御により，回転温度上昇を約100 Kに抑えつつ振動温度上昇約1000 Kを実現可能な実験条件を見出した. 今年度は振動励起窒素N2(v)の高準位観測を重点的に行い，レーザーラマン分光法により得られたスペクトルにおいて振動準位v=13までの観測に成功した．振動準位v>11の実験的観測は，ゼルドビッチ機構を活用した窒素固定反応を議論できる直接的情報であり，本研究の重要なマイルストーンの達成である．窒素プラズマ中の換算電界制御の効果として，回転温度を低く保ちながら高振動準位の選択的生成を実証する初めての成果を得た．2. 振動励起窒素N2(v)の空間的・時間的な挙動の検討：前年度までに開発した振動緩和モデルに加え新たに流体モデルを構築することにより，振動励起窒素N2(v)の空間的・時間的な挙動を検討した．実験における放電後の時間減衰が，N2(v)の緩和過程や反応ではない流体的特性による影響の示唆から，大部分が放電部下流へ輸送されるという洞察が得られ，窒素固定のための反応炉構築に向けた重要な知見が得られた．以上のことから，非自己維持直流放電を用いた振動励起窒素プラズマにおける，顕著な実験的成果と現象を説明できるモデル化計算手法を実現した．さらに，本研究の非自己維持直流放電プラズマは，振動励起窒素を活用した高効率プラズマ窒素固定研究のモデル構築・検証が可能なプラットフォームとなることを示す結果となった．

In this study, a large number of high-level vibrational elements N2(v) were used to control the conversion of electrons. The following results were obtained: The generation of vibration excitation N2(v): In the previous year, the non-self-maintained DC current was converted into the current field, and the cycle number was controlled. The return temperature rose by about 100 K. The vibration temperature rose by about 1000 K. The possible conditions were found out. This year, the vibration excitation element N2(v) is measured at high level. The measurement is successful at the vibration level v=13. The vibration level v>11 and the actual measurement of the vibration level v> 11 are the most important aspects of this study. The results of the control of the electric field in the conversion of the elements to the high vibration level are obtained. 2. The spatial and temporal motion of the vibration excitation element N2(v) is discussed in the following ways: the previous year, the vibration mitigation mechanism is opened, the new fluid mechanism is added, and the spatial and temporal motion of the vibration excitation element N2(v) is discussed. The time attenuation of N2 (v) is reduced after discharge, and the influence of N2(v) on the characteristics of N2(v) and N2 (v) fluids is greatly influenced by the observation of N2 (v) and N2 (v) on the flow transportation under discharge. The above phenomena are explained in detail by the calculation method of the non-self-sustaining DC current. In this study, the non-self-sustaining DC current source is used to generate high efficiency vibration excitation.

项目成果

非自己維持直流放電による窒素振動励起プラズマの加熱過程

非自持直流放电氮振动激发等离子体的加热过程

• 发表时间: 2022
• 作者: Noboriguchi Akatoki;Nagao Tohru;Toba Yoshiki;Ichikawa Kohei;Kajisawa Masaru;Kato Nanako;Kawaguchi Toshihiro;Matsuhara Hideo;Matsuoka Yoshiki;Onishi Kyoko;Onoue Masafusa;Tamada Nozomu;Terao Koki;Terashima Yuichi;Ueda Yoshihiro;Yamashita Taku;國嶋 友貴，高島 圭介，金子 俊郎
• 通讯作者: 國嶋 友貴，高島 圭介，金子 俊郎

窒素振動励起非自己維持直流放電プラズマ中の窒素分子加熱・緩和過程

氮振动激发非自持直流放电等离子体中氮分子的加热与弛豫过程

• 发表时间: 2021
• 作者: Kaneda Yukio;Ishihara Takashi;Morishita Koji;Yokokawa Mitsuo;Uno Atsuya;國嶋 友貴，高島 圭介，金子 俊郎
• 通讯作者: 國嶋 友貴，高島 圭介，金子 俊郎

Measurement of nitrogen vibrational distribution in Non-Self-Sustaining DC discharge plasma source

非自持直流放电等离子体源中氮振动分布的测量

• 发表时间: 2021
• 作者: 奥村賢直;アトリ パンカジ;古閑一憲;鎌滝晋礼;板垣奈穂;白谷正治;Y. Kunishima，K. Takashima，and T. Kaneko
• 通讯作者: Y. Kunishima，K. Takashima，and T. Kaneko

Afterglow Measurement of Vibrationally Excited Nitrogen in an Apparent E/N Controlled Plasma by Non-Self-Sustaining DC Discharge Plasma Source

非自持直流放电等离子体源对表观 E/N 控制等离子体中振动激发氮的余辉测量

• 发表时间: 2020
• 作者: Y. Kunishima;K. Takashima;and T. Kaneko
• 通讯作者: and T. Kaneko

非自己維持直流放電プラズマによる窒素振動励起

非自持直流放电等离子体的氮振动激发

• 发表时间: 2021
• 作者: Pflugradt Janek;Ichikawa Kohei;Akiyama Masayuki;Kokubo Mitsuru;Vijarnwannaluk Bovornpractch;Noda Hirofumi;Chen Xiaoyang;Ryoji Matsumoto;國嶋 友貴，高島 圭介，金子 俊郎
• 通讯作者: 國嶋 友貴，高島 圭介，金子 俊郎