Application of External Electric Fields to Clarify the Dynamics of gas flow in Atmospheric Pressure Plasma Jet

应用外部电场阐明大气压等离子射流中气体流动的动力学

• 批准号: 22K14185
• 负责人: 山田 大将
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Nagano National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14185/
• 关键词: 大気圧プラズマジェット; シュリーレン光学系; 外部電場印加

本研究は，様々な分野で使用されている大気圧プラズマジェット(APPJ)とガス流の密接な関係に着目し，ダイナミクス理解を進めることによりAPPJ制御や活性種の効率的輸送を目指す．希ガス等の作動ガス流への高電圧印加により生成されるAPPJが作り出す各種応用で重要な活性種はガス流により処理対象へと輸送される．また，プラズマ中の荷電粒子は，電場加速によりガス流を構成する中性粒子へと衝突し，ガス流へと作用する．この作用は，ガス流の乱流化等を誘起し，プラズマの大きさにも影響を与える．この様にAPPJとガス流は相互に関わっているが，そのダイナミクスの理解は十分ではない．そこで，APPJに外部電場を印加し荷電粒子の動きを分かりやすくした状態で，シュリーレン観察や高速度カメラ撮影，分光法等のプラズマ計測を駆使して，「何が・どのように」ガス流へ影響を与えているかを特定することが本研究の目的である．2022年度の研究では，シュリーレン計測を行いながら発光分光計測及び質量分析計測を行うことができる実験系を開発し，その実験を行った．この実験では，同一の外部電場印加条件下であっても異なるガス流挙動を示すことが過去の研究で分かっている３つの条件で生成したプラズマを用いた．具体的には，①両極性の正弦波，②正極性の正弦波，③負極性の正弦波の電圧を電極に印加してプラズマを生成した．その結果，条件により発光分光計測結果は大きく変化することが明らかとなった．特に，酸素原子等の酸素系活性種と窒素イオン分子等の窒素系活性種では，条件による発光強度の変化が異なる挙動を示していた．この変化は当初予定していた傾向とは異なっており，前述の①と②はガス流屈曲方向が同一であるため，発光も同様の傾向を示すことを予想していたが，発光分光計測では①と③の条件が同一の傾向を示した．この結果についてはより詳細に今後評価を行う予定である．

这项研究的重点是大气压力等离子体引流（APPJ）与气体流量之间的密切关系，这些关系用于各个领域，旨在通过促进对动态的理解来控制APPJ并有效地运输活性物种。在APPJ生产的各种应用中很重要的活性物种，这些物种是通过将高压在工作气流（例如稀有气体）上施加的，被气流运输到治疗目标。此外，血浆中的带电颗粒与中性颗粒相撞，这些颗粒构成了由于电场加速而引起的气流，该颗粒作用于气流。这种作用会诱导气流的湍流，还会影响等离子体的大小。这样，尽管APPJ和气流相互关联，但对它们的动态没有足够的了解。因此，这项研究的目的是将外部电场应用于APPJ，以使带电颗粒的运动更易于理解，并通过使用等离子体测量值，例如Schlieren观察，高速相机摄影和光谱法。在2022年的研究中，我们开发了一个实验系统，该系统允许在执行Schlieren测量时进行发射光谱和质谱测量，并进行了实验。在该实验中，在以前的研究中发现的三种条件下，即使在相同的外部电场施用条件下，气体流动行为也有所不同。具体而言，通过施加1）双相正弦波，2）正弦波和3）向电极的阴性正弦波产生血浆。结果，发现发射光谱测量结果根据条件而变化很大。特别是，基于氧的活性物种，例如氧原子和基于氮的活性物种，例如氮离子分子，取决于条件的不同。这种变化与最初计划的趋势不同，并且由于上述①和②具有相同的气流弯曲方向，因此我们希望发射也会表现出相同的趋势，但是在发射光谱测量中，条件①和③显示相同的趋势。这些结果将来将在未来进行更详细的评估。

项目成果

外部電場印加時における大気圧プラズマジェットのガス流計測

施加外部电场时大气压等离子体射流的气体流量测量

• 发表时间: 2023
• 作者: 山田大将