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

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．

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．