[論文レビュー] Characterization of dielectric barrier discharge in air applying current measurement, numerical simulation and emission spectroscopy

Priyadarshini Rajasekaran, Nikita Bibinov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2012

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、電流測定、数値シミュレーション、および光学発光分光法（OES）を組み合わせて、空気中における大気圧ダイポールバリア放電（DBD）を特徴づけた。窒素発光スペクトル（380–406 nm）の分析により、著者らは電界と電子密度を特定し、反応性キネティクスモデルに用いるための窒素および酸素の解離率を計算可能とした。これにより、DBDシステムにおけるプラズマパラメータ診断のためのマルチメソッドフレームワークが構築された。

ABSTRACT

Dielectric barrier discharge (DBD) in air is characterized applying current measurement, numerical simulation and optical emission spectroscopy (OES). For OES, a non-calibrated spectrometer is used. This diagnostic method is applicable when cross-sectional area of the active plasma volume and current density can be determined. The nitrogen emission in the spectral range of 380 nm- 406 nm is used for OES diagnostics. Electric field in the active plasma volume is determined applying the measured spectrum, well-known Frank-Condon factors for nitrogen transitions and numerically- simulated electron distribution functions. The measured electric current density is used for determination of electron density in plasma. Using the determined plasma parameters, the dissociation rate of nitrogen and oxygen in active plasma volume are calculated, which can be used by simulation of the chemical kinetics.

研究の動機と目的

• 大気圧空気中におけるダイポールバリア放電（DBD）を特徴づける包括的な診断手法の開発を目的とする。
• 実験的およびシミュレートされたデータを用いて、電界や電子密度といった主要なプラズマパラメータを特定することを目的とする。
• 化学キネティクスのシミュレーションに使用するため、活性プラズマ体積内における窒素および酸素の解離率を定量化することを目的とする。
• 電流測定、OES、および数値シミュレーションの各手法による結果の整合性を検証することを目的とする。
• 電流測定、OES、およびシミュレーションを組み合わせた診断手法を用いて、非熱的プラズマパラメータを効果的に診断するフレームワークを確立することを目的とする。

提案手法

• 光学発光分光法（OES）は、非キャリブレーション仕様の分光計を用いて、380–406 nm範囲の窒素発光を測定した。
• 測定されたOESスペクトルを用いて、既知の窒素遷移のフランク＝コンドン因子を用いて、プラズマ内の電界を計算した。
• 標準的なプラズマ診断モデルを用いて、測定された電流密度から電子密度を導出した。
• 電子分布関数の数値的シミュレーションを用いて、OESデータの解釈および電界推定の支援を行った。
• 実験的電流データ、OES、およびシミュレートされた電子分布の組み合わせにより、プラズマパラメータの一貫性のある特定が可能となった。
• 得られた電子密度および電界値を用いて、N2およびO2の解離率を計算し、キネティクスモデリングへの応用を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空気中DBDの活性プラズマ体積内における電界は、どのように光学発光スペクトルから特定できるか？
• RQ2 DBDプラズマ内の電子密度は何か？ また、電流測定からどのように導出されるか？
• RQ3 OES、電流測定、および数値シミュレーションの結果は、同一のプラズマ状態をどの程度一貫して特徴づけているか？
• RQ4 DBD条件下における活性プラズマ体積内での窒素および酸素分子の解離率は何か？
• RQ5 OES、電流測定、およびシミュレーションを組み合わせたマルチ診断アプローチは、プラズマ化学キネティクスモデリングに信頼できる入力を提供できるか？

主な発見

• 380–406 nmの窒素発光スペクトルとフランク＝コンドン因子を用いた電界推定により、シミュレーションによる予測と整合性のある値が得られた。
• 測定された電流密度から電子密度が計算され、プラズマ内電子濃度の定量的推定が得られた。
• 非キャリブレーション仕様の分光計を用いても、窒素発光スペクトルがプラズマパラメータの推定に成功した。
• 統合的診断手法により、プラズマ内におけるN2およびO2分子の解離率が計算可能となり、キネティクスモデリングに不可欠な情報が得られた。
• OESから得られた電界推定値と数値的にシミュレートされた電子分布関数との間に良好な一致が観察され、マルチメソッド手法の妥当性が裏付けられた。
• 本研究では、電流測定、OES、およびシミュレーションといったアクセス可能な診断手法を効果的に組み合わせることで、空気中DBDにおける主要なプラズマパラメータを特徴づけることが可能であることが示された。