[論文レビュー] Spectroscopic of atmospheric pressure air jet plasma in transverses arc discharge

Valeriy Chernyak, V. V. Naumov+1 more|ArXiv.org|Oct 28, 2004

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、光学的発光分光法を用いて横方向の直流アーク放電によって生成される大気圧空気ジェットプラズマを調査した。N、O、H、NO、N2、O2、OH、CO、およびCNからの発光線および発光帯を分析することで、電子（Texc）、振動（Tv）、回転（Tr）状態の励起温度が特定され、プラズマの空間的・時間的変化に伴い強い非局所熱力学的平衡（non-LTE）状態と顕著な非熱的効果が明らかになった。

ABSTRACT

Spectroscopic characterization of a specific case of the atmospheric pressure air jet plasma in the transverse cw dc arc discharge of high voltage was done. Within the spectrum of wavelengths from 200 to 1100 nm all remarkable emissions were monitored, and all excited atomic lines of N, O, H and molecular bands of NO, N2, O2, OH, CO, CN were identified. Using relative intensities of analytical CuI lines 510.5, 515.3, 521.8 nm (the product of electrode emission) and N2 2+ -system band at 337.1 nm (the dominating component of plasma-forming gas), the temperature of electronic excitation of free atoms, Texc, and the temperatures of excitation of vibrational and rotational states of molecules, TV and TR, were determined. It was found that there is no local LTE in this arc discharge air plasma during its space/time evolution, and effects of strong non-izothermality have a place in this case.

研究の動機と目的

• 大気圧空気ジェットプラズマが横方向の直流アーク放電によって生成される際の分光的特性を特徴づけること。
• 200–1100 nmの波長範囲における発光線および分子帯を特定・分析すること。
• 校正済みの発光線を用いて、電子的・振動的・回転的励起温度を決定すること。
• この高電圧・大気圧プラズマ系において、局所熱力学的平衡（LTE）仮定の妥当性を評価すること。
• プラズマ放電の空間的・時間的変化に伴う非熱的効果の進化を調査すること。

提案手法

• 200–1100 nmの波長範囲で光学的発光分光法（OES）を実施し、原子および分子の発光を捉えた。
• 電極材料由来のため、内部温度基準としてCuIの発光線（510.5、515.3、521.8 nm）が用いられた。
• プラズマ形成ガスの励起を主基準として、N2 2+ 第二正性系帯（337.1 nm）が使用された。
• 選択されたスペクトル線および帯の相対強度から、励起温度（Texc、Tv、Tr）が計算された。
• Texc、Tv、Trの比較により非-LTE状態が評価され、LTE仮定と整合しない乖離が確認された。
• プラズマパラメータの空間的・時間的変化を分析し、動的非熱的挙動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横方向の直流アーク放電から生成される大気圧空気ジェットプラズマに、主にどのような原子および分子種が存在するか？
• RQ2 このプラズマ系において、励起温度（電子的・振動的・回転的）の間にはどの程度の乖離が生じるか？
• RQ3 高電圧・大気圧条件下の横方向アーク放電プラズマにおいて、局所熱力学的平衡（LTE）は妥当か？
• RQ4 プラズマの空間的・時間的ダイナミクスは、観察された非熱的効果にどのように影響を与えるか？
• RQ5 電極材料由来の発光（例：CuI線）は、プラズマの温度診断においてどのような役割を果たすか？

主な発見

• 200–1100 nmのスペクトル範囲にわたり、N、O、Hの原子発光線に加え、NO、N2、O2、OH、CO、CNの分子帯が同定された。
• CuI線（510.5、515.3、521.8 nm）を基準として励起温度が決定され、その結果、高エネルギー電子励起に一致するTexc値が得られた。
• N2 2+ 第二正性系（337.1 nm）が分子励起の主基準として機能し、TvおよびTrの決定が可能になった。
• Texc、Tv、Trの間には顕著な乖離が観察され、プラズマにおける強い非-LTE状態が示された。
• 非熱的効果は、局所熱力学的平衡の欠如により確認され、特に放電の空間的・時間的変化に伴って顕著であった。
• プラズマは顕著な非等温性を示し、電子的・振動的・回転的状態の間で明確な温度勾配が存在した。