[論文レビュー] Time-resolved OES of nanosecond pulsed discharges in N$_{2}$ and N$_{2}$/H$_{2}$O mixtures]{Time-resolved optical emission spectroscopy of nanosecond pulsed discharges in atmospheric pressure N$_{2}$ and N$_{2}$/H$_{2}$O mixtures

R M van der Horst, T. Verreycken+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2014

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 2被引用数 67

ひとこと要約

本研究では、時間分解光学放射分光法およびレイリー散乱を用いて、大気圧下のナノ秒パルス放電（N₂およびN₂/H₂O混合ガス）を調査した。電子密度は最大4×10²⁴ m⁻³に達し、再結合段階ではガス温度が750 Kに達した。また、再結合段階においても顕著な電子生成が観察され、長寿命状態および振動励起状態の種がパルス終了後のプラズマ維持に果たす役割が明らかになった。

ABSTRACT

In this contribution, nanosecond pulsed discharges in N$_{2}$ and N$_{2}$/0.9% H$_{2}$O at atmospheric pressure (at 300 K) are studied with time-resolved imaging, optical emission spectroscopy and Rayleigh scattering. A 170 ns high voltage pulse is applied across two pin-shaped electrodes at a frequency of 1 kHz. The discharge consists of three phases: an ignition phase, a spark phase and a recombination phase. During the ignition phase the emission is mainly caused by molecular nitrogen (N$_{2}$(C-B)). In the spark and recombination phase mainly atomic nitrogen emission is observed. The emission when H$_{2}$O is added is very similar, except the small contribution of H$_α$ and the intensity of the molecular N$_{2}$(C-B) emission is less.

研究の動機と目的

• ナノ秒パルス放電におけるN₂およびN₂/H₂O混合ガスのプラズマパラメータ（電子密度およびガス温度）を測定すること。
• 水蒸気（0.9%）が放電特性、特にラジカル生成および発光特性に与える影響を調査すること。
• 複数の診断技術を用いることで、先行研究で報告された電子密度測定値の不一致を解消すること。
• 再結合段階における電子密度の持続的維持に寄与する長寿命状態および振動励起状態の役割を理解すること。
• 今後の空気洗浄および燃焼強化のためのモデル化に役立つ、正確で時間分解能の高いプラズマ動態データを提供すること。

提案手法

• 170 nsの高電圧パルス（9 kV）を1 kHzで、大気圧下の2 mmギャップにプラットウムピン電極間で印加した。
• 時間分解画像撮影により、点火（電流なし）、スパーク（高電流）、再結合（放電後）の三段階的変化を捉えた。
• 光学放射分光法（OES）を用い、N₂（C-B）、原子状N、およびHα線の放射を測定し、ストークス幅による電子密度を推定した。
• レイリー散乱を用いて、特に再結合段階におけるガス温度を決定した。
• 電子密度は、746 nmのN I線およびH₂O含有系におけるHα線の全幅半最大（FWHM）から計算した。
• 水蒸気は、水を通過させるN₂のバブリングにより供給され、飽和条件下で0.9%のH₂O濃度を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋なN₂とN₂/H₂O混合ガスにおけるナノ秒パルス放電の時間的変化および発光特性にどのような差が生じるか？
• RQ2 点火、スパーク、再結合段階における電子密度およびガス温度の時間分解的値は何か？
• RQ3 水蒸気の添加が、電子密度、ガス温度、および分子および原子状窒素の発光強度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 本研究で報告された電子密度が、過去の研究より高いのはなぜか？また、異なる診断技術の正確性をどのように比較できるか？
• RQ5 再結合段階における電子密度の持続的維持の原因は何か？長寿命状態および振動励起状態が果たす役割は何か？

主な発見

• 放電は三つの明確な段階に分かれる：点火（主にN₂（C-B）発光）、スパーク（主に原子状N発光）、再結合（残存発光および電子密度の減衰）。
• レイリー散乱による測定で、点火段階のガス温度は約350 Kから、放電開始後1 µsには約750 Kに上昇した。
• 純粋なN₂およびN₂/H₂O放電の両方で、746 nmのN I線のストークス幅による測定で、電子密度が最大4×10²⁴ m⁻³に達した。
• N₂/H₂O混合ガスでは、Hα発光により水素の存在が確認され、Hα線幅の広がりから電子密度が決定された。
• 再結合段階における電子密度の減衰率は、N I線から得た値が約1.49×10⁷ s⁻¹、Hα線から得た値が約8.6×10⁶ s⁻¹であり、電子-イオン再結合の予想よりも著しく遅い。
• 長期間にわたる減衰および遅延するN発光は、パルス終了後に高励起状態の窒素原子が顕著に生成されていることを示唆し、エネルギーが長寿命状態および振動励起状態に蓄えられていることを示している。