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2nsパルス放電プラズマの形成とその特性
＊
松本宇生 ,
岡田翔，王斗艶, 浪平隆男, 秋山秀典
50
400
Charging Port
Outer Conductor
Middle Conductor
Inner Conductor
Charging Inductor
2ns
5ns
50ns
Load
Transformer Oil
High-pressure
Spark Gap Switch
Triaxial Blumlein
Line
-25
0
25
Time, ns
100
0
80
60
2ns
5ns
50ns
40
20
-100
0
-200
-20
50
0
(a) Voltage
Transmission Line
100
Energy, mJ
0
200
Current, A
Voltage, kV
300
25
120
2ns
5ns
50ns
25
Time, ns
0
50
50
100
Time, ns
150
(c) Discharge energy
(b) Current
表：放電パラメータ
(a) ナノ秒パルス発生装置の断面図
立ち上がり
パルス幅
(dV/dt)
線路長
Spark Gap Switch (SF6)
放電エネルギー (O3/O2)
40kVpeak 50kVpeak
60kVpeak
放電エネルギー (NO/N2)
40kVpeak 50kVpeak
60kVpeak
200 mm
2ns
1ns
45 mJ
83 mJ
136 mJ
46 mJ
91 mJ
153 mJ
500 mm
5ns
2.5ns
63 mJ
108 mJ
167 mJ
82 mJ
152 mJ
237 mJ
5000 mm
50ns
30ns
21 mJ
35 mJ
62mJ
32 mJ
65 mJ
115 mJ
Triaxial Blumlein Line
Discharge reactor
外部円筒電極
中心電極
(b) ナノ秒パルス発生装置と放電リアクの外観
三重心ブルームライン構造のパルス発生装置
中心ワイヤ電
極 (H.V.)
1. 充電ポートを通じて，中間導体が充電される。
2. 左端の高圧スパークギャップスイッチが動作すると，中間導体が放電され，
この結果，パルス出力が発生する。
形状：同軸円筒
中心電極: φ0.1mm（タングステン）
外部電極内径：Φ76mm（真鍮）
電極長：1000mm
※パルス幅はブルームライン線路長によって決められる。
放電プラズ
マ
外部電極
E-mail: [email protected]
放電リアクタ
Pulsed Power Plasma laboratory, Kumamoto University, JAPAN
出力波形
Frontiers in Plasma Science 2011
ナノ秒パルス発生装置
放電プラズマ
放電条件：電極間印加電圧＝５０ｋV，雰囲気ガス＝窒素，電極長＝1000mm
撮影条件： 露光時間 1/30-s
dV/dt = 1ns
dV/dt = 2.5ns
(a) 2ns pulsed discharge
dV/dt = 30ns
(c) 50ns pulsed discharge
(b) 5ns pulsed discharge
より急峻な電圧の立ち上がり(dV/dt)によって，ストリーマの進展速度が増加し，より多くのストリーマ放電パスが形成されていることがわかる。
この結果が，出力波形の電流ピーク値の増加を引き起こしたと考えられる。また，文献によれば，より高速なストリーマヘッド中にはより高エネルギーな加速電子が存在す
る。
ラジカル生成能比較
実験条件
80
60
50ns-50kV
5ns-50kV
2ns-50kV
20
0
50
100
Input energy density, J/L
オゾン濃度 vs. 注入エネルギー密度
500
原料ガス：O2, 流量1.0 L/min
40
0.8
5ns
0.6
0.4
0.2
50ns
0
20
40
60
80
NO removal ratio, %
NO除去効率比較マップ
2ns
印加電圧：40, 50 and 60kV
2ns
1
0
0
NO除去実験
100
35
30
25
50ns-50kV
5ns-50kV
2ns-50kV
20
15
Ozone yield, g/kWh
NO removal ratio, %
100
1.2
Ozone concentration, g/m3
印加電圧：40, 50 and 60kV
NO removal efficiency, mol/kWh
実験条件
ガス：NO-200ppm/N2, 10 L/min
40
結果・考察
(2) オゾン生成実験 –Oラジカル生成能-
(1) NO除去実験 ‐Nラジカル生成能-
400
オゾン生成実験
2nsパルスの効率は5nsパルス
の約1.2倍ほどであった。
300
200
5ns
50ns
100
10
5
0
0
0
0
2nsパルスの効率は5nsパルス
の約2倍であった。
200 400 600 800 1000
Input energy density, J/L
オゾン濃度 vs. 注入エネルギー密度
10
20
30
40
Ozone concentration, g/m3
オゾン収率比較マップ
また50nsパルスに関して，酸素
雰囲気中では，目視ではほとん
どプラズマが確認できないほど
小さかった。
オゾン生成では，特に高濃度に
なるほどオゾンの分解反応が支
配的になってくるため，2ns,5ns間
で効率の差がでにくかったと思わ
れる。
まとめ
 急峻な電圧の立ち上がり(dV/dt)は，ストリーマの進展速度を上昇させ，非熱平衡プラズマの形成効率を向上させると考えられる。
 NO除去実験及びオゾン生成実験から，短パルス化・立ち上がり時間の高速化が，NやOラジカルの生成能を向上させるとこが確認された。この結果は，前述のストリーマ進展速度上昇による
高エネルギー電子生成の結果と合致する。なお，上記の事柄は，ナノ秒オーダーにおいても確認された。
 更なる短パルス化，サブナノ秒パルス発生装置の開発によって，より化学活性度の高い非熱平衡プラズマの形成が期待される。