(57)【要約】【課題】気体と液体が上下反転して配置された気液界面を構成し、気液界面近傍の気体中で放電プラズマを生成して観測するための簡便な方式の装置を提供する。【解決手段】本発明による装置（１００）では、透明な円筒状容器の両端から挿入された上部及び下部の一対の電極構造を任意の間隔で保持することによって、上部電極上に担持された液体と下部電極から導入された気体が形成する気液界面近傍の気体中で放電プラズマを生成するとともに、生成されたプラズマを円筒状容器の側面から観測することを可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な円筒状容器の上端及び下端から、それぞれ周囲を気密材で密閉して挿入した上下一対の円板状電極部の間隙において、上部の電極部に担持した液体と下部の電極部から導入した気体が形成する気液界面の近傍での気中放電によってプラズマを生成する装置。
【請求項２】
前記の上下円板状電極部は、円筒容器の内側面を介する以外に直接的に接触する箇所がなく、相互の間隔を自由に可変としたプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記円筒状容器と上下円板状電極部に囲まれた気液界面を有する空間で生成される放電プラズマが、透明円筒状容器の外部側面から複雑な構造の窓や液体を介することなく直接観測あるいは計測できるようにしたプラズマ生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、液体を上部に気体を下部に配置して気液界面を形成し、上部の液体と接する下部の気体中での放電によりプラズマを生成する装置に関する。【０００２】  本発明は、前記の方法で形成された気液界面及びそれに接する気相中の放電プラズマを、複雑な構造の窓や液体を介さずに観測可能とした装置に関する。
【背景技術】
【０００３】  水を含む各種の液体中又は液体が介在した気体中での放電によって生成したプラズマは、難分解有機物の分解や浄化による廃液処理、並びに殺菌、滅菌などの用途に広く利用されている。【０００４】  液体が介在した放電プラズマを生成する方法としては、液体と接する気体の気液界面近傍で放電を発生させる方法、あるいは液体中の気泡内で放電を発生させる方法などがある（非特許文献１、２、３参照）。【０００５】  上記のうち、気液界面を形成する方法として、通常は液体を下部に置き、その上部から気体を導入する方法が採られるが、特許文献１、２、３では、上部に液体を配置し下部に気体を配置する、気相と液相が反転した構造の新奇な方法が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−５６１６７号公報
【特許文献２】特開２０１５−５６４０７号公報
【特許文献３】特開２０１５−５６２２６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】安岡康一他、「水中プラズマの形成とその特性」プラズマ・核融合学会誌、第８４巻、第１０号、ｐｐ．６６６−６７３（２００８）．
【非特許文献２】Ｐ．Ｖａｎｒａｅｓ，Ａ．Ｙ．Ｎｉｋｉｆｏｒｏｖ  ａｎｄ  Ｃ．Ｌｅｙｓ，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｉｎ  Ｗａｔｅｒ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｐｏｌｌｕｔａｎｔ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ”ｉｎ“Ｐｌａｓｍａ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｔａｔｅｓ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ”，Ｃｈａｐ．１６，ｅｄ．Ｔｅｔｓｕ  Ｍｉｅｎｏ（Ｉｎ  Ｔｅｃｈ，２０１６）ＩＳＢＮ９７８−９５３−５１−７．
【非特許文献３】Ｙ．Ｙａｎｇ，Ｙ．Ｉ．Ｃｈｏ  ａｎｄ  Ａ．Ｆｒｉｄｍａｎ，“Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ  ｉｎ  Ｌｉｑｕｉｄｓ”（ＣＲＣ  ｐｒｅｓｓ，Ｂｏｃａ  Ｒａｔｏｎ，２０１２）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  液体が介在する放電プラズマの生成法のうち、気相と液相が上下反転した配置（気液反転型）を実現する方法として、上記の特許文献１、２、３に示された構造では、上部電極と下部電極がそれらを支持する部材で直接的に接合され、周囲がその何れかの部材で覆われている。また、電極構造全体が液体中に浸されている。そのため、複雑な窓構造や液体を介さずに側面から放電プラズマを観測することは不可能である。本発明では、気液界面近傍で放電プラズマを安定に生成させ、放電の状態やプラズマの特性を側面から液体を介さずに観測あるいは計測できる簡便な構造の放電プラズマ生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明では、気液反転型の放電プラズマ生成装置を以下の項目に記載の方法で実現する。
［項目１］
透明な円筒状容器を用いて、その上端及び下端から円筒内に挿入した円板状の上部電極部と下部電極部を、それぞれの支持部材によって任意の間隔に保持する。
［項目２］
前記の上下一対の円板状電極部のうち、下部電極部は任意形状の導体板を誘電体で被覆した円板状電極と、円板状電極を保持する円板状誘電体と、円板状誘電体の周囲を前記円筒状容器の内面で密封する気密材とで構成され、円板状電極と円板状誘電体を重ね合わせた接合部周囲の間隙から、前記円筒状容器の内壁に沿って放電用気体を上下電極部の間隙に導入する。
［項目３］
一方、上部電極部は複数の開口を有する円板状電極と、円板状電極を保持する円板状誘電体と、円板状誘電体の周囲を前記円筒状容器の内面で密封する気密材とで構成される。これらの構成により、前記の上部電極部に注入した液体を上部円板状電極の開口部における表面張力と下部電極部の間隙から導入した気体の圧力で支持することによって気液界面を形成する。
［項目４］
前記項目の方法で形成された気液界面近傍の気体中で、下部の誘電体で被覆された円板状電極と上部の複数の開口を有する円板状電極の間に交流またはパルス状直流電圧を印加することによって、誘電体バリア放電を誘起してプラズマを生成する。
【発明の効果】
【００１０】  本発明では、上部に液体を配して下部に気体を配した上下反転型の気液界面を簡易な方法で形成し、かつ生成されたプラズマを複雑な窓構造や液体を介さずに観測し得る放電プラズマ生成装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の気液界面放電プラズマ生成装置の基本構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の気液界面放電プラズマ生成装置の実施形態における気体の導入と流れを示す概念図である。
【図３】従来の気液界面プラズマ生成装置の例を示す断面図である。
【図４】本発明の気液界面放電プラズマ生成装置におけるプラズマ計測の実施例を示す概念図である。
【図５】本発明の気液界面放電プラズマ生成装置を用いて計測した気液界面近傍での水分子の吸収スペクトルの例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態による気液界面放電プラズマ生成装置の構成と動作原理を説明する。
【００１３】＜気液界面放電プラズマ生成装置の基本構成＞
図１は、本発明による気液界面放電プラズマ生成装置１００の基本構成における断面図である。本装置は、透明なガラス、セラミックまたはプラスチック製の円筒状容器１と、円筒状容器の上端及び下端から挿入され、それぞれの周囲がＯ−リング等の気密材３及び６によって円筒内壁と密閉された上下の電極部によって構成される。
【００１４】  図１に示された上部電極部は、複数の開口を有する円板状電極４と、円板状電極を保持する円板状誘電体２と、円板状誘電体の周囲を前記円筒状容器の内面で密封する気密材３とで構成される。一方、下部電極部は任意形状の導体板８を誘電体で被覆した円板状電極７と、円板状電極を保持する円板状誘電体５と、円板状誘電体の周囲を前記円筒状容器の内面で密封する気密材６とで構成される。
【００１５】  前記の上下電極部は、それぞれフランジ１２及び１３と電極部支持部材１４〜１７によって、前記円筒状容器の上端及び下端から挿入されるが、それらは相互に円筒容器の内側面を介する以外に直接的に接触する箇所がない。また、それぞれの電極部に固定された上部及び下部の円板状電極の間隔は、電極部支持部材の長さあるいはそれに仕組まれたネジ又はスペーサ等によって自由に調整することができる。
【００１６】＜気液界面放電プラズマ生成装置の動作原理＞
図２は、放電用の気体の導入と流れを示す。下部の円板状誘電体５に設けられた気体導入管９から導入された気体は、下部の円板状電極７と円板状誘電体５を重ね合わせた間隙の周囲から前記円筒状容器の内壁に沿って、上下電極部の間隙で構成する放電プラズマ生成空間に流入する。このとき、上下部の円板状誘電体２及び５の周囲に設けたＯ−リング等の気密材３及び６によって気体が円筒の周囲から電極間隙の外に漏れることはない。また、このような気体の流れを構成することによって、電極間隙の透明円筒状容器の内壁がパージされて水蒸気による曇りが生じず、円筒状容器の外側面から放電プラズマの観測や計測が可能になる。
一方、図１に示す液体１８は上部電極部の上から注入して上部円板状電極の上を満たすが、上部円板状電極の開口部における表面張力と下部電極部の間隙から導入した気体の圧力で支持することによって、上部円板状電極の下面に沿って気液界面が形成される。
【００１７】  前記の上下円板状電極に接続された導線（高圧ケーブル）１０及び１１の間に、任意の周波数の交流またはパルス状電圧を印加することによって、気液界面近傍の気体中で誘電体バリア放電を発生させて、気液界面放電プラズマを生成する。
【００１８】＜気液界面放電プラズマ生成装置の特徴と計測例＞
図３は、従来の反転型気液界面プラズマ装置の構造例を示す。図３（ａ）では、上部に複数の開口を有する電極部があり、下部の誘電体被覆電極を内包する誘電体の電極支持部に、Ｏ−リング等の気密材を挟んでネジ等で接合され、その電極部の構造全体が液体の中に浸されている。図３（ｂ）では、基本構造は（ａ）と同様であるが、液体は上部電極部の上に保持されている。（ａ）及び（ｂ）何れの構造に置いても、そのままでは電極間隔の自在な調整は困難であり、また、プラズマの観測は上面から水を介して行う以外に方法がない。側面からの放電プラズマの観測を可能にするためには接合部付近に窓部を設ける必要があるが、Ｏ−リング等の気密材が開口を設ける妨げとなる。さらに、窓部の曇りを防止するためには、複雑な構造のパージ機構を設計することも必要になる。
本発明における反転型気液界面プラズマ装置の構造では、電極間隔の自在な調整が可能となり、また、円筒状容器の内側面に沿った気体の流れによって、円筒状容器そのものが内面に曇りを生じない窓となり、側面からの種々の光学的な観測が可能になる。
【００１９】  図４は、本発明における反転型気液界面プラズマ装置に波長可変ダイオードレーザ吸収法を適用した計測法の構成例を示す。液体として水を用いた実験では、前記の透明円筒状容器の側面から１．４マイクロメートル付近で水分子の吸収線に同調した波長のダイオードレーザを気液界面近傍に沿って入射し、透過してきたレーザ光線の強度を受光素子で電気信号に変換して検出する。
図５は、上記の計測結果の一例として、放電プラズマ中の水蒸気の吸収信号（水分子の振動回転スペクトル）とその変調された２倍波信号を示す。このような信号を解析することによって、気液界面近傍における液体の蒸気密度の測定が可能になる。また、放電プラズマからの発光スペクトルの直接的な観測も容易に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】  本発明による構造では、気液界面放電プラズマの直接的な光学計測が可能になるため、観測された信号を、プラズマ生成装置の制御信号として活用し、動作の安定性や再現性の確保に用いることが可能になる。
【符号の説明】１      円筒状容器
２      円板状誘電体
３      気密材
４      円板状電極
５      円板状誘電体
６      気密材
７      円板状電極
８      導体板
９      気体導入管
１０    導線（高電圧ケーブル）
１１    導線（高電圧ケーブル）
１２    フランジ
１３    フランジ
１４    電極部支持部材
１５    電極部支持部材
１６    電極部支持部材
１７    電極部支持部材
１８    液体
１００  気液界面放電プラズマ生成装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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