静電気学会誌，43, 1（2019）13-18

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置の出力特性及びその応用
鳥越 泰明 ，王 斗艶 ，浪平 隆男＊＊＊＊＊, 1（2018年9月13日受付；2018年11月20日受理）

Characteristic of DC Superimposed Nanosecond Pulsed Discharge and Its Application＊＊＊

Yasuaki TORIGOE , Douyan WANG＊＊, 1and Takao NAMIHIRA（Received September 13, 2018; Accepted November 20, 2018）
Non-thermal plasma generated by pulsed discharge is expected to treat combustion exhaust gases such as nitrogen oxide（ NOx ）and sulfur oxide（SOx ）due to high chemical activity. Nanosecond pulsed discharge which has voltage rise time and fall time of
2ns, pulse width 5 ns and peak value of 60 kV, has been developed by our group. Nanosecond pulsed discharge mainly consistsof streamer discharge phase, so that heat loss which caused by glow discharge is less, and plasma impedance is kept constantduring the streamer discharge phase. Therefore, impedance matching between pulsed power supply and discharge load ispossible. Applications on ozone generation and NO treatment using nanosecond pulsed discharge are reported with high energy
efficiency compared to other discharge methods. However, the discharge mode transit to arc discharge phase sometimes. Also,
for industrial applications, the plasma processing capacity leaves room to improve. In this study, DC superimposed nanosecond
pulsed discharge is suggested in order to improve the better performance of nanosecond discharge plasma. Results of ozone
generation and NO treatment using DC superimposed nanosecond pulsed discharge have also been introduced.

1．序論の放電方式と比較して高いエネルギー効率を誇る

放電によって形成される非熱平衡プラズマは，その化方で，電源と放電リアクタ間のマッチングが完全でない

6）．一学的活性度の高さから窒素酸化物（ NOx ）や微粒子（ PM ）ために，電源から放電リアクタへのエネルギー転送効率を含む燃焼排気ガスの浄化，揮発性有機化合物（ VOCs ）の低下や高繰り返し動作時におけるアーク放電への移行等の産業排気ガスの浄化，次世代の酸化剤として期待さが発生している．更にこれらが原因となって，エネルギれるオゾン（ O3）の生成など，多岐にわたる応用展開のー不足や処理効率の低下に繋がっており，ナノ秒パルス研究が行われている．本研究室では，立上りおよび立放電の性能を十分に引き出せていないのが現状である．

下り約 2 ns，パルス持続時間約 5 ns，ピーク電圧 60 kV 超

マッチング改善には，特性インピーダンスが電源と一致のパルス高電圧によって発生させるナノ秒パルス放電をするように放電リアクタを設計するという方法がある

用いた応用研究を進めてきた．ナノ秒パルス放電は主にが，後述する理由により他の手法が求められる．そこでストリーマ放電のみで構成されるため，グロー放電時にマッチング改善や注入エネルギー増加の手法として直流発生する気体加熱に伴う熱損失が少ない．また，放電形電圧をパルス電圧に重畳する方法に着目した ．本研究

1- 5）

7）

態の移行に伴う放電インピーダンスの変動が少ないため，では直流重畳型ナノ秒パルス放電の基礎特性の取得とし電源と放電リアクタ間のマッチングも比較的容易となる．て，放電リアクタへの 1 パルスあたりの注入エネルギー以上の利点より，ナノ秒パルス放電による応用研究は他増加効果及びマッチング改善効果の検証を行った．更に，ナノ秒パルス放電にて応用研究が進められている一酸化キーワード：ナノ秒パルス，放電，直流重畳，NO，オゾン＊
熊本大学大学院自然科学研究科（〒860-8555 熊本市中央区黒髪 2-39-1）
Graduate School of Science and Technology, Kumamoto
University, 2-39-1, Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto 8608555, Japan＊＊
熊本大学パルスパワー科学研究所（〒860-8555 熊本市中央区黒髪 2-39-1）
Institute of Pulsed Power Science, 2-39-1, Kurokami,Chuo-ku, Kumamoto 860-8555, Japan1
namihira@cs.kumamoto-u.ac.jp

窒素処理とオゾン生成に対して直流重畳が与える影響の調査を行った．

2．実験装置
2.1 ナノ秒パルス高電圧発生装置と放電リアクタ
図（1 a）に，本実験で用いるナノ秒パルス高電圧発生装置の構造を示す．本装置は，スパークギャップスイッ
チ（ SGS ），三重同軸型ブルームライン線路，伝送線路より構成されている．SGS 内は SF6 が充填されており，SF6 ガス圧力を変化することにより，ナノ秒パルス電源

静電気学会誌 第43巻 第 1 号（2019）

14くする必要がある．しかし，中心電極の太径化は式 2 で表される同軸円筒放電リアクタにおける電界集中係数の急激な低下をもたらす．それによって，放電が開始する電圧が増加してしまい，放電を発生させるために更なる高電圧が必要となる．
b -1af=ln ba（ a ）ナノ秒パルス高電圧発生装置（ a ）Schematic of nanosecond pulse generator.

（2）

なお，本放電リアクタをナノ秒パルス高電圧発生装置の放電負荷とした際のエネルギー転送効率は 40 - 55％程度である ．また，上記した電極パラメータより放電リア9）クタの体積に占める放電空間の体積の割合（放電空間率）が求まる．放電空間率が高い程，小さい放電リアクタ体（ b ）放電リアクタ（ b ）Schematic of coaxial cylinder type reactor.

積で十分な放電空間を確保する事が可能なため，装置の図 1 ナノ秒パルス高電圧発生装置の概略
Fig.1 Schematic of nanosecond pulse generation system.

間率は約 99％となる．これは主流な非熱平衡プラズマ小型化に繋がる．本研究で用いる放電リアクタの放電空生成法である同軸円筒型誘電体バリア放電と比較して高い値である．

10, 11）の出力電圧値を調整する．ブルームライン線路部は外部2.2 直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置導体，中間導体，内部導体の三重同軸構造となっている．

図 2 に，直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置の概

また，外部導体は接地されており，内部導体はインダク

略図を示す．上述したナノ秒パルス高電圧発生装置に放タを介して外部導体と接続されている．ブルームライン

電リアクタ，ハイパスフィルタ（ HPF ），DC バイアス回

線路と伝送線路内はシリコーンオイル（ KF-96, Shin-路を取り付けている．まず，放電リアクタは放電負荷とEtsu Chemical, Japan ）で充填されており，その単位長あしての役割を持つ．次に，DC バイアス回路は放電リアたりのインダクタンスとキャパシタンスの計算値はそれクタに直流を印加するための回路である．直流電源

ぞれ 140 nH/m，216 pF/m である．なお，これらの値よ（ Glassman PS/LT050R035-20, XP Power, Republic ofり算出されるナノ秒パルス発生装置の特性インピーダン

Singapore ）の出力が電源の保護抵抗である RDC を介して，スは 50 Ω となる．また，ブルームライン線路長は 500

放電リアクタの終端に接続され，HPF を構成するコンデmm であり，これよりパルス幅は 5 ns となる．

ンサに直流を印加して重畳を行う．CDC（10 pF ）は，回図（1 b）に応用研究の際に主に用いられる放電リアク

路中の浮遊キャパシタンスによる注入エネルギー計算のタの概略図を示す．同軸円筒構造となっており，高電圧ための模擬キャパシタとして挿入している．最後に HPFが印加される中心電極には φ 1.0 mm のステンレス製ロッは，直流成分を遮断しナノ秒パルス高電圧発生装置を保ドを使用している．また接地側の外部電極の内径は φ 76護する役割を有する．ナノ秒パルス放電に直流を重畳しmm，長さは 1000 mm となっている．式 1 は同軸円筒放た際，直流成分はナノ秒パルス高電圧発生装置方向へ進電リアクタの特性インピーダンスの計算式である ．
8）

（a）
Z =
ln0b2πμ ε（1）

式中の a は中心電極内径，b は外部電極内径である．上記した値より本実験で用いた放電リアクタの特性インピーダンスは約 216 Ω と計算される．序論で記したようにマッチング改善のためには，放電リアクタの特性インピーダンスを 50 Ω に近づければよいが，そのためには中心電極径を更に大きく，もしくは外部電極径を更に小さ

図 2 直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置概略
Fig.2 Schematic of DC superimposed nanosecond pulse generator.

直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置の出力特性及びその応用（鳥越 泰明ら）

15

行するが HPF により直流成分を遮断することで，ナノ秒パルス高電圧発生装置を保護することが可能となる．
反対にナノ秒パルス成分は高周波成分であるため，HPFを通過し放電リアクタへと印加される．また，HPF と放電リアクタの接続部分には容量分圧器とカレントモニター（ MODEL CT-F1.0, Bergoz Instrumentation, USA ）が取り付けられており，放電リアクタへの出力電圧及び放電電流が計測される．

3．直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置の諸特性（ a ）出力電圧（ a ）Voltage waveform.

（ b ）放電電流（ b ）Current waveform.

3.1 出力波形
図 3 にパルス印加電圧 40 kV に固定し，重畳電圧を 0,5, 10, 15, 20 kV と変化させて取得した直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置の典型的な出力波形を示す．ここで図 （3 c）の 1 パルスあたりの注入エネルギーは，出力電圧と放電電流の積の時間積分により求めた．図 （3 a）
より約 2 ns の立ち上がり及び立下り，パルス幅が約 7 nsのパルス電圧が確認される．また図 （3 b），（ c ）より直流重畳電圧の増加に伴う放電電流と注入エネルギーの増加が確認された．次に，表 1 に各直流重畳電圧におけるコロナ電流，コロナ電力，1 パルスあたりの注入エネルギーをまとめる．表中の最右列には 1 パルスあたりの注入エネルギーの増加量を記載している．表より，直流重畳電圧の増加に伴って，コロナ電流及びコロナ電力の値（ c ）放電リアクタへの 1 パルスあたりの注入エネルギー（ c ）Input energy waveform to reactor per pulse.
図 3 直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置の出力波形
Fig.3 Output waveforms of DC superimposed nanosecond pulsed
discharge.

が増加していることが確認される．更に，直流重畳電圧3.2 インピーダンスマッチングの増加に伴って 1 パルスあたりの注入エネルギーも増加

ナノ秒パルス高電圧発生と放電リアクタ間のインピーしており，特に DC 15, 20 kV 重畳において，顕著な増加

ダンスマッチングに対する直流重畳の効果を調査するたが確認された．また，コロナ電力が 0.03 W 及び 0.13 Wめに，3.1 項における注入エネルギーを更に細かく分析の時点では 1 パルスあたりの注入エネルギーの顕著な増する．

加は確認されない．一方で，コロナ電力が 1.03 W の時

3.2.1 評価方法

点では，1 パルスあたりの注入エネルギーが急激に増加

図 3（c）の時間軸最大値を 4000 ns まで広げた波形を図しており，26.5 mJ の増加が確認された．また，コロナ

4 に示す．図 4 より，0 から約 10 ns 程度まではリアク

電力が 12.3 W の際には，1 パルスあたりの注入エネルタへの注入エネルギーが急速に上昇し，その後，時間のギーの増加は 27.1 mJ となり，コロナ電力が 1.03 W の際進行に対する増加量が徐々に減少しながら飽和していと比較して大きな変化は確認されなかった．

る．本実験で使用しているナノ秒パルス電圧は立上がってから立下がるまでが 10 ns 以内で完了するため，最初

表 1 パルス出力 40 kV 動作時における重畳電圧ごとの出力特性
Table 1 Output characteristics for different DC superimposed voltages at 40 kV.
DC bias voltage［ kV ］
05
101520

Corona current［ mA ］－0.006
0.013
0.069
0.615

Corona power
［W］
－
0.03
0.13
1.03
12.3

Input energy per pulse［ mJ ］
120.4
132.7
134.1
146.9
147.5

Increment input energy
per pulse［ mJ ］
－
12.3
13.7
26.5
27.1

16

静電気学会誌 第43巻 第 1 号（2019）

図 4 放電リアクタへ 1 パルスあたりに注入されるエネルギ
ー波形
Fig.4 Input energy waveform to reactor per pulse.

図 5 直流重畳電圧ごとの総エネルギーに占める初期エネル
ギーの割合
Fig.5 Ratio of Initial/Total for different superimposed DCvoltages.の 10 ns までのエネルギーの増加はパルスの立ち上がりから立下りまでの間にリアクタへ注入されたエネルギー発生したプラズマは導体の役割を果たすであり，それ以降のエネルギーの増加は不完全なマッチ

り，直流コロナ放電が発生する前と比較して，中心電極ングに起因する反射によるものと考えられる．そこで，の径が太くなったようにみなせる．式 1 より，放電リア

10 ns までのエネルギー値を初期エネルギー（ Initial ），クタの特性インピーダンスは中心電極内径が大きいほど最終的に飽和した値を総エネルギー（ Total ）と定義して，小さくなる．つまり，直流コロナ放電に起因するプラズ総エネルギーに占める初期エネルギーの割合（ Initial/マが中心電極表面上で導体のように振舞う事で，リアクTotal ）をマッチング改善の指標に用いることとする．

タの特性インピーダンスが減少し，ナノ秒パルス電源のInitial/Total が高い値を示すほど，直流重畳によるマッチ特性インピーダンスである 50 Ω に近づいたため，マッング改善が示唆され，ナノ秒パルス電源の出力が効率的チングが改善されたと考えることが出来る．

．これによ7, 12）に放電リアクタへ転送されたといえる．次項より，ここ

3.3 ガス処理への影響調査で定義したマッチングの指標である Initial/Total を基に本項では，ナノ秒パルス放電の応用先として研究されマッチング改善の評価を行う．

3.2.2 実験結果
ナノ秒パルス電源の出力電圧を 35, 40, 45, 50 kV と変ている一酸化窒素処理及びオゾン生成に対して直流重畳が与える影響を調査する．

3.3.1 一酸化窒素処理

化させ，各出力電圧に対して直流電圧 0（重畳無し）,原料ガスとして，N2 に対して NO を濃度が 920 ppm と10, 15, 20 kV を重畳した．パルス繰り返し周波数は 100なるように混合したガスを使用し，5 L/min のガス流量pps に固定した．図 5 にそれぞれの条件における総エネで放電リアクタへ流入させ処理を行った．パルス電圧をルギーに占める初期エネルギーの割合（ Initial/Total ）を50 kV に固定して，直流重畳電圧は 0（重畳無し）, 5,示す．グラフの横軸はナノ秒パルス電源の出力電圧，縦10, 15, 20 kV と変化させた．注入電力はパルス繰り返し

軸は Initial/Total である．図 5 より，直流重畳電圧が 10周波数を 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 pps と変化させkV の場合には，重畳無し（ DC 0 kV ）の場合と比較しることで調整しており，最大パルス繰り返し周波数であて Initial/Total の増加は確認されない．その一方で，重る 350 pps に達するかアーク放電への移行を確認した時

畳電圧を 15, 20 kV まで増加させると，重畳無しの場合点でデータ取りを終了した．図 6 に，放電リアクタへのよりも高い Initial/Total を示し，パルス電圧が高いほど注入電力に対する一酸化窒素（ NO ）除去率の直流重畳増加の割合も増した．これには，15 kV を重畳した段階電圧依存性を示す．グラフの横軸は直流分の電力も加味で中心電極表面に発生した直流コロナ放電によるプラズした放電リアクタへの注入電力を，縦軸は NO 除去率をマが寄与したと考えられる．中心電極表面を覆うように示している．図 6 より，直流重畳を行っていない場合（ DC直流重畳型ナノ秒パルス高電圧発生装置の出力特性及びその応用（鳥越 泰明ら）

17

図 6 放電リアクタへの注入電力に対する NO 除去率の直流重畳電圧依存性
Fig.6 Dependence of the NO removal ratio on input power into
the discharge reactor for different DC superimposedvoltages.

図 7 放電リアクタへの注入電力に対する生成オゾン濃度の直流重畳電圧依存性
Fig.7 Dependence of the ozone concentration on input power intothe discharge reactor for different DC superimposedvoltages.

0 kV ）は NO 除去率 45％を超えた時点でアーク放電へ

表 2 各重畳電圧における生成オゾン濃度ごとのオゾン収率
Table 2 O 3 yield each O 3 concentration at different DC
superimposed voltages.の移行が確認され，重畳電圧が 5, 10 kV の際にも除去率45 – 50％を超えた時点で同様にアーク放電への移行が確認された．一方で，DC15, 20 kV の重畳では，アーク放電への移行が抑制され，更なる電力を注入できるようになり，NO 除去率は 90％以上に達した．

3.3.2 オゾン生成
原料ガスとして合成空気（窒素：酸素＝ 8：2）を用い，

DC biasvoltage［ kV ］
05101520O3 yield at
32.5 g/m .
48.1－－68.534.9O3 yield at
35 g/m .
42.6
34.8
45.1
55.1
37.7

O3 yield at
310 g/m－－－
42.5
37.2

5 L/min のガス流量でオゾン生成を行った．パルス電圧を 50 kV に固定して，直流重畳電圧を 0（重畳無し）, 5,でのいくつかの報告と比較して低くなっている

10, 15, 20 kV へと変化させた．また，放電リアクタへのかし一方で，オゾン濃度の飽和は確認されておらず，更注入電力はパルス繰り返し周波数を 0, 50, 100, 150, 200,なる注入電力の増加によって，オゾン濃度の高濃度化が250 pps と変化させることにより調整しており，最大パ見込まれる．また，DC 20 kV においては多くのオゾンルス繰り返し周波数である 250 pps に達するかアーク放発生装置にみられる生成オゾン濃度の増加に伴うオゾン電への移行を確認した時点でデータ取りを終了した．

収率の低下

図 7 に放電リアクタへの注入電力に対する生成オゾン濃率を保った状態で高いオゾン濃度が得られる事が示唆さ度の直流重畳電圧依存性を示す．図 7 より，DC 0, 5, 10れた．

5, 6, 11, 14）．し6, 7）が確認されておらず，一定のオゾン収

kV 重畳では最大オゾン濃度は約 6 g/m となった．一方
3で，DC 15, 20 kV 重畳では最大オゾン濃度は約 10 g/m

4．まとめとなり，直流重畳によって最大オゾン濃度が増加する事

本研究では，ナノ秒パルス電源と放電リアクタ間のマが確認された．このオゾン濃度は，空気原料によるオゾッチング改善および注入エネルギーの増加を狙い，直流ン生成としては比較的高濃度である．次に，オゾ重畳型ナノ秒パルス放電の基礎特性の調査を行った．そン濃度 2.5 g/m , 5 g/m , 10 g/m 付近における重畳電圧ごの結果，ナノ秒パルス放電に対して DC15 kV 以上の重とのオゾン生成効率を図 7 から算出し，表 2 にまとめた．

畳を行う事で，注入エネルギーの増加及びマッチング改表 2 より，DC 15 kV の重畳によってオゾン収率の増加善効果が確認された．更に NO 処理とオゾン生成に対すが確認され，最大オゾン収率はオゾン濃度 2.5 g/m の際る直流重畳の影響の調査を行った．その結果，NO 処理の 68.5 g/kWh という結果となった．この結果はこれまでは DC 15 kV 以上の重畳を行うことで，NO 除去率の3

331, 6, 13, 14）33静電気学会誌 第43巻 第 1 号（2019）18

大幅な増加が確認され，最終的に 90％以上に達した．

7） T. Huiskamp, N. Takamura, T. Namihira and A.J.M. Pemen:

オゾン生成では，DC 15 kV 以上の重畳によって生成オ

Matching a Nanosecond Pulse Source to a Streamer Corona

ゾン濃度の増加が確認され，最大オゾン濃度は 10 g/m

Plasma Reactor With a DC Bias, IEEE Trans. Plasma Sci., 43に達した．現状ではオゾン濃度の飽和が発生しておらず，［2］（2015）

更なる注入電力の増加によって更なる高濃度オゾン生成8） 秋山秀典，勝木3が見込まれる．

淳，金澤誠司，下村直行，高木浩一，塚本俊介，南谷靖史，山下敬彦：EE Text

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