静電気学会誌，40, 2（2016）108-113

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

水流で包まれたDBDプラズマジェットの特性
山本 明範 , 森 瑞樹 ，南 圭亮＊, 1＊＊，秋山 秀典

＊＊＊

＊＊＊＊

（2015年12月18日受付；2016年2月29日受理）

Characteristics of DBD Plasma Jet with Water Curtain＊, 1＊＊＊＊＊

Akinori YAMAMOTO , Mizuki MORI , Keisuke MINAMI＊＊＊＊

and Hidenori AKIYAMA（Received December 18, 2015; Accepted February 29, 2016）
Non-thermal plasmas in gases at atmospheric pressure have previously been generated using repetitively operated pulsed
power generators as a method of producing controllable plasma jets at atmospheric pressure to facilitate a wide range ofapplications in material modification, medicine, and energy. This paper discusses results of plasma jets using dielectric barrierdischarge（ DBD ）in atmospheric He gas injected into a water curtain formed by flowing water injected from a cylindricalhole. In comparison with spectra of plasma jets to air, those with a water curtain display clear OH spectrum lines of plasma
emission.

1．はじめに非熱平衡プラズマの特性は重要である．さらに，
バイオ・プラズマ応用技術は，材料プロセス，表面処理，殺菌，医療分野においても非熱平衡プラズマを用いた研究がな

排気ガスの処理，医療機器の滅菌等，幅広い分野の基盤されている．処理領域を低気圧にすることなく，大気圧技術として重要性を増してきている．大気圧下でパル中で非熱平衡プラズマを生成できることは，真空装置やスパワーによって生成されたプラズマの特徴は，低気圧チャンバが不要であるため，装置作製コストの削減，処放電プラズマの荷電粒子密度が 1 cm あたり 10 – 10 で理時間短縮の面からも利点がある．薬品や殺菌剤を使用あるのに対し，大気圧バリア放電では 10 – 10 と高いこせずにプラズマのみで殺菌できるため，農産物を殺菌すと ，高密度媒質中であっても非熱平衡状態であること等，る研究も行われている ．

1-9）

381213151）10）

従来の低気圧放電プラズマには無い特性を持っている．

しかし，大気圧中での非熱平衡プラズマは，大気圧中プラズマを材料の合成・表面処理に利用する際，熱にであるため衝突周波数が高いこと，低温であることから敏感な物質を処理する場合があり，低温でも利用できる生成された活性種の拡散係数が小さく，プラズマ長が約3 cm と短く利便性が悪い．筆者らはノズルの形状を工10）

キーワード：パルスパワー，誘電体バリア放電，大気圧プラズマ，発光分光，OH ラジカル＊
株式会社タカギ（〒802-8540 福岡県北九州市小倉南区石田南 2-4-1）
TAKAGI Co., Ltd., Ishida-minami 2-4-1, Kokuraminami-ku,Kitakyushu-City, Fukuoka 802-8540, Japan＊＊
熊本大学大学院自然科学研究科（〒860-8555 熊本県熊本市中央区黒髪 2-39-1）
Graduate School of Science and Technology, Kumamoto
University, Kurokami 2-39-1, Chuo-ku, Kumamoto-City,Kumamoto, 860-8555, Japan＊＊＊
熊本大学工学部情報電気電子工学科（〒 860-8555 熊本県熊本市中央区黒髪 2-39-1）
Department of Computer Science and ElectricalEngineering, Kumamoto University, Kurokami 2-39-1,Chuo-ku, Kumamoto-City, Kumamoto, 860-8555, Japan＊＊＊＊
熊本大学パルスパワー科学研究所（〒860-8555 熊本県熊本市中央区黒髪 2-39-1）
Institute of Pulsed Power Science, Kumamoto University,Kurokami 2-39-1, Chuo-ku, Kumamoto-City, Kumamoto,
860-8555, Japan1
yamamoto1529@takagi.co.jp

夫することにより，プラズマの長尺化を行い，作動ガス流量とプラズマ出口のノズル直径との関係，作動ガス濃度のプラズマ長への影響を明らかにした ．大気圧下で11）は弱電離プラズマとなっており，電子とイオンは多くの中性気体粒子と混在した状態で存在し，衝突及び化学反応で生じた活性種は殺菌等のプロセスの反応過程に関与している ．
12）

水道水は現在では蛇口をあけるだけで得られ，手足や農産物に付着している泥や菌類を流し去ることが可能である．プラズマによる殺菌効果と水道水の持つ汚れを流し去る効果を併用すれば，新しい考え方の蛇口の提案となる．本論文では，蛇口に円筒状の水路を作り，円筒状の水を作ると共に，その中にプラズマジェットを入射した．
水の先端は円筒のままその直径を小さくしながら最終的には閉じた水流となった．その閉じた水流の中にヘリウムガスを入れると，円筒状水流の長さが長くなった．円
筒状水流内にパルスパワーで生成された DBD（ DielectricBarrier Discharge ）方式ヘリウムプラズマを入射した．

水流で包まれたDBDプラズマジェットの特性（山本 明範ら）

109（51）

OH ラジカルは酸化力が高く，オゾンでは分解できない

3 cm 離し，ノズルの出口から垂直方向に 1 cm，2 cm，3難分解物質も分解するが，寿命が短い ．本方式により，cm，4 cm，5 cm，6 cm の 6 点に設置し，測定を行った．

プラズマの分光計測から，OH ラジカルを処理対象付近水流カーテンがある場合は，その外側に置かれる．分光で生成できた．

装置の測定条件は，露光時間 19 ms，アベレージング回

13）数 10 回とした．

2．実験装置の構成
図 1 に実験装置と構成を示す．大気圧誘電体バリア放4．実験結果と考察

電装置は，高電圧極である直径 0.2 mm のタングステン

4.1 水膜形状について

ワイヤと，外径 14 mm 内径 10 mm のアクリル管，アクヘリウムガスの有無による水流の形状を図 2 に示す．

リル管外周を包むアース極としての幅 15 mm の銅板で図（2 a）に示すように，水のみの場合は水流が閉じるま構成している．アクリル管出口には，ヘリウムプラズマでの距離は約 8 cm となった．図 2（b）（e）
はヘリウムガ出口ノズルと，流水を供給するノズルを設置している．

スを併用した場合を示す．図 2（b）（c）ではヘリウムにパルスパワー電源には最大 0.1 J 出力が可能な，磁気パより水膜が伸びているが，（ d ）で水膜が千切れ，（ e ）でルス圧縮方式パルスパワー電源（ MPC: Magnetic Pulsedはその後再び水膜が形成され伸展していることを示してCompression, 末松電子製作所 MPC1300S ）を用いた．ヘいる．水膜は図 2（b）（e）のサイクルを繰り返しながら，リウムプラズマはアクリル管内部のタングステンワイヤ

水膜下部よりヘリウムガスを外部に放出していると考えと，外部の銅板間で生成され，プラズマ出口ノズルからられる．

大気中或いは水流のカーテン内に放出される．ヘリウム
プラズマの出口は直径 4.5 mm の円形，流水の出口流路は外径 42 mm 及び内径 40 mm の円筒形である．ヘリウ
ムガス及び水の流量は，いずれも 5 L / min とした．

3．実験方法プ ラ ズ マ 発 光 の 概 観 を， デ ジ タ ル 一 眼 レ フ カ メ ラ
NIKON-D40 を使用し，F 値 5.6，露光時間 30 s，ISO1600として撮影を行った．
分光測定には浜松ホトニクス株式会社のマルチチャンネル分光器（ PMA-12）を用いた．放電電圧の設定は，パルスパワー電源の Vpro を 8，繰り返し数を 1000 pps（ pulses per second ）で固定し放電を行った．Vpro を 8 に設定した場合，出力電圧は約 11 kV となる．分光装置の光ファイバー先端部分は，ノズルの中心から水平方向に

図 1 実験装置構成
Fig.1 Experimental apparatus.

図 2 水流形状：（ a ）水流のみ（b）（e）
水流とヘリウム併用時の水膜の周期的な変化
Fig.2 Shape of water curtain:（a）Water only，（b）（e）- Water with
He gas: Periodic changes of water curtain.

静電気学会誌 第40巻 第 2 号（2016）

110（52）

4.2 プラズマ発光の様子

は，水なしで 11.7 kV，5.80 A，水併用で 12.0 kV，5.64 A

プラズマ発光の様子を図 3 に示す．
（ a ）はヘリウムであり殆ど変わらなかった．これは，本実験装置の構成プラズマのみ，（ b ）はヘリウムプラズマと水流を併用

では放電部と水流ノズルが独立しているため，水の導体した場合の写真である．
（ a ）のヘリウムプラズマでは，あるいは誘電体としての影響が小さいことによると考え明るい赤紫色であるのに対し，（ b ）の水流とプラズマられる．

では暗い朱色に変化している．水膜の厚みはおよそ 1

4.3 発光スペクトル測定

mm であり，水の吸収波長が赤外（1000 nm 以上）であ図（5 a）にヘリウムプラズマからの発光スペクトルを，ることを考慮すると，水膜にプラズマ発光が吸収された図（5 b）に水流と併用した時のヘリウムプラズマからのとは考えにくい．水流によるプラズマ光の散乱も考えら発光スペクトルを示す．それぞれ 1 cm，5 cm での結果れるが，主にヘリウムプラズマと周囲水分との反応によを記載した． 図 5 に示すようにプラズマ周辺の水分のり，色が変化したと考えられる．また，（ b ）では中心有無により，全体的な発光強度は，およそ 10 分の 1 に部から右に，水膜に向かって伸びた発光が確認できる．

低下している事が確認できる．これは周囲水分とヘリウ

これは，プラズマ出口が水流で包まれることで水膜内部ムプラズマの反応によるものだと考えられる ．のヘリウム濃度が上昇し，水膜に向かって放電したと考えられる14）図（5 a）に示すように，大気中でのヘリウムプラズマの発光スペクトルは，315 nm ，336 nm ，356 nm ，380．

11）

プラズマを生成した際の電流電圧波形を図 4 に示す．

nm に強く表れている窒素のスペクトル（窒素第二正帯），電流は高電圧側で測定を行った．放電電圧及び最大電流706 nm のヘリウムのスペクトル，777 nm の酸素のスペクトルが観測された．ヘリウムプラズマが大気中の空気と反応する事で，窒素，酸素が励起され，それぞれのスペクトルを示したものと考えられる．283 nm ，290 nm ，309nm にピークを持つ OH ラジカルの波長は，窒素スペクトルに対して非常に少ないか，窒素スペクトルに埋もれたと考えられ，ピーク形状は観察されなかった．
一方，図 （5 b）に示すように，水流で周囲を包んだプ
ラズマの発光スペクトルは，ヘリウムの 706 nm のスペクトルを最大値として観測し，315 nm ，336 nm ，356nm の窒素のスペクトル及び 777 nm の酸素のスペクトル（ a ）He plasma only（ b）He plasma with water curtain

図 3 プラズマ発光の様子（露光 30 秒）
Fig.3 Photograph of plasma emission（ exposure time:30 s ）（ a ）He plasma only，（ b ）He plasma with water curtain.

は相対的に低くなった．OH ラジカルの波長である 309nm の発光も観察された．相対強度は（336 nm / 706 nm ）で 20 か ら 0.5 へ 減 少 し，（777 nm /706 nm ） で 0.1 か ら0.01 へ減少した．空気はヘリウムガスに押し出され，空気が水流内でなくなることも考えられるが，周期的な水膜の破れの際に外部空気の流入もあり，水流内では空気の濃度が小さくなっていると考えられる．窒素の混入が 1 ppm
でもある場合，窒素のラジカルが高く検出される

15）点を考慮すれば，窒素のスペクトルが水流中でも観測されるのは妥当な結果と考えられる．
OH ラジカルについて詳細に観測するために，図 5 の270 nm から 350 nm の範囲を拡大したスペクトラムを図）6 に示す．通常，OH ラジカルは励起状態から基底状態に戻る過程で 282 nm , 289 nm , 309 nm 付近の波長を放出することが知られている ．図 （6 a）では 296 nm および16）

315 nm の窒素スペクトルのピークが観察されるが，OH
図 4 電流電圧波形（ヘリウムガスのみ使用時）
Fig.4 Typical voltage waveform applied to plasma（ He gas only ）．

ラジカルのスペクトルは観察されなかった．図 （6 b）では 282 nm ，289 nm 及び 309 nm のスペクトルは明瞭な水流で包まれたDBDプラズマジェットの特性（山本 明範ら）

111（53）

図 5 発光スペクトルの比較：（ a ）ヘリウムプラズマの発光スペクトル，（ b ）水流併用時の発光スペクトル
Fig.5. Comparison of the emission spectrum：（ a ）He plasma，（ b ）He plasma with water curtain.

ピークを持ち，OH ラジカルが生成されていると考えら

5．まとめれる．このピークは 6 cm 先の観測でも確認された．プ

プラズマによる殺菌効果と水道水の持つ汚れを流し去

ラズマにより生成された電子は，水分子との反応を経てる効果を併用した蛇口を製作することを最終目標としOH ラジカルを生成することが知られておりて，水流カーテンを作製し，その中にヘリウムプラズマ，プラズ

17）

マを包む水流が OH ラジカルのクリアな観測に寄与したものと 考えられる．

を入射した．
最初に，水流カーテン内にヘリウムガスを入射し，水図 7 に発光分析位置毎の窒素（336 nm ），ヘリウム（706流の形状を確認した．水流中にヘリウムガスを入射するnm ），OH ラジカル（309 nm ）の発光強度を示す．なお，ことにより，水膜が伸びていき，その後水膜が千切れ，図（7 a）のヘリウムプラズマでは，315 nm の窒素スペク

その後再び水膜が形成され伸展することを繰り返してい

トル線の裾野が 309 nm の OH ラジカルに影響している

た．その後，水流内ヘリウムプラズマの発光を確認した．

ため，309 nm のデータは使用していない．図 （7 a）では水流がなく大気圧空気中へのプラズマジェットはまっす

3 cm 先で窒素スペクトルがピークを持ち，図 （7 b）ではぐであるが，水流に包まれたプラズマジェットは放電が2 cm 先でヘリウムのスペクトルがピークを持っている．

水流に向かって枝分かれしていることが分かった．これ本プラズマ装置では出口から 2-3 cm 離れた位置で最大は，水流内部のヘリウム濃度が高濃度に維持された結果の発光強度を持つことが分かった．また，図 （7 b）の水だと考えられる．水流のないプラズマと水流内のプラズ併用プラズマではヘリウムの強度が窒素を上回り，OHマの発光分光分析を行った結果，水流のないプラズマ中ラジカルも窒素と同程度の発光強度を有している事が分では見られなかった OH ラジカルのはっきりとしたピー

かる．空間変化としてはヘリウムガスのみでも，水を併クを，水流内プラズマでは確認することができた．OH

用しても，徐々に下がっていく傾向が見られた．

ラジカルがプラズマ出口から 6 cm 先でも確認されたこ112（54）

静電気学会誌 第40巻 第 2 号（2016）

図 6 270-350 nm の発光スペクトルの比較：（ a ）ヘリウムプラズマの発光スペクトル，（ b ）水流併用時の発光スペクトル
Fig.6 Comparison of emission spectrum at 270-350 nm：（ a ）He plasma，（ b ）He plasma with water curtain.

図 7 測定位置ごとの発光強度の変化：（ a ）ヘリウムプラズマの空間変化，（ b ）水流併用時の空間変化
Fig.7 Changes in the emission intensity of each measurement position：（ a ）He plasma，（ b ）He plasma with water curtain.とは，汎用的な殺菌・滅菌などへの応用分野に使用できる可能性があることを示すものと考えられる．

今後は，OH ラジカル生成量の定量的な評価や，プラズマと水流を併用した時の殺菌効果を調べる予定である．

水流で包まれたDBDプラズマジェットの特性（山本 明範ら）
参考文献
1） A. Schutze, J. Y. Jeong, S. E. Babayan, J. Park, G. S. Swlwyn
and R. F. Hicks: The Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A
Review and Comparison to Other Plasma Sources. IEEETrans. Plasma Sci., 26［6］（1998）1685-1694
2） C. Tendero, C. Tixier, P. Tristant, J. Desmaison and P.
Leprince: Atmospheric pressure plasmas: A review.
Spectrochimica Acta Part B, 61［1］（2006）2-30

113（55）9） L. B́ardos and H. Baŕankov́a: Cold atmospheric plasma:sources, processes, and applications. Thin Solid Films, 518［23］（2010）6705-6713
10）井関紗千子，太田貴之，伊藤昌文，加納浩之，東島康裕，
堀勝：非平衡大気圧プラズマを用いた柑橘ミドリカビ

胞子殺菌手法

殺菌要因の検討．電子情報通信学会技術研究報告．有機エレクトロニクス，109［365］（2010）21-26
11） A. Yamamoto, Y. Kawano, M. Nakai, T. Nakagawa, T.

3） E. Stoffels, A. J. Flikweert, W. W. Stoffels and G. M. W.

Sakugawa, H. Hosseini and H. Akiyama: Investigation of gas

Kroesen: Plasma needle: a non-destructive atmospheric plasma

flow dependence of plasma jet produced by pulsed power.

source for fine surface treatment of（ bio ）materials. Plasma
Sources Sci. Technol., 11［4］（2002）383-388
4） J. H. Choi, I. Han, H. K. Baik, M. H. Lee, D. Han, J. Park, I.
Lee, K. M. Song and Y. S. Lim: Analysis of sterilization effectIEEE Trans. Plasma Sci., 43［10］3451-345512）浜口智志：プラズマ医療におけるプラズマ生体相互作
用． プラズマ・核融合学会誌，87［10］（2011）696-703
13）北野勝久，井川聡，谷篤史，大島朋子：プラズマジ

by pulsed dielectric barrier discharge. Journal of Electrostatics,

ェットを用いた殺菌メカニズムと消毒応用－低 pH 法を64（2006）17-22

用いた効果的殺菌技術の物理・化学・分子生物学－．静5） E. Stoffels, I. E. Kieft, R. E. J. Sladek, L. J. M. van denBedem, E. P. van der Laan and M. Steinbuch: Plasma needle

電気学会誌，37［3］（2013）112-116
14）高村紀充，王斗艶，浪平隆男，秋山秀典：大気圧ミス

for in vivo medical treatment: recent developments andトプラズマジェットの生成とその諸特性．静電気学会，perspectives. Plasma Sources Sci. Technol., 15［4］（2006）

38［1］（2014）22-271696） F. Iza, G. J. Kim, S. M. Lee, J. K. Lee, J. L. Walsh, Y. T. Zhang
and M. G. Kong: Microplasmas: sources, particle kinetics, andbiomedical applications. Plasma Process. Polym., 5［4］（2008）
322-3447） G. Fridman, G. Friedman, A. Gutsol, A. B. Shekhter, V. N.
Vasilets and A. Fridman: Applied plasma medicine. Plasma
Process. Polym., 5［6］（2008）503-533
8） M. Laroussi: Low-temperature plasmas for medicine?. IEEETrans. Plasma Sci., 37［6］（2009）714-725

15）T. Martens, A. Bogaerts, W.J.M. Brok and J.V. Dijk: The
dominant role of impurities in the composition of high pressure
noble gas plasmas. Appl. Phys. Lett., 92（2008）041504
16）佐藤岳彦，古居武：大気圧水蒸気プラズマ流の OH ラ

ジカル生成輸送機構と滅菌特性．環境工学総合シンポジ
ウム講演論文集，19（2009）281-282
17）村上泉，長壁正樹，池田勝則，西浦正樹，小田明紀，菅原広剛，浜口智志：1. はじめに－原子分子データベースの概要とプラズマ研究への応用－．プラズマ・核融合
学会誌，88［1］（2012）35-47