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論文題目「窒素直流アークの連続光を考慮した温度解析手法」

竹本裕貴

1. 緒言
　直流アークは，高化学活性や急冷効果などの特長から，金属ナノ粒子合成に応用されている．金属蒸気濃度がナノ粒子の組成に影響を与えるため，溶融金属とプラズマガスの反応に関係するアーク温度の解析が重要である．
　アークの発光スペクトルを測定することで，アークを構成する荷電粒子やラジカルの温度と数密度を算出することができる．高速度カメラは，２次元の情報を高い空間分解能と時間分解能でえるため，変動が大きな対象を計測できる利点がある．しかし，波長分解能が低く，測定された発光強度を各スペクトルに分解することができないため，測定波長域で最も強いスペクトルに近似して温度を算出し，精度が低くなる．
　本研究では，高速度カメラ観察において，より高精度な温度を算出するため，連続光を加味した温度解析手法の確立を目的とした．不活性ガスのArと安価で工業的利用が期待されるN2の混合気体をプラズマガスとした．

2. アーク温度解析手法
　20,000 K程度の大気圧プラズマアークで観測される連続光は制動放射 (free-free emission) と再結合放射 (free-bound emission) であるため，線スペクトル (bound-bound emission) に加え，連続光の制動放射と再結合放射を考慮した．アーク中の発光種をAr，Ar+，Ar2+，Ar3+，N，N+，N2+，N3+とした．それぞれのスペクトルを計算し，BPFの透過率との積を波長で積分したものを理論発光強度とした．バンドパスフィルター (BPF)で抽出した二波長域で比を取ることで，発光強度比と温度の関係式となり，発光強度比を測定することで温度をえることができる．BPFは436 ± 5 nm，460 ± 5 nm，480 ± 5 nm，500 ± 5 nm，568 ± 5 nmの5波長域を選定した．プラズマガス組成は，50 vol% N2- 50vol%Arで検討した．

3. 考察
　高速度カメラは256諧調 (8 bit) で強度を離散的に表現する．プラズマの発光強度は連続であるので，離散化する過程で誤差が生じる．波長域の選定において，この誤差が温度へ与える影響が小さい組み合わせがよい．その誤差は理論発光強度，高速度カメラで観測される強度，生じうる強度誤差の最大値から求めることができる．誤差を求める式の分母の項は測定条件に依存せず，波長域の組み合わせにより決まる．50 vol% N2-50vol% Arの20,000 Kにおいては，480 nm-500 nmと500 nm-568 nmの組み合わせがよいとわかる． 20,000 Kにおいて最も精度の良い波長域の組み合わせの場合，100 K程度の誤差で測定できることがわかった．

4. 結論
　連続光を加味した温度計測手法における誤差の検討を行い，定量的なBPF選定条件がわかった．本研究の選定波長域では，50 vol%N2-Arのとき，102 K以上の温度誤差が生じうることがわかった．

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