| ホーム | 渡辺教授 | 研究 | 業績 | 装置 | メンバー | 卒業生 | 学生業績 |
| 講義 | 学会報告 | 入学希望者 | トピックス | サイトマップ |

論文題目「誤差解析に基づいた線スペクトルと連続スペクトルによる熱プラズマの高精度な二次元温度分布計測」

竹本裕貴

　熱プラズマは高温，高エンタルピー，高化学活性，急冷効果といった特長を有しており，溶接，溶射，切断，廃棄物処理，ナノ粒子合成といったプロセスに応用されている．熱プラズマの温度はプラズマを特徴づける重要な物理量の一つであり，エネルギーなどの輸送現象にも影響を与える．プラズマからの発光を計測，解析することでプラズマの電子温度を算出する発光分光法がよく用いられている．従来では，波長分解能の高い分光器を用いて発光の計測が行われていた．しかし，測定対象が定常状態のプラズマにしか適用できないことから，近年では優れた時空間特性をもつ高速度カメラによる計測が注目されている．高速度カメラと特定波長のみを透過するバンドパスフィルタ光学系を組み合わせた計測手法がよく用いられており，この手法のほとんどが線スペクトルの発光のみに着目して温度の算出を行っている．高速度カメラによる計測は厳密にスペクトルを分離することができないため，線スペクトルのみに着目する手法では，連続光といった他の発光の影響で正確な温度が算出できない．本論文では，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，連続光を考慮した温度解析手法の確立を目的とした．安価で工業的利用が期待されるN2と不活性ガスであるArの混合気体の雰囲気の直流アークを対象に実験を行った．

　 第1章では，熱プラズマの温度計測手法について概説し，本論文の目的を示した．

　第2章では，線スペクトルの強度比を連続光で補正した相対強度比法による温度測定について検討した．温度解析手法の誤差を定量的に評価することで，温度誤差に大きな影響を与える重要因子(以下エネルギーファクター)を見出し，エネルギーファクターの差が大きいほど温度誤差が小さくなることがわかった．連続光が主体となる温度域では，相対強度比の温度依存性が小さく，温度を可視化することが難しいことが理論的にも実験的にも確かめられた．測定時のノイズによる誤差については，直流アークの中心付近では10%の温度誤差を有すると見積もられた．これはプラズマ画像をAbel逆変換によって空間分解する際にノイズが大きく増幅されることによる． 第3章では，連続光と線スペクトルの強度比から温度を算出する手法について提案した．具体的には原子由来の線スペクトルの波長とイオン由来の線スペクトルの波長を組み合わせることで，低温域では原子由来の線スペクトルと連続光の組み合わせ，高温域では連続光とイオン由来の線スペクトルの組み合わせから温度を算出する．測定している両方の波長域において連続光が支配的となる温度がなく，相対強度比の温度依存性が大きくなるため，局所熱平衡仮定が成り立つと考えられる10,000 K以上の温度の測定が可能であり，第2章の温度測定手法よりも広い領域で温度が可視化される．

　第3章の温度計測手法の特長としてエネルギーファクターの差が非常に大きく，放射係数の計算精度による温度誤差は5%未満と十分に小さいことが見積もられた．また，ノイズの影響を受けやすいAbel逆変換に対して正則化を用いてノイズを軽減する手法についても検討した．放射分布を仮定したシミュレーションにおいて，ノイズの影響が平滑化によるノイズ除去よりも1/10以下にノイズを軽減できることを示した．実験による温度計測および理論的な誤差の評価を実施した．高速度カメラでの測定時に発生する光ショットノイズによる温度誤差は1%未満であった．第3章で提案した温度計測手法は第2章で提案した温度計測手法よりも広い範囲で高精度に温度測定が可能であることが示された．

　第4章では，第2章，第3章において，連続光を考慮するために必要であったデミキシングが無視できるという仮定について分光器を用いて検討した．Ar+の線スペクトルによるBoltzmann plot法を用いてデミキシングの影響を受けないアーク温度計測をおこなった．また，基底状態の数密度比と平衡組成の関係からAr濃度の定量をおこなった．50vol%Ar-50vol%N2雰囲気においては陰極直下2 mmにおいてAr濃度が10wt%程度低下しており，第3章で提案した温度計測手法において1%程度の温度誤差が生じることが推定された．また，第3章で測定された温度と第4章で測定された温度で比較すると，測定誤差の範囲で一致した．エネルギーファクターの差が大きい場合，デミキシングが無視できない条件でも高精度な温度測定が可能であることが示された．

　第5章では，結論と将来の展望について示した．

　本研究は，熱プラズマの温度場の高速度カメラを用いた高精度可視化の達成に関する論文である．本論文では，線スペクトルと連続光を理論的に考慮した温度解析手法を用い，温度解析手法の誤差の定量評価に基づく，誤差と密接に関係する重要因子であるエネルギーファクターを見出すことにより，高精度な2次元温度解析に成功している．特に3章で提案した線スペクトルと連続光の強度比を用いた温度計測手法では，エネルギーファクターの差が大きいことにより，広い領域の精密な温度を測定可能である．また，混合ガス雰囲気で重要となるデミキシングがある条件であっても高精度な温度計測が可能であることが示された．本研究は熱プラズマのより精密な2次元アーク温度計測手法を提供し，熱プラズマの現象の理解や熱プラズマのモニタリング技術の向上に貢献する．

論文

• Yuki Takemoto, Manabu Tanaka and Takayuki Watanabe: Temperature Measurement Method with Line and Continuum Emissions in Ar-N2 DC Arc, Japanese Journal of Applied Physics, 63 (11), 116001 (2024.11).
• Yuki Takemoto, Manabu Tanaka and Takayuki Watanabe: Two-dimensional Temperature Measurement Method with Line and Continuum Emissions in Ar-N2 DC Arc for Wide Temperature Range, Japanese Journal of Applied Physics (2025.4).

国際学会

• Chang Junjie, Yuki Takemoto, Takuya Suenaga, Aika Tamae, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Tsugio Matsuura, Tsuguo Ueda, Hideki Touzaki, Juan-Pablo Trelles, and Masaya Shigeta: High-Speed Visualization of Temerature Fluctuation of Dode-Rectified Multiphase AC Arc near the Electrodes, The 74th Annual Gaseous Electronics Conference, ET42.00005 (2021.10.6 On-Line).
• Best Paper Award Yuki Takamoto, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Arc Temperature Measurement Method with High-Speed Camera Considering Line and Continuum Emissions in Ar-N2 DC Arc, The 12th Asia-Pacific International Symposium in the Basics and Applications of Plasma Technology, O8-5 (2021.12.9 On-Line).
• Yuki Takamoto, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Arc Temperature Measurement with High-Speed Camera Based on Continuum and Line Emissions in Argon-Nitrogen Fee-Burning Arc, Proceedings of 75th Annual Gaseous Electronics Conference and 11th International Conference on Reactive Plasmas, ET1.00005, p.64-65 (2022.10.4 Sendai International Center).
• Manabu Tanaka, Junjie Chang, Yuki Takamoto, Takayuki Watanabe, Tsuigo Matsuura, Tsuguo Ueda, Hideki Tozaki, Juan-Pablo Trelles, and Masaya Shigeta: Arc Temperature Fluctuation near Electrode of Diode-Rectified Multiphase AC Arc, Proceedings of 75th Annual Gaseous Electronics Conference and 11th International Conference on Reactive Plasmas, ET1.00002, p.60-61 (2022.10.4 Sendai International Center).
• Oral Presentation Award Yuki Takemoto, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Effect of Doped Oxides on Cathode Erosion in Nitrogen Free Burning Arc, Proceedings of 25th International Symposium on Plasma Chemistry, 1-A-306 (2023.5.22 Miyako Messe, Kyoto).
• Haruna Nogami, Kohei Yamashita, Yuki Takemoto, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Correlation between Thermodynamic Stability and Formation of Transition Metal Nitride Nanoparticles by Nitrogen DC Arc, Proceedings of 25th International Symposium on Plasma Chemistry, POS-7-112 (2023.5.22 Miyako Messe, Kyoto).
• Haruna Nogami, Motonori Hirose, Yuki Takemoto, Junya Matsuno, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Synthesis of transition metal nitride nanoparticles by DC arc based on the nitridation mechanism, The 51st Internatonal Conference on Plasma Sicence 112-1161 (2024.6.18 Beijin, China).
• Haruna Nogami, Yuki Takemoto, Junya Matsuno, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe: Formation Mechanism of Transition Metal Nitride Nanoparticles in Ar-N2 DC Arc, The 35th International Symposium on Chemical Engineering, F04 (2024.11.30, Okinawa Prefectural Municipal Autonomy Hall).

国内学会

• Zhengtong Shen, Yuki Takemoto, Masayuki Maekawa, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Arc Temperature Measurement of Nitrogen DC Arc Based on Emission Intensity Ratio Method in Dual Wavelength Ranges, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第24回支部大会研究発表論文集, 20pB02 (2020.12.20 オンライン).
• 竹本裕貴, 前川雅之, 田中学, 渡辺隆行: Ar-N2直流アークにおける線スペクトルと連続光を用いた二次元温度解析手法, 第82回応用物理学会秋季学術講演会, 10p-S301-4 (2021.9.10 オンライン).
• 十河りつ, 玉江藍花, 末永拓也, 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 丸山大貴: 高速度カメラを用いた多相交流アークの温度場変動特性の解析，プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第25回支部大会研究発表論文集, 19aB04 (2021.12.19 オンライン) .
• 竹本裕貴, 前川雅之, 田中学, 渡辺隆行: 線スペクトルと連続光を考慮した相対強度法によるアーク温度の二次元解析, 第39回プラズマプロセシング研究会／第34回プラズマ材料科学シンポジウムプロシーディングス, LO25-AM-B-01 (2022.1.25 オンライン).
• 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: 線スペクトルと連続光を含めた相対強度法によるAr-N2アーク温度解析, 第69回応用物理学会春季学術講演会, 22p-E105-7 (2022.3.22 青山学院大学相模原キャンパス).
• 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: 窒素直流アークにおける電極添加酸化物種のアーク温度分布への影響, 第39回プラズマ・核融合学会年会, 22Bp03 (2022.11.22 富山国際会議場).
• 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: 窒素直流アークにおいて添加酸化物種が陰極消耗現象に及ぼす影響, 第70回応用物理学会春季学術講演会, 15p-B309-4 (2023.3.22 上智大学四谷キャンパス).
• 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: 高精度なアーク温度計測を可能とするAbel逆変換のノイズ軽減手法, 応用物理学会秋季学術講演会, 23a-A301-6 (2023.9.23 熊本城ホール).
• 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: 窒素混合アルゴン直流アークにおけるアーク温度特性の解析, プラズマ・核融合学会第40回年会, 28Cp10 (2023.11.28 アイーナ).
• 野上晴菜, 廣瀨基規, 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: 熱力学的考察に基づく遷移金属窒化物ナノ粒子の熱プラズマ合成, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第27回支部大会研究発表論文集, p.43-44, P14 (2023.12.9 KDDI維新ホール).
• 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: 高速度カメラを用いた広い温度域で高精度なアーク温度計測手法, 応用物理学会春季学術講演会, 22p-12G-9 (2023.3.22 東京都市大学世田谷キャンパス).
• 池末陸, 野上晴菜, 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: ツインカソードDCアークの変動現象, 九州大学×昭栄化学工業株式会社 研究交流会 (2024.8.7 昭栄化学工業糸島事業所)
• 竹本裕貴，田中学，渡辺隆行: アルゴン窒素フリーバーニングアークにおける気体成分計測, プラズマ・核融合学会第41回年会, 19Dp03 (2024.11.19 タワーホール船堀).
• 池末陸, 野上晴菜, 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行: ツインカソード直流アークにおける温度変動現象の解明, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第28回支部大会研究発表論文集, p.13-14, P-2 (2024.12.21 西新プラザ).
• 毛利颯馬, 竹本裕貴, 野上晴菜, 田中学, 渡辺隆行: 窒素直流アークにおける酸化セリウム添加のタングステン陰極消耗, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第28回支部大会研究発表論文集, p.21-22, P-6 (2024.12.21 西新プラザ).