電気学会電気支連合大会

電気学会北海道支部連合大会放電物理 83 北見工業大学 12 October 2002
弱電離気体プラズマの解析（L）
直流グロー放電を用いたベンゼンの分解－質量分析による分解生成物の調査－
○澤田武志
佐藤孝紀伊藤秀範田頭博昭（室蘭工業大学）
下妻光夫（北海道大学）
Studies on weakly ionized gas plasma (L)
Destruction of benzene using DC glow discharge -Investigation of byproducts of benzene by mass spectroscopy-
○T. Sawada, K. Satoh, H. Itoh and H. Tagashira (Muroran Institute of Technology)
M.Shimozuma (Hokkaido University)
1.
2.
3.
4.
5.
背景と目的
実験装置の構成
実験条件
実験結果
まとめ
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
背景と目的
 背景
放電プラズマによるベンゼン分解に関する研究
 Dennis L McCorkle : 希ガス中の直流グロー放電 [1]
 Robert A. Morris : イオンドリフトチューブの実験 [2]
ベンゼンの分解過程の可能性
窒素イオンがベンゼン分解に寄与
 Ryo Ono : パルス放電におけるOHラジカルの測定 [3]
OHの密度分布を調査
詳細な分解過程については述べられていない
ベンゼンの分解生成物を調査する
 これまでの報告
窒素－ベンゼン混合ガス中で直流グロー放電を発生させ, 発光分光分析,
圧力測定等を行ってきたが, 新たに質量分析を加えて調査を行った
質量分析と発光分光分析の同時測定により, H(1amu),
NH3(17amu)およびCN(26amu)が共通して観測された
 今回の報告
窒素－ベンゼンおよびアルゴン－ベンゼン混合ガス中で質量分析により
分解生成物の調査を行ったので, その結果について報告する
[1] J. Phys. D: Appl. Phys. Vol. 32, 1999, pp.46-54
[2] Bulletin of The American Physical Society, Vol.43, No.5, 1998, pp.1412-1413
[3] IEEE Transactions On Industry Applications, Vol.36, No.1, 2000, pp.82-86
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実験装置の構成
放電チェンバー (ステンレス製)
内径 : f155mm
高さ : 300mm
GASTEC社製
測定範囲 : 2.5～120ppm
電極 (ステンレス製)
直径 : f60mm
厚さ : 10mm
平行平板
KEPCO BOP 1000M
DC output range : Vmax=±1kV
Imax=±40mA
ANELVA製 M-430HG
測定範囲 :
13.2～0.01×10-7Pa
ANELVA製 M200QA- M
質量数範囲 : 1～200amu
分解能
: M /M >=2M
浜松ホトニクス製 PMA-11
測定波長範囲 : 200～950nm
波長分解能 : <2nm
ALCATEL製 ATP80
到達圧力 : 5×10-7Pa
排気速度 : N2 80l/sec
He 50l/sec
H2 80l/sec
日本MKS製 622A11TAE
測定範囲 : 1.33×103Pa
分解能 : 1.0×10-4F.s.
精度
: 0.25%
ALCATEL製 M2015SD
到達圧力 : 1.0×10-2Pa
排気速度 : 208l/min
ALCATEL製 M2005I
到達圧力 : 1.0×10-2Pa
排気速度 : 80l/min
Varian HS-2
到達圧力 : 1.3×10-6Pa
排気速度 : 285l/sec
エア･ウォーター製
純度 : 99.999%
関東化学製
純度
: 99%
湯煎温度 : 60℃
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実験条件
全圧
: p = 8.6Pa, Flow
混合比
: N2 : C6H6 = 9 : 1 , Ar : C6H6 = 9 : 1
電極間隔 : d = 25mm
放電電流 : I = 0.5, 1.0, 1.5mA, 放電OFF
放電電圧 : N2 -C6H6
V = 712, 854, 982V
Ar-C6H6
V = 625, 747, 862V
放電時間 : t = 40min
四重極質量分析計の測定条件
イオン化電圧 : EE = 40V
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放電前後の質量スペクトル
（ p = 8.6Pa, I = 1.0mA, EE = 40V ）
N2 -C6H6
10
-8
H2 O
ion current [A]
10
-9
H
NH3
OH
H2
-10
C2 H4
N2
HCN
C2 H3
C2 H2
CN
10
放電OFF
放電ON
C3 H3
N
CH3
NH
-11
10
CH4
NH2
C2 H
-12
C2 H5
C4H2～C4H4
C5 H3
C 3 H2
C5 H2
C2
10
C6 H6
CH
-13
10
0
10
20
30
＊ ■ : 放電発生によって減少
■ : 放電発生によって増加
10
ion current [A]
10
40
mass [a.m.u.]
50
60
70
80
Ar -C6H6
-8
Ar
-9
H
放電OFF
放電ON
H2 O
H2
-10
10
C3 H3
C2 H2
OH
C 2 H C2 H3
-11
10
CH4
C2
CH3
CH
-12
10
C6 H6
C4H2～C4H4
C5H3
C 3 H2
C2 H4
C5 H2
-13
10
0
10
20
＊ ■ : 放電発生によって減少
■ : 放電発生によって増加
30
40
mass [a.m.u.]
50
60
70
80
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OF TECHNOLOGY
質量スペクトル(N2 -C6H6混合ガス)
-9
放電OFF
放電ON
H
10
H2
NH3
OH
N
10
10
C2H2
CN C2H3
HCN
-11
CH3
NH
C2H
CH4
NH2
-12
C6 H6
C2 H5
6.0x10
3.0x10
-10
28(C2H4,N2)
1
-10
2.0
4.0
78(C6H6)
27(C2H3,HCN)
1.0
2
2.0
26(C2H2,CN)
C2
0.0
50
CH
10
-10
8.5
100
150
200
250
0.0
300
time [s]
-13
0
5
10
15
20
mass [a.m.u.]
25
30
7835
放電ON
8.0x10
1
2
13
24
25
29
78
イオン
H
H2
CH
C2
C2H
C2H5
C6H6
質量数
イオン
15
16
CH3
CH4
NH
NH2
17
NH3
OH
26
27
28
C2H2
C2H3
C2H4
CN
HCN
N2
-12
1.5x10
29
17 (NH3 ,OH)
6.0
1.0
25
24
4.0
0.5
15(CH3,NH)
2.0
13
16(CH4,NH2)
0.0
50
100
150
200
250
-12
ion currents of 13,15,17 and 24amu [A]
質量数
ion currents of 16,25 and 29amu [A]
ion current [A]
H2 O
-10
9.0x10
C2 H4
N2
ion currents of 2,26,27 and 78amu [A]
10
放電ON
-8
ion current of 1 and 28amu [A]
10
（ p = 8.6Pa, I = 1.0mA, EE = 40V ）
0.0
300
time [s]
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質量スペクトル(Ar-C6H6混合ガス)
10
（ p = 8.6Pa, I = 1.0mA, EE = 40V ）
-8
放電ON
放電OFF
放電ON
H
6.0x10
10
10
10
H2
-10
C2 H2
OH
-11
C2 H C2 H3
CH4
C2
CH3
CH
-12
C2 H4
1
2.0x10
-10
4.0
78(C6H6)
1.0
2
2.0
26(C2H2)
0.0
50
100
150
200
250
0.0
300
time [s]
-13
0
5
10
15
20
mass [a.m.u.]
25
30
7835
1
2
13
24
25
78
イオン
H
H2
CH
C2
C2H
C6H6
質量数
15
16
17
26
27
28
イオン
CH3
CH4
OH
C2H2
C2H3
C2H4
窒素－ベンゼン混合ガスにおける質量スペクトル
質量数
イオン
15
16
CH3
CH4
NH
NH2
17
NH3
OH
26
27
C2H2
C2H3
CN
HCN
28
C2H4
N2
放電ON
3.0x10
8.0x10
27(C2H3)
-12
25
6.0
4.0
15(CH3)
17
13
16(CH4)
2.0
0.0
50
2.0
28(C2H4)
24
100
150
200
1.0
250
0.0
300
-12
ion currents of 13,15,17 and 28amu [A]
質量数
ion currents of 16,25 and 27amu [A]
ion current [A]
10
-10
C6 H6
H2 O
ion current of 1amu [A]
-9
ion currents of 2,26 and 78amu [A]
10
time [s]
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放電電流に対するスペクトル変化
（p = 8.6Pa, I = 0.5, 1.0, 1.5mA, EE=40V）
ベンゼン vs 放電電流
ion current of C6H6 [A]
-20
放電電流の増加に対して,
-30
・ベンゼンは直線的に減少する
78(C6H6)
-40
・分解生成物は増加する傾向がある
-50
-60x10
-12
0.5
1.0
I [mA]
1.5
分解生成物 vs 放電電流
10x10
-12
-12
8
100
50
ion current [A]
1(H)
ion current [A]
1.5x10
2(H2)
26(CN,C2H2)
27(HCN)
25(C2H)
6
4
2
ion current [A]
150x10
-12
28(C2H4)
1.0
17(NH3)
24(C2)
0.5
16(CH4,NH2) 13(CH)
29(C2H5)
15(CH3,NH)
0
0.5
1.0
I [mA]
1.5
拡大
0
0.5
1.0
I [mA]
1.5
拡大
0.0
0.5
1.0
I [mA]
1.5
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まとめ
窒素－ベンゼン混合ガスおよびアルゴン－ベンゼン混合ガス中で
直流グロー放電を発生させ, 質量分析を行った

窒素－ベンゼン混合ガス
・ベンゼンの分解生成物としてH(1), H2(2), CH(13), CH3(15),
CH4(16), C2(24), C2H(25), C2H2(26) およびC2H4（28）が
生成される
・ベンゼンの分解生成物とともに副生成物としてNH(15),
NH2(16),NH3(17), CN(26), HCN(27)が生成される
 放電電流の増加に対して, ベンゼンは直線的に減少する。また,
分解生成物は増加する傾向がある
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