In this study, a high-power 915 MHz air microwave atmospheric-pressure plasma torch with input power up to 100 kW was investigated using optical emission spectroscopy (OES) and imaging characterization. Emission spectra were acquired from both the post-core plasma region and directly from the plasma core inside the resonator through an axial rear-view access. Molecular emission bands of OH, NO, and N₂ were identified in the UV region, while strong broadband continuous radiation dominated the visible and near infrared wavelengths, with intensity increasing systematically with power. Front-view imaging revealed significant changes in the spatial emission structure of the plasma core as a function of tangential gas flow and input power, including transitions between volume-filling and ring-shaped radiation patterns. The formation of an annular emission region was promoted by increased tangential flow and intermediate power levels, whereas lower flow rates or sufficiently high power resulted in a more homogeneous luminous zone. Side-view post-core microwave plasma OES measurements, combined with fitting to a temperature dependent simulated spectrum based on the OH transition band (X2Π → A2Σ+), yielded a post core plasma temperature of approximately 4100 K. By smoothing the continuous radiation spectrum and assuming approximate black body behavior, Wien’s displacement law was applied to estimate the maximum plasma core temperature, yielding a value in the range of 5520–5750 K. The combined spectroscopic and imaging results provide insight into the excitation behavior, thermal characteristics, and spatial structure of high-power 915 MHz microwave air plasmas.
本研究では、入力電力最大100 kWの高出力915 MHz空気マイクロ波大気圧プラズマトーチを、発光分光法(OES)およびイメージング特性評価を用いて調査した。発光スペクトルは、コア後方プラズマ領域と、共振器内部のプラズマコアから軸方向後方視野を通して直接の両方から取得した。OH、NO、およびN₂の分子発光バンドがUV領域で同定され、一方、強いブロードバンド連続放射が可視および近赤外波長を支配し、その強度は電力とともに系統的に増加した。前方視野イメージングにより、接線方向ガス流量と入力電力の関数としてプラズマコアの空間発光構造に有意な変化が明らかになり、体積充填型とリング状の放射パターン間の遷移を含むことが示された。環状発光領域の形成は、増加した接線方向流れと中間電力レベルによって促進され、一方、より低い流量または十分に高い電力では、より均一な発光領域となった。側方視野のコア後方マイクロ波プラズマOES測定は、OH遷移バンド(X2Π → A2Σ+)に基づく温度依存シミュレーションスペクトルへのフィッティングと組み合わせて、コア後方プラズマ温度が約4100 Kであることをもたらした。連続放射スペクトルを平滑化し、近似的な黒体挙動を仮定することにより、ウィーンの変位則を適用して最大プラズマコア温度を推定し、5520–5750 Kの範囲の値を得た。分光法とイメージングを組み合わせた結果は、高出力915 MHzマイクロ波空気プラズマの励起挙動、熱特性、および空間構造に関する洞察を提供する。