JP2019534531A - フリーラジカル発生の装置と方法 - Google Patents

Abstract

高効率でのフリーラジカル発生のための固体／液体電極を含む、ストリーマ放電を発生させるためのバリアレス装置及び方法が与えられる。周期的に位置決めされた放電点火先端を含む第１電極は、第２電極に近接して設けられ、間に誘電体バリア層のない放電ギャップを形成する。放電ギャップは入口及び出口を含む。近接拘束を有するストリーマは、第１電極から出現し、第１電極に正又は負のいずれかのパルス電圧を供給することによって放電ギャップを通って第２電極に向かって伝播し、結果的にストリーマヘッドと放電ガスとの相互作用及びラジカルの発生をもたらす。任意選択的に、第２電極は、追加のラジカルを発生させるためにストリーマヘッドと相互作用する液体である。装置は放電ギャップ内で急速な化学反応を引き起こすために使用されることが可能であるか、又は発生したラジカルガスは放電ギャップ外での利用のために除去されることが可能である。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる２０１６年９月２日に出願された米国仮特許出願第６２／３８３，０４６号に従属し、その優先権を主張する。

本開示は、固体／液体電極を含む誘電体バリアレス放電空間内でストリーマ放電を発生させる装置及び方法に関し、詳しくは、高含水量でアーク放電、電極の浸食及び腐食を最小限に抑えながら、フリーラジカル発生及び関連する物理化学的反応を増強する方法に関する。

空気又は分子ガスを通じての放電により結果的に生じるＯ^＊、Ｎ^＊、ＯＨ^＊、Ｈ^＊、ＣＨ_２ ^＊などの結果的に生じるラジカルは、滅菌、薄膜堆積、表面処理、及びガスストリームからの汚染物質除去に至る範囲の、多くの実用的用途を有する。

ガス中で放電を発生させる最も一般的な方法は、当該技術分野において一般に「無声放電」として知られており、２つの導体の間で誘電体バリアを使用し、次いで、電極間に高電圧を印加し、ギャップ内の放電を引き起こす。電極間の十分に高い電圧で、放電がガス体積内で始まる。この放電は電極に達するまで広がるが、誘電体表面では、印加された電界を打ち消す空間電荷が蓄積される。その瞬間に、放電は止まる。

代替方法は、電極間で誘電体バリアを使用せずに、非対称電極対を利用する。ストリーマ又はフィラメントタイプの放電は、高い曲率を有する電極（針、ワイヤなど）の表面に存在する強電界を有する領域から始まる。形成された後、ストリーマは、電界が比較的弱い空間であっても長距離を伝播することができる。しかしながら、放電ギャップにおける完全な破壊（アーク放電）を防ぐためには、アークに移行する前に放電を止めるために高電圧の短パルスが使用される。この目的のために実際に使用される最も一般的な電極は、ポイント・ツー・プレーン及びワイヤ・イン・シリンダ幾何形状である。

誘電体バリア放電法は、小さい放電ギャップにわたる放電ガス中で高ラジカル密度を達成することができる。しかしながら、バリア放電は、ガス放電と誘電体に沿った表面放電との組み合わせなので、かなり複雑である。このプロセスを、大きな放電ギャップを有する大きなガス流のためにスケーリングすることは、この方法を使用して達成するのが難しい。印加電圧の比較的長い持続時間は、エネルギー損失及び発熱をもたらす。冷却システムの必要性は、更なるエネルギー損失をもたらす。さらに、電極構成要素上の周囲の埃及び類似の汚染物質の不可避な蓄積が、このような装置の長期間の動作に問題を生じさせる。埃っぽく、粘着性の、腐食性の膜の経時的な蓄積は、放電の減少、短絡を招き、装置を使用できなくする。したがって、これらの装置の動作には、濾過及び処理されたガスが必要である。蓄積問題に対処するべく、除去可能な誘電体バリア層を有する装置が提案されてきたが、これは経済的な解決策ではない。

対照的に、非対称電極対を利用するストリーマ放電装置は、特に大きいガス流向けにスケールアップさせやすい。典型的には、空気様混合物におけるストリーマに点火するために必要な電界は、約１０^２〜１０^３ｋＶ／ｃｍである。このような高電界は、数桁低い控えめな印加電圧で、ワイヤ及びピンなどの鋭い電極を使用することによって、容易に発生させることができる。ストリーマヘッドの正面での電界増強は、正の正味イオン化係数を保証するべく十分に高い。ストリーマは、波面の後ろで低温プラズマに変換される中性ガス中を伝播する自立的に維持される電離波（イオン化波）と見なし得る。このストリーマは、チャネル状に見える。ストリーマチャネルの内部は、ほぼ同じ電子密度及びイオン密度を有する導電性プラズマからなる。ストリーマヘッドの自己誘導電界は、印加された電界が正の正味のイオン化を保証するには不十分な領域内にまでストリーマを伝播させ続け、こうしてこれらの装置にスケーリング性を与える。

図１に示されるように、活性電極、すなわち最も高い曲率を有する電極の極性に応じて、電子は異なる方向に移動する。カソード指向（ＣＤＳ）又は正ストリーマでは、電子はストリーマと反対の方向に移動し、アノード指向（ＡＤＳ）又は負ストリーマでは、電子はストリーマと同じ方向に移動する。これら２つのタイプのストリーマの間には、形状、電気的特性、及び速度の違いがある。一般に、負ストリーマを作成するためには、より高い電界が印加されるべきである。

ストリーマヘッド内の局所電界は、２０ｋＶ／ｃｍ程度の印加電圧パルスで２００ｋＶ／ｃｍ程度になり得る。より低いエネルギーレベルを有する電子の数は、より高いエネルギーレベルを有するものよりも著しく多いが、それでもなお、ガス分子を解離及びイオン化するための高エネルギー電子（１２ｅｖ付近又はそれ以上のエネルギーを有する）の尾がある。参考までに、Ｈ_２Ｏの解離及びイオン化は５ｅＶ程度の電子エネルギーで達成され得るが、窒素のイオン化は１０ｅＶ程度のより高い電子エネルギーを必要とし、酸素のイオン化は７ｅＶ程度の電子エネルギーを必要とする。要約すると、ストリーマヘッドは効率的なラジカル発生器である。

ストリーマヘッドは効率的なラジカル製造機であるが、単一のストリーマヘッドの活性イオン化領域は数百マイクロメートル程度であり、１０^６ｍ／ｓ程度の速度で伝播する。生成されたラジカルは非常に短命で非常に不安定であり、しばしば未処理ガスとの衝突によって消滅し、このため、特にラジカルが放電空間の外側で使用される場合には、ラジカル密度が低くなる。

放電領域を拡大するために緊密に配置された放電ピンを展開する複雑さ及び難しさを引用すると、特許文献１は、３０°から９０°の円錐角を有する電極の使用を教示した。ストリーマ放電は、放電電極の尖端部から対電極まで連続的に発生する小さな電気アークのおかげで形成されると主張されている。さらに、この特定の電極角度のため、各電極からのストリーマは、電極間空間と重複するさらに広い領域にわたって拡張すると主張されている（特許文献１の図２）。

アーク放電は熱を発生し、ラジカルの損失及び電極の損傷をもたらすので、電極間のアーク放電は回避されるべきである。さらに、同じ性質（正又は負）のストリーマは、ヘッドの電界が増強されるために互いに反発し合う。特許文献１の教示が同じ極性の放電ピンから重複するストリーマをどのようにして実現できるかは、明らかではない。特に、放電ギャップが大きく、ピン間距離が長いため隣接するストリーマの影響が弱い場合に、対電極に到達する前にストリーマが分岐して枝分かれする可能性がある。ストリーマヘッド内の薄い空間電荷層の不安定性もまた、分岐につながる。枝分かれの不安定性は、ストリーマの前方の低イオン化領域における電子密度変動によって加速する可能性がある。これらの状況下では、ラジカル発生効率は非常に低い。なお、二次ストリーマでは正味のイオン化係数はほぼゼロであり、したがってこれらの形成は促進されないはずであることに留意すべきである。

さらに、放電ピン間のギャップが大きいとき、供給ガスの大部分は電離面と相互作用せず、電極間ギャップを通過することになる。特に、プロセスガス流量が多いとき（多くの商業的プロセスに必要とされる）、電離面と相互作用するガスの有効分率は低くなり、結果的にラジカル密度は非常に低くなるだろう。

特許文献２は、両方の電極がピンを有するグロー放電を維持させる装置を開示した。グロー放電とストリーマ放電は区別される必要があり、グロー放電は通常（１ｍｂａｒ程度の）低圧で行われる。圧力が増加すると、グロー放電は、不安定になり収縮する傾向があり、グローからスパークへの移行が生じる。ストリーマは１０^６ｍ／ｓ程度の速度で移動し、ピンが反対の極性に接続されている場合には反対極性のストリーマは互いに引きつけ合ってアーク放電を招き、ピンが同じ極性に接続されている場合にはストリーマは互いに反発し合うので、このような装置配置は、ストリーマモードで動作することが困難になる。

米国特許第７０４２１５９号明細書 米国特許出願第２０１６／０１７９４１１号明細書

上記より、ストリーマ形成による高密度で高効率のラジカルの発生及び未処理ガスとの衝突損失は容易に解決されないことが、明らかである。このため、ラジカルの効率的な発生のための新しい方法及び装置が必要とされる。

以下の概要は、本開示に固有の革新的な特徴のいくつかの理解を容易にするために与えられており、完全な説明であるように意図するものではない。本開示の様々な態様の完全な理解は、明細書全体、請求項、図面、及び要約を全体として捉えることによって得ることができる。

ラジカル発生器は、高含水量を有するガス（有用なＯＨ^＊ラジカルのため）、並びにその他のガス状化合物（例えばＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４などの不純物の除去のため）を利用することができ、高密度で高効率の高エネルギーラジカル（Ｏ^＊、Ｎ^＊）を含む放電ガスを発生させることが、非常に望ましい。これまで、ラジカル発生器は、ガス中の水蒸気が望ましくないアーク放電を引き起こす可能性があるので、供給ガス中の水分の影響を非常に受けやすかった。さらに、ストリーマヘッドで大量のエネルギー電子を発生させることが、解離及びイオン化効率のために必要とされており、ストリーマヘッドと相互作用をしない未処理ガスとの衝突によるラジカル損失を防止して高ラジカル密度を維持することは、困難な課題であった。

低印加電圧でストリーマ点火するために、放電ピンが鋭い曲率を有する特徴を含む、ラジカル発生器が与えられる。また、複数のストリーマを発生させるために、各放電ピン上に複数の点火先端が任意選択的に設けられる。さらに、放電ピンは、二次的な枝分かれを低減するためにストリーマヘッドが自身を拘束するように、任意選択的に配置される。さらに、放電ピンは、コスト効率のよい製造及び組立に適応する。

一般的に、ストリーマ体積は、種濃度に対して重要な役割を果たさない。さらに、枝分かれの不安定性は、伝播中にストリーマの直径が増加するにつれて増加し、ストリーマの長さの関数である。二次ストリーマの枝分かれ及び発生は、ラジカル発生効率を低下させるので、回避されるべきである。参考までに、（正の場合のような）より小さい半径のストリーマのヘッドでの電界は（負の場合のような）より大きい半径のストリーマ上よりもはるかに増強される。小半径ストリーマはまた、高速で移動する。ラジカル生成効率は（電子エネルギーを介して）局所電界によって決定されるので、広い放電ギャップにおける高ラジカル発生効率のために、細い一次ストリーマが促進されてもよい。

同じ極性の放電ピンに起因するストリーマは、隣接するストリーマによって反発される。隣接するストリーマの電界によって均一に拘束された場合、半径の狭小化、及び電界増強が発生する。さらに、二次ストリーマの発生が制限され、これによってラジカル生成効率が向上する。したがって、ストリーマ点火先端は、周囲のストリーマの電界近接が各ストリーマヘッドを狭く安定に保つよう拘束し、こうして印加電圧を増加させることなく更なる電界増強を実現するように、並びにかなりの割合の電子がガス分子の解離及びイオン化を引き起こし、これによって大量のラジカルを生成するように、最適に位置決めされるべきである。しかしながら、速度上昇によるアーク放電を防ぐために注意を払わなければならない。

大量の高エネルギーラジカルは、不純物及び水分との急速な化学反応を引き起こし、結果的に腐食性の製品をもたらす可能性がある。信頼性の高い放電装置を開発するためには、放電ピン及び接地電極の両方が、良好な導電性、浸食及び腐食に対する耐性を有するべきである。

ラジカル密度及び発生効率を最大化するために、ピン間ギャップを通るガス流を制限することが設計目的となる。供給ガスのほとんどは、ストリーマヘッドと相互作用するために任意選択的に指向されてもよく、衝突によるラジカル損失につながる可能性のある未処理ガスを装置内にほとんど残さない。さらに、アーク放電を防止するために、連続するストリーマの間の点火先端における残留電荷が除去されてもよい。また、装置は、電極上で結露することなく、高い相対湿度で動作可能であってもよい。言い換えると、点火先端におけるガス速度は強力であってよい。

少なくとも１つの態様において、ストリーマの電離面との供給ガスストリームの相互作用を増強し、これによってラジカル発生の効率並びにその密度を改善する方法を任意選択的に与えることによって、１つ以上の上記問題を解決する装置が与えられる。これは、単位体積当たりの一次ストリーマの数、流路内のその分布の均一性を増加させ、ひいてはより多くの解離及びイオン化が可能なエネルギー電子と供給ガスとの相互作用を増加させることを、含む。

いくつかの態様では、ストリーマヘッドでの電界増強を増やすべく、及び任意の印加電圧でのエネルギー電子の数を増やすべく、ストリーマを自己拘束及び指向させる方法が与えられる。これは任意選択的に、隣接するストリーマの周囲の反発電界のためストリーマが細いままとなるように、放電電極アセンブリ上に複数の点火先端を備える放電ピンを編成することを含み、これによって二次ストリーマ形成の確率が低下して、細いストリーマヘッドにおける電界増強硬化に固有のエネルギー電子がより多く利用可能であるためより多くの分子解離事象が発生する確率を上昇させ、こうしてラジカル生成効率並びにラジカル数密度を増加させる。

さらに別の態様では、選択的なラジカル発生の方法が与えられる。これは任意選択的に、隣接するストリーマの近接場の制約によるストリーマヘッドの修正のため、特定のエネルギーレベルを有する電子の確率分布を狭小化し、これによって、例えばＨ_２Ｏ及びＮ_２を含有するガス混合物中のＯＨ^＊対Ｎ^＊など、他のものと比較して望ましいラジカルタイプを発生させる能力を与えることを含む。

さらに別の態様では、放電ピンの製造及び組立方法が与えられる。これは任意選択的に、高精度及び高密度で放電ピン間並びに点火先端間に均一なギャップを設ける所定の方法で、複数の点火先端を有する実質的に円柱状の複数の放電ピンを編成することを含む。

他の態様では、放電電極と対電極との間のアーク放電を防止する方法が与えられる。これは、連続する電圧パルス間の放電ギャップ内の残留電荷を除去するためのバイアス電圧の印加を含む。これにより、ストリーマ形成のために放電ピンに印加されるのと同じ開始電圧を各パルスに対して保証し、電極間のアーク放電を防止する。

他の態様では、放電空間を通じて供給ガスを指向させる方法が与えられる。これは任意選択的に、高精度で系統的に編成及びインデックス化されることが可能なその位置決めを通じて放電ピン間に流れバリアを作成し、これによって放電ピンの周りに高いガス速度を与え、ラジカル生成を増強し、衝突損失を低減する方法を含む。

したがって、上述した問題を解決すること、並びに放電空間内で利用されるか又は適用箇所に供給されることが可能なラジカルガスを、高密度、高選択性、及び高効率で発生することが、可能になる。

図面は必ずしも縮尺通りではない。いくつかの特徴は、特定の構成要素の詳細を示すために、誇張又は最小化されることがある。したがって、本明細書に開示される特定の構造上及び機能上の詳細は、限定的に解釈されるべきではなく、単に本発明を多様に採用するための当業者への教示の代表的な基礎として解釈されるべきである。例示的な態様は、詳細な説明及び以下の添付図面から、より完全に理解されるだろう。

少なくとも１つの周知の技術による、正及び負ストリーマ伝播の例示的な概略二次元図である。 本開示の少なくとも１つの実施形態による、内側のもののヘッドを拘束し、これによりその半径の増大を制限する、隣接するストリーマの電界効果の概略二次元図である。 少なくとも１つの周知の技術による、従来の放電ピン及びそこからのストリーマ伝播を説明する例示的な概略図である。 本開示の少なくとも１つの教示による、４つの分岐ストリーマを発生させるための４つのストリーマ点火先端を有する円柱状の放電ピンを示す概略図である。 本開示の少なくとも１つの教示による、６つの分岐ストリーマを発生させるための６つのストリーマ点火先端を有する円柱状の放電ピンを示す概略図である。 本開示の少なくとも１つの教示による、４つの点火先端を有する円柱状の放電ピンの周期的編成を示す概略図である。 本開示の少なくとも１つの教示による、相手側の表面に垂直に各放電ピンを維持する共通の対電極に隣接して設けられた放電電極アセンブリを示す概略図である。 本開示の少なくとも１つの教示による、放電ピンから共通の接地電極に向かって伝播するストリーマを示す概略図である。 本開示の教示による放電装置の概略的な実施形態である。 本開示による、図８に示される放電装置の（中央）断面図である。 本開示による、４つの点火先端を有する周期的に編成された円柱状の放電ピンを示す、放電電極アセンブリの斜視図である。 本開示による電離面を形成する放電電極アセンブリから共通の接地電極に向かうストリーマ伝播の図である。 本開示による電離面を形成する放電電極アセンブリから共通の接地電極に向かうストリーマ伝播の斜視図である。 本開示による電離面を形成する放電電極アセンブリから接地電極に向かうストリーマ伝播の断面図である。 先行技術による可能な放電ピン配置を示す、例示的な図である。 先行技術による、図１４に示される例示的な放電電極アセンブリのピン間ギャップを通るガス流を示す、流動シミュレーションである。 本開示による、図１０に示される放電電極アセンブリのピン間ギャップ内のガス流閉塞を示す、流動シミュレーションである。 本開示による、図１０に示される放電電極アセンブリの点火先端において高ガス流を維持している間のピン間ギャップ内のガス流閉塞を示す、流動シミュレーションである。 本開示の任意選択の一実施形態による、放電電極アセンブリ上に周期的に配置された単一の点火先端を有するピラミッド型放電ピンを示す図である。 本開示の任意選択の一実施形態の教示による、４つの点火先端を有する円柱状の放電ピンを有するディスク型放電電極の図である。 本開示の任意選択の一実施形態によるディスク型放電電極の放電ピンから対電極に向かうストリーマ伝播の概略図である。 本開示の任意選択の一実施形態による２つのディスク型放電電極の千鳥配置を示す概略図である。 本開示の任意選択の一実施形態による６つのディスク型放電電極の千鳥アセンブリを示す斜視図である。 本開示の任意選択の一実施形態による放電ピン間のギャップを通る流れを制限するための、６つのディスク型放電電極の千鳥配置を示す部分図である。 本開示の任意選択の一実施形態による放電ピン間のギャップを通る流れを制限するための、６つのディスク型放電電極の千鳥配置を示す全体図である。 本開示の実施形態の１つによる円筒形の接地電極の内部に設けられたディスク型放電電極アセンブリの斜視図である。 本開示の教示によるディスク型放電電極アセンブリを利用する放電装置の概略的な任意選択の実施形態である。 円筒形の対電極の内部に設けられたディスク型放電電極アセンブリから、均一な電離面を形成するストリーマ伝播の概略図である。 ６つの点火先端を有する六角形の放電ピンを有する任意選択的なディスク型放電電極からのストリーマ伝播の概略図である。 ６つの点火先端を有する六角形の放電ピンを有する任意選択的なディスク型放電電極アセンブリから、均一な電離面を形成するストリーマ伝播の概略図である。 放電空間内に残留電荷が存在する状態の、連続パルスのための異なる開始電圧を示す概略図である。 各パルス間にバイアス電圧が印加される連続パルスのための類似の開始電圧を示す概略図である。 本開示の放電装置の任意選択の実施形態によってリーファーコンテナ環境からエチレン及び微生物汚染物質を除去するための概略的な配置である。 本開示の放電装置の任意選択の実施形態によって制御雰囲気（ＣＡ）貯蔵環境からエチレン、ＣＯ２、及び微生物汚染物質を除去するための概略的な配置である。 本開示の放電装置の任意選択の実施形態によって非冷蔵貯蔵環境からエチレン及び微生物汚染物質を除去するための概略的な配置である。 格納式シェード内で空気を収集して空気を分配するための格納式フレーム用の概略的な任意選択的配置である。 閉鎖位置にある格納式フレーム用の概略的な任意選択的配置である。 任意選択的なソーラーパネルを有する格納式貯蔵シェード用の概略的な配置である。 エチレン及び微生物汚染物質を除去するための、本開示の放電装置を有するオフグリッド格納式貯蔵シェード用の概略的な配置である。 放電ピンの周りに空気流を与えるためにカセット内に封入された分岐放電ピンを有するディスク型放電電極用の概略的な任意選択的配置である。 本開示の教示による、任意選択的に懸濁液滴（又はミスト）を有するガス供給源及び分岐放電ピンで動作する放電装置用の、概略的な配置である。 収束放電ピンを有するディスク型放電電極の概略図である。 放電ピンの周りに空気流を与えるためにカセット内に封入された収束放電ピンを有するディスク型放電電極用の概略的な配置である。 本開示の教示による、任意選択的に懸濁液滴（又はミスト）を有するガス供給源及び収束放電ピンで動作する放電装置用の、概略的な配置である。 本開示の教示に従って動作する複数の放電装置及び懸濁液滴（又はミスト）を任意選択的に有する共通のガス供給源を任意選択的に有する燻蒸装置の、概略的な配置である。 図４４に示される燻蒸装置の概略断面図である。 本開示の教示に従って動作し、任意選択的に、移動式の調整可能なステージ上に実装された、燻蒸装置の概略的な配置である。 本開示の教示に従って動作するプログラム可能な移動式燻蒸装置による医療施設の燻蒸作業を示す図である。 本開示の教示に従って動作する放電装置と、真空吸引の設備と、表面ブラッシングの設備と、を任意選択的に有する、表面消毒システムの概略図である。 本開示の教示に従って動作する放電装置を展開することによって栄養を供給しながら、病気及びカビ防除のために水耕栽培／温室植物を燻蒸するための概略的で任意選択的な配置である。 本開示の教示に従って動作する放電装置を有する燻蒸ドローンの概略的な配置である。 図５０に示される燻蒸ドローンの本体の縦断面図である。 図５０に示される燻蒸ドローンの本体の分解断面図である。 本開示の教示に従って動作する放電装置を展開することによって、毒素除去のために穀物及びナッツを燻蒸するための、概略的な配置である。 本明細書に開示される放電装置からのフリーラジカルによる毒素除去のための可能な機構を示す図である。 平面型放電電極アセンブリ及び任意選択的な液体電極を有する、放電装置の概略的な配置である。 円筒形の液体電極及び任意選択的なフロースルー容量性脱イオン化システムを採用する水処理装置の概略的な配置である。 図５６に示される装置のための、容量性脱イオン化プロセス及びフィルタ逆洗の脱着サイクルを示す、概略図である。 本開示の教示に従って動作する液体電極放電装置を展開する血液処理のための概略的な配置である。 液体電極放電装置及び磁気インペラを採用する液体処理装置の概略的な配置である。 本開示の任意選択的な放電装置を採用する燃焼機関吸気イオン化のための概略的な配置である。 放電ギャップに沿った正ストリーマからの発光強度を表す図である（Ｖ＝９．５ｋＶ、Ｉ_{ｔｏｔａｌ}＝５０μＡ、放電ギャップＧ＝１２ｍｍ）。 放電ギャップに沿った負ストリーマ発光強度を表す図である（Ｖ＝１０．５ｋＶ、Ｉ_{ｔｏｔａｌ}＝１００μＡ、放電ギャップＧ＝７ｍｍ）。 正ストリーマ間の反発的相互作用を表す図である（Ｖ＝５．０ｋＶ、Ｉ_{ｔｏｔａｌ}＝５０μＡ、放電ギャップＧ＝５ｍｍ）。 ２つの負ストリーマ間の反発的相互作用を表す図である（Ｖ＝７．５ｋＶ、Ｉ_{ｔｏｔａｌ}＝１００μＡ、放電ギャップＧ＝５ｍｍ）。 本開示の教示に従って組み立てられた実験用放電装置を示す図である。 ８５Ｗの電力、Ｑ＝５ｍ３／ｈの空気流、（ａ）０Ｖバイアス、（ｂ）２００Ｖバイアスの例示的な電圧パルスを示す図である。 １００Ｗの電力、Ｑ＝５ｍ３／ｈの空気流、（ａ）０Ｖバイアス、（ｂ）２００Ｖバイアスの例示的な電圧パルスを示す図である。 任意の流量Ｑ＝５ｍ^３／ｈについて異なるバイアス電圧での放電のための最大電力の利用可能性を示す図である。 異なる流量で印加されたバイアス電圧に対する最大電力の利用可能性を示す図である。 １０ｍ^３／ｈの流量で印加されたバイアス電圧に対するオゾン生成能の変動を実証する図である。 ２０ｍ^３／ｈの流量でバイアス電圧に対するオゾン生成能の変動を実証する図である。 オン及びオフ状態で動作する本開示の放電装置による、４０フィート（１２．２メートル）リーファーコンテナのエチレン蓄積及び除去を実証する図である。 本開示の放電装置によるエチレン分解のための可能な機構を示す図である。 低濃度で４０’リーファーコンテナ内のエチレン除去における、本開示の任意選択的な放電装置の有効性を実証する図である。 本開示の任意選択的な放電装置の胞子除染能力を実証するための、実験的な燻蒸セットアップを示す図である。 水電極で動作する放電装置による水中の導電率及びｐＨの変化を示す図である。 本開示の水電極放電装置を用いた水中の過酸化物形成を示す図である。 本開示の水電極放電装置による、水からのメチレンブルー除去の進行を示す図である。 本開示の水電極放電装置による、水からのイブプロフェン除去の進行を示す図である。 本開示の水電極放電装置による、水からのメトホルミン除去の進行を示す図である。 本開示の水電極放電装置による、水中の可溶性から不溶性への鉛（Ｐｂ）の変換の進行を示す図である。 水が放電空間を通過し、次いで本開示による容量性脱イオン化セルを通過する際の、導電率、過酸化物濃度、及び硝酸塩濃度の変化を示す図である。 本開示の水電極放電装置による、ＣＯ_２から水溶性副生成物への変換を示す図である。

詳細な態様が本明細書に開示される。しかしながら、開示される態様は本質的に単なる例示であり、様々な代替的形態で具体化され得ることが、理解されるべきである。図面は必ずしも縮尺通りではない。したがって、本明細書に開示される特定の詳細は、限定的に解釈されるべきではなく、単に本発明のあらゆる態様の代表的な基礎として、及び／又は本発明を様々に採用するための当業者への教示の代表的な基礎として、解釈されるべきである。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図していない。本明細書で使用される際に、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その内容が別途明確に指示しない限りにおいて、「少なくとも１つ」を含む複数形を含むように意図される。「又は」は「及び／又は」を意味する。本明細書で使用される際に、用語「及び／又は」は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。本明細書で使用されるときの用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び／又は「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、明言された特徴、領域、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を規定するが、１つ以上の他の特徴、領域、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外するものではないことが、さらに理解されるだろう。用語「又はこれらの組み合わせ」は、先行する要素のうちの少なくとも１つを含む組み合わせを意味する。

別途定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般に使用される辞書で定義されるような用語は、関連技術及び本開示の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で別途明確に定義されない限り、理想化されるか又は過度に形式的な意味で解釈されるものではないことが、さらに理解されるだろう。

本明細書を通して、刊行物が参照される場合、これらの刊行物の開示の全体は、本発明が関連する最新技術をより完全に説明するために、参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書で使用される以下の用語又はフレーズは、少なくとも１つの態様に関連して以下に列挙される例示的な意味を有する。

本明細書で使用される「誘電」材料は、伝導することなく電気力を伝達し、したがって低導電率を有する、媒体又は材料である。誘電材料の実例は、ガラスである。

本明細書で使用される「放電空間」は、活性電極と接地電極との間のギャップを意味する。

本明細書で使用される「ＦＲＧ」は、本開示の教示に従って動作する「フリーラジカル発生器」を意味する。

本明細書で使用される「炭素質材料」は、とりわけ、グラファイト、結合剤で満たされた炭素織布又はグラファイト繊維、グラファイト化炭素材料、及び圧縮炭素材料を含む。

本明細書で使用される「ミスト」は、ガス中に懸濁した液体の小さな液滴群を含み、液滴の重量は、ガスによって課される抗力よりも小さい。

本明細書で使用される「燻蒸」は、消毒するため、又は生物有機体又は毒素を取り除くために、特定のラジカルのガス状燻煙を適用することを含む。

本明細書で使用される「スーパーバグ」は、１つ以上の抗生物質薬に対して耐性になった細菌の株を含む。

本明細書で使用される「毒素」は、植物又は動物由来の抗原性の毒又は毒液、場合により、微生物から生成されるか又はこれに由来し、体内に低濃度で存在すると病気を引き起こすものを含む。

「ストリーマ」は、１００から２５０ｋＶ／ｃｍの範囲内の実質的な電場増強を有し、波面の後で低温プラズマに変換される中性ガス中を伝播し、結果的にチャネル状の外観となる、自立した電離波を意味する。ストリーマチャネルの内部は、ほぼ同じ電子密度及びイオン密度を有する導電性プラズマからなる。

「フリーラジカル」は、不対価電子を有し、したがってこれらの用語が当該技術分野で認識されるように不安定で高反応性である、原子又は原子群を意味する。例えば、フリー酸素ラジカルは、以下の非弾性電子衝突によって生成される。
Ｏ_２＋ｅ⁻→Ｏ^＋＋Ｏ＋２ｅ⁻ （１）
Ｏ_２＋ｅ⁻→Ｏ＋Ｏ＋ｅ⁻ （２）
Ｏ_２＋ｅ⁻→Ｏ⁻＋Ｏ （３）
これらは一般的な形式で、Ｏ_２＋ｅ⁻→Ｏ^＊＋Ｏ^＊で表される。他のラジカルは、放電空間内のガスの組成に応じて、類似の非弾性衝突によって生成されることが可能である。
Ｈ_２Ｏ＋ｅ⁻→ＯＨ^＊＋Ｈ^＊ （４）
Ｎ_２＋ｅ⁻→Ｎ^＊＋Ｎ^＊ （５）

「電界」は、本質的に正又は負となり得る電界を意味する。類似の電界は互いに反発し合い、反対の電界は互いに引きつけ合う。

図２を参照すると、近接した同一の放電ピン／点火先端から複数のストリーマが生成されるとき、それら自身の電界が、互いの特性に影響を及ぼすだろう。参考までに、同一の点火先端とは、同じ幾何的及び材料特性、並びに対電極にわたって同じ印加電圧を有することを意味する。図２に示されるように、上部及び底部ストリーマは、上側にも底側にもそれぞれ制限的な電界がないために、中央のストリーマから離れる方へ分岐している。さらに、これらの半径は、中央のストリーマよりも大きい。隣接するストリーマによって全ての側面から均一に拘束されると、２つの中央のストリーマの場合に図示されるように、電界増強に加えて半径の狭小化が起こり、これによって電子エネルギー及び確率密度分布の積を増大させ、したがってフリーラジカル発生効率を向上させる。近接場の影響及びその結果生じるストリーマヘッド電界増強は、ピン間ギャップ及び点火先端の分布、対電極からの距離、放電ガス、並びに印加電圧など、いくつかの要因に依存する。

図３を参照すると、鋭い放電ピン２が接地／対電極４に対して配置されたとき、ストリーマ３は、放電ギャップを通じて接地電極４に向かって伝播する。ストリーマチャネル５は導電路を確立し、したがって印加電圧は、アーク放電を防止するためにストリーマヘッド３が対電極４に到達する前に除去される必要がある。したがって、短い電圧パルスが電極に印加される。鋭い放電ピンは、ストリーマ点火電圧を低下させるので、ストリーマにとって好ましい。多数のストリーマを発生させるために、多くの鋭い放電ピンが近接して編成されてもよいが、しかしこのような装置の製造は非常に面倒である。緊密に配置された鋭い放電ピンを展開することの複雑さ及び難しさを引用すると、特許文献１は、３０から９０°の円錐角を有する電極の使用を教示しており、この特定の電極角度のため、各電極からのストリーマは、電極間空間と重複するより広い領域にわたって拡張することが主張されている。

同じ極性の放電ピンに起因するストリーマは、そのヘッドにおける同じ（負又は正の）電界増強のため、互いに反発し合う。さらに、ストリーマ径が拡大すると、ヘッドにおけるその電界増強は減少し、二次的な枝分かれの確率を上昇させ、こうしてそのラジカル発生能力も増加させる。言い換えると、ラジカル発生効率を向上させるために、放電ピン設計及び配置は、ストリーマの拡大並びに二次ストリーマの形成を抑制し、そのヘッドにおける電界を増強させることを目的とすべきである。

本明細書では、ストリーマ閉じ込めを向上させるのに役立ち、容易に製造でき、それによってフリーラジカル発生を向上させる、放電ピン設計、活性電極アセンブリを形成するその配置、並びに装置が与えられる。電極の一例は、４つの鋭い点火先端（コーナー）（５’）を有する放電ピン２’を示す図４に示されている。ストリーマ点火電圧よりも高い電圧パルスが放電電極ピン２’及び対電極４’にわたって印加されると、４つのストリーマが４つの点火先端から出現し、対電極に向かって伝播する。したがって、ストリーマヘッドにおける電界増強のため、ストリーマは、対電極４’に向かって伝播する間に互いに反発し合い、又は言い換えると、放電ピン法線６’から分岐する。任意選択的に、図５は、６つの鋭い点火先端（コーナー）（５’’）を有する放電ピン２’’をさらに開示している。したがって、適切な電圧パルスが放電ピン及び対電極にわたって印加されると、６つのストリーマが出現し、対電極４’’に向かって伝播する。また、ストリーマヘッド３’’における反発力のため、ストリーマは放電ピンの法線６’’から分岐する。

放電ピン上の点火先端の数が１より大きいいずれの数であってもよいことは、理解される。点火先端の数は、任意選択的に、２、３、４、５、６、又はそれ以上である。任意選択的に、装置は、様々な数の点火先端を有する放電ピンを含む。本明細書で使用される点火先端は、縁又は点における角を画定するコーナーであり、適切な条件下で個々のストリーマを生成するのに十分なほど鋭い。

図４及び図５のストリーマは、互いに反発し合ってピン法線から分岐するが、それでもなおこれらは拡張し続け、これによって、ストリーマヘッドの電界増強を弱め、これらを拘束し得る周囲の電界がまったくないときに、二次ストリーマを形成する可能性がある。しかしながら、同一であって場合により均一に位置決めされた周囲の放電ピンが存在する場合には、類似の特性のストリーマがこれらから出現し、ひいては、ストリーマが弱まるのを制限してこれらを対電極に向かわせる電界制約を与える。したがって、図６ａは、ピン法線間の距離（Ｄ１）１４がどこでも実質的に同一となるように位置決めされた放電ピン１２を有する、電極アセンブリ１０を開示する。さらに、各放電ピン上の点火先端１５間の距離ｄは、実質的に同一であり得る。ｄは常にＤ１より小さいものの、最良の動作及び製造の実践のためにいくつかの考慮がなされる。Ｄ１が小さい方が、放電ピンの数が多くなり、任意の表面積に対するストリーマの数が多くなる。いくつかの態様では、Ｄ１は０．２５から２５ｍｍの間であり、任意選択的にＤ１は１から１０ｍｍの間である。さらに、非常に小さいｄは、点火先端の公差を維持する上での問題を課す。そのため、ｄは任意選択的に０．０５ｍｍから１０ｍｍの間であり、任意選択的にｄは０．１ｍｍから２．５ｍｍの間である。

点火先端表面と対電極との間の距離に対して、さらなる検討がなされる。ここで図６ｂを参照すると、点火先端から対電極表面までの間の距離Ｇは、放電ギャップとして知られており、装置性能に対してかなりの影響を及ぼす。放電ギャップ２２は、ガス流量、ストリーマが放電ギャップを横断するのに要する時間、及びストリーマ特性に影響を及ぼす。ストリーマが放電ギャップを横断するのに要する時間がＴｓであり、Ｔｐは電流パルスの半値全幅（ＦＷＨＭ）である場合、その比Ｒ＝Ｔｓ／Ｔｐは、放電ギャップ及び電源設計において重要な役割を果たす。Ｒ＝１のとき、電圧パルスはストリーマが対電極に到達した瞬間に終了し、これは最良の状況を呈する。Ｒ＞１の場合には、ストリーマが放電ギャップを横断するのに要する時間がパルス持続時間を超える。この場合、ストリーマは電極間の位置で伝播を停止するが、この状況は望ましくない。Ｒ＜１の場合には、パルスエネルギーの一部は放電プロセスで利用されず、放散（熱）又は回復する必要がある。ストリーマは１０^６ｍ／ｓ程度の速度で移動するので、大きい放電ギャップを維持するか又は非常に短いパルス（約１μ秒以下）を印加することによって、条件Ｒ＝１を維持することができる。より大きい放電ギャップは、放電ギャップを通るストリーマ伝播のためにより高い印加電圧を必要とするだろう。極端に短いパルスは、高いスイッチング周波数及び効率損失のため、電源設計を複雑にする。また、高スイッチング周波数は高ＥＭＩノイズにつながり、電子部品の動作を非常に難しくする。したがって、放電プロセスで利用されないパルスエネルギーの一部を捕捉するためのエネルギー回復回路と共に、条件Ｒ＜１の下で装置を動作させることが好ましい。放電ギャップは０．５ｍｍから３０ｍｍの間で任意選択的に変動してもよいので、放電ギャップは任意選択的に１ｍｍより大きく、任意選択的に１５ｍｍより小さい。負極性の場合は短い放電ギャップの方が好ましいが、正極性の場合には長い放電ギャップの方が好ましい。したがって、負極性では、放電ギャップは任意選択的に１ｍｍ以上、任意選択的に２ｍｍ以上、任意選択的に３ｍｍ以上、任意選択的に４ｍｍ以上、任意選択的に５ｍｍ以上、任意選択的に６ｍｍ以上である。正極性では、放電ギャップは任意選択的に５ｍｍ以上、任意選択的に６ｍｍ以上、任意選択的に７ｍｍ以上、任意選択的に８ｍｍ以上、任意選択的に９ｍｍ以上、任意選択的に１０ｍｍ以上、任意選択的に１１ｍｍ以上、任意選択的に１２ｍｍ以上、任意選択的に１３ｍｍ以上、任意選択的に１４ｍｍ以上である。さらに、Ｄ１＝Ｇ、すなわち電極間距離が放電ギャップと等しくなるように維持することが好ましいが、しかしこれは必要条件ではない。

電圧パルスが電極アセンブリ３０に印加されると、４つのストリーマが各放電ピンから出現し、１つのストリーマが点火先端の各々から出現する。各ストリーマ３４は、放電ピンの法線から分岐しようとする一方で、周囲の放電ピンから出現するストリーマ３８の電界による反発力も受けるだろう。この配置により、各ストリーマが全ての側面から拘束されて対電極に向かって移動することが保証される。周囲のストリーマからのこの拘束は、二次ストリーマの形成を防止し、効率的なイオン化及びラジカル形成をもたらすストリーマヘッドにおける十分な数の高エネルギー電子を確保する。周囲のストリーマによる近接拘束のこの教示を展開して、ラジカル発生装置が図８に開示される。ラジカル発生器４０は、円筒形の対電極４１によって包囲された中心の円筒形の放電電極アセンブリ４２を備える。中心の放電電極アセンブリ４２は、少なくともエンドキャップ４３によって、対電極から電気的に絶縁されている。任意選択的に、装置は、放電電極アセンブリ４２の同心性を維持するための２つのエンドキャップを含む。エンドキャップは、同心の入口流れ通路４４及び出口流れ通路４５を含む。なお、入口及び出口通路は交換可能であることに留意すべきである。エンドキャップ４３は、非導電性材料から作られる。任意選択的に、材料はアクリルであり、任意選択的に、材料はセラミックである。ガス供給元（ここでは図示せず）は、装置内にガスを供給し、これが放電ギャップ４６内を通過する。適切な電圧パルスを印加すると、ストリーマが放電電極アセンブリから対電極に向かって出現し、次いで放電ギャップの中のガスストリーム内でラジカルを発生させる。

図９の放電電極アセンブリ５２の構造に、さらに注目する。この断面図は、ラジカル発生器４０の４７で取られている。図示されるように、放電ピン５８は放電ピン５７からある角度で位置決めされており、これによって表面放電電極アセンブリ５２に沿ったピンの均一な分布を維持している。任意選択的に、均一な電界制約が、電極アセンブリの外周の周りの各ストリーマの周りで維持されている。放電ピンの周期的な分布が、図１０にさらに示されている。先に述べられたように、放電ピンの数が多い方が、より多くのストリーマが形成されて、ラジカル発生効率が良くなる。しかしながら、コスト効率の良い製造技術によってこれらの放電ピンを正確に位置決めすることは、本開示の教示を実施する上で重要な検討事項である。開示される電極アセンブリ６０は、ミル／旋盤機械によってコスト効率良く機械加工されることが可能である。特定のピラミッド型構造は、良好な精度を維持してピン変形を回避することを可能にする。適切な電圧パルスを印加すると、拘束された一次ストリーマが電極アセンブリ全体から出現し、図１１に示されるように放電空間を通じて伝播する。ストリーマのヘッドは、対電極７６に向かって移動する際に電離面７４を形成する。このような配置は、高いラジカル発生効率を保証する。特に、浄化又は化学反応のためにガスが放電空間の中で処理されるとき、ストリーマヘッドによって形成された電離面の均一な相互作用は、効率的で急速な化学反応を可能にする。本開示のストリーマヘッドによって形成された電離面８４の斜視図が、図１２に示されている。ストリーマ面９４の断面図は、図１３に示されている。ガスが放電空間を通過する際に、ストリーマ面との連続的な相互作用は、イオン化及びラジカル形成、並びに関連する化学変換を保証する。

本明細書に開示されるように、印加電圧を変化させずに周囲のストリーマの反発電界によってストリーマヘッドを拘束する能力は、選択的なエネルギーレベルの電子で確率密度分布をシフトすることを可能にする。その結果、５ｅＶ付近に確率密度分布を集中させることによって豊富なＯＨ^＊ラジカルを選択的に発生させることが可能であり、その一方でＮ^＊ラジカルは、９ｅＶ付近に確率密度分布をシフトさせることによって効率的に発生することができる。ガス混合物では、ＯＨ^＊ラジカルが選択的に発生することが可能であるが、Ｏ^＊及びＮ^＊ラジカルを選択することは不可能である。より高いエネルギーの電子はＮ^＊ラジカルを形成するが、ガス混合物中に水分及び酸素が存在する場合、これらは豊富なＯＨ^＊及びＯ^＊ラジカルも形成する。しかしながら、乾燥ガス中では、Ｏ^＊ラジカルを選択的に発生させてＮ^＊を抑制することができ、これはオゾン生成にとって重要である。任意選択的に、浄化された酸素は、Ｏ^＊ラジカル及び同様にオゾンのみを発生させるために使用されることが可能である。放電ピンの極性、印加電圧、装置の幾何学的パラメータ（放電電極アセンブリ並びに放電ギャップ）、及びパルス幅は、ラジカルの選択性並びに収率に影響を及ぼすように調整されてもよい。正ストリーマヘッドにおける電界増強は、放電ギャップを横断するにつれて増加し続け、その一方で負ストリーマの先端における増強電界は、その飛行中に減少する。その結果、正ストリーマでは、放電空間にわたる高エネルギー電子の利用可能性は、一般に負ストリーマの利用可能性よりも高い。放電ギャップ及びパルス幅は、上記で定義された比Ｒを決定する。より高い印加電圧は、ストリーマ速度を増加させてＲを低下させる。Ｒが小さいときに最高収率が得られるが、しかし電源設計に関連する複雑さ及び変換効率のため、非常に小さいＲは望ましくないかもしれない。一般に、ＯＨ^＊ラジカル（低解離エネルギーを要する）を選択的に発生させるために、より大きい放電ギャップが好ましいかもしれないが、その一方で、より高い電子エネルギー及びより小さい放電ギャップを必要とするラジカルが選択される可能性がある。それでもなお、放電ピン幾何形状及びピン間距離などその他多くのパラメータがあり、これらは任意の放電ギャップ及び電気的パラメータでも類似の結果を得られるように調整されることが可能である。

本明細書に開示されたストリーマヘッド閉じ込めに加えて、選択的な結果を達成するために、放電電極の極性を選択することも可能である。正ストリーマは、負ストリーマと比較して、より高い電界増強を有する。したがって、ＯＨ^＊又はＯ^＊ラジカルを最大化するために、放電電極の負極性が好ましいが、その一方でＮ^＊ラジカルでは、放電電極の正極性が好ましい選択肢である。しかしながら、いずれの場合も、本明細書に開示されたようなストリーマヘッド閉じ込めによる電界増強方法論が利用可能である。

ここで図１４を参照すると、多数のストリーマ、ひいては効率的なラジカル発生を与えるために、多くの鋭い放電ピンが円筒形の表面上に配置されることが可能である。しかしながら、このような鋭いピンの製造は、面倒で高額である。このタイプのピン１０２に関する更なる問題は、電極アセンブリ１００を展開して製造される装置内の供給ガスの流動シミュレーションを示す図１５に示されている。シミュレーションは、３０ｍ^３／時の空気流及び５ｍｍの放電ギャップで、流動シミュレーションソフトウェアＦｌｕｅｎｔ１６．０によって実行した。広範囲の明るい陰影によってわかるように、かなりの割合のガスが電極間空間１１８を通過する。ストリーマはピン先端から出現するので、ピン間空間を通過するガスの部分は、ストリーマヘッドの電離面と決して相互作用しない。実際、このガスがストリーマヘッドと相互作用したイオン化ガスと衝突すると、著しいラジカル損失を招く。ピラミッド型放電ピン１２２の利点は、電極アセンブリ６０を展開して製造される装置内の供給ガスの流動シミュレーションを示す図１６に示されている。電極アセンブリ６０は、ピン間空間を通るガス流を妨害する。図１６を参照すると、暗い陰影から、ピン間空間１２８内の流速が最も遅く、ガスの大部分は放電空間内を強制的に通され、そこで強制的にストリーマの電離面と相互作用させられることがわかる。これは、高度のイオン化及びラジカル形成、並びに効率的な化学反応を保証する。図１７に示されるように、ピン間ギャップ内のガス速度は遅いものの、点火先端１３２におけるガス速度は、放電空間１３４のものとよく似ている。点火先端におけるガス流は不純物、水分、及びイオンの蓄積を防止するので有益である。不純物の蓄積は装置の性能に影響を及ぼし、特に水滴の蓄積は、アーク放電及びピン損傷を招く可能性がある。放電空間内のガス流の重要性は、以下でさらに論じられる。

放電電極アセンブリの任意選択的な設計は、ピラミッド型放電ピンが１つの点火先端のみを含む図１８に提示されている。図１８に示されるようなピラミッドの底辺は、実質的に接合されており、いくつかの態様では、ピラミッド底辺の間に空間を含んでもよく、一方、任意選択的に、本明細書で示されるような他の空気流防止設計が使用されてもよい。図１６及び図１７に示される流れの利点は設計においてほとんど実現されるものの、点火先端の減少は、ストリーマの数を減少させるだろう。潜在的に、同じ数の放電ピン及びひいては同じ数の点火先端を機械加工することが可能であるが、しかしこれは、放電ピン間により深い谷を有する細いピラミッドを必要とすることになる。特に、点火先端における低質量及びひいては剛性のため、機械加工中に鋭い先端を維持することは極端に面倒である。他方で、ここに教示される正方形のプロファイルは、４つの点火先端を与えることに加えて、厳しい公差を実現するための堅い底辺を与える。さらに、取り扱い並びに動作中に幾何学的精度を維持することは、本明細書に開示されるように複数の点火先端を有する放電ピンを備える電極アセンブリを用いれば、容易になる。図１０に示される放電電極アセンブリは円筒形であるが、任意選択的に、平坦、円錐形、又は半球形のような他の形状であってもよい。円筒形及び平坦な電極は、標準的な機械加工技術及びスケールアップによる製造にとって便利である。

放電電極アセンブリを製造するため利用される材料に、さらに注目する。放電空間内の環境は、フリーラジカルの存在のため、化学的に非常に活性である。供給ガスに応じて、ラジカルは、放電ピンを酸化、窒化、又は加水分解して、錯化合物を形成する。したがって、電極は、望ましくない劣化を防止するために、良好な耐薬品性並びに良好な導電性を有する材料の群から作られるべきである。特に、鋭い点火先端を有する放電ピンは、急速に反応し、幾何形状並びに導電性も失う傾向がある。さらに、放電電極の極性は、その寿命にも影響を及ぼす。正極性（アノード）は、負（カソード）極性と比較して、化学的活性を増加させる。炭化ケイ素のような材料は正極性を有する放電ピンに好ましいが、とりわけステンレス鋼のような材料は、正極性を有する放電ピンに任意選択的に使用されることが可能である。グラファイト又は炭素質の対電極は、これに対するストリーマの連続的な衝突による腐食反応を防止するために、任意選択的に使用されるが、とりわけチタン及びステンレス鋼のような材料が任意選択的に使用され得る。

上記で論じられたように、放電装置に適用される電気的パラメータは、装置の動作特性、ひいてはラジカルの結果的な性質及び収率を決定する。一般に、印加電界は、任意選択的に１０から２００ｋＶ／ｃｍ、任意選択的に、１０から１００ｋＶ／ｃｍの範囲であってもよい。しかしながら、印加電界は任意のタイプのストリーマのために最大化されるべきであるものの、放電空間の抵抗を破壊することなく、公差範囲内にあるべきである。より高い印加電圧は、放電ギャップにおけるイオン化及び放電電流を増加させ、点火遅延を減少させる。ＡＤＳ（負）の印加電界は、任意選択的に２５から５０ｋＶ／ｃｍの間であり、ＣＤＳ（正）では任意選択的に２０から４０ｋＶ／ｃｍの間である。極端に短いパルス及び大きい放電ギャップは回避されるべきである。パルス幅は、１０ナノ秒（ｎｓ）から５０マイクロ秒の間で任意選択的に変動してもよい。このため、パルス幅は、任意選択的に５０ｎｓから５マイクロ秒の間であり任意選択的に２００ｎｓから１マイクロ秒の間である。エネルギー伝達効率は、放電ギャップを減少させることによって、かなり増加することができる。第一に、平均電界は、放電ギャップの減少と共に増加し、結果的にプラズマ抵抗を減少させる。第二に、短い放電ギャップでは、ストリーマ伝播持続時間が減少する。パルス当たりのエネルギー及びパルス周波数は、装置による全体的な消費電力を決定する２つの重要なパラメータである。放電ピン当たりの散逸エネルギーは、任意選択的に０．１μＪから１００μＪの間、任意選択的に１．０μＪから２０．０μＪの間であってもよい。周波数は、任意選択的に１００Ｈｚから１００ｋＨｚの間、任意選択的に１０ｋＨｚから３０ｋＨｚの間であってもよい。ますます多くの放電ピンを組み立て、相応にエネルギーを供給することによって、装置がスケールアップできることが不可欠である。しかしながら、ラジカルが形成されるにつれて、放電ギャップの特性（点火電圧）が変化するが、これはガスが放電空間内を端から端まで移動するにつれて印加電圧を変化させることを必要とする。したがって、非常に長い放電チャネルは推奨されず、放電チャネル長は任意選択的に１ｃｍから１メートルの間であってもよく、任意選択的に５ｃｍから５０ｃｍの間であってもよい。ガス流量は、装置に送達され得るエネルギー、ひいてはラジカル濃度、並びに量に対してかなり影響を及ぼす。ガス流が少ないとラジカル濃度は上昇するが、発生速度と破壊速度との間の競合、並びに不安定な点火電圧及びアーク放電につながる空間電荷蓄積のため、収率が低下する。ガス流が多いと、ラジカル濃度は低下するが、収率は向上する。任意の圧力勾配で、ガス流量は放電ギャップに依存し、したがって、放電空間内のガス速度は、適切な装置動作のための有用なパラメータである。放電空間内のガス速度は、任意選択的に０．１ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの範囲であってもよい。このため、放電空間内のガス速度は、任意選択的に２ｍ／ｓ、任意選択的に５ｍ／ｓ、任意選択的に１０ｍ／ｓ、任意選択的に１５ｍ／ｓ、任意選択的に２０ｍ／ｓ、任意選択的に３０ｍ／ｓ、任意選択的に４０ｍ／ｓ、任意選択的に５０ｍ／ｓ、任意選択的に６０ｍ／ｓである。体積エネルギー、すなわちガス１リットル当たりのエネルギーは、装置の重要な特性である。体積エネルギーは、任意選択的に５Ｊ／Ｌから５ｋＪ／Ｌ、任意選択的に２００Ｊ／Ｌから１ｋＪ／Ｌまで変動し得る。

ここで図１９を参照すると、任意選択的なディスク型放電電極が与えられる。放電電極１５０は、ディスクの外周に沿って配置された、４つの点火先端を有する放電ピン１５２を備える。さらに、放電電極は、中心孔１５８及びスペーサ１５４を含む。任意選択的に個別のスペーサが使用されてもよいが、中心孔１５８を作る間に製造されることが可能な一体型スペーサ１５４を有することが、好ましい。さらに、所定のパターンに従って中心ロッド上にこれらの電極を位置決めするために、キースロット１５６が設けられている。キースロットの数は、放電電極の直径、放電ピンの数、及び放電ピン間のギャップに基づいて決定される。本開示の教示に合わせて、放電ピンは、対電極に接近したときに４つのストリーマを発生させるように設計されており、図２０に示されるように、本開示の教示に従ってこれらに適切な電圧が印加される。説明目的のみのために、アセンブリ１６０は、キー１６８に固定された単一の放電電極、及び放電ピンのうちの１つから対電極１６６に向かって出現する４つのストリーマ１６４を示している。しかしながら、実際の装置では、多数の放電電極が一緒に組み立てられ、各放電ピンは、本開示で教示された電界近接制約を実現するために同一のストリーマを発生させる。図２１は、第１電極の放電ピン１７２が第２電極の放電ピン１７２’の間のギャップの中央になるように、第２放電電極上に重ねられた第１放電電極を示す。したがって、図２２は、中心ロッド１８９上に編成された６つの放電電極１８１から１８６の斜視図を示す。放電電極の編成は、所定のパターンに従って行われる。１つのキーが放電電極を所定の位置に係止するために使用されるが、キースロットは、前の電極に対して連続する電極の放電ピン間の所望の角度が維持されるように、各電極の位置決めを可能にする。これは、図２３にさらに示されているが、６つの電極が組み立てられた後はピン間ギャップを通して見ることができない。言い換えると、ピン幅が「ａ」である場合、ピン間ギャップは「５ａ」であり、６つ目の電極は第１電極の繰り返しである。したがって、０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍの断面を有する放電ピンは、１．２５ｍｍのピン間ギャップを必要とするだろう。ピン間ギャップに対するピン幅の寸法比は、任意選択的に変動してもよく、必ずしも１：５の比に留まるとは限らない。ここで重要な目的は、ストリーマ間の距離が一定に保たれて、これらが放電電極アセンブリの外周上に均一に分布するように、放電ピンを位置決めすることである。この配置は、ピン間ギャップを通る空気流を妨げて、効率的なラジカル発生及び関連する反応のために供給ガスをストリーマヘッドと強制的に相互作用させる。電極の例示的なアセンブリは図２４に示されており、上から見るとわかるように、６つ目の電極の先端は見えない。代替の態様では、ピン間ギャップの回転方向を続ける代わりに、ピン間ギャップにおけるガス流の閉塞を終わらせるピンに続いて、ピン間ギャップの交互方向構成を形成するように、指向性回転は任意選択的に反転されてもよい。図２５は、円筒形の対電極２１６の内部で同心に設けられた電極アセンブリ２１２の斜視図を示しており、放電ピン間の間隔は、径方向及び軸方向の両方で等しい。これは、本開示において教示された均一なストリーマ閉じ込め、並びに供給ガス２１４が放電ギャップを通過する際の電離面との均一な相互作用を、保証する。これらの電極は、レーザービーム又は電子ビームによって都合よく精密に切断されるか、又は大量生産のために打ち抜かれることが可能である。いくつかの態様では、放電電極のスペーサは、任意選択的に０．５から２０ｍｍの間、任意選択的に１ｍｍから１０ｍｍの間、任意選択的に１．５ｍｍから５ｍｍの間である。したがって、ピン間ギャップは、任意選択的に０．５から２０ｍｍの間、任意選択的に１ｍｍから１０ｍｍの間、任意選択的に１．５ｍｍから５ｍｍの間である。このため、ピンの断面は、任意選択的に０．０５ｍｍ×０．０５ｍｍから１０ｍｍ×１０ｍｍの間、任意選択的に０．１ｍｍ×０．１ｍｍから２．５ｍｍ×２．５ｍｍの間である。

図２６を参照すると、本開示のフリーラジカル発生器は、電気的に絶縁するエンドキャップ２２３を介して対電極２２１の内部に同軸に設けられた、本開示の教示によって配置されたディスク型放電電極を備える放電電極アセンブリ２２２を備える。図２７に示されるように、適切な電圧が印加されると、多数の自己拘束ストリーマが放電電極２３２から出現し、対電極２３６に向かって伝播し、供給ガス内で大量のフリーラジカルを発生させる均一な電離面２３４を呈する。正方形の放電ピンの代わりに、任意選択的に、図２８に示されるような六角形のピンを利用することができる。六角形のピン２４２は６つのストリーマ２４４を発生させるものの、自動機械加工プロセスを通じての六角形のピンの製造は面倒である。それでもなお、このような電極アセンブリのストリーマ密度は、図２９に示されるように高くなる。

ストリーマが放電空間内を横断するとき、電子及びイオンの両方が放電空間内に蓄積することは、理解されるべきである。放電空間の導電率は、連続するストリーマ発生のための連続する電圧パルスの印加に対して重要な役割を果たす。したがって、放電空間内のガス流は重要な役割を果たす。ガス流が多いほど、放電空間から、特に点火先端からのイオンのドリフトは効果的になる。他方で、低いガス速度（約２ｍ／ｓ）は、より高いラジカル濃度をもたらす。実際の装置の設計目標の１つは、発生器が、所望の濃度でラジカルの発生を可能にするために、異なるガス流量で作動する能力を有することである。特に放電空間内の空間電荷蓄積は、装置の機能において重要な役割を果たす。図３０に示されるように、連続パルスのための典型的な開始電圧（２６２、２６４、２６６）は、放電空間内の空間電荷蓄積のため変動する。これは、装置の動作を制御するための実用上の問題を生み出す。変動する抵抗のため、印加電圧パルスがストリーマ横断持続時間と一致するように正確に計時されたとしても、電極間にアークが確立される可能性がある。アーク放電は、装置寿命並びにその効率にとって有害である。したがって、放電空間内に蓄積された空間電荷を排出するために、連続パルスの間にバイアス電圧を印加することを含む制御機構が、本明細書に開示される。図３１を参照すると、バイアス電圧が印加されたとき、放電空間内の空間電荷が排出されるので放電空間の抵抗が基準レベルとなる。すると各パルスは固定電圧２７２で始まる。バイアス電圧は、任意選択的に、実際のパルス電圧（１から１００ｋＶ、任意選択的に５から２０ｋＶ、任意選択的に７ｋＶから２０ｋＶ）と比較して、０から５００Ｖの間であり、その大きさは、ガス流量及びその組成、電極設計、及び印加電圧など、いくつかのパラメータに依存する。ストリーマ放電は、ガス流を発生させることも知られている。放電空間内のイオンは加速され、衝突を通じて、イオンの運動量は中立に移行し、ガス流を生じる。導電率は放電空間から、より具体的には点火先端からの空間電荷の移動によって低下するので、放電空間内のガス速度が高くなると（＞５ｍ／ｓ）バイアス電圧の効果はあまり重要ではなくなる。

酸素、窒素、及び水分を含有するガス混合物において、Ｏ^＊：Ｎ^＊：ＯＨ^＊：Ｈ^＊の比は、ガス組成、並びに電子エネルギーとその確率密度分布との積に依存する。従来の体積放電では確率密度分布及び電子エネルギーレベルが組み合わせられる。言い換えると、印加電圧が高くなると確率密度分布が増加し、これは約０から１０ｅＶ以上の範囲のエネルギーレベルを有する電子を含むことになる。したがって、湿潤ガス中で（約５ｅＶの電子エネルギーを要する）ＯＨ^＊ラジカルの数を増加させるために、いくらかの望ましくない（約７ｅＶの電子エネルギーを要する）Ｏ^＊ラジカルを処理する必要がある。他方、ガス混合物中でＮ^＊ラジカルを発生させるためには、ＯＨ^＊及びＯ^＊ラジカルを自動的に発生させることになる。さらに、ラジカルＯ^＊、Ｎ^＊、ＯＨ^＊、Ｈ^＊は、ＨＯ^＊ _２又はＯ^＊ _３のような二次ラジカルを形成するために、他の分子と急速に反応してもよい。ＣＯ_２ＳＯ_２又はＮＯ又はＣ_２Ｈ_４などの汚染物質が存在する場合、Ｏ^＊、Ｎ^＊、ＯＨ^＊、Ｈ^＊、ＨＯ^＊ _２、及びＯ^＊ _３はこれらのラジカルと、又はこれらと直接反応して、他の副生成物を生じてもよい。例えば、Ｎ^＊ラジカルはＮＯをＮ_２に還元することができる。ラジカルのタイプを選択的に調整する能力は、以下に詳細に説明されるように、いくつかの新規な用途を可能にする。

背景として、生鮮食品及び果物の貯蔵寿命は、貯蔵温度並びに貯蔵環境に依存する。エチレンは、熟成及び老化の引き金を引くなど、多くの効果を有する天然植物ホルモンである。果物及び野菜の中には、熟成の天然生成物としてエチレンガスを生成し、その熟成を加速させることによってこのガスに反応するものがある。他のものは、エチレンを生成しないが、エチレンに対して非常に感受性である。感受性農産物では、低貯蔵温度であっても少量のエチレンガスが熟成プロセスを大いに加速させる。長期の空気又は制御雰囲気（ＣＡ）貯蔵において、果物及び農産物は、エチレン誘発の軟化をし、場合によってはエチレン誘発の皮膚細胞死をもたらす。貯蔵の初期段階の間、非常に低いエチレン濃度を維持することは、長期保存中の軟化を遅延させる上で重要である。さらに、貯蔵環境中の微生物成長も、腐敗及び損傷を促進する。したがって、より長い貯蔵寿命を実現するためには、貯蔵環境を除染することが重要である。ここで図３２を参照すると、多くの変形例があるものの、典型的な冷蔵（リーファー）輸送コンテナは冷蔵区画２８４を含み、ここを通じて、貯蔵区画からの戻り空気２８７が熱交換器を通過してその熱負荷を解放し、結果的な冷気２８１が循環して、農産物２８６が貯蔵されている貯蔵区画に戻る。典型的には、コンテナ底部は、農産物負荷２８６を通じて冷気２８１を分配する、空気分配チャネル２８３を備える。冷気２８１は生産物から熱を除去しながら、自然に形成されたエチレン、並びに農産物上の微生物も取り除く。汚染空気２８７は、空気収集路２８５を通って冷蔵区画に戻る。冷蔵システムは熱を除去するものの、エチレン及び微生物負荷は、いかなる介入方法論もなければ再循環して貯蔵チャンバに戻って来る。結局、エチレンレベルは蓄積し続けて、農産物に修復不可能な損傷を引き起こす。ラジカル発生器を展開して空気ストリームからエチレン及び微生物を除去する方法が、ここに開示される。この方法は、エチレン及び微生物汚染物質を除去するために、リーファー輸送コンテナの空気循環路内に本開示のフリーラジカル発生器２８２を設けるステップを備える。フリーラジカル発生器２８２は任意選択的に、空気循環ストリームから汚染空気２８１’を引き出して、放電電極アセンブリ２８４’及び対電極２８３’によって形成された放電空間を通じてこれを押す、ファン／ブロワ２８５’を含む。任意選択的に、対電極は、触媒反応を増大するために、触媒材料を含有してもよい。任意選択的に、冷蔵システムの循環ブロワは、ラジカル発生器を通じて空気を指向させるために利用されてもよい。任意選択的に、放電装置２８２’は、貯蔵区画の内部に展開される。汚染空気が放電空間を通過すると、その組成に応じて、放電空間内に多くのフリーラジカル並びに準安定原子が形成され、最終的に他の形態の化学反応をもたらす。フリーラジカルは、空気ストリーム中の微生物も分解する。典型的には、生鮮食品／果物の貯蔵環境は、８５から９０％程度の高い相対湿度を含む。水分子は、ＯＨ^＊ラジカルに解離し、約５ｅＶ程度の電子エネルギーを必要とする。ちなみに、エチレンＣ_２Ｈ_４も、同じ範囲の解離エネルギー（約４．５ｅＶ）を有する。これらに加えて、Ｏ^＊ラジカルも放電空間内で形成される。さらに、野菜及び果物は呼吸をする；これらは、酸素（Ｏ_２）を取り込んで、二酸化炭素（ＣＯ_２）を放出する。戻り空気中のＣＯ_２も、放電空間内でＣＯ及びＯに解離し得る。エチレン及びＣＯ_２が放電空間内で、特にＯ^＊又はＯＨ^＊ラジカル並びにこれらの二次ラジカルの存在下で、他の化学的形態に変換されるには、いくつかの経路がある。フリーラジカルに加えて、放電空間は任意選択的に、共に空気ストリームの微生物を除染するＵＶも発生する。フリーラジカル発生器２８２’は、任意選択的に、放電空間からの処理空気２８７’を濾過するフィルタ２８８’を含む。フィルタ２８８’は任意選択的に、放電空間内で発生する複合化学反応の副生成物を吸収する。例えば、酸素の存在により、通常は放電空間内でオゾンが形成される。処理空気中の低レベルのオゾンは農産物の表面の除染において有益であるかもしれないが、多くの農産物及び果物は、高レベルのオゾンに感受性である。フィルタ２８８’は、任意選択的にオゾンを破壊する。異なる化合物を吸収／破壊するようにこのフィルタを設計する方法は多数あり、１つの任意選択的な方法は、二酸化マンガン／酸化銅のような粒子床を利用する触媒経路を採用することである。任意選択的に、ラジカル発生器は、処理空気が触媒フィルタを通過するのを回避する、バイパス（図示せず）機構を含む。この場合、ＯＨ^＊及びＯ_３などのいくつかのフリーラジカルは、有益な表面除染のためにコンテナ内に送られる。本明細書における農産物及び果物の貯蔵の例は、リーファーコンテナを介して示されているが、方法論は、従来の定置式冷蔵貯蔵又は本開示の教示に従うその他いずれかの貯蔵空間において効果的に利用されることが可能である。

背景として、制御雰囲気貯蔵（ＣＡ）は標準的な冷蔵冷温貯蔵の好適な代替であり、これによって酸素レベルは低下し、ＣＯ_２は増加する。各商品が耐えられる範囲内での生鮮食品の低Ｏ_２及び／又は上昇ＣＯ_２雰囲気への曝露は、それらの呼吸及びエチレン生成速度を低下させる。しかしながら、この範囲外では、呼吸及びエチレン生成速度が促進される可能性があり、これはストレス反応を示す。このストレスは、生理学的障害の発生及び腐敗しやすさに寄与し得る。ＣＯ_２誘導ストレスの上昇は、低Ｏ_２、物理的又は化学的損傷、及び商品にとって最適な範囲外の温度、相対湿度（ＲＨ）、及び／又はＣ_２Ｈ_４濃度への曝露に起因するストレスに相加的であり、場合により相乗的である。したがって、ＣＯ_２、Ｏ_２、ＲＨ、及びＣ_２Ｈ_４のレベルは、ＣＡの範囲内で注意深く制御される。最適なＣＡ条件下では、多くの農産物タイプが通常より２倍から４倍長く貯蔵可能である。典型的なＣＡ貯蔵施設は、温度及び湿度制御システムに加えて、ＣＯ_２、Ｏ_２、及びＣ_２Ｈ_４スクラバを備える。ここで図３３を参照すると、ＣＡ貯蔵環境内でＣ_２Ｈ_４及びＣＯ_２を制御する方法が開示されている。方法２９０は、先に論じられたように、エチレン及びＣＯ_２をフィルタ内で吸収され得る生成物に化学的に変換するために汚染空気を放電空間の中を通って指向させるためにフリーラジカル発生器２９２を展開するステップを含む。酸素欠乏環境におけるフリーラジカル発生器の動作に、特に注目する。米国特許第８２９３１７１号明細書及び米国特許第８３８８９００号明細書は、エチレンをＣＯ_２に変換するためにオゾンを利用する技術を開示した。エチレンとオゾンとの間の反応の速度は動力学的に遅く、合理的な変換速度を実現するために高オゾンレベルを必要とする。さらに、このような技術は、ＣＡのような酸素欠乏環境では機能しないだろう。さらに、副生成物ＣＯ_２はＣＯ_２スクラバに対して更なる負荷をかける。しかしながら、ＣＡ雰囲気は、放電空間内での電子衝突によってやはり解離するＣ_２Ｈ_４の変換のために任意選択的にＯＨ^＊ラジカルに解離されることが可能なかなりの水分を含有するので、本明細書に開示される方法は酸素に依存しない。動力学的には、変換プロセスはより速く、非常に低濃度のラジカルで作用する。同時に、ＣＯ_２変換も得ることができ、場合により別個のＣＯ_２スクラバの必要性を排除できる。

冷蔵コンテナ及び低温貯蔵庫は、先進国の生鮮食品物流の標準となっているが、世界の多くの地域では、依然として非冷蔵貯蔵及び輸送に依存している。この目的のために、貯蔵寿命を延長するために非冷蔵エンクロージャ内でエチレン及び微生物除去を管理する方法が、ここに開示される。図３４を参照すると、エンクロージャ３００は、本開示のラジカル発生器３０１、任意選択的な蒸発冷却器３０２、及び任意選択的に格納式フレーム３０７を含んでもよい。背景として、生鮮食品及び果物は、異なる感受性を有する。例えば、リンゴ及びトマトはエチレン発生源である。しかしながら、リンゴは典型的には代謝活動及びエチレン生成を最小化するために約３２°Ｆ（０℃）付近で貯蔵されるが、トマトは寒冷に弱いので、これらの温度で貯蔵されることは不可能である。同様に、キャベツ及び豆はエチレンを生成しないが、エチレンに対して非常に感受性である。さらに、キャベツは典型的には約３２°Ｆ（０℃）付近で貯蔵されるが、豆は寒冷に弱い。エチレン及び微生物を除去する技術を適所に用いれば、温度管理システムがなくて有用性が限られているが、エチレン発生源及びエチレン感受性農産物の両方がその貯蔵寿命を延長するために一緒に貯蔵され得る。この目的のために、蒸発冷却器が使用可能であり、任意選択的に、約５０から５５°Ｆ（１０から１２．８℃）付近の温度を維持することができる。このようにして、冷凍感受性で寒冷に弱いエチレン発生源とエチレン感受性農産物を一緒に貯蔵するための「ハッピーゾーン（Ｈａｐｐｙｚｏｎｅ）」と呼ばれる経済的な貯蔵環境が作り出される。この温度はリンゴ及びキャベツのような冷凍感受性の農産物には理想的ではないが、環境からエチレンを除去する能力は、コールドチェーン物流に次善の策を与える。ここで図３５を参照すると、防水シートのような可撓性カバーに支持を与え、汚染空気を収集して処理空気をエンクロージャの中に分配するための、任意選択的な格納式フレームが開示されている。格納式フレームは、平台３１８上を摺動し、２つのチャネルを含み、分配チャネル３１６はエンクロージャ内に処理空気を分配するラジカル発生器の出力に接続され、コレクタチャネル３１５は汚染空気を反応器に供給するラジカル発生器の入口ファン／ブロワに接続されている。いくつかの態様では、冷蔵空間とは異なり、エンクロージャ内の空気は再循環しない。格納式フレームの分配及び収集チャネルは、ここでその機能を与える。エンクロージャフレームの格納された図が図３６に示されている。ラジカル発生器並びに蒸発冷却器を動作するためには、壁から電気を引くか、又は任意選択的に、ソーラーパネルと共に蓄電池システムを使用することができる。電力網が独立しているので、電気が利用できない遠隔地でも、輸送並びに貯蔵のためのエンクロージャを使用することが可能である。図３７は、エンクロージャの屋根の上の一体型ソーラーパネル３３２を示す。これは格納式でなければならないので、パネルは、下にあるフレームと共に折り畳まれる３３４ように設計されている。図３８は、上部のソーラーパネル３４２、側面防水シート３４６、及び内側のラジカル発生器、空気分配格納式フレーム、及び任意選択的な蒸発冷却器を備える、完成したエンクロージャを示す。蒸発冷却器が機能するためには水の供給が必要であることに、留意すべきである。特に、エンクロージャの輸送用途では、熱電原理によって任意選択的に空気から水が生成され得るが、これについては以下に論じられる。

上述されたように、供給ガス中の水分の存在は、ラジカル発生器によって発生するラジカルの選択性、並びにこれらのラジカルを伴う後続の反応において、重要な役割を果たす。例えば、Ｏ^＊及びＯＨ^＊ラジカルは、ＨＯ_２ ^＊又はＯ_３ ^＊のような二次ラジカルを形成するために、他の分子と急速に反応してもよい。しかし、空気中の有効含水量は温度及び圧力に依存するため、ＯＨ^＊及び関連するラジカル濃度は有効含水量に依存することになる。例えば、１気圧では、比湿は１５°Ｃで１０ｇ（ｗ）／Ｋｇ（空気）であるが、４０°Ｃでは４９．８（ｗ）／Ｋｇ（空気）に増加する。任意選択的に、飽和点を超えて水分を加えること、又は言い換えると放電空間にミストを供給することは、革新的な用途につながる可能性がある。しかしながら、放電装置の信頼できる連続的な動作のため点火先端における液体の蓄積を防ぐために、特別に注意を払わなければならない。この目的のために、図３９は、放電ピンの周りの空気流を可能にするためのカセット設計を示す。カセットアセンブリ３５０は、放電電極３５２を収容する、２つのパターン付きカバースリップ３５１及び３５３を備える。閉じられると、アセンブリ３５４は、各放電ピン３５５の周りに内側から外側への径方向流路を形成する。この径方向の流れは、点火先端における液体の蓄積を防止する。点火先端における液体の蓄積は、放電特性に影響を及ぼし、しばしばアーク放電及び電極損傷を招くことに、留意すべきである。封入された電極はここで、図４０に示されるように、供給物として様々な量の液滴を含有するミストを利用することが可能な燻蒸装置を製造するために展開されることが可能である。燻蒸装置３６０は、封入された放電電極３６４を備える放電電極アセンブリ３６５、点火先端３６２に対向する対電極３６１、及びミスト供給源３６３を含む。電源、ポンプ、ミスト装置、及び接続具のような付属品は、ここには示されていない。放電電極アセンブリ３６５は、上部及び底部から閉鎖されて、本明細書に開示される径方向流路を通る放電ピンの周りの空気流を可能にするために加圧されることが可能なチャンバを形成する。ミストが放電空間を通過するとき、噴出ミスト３６６によって担持され、以下に説明されるように多くの用途で展開可能な、多くの錯ラジカルが形成される。

図４１は、放電ピン３７２がディスクの中心に向かって指向されている、任意選択的な放電電極設計を示す。ここでは放電ピンは収束しており、先端間距離は同等の電極３５２と比較して短い。図４２に示されるように、これらの電極は、収束放電ピンの周りに空気流３８２を与えるために、カセット３８０内に封入されることが可能である。カセットアセンブリ３８０を利用して、本開示の教示に従って燻蒸装置が製造されることが可能である。図４３は、収束放電電極アセンブリ３９２、対電極３９１、空気チャンバ３９４、及びミスト供給源３９３を展開する、例示的な燻蒸装置を示す。噴出ミストは、様々な用途のために利用されることが可能である。噴出ミストの特性は、キャリアガス、液滴サイズ及び含有量、印加エネルギー及び相互作用時間など、いくつかのパラメータに依存することに、留意すべきである。したがって、任意の用途向けに選択的なミスト特性を設計することができる。供給ガス中の液滴サイズは、０．２から４５ミクロンの間で任意選択的に変動してもよい。したがって、液滴サイズは任意選択的に、０．４から９ミクロンの間である。放電空間を通る空気速度が速いと、点火先端における液滴蓄積を回避し得る。放電空間中の空気速度は、任意選択的に１０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの間、任意選択的に５０から１５０ｍ／ｓの間、任意選択的に７５ｍ／ｓから１２５ｍ／ｓの間で変動してもよい。２５°Ｃ及び大気圧で、供給ガス中の含水量は、任意選択的に空気１ｋｇ当たり１０ｇから空気１ｋｇ当たり２００ｇの間、任意選択的に空気１ｋｇ当たり４０ｇから空気１ｋｇ当たり１００ｇの間である。

ここで、ミストとのストリーマ相互作用及び関連する化学反応及び種の発生に注目する。放電のタイプ（正及び負）、そのエネルギー、及び周囲環境の化学組成（気相及び液相の両方）に応じて、様々なタイプの化学反応が開始可能であり、ガス中及び気液（水）界面においてストリーマによって大量の一次種及び二次種が形成されることが可能であり、これは液体に溶解することができ、ひいてはミストに化学的及び殺生物的特性を提供することができる。Ｈ_２Ｏ＋ｅ⁻→ＯＨ^＊＋Ｈ^＊をもたらす水の解離に加えて、ガスストリーム中のＯ_２及びＮ_２の存在のため他の衝突事象が起こりやすいことに、留意すべきである。例えば、酸素ラジカルは、以下のようにしてＯＨ^＊ラジカル発生に貢献する可能性がある：
Ｏ（^３Ｐ）＋Ｏ_２＋Ｍ→Ｏ_３＋Ｍ（Ｍ＝Ｎ_２、Ｏ_２、Ｏ_３、又はＨ_２Ｏ） （６）
Ｏ_３＋ＯＨ⁻→Ｏ^＊− _３＋ＯＨ^＊ （７）
Ｏ^＊− _３→Ｏ^＊−＋Ｏ_２ （８）
Ｏ^＊−＋Ｈ_２Ｏ→ＨＯ^＊＋ＨＯ⁻ （９）
Ｏ（^１Ｄ）＋Ｈ_２Ｏ→ＯＨ^＊＋ＯＨ^＊ （１０）
ここで、Ｏ（^１Ｄ）及びＯ（^３Ｐ）は原子状酸素の励起状態、Ｍは、例えばＮ_２又はＯ_２など任意の第三体コライダであり、ここではエネルギー及び運動量を保存するために第三体が必要とされるからである。なお、Ｏ（^１Ｄ）はＯ（^１Ｄ）＋Ｍ→Ｏ（^３Ｐ）＋Ｍを介したガス分子との緩和衝突により過剰なエネルギーを失う可能性があるが、高レベルの水分の存在下では、Ｏ（^１Ｄ）＋Ｈ_２Ｏ→ＯＨ^＊＋ＯＨ^＊反応を伴う多くの事象が発生するであろうことに、留意されたい。ＯＨ^＊ラジカルは、多くの可能な反応において消費され得るが、凝縮水分中のＨ_２Ｏ_２の形成は、以下のようにして行われる可能性がある；
ＯＨ^＊＋ＯＨ^＊＋Ｍ→Ｈ_２Ｏ_２＋Ｍ（Ｍ＝Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ） （１１）
ＨＯ^＊ _２＋ＨＯ^＊ _２→Ｈ_２Ｏ_２＋Ｏ_２ （１２）
ＨＯ^＊ _２＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２Ｏ_２＋ＯＨ^＊ （１３）
そして、ＨＯ^＊ _２二次ラジカル形成は、以下のようにして行われる；
Ｏ_３＋ＯＨ^＊→ＨＯ^＊ _２＋Ｏ_２ （１４）
ＯＨ^＊＋ＯＨ^＊→ＨＯ^＊ _２＋Ｈ^＊ （１５）
ＯＨ^＊＋Ｈ_２Ｏ_２→ＨＯ^＊ _２＋Ｈ_２Ｏ （１６）
Ｏ^＊＋Ｈ_２Ｏ_２→ＨＯ^＊ _２＋ＯＨ^＊ （１７）
ＯＨ^＊ラジカルの形成を必要とする。酸素気液（水）環境でストリーマによって生成された様々な化学種のうち、ＯＨ^＊ラジカル、原子状酸素、オゾン、及び過酸化水素は、特にストリーマ相互作用によって誘発される低ｐＨレベルでの、化学及び生物学的不活化プロセスにおいて圧倒的な役割を果たすために一般的に認められている、主要な反応性酸素種（ＲＯＳ）である。

窒素（例えば、空気）の存在下では、気液界面において生成された遷移種は、ＮＯ^＊及びＮＯ_２ ^＊のような反応性窒素種（ＲＮＳ）、並びにペルオキシナイトライトも含む。遷移種は、非常に細胞毒性が高い。しかしながら、これらは寿命が短く、ストリーマ／液体系における不均化が速いため、測定するのが困難である。安定性及び非安定性中間体及び反応生成物の両方を生じる反応の複雑さのため、ストリーマ処理ミスト中の生物学的効果は、ストリーマ／気液界面における複雑な相互作用及び液滴中の後続の反応の結果である。ミストの生物学的効果におけるこれらの種の正確なメカニズム及び貢献は、まだ完全には理解されていない。放電中、及びストリーマ処理ミスト内の放電後反応の間に行われるプロセスの、相乗効果の可能性がある。ストリーマ処理した水溶液の長期の抗菌活性が観察されており、特定の論理に限定されることなく、放電から液体に遷移する長寿命の反応種の存在を伴う可能性がある。これらの放電後反応は、これらのタイプの放電によって誘発される生物学的効果に大きく貢献するだろう。気液界面における窒素遷移種の形成は、ストリーマ処理水中の窒素生成物ＮＯ⁻ _２及びＮＯ⁻ _３の検出を通じて、主に間接的に証明されている。

気液界面で、及び液体中で直接的に、ガス放電によって生成される、遷移種（ＯＨ^＊、ＮＯ_２ ^＊、及びＮＯ^＊ラジカル）及び長寿命の化学生成物（Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ_２、ＮＯ⁻ _３、及びＮＯ⁻ _２）の形成、並びにこれらの種によって誘発される水相化学は、ミストに対する化学的及び生物学的効果に貢献する。用途に応じて、特定の特性を実現するために所望のガス環境を選択することができる。ここで図４４を参照すると、いくつかの放電装置４０１、共通のミスト吸入口４０２、水リザーバ４０５、及び制御ユニット４０６を含む燻蒸装置４００が開示されている。ミスト発生チャンバは、吸入口４０２及び放電装置を通じてミストを吹き付けるためのファン４０３も含む。任意選択的に、放電装置は、流れ及び動作において更なる制御を実現するために、個別のファンを含んでもよい。制御ユニットは、電源と、任意選択的に、装置動作のためのセンサ及びプログラマブルインターフェースとを含む。例示的な装置の断面図が、図４５に示されている。ミスト発生システム４１７は、液体４１８に浸漬されている。ミスト発生技術は、超音波噴霧、加熱及び蒸発、又は単に空気噴霧を含んでもよい。ミストが発生すると、ブロワファン４１５は、カラム４１６を通じてミストを引き上げ、放電装置に供給する。カラム４１６は、重い液滴は落下してリザーバに戻り、所望のサイズの断片のみが放電装置に供給されることを、保証する。各放電装置４１２は、任意選択的にファン４１４を含む。ファン４１４は、装置の動作に付加的な制御を与える。任意の用途では、選択された数の放電装置のみを作動することが望ましいかもしれない。そのような状況下では、起動している放電装置のみが、それらの個別ファンを通じてミストを受ける。加えて、ブロワファン４１５は任意選択的にヒータを含んでもよい。加熱された空気は飽和限界を高め、ひいては多量の水分を担持する。冷却すると、飽和した水分は凝結して、機能的用途を与えることが可能なラジカルを担持する液滴になる。装置アセンブリは、図４６に示されるように、遠隔操作機能を有するモバイルプラットフォーム上に実装されることが可能である。モバイルアセンブリ４２０は、燻蒸装置４２２、付属品アセンブリ４２４、Ｘ−Ｙ−θ並進運動システム４２６、及び垂直リフト４２８を含む。消毒用途のために発生する高レベルの活性ラジカルのため、作業担当者に曝されることのない遠隔操作機能を有することが望ましい。装置の高度な運動制御を実現するには、多くの可能な経路がある。

本開示の燻蒸装置の例示的な用途が、図４７に示されている。遠隔操作機能を有する燻蒸装置４３２は、有害な微生物に対する消毒のために医療設備内に設けられている。背景として、抗生物質耐性細菌又は別途「スーパーバグ」として知られるものは、世界で最も差し迫った公衆衛生に関する懸念の１つになっている。薬剤耐性型の結核、淋病、及びブドウ球菌感染症は、これらのうちのほんの一部である。黄色ブドウ球菌（ＭＲＳＡ）、クロストリジウム・ディフィシル、緑膿菌、バンコマイシン耐性腸球菌（ＶＲＥ）、アシネトバクター・バウマンニなどの最も危険なスーパーバグのいくつかは、しばしば医療現場で感染する。致命的な病原体は、病院の表面上で長期間生存することができ、環境を感染源の連続的リザーバにする。表面への病原体の付着に続いて２４時間以内に生物膜が形成されると、健康管理サービスにとって重大な微生物学的問題となる。実際、固着性細菌を殺すのに必要とされる消毒剤の濃度は、同じ株の浮遊細菌を殺すのに必要とされるより１０００倍高くなり得る。副作用を起こさずに生物膜形成を制御するための予防技術は少ない。最も頻繁に汚染される表面は、感染患者によって以前占有されていた部屋の中の床、ドアノブ、テレビのリモコン装置、ベッドフレームロッカー、マットレス、ベッドサイドテーブル、及びトイレの便座である。したがって、病室及び医療施設の消毒は、重大な世界的関心事である。消毒技術は、アンモニウム化合物、アルデヒド、アルコール、及びハロゲンなどの化学薬品、又は放射線及び熱の使用を伴う。妨げる要因は、有効性、毒性、及び費用である。アルコール消毒は、タンパク質の変性を引き起こし、栄養型細菌、真菌、及びウイルスに対して有効であるが、胞子には効果がない。塩素放出剤は、膜タンパク質を酸化させることができ、表面から生物膜を除去するのに非常に有効であり、成長抑制のために短い曝露時間を必要とする。しかしながら、これらの化学薬品は、金属に対して腐食性であり、有機物の存在によって不活化される可能性がある。塩素の使用は発がん性化合物の形成に関連しており、いくつかの病原体は塩素に耐性があることが示されている。アルデヒドベースの消毒剤は、アルキル化によってタンパク質及び核酸を破壊し、胞子、細菌、ウイルス、及び真菌に対する抗菌作用を有する。アンモニウム化合物及びフェノールは、膜及び細胞壁を可溶化する。過酸化水素及び過酢酸は、タンパク質の変性を促進し、微生物及び病原体のいくつかの群に対して活性である。過酸化水素蒸気（ＨＰＶ）もまた、臨床表面及び機器の除染に使用される。ＨＰＶは、毒性が低いようであり、ほとんどの無生物材料と良好な適合性を有する。室内除染には、ＵＶ露光も適用されてきた。しかしながら、ＵＶ光は見通し線プロセスであり、到達しにくい領域を滅菌することができない。本明細書に開示されるようにミスト中で発生する反応性酸素及び窒素種（ＲＯＳ及びＲＮＳ）は、ミスト中に導入される用量に応じて、微生物のスペクトルにとって非常に有害となり得る。高用量では、反応種は、様々な細胞タイプにアポトーシス又はネクローシスを導入することが示されている。上記で論じられた異なる反応種の機能的多様性は、特にスーパーバグに対する様々な滅菌の困難な課題を解決するために適用可能である。特に、遷移種（ＯＨ^＊、ＮＯ_２ ^＊、及びＮＯ^＊ラジカル）及びミスト形態は、固有の属性、すなわちインフラストラクチャとの適合性及び到達しにくい隙間及び表面に浸透する能力を与える。とりわけ、このプロセスは、化学物質供給連鎖独立であり、電気と水のみを消費する。

上記で開示された燻蒸技術は、患者及び医療従事者を部屋から出す必要がある。図４８を参照すると、局所適用向けの任意選択的な消毒装置が開示されている。消毒装置４４０は、放電電極アセンブリ４４３及び対電極４４４を含み、供給源４４１からミストが供給されている。さらに、回転ブラシアセンブリ４４５が対電極の内部に設けられている。任意選択的に、放電電極アセンブリは、中心に設けられてもよく、放電ピンが外向きに突出し、これに対応して対電極は、中心の放電電極アセンブリを包囲する。動作時、供給源からのミストは、本開示の教示に従って活性ラジカルが発生する放電空間を通過する。活性ラジカルは、ブラシ４４６を通って装置の吸引ポート４４８に向かって引き寄せられる。このプロセスの間、活性ラジカルは、標的表面上で相互作用し、表面を消毒して微生物を殺す。使用されたミストは、更なる処理及び廃棄のために４４２を通じて収集される。図４７に示される燻蒸装置とは異なり、消毒装置４４０は、雰囲気中にラジカルをまったく放出せず、したがって開放空間で安全に使用することができる。任意選択的に、本明細書に開示される閉ループ消毒装置は、標的表面の代わりに占有空間の周囲空気を処理するように構成されることが可能である。したがって、機械的システムは、用途に合うように変更されてもよい。

先に示されたように、ミスト及びキャリアガスは、放電装置からの噴出ミストの特性を決定する。例えば、キャリアガスが酸素である場合、噴出ミストはＯＨ^＊、Ｏ^＊、Ｈ_２Ｏ_２、及びＯ_３を含むことになる。任意選択的に、空気がキャリアガスであるとき、噴出ミストは、窒素ラジカルＮＯ^＊及びＮＯ_２ ^＊、並びに他のラジカルと共にペルオキシナイトライトを含んでもよい。さらに、キャリアガスが窒素のみであるとき、ラジカルタイプも相応に変化する。窒素をイオン化するために必要とされるエネルギーは、酸素及び水よりも高い。したがって、放電条件は、所望のときに特定のラジカル及びこれに関連する化合物を発生させるように、独自に調整されることが可能である。このようなラジカルを含有するミストは、生植物並びに農作物にも、複数の機能的（有害から有益まで）用途を与えることができる。食作用免疫細胞は、病原体を不活化させる手段として、感染源に反応してかなりの量のＲＯＳ及びＲＮＳを生成する。反対に、ＲＯＳは、細胞の分化、移動、及び増殖も誘発することができる。真菌などの真核性微生物において、ＲＯＳは、分生子及び子実体の菌糸成長及び分化を調整し、真菌の成長はＲＯＳレベルの変化に関連している。加えて、酸化窒素（ＮＯ）は、筋弛緩、アポトーシス、耐病性、胞子形成、二次代謝、及び性的発達を調整する生細胞内の重要なシグナル伝達分子として機能する。異なる反応種の機能的多様性は、様々な農業問題を解決するために適用され得る。図４９は、生植物を消毒し、同時に亜硝酸ラジカルを用いて植物に栄養補助を与えるための、所望のラジカルを含有するミストの水耕適用を示す。カビの成長は、屋外と同じく屋内の栽培でも一般的な頻発する問題の１つである。特定の限界カビ数を超えると、感染した農産物を消費することはできない。一旦感染すると、作物は、それ自体が残存する問題を有する様々な生物学的及び化学的生成物で処理される可能性がある。本開示の教示に従って発生したミスト中に存在するラジカルは、非常に活性であり、予防並びに感染後の介入として使用されることが可能である。ミストは、感染が始まった植物及び芽体の入り組んだ部分に浸透し、その胞子を含む真菌を破壊する。ちなみに、ラジカルは短命であり、有害な残留物を残さずに中和する。さらに、いくつかのラジカル、特にＲＮＳのものは、植物によって容易に吸収され、栄養補助を与える。なお、過剰な曝露は植物に損傷を生じる可能性があり、したがって、条件に応じて適切な用量が決定される必要があることに、留意すべきである。ここで図４９を参照すると、例示的な水耕処理方法は、移動するトラック４５４に任意選択的に固定されたラジカル発生器４５１を展開するステップと、適切なミスト発生装置によってミストに変換される供給源からの給水４５３を受けるステップと、植物４５５上に噴霧されるラジカルを担持するミスト４５２を発生させるステップと、を備える。任意選択的に、根４５６を処理するために追加の装置が展開されてもよい。機能的に、この装置は供給源から水４５８を受け取り、発生器４５１を通じて所望のミストを発生し、根４５６に対してミスト４５７を放出する。任意選択的に、空間全体を処理するために、部屋をミストで曇らせることができる。ミストガス中の液滴サイズは、０．２から１００ミクロンの間で任意選択的に変動してもよい。したがって、液滴サイズは任意選択的に、５から５０ミクロンの間である。放電空間中の空気速度は、任意選択的に１０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの間、任意選択的に７５から１５０ｍ／ｓの間、任意選択的に１００ｍ／ｓから１２５ｍ／ｓの間で変動してもよい。２５°Ｃ及び大気圧で、供給ガス中の含水量は、任意選択的に空気１ｋｇ当たり１０ｇから空気１ｋｇ当たり５００ｇの間、任意選択的に空気１ｋｇ当たり１００ｇから空気１ｋｇ当たり３００ｇの間である。任意選択的に、望ましければ、その他の栄養素が供給水に添加されてもよい。なお、本明細書に提示される処理方法は例示のみであり、異なる用途に向けて多くの変形及び組み合わせが設計され得ることに、留意すべきである。多くのタイプのカビ、害虫、及び真菌は、本開示で教示された方法によって処理されることが可能である。

図５０は、消毒並びに作物の手入れの目的で広い標的領域を処理する柔軟性を可能にする、ドローンへのラジカル発生器の適応を示す。ドローン４６０は、本開示の教示に従って機能するラジカル発生器４６２、プロペラ４６４、トラック４６３、及び地上移動能力を提供するための車輪４６６を含む。任意選択的に、ドローンは、搭載型燃焼機関によって動力供給される。任意選択的に、ドローンは電池によって動力供給される。任意選択的に、ドローンは、搭載型発電用のソーラーパネル４６５を含むことができる。地上移動並びに飛行能力は、望み通りに異なる領域の処理を可能にする。ミスト発生システムの内部図が、図５１に示されている。ミスト用の水源に特に注目する。典型的に、ドローンの最大積載量は限られており、システムのサイズ及びコストを決定するものである。広い領域を消毒するためには、かなりの量の水が必要となるが、これは積載量を著しく増加させる。この制限を考慮して、搭載型水発生システムが開示される。方法は、２つのストリームに分離する供給源湿潤空気４７９を含み、１つは高温側４７８を通過し、２つ目は熱電素子の低温側４７７を通過する。低温ストリームからの水分は凝結して水滴になり、リザーバ４７６に貯蔵される。水分を放出した後、冷気はラジカル発生器用の電子機器を冷却するために指向される。超音波ミスト装置４７３は、リザーバ４７６から水をポンプ送達し、微細な液滴をより高温の空気ストリーム４７５の中に導入する。熱電素子から熱を取り出した後、今やより高温になったストリームはより高い水分飽和限界を有し、超音波ミスト装置によって導入された液滴の取り込みを容易にすることに、留意すべきである。このミストはその後、供給チャンバ４７４に向けられ、そこからミストはファン／ブロワ４７２によって所望のラジカル発生器に取り込まれる。燻蒸システムの更なる詳細は、図５２に示されている。ミスト発生システムは、リザーバから超音波ミスト装置４８５に水を供給するポンプ４８４を備える。スクリーン４８９は、装置内に侵入する前に流入ストリームからデブリを除去する。前部スクリーン４８９からデブリを除去するためには、前方に空気を吹き付けるために、後部放電装置４８２のファンが逆方向に動作される。後部スクリーン４８３は、ファンが逆転モードで動作するときにデブリの取り込みを防ぐ。ブロワファン４８２は、所望の放電装置にミストを選択的に供給し、ラジカル含有ミストを所望の方向に指向させる。用途に応じて、全ての放電装置が同時に動作するか、又は各々が個別に動作する。ミストガス中の液滴サイズは、０．２から１００ミクロンの間で任意選択的に変動してもよい。したがって、液滴サイズは任意選択的に、５から５０ミクロンの間である。放電空間中の空気速度は、任意選択的に１０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの間、任意選択的に７５から１５０ｍ／ｓの間、任意選択的に１００ｍ／ｓから１２５ｍ／ｓの間で変動してもよい。２５°Ｃ及び大気圧で、供給ガス中の含水量は、任意選択的に空気１ｋｇ当たり１０ｇから空気１ｋｇ当たり５００ｇの間、任意選択的に空気１ｋｇ当たり１００ｇから空気１ｋｇ当たり３００ｇの間である。

本明細書に開示されるようなラジカル発生ドローンは、エボラやペストなどの伝染病、スーパーバグ、害虫の発生、作物への真菌の発生に対する消毒、並びに肥沃化のために利用されることが可能である。放電出力は、本開示の教示に従って、ＯＨ^＊、Ｏ^＊、又はＮ^＊のようなラジカルの選択的な主要部分を発生させるように調整されることが可能である。例えば、コーヒー錆と呼ばれる植物を枯らせる真菌は、世界中の多くの地域に広まり、至る所で木を枯れさせて生産を大幅に削減させている。コーヒー錆の流行を管理する上で殺菌剤は重要なツールであったが、しかしこれらは高額であり、残留物による化学的影響を有する。代わりに、カビの攻撃を管理して、同時に健康な枝葉のための栄養要素を与えるために、本明細書に開示されるようなラジカル含有ミストが展開され得る。この例示的な用途は限定的ではなく、本開示の教示に従って、その他多くの真菌／害虫管理用途が開発可能である。さらに、搭載型水発生及びミスト発生システムは、ドローンが有効又は必須ではないときに他のモバイルシステムに適応することができる。

背景として、カビ毒は、穀物及び飼料製品によく見られる特定の糸状菌によって生成される、二次代謝産物、又は単なる化学物質である。カビ毒は、ヒト及び動物の健康に深刻な影響を与える可能性がある。カビ感染及びこれに続くカビ毒の合成は、作物の成育中に始まり、貯蔵中にも継続する。高レベルのカビ毒汚染は、中枢神経系、心臓血管系、腎臓、胃腸系、及び免疫系に影響を及ぼす可能性がある。ヒト及び動物の両方にとって重大な懸念であるカビ毒は、アフラトキシン、フモニシン、ボミトキシン、ゼアラレノン、及びＴ２毒素などである。穀物のカビ毒汚染は、複雑でもどかしい問題である。カビ毒で汚染された穀物及び飼料製品を処理するために、いくつかの方法が開発されてきた。汚染されたコーン、ピーナッツ、綿実及びミールへのアンモニアの適用（アンモニア化）は、今まで使用されてきた潜在的な処理オプションの１つである。長い曝露時間（２４時間）で高濃度（５００又は１，０００ｐｐｍ）の二酸化塩素（ＣｌＯ_２）ガスの使用は、ある程度有効であることがわかっている。代替方法は、オゾン（米国特許第６１２０８２２号明細書）及びガンマ線照射の使用である。ほとんどのカビ毒汚染穀物解毒方法は、その最終使用に影響を及ぼす残留物を穀物中に残すか、又は高額である。本開示の教示によって発生したラジカル含有ミストを展開する、生植物中のカビ成長を管理するための燻蒸方法は、既に上記で提示されている。ここで図５３を参照すると、間に空間４９９を残して外部ケーシング４９３内に同軸に設けられた有孔タンブラ４９２を備える、カビ毒で汚染された穀物、豆、及びナッツなどの解毒方法が開示されている。同軸タンブラは、モータ４９８及び機械的カップリング４９７によってその軸に沿って回転させられる。タンブラの回転速度は、望み通りに調整可能である。タンブラの軸とベースプラットフォーム４９７’との間の角度は、タンブラを通じての供給のために異なる摺動速度を可能にするために、調整可能である。処理すべき飼料は、コンベヤベルト４９５によってホッパ４９４に運ばれる。なお、この目的のために様々な代替供給機構が採用可能であることに、留意すべきである。ラジカル含有ミストは、本開示の教示に従って発生し、タンブラと外部ケーシングとの間の空間内に供給される。ミストの用量及び濃度は、汚染のレベル及びタイプに従って調整される。これは、放電装置４９１をスケールアップすることによって、又は異なる位置に複数の放電装置を展開することによって、実現可能である。ミスト注入位置、供給量、タンブラの長さ、及び転動速度は、解毒のために必要とされる相互作用時間又は滞留時間を与えるように調整される。飼料が供給端から出口４９４’まで横断する際に、ミストは穿孔を通じてタンブラに侵入し、飼料とよく混合される。一部の毒素は飼料から放出されて、ミストと反応する。処理の終わりに、飼料はコンベヤ４９５’に出る。穀物／ナッツの表面は、タンブラから出るときに濡れており、引き続き乾燥を必要とすることに、留意すべきである。流出ガスは、４９６を通じて放出され、あらゆる有毒残留物を除去するために処理される。ミスト中の高い水負荷は、乾燥した穀物及びナッツにとって望ましくないかもしれない。したがって、供給ガス中の液滴サイズは、０．２から４５ミクロンの間で任意選択的に変動してもよい。したがって、液滴サイズは任意選択的に、５から５０ミクロンの間である。放電空間中の空気速度は、任意選択的に１０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの間、任意選択的に５０から１５０ｍ／ｓの間、任意選択的に７５から１２５ｍ／ｓの間で変動してもよい。２５°Ｃ及び大気圧で、供給ガス中の含水量は、任意選択的に空気１ｋｇ当たり１０ｇから空気１ｋｇ当たり３００ｇの間、任意選択的に空気１ｋｇ当たり７５ｇから空気１ｋｇ当たり１５０ｇの間である。

カビ毒は、典型的に複雑な分子構造を備え、解毒のための化学反応経路は、カビ毒ごとに異なる。ここで図５４を参照すると、分子モデル５００は、ピーナッツ及びスイートコーンに典型的に見られるアフラトキシンである。アフラトキシンの１つの可能な解毒経路は、酸素原子５０２に関連付けられた結合を破壊することである。亜硝酸及びヒドロキシルイオンのいずれも、解毒につながるこの化学経路に関与することができる。なお、やはりミスト中の他のラジカルの利用可能性に依存する、完全な反応経路はここに示されていないことに、留意すべきである。分子モデル５００’は、小麦粒に典型的に見られるボミトキシンであり、解毒の反応経路は、酸素原子５０２’に関連付けられた結合を破壊することであり、ここでＯ^＊及びＨ_２Ｎ^＊ラジカルが関与する可能性がある。本明細書で教示されたようにミスト中に存在するラジカルの複雑なアレイは、多数のカビ毒に対して有効な解毒環境を形成する。さらに、これらのラジカルを含有するミストは、オゾン又はアンモニアのようなガス状ラジカルと比較して、穀物／ナッツの表面に効果的に付着する。したがって、本明細書で教示される方法は、効率的な解毒技術を与える。

上記の様々な形態で論じられた放電装置は、本開示の教示に従って組みたれられた放電電極と、化学的浸食に対する耐性のために好ましくは炭素質材料から作られた対電極と、を利用する。特定の液体処理用途では、液体そのものを対電極として展開することが好ましい。ここで図５５を参照すると、平面型液体電極放電装置５１０が開示されている。放電装置は、液体供給部材５１２、放電装置アセンブリ５１３、及び液体収集部材５１９を備える。放電装置５１３の拡大図は、放電電極アセンブリ５１５、放電空間５１６、液体電極５１４、及びバックプレート５１７を備える装置の内部構成要素をさらに示す。放電電極５１５アセンブリは、効果的なイオン化及びラジカル発生のためにエネルギーストリーマヘッドを引き起こすように近接場拘束ストリーマに依存する本開示の教示に従って、製造される。液体対電極５１４は、供給側から収集側に流れる液体のフィルムによって形成されている。フィルムの厚さは、比較的平坦な表面を維持して全体的に均一な放電空間５１６を生じるように、調整される。全体的に均一な放電ギャップを維持することは、表面全体で均一なストリーマ面を維持するために重要である。さもなければ、より小さい放電ギャップを有する領域がストリーマを優先的に発生させて、他の領域を未処理のままにしてしまう。さらに、フィルム表面上に過度のうねりがあると、アーク放電及び装置の誤作動を引き起こす可能性がある。従って、バックプレート５１７は、連続的なフィルムを維持するように、注意深く選択される必要がある。バックプレートは導電性材料で作られることが好ましいが、いくつかの態様において最も重要なことには、これは親水性でなければならない。親水性表面は、個々のストリームへのフィルムの破壊を防止するだろう。ストリーマがフィルムと相互作用するとき、これらは衝撃波及び対流を誘発し、適切なフィルム厚で、全体的に安定したフィルムがまだ維持され得る。さらに、バックプレートの刻印パターンもフィルムを安定化することができる。対電極に均一な液体層を確立するための代替方法がある。例えば、液体フィルムを安定化するために、バックプレート上で炭素又はグラファイトフェルトが使用され得る。さらに、好ましくはＴｉＯ_２（及びＡｇ）、ゼオライトなどのような触媒材料から作られた多孔床は、プラズマの存在下で触媒反応を与えるためのバックプレートとして機能することができる。さらに、装置は、重力が流れ方向に対して実質的に垂直に作用するように、地面に対して実質的に平行に合わせられ、バックプレートを満たすことを保証することができる。液体フィルム厚は、任意選択的に１ミクロンから２．５ｃｍの間、任意選択的に１００ミクロンから１０ｍｍの間、任意選択的に０．５ｍｍから５ｍｍの間である。任意選択的に、微細な空気又はガスの気泡が液体フィルムに導入される可能性がある。これらの気泡は、さらに有益な効果のためにストリーマから発生したＵＶ放射を偏光させることができる。ＵＶ放射がガス気泡中でラジカルを発生できることは、よく知られている。さらに、ＵＶ放射は微生物にとっても有害であり、液体を消毒する。しかしながら、液体フィルムに埋め込まれた微細なガス気泡は、偏光効果を作り出し、液体から汚染物質を除去するための消毒及び化学反応のために気泡表面を高度に活性化させる。微小気泡をフィルムに導入するために利用可能な、様々なメカニズムがある。好ましくは、気泡サイズは数百ミクロン程度でなければならない。

ストリーマと液体電極との相互作用は、液体の化学的性質、放電空間内のガス、並びに放電パラメータに応じて、多くの物理化学的現象を引き起こす。水滴とのストリーマ相互作用によって形成されるラジカルのタイプは、既に上記で論じられている。微生物に対して水を滅菌するだけでなく、重金属及び医薬化合物のような溶解物質の除去／破壊も促進する類似のラジカルも、液状水電極内で形成される。ここで図５６を参照すると、液体電極ラジカル発生器５２２、濾過床５２５、及びフロースルー容量性脱イオン化（ＣＤＩ）システム５２６を備える水滅菌及び浄化システム５２０が開示されている。水電極ラジカル発生器５２２は、上で提示された本開示の教示に従って組み立てられた円筒形の放電電極アセンブリ５２３と、後部の円筒形の壁５２９によって支持された周囲の水ストリーム５２４と、放電空間５２８と、を含む。水ストリーム５２４の厚さは、ゲート５２７を増減し、これによって液体電極ストリーム中に放出される水の量を制御する、制御弁５２１によって制御される。ストリームは、合理的に均一な放電ギャップ（約３から１０ｍｍ）を維持し、最大処理効率のために均一なストリーマ面を発生させるために、合理的に平坦な表面（約±０．５ｍｍ）を維持する。液体フィルム厚は、任意選択的に１ミクロンから２．５ｃｍの間、任意選択的に１００ミクロンから１０ｍｍの間、任意選択的に０．５ｍｍから５ｍｍの間である。点火先端を水滴のない清潔な状態に保つために、放電電極アセンブル３５０が好ましいが、しかしこれは制限要因ではない。ラジカル発生器は、放電ギャップを通るガス流で動作することができる。液体電極とのストリーマ相互作用は水ストリーム中で多くのタイプのラジカルを作り出すことになり、微生物の破壊を含む後続の反応が起こる。反応を通じて発生するあらゆる固形微粒子は、濾床５３５内で濾過される。例えば、溶解した鉛、ヒ素、及びいくつかの重金属はストリーマ相互作用によってそれぞれの化合物の不溶性の形態に変換され、沈殿した微粒子は濾床に捕捉され、こうしてストリームからこれらを除去する。任意選択的に、濾過媒体は、更なる機能を与えるために、活性炭又はガラスを含むことができる。濾過された水はその後、容量性脱イオン化ユニット５２６に進む。背景として、容量性脱イオン化は、溶解したカチオン又はアニオンを吸着のためそれぞれの電極に引きつけ、こうしてストリームから溶解した塩を除去する、１対の電極への電圧の印加に依存する。容量性脱イオン化が効率的に機能するために、水は良好な導電性を有するべきである。特に、消費するには危険であるものの、鉛及びヒ素のような低濃度の溶解金属は、容量性脱イオン化セルを効率的に動作させるのに十分な導電性を与えない。ちなみに、ストリーマ処理水は、水中の形成遷移ラジカルのため、はるかに優れた導電性を有する。その結果、ＣＤＩセルはストリーマ処理水中で効率的に動作することができ、低濃度の溶解イオンの除去を可能にして超純水をもたらす。

例示的な用途は、血液透析である。血液透析には高品質の水が必要であり、１回の透析セッションにはおよそ１２０から３００リットルの水が必要とされる。微生物（細菌及び内毒素）、又はアルミニウム、銅、カルシウム、フッ化物、塩素、クロラミン、及び殺虫剤のような金属及び化学物質の汚染は、透析を受けている人にとって有害であり、使用前に水から除去されなければならない。典型的には、血液透析のための水浄化の最終ステップは、逆浸透（ＲＯ）ユニットを含む。水は圧力下で強制的に膜を通過させられ、あらゆる残留汚染物質を残していく。ＲＯ膜は、全ての他の水処理（例えば、沈殿及び炭素濾過）が完了した後も水中に存在する可能性のある汚染物質の９９％を除去する。汚染物質は、いくらかの水と共に、排水路を通って「阻止」又は吐出される。ＲＯ膜の抵抗のため、膜を通して水をポンプ送達するのにかなりの量のエネルギーが費やされる。さらに、膜は一定期間の後に不純物で閉塞し、交換される必要があるが、これは高額である。或いは、水滅菌及び浄化システム５２０は、この用途に低コストの完全な解決策を与える。液体電極ラジカル発生器は、微生物に対して水を滅菌するだけでなく、水中の多くの溶解不純物も除去し、発生器からの高導電水に対して動作するＣＤＩユニットは、低濃度であっても溶解イオンを除去する。ＣＤＩプロセスは、ＲＯプロセスと比較して、はるかに低いエネルギーを消費する。超純水向けの類似の用途は半導体産業にも存在するが、ここでの現在の解決策はＲＯプロセスである。ちなみに、ＲＯユニットと併せてストリーマ処理水も使用されることが可能である。ストリーマ処理水のラジカルは、膜を清潔に保ち、その寿命を延長させることができる。

ここで、図５６に示されるような例示的なＣＤＩセルに注目する。ＣＤＩセルは一連の電極対５２６’を含み、これは多孔質セパレータ５２３’によって分離された貫流電極５２４’を含み、セパレータは電極を電気的に絶縁する。貫流電極５２４’は、多孔布５２５’と、導電性で、任意選択的に金属又はその他の導電性材料（例えば、グラファイト化炭素のような炭素）の、フレーム５２２’を備える。導電性及び耐薬品性があるため、これらの貫流電極（布）を作るために使用されるいくつかの炭素系繊維材料がある。しかしながら、セルを形成してこれらを回路に電気的に接続するためにこれらを機械的に締結するには、導電性フレーム５２２’が必要とされる。機械的フレーム並びに電気的接触を確立するために炭素繊維系の布に金属を接合することは、かなり困難である。付加的に製造された多孔質電極が本明細書に開示されるが、これはフレーム５２２’を製造するために繊維布に液体金属を染み込ませる方法を備える。これは好ましくは、レーザービームによって金属粉末を溶融し、所定の経路に沿って前記材料を染み込ませることによって、行われる。固まると、所望の機械的及び電気的接触層５２２’が形成される。

ＣＤＩセルは、サイクル、すなわち吸収及び脱着サイクルで動作する。吸収サイクルでは、水が多孔布を通過する際に、Ｐｂ^＋、Ｎａ^＋、Ａｓ^＋３のような陽イオンが負電極によって吸収され、Ｃｌ⁻、ＳＯ_４ ⁻、ＮＯ_３ ⁻のような対応する陰イオンが正電極によって吸収され、きれいな水となる。これらの電極がイオンで飽和すると、極性が逆転し、これによって吸収したイオンが水中に放出されて、廃水を生じて次のサイクルのために電極をきれいにする。吸収サイクルは、脱着サイクルよりも長い。ここで図５７を参照すると、脱着サイクルにおいて、水弁５３１及び５３３は、ラジカル発生器への水の流れを防止する。弁５３５も閉じている。次いで水は弁５３２を通じて逆方向に供給され、脱着したイオンを担持するＣＤＩアセンブリ５３８並びに濾床５３６を通じて逆流し、濾床を逆洗する。廃水は、弁５３４を通じて廃棄される。このようにして、効果的な水処理システムが与えられる。

液体電極を有する放電装置は、上述のような水処理の他にも、様々な用途に利用可能である。図５８を参照すると、疾患に対して血液を処理するためのシステム５４０が開示されている。ここでは、血流自体が液体電極として機能する。ストリーマを用いて直接的に血液を処理する動機は、細胞増殖停止及びアポトーシス又は抗増殖特性の誘発などの治療目的で有益に利用され得るこの相互作用を用いて多くの活性ラジカルが生成されるという事実から生じている。例えば結腸直腸癌及び白血病細胞など、様々な癌細胞株に対する非熱プラズマ処理は、有望な結果を生み出してきた。これらの研究は、培養された生体サンプルに対して誘電体バリア放電装置から発射した大気圧プラズマジェットを利用することによって、行われた。本明細書に開示される治療処置システム５４０は、ポンプ５４３を介して血液を引き込み、これをストリーマ発生装置５４５に送達する、供給ライン５４１を備える。供給ラインは、入口５４９の他に、流れを望み通りに調整するための圧力計５４２及び血液ポンプ５４３をさらに含む。入口５４９は、抗凝固剤又は薬剤のような所望の流体を導入するために利用されることが可能である。放電装置５４５’の拡大図は、中心体５４６’を備える更なる詳細を示し、中心体の上に入口血流が接地電極として機能する均一なフィルム５４７’を形成する。本開示の原理に従って製造された放電電極アセンブリ５４８’は、中心対電極５４６’を同軸に包囲する。放電装置内のガス環境は、供給源と連通しているガスマニホールド５４９’によって制御され得る。放電装置からのストリーマ処理血液５４６はリザーバ５４７内に収集され、そこでその圧力及び滞留時間が監視される。ガス気泡がもしあれば、戻りラインへの侵入を回避することが望ましい。任意選択的に、戻りラインは、戻り流を調整するためのポンプを含む。多くの戻り及び供給構成が展開可能であるが、供給及び戻りラインは実用的な目的のために静脈に接続されることが好ましい。動脈は皮膚からより深い位置にあり、装置に接続するためには外科的処置を必要とする。血流の要件についても、さらに考慮するべきである。血流量が少ないとき、装置は静脈に接続されることが可能であるが、しかし血流量が多い場合には、血液透析の場合のようにカテーテルが利用されるべきである。放電装置内への血流量は、任意選択的に２００ｍｌ／分、任意選択的に３００ｍｌ／分、任意選択的に４００ｍｌ／分、任意選択的に５００ｍｌ／分、任意選択的に６００ｍｌ／分、任意選択的に７００ｍｌ／分、任意選択的に８００ｍｌ／分である。液体フィルム圧は任意選択的に０．５ｍｍから５ｍｍの間である。

上述のように、誘電体バリア装置からのプラズマジェットは、癌細胞株を含む実験的研究に利用されてきた。プラズマを発生させるためにはガス流を利用しなければならず、放電装置へのガスの組成は、サンプルと相互作用する反応種を決定する。例えば、空気では、Ｏ、Ｏ_２、Ｏ⁻ _２、Ｏ_３、ＯＨ、ＮＯ、及びＮＯ_２などを有すると予想される。液体電極として血流を展開することによって、外部のガス供給源の使用を完全に回避しながら、血流のＯ_２及びＨ_２Ｏを利用してフリーラジカルを発生させることができる。望ましければ、他のフリーラジカルを発生させるために外部ガスが放電空間に供給されてもよい。酸化ストレスを管理することは治療の成功にとって重要であり、したがって、制御及び柔軟性を可能にすることはより良い治療結果を与える。したがって、図５９は、液体電極の流れ及び厚さを制御するための磁気攪拌機構を備える液体電極放電装置を与える。装置５５０は、液体供給５５３並びにガス供給ライン５５６とも連通している外部流体チャンバ５５９内に設けられた磁気攪拌機５５８を含む。磁気攪拌機５５８は、１対の磁石及び駆動機構５５７に結合されている。内部チャンバは、本開示の教示に従って組み立てられた放電電極アセンブリ５５１と、対電極５５２と、流体出口５５４と、を備える放電装置を形成する。係合されると、磁気攪拌機の回転は内部チャンバの中に液体を押し込んで、液体電極５５２を形成する。放電電極アセンブリからのストリーマは、出口５５４を通じてチャンバを出る液体電極内で物理化学的反応を引き起こす。装置内で所望の環境を維持するために、５５６を通じてチャンバに外部ガスが供給されてもよい。液体電極の流量ひいては厚さも、入口流及び磁気攪拌機速度によって制御され得る。液体電極の安定性は、装置の動作安定性に対して極めて重要な役割を果たすことに、留意すべきである。放電装置内への血流量は、任意選択的に２００ｍｌ／分、任意選択的に３００ｍｌ／分、任意選択的に４００ｍｌ／分、任意選択的に５００ｍｌ／分、任意選択的に６００ｍｌ／分、任意選択的に７００ｍｌ／分、任意選択的に８００ｍｌ／分である。液体フィルム圧は任意選択的に０．５ｍｍから５ｍｍの間である。

ここで図６０を参照すると、内部燃焼機関にフリーラジカルを供給するためのシステム配置５６０が与えられる。フリーラジカルは、燃焼効率を改善し、排出量を削減する。システムは、ＩＣエンジン５６５を含み、そこからの排気ガス５６８は、冷却器５６３に圧縮空気５６９を供給するターボチャージャ５６１内で利用される。冷たい圧縮空気は、フリーラジカルを発生させる本開示の放電装置５６２内に供給される。制御システム５６６は、供給空気の温度及び流れの状態を監視し、最適な性能のために適切な量の空気を放電装置に通す。フリーラジカル含有吸気５６７は、燃焼のためにＩＣエンジンに取り込まれる。任意選択的に、放電装置５６２は、排出量削減のために排気口５６８にも展開され得る。

実験
１：放電現象とストリーマ相互作用
上述のように、ストリーマの挙動は、電極の極性、放電ピンの幾何形状、並びに他の放電ピン又は点火先端との接近性に依存する。図６１は、単一の正ストリーマ５７１の特性を実証する。見てわかるように、ストリーマは細く、先端の電界増強５７２は、ストリーマが放電ギャップを通じて伝播するにつれて増加し続ける。ここで電界増強は、点火先端から異なる距離に切り込まれたスリットに位置決めされたフォトダイオードによって、ストリーマが放電ギャップを横断する際に発光強度を介して間接的に測定される。正ストリーマのこの特性はより大きいギャップを有する放電装置の動作を可能にする。比較として、図６２は、単一の負ストリーマ５８１の特性を提示する。見てわかるように、負ストリーマは急速に直径を広げ、相応に先端の電界増強５８２は、放電ギャップを横断する際にやはり急速に弱まる。このような先端の拡大は、そのラジカル発生能力、言い換えれば高エネルギー電子の確率が低下するので好ましくなく、これはしばしば正味のイオン化をゼロにする。したがって、半径拡大を制限する機構が、効率的なラジカル発生のために必要である。図６３は、様々な先端間距離Ｄ１での２つの近傍の正ストリーマ間の反発力を実証しており、５９１は１ｍｍの先端間距離、５９２は５ｍｍの先端間距離、５９３は８ｍｍの先端間距離、及び５９４は１０ｍｍの先端間距離である。ストリーマヘッドにおいて発生した強力な同一の電界のため、これらは放電空間を横断する際に互いに反発し合う。なお、ピン間ギャップの外側には拘束力はなく、こうしてこれらが対電極に到達するまで湾曲した経路に沿って移動できるようにする。図６４は、様々な先端間距離Ｄ１での２つの負ストリーマ間の反発力を実証している。負ストリーマヘッドにおける弱い電界増強のため、反発力は弱まると予想されるが、先に論じられたいくつかの先行技術の教示とは対照的に、それでもなお、正又は負の同じ極性のストリーマは常に互いに反発し合うことになる。したがって、本開示は、各ストリーマに全ての側面からの電界制約を与えるため、ひいては高い電界強度を有する電離面を発生させるためにストリーマヘッドの拡大を制限するため、ストリーマ間に反発力を発生させることを教示している。図６５は、本開示の教示に従って、４つの点火先端６１１を有する放電ピンを用いて作成された装置を提示する。正方形のトップハット型プロファイルを含む絶縁放電ピンからの４つのストリーマの発生が、ここで実証される。見てわかるように、これらのストリーマは、周囲に拘束がないので、ピン法線から離れる方へ互いに反発し合う。装置６１４は、３８４０個（９６０個の放電ピン、正方形サイズ＝０．２５×０．２５ｍｍ^２）の点火先端を利用しており、これらはピン間距離＝２．５ｍｍ及び点火先端から対電極の距離＝４．５ｍｍで、１２２ｍｍの直径及び２５ｍｍの高さを有する放電電極アセンブリ上に配置された。放電電極を、以下の電圧パラメータを用いて負極性に接続した：Ｖ_{ａｐｐｌｉｅｄ}＝−９．５ｋＶ、パルス幅＝１μｓ、ｆ＝１５ｋＨｚ、平均電力量は１５０Ｗｈであった。放電電極をステンレス鋼で作成し、接地電極をグラファイトで作成した。ファンを用いて５０ｍ^３／時で放電空間内に空気を引き込んだ。ここで観察されるように、放電電極が本開示の教示に従って組み立てられると、ストリーマ６１４は、これらをピン法線に向かって押す周囲のストリーマからの電界制約を経験する。重要なことに、この制約は、ヘッドの電界増強を維持して二次ストリーマの発生を防止するために不可欠なストリーマの拡大を制限する。対応する電離面の伝播が、拡大図６１２に示されている。

２．バイアス電圧及びガス流の影響
上記で示されたように、オゾンはＯ（^３Ｐ）＋Ｏ_２＋Ｍ→Ｏ_３＋Ｍ（Ｍ＝Ｎ_２、Ｏ_２、Ｏ_３）を介して形成され、高エネルギー原子状酸素Ｏ（^１Ｄ）は、Ｏ（^１Ｄ）＋Ｍ→Ｏ（^３Ｐ）＋Ｍを介してガス分子との緩和衝突によってその過剰なエネルギーを失う。放電空間に乾燥ガスが供給される場合には、上述のようなＯＨ^＊の発生は抑制されて、主にＯ_３の形成をもたらすだろう。放電挙動に対するバイアス電圧及びガス流の影響を調べるために、オゾン生成を指標として監視した。本明細書に開示される教示に従って装置を組み立てた。装置パラメータは以下のように維持した：１５５００個（３８７５個の放電ピン、正方形サイズ＝０．２５×０．２５ｍｍ^２）の点火先端、ピン間距離＝２．５ｍｍ及び点火先端から対電極の距離＝４．２５ｍｍで、３０ｍｍの直径及び４３０ｍｍの高さを有する放電電極アセンブリ上に配置。放電電極を、以下の電圧パラメータを用いて負極性に接続した：Ｖ_{ａｐｐｌｉｅｄ}＝−９．５から１０．５ｋＶ、パルス幅＝６００ｎｓから１μｓ、ｆ＝１５ｋＨｚ。放電電極をステンレス鋼で作成し、接地電極をグラファイトで作成した。空気乾燥機（Ｐａｒｋｅｒ ＰＲＤ１０）で装置に乾燥空気を供給した。出口でのオゾン濃度を測定するためにオゾンモニタ（Ｔｅｌｅｄｙｎｅ ＡＰＩ４５４ プロセスオゾン分析器）を採用し、エネルギー消費原単位を計算した。パルス挙動を調べるために、高電圧プローブを有するオシロスコープを利用した。図６６は、８５Ｗの電力及び５ｍ^３／ｈの空気流量での例示的な電圧パルスを表す。パルス６２１のバイアス電圧は０Ｖに設定し、パルス６２２のバイアス電圧は２００Ｖに設定した。垂直の破線が電圧パルスの軌跡と交差する電圧で、ストリーマは点火する。ストリーマの点火後に、これ以上電圧を上げても無駄である。しかしながら、ストリーマ着火点の後のパルス先端のあらゆる拡大は、放電プロセスで利用される有用なエネルギー量の増加を表す。見てわかるように、バイアス電圧を印加すると、パルス先端６２２が広がる。これは、１００Ｗの電力及び５ｍ^３／ｈの空気流量での例示的な電圧パルスを表す図６７に、さらに示されている。パルス６３１のバイアス電圧は０Ｖだが、パルス６３２のバイアス電圧は２００Ｖに設定した。見てわかるように、ストリーマの点火後に、パルス先端６３２はかなり広がっており、放電のために有用なエネルギーの著しい増加を表している。図６８は、異なるバイアス電圧での放電空間における最大利用可能電力を表している。見てわかるように、バイアス電圧の影響は、１００Ｖの後に重大になっている。バイアス電圧の役割は、放電空間の導電率が予想範囲内に維持され得るように、連続パルス間で放電空間から空間電荷を掃引することである。なお、バイアス電圧の影響は、特定の値（約５００Ｖ）の後、並びに高いガス流量で漸減することに留意すべきである。図６９は、異なる流量で印加されたバイアス電圧に対する最大電力の利用可能性を表している。５から１０ｍ^３／ｈなどの低流量で、１００Ｖの後のバイアス電圧の影響はかなり重大である。他方、２０ｍ^３／ｈの流量では、最大利用可能電力の変化は低流量のときほど重大ではない。より大きい流量は、バイアス電圧と類似の放電空間から残留電荷を移動させる。図７０は、１０ｍ^３／ｈの流量で印加されたバイアス電圧に対するオゾン生成能を実証している。見てわかるように、バイアス電圧６５１がなければ、最大４ｇ／ｈのオゾンを生み出す装置に大きな電力（最大１２０Ｗ）を投入することは不可能である。他方、３００Ｖのバイアス電圧６５３では、同じ装置に１６０Ｗの電力を投入して８ｇ／ｈのオゾンを生じることができた。図７１は、２０ｍ^３／ｈの流量でバイアス電圧に対するオゾン生成能の変動を実証している。ここでわかるように、流量が２０ｍ^３／ｈに増加すると、０バイアス電圧６６１であっても、同じ装置に１６０Ｗの電力を投入して７ｇ／ｈのオゾンを生じることができた。本開示の教示によれば、このような高流量であっても、バイアス電圧はまだ好ましい影響を有しており、こうして１８０ｗの電力及び２００Ｖのバイアス電圧６６２で１０ｇ／ｈのオゾン発生を可能にする。開示されたバイアス電圧印加技術は、空気中の含水量が高く流量が低いときに特に有益であり、このため広い範囲の動作パラメータにわたって放電装置の動作を可能にする。

３．ガスストリームからのＣ_２Ｈ_４除去
この実施例は、生鮮食品貯蔵環境からエチレンを除去するための、本明細書に開示される放電装置の用途を与える。先に述べられたように、エチレンは、熟成及び老化の引き金を引くなど、多くの効果を有する天然植物ホルモンである。したがって、エチレンの除去又は破壊は、生鮮食品の貯蔵寿命を延ばすための重要な要件である。この適用を実証するために、実施例２で論じられた６つの同一の装置を、農産物輸送に一般的に使用される４０フィート冷蔵コンテナに設置した。図７２に示されるように、コンテナの換気ポートを通じて装置を設置した。各放電装置を、以下のパラメータで電源に接続した：Ｖ_{ａｐｐｌｉｅｄ}＝−９．５から１０．５ｋＶ、パルス幅＝６００ｎｓから１μｓ、ｆ＝１５ｋＨｚ、総平均電力量は７００Ｗｈであった。流量は１６０ｍ^３／ｈに維持した。コンテナから放電装置に空気を引き込み、処理空気をコンテナ内に放出して戻した。コンテナシステムの高空気循環量により、放電装置内へのエチレン含有空気の新規供給を連続的に保証した。貯蔵環境をシミュレートするために、合成エチレンをシリンダからコンテナ内へ任意の速度で注入した。さらに、コンテナ内の相対湿度レベルを農産物貯蔵環境に典型的な８５から９０％に維持するために、加湿器を利用した。平均温度を５°Ｃに維持した。空気中のエチレン含有量を測定するために、電気化学センサ（ＩＣＡ５６センサ）及びガスクロマトグラフ（ＨＰ６８９０）を使用した。図７２に示されるように、放電装置がオフのとき、コンテナの内部のエチレンレベルは連続的に上昇した６７１。しかしながら、ＦＲＧ装置がオンに切り替えられると６７２、エチレン濃度が下がり始めて安定レベル６７３に到達したが、ただしこの間も１６ｓｃｃｍの速度で新しいエチレンは連続的に注入されていた。言い換えると、ＦＲＧは、注入されたエチレン、並びにこの間に蓄積されたエチレンも破壊することができた。さらに、この装置構成では、１６ｓｃｃｍの供給速度でエチレンのレベルはゼロにならないことも観察された。しかしながら、４ｓｃｃｍの供給速度では、コンテナ内のエチレンレベルはゼロ付近に留まっていた６７５。実験的測定値（菱形及び丸）から、コンテナ内のエチレン濃度は次のように数学的に記述できる（線）と推定した：

ここで、ｑはエチレン生成／注入の速度、ｔは時間、及びｋはＣ_２Ｈ_４の分解速度である。パラメータｑ及びｋは、温度、湿度、流量、並びに電力に依存する。ここで図７３を参照すると、放電空間内のエチレンの破壊には、多くの可能な経路が存在する。第一に、Ｃ_２Ｈ_４は、Ｃ_２Ｈ_４＋ｅ⁻→ＣＨ^＊ _２＋ＣＨ^＊ _２に従って放電空間内の電子６８１によって解離する可能性があり、関連する解離エネルギーは４．５ｅＶ程度（Ｓｚｙｍａｎｓｋａら）であり、これはＨ_２Ｏ＋ｅ⁻→ＯＨ^＊＋Ｈ^＊の解離の場合と重複する。ＣＨ^＊ _２及びＯ^＊は結合してＣＨ_２Ｏを形成することができ、これはＯＨ^＊とさらに結合してＨＣＯＯＨ（ギ酸）を形成し、ＯＨ^＊によるギ酸の更なる酸化はＨ_２Ｏ、ＣＯ_２、及びＨをもたらすことができる。或いは、ＯＨ^＊及びＯ^＊ラジカルは場合により、Ｒ−Ｈ＋Ｏ^＊→Ｒ^＊＋ＯＨ^＊及びＲ−Ｈ＋ＯＨ^＊→Ｒ^＊＋Ｈ_２Ｏに従ってエチレンの脱水素化プロセスを介して他のラジカルを形成することもできる；ここではＲ^＊はＣ_２Ｈ_３ ^＊である。或いは、Ｏ_２によるＲ^＊の酸化はＲ−Ｏ−Ｏ（ペルオキシラジカル）を生じることができ、これは更なる酸化の際にＣＯ_２及びＨ_２Ｏを形成し得る。Ｒ−Ｏ−Ｏ＋Ｒ−Ｈ→ＲＯＯＨ＋Ｒ^＊のようなラジカル連鎖反応も可能である。Ｏ_３及びＨＯ_２のような二次ラジカルも、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏを形成するＣ_２Ｈ_４の酸化に関与することができるが、しかし一次ラジカルの存在下では、一次ラジカルに関与する酸化経路が優勢となる。なお、ＣＯ_２解離エネルギーは約５．５２ｅＶであることに留意すべきである。したがって、ＣＯ_２副生成物は解離プロセスを経る可能性がある。最も重要な反応は、ＣＯ及びＯへの電子衝撃解離、電子又はＯ⁻ _２イオンと再結合してＣＯ及びＯ及び／又はＯ_２になる、ＣＯ^＋ _２への電子衝撃イオン化、並びにＣＯ及びＯ⁻への電子解離付着である。生成されたＣＯ分子は比較的安定しているが、放電空間では他の化合物を形成する可能性がある。一定レベルのＣＯ_２は貯蔵環境に有益であるが、しかし高ＣＯ_２レベルは多くの農産物を損傷することに、留意すべきである。したがって、本明細書に開示される放電装置を使用して、Ｃ_２Ｈ_４を効率的に除去するだけでなく、装置に取り付けられたフィルタを通過する際にガスストリームから容易に除去され得る水溶性副生成物を同時に形成することによってＣＯ_２レベルを同時に制御することができる。いくつかの先行技術による装置は、貯蔵環境からのＣ_２Ｈ_４を酸化するためにオゾンを使用してきたが、高レベルのＣＯ_２を導入することは有効な解決策ではないかもしれない。さらに、酸素が意図的に低く保たれている制御雰囲気貯蔵庫内へのオゾンの導入は、制御雰囲気の目的を無効化する。したがって、放電装置内で可能な変換経路は、エチレンだけでなくＣＯ_２も効率的に制御できるようにし、こうして独自の解決策を与える。図７４は、注入速度が１ｍｌ／分に保たれて、同時に２つの装置が２００Ｗｈの平均電力及び３０ｍ^３／時の流量で展開されたときの、コンテナ内のエチレンレベルを表す。見てわかるように、エチレンを除去するために利用される電力（ｗ／ｐｐｍ）は、高濃度で必要とされるよりも低濃度の方がかなり高い（図７２）。これは、放電空間内に存在するエチレン分子の数が少ないときの衝突確率が低いこと、及びエネルギーのほとんどが他のラジカルを生成するために利用されるためである。それにもかかわらず、放電装置はエチレンレベルを、多くの貯蔵環境にとって重要なサブｐｐｍレベルに効果的に維持することができる。多くの研究は、エチレンレベルをサブｐｐｍレベルに保つことによって貯蔵寿命をかなり伸ばすことができることを実証した。なお、ＩＣＡ５６センサの読み取り値６９１がガスクロマトグラフ測定値６９２よりも高かったことに、留意すべきである。これは、Ｏ_３のような他のラジカルの電気化学的原理に基づいて動作するＩＣＡ５６センサに対する干渉によるものである。

４：細菌胞子のための燻蒸
この実施例は、耐性細菌胞子に対する滅菌のための、本明細書に開示される燻蒸モードの放電装置の適用を実証する。図４３で与えられた説明に従って装置を組み立てた。装置パラメータは以下のように維持した：１９２００個（４８００個の放電ピン、正方形サイズ＝０．２５×０．２５ｍｍ^２）の点火先端、ピン間距離＝２ｍｍ及び点火先端から対電極の距離＝５ｍｍ。図４２に従って放電電極をカセット内に封入し、以下の電圧パラメータで負極性電源に接続した：Ｖ_{ａｐｐｌｉｅｄ}＝−９．５から１０．５ｋＶ、パルス幅＝６００ｎｓから１μｓ、ｆ＝１５ｋＨｚ、３２０Ｗｈの平均電力量。放電電極をステンレス鋼で作成し、接地電極をグラファイトで作成した。１時間当たりおよそ５００ｇの水を供給する超音波噴霧器を用いて水を収容するチャンバに３０ｍ^３／ｈの速度で周囲空気を供給した。供給された空気はチャンバからミストを取り出し、次いで図４３に記載されるように、放電空間を通過した。

最初に、１２００個の放電ピンを接続するだけで部分的に装置に電力供給し、放電装置からの出力ガスを、水分を凝縮するために冷却されたチャンバ内に収集した。ＣｈｅｍｅｔｒｉｃｓのＫ−５５１０キット（バージニア州ミッドランド）を使用して、２５ｍｌの凝縮水分中に溶解した過酸化水素を測定した。サンプル水で満たされたサンプルカップの中でＣＨＥＭｅｔアンプルを破壊した。チオシアン酸鉄法によって色変化が得られた。チオシアン酸鉄法は、（アンプル内に収容された）酸性溶液中のチオシアン酸アンモニウム及び第一鉄を備える。過酸化水素が第一鉄を第二鉄状態に酸化し、赤いチオシアナート錯体を形成する。得られた赤色を、与えられた比色計で比較する。平均４ｐｐｍのＨ_２Ｏ_２がサンプル内で観察された。凝縮水分中の観察されたＨ_２Ｏ_２は、発生器中の豊富なＯＨ^＊ラジカル形成の明確な指標である。Ｈ_２Ｏ_２が放電空間の中で形成される可能性はあるが、しかしＨ_２Ｏ_２の解離エネルギーは２．２１ｅＶ程度であり、本発明の教示に従って放電空間を出るまでほとんど全てのガス状ストリームはストリーマと相互作用するように指向されるので、再びＯＨ^＊に解離されることが好ましい。

次に、図７５に示されるように、７’×７’×７’エンクロージャの中央７００に燻蒸装置を配置した。ストリップ当たり１００万個の胞子を含む３タイプの細菌胞子ストリップをサンプル位置７０２に配置した。含まれる細菌胞子は；バチルス・アトロフェウス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ａｔｒｏｐｈａｅｕｓ）、バチルス・プミルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｐｕｍｉｌｕｓ）、及びゲオバチルス・ステアロサーモフィルス（Ｇｅｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｓｔｅａｒｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ）であった。図７５で観察されるように、部屋はラジカルを含有するミストで満たされていた。処理時間を６時間に設定した。この時間は最適化されておらず、最適化された時間はもっと短いと思われることに、留意すべきである。観察結果及び推論は、以下の表１にまとめられている。見てわかるように、３つの細菌胞子は全て燻蒸プロセスによって完全に死滅しており、水と電気のみを利用するプロセスの滅菌能力を実証している。懸濁した水滴を有する空気中の放電装置の動作は、電極損傷をもたらすアーク放電のために伝統的に問題があった。検査すると、１日６時間の連続運転を１週間行った後に電極損傷は観察されず、本開示の教示の利点を実証している。

５：液体電極を有する放電装置
この実施例は、高度な酸化プロセスを介して水から様々な不純物を除去するための、液体電極を有する放電装置の適用を実証する。図５６で与えられた説明に従って装置を製造した。これは、１１５２０個（２８８０個の放電ピン、正方形サイズ＝０．２５×０．２５ｍｍ^２）の点火先端を備え、これらはピン間距離＝２．５ｍｍ及び点火先端から対電極の距離＝４．５ｍｍで、１２２ｍｍの直径及び７５ｍｍの高さを有する放電電極アセンブリ上に配置された。放電電極を、以下の電圧パラメータを用いて負極性に接続した：Ｖ_{ａｐｐｌｉｅｄ}＝−９．５から１０．５ｋＶ、パルス幅＝６００ｎｓから１μｓ、ｆ＝１５ｋＨｚ、平均電力量は３２０Ｗｈであった。ここで対電極は、グラファイトシリンダ上を流れる水の膜であった。様々な不純物を水に混合して、様々な実験を行った。図７６は、処理時間に対する脱イオン水の導電率及びｐＨの変化を示す。放電装置を通る水流を毎分３５０ｍｌに設定し、これを５ガロンのリザーバを通じて連続的に再循環させた。電力を１００Ｗに設定した。見てわかるように、水の導電率７１０は、放電プロセスが続くのにつれてかなり上昇した。他方でｐＨ７１２は最初にかなり低下し、その後安定した。観察された導電率変化は、溶解した荷電種の生成によってのみ起こり得る。他のラジカルと共に、ＯＨ^＊、Ｏ^＊、Ｈ_２Ｏ_２、Ｏ_３、ＮＯ^＊、及びＮＯ_２ ^＊、並びにペルオキシナイトライトなどの多くの可能な種が形成すると予想される。図７７は、異なる処理時間におけるＨ_２Ｏ_２濃度７２０を示す。これらの一次及び二次ラジカルは、水から不純物を除去するため、並びに滅菌のために、有益に使用されることが可能である。容量性脱イオン化（ＣＤＩ）は、塩及び重金属のような溶解イオン化合物を除去する効率的な方法として認識されてきた。しかしながら、ＣＤＩセルを効率的に動作するために、水は良好な導電性を持たなければならない。したがって、水が非常に低レベルの溶解イオンを含有するとき、ＣＤＩは効率的に動作することができず、ほとんどのエネルギーは発熱として失われる。上記で実証されたように、放電プロセスは導電率を著しく上昇させ、その結果、ＣＤＩプロセスは、コスト効率良く超純水を作るために溶解イオンを除去するための放電の後に利用されることが可能である。

ここで、本明細書に開示された放電装置を利用して、水中に溶解した様々な不純物の中和／除去について実証する。世界の染料総生産量の約１５％は、染色プロセスの間に失われ、廃液として放出される。このような廃棄物からの色除去は、繊維加工仕上げ、染料生産、パルプ及び製紙産業が直面する、最も難しい要求の１つである。様々なタイプの染料のうち、メチレンブルーを含む様々なカチオン染料は、染料、塗料生産、及び羊毛染色に使用されている。メチレンブルーは、微生物学、外科手術、診断において、並びに有機汚染物質の光酸化における増感剤としても、使用される。この環境問題の解決策を実証するために、モデル染料のメチレンブルー（ＭＢ）を水中に溶解し、得られた溶液を本開示の教示による液体電極として展開した。ＭＢのレベルを吸収分光（ＢｉｏＴｅｋ Ｅｐｏｃｈ２マイクロプレート分光計）によって判定した。図７８は、水中のＭＢのレベルを示す光学濃度を表す。開始溶液の光学濃度は、最も高いピーク７３０及び７３４によって示される。実験は、様々な流量で行われた。わかるように、最も低いピーク７３２及び７３６によって示される最高除去効率は、毎分３５０ｍｌの最低流量で観察された。これは、最適化されたプロセス条件で、染料が廃液から効率良く除去され得ることを実証している。

メチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）は、１９８０年代からガソリンの燃料添加剤としてほぼ独占的に使用されてきた、もう１つの人工化学物質である。ＭＴＢＥは水に容易に溶解し、土壌とは容易に結合しないので、公共の水道システム及び私設の飲用井戸でＭＴＢＥを見つけることは、珍しいことではない。ＭＴＢＥは、環境中で容易に分解せず、微生物分解に耐性であり、したがって地下水から除去することは困難で費用がかかる。ＭＴＢＥは飲料水を非常に不味くし、不快な匂いを発する。ＭＴＢＥ曝露は、吐き気、鼻及び喉の刺激、消化管の刺激、肝臓及び腎臓の損傷、並びに精神錯乱を含む神経系への影響を引き起こす可能性がある。ヒトの健康に対するＭＴＢＥの完全な影響は広範に研究されていないが、ＥＰＡの報告は、ＭＴＢＥ曝露を実験動物の癌と結びつけており、したがってＭＴＢＥを潜在的な発癌物質として分類している。上記のような液体電極として使用する水にＭＴＢＥを溶解することによって、実験を行った。流量を３５０ｍｌ／分に保ち、水を５ガロンのリザーバから再循環させ、電力を１００Ｗに設定した。水サンプル中のＭＴＢＥの濃度は、窒素パージガスを使用するガスクロマトグラフィ／質量分析を利用するＥＰＡ５２４．４の方法に従って決定された。表３は、処理後の異なる時点での水サンプル中のＭＴＢＥレベルを表す。見てわかるように、放電装置を一回通過すると、ＭＢＴＥの著しい減少（１０００μｇ／Ｌから１８０μｇ／Ｌ）が起こる。ＭＴＢＥの望ましい変換経路は、ＣＯ_２に変換して確実に他の有害な化合物を形成しないようにすることである点に、留意すべきである。表２に見られるように、ＣＯ_２レベルは、ＭＴＢＥレベルの低下に対応して上昇した。他の中間体化合物は観察されなかった。

水中に生じる汚染物質の存在は重大な懸念となっている。典型的な水処理施設は、飲料水から医薬品を除去するようには設計されていない。これらの薬剤は、処方剤と市販薬のいずれも、最終的に水道水に含まれる可能性がある。これは薬剤を洗い流した結果であるが、多くの薬剤は身体によって完全には代謝されず、廃水処理施設を通過した後に環境に侵入するという、多くの懸念がある。このような処理施設からの廃液は、最終的に水道水になる水塊に排出され、そこから飲料水が取られる。特に水中で見つかっている汚染物質の１つは、薬用イブプロフェンである。これは、関節炎、発熱の症状の緩和、及び鎮痛のために使用される、幅広く投与される薬剤である。コウキクサ種を殺すだけでなく、魚の数への悪影響の、イブプロフェンによる生態系への長期的影響が示唆されている。廃水からの医薬品の除去を実証するために、イブプロフェンを水に溶解し、その後これを本開示の放電装置の液体電極として使用した。吸収分光光度計（ＢｉｏＴｅｋ Ｅｐｏｃｈ２マイクロプレート分光光度計）を利用して、光学濃度を介してイブプロフェンの濃度を監視した。流量を３５０ｍｌ／ｍに維持し、５ガロンのリザーバから水を再循環させ、電力を１００Ｗに設定した。図７９は、基準溶液として最も高いイブプロフェンに関する強度ピーク７４０を表す。５分間の処理で、イブプロフェンピーク７４４は完全に消滅した。

広く処方される抗糖尿病薬メトホルミンは、最も多く廃液中に見られる医薬品の１つであり、オスの生殖組織がメス化の証拠を示す間性魚の発生の原因とされてきた。開示された液体電極放電装置は、水からメトホルミンを破壊するために利用することができる。液体電極として使用する水に、市販のメトホルミンを溶解した。流量を３５０ｍｌ／ｍに維持し、５ガロンのリザーバから水を再循環させ、電力を１００Ｗに設定した。図８０は、分光光度計によって決定したメトホルミンレベルを表す。最も高いメトホルミンピーク７５０は、２２０から２４０ｎｍの間の波長に位置し、基準開始溶液に属する。１５分間の再循環の後、メトホルミンピーク７５６は消えており、豊富な水からメトホルミンを破壊する能力を実証した。本明細書では限られた数の医薬品の例が実証されているが、本明細書に開示された技術は、多種多様な医薬品に利用されることが可能である。

重金属によるヒトの健康に対する主な脅威は、鉛、カドミウム、水銀、及びヒ素への曝露に関連している。曝露は、しばしば食品及び飲料水を通じて行われる。我々の給水の中の金属は、自然に発生することもあれば、汚染の結果であることもある。天然に存在する金属は、水が岩石又は土壌と接触したときに水に溶解する。金属汚染の他の原因は、パイプの腐食及び廃棄物処分場からの漏れである。未溶解の懸濁微粒子の形態で存在する重金属は、濾過プロセスによって除去されることが可能である。溶解した重金属を除去する１つの可能な方法は、後に濾過できるように、高度な酸化プロセスを通じてこれらを未溶解微粒子に変換することである。放電プロセス中の多くの錯ラジカルの生成により、未溶解重金属微粒子を形成するためにこれらを利用することが可能である。これを実証するために、硝酸鉛及び酢酸塩を水に溶解した。未溶解物質が溶液中に残らないことを確実にするために、０．１ミクロンの濾紙を通じて溶液を濾過した後に、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）によって溶解した鉛の濃度を決定した。次いで、本明細書に開示された放電装置の液体電極として、鉛汚染溶液を利用した。流量を３５０ｍｌ／分に保ち、水を５ガロンのリザーバから再循環させ、電力を８５Ｗに設定した。次いで、溶解鉛含有量を決定するために、０．１ミクロンの濾紙を通じて処理水を濾過した。図８１は、様々な濃度での放電プロセスの前後の溶解鉛濃度を示す。各ケースについて提示された溶解鉛濃度の減少は、放電装置を１回通過した直後であったことに留意されたい。例えば、ケース１では、初期濃度７６０は３７ｐｐｍであり、放電装置及びフィルタを１回通過した後、濃度７６２は２６ｐｐｍとなり、３０％の減少を示した。経路からフィルタを除去すると、鉛濃度は変化せず、放電プロセス中に形成した未溶解微粒子が総濃度に寄与することを示した。図５６に含まれたＣＤＩセルはこれらの実験では利用されなかったことに留意されたい。ＣＤＩセルに電力供給されると、溶解鉛は除去された。表３は、ＣＤＩセルが１アンペアの電流で動作したときの結果を示す。開始溶液は１２０ｐｐｍ溶解鉛を有し、４回循環した後、鉛含有量は２０ｐｐｍになった。セルを逆転させると（脱着サイクル）、吸着した鉛を溶液中に戻して鉛含有量は８７ｐｐｍになり、溶解鉛の大部分がＣＤＩプロセスによって除去されることを示した。脱着サイクルからの出力は、先に記載されたように廃棄される必要があることに、留意されたい。図５６に示される装置の放電構成要素及びＣＤＩ構成要素の両方が一緒に動作可能であるとき、鉛の一部は事前の酸化プロセス及び濾過によって除去され、一部はＣＤＩプロセスによって除去される。最も重要なことには、放電プロセスによる導電性の向上により、ＣＤＩプロセスが効率的に動作するようになる。

本明細書に開示される液体電極を用いる放電プロセスは多くの不純物を除去できるものの、Ｈ_２Ｏ_２及び硝酸塩の存在により、水が飲用に適さなくなる。これは、プラズマ処理水における既知の課題であった。幸いなことに、ＣＤＩプロセスがこの問題を解決する。図８２は、水が異なるプロセス段階を通る際の、導電率、Ｈ_２Ｏ_２及び硝酸塩濃度の変化を示す。放電段階７７０において、導電率、Ｈ_２Ｏ_２及び硝酸塩濃度は、かなり上昇する。硝酸塩は、空気中のみならず水中にも溶解している窒素から来ることに留意されたい。ＣＤＩ吸着サイクル７７２において、導電率、Ｈ_２Ｏ_２及び硝酸塩濃度は、かなり低下する。さらに、脱着サイクル７７４において、導電率及び硝酸塩濃度は再び上昇するが、Ｈ_２Ｏ_２濃度は低いままである。一度解離したＨ_２Ｏ_２が再生されることは期待されなかった。脱着サイクル中の出力は廃棄されるので、増加した硝酸塩濃度はまったく健康上のリスクをもたらさない。このように、本明細書に開示されるハイブリッド装置は、飲料水を処理して様々な不純物、医薬品、重金属、及び生物を除去するための効果的な方法を与える。

二酸化炭素から有用な生成物への化学的変換は、人間の活動の結果として大気中のＣＯ_２レベルが上昇し続けるのにつれて、ますます重要になっている。例えば、ＣＯ_２からメタノール、メタン（ＣＨ_４）、又はギ酸（ＨＣＯＯＨ）を生成することができる。変換を促進して生成物の特異性を判断するために、しばしば高圧化学反応と共に触媒が利用される。本明細書に開示される液体電極を用いるストリーマ放電は、適切なラジカルの発生によってこの変換をコスト効率良く促進することができる。実現可能性を実証するために、上記で論じられた液体電極放電装置を利用した。ＣＯ_２を水に溶解し、その後これを液体電極として使用した。溶解したＣＯ_２は放電プロセス中に水から逃げる可能性があるので、出口ポートを有する封止ボックスに装置を入れ、ｐＳｅｎｓｅポータブルＣＯ_２計ＡＺ−０００１によって出口ガス濃度を測定した。Ｍｅｇａｚｙｍｅの測定キット「ＫＦＯＲＭ」を用いて分光光度法によって、ストリーマ放電の前後の溶解したＣＯ_２も測定した。図８３は、溶解ＣＯ_２測定値、並びにボックスからの出口ガスにおけるＣＯ_２測定値を示す。放電装置に電力供給されていないときに見られるように、出口ガスのＣＯ_２７８０及び溶解ＣＯ_２７８６は両方とも高かった。放電装置が電力供給されているときは７８２、溶解ＣＯ_２７８４及び出口ガス中のＣＯ_２７８５は両方とも著しく低かった。これは、本明細書に開示されるストリーマ放電プロセスが、ＣＯ_２の水溶性副生成物への変換を促進することを実証している。メタノール又はギ酸（ＨＣＯＯＨ）のような副生成物を特定するために適切な触媒を使用して、プロセスをさらに強化することができる。

本発明の態様を図解及び記載してきたが、これらの態様が本発明の全ての可能な形態を図解及び記載することを意図するものではない。むしろ、本明細書で使用される言葉は限定ではなく説明の言葉であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよいことは、理解される。

本明細書に図示及び記載されたものに加えて、本発明の様々な修正は、上記記載の分野の当業者にとって明らかとなるだろう。このような修正も、添付請求項の範囲に含まれるように意図される。

別途明記されない限りにおいて、全ての試薬は当該技術分野において既知の供給元によって入手可能であることは、理解される。
参考文献リスト
米国特許文献
８８５７３７１Ｂ２ ２０１４年１０月 Ｔａｂａｔａら
５０６１４６２ １９９９年１０月 Ｓｕｚｕｋｉ，Ｎ．
７７２４４９２Ｂ２ ２０１０年５月 Ｂｏｔｖｉｎｎｉｋ，Ｉ．
７０４２１５９Ｂ２ ２００６年５月 Ｔａｎａｋａら．
７７５３９９４Ｂ２ ２０１０年７月 Ｍｏｔｅｇｉら
９１３２３８３Ｂ２ ２０１５年９月 Ｕｒｓｅｍら
ＵＳ２００６／００５６１３０Ａ１ ２００６年３月 Ｋｉｍら
ＵＳ２０１３／０１７７４７３Ａ１ ２０１３年７月 Ａｌｂｒｅｃｈｔら
ＵＳ２０１５／０１７９４１１Ａ１ ２０１５年６月 Ｌａｕｘら
８２９３１７１Ｂ２ ２０１２年１０月 Ｈａｖｅｎ
８３８８９００Ｂ２ ２０１３年３月 Ｂｅｎｅｄｅｋら
６１２０８２２ ２０００年９月 Ｄｅｎｖｉｒら
６６９５９５３Ｂ１ ２００４年２月 Ｌｏｃｋｅら
非特許文献
Ｓｚｙｍａｎｓｋａら，Ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｐｏｌａｒ ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｔｈｙｌｅｎｅ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，Ｖｏｌ．３６５−３６６，２０１４年５月１５日，３５６−３６４ページ。

本明細書において言及された特許、公報、及び出願は、本明細書が関連する分野の当業者のレベルを示している。これらの特許、公報、及び出願は、各々個別の特許、公報、及び出願が具体的かつ個別に参照により本明細書に組み込まれるのと同じ程度に、参照により本明細書に組み込まれる。

上記の説明は、本発明の特定の実施形態を説明するが、その実施に対する限定となるように意図されるものではない。

Claims (45)

1. フリーラジカル発生器であって、
   放射状パターンに配置され、１つ以上の電圧パルスを受けるように電気的に構成されたアレイ内の１つ以上の放電電極ピンを備える放電電極アセンブリと、
   前記１つ以上の放電電極ピンから径方向外向きに位置決めされた対電極と
   を備え、
   前記放電電極アセンブリは、前記対電極によって包囲され、かつ、流れ通路を備える放電ギャップによってそこから分離され、
   前記少なくとも１つのエンドキャップは、前記放電電極アセンブリを前記対電極から電気的に絶縁し、前記流れ通路を通るガスの流れを許容する、フリーラジカル発生器。
2. 前記１つ以上の放電電極ピンは１つ以上の点火先端を備え、
   各点火先端は一定角度で画定され、
   前記点火先端は、前記対電極に近接する前記放電電極ピンの末端に位置決めされる、請求項１のフリーラジカル発生器。
3. 前記１つ以上の放電電極ピンは３つから８つの点火先端を備える、請求項２のフリーラジカル発生器。
4. 前記放電電極ピンは均一なピラミッド型構造を備える、請求項１のフリーラジカル発生器。
5. 前記放電電極ピンは各々、前記放電電極ピンの長さに対して実質的に垂直な先端プロファイルを備え、
   前記先端プロファイルは、三角形、正方形、五角形、六角形、七角形、又は八角形の形状である、請求項１のフリーラジカル発生器。
6. 前記放電電極のアレイは、前記放電電極アレイの長さに対して実質的に垂直に延びる前記放電電極ピンの複数の列を備える、請求項１から５のいずれか一項のフリーラジカル発生器。
7. 前記円筒形のアレイの前記長さを進む放電電極ピンの各後続列は、先行列からずれている、請求項６のフリーラジカル発生器。
8. ガス供給源をさらに備え、
   前記少なくとも１つのエンドキャップは入口を備え、
   ガスは前記放電ギャップを通じて流れるように前記フリーラジカル発生器に供給される、請求項１から５のいずれか一項のフリーラジカル発生器。
9. 前記放電電極アセンブリは、中心ロッドをさらに備え、
   前記放電電極の前記１つ以上の列の各列は、中心を有するディスク及びそこから延びる前記放電電極ピンを備え、
   前記ディスクは、前記放電電極のアレイを形成するために前記中心ロッド上に配置される、
   請求項１から５のいずれか一項のフリーラジカル発生器。
10. 前記ディスクは、所定のパターンに従って前記中心ロッド上に前記ディスクを位置決めするためのキースロットをさらに備える、請求項９のフリーラジカル発生器。
11. 前記中心ロッドは単一のキーを備え、
    各ディスクは、連続するディスクの前記放電ピン間に一定の差分放射角度が保たれるように位置決めされたキースロットを備える、請求項９のフリーラジカル発生器。
12. 前記第６のディスクは、前記電極ピンが、前記中心ロッドの前記長さと平行な前記第１のディスクの前記電極ピンと実質的に直接的に平行になるように位置決めされる、請求項９のフリーラジカル発生器。
13. 前記放電電極ピンは、前記ピン間の前記ガスの流れを妨害する、請求項１から５のいずれか一項のフリーラジカル発生器。
14. 前記ディスクは、前記１つ以上の列の間の空間を構成するためのスペーサをさらに備える、請求項９のフリーラジカル発生器。
15. バイアス電圧印加回路をさらに備え、
    前記バイアス電圧印加回路は、前記放電空間内の空間電荷が無視できるレベルまで減少するべく前記１つ以上の放電電極にバイアス電圧を印加するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項のフリーラジカル発生器。
16. 流体中でラジカルを生成するプロセスであって、
    請求項１から５のいずれか一項のフリーラジカル発生器の放電ギャップに流体を通すことと、
    前記１つ以上の放電電極ピンと前記対電極との間にパルス電圧を印加することであって、前記パルス電圧はパルス時間にわたって印加されることと、
    前記１つ以上の放電電極ピンと前記対電極との間に延在する１つ以上のストリーマを発生させることであって、前記１つ以上のストリーマは前記流体内でフリーラジカルを発生させることと
    を備えるプロセス。
17. 前記流体はガスである、請求項１６のプロセス。
18. 前記ガスは酸素及び窒素を備える、請求項１７のプロセス。
19. 前記ラジカルは、窒素ラジカル又はヒドロキシルラジカルである、請求項１７のプロセス。
20. 前記ガスはエチレンを備える、請求項１７のプロセス。
21. 前記流体は水を備える、請求項１６のプロセス。
22. 前記ラジカルは酸素ラジカルである、請求項２１のプロセス。
23. 前記パルス電圧は５ｋＶから２０ｋＶである、請求項１６のプロセス。
24. 前記放電電極ピンと前記対電極との間にバイアス電圧を印加することをさらに備え、
    前記印加することは連続する電圧パルスの間に行われる、請求項１６のプロセス。
25. 前記バイアス電圧は１から５００Ｖである、請求項２４のプロセス。
26. ガス速度は０．１ｍ／ｓから２００ｍ／ｓ、任意選択的に５ｍ／ｓから５０ｍ／ｓである、請求項１７のプロセス。
27. 前記印加するステップ及び前記発生させるステップを繰り返すことをさらに備え、
    前記繰り返すことはパルス幅によって画定され、
    前記パルス幅は１０ナノ秒から５０マイクロ秒、任意選択的に４００ナノ秒から１マイクロ秒である、請求項１６のプロセス。
28. 前記印加するステップ及び前記発生させるステップを繰り返すことをさらに備え、
    前記繰り返すことはパルス周波数によって画定され、
    前記パルス周波数は１００Ｈｚから１００ｋＨｚ、任意選択的に１０ｋＨｚから３０ｋＨｚである、請求項１６のプロセス。
29. 農産物の貯蔵寿命を延ばす方法であって、
    農産物を収容する空間に空気を循環させる空気循環路内に、請求項１から５のいずれか一項のフリーラジカル発生器を配置することと、
    空気からエチレン及び微生物汚染物質を除去するべく前記放電ギャップを通じて空気を循環させることと
    を備える方法。
30. 前記空間はリーファー輸送コンテナである、請求項２９の方法。
31. 前記対電極は、触媒反応を増強する１つ以上の触媒材料を備える、請求項２９の方法。
32. 前記空間内の相対温度は８５から９０％である、請求項２９の方法。
33. 空間を燻蒸する方法であって、
    請求項１から５のいずれか一項の１つ以上のフリーラジカル発生器と、ミスト吸入口と、ミスト発生システム及び１つ以上のブロワファンを含むミスト発生チャンバと、水リザーバと、制御ユニットと、を備える燻蒸装置を与えることと、
    ミストを発生させるべく前記水リザーバの内部に前記ミスト発生システムを配置することと、
    前記ミスト中にフリーラジカルを発生させるべく、前記１つ以上のブロワファンの使用により前記水リザーバから前記１つ以上のフリーラジカル発生器を通るよう前記ミストを移動させることと
    を備える方法。
34. 前記燻蒸装置は、前記１つ以上のブロワファンの所与の能力を目的として、水滴の所望のサイズの断片のみが、前記燻蒸装置から出て行く前記ミストの中に存在するようなサイズのカラムを備える、請求項３３の方法。
35. 前記１つ以上のブロワファンは、前記燻蒸装置の内部の前記空気を加熱することにより飽和温度を上昇させて前記空気がより多くの水分を担持できるようにするヒータを備える、請求項３３の方法。
36. 前記燻蒸装置は、遠隔操作機能を有するモバイルプラットフォーム上に実装される、請求項３３の方法。
37. 局所表面消毒の方法であって、
    流体入口と、放電空間によって分離された放電電極アセンブリ及び対電極を備える請求項１から５のいずれかのフリーラジカル発生器と、表面に接触する１つ以上の剛毛を備える回転ブラシアセンブリと、流体出口とを備える流路を与えることと、
    供給源から供給されたミストが、前記ミストが前記流体入口に入るように前記流路を通り、前記ミストの中にフリーラジカルを発生させるべく前記フリーラジカル発生器を通り、次いで前記１つ以上の剛毛が前記表面まわりに前記フリーラジカルを分布させるように前記回転ブラシアセンブリを通り、次いで前記流体出口を通るようにすることと
    を備える方法。
38. 前記流路は自己完結型である、請求項３７の方法。
39. 植物の水耕処理の方法であって、
    請求項１から５のフリーラジカル発生器のいずれかのうちの１つ以上にミストを通すことによってフリーラジカル含有ミストを発生させることと、
    前記フリーラジカル含有ミストを１つ以上の植物に噴霧することと
    を備える方法。
40. 前記ミストを前記１つ以上の植物の根に噴霧することをさらに備える、請求項３９の方法。
41. 前記１つ以上のフリーラジカル発生器は、１つ以上の移動するトラックに固定される、請求項４０の方法。
42. 請求項１から５のいずれか一項のフリーラジカル発生器を担持するべく適合されたドローンを使用してフリーラジカルを発生させる方法であって、
    放電空間を介して分離された放電電極アセンブリ及び対電極を備えるフリーラジカル発生器を与えることと、
    前記ドローン上に前記フリーラジカル発生器を位置決めすることと
    を備え、
    前記ドローンは、トラック及び車輪アセンブリ並びに１つ以上のプロペラのうちの少なくとも１つを備える、方法。
43. 前記ドローンは、搭載型発電用のソーラーパネルを備える、請求項４２の方法。
44. 前記ドローンは、搭載型水発生システムをさらに備え、
    前記搭載型水発生システムは、
    空気を吸引するための吸気口と、
    熱電素子の対向する高温側及び低温側を通過する高温空気ストリーム及び低温空気ストリームに前記空気を分割するためのストリーム分割装置と、
    前記低温空気ストリームから凝縮した水滴を貯蔵するためのリザーバと、
    前記リザーバから水をポンプ送達し、微細な液滴を前記高温空気ストリームに注入する、ポンプ及び超音波ミスト装置と
    を備え、
    前記高温ストリームの中の前記水分は供給チャンバに向けられ、そこで前記湿潤空気中にフリーラジカルを発生させるためのフリーラジカル発生器に供給される、請求項４３の方法。
45. 前記水滴が前記低温空気ストリームから凝縮した後、前記低温空気は、前記ドローン及びフリーラジカル発生器の前記電子部品を冷却するために使用される、請求項４４の方法。
    

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