2018 Fiscal Year Annual Research Report
金属ナノ構造上で誘起されるアークプラズマの特性およびナノ構造の損耗に関する研究
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17J05670
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
皇甫 度均 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | アーク / 核融合 / ナノ構造 / ヘリウムプラズマ / タングステン / ダイバータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．電界電子放出特性の評価および装置の改良：電界電子放出特性評価のための高電圧印可装置の改良を行った。既存より両極間の距離を微細に調整することができ、測定の信頼度が向上した。前年度の研究により発見されたnano-tendril bundle(NTB)構造に高電場を印可し、電界電子放出電流を測定した。その結果、電界電子放出が始まる開始電場は既存のナノ構造に比べ1/10であり、NTB構造がより低電場で電界電子放出を始めることが判明した。さらに、電界集中係数も通常のナノ構造より高く、電子放出源としての応用可能性も示唆された。
２．アークの点弧条件の解明：金属とプラズマ間の電位差および周辺のプラズマ密度を変化させ、アークの点弧条件を評価した。その結果、材料-プラズマ間電位差およびシース電場強度の両方にアーク点弧の閾値が存在することが明らかになった。また、シース電場強度の閾値は上記(1)で求めたNTB構造の電界電子放出開始電場と同程度であることが分かり、NTB構造において間歇的熱負荷が無くてもアークが点弧する可能性が示唆された。
３．大電流におけるアークプラズマの運動と損耗過程：ピーク電流100 Aに及ぶ大電流アークを点弧させ、アークスポットの運動を計測した。低電流アークの時と同様に電流-電圧間の線形比例性が見られ、周辺プラズマ柱のプラズマ抵抗を介した電流ループを形成することが判明した。
４．NTBの生成過程：同一のプラズマ照射条件においてNTB成長の経時変化を観測することにより、NTBの生成過程を明らかにした。NTBは材料表面からスパッタリングさててきた金属粒子が再び材料の他の表面に付着することにより成長することが明らかになり、特にスパッタされる粒子の視線方向再堆積が大きな役割を果たすことが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画していた高電場印可実験装置を改良し、新たに発見されたnano-tendril bundles(NTBs)構造の電界電子放出特性を評価した。また、大電流アーク時にも電流電圧特性が周辺プラズマを介して線形性を示すことを明らかにし、アーク発生の規模の予測や防止のための対策に役に立つ知識を見出した。さらに、アークの点弧に既存に知られる材料-プラズマ間の電位差のみならず電場強度も重要であることを新たに発見し、単極アークのメカニズムを理解するに重要な知見を得た。これらは概ね当初の計画どおり進展したものであると評価できる。
一方で、NTBsの生成メカニズムを明らかにするために、NTBの成長の経時変化を調査することにより、材料表面から飛び出す金属粒子の再堆積、特に飛び出し視線方向の再堆積がNTBの成長に大いに寄与することを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
分光計測により、アークプラズマの特性を評価する。また、高速カメラ撮影によりアークスポットの運動の様子も観察する。ナノ構造厚みやアーク電流等のパラメータ変化がアークプラズマとアークスポットに与える影響について評価し、アークの点弧に関わる物理過程の理解を深める。
nano-tendril bundlesの生成機構について、多種のガスを用いたときの成長過程の違い等を計測する。分光計測により、表面からはじき出されるタングステン粒子の存在を確かめるとともに、表面へ再堆積を定量評価ｓるう。通常のナノ構造の成長モデルとを比較し、不純物ガス種による損傷や再堆積がnano-tendril bundlesの成長に与える影響を解明する。
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