2018 Fiscal Year Research-status Report
Control of Vacuum Arc Cathode Spot Movement for Development of High Speed Removal Method of Oxide Layer
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18K04086
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
岩尾 徹 東京都市大学, 工学部, 教授 (80386359)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 憲吏 東京都市大学, 工学部, 准教授 (20638134)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | アーク放電 / 陰極点 / 酸化膜除去 / 画像処理 / 高速度ビデオカメラ / 陰極点挙動 / プラズマ / 3R |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究代表者が特許出願した陰極表面を下向きにする装置の製作，並びに，実験を行った。この実験は以前の実験結果からドロップレットが原因と考えられる母材表面の盛り上がりが真空アーク陰極点の移動の妨げになっているという知見が得られていることから，ドロップレットをなくすことにより，陰極点の移動現象を確かめるものであった。結果として，陰極表面を下向きにすることで，ドロップレットの再付着を防止することに成功し，陰極点の逆行運動の直進性が向上することが分かった。
さらに，陰極点の移動制御手法の開発に向け，インバータの製作や実験を行った。本実験は，横磁界印加時の陰極点の移動方向は単一のため範囲が狭く，広範囲処理ができない。そこで，インバータを用いて，交番磁界を生成し，移動の範囲を広げることを試みた。結果として，交番磁界を印加することで，陰極点は単一方向だけでなく，往復することが可能になった。また，交番磁界の周波数を増加させることで，往復距離は短くなった。
また，バンドパスフィルタを用いて，金属母材が蒸発し電離することで発生したイオンの移動を観測した。この実験では，陰極点の逆行運動の要因は，金属母材のイオンの先行が逆行運動の要因であると考え，金属母材のイオンを観測することによってイオンが逆行運動の要因となるかを確かめた。結果として，金属母材のイオンが逆行方向へ先行し，その後，陰極点が移動することが分かった。
実験計画にはなかったが，電磁熱流体シミュレーションを用いて，２つの陰極点の移動がお互いに及ぼす電磁力と圧力勾配による力との相互作用の解明を試みた。結果として，他方の陰極点を考慮した場合，陰極点が反発して移動した。しかし，他方の陰極点からの磁束密度と同じ大きさの外部横磁界を印加した解析では，陰極点は移動しなかった。したがって，陰極点の移動には圧力勾配による力が寄与していることが分かった。
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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
陰極表面を下向きにする装置の製作と実験を行った。以前よりドロップレットが原因と考えられる母材表面の盛り上がりが真空アーク陰極点の移動の妨げになっているという知見があるため，この現象を確かめた。結果として，陰極表面を下向きにすることで，ドロップレットの再付着を防止することに成功し，陰極点の逆行運動の直進性が向上することができた。さらに，陰極点の移動制御手法の開発に向け，インバータの製作と実験を行った。結果として，交番磁界を印加することで，陰極点は単一方向だけでなく，往復するようことが可能になった。また，交番磁界の周波数を増加させることで，往復距離は短くなった。以上より，陰極表面を下向きにする装置，インバータの製作ができ，実験により真空アーク陰極点の逆行運動の直進性を向上させる手法や単一方向に移動する陰極点の移動を幅広く制御する手法の確立ができた。
また，バンドパスフィルタを用いて金属母材のイオンの動きを観測した。結果として，金属母材のイオンが逆行方向へ先行し，その後，陰極点が移動することが分かった。以上より，金属母材のイオンを観測することにより，陰極点の移動要因の検討考察ができた。
実験計画にはなかったが，電磁熱流体シミュレーションを用いて，複数陰極点の移動がお互いに及ぼす電磁力と圧力勾配による力との相互作用の解明を試みた。結果として，他方の陰極点を考慮した場合，陰極点が移動した。しかし，他方の陰極点からの磁束密度と同じ大きさの外部横磁界を印加した解析では，陰極点は移動しなかった。したがって，陰極点の移動には圧力勾配による力が寄与していることが分かった。以上より，シミュレーションにより，来年度に行われるシミュレーションを用いた陰極点の現象解明と移動要因の分析や，移動制御に向けた準備ができた。
以上より，(2) おおむね順調に進展している，とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，予定通り，令和元年度は，真空アーク陰極点による酸化膜除去を模擬した３次元電磁熱流体シミュレーションを用いて，横磁界印加時の母材や酸化膜からの蒸気を加味した陰極点のエネルギーバランス，蒸発過程，溶融過程を明らかにしていく。平成30年度の結果から，金属母材のイオンの先行と交番磁界を印加することで，陰極点の移動範囲が広くなったという結果が得られたことを踏まえて，陰極点の現象解明と移動要因の分析，移動モデルの検討，並びに，移動制御に向けた提案を行う。得られた知見は，国際学会や電気学会にて発表し，研究者との意見交換を行う。
令和２年度は，予定通り超高速酸化膜除去に向けた真空アーク陰極点の移動制御手法の開発を完遂する。圧力，電極間距離，電流を最適なものとし，陰極点を制御する。最適な実験計画条件は令和元年度の成果を基にし，磁界制御装置を利用して，横磁界の強弱や時間，向きを高速に制御し，真空アーク陰極点を電磁力で制御していく。得られた知見は，国際学会や電気学会にて発表し，研究者との意見交換を行うと同時に，論文誌への投稿を行う。
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| Causes of Carryover |
インバータの購入に際し，現状の市販品では対応ができないことがわかり，自ら設計開発をすることになったため。現状，研究の進捗はうまく進んでいるが，翌年度以降に，市販品の新製品が出るとの情報もあり，性能がよければ購入をする可能性もある。また，論文の掲載が決まったものが複数あることから，論文掲載料にも使用することを予定している。その他，２年目にメインで行うシミュレーション用ＰＣの購入も予定している。
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