2021 Fiscal Year Research-status Report

Fundamental study of discharge phenomena in micrometer-scale gap on dielectrics

Research Project

Project/Area Number	20K04447
Research Institution	University of Hyogo
Principal Investigator	上野秀樹兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (90301431)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	岡田翔兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (90633123)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	マイクロギャップ / 放電現象 / 沿面放電 / 気中放電 / 誘電体
Outline of Annual Research Achievements	誘電体沿面に形成されたマイクロギャップ中における放電現象とそのメカニズム解明が本研究における学術的課題・研究目的である。マイクロギャップ中での放電の発生・進展に必要な電子の供給源を解明することが最も重要である。誘電体が介在しない単純なマイクロギャップにおける放電では，電極からの電界電子放出が主要な電子供給だけではなく，介在する固体誘電体表面からの電子供給，三重点（金属電極/誘電体/ガス誘電体の3つの界面）からの電子供給の可能性がある。特に，工学的応用の観点からは，急峻な立ち上がりの電圧波形に対する現象の解明が重要である。令和３年度においては，まず急峻な電圧波形に対する現象解明のため，令和2年度に導入したナノ秒オーダーの立ち上がり時間の電源，および既存の100ナノ秒の対地上がり時間の電源を用いて，フラッシオーバ電圧，放電電流等の電気的計測による荷電粒子の挙動の解明を進めた。特に，誘電体の有無，誘電体の種類，電極材料の種類をパラメータとして，フラッシオーバ電圧等の検討を進めた。その結果，沿面マイクロギャップでのフラッシオーバ電圧において，誘電体材料や電極材料による依存性があることが明確となり，仕事関数の違い等による電子放出の差異が放電開始や放電進展時における電子供給過程に関する基礎的知見が得られた。さらに，光学的な観測・計測による荷電粒子の状態解明も重要である。令和３年度においては，前年度の知見をもとに，マイクロギャップ放電の観測に適したレンズ等の光学系および高感度高速度カメラを用いて，各種条件下における放電様相の撮影を試みた。また，実験的検討に加えて，荷電粒子の振る舞いの理論的検討として，マイクロギャップにおける電界の分布の様相を明確にするため，シミュレーションによる電界分布の解析にも着手した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和３年度においては，仕事関数など物性の異なる電極材料，誘電体材料を用いて，電極・誘電体表面・三重点からの電子供給が放電の開始や進展に及ぼす影響について，「①フラッシオーバ電圧，放電電流等の電気的計測による荷電粒子の挙動の解明」，「②顕微手法による放電発生・進展様相の観測，発光分析による荷電粒子の状態解明」，「③理論的手法による荷電粒子挙動の検討」行う計画で研究を進めた。研究計画に対し，まず　令和３年度においては，まず急峻な電圧波形に対する現象解明のため，ナノ秒～100ナノ秒での立ち上がり時間の異なる電圧波形に対して，フラッシオーバ電圧，放電電流等の電気的計測を行い，それによる荷電粒子の挙動の解明を進めた。さらに，，誘電体の有無，誘電体の種類（glass，ZnO），電極材料の種類（Cu，W，Brass）を替えて，フラッシオーバ電圧等の検討を進めた。その結果，沿面マイクロギャップでのフラッシオーバ電圧において，印加電圧の立ち上がり時間依存性，誘電体材料や電極材料による依存性があることが明確となり，仕事関数の違い等による電子放出の差異，放電開始や放電進展時における電子供給過程などに関する基礎的知見を得た。また，光学的な観測・計測による荷電粒子の状態解明も重要であり，前年度の知見をもとに，マイクロギャップ放電の観測に適したレンズ等の光学系および高感度光速度カメラを用いて，各種条件下における放電様相の撮影を試みた。その結果，ギャップ長による放電様相が変化ことなどが明確となってきた。　また，実験的検討に加えて，荷電粒子の振る舞いの理論的検討として，シミュレーションによる電界分布の解析にも着手した。以上の研究成果の一部は国内学会での発表未実施した。これらのことから，本研究全体の当初研究計画に対して，おおむね順調に進展していると考えている。
Strategy for Future Research Activity	令和３年度においては，仕事関数など物性の異なる電極材料，誘電体材料を用いて，電極・誘電体表面・三重点からの電子供給が放電の開始や進展に及ぼす影響について，「①フラッシオーバ電圧，放電電流等の電気的計測による荷電粒子の挙動の解明」，「②顕微手法による放電発生・進展様相の観測，発光分析による荷電粒子の状態解明」，「③理論的手法による荷電粒子挙動の検討」の観点から検討を行った。令和４年度においては，前年度に引き続き，「1.誘電体表面・三重点からの電子供給に及ぼす誘電体材料物性の影響の検討」，「2．金属電極および三重点からの電子供給に及ぼす電極金属材料物性の影響の検討」を継続して実施する。，令和２年度，３年度において実施した，①～③の手法による検討において，着実に成果が得られてきており，手法についても従前のものを踏襲，さらに発展させた検討を実施する。特に，「②顕微手法による放電発生・進展様相の観測，発光分析による荷電粒子の状態解明」，「③理論的手法による荷電粒子挙動の検討」に比重を置いて検討を進める。その結果と従来より得ているフラッシオーバ電圧，放電電流等の電気的計測を総合して，荷電粒子の挙動・状態の解明を図り，マイクロギャップにおける放電のメカニズムについて系統的に解明を進める。さらに，今年度においては，前年度以上に，研究成果の学会等での発表，議論を通じて，研究を促進させる予定である。
Causes of Carryover	令和３年度において，実験的検討に加えて，荷電粒子の振る舞いの理論的検討として，マイクロギャップにおける電界の分布の様相を明確にするため，シミュレーションによる電界分布の解析にも着手したが，電界分布のシミュレーションの事前検討においては，ライセンスを既に保有しているもので可能との知見を得た。その結果，新たたシミュレーションソフトウエアの期間限定ライセンスの使用は行わなかったため，費用の発生が生じなかった。また，学会や研究会参加による調査研究のための旅費を計上していたが，コロナ感染拡大防止により中止やオンライン開催となったため旅費が発生しなかった。令和４年度については，実際の放電様相の撮影，荷電粒子の挙動のシミュレーションに重きを置いた計画であり，当初使用計画に追加して使用する計画である。また，旅費等についても現地開催・オンライン開催の学会等の積極的に参加，成果発表の場を持つ予定であり，費用発生が見込まれる。