2021 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of Non-equilibrium Arc Cathode Spot Movement Phenomenon Toward Establishment of Ultrafast Oxide Layer Removal Method in Atmospheric Pressure
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21K04007
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
岩尾 徹 東京都市大学, 理工学部, 教授 (80386359)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 憲吏 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (20638134)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | アーク放電 / 陰極点 / 酸化膜除去 / パワーエレクトロニクス / 三次元電磁熱流体シミュレーション / 陰極点挙動 / プラズマ / 3R |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，超高速酸化膜除去手法の確立に向けた大気圧非平衡アーク陰極点の移動現象の解明を目的として，非平衡現象を考慮した3次元電磁熱流体シミュレーションの開発を行った。具体的には，電子と重粒子の2温度分布と陰極近傍で生じるシース現象及び，これにより生じる電界電子放出，熱電子放出(T-F電子放出)を考慮したシミュレーション手法の開発を行った。この結果，陰極点における電子電流密度は，真空アークの特徴である高い電流密度のシミュレーションが可能となり，これらに外部磁界を印加した際は，陰極温度が逆行運動方向に増加する結果を得られた。また，この時の陰極の加熱に寄与する物理量を明らかにするために2温度を考慮したエネルギーバランスの解析を行った。この結果，陰極における加熱の主要因はイオン加熱であり，陰極点の移動には，イオン電流の偏りが大きく寄与していることが示唆された。
なお，研究の推進で生じた課題の検討も行った。具体的には，電子と重粒子の空間的な非平衡性(2流体)を考慮できていないことから，荷電粒子(イオン雲)の動きを模擬できないため，陰極点の移動は数μm単位で留まる問題がある。このため，これらの知見から更なる陰極点の移動に関する知見を得るために，イオン雲の移動を仮定した場合における，シース電界とT-F電子放出を考慮した解析を行った。この結果，陰極点直上で発生したイオン雲を逆行運動方向に移動させた場合，イオン雲に伴い，陰極点の連続的な移動が生じた知見を得た。
また，上記計算には計算時間が長くなる問題がある。検討の結果，従来より約1.5倍速く計算可能なPCを4台購入することで，高速なシミュレーションを行うことが可能となった。
更に，実験での大気圧非平衡アーク実現をするためには，コイルにパルス電流を大きく流さなければならない問題がある。この解決に向けてIGBTを用いた磁界印加装置の改良に取り組んだ。
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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
今年度では，電子と重粒子の熱的非平衡及びシース電界とこれにより生じるT-F電子放出を考慮した3次元電磁熱流体シミュレーションの開発を行った。この結果，陰極点における電子電流密度は，真空アークの特徴である高い電流密度の解析が可能となり，これらに外部磁界を印加した際は，陰極温度が逆行運動方向に増加し，数μm単位で留まっているが，陰極点がイオン加熱とシース電界によるT-F電子放出により，逆行運動方向に移動する知見を得た。更なる陰極点の移動シミュレーションの知見を得るために，イオン雲の輸送を模擬した解析では，陰極点は数mm単位で連続的に移動し，イオン雲のセルフコンシスト計算を可能とすれば，3次元電磁熱流体シミュレーションでの真空アーク陰極点の移動解析を可能とできる知見を得た。
また，上記計算には計算時間が長くなる問題がある。検討の結果，従来より約1.5倍速く計算可能なPCを4台購入することで，高速なシミュレーションを行うことが可能となった。
更に，実験での大気圧非平衡アーク実現をするためには，コイルにパルス電流を大きく流さなければならない問題がある。この解決に向けてIGBTを用いた磁界印加装置の改良に取り組んだ。
以上より，来年度の3次元電磁熱流体シミュレーションによる，真空アーク陰極点の移動解析を行う準備と，パルス電流を用いた磁界印加装置の改良への準備が整ったため，(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 |
令和4年度は，予定通り，大気圧非平衡アーク陰極点の移動制御手法の確立へ向けて，令和3年度の知見を活かし，電子と重粒子の2流体分布を考慮したシミュレーション開発を行う。また，開発したシミュレーションを用いて，初期圧力をパラメータとした場合におけるイオン分布の解析を行う。また，これに加え，現在改良中の磁界印加装置の改良を完遂し，極点の移動を制御するためのパルス電流発生回路と改良した磁界印加装置，分光器，ハイスピードカメラを用いた超高速多点分光手法を確立し，初期圧力と磁束密度の変化時におけるイオン分布の観測を行う。得られた知見は国際会議や国内会議にて発表を行い，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 |
コロナ禍により、学会参加がオンライン開催になったため、当初予定の支出が不要となったことによる。次年度は、さらにシミュレーションの開発を行うためPCの購入をする他、磁界印加装置やパルス電流発生回路の改良、学会参加費、論文掲載費の使用を予定している。
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