2014 Fiscal Year Research-status Report
低真空アーク金属表面処理のエネルギー効率改善に向けた陰極点挙動解析
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25400536
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| Research Institution | Akita Prefectural University |
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Principal Investigator |
杉本 尚哉 秋田県立大学, システム科学技術学部, 准教授 (20291784)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 低真空アーク / 陰極点 / 微小高速輝点 / 金属表面酸化膜除去 / ラングミュアプローブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低真空中でのアーク放電で発生する陰極点の作用を利用した、金属表面の酸化膜層の除去法において、両面を酸化膜で覆われた金属平板の一方を陽極に対向させて放電を行う。放電開始後、金属平板の陽極に面した側で陰極点が発生して酸化膜除去が進行し、その完了後に陰極点は金属平板のもう一方の側へと移動して酸化膜除去が進行するが、時々陰極点は元の側に戻って高速で移動しながら滞在し、再びもう一方の側に移動して酸化膜除去を行うことを繰り返す。本研究の目的は、酸化膜除去時に見られる通常の「陰極点」と、酸化膜除去後の面上に見られる「微小高速輝点」との関連を調べ、陰極点挙動を理解して酸化膜の除去効率の改善につなげることである。
電極間に挿入したラングミュアプローブにバイアス電圧を印加していない状態で、接地（アース）との間のプローブ電流を見ると、放電開始から陰極点が金属平板の陽極に面した側の酸化膜を除去する間、負のプローブ電流が流れ、プローブ電流の短時間変化の振動の振幅は比較的小さい。一方、陰極点が金属平板のもう一方の側に移動するとプローブ電流の短時間変化の振幅は非常に大きくなり、プローブ電流は正と負の間で大きく変動するが、長時間での平均では正のプローブ電流が流れていることがわかった。さらに、高速度カメラを用いて、陰極点及び微小高速輝点の発生場所とプローブ電流を同期させて調べたところ、陰極点が金属平板の陽極とは反対側にあるときは正のプローブ電流が流れ、陽極とは反対側の陰極点と陽極側の微小高速輝点が同時に発生するときにはプローブ電流は0ミリアンペア付近で変動していた。また、これらプローブ電流の変化と放電電流の変化との間には、相関があることも確認した。
陰極点や微小高速輝点の挙動が、電極間のプラズマの見かけの様子だけでなく、電子温度や密度に関係する特性の面でも大きく変動することが初めて明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度の目標は、陰極点が、金属平板の陽極がある側とは反対側に移動したときに、陽極と陰極である金属平板との間のプラズマはどのように変化するのか調べ、微小高速輝点の存在がそのプラズマの維持にどのように関わっているのかを明らかにすることであった。陽極と金属平板との間に発生するプラズマについて調べるため、ラングミュアプローブを電極間に挿入して放電処理を試みたが、挿入したプローブは放電の様子や陰極点挙動にほとんど影響を及ぼしていない。また、プローブも、先端部のプラズマ中に曝露されている部分が金属平板からの金属蒸気・液滴で汚染され、測定不能になるのではないかと思われたが、これまでのところ確かに外見上は汚染が進んだものの、測定結果に変化は表れていない。以上のように、本課題においてプローブ測定が通常のプラズマと同様に行えることが分かったことは、大きな成果であると言える。
今年度は、プローブにバイアス電圧を印加しない状態で、放電条件を変化させての測定に注力した。測定により、陰極点が陽極側にある時とその反対側にあるときとでプローブ電流の向きが変化すること、プローブ電流に見られる短時間変動の振幅が大きく変化すること、プローブ電流の空間変化も大きく異なること、また放電電流の増加に伴い、プローブ電流に負の電流成分が大きくなること、などの結果が得られた。これらの結果から、電極間に発生したプラズマ中に陰極点からの高エネルギー電子流が存在し、そのプラズマ生成に影響を与えていることが予測される。しかし、陰極点からの金属蒸気の供給量変化やそれに伴うプラズマ密度の変化については、まだ調べられていない。高速度カメラとの同期測定により、微小高速輝点の発生によりプローブ電流にも変化が現れることはわかったが、その電極間プラズマ維持への効果は明らかでない。以上のことから、現段階は当初の計画よりやや遅れていると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
金属平板の陽極側の酸化膜が完全に除去されると、陰極点は金属平板の端を通って反対側の面に移動し、中央部に向かって酸化膜を除去していく。しかし、中央部に近づくと、酸化膜が残っていても陰極点は中央付近へ進みにくくなり、陽極側の面に戻って高速移動して、微小高速輝点のように見える。今後、さらに容積の大きな真空容器を作製して電極間距離を大きく取り、金属平板両面全体の様子が観測しやすいようにして、陰極点や微小高速輝点の分布の様子を捉え、その関係を詳細に調べる。
これまでの測定では、プローブ電流に短時間変動が見られ、金属平板の陽極側の酸化膜除去が完了した後にはその変動幅がさらに大きくなる。プローブ測定結果からプラズマパラメータを求めるには、この変動をできるだけ取り除く必要があり、プローブ測定回路にインダクタンスを入れるなどの対策を行う。測定結果から、電極間に発生するプラズマの密度や電子温度を求め、それらの陰極点や微小高速輝点の挙動との関係や、放電電流との関係を調べる。
一方で、プローブ電流に見られる短時間変動は、アーク電流に見られる短時間変動と関係しており、電極間中に発生するプラズマと、アークの消費電力との関係を理解する上で役に立つとも考えられる。今回のプローブ測定により、静電的に関連があることがわかったので、今後は電極間中のプラズマ内にアンテナを挿入して電磁的変動を測定し、アーク電流変動との関係を調べる。
また、真空アークの放電機構として、陰極点から放出される陰極材由来の金属蒸気や液滴が放電電流によりプラズマ化されると説明されているが、本研究対象のように、陰極点が電極間とは反対側にある場合においても、電極間にはプラズマがありアーク放電が維持されている。今後、陽極と金属平板との間で、放電中に浮遊物を採取して、プラズマの発生源となっている物質がどこから供給されているのかを明らかにする。
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画では、今年度に真空容器を購入して実験装置を改良する予定であったが、試験片をはじめ、実験用消耗品の購入費が予定額を超えたため、翌年度助成金と合わせて真空容器を購入せざるを得なくなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額発生の理由に既述の通り、翌年度請求分の助成金と合わせ、真空容器の購入費に充てる予定である。
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