研究課題
基盤研究(B)
真空中でのアーク陰極点は陰極表面上に酸化物が存在すると酸化物上に優先的に陰極点が形成され、陰極点の高いエネルギー密度で短時間に酸化物を蒸発させ酸化物を陰極金属表面から除去していく性質を有する。本研究ではアーク陰極点の特異な性質を把握し、その特異性の発現する理由を明らかにすると共に、これらの性質の応用について探索することを目的とした。研究の主な成果を以下にまとめて示す。(1)ケルビンプローブを用い陰極表面の仕事関数を測定することにより、金属表面の酸化物上に陰極点が選択的に形成され、酸化物を優先的に除去していく理由を検証した。金属酸化物が、金属より仕事関数が低く、電子放出が容易であることに原因があることが明らかになった。(2)陰極点の酸化物除去速度の観察から、陰極点にはエネルギー密度の高い陰極点とエネルギー密度の低い2種類のモードが存在することを見いだした。前者は後者に比べ酸化物除去速度が速く、酸化物が除去されたあとの表面の粗度は小さい。(3)2種類の異なるモードの陰極点は陰極面上に同時に存在する。どちらのモードが存在する確立が高いかは表面状態に依存する。NaOHやKOH溶液を表面に塗布すると高エネルギー密度の陰極点ができやすい。エチレングリコールを薄く塗布した表面でも同じことが起こる。(4)アーク陰極点で酸化物を除去した金属(鋼材)表面は硬度が著しく上昇する。陰極点による酸化物蒸発除去過程で金属表面の薄い層が溶融状態になった後に急冷凝固されているためである。(5)陰極と陽極の距離をある限界長より小さくすると酸化物除去のエネルギー効率が大きく上昇する(2倍以上)。陰極から噴出する蒸発分解した金属元素が陽極まで到達し陽イオンを形成し、陽極降下電圧を著しく減少させ、陽極におけるエネルギー損失を低下させるためであることが明らかになった。
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