2018 年度実施状況報告書

電極表面の汚損分布イメージング表面分析による真空絶縁破壊メカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号	17K06293
研究機関	埼玉大学
研究代表者	山納康埼玉大学, 情報メディア基盤センター, 准教授 (30323380)
研究期間 (年度)	2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード	真空ギャップ / 絶縁破壊 / 表面汚損
研究実績の概要	電極表面の汚損量と真空ギャップの絶縁破壊特性の関係に関して、電極の表面状態について放電が発生しやすい電界値の最も高い位置の分析だけでなく、その周囲まで分析範囲を拡げて表面分析を行い、電極表面の汚損状態分布と真空ギャップの耐電圧の関係を明らかにした。まず、真空ギャップの電極表面の初期の汚損度合いを制御できるようにした。希釈した強アルカリ洗浄剤を用いた汚損の洗浄と希釈した水溶性切削油の塗布と加熱乾燥による汚損の付着を行うことによって汚損の制御を可能とし、水溶性切削油の濃度を変えることによって汚損度合いを変化させてから実験を行った。半球状の電極上の汚損量が制御された無酸素銅電極を準備し、真空中において繰り返し絶縁破壊試験を実施するとともに、同一真空環境下でXPSの表面分析を試験前と繰り返し絶縁破壊試験の途中で分析を行った。真空中での繰り返し絶縁破壊によるコンディショニング過程において、半球状の電極表面の汚損分布は，対向する電極の中心部だけでなく周辺部についても汚損が減少していることが明らかとなった．また，はじめに中心部の汚損が減少し，その後周辺部の汚損が減少するような傾向が見られ，電極表面の汚損量が少ない場合には中心部，周辺部共にほとんど消滅する一方，汚損量が多い場合には，中心部，周辺部ともに汚損量が少ない場合よりも汚損が残っていて，特に周辺部の汚損は多くの量の汚損が残る結果となった。さらに，真空中絶縁破壊特性については，汚損量が多い場合には汚損量が少ない場合よりも絶縁破壊特性の主要な値すべてが悪化することが明らかとなった。以上の結果を踏まえると，電極周囲の汚損分布が真空中絶縁破壊特性に影響を与えていて，特にコンディショニング飽和後の平均絶縁破壊電圧のような，コンディショニング後の真空中絶縁破壊特性については電極表面の周辺部の汚損の影響が大きい可能性が高いことが見いだされた。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由真空中での繰り返し絶縁破壊によるコンディショニング過程において、半球状の電極表面の汚損分布は，対向する電極の中心部だけでなく周辺部についても汚損が減少していることが実験的に明らかになった。電極表面の汚損量が少ない場合には、中心部、周辺部共にほとんど消滅する一方、汚損量が多い場合には，中心部，周辺部ともに汚損量が少ない場合よりも汚損が残っていて，特に周辺部の汚損は多くの量の汚損が残る結果となった。今後は、コンディショニング過程における電極の表面汚損分布の詳細な測定を行い、定量的な汚損状態分布と耐電圧や耐電圧の上昇度合いを表すコンディショニングスピードとの関係を調査する予定である。それらの放電特性から表面汚損状態と真空絶縁破壊機構との関係で未解明であった面積効果を決める要因を実験的に明らかにする。
今後の研究の推進方策	真空環境下での絶縁破壊試験と表面分析を一貫して行い、電極表面の汚損分布を把握しながら、その電極の耐電圧性能を評価することは可能となったが、実験データの再現性を含めてより詳細に測定をする必要がある。試験前後の電極表面のSEM像を確認したところ、電極材料によっては局所的に汚損している箇所も確認されており、このような局所的な汚損の影響を調べる必要が新たに挙げられる。また、真空高電圧機器を設計する上で必ず考慮に入れなければならない事項である「面積効果」についても汚損分布の観点から調査を行う。
次年度使用額が生じた理由	実験装置の一部修理により、試験についての再現性の取得ができていないことに加えて、試験データのばらつきを含めた絶縁破壊電界の評価をする必要があるため、試験を繰り返し行い、実験データに対してワイブル解析による評価を行う必要がある。そのために実験サンプルの製作をする。