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論文題目「ツインカソードアークの変動現象」

池末 陸

1. 諸言
直流アークは高温プラズマの発生源として有用であり，鉄の溶融というプロセスに応用されている．陰極の数が多いツインカソードアークやトリプルカソードアークは高出力で単位時間あたりに多くのエネルギーを投入できることから，短時間，高効率で目的物の溶融が可能である．しかし，トリプルカソードアークやツインカソードアークに関する研究例は少なく，その基礎現象の解明には至っていない．アーク変動や電極現象などの基礎現象の理解は，長時間，効率的な操業のために必要不可欠である．

本研究ではトリプルカソードアーク変動現象の研究に先駆けて，ツインカソードアークの変動現象の理解を目的とした．カメラによるアーク変動とアーク面積の解析，また，オシロスコープを用いた電圧の測定を行った．

2. 実験装置および実験方法
本研究で用いたプラズマ発生装置ではグラファイト陰極を2本用い，陽極陰極間の距離は5 mm，アーク電流値は150 A，陽極に水冷銅を用い，装置内の圧力は101.3 kPaとした．チャンバーガスはArを20 L/min流し，シールドガスはArを陰極1本あたり15 L/min流した．陰極間距離を20，30，40 mmと変えて実験した． カメラとオシロスコープで同期観察を行った．

カメラによる観察はチャンバーの観察窓から行い，そのデータからアークの傾きを算出した．アークの傾きはアークがもう一方のアークに近づく方向を正とした．以下，アーク角度と呼称する．

3. 実験結果
アーク角度とアーク面積，電圧のそれぞれが増加，減少することとその時期において概ね相関がみられた．アーク角度が大きいときにはアノードジェットが発生している様子が確認され，アーク角度が小さいときにはアーク同士が接触している様子が確認された．また，前者の場合には電圧が高くなり，後者の場合には電圧が低くなったことが確認された また，前者の場合には電圧が高くなり，後者の場合には電圧が低くなったことが確認された．

陰極間距離が30 mm以下になったとき，ローレンツ力による影響が顕著にあらわれ，アーク角度が大きくなった．その結果，アノードジェットが頻出し，平均電圧も高くなった．アノードジェット発生時に電圧が高くなる理由は2つ考えられる．1点目は，2本あったアークが1本となることによる電流路面積の減少である．2点目は，Fig. 2中の画像③に代表されるような，強烈なアノードジェット流によるアーク長の伸長である．

4. 結言
カメラとオシロスコープの同期観察によりツインカソードアークの変動現象の様子が観察でき，そこから，アーク角度とアーク面積，電圧の関係を明らかにできた．また，陰極間距離が減少することで，アーク角度の平均，平均電圧の増加がみられた．