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論文題目「窒素直流アークにおける酸化セリウム添加のタングステン陰極消耗」

毛利颯馬


1．緒言
直流アークは，2電極間に直流電圧を印加し，ガスを電離させることで発生させる代表的な熱プラズマである．放電を長時間安定して維持可能，設備費が比較的安価などといった特長を有しており，溶接やナノ粒子合成に応用されている．母材や生成物への陰極由来の成分の混入防止や長時間運転のため，陰極消耗の低減が重要な課題である．そこで，Ar雰囲気下では，W電極に仕事関数の低い金属酸化物を電子エミッターとして添加している．Wよりも低融点の金属酸化物が陰極先端を薄く覆い，陰極表面の仕事関数が低下する．それにより，より低い陰極温度でも陰極表面からの熱電子放出が可能となるため，陰極の消耗が抑えられる．

低コストであるN2を雰囲気ガスとして用いた条件下において，陰極消耗現象の理解は十分でない．そこで，本研究ではN2雰囲気における陰極消耗現象に着目した．N2雰囲気下では，添加する金属酸化物の濃度が2wt%以下のとき，添加物の濃度の増加に伴い陰極の消耗量が減少することが知られている．添加する金属酸化物の濃度をさらに増やすことで陰極消耗の低減が期待される．一方，添加物の増加による電極の融点低下，脆化などが陰極の消耗量を増加させることも考えられる．そこで，陰極の消耗量および表面温度の計測により，N2雰囲気における高濃度のCeO2を添加したW陰極の消耗現象の解明を試みた．

2．実験方法
本実験で用いた直流アーク発生装置において，陰極にはPure-Wと2wt%，4wt%，6wt%のCeO2をそれぞれ添加したW電極を用いた．陰極の直径は6 mmであり，先端角度は60°とした．陽極には水冷Cuを使用した．電極間距離を10 mmとした．雰囲気ガスは体積比でAr:N2 = 1:1とし，シールドガス流量，チャンバーガス流量はそれぞれ30 L/min，10 L/minとした．電流値は100 A，点火時間は30 minとした．

陰極の消耗速度については，実験前後の陰極質量を電子天秤で測定し，その差を点火時間で除し算出した． 陰極表面温度の計測については，バンドパスフィルター光学系を組み合わせた高速度カメラで行った．バンドパスフィルターの波長には，アーク由来の線スペクトルが存在しない785 nmと880 nmを用いた．二色放射測温法により陰極表面温度を算出した．

3．実験結果および考察
CeO2の濃度が4wt%以下の条件では，CeO2の濃度を増加させると消耗速度は大幅に減少した．一方，CeO2の濃度が4wt%と6wt%の条件では，消耗速度に大きな変化はなかった．

先端平均温度は陰極先端から0.3 mmまでの領域の平均温度として算出した．Pure-Wでは先端平均温度がWの溶融面積を超えており，常に陰極先端が液滴となっている．2wt%CeO2-Wでは時間が経つにつれて先端平均温度が上昇している．これは陰極内部からのCeO2の供給が蒸発による損失に追いつかず，CeO2の表面被覆率が低下し，徐々に仕事関数が高くなったためであると考えられる．4wt%，6wt%CeO2-Wでは時間経過による温度変化があまりみられない．これは陰極内部からのCeO2の供給が蒸発による損失を上回り，常に陰極先端がCeO2で完全に覆われているためであると考えられる．陰極表面温度の上昇は陰極の消耗を促進させるため，消耗速度の変化が生じた．

4．結言
高速度カメラによる陰極表面温度の計測を行い，添加したCeO2の濃度が消耗速度に与える影響を考察した．添加するCeO2の濃度を増加させると，陰極表面温度の低下に伴い陰極の消耗量は抑えられた．しかし，添加するCeO2の濃度が4wt%以上になると陰極の消耗量は変化しなかった．これは陰極内部からのCeO2の供給が蒸発による損失を上回ったことを示唆している．


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