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論文題目「ダイオード整流を用いた多相交流放電の変動現象」

佐賀弘基

緒言
多相交流アーク(MPA)は，熱プラズマの中でも高エネルギー効率であるため，多量の粉体処理プロセスに用いる高温化学反応場として期待されている．しかし，実用化に向けた課題の一つに電極消耗の低減化がある．
交流アーク電極は，陰極時・陽極時と交互に電子放出・電子凝縮の役割を担う．陰極時は，熱電子放出のため低仕事関数かつ高融点材料が適する．一方，陽極時はアークからの伝熱量が大きいため，高熱伝導材料が適する．数十A以上の大電流アークにおける，陰極時・陽極時に適した特性を同時に有する電極材料は現存しないため，交流アークにおいては電極消耗が問題となる．これは，多相交流アークも例外でないことが報告されている．
そこで本研究では，ダイオード整流による交流電極の二極分割により，電極消耗の大幅低減化を試みた．本研究の目的は，ダイオード整流型多相交流アーク(DRMPA)の開発とし，電極現象およびアーク放電特性の解明を目指す．

実験方法
炉側面から複数の電極を放射状に挿入し，位相の異なる多相交流を印加することで，MPAおよびDRMPAを発生させた．DRMPAの陰極には，電極径3.2 mmの2wt%-ThO2添加Wを，陽極には電極径25 mmのCuを用いた．MPA実験においては，電極径3.2 mmの2 wt%ThO2添加Wを電極とした．プラズマガスは主成分をArとし，アーク電流値を80〜200 Aの範囲で変化させ，電極消耗量の測定および電極温度の計測を行った．
特定の波長のみを透過するバンドパスフィルタ光学系と高速度カメラを組み合わせ，電極からの熱放射由来の発光のみを可視化した．電極温度の評価には，二色放射測温法を用い，プラズマ由来の発光が無視できる785 nmおよび880 nmの二波長のみの同期観察を行った．

結果と考察
DRMPAの電極消耗量，すなわち陰極と陽極の消耗量の合計値は，MPAにおける電極消耗量の1/3以下に低減された．この要因として，熱伝導度の高いCuを用いたため，陽極消耗量を大幅に低減できた点が挙げられる．W電極に関しても，半波電流のみのDRMPAと交流電流が流れるMPAでは，消耗挙動が異なると予想される．そこで，W電極温計測を行った．DRMPAでは融点(3695 K)以上の高温領域が狭く，MPAと比較してW電極温度が低い．また，いずれのアーク電流においても，MPAではW電極が溶融状態にあるのに対し，DRMPA電極は融点以下であることがわかった．これにより，電極消耗が抑制できたと考えられる．

結言
ダイオード整流による交流電極の二極分割により，多相交流アークの重要課題であった電極消耗問題の解決を試みた．二極分割した陰極にWを，陽極にCuを用いることで，従来の1/3以下という，電極消耗量の大幅低減化に成功した．この要因は，適切な電極材料選定が可能となり，電極温度を融点以下に維持できたためである．以上より，ダイオード整流型多相交流アークは，材料プロセスに用いる熱源として非常に有用であることが示された．

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