| ホーム | 渡辺教授 | 研究 | 業績 | 装置 | メンバー | 卒業生 | 学生業績 |
| 講義 | 学会報告 | 入学希望者 | トピックス | サイトマップ |

論文題目「ロングDCアークにおけるアーク現象の解析」

越智雄大

緒言
半導体産業で主に排出される難分解性のパーフルオロカーボン(PFC)ガスは温室効果ガスであり，その温室効果係数はCO2の数千〜数万倍である．PFC削減対策の一つとして燃焼法が検討されているが，温度が不十分であるため高分解率の達成が難しく，NOx, SOxが大量発生するといった問題点がある．一方，10000 K近い高温を有する熱プラズマを利用することで，副生成物の発生を抑え，高分解率の達成が期待されている．しかし，一般的に廃棄物処理に用いられるプラズマジェットは被分解物質の滞留時間が短く，ジェット部を分解に用いるため，被分解物質を大量導入すると温度が低下するといった欠点を有する．
そこで本研究では，熱プラズマの発生方法の一つであるロングDCアークに着目した．本装置は従来のDCアークと比較して，一桁以上長い電極間距離を有している新規な熱プラズマ発生装置である．そのため，通常の熱プラズマと比較して被分解物質の滞留時間が長く，分解にアーク部を用いるため，高い分解率の達成が期待されている．しかし，本装置は新規性の高い装置であるため，その特性はまだ充分解明されていない．そこで本研究では，高効率な廃棄物処理プロセスの実現を目指し，ロングDCアーク中の変動現象解明を目的とする．

実験装置および計測手法
ロングDCアーク装置の陰極にはCuまたはW-2wt%La2O3を，陽極としてCu-W合金を用い，それらの電極間距離を400 mmに設定した．プラズマガスとしてN2またはArを用いている．陰極より150 mm下部に直流コイルを設置し，外部磁場によりアークを能動的に変動させた．操作条件としてアーク電流を8.0〜13 A，プラズマガス流量を20〜100 L/minの範囲で変化させた．さらに，外部磁場の強度を変えるため，コイル電流を0〜2.0 Aと変化させた．

(i)アーク温度計測 分光器により発光スペクトルを計測し，複数の線スペクトルの強度比を用いるボルツマンプロット法により温度計測を行った．N2アークの温度計測にはH原子，Arアークの温度計測にはAr原子の線スペクトルを用いた．
(ii)アーク挙動観察 高速度カメラを用いて，フレームレート2000fps，シャッタースピード1/2000 sの条件でアークの観察を行った．高速度カメラによる撮影範囲は陰極より150 mm下部までとなっている．アーク面積の時間変化および高速フーリエ変換(FFT)解析を行うことにより，アーク変動の周期性を検討した．
(iii)陰極点挙動観察 高速度カメラを用いてフレームレート5000fps，シャッタースピード1/75000 sの条件で陰極点の観察した．陰極における陰極点の存在分布，移動速度を算出した．

実験結果
高速度カメラにより得られた画像を，発光の有無で2値化することにより算出した．この結果より，10Hz以下の遅い変動とそれより速い変動を確認した．この10Hz以下の変動は，アーク電流，ガス流量を増加させると速くなり，熱流体の不安定性に由来すると考えられる．アーク面積の変動と比較し，陰極点は非常に速い周期の変動が確認できた．これは冷陰極であるCuを陰極として使用しており，陰極点が極めて短く，不規則な変動周期を有していることに由来すると考えられる．
コイル電流の増加に対して，アーク面積変動も陰極点の変動もともに増加傾向が示された．このことより，アークと電極の変動現象に相関関係がある可能性が示唆された．
アーク変動および電極変動の周期性を明らかにするためFFT解析を行った．アークの発光面積の変動においては約400Hzの周期を有していることが確認できた．この変動周期はアーク電流値，プラズマガス流量を変化させた際に見られなかったため，外部磁場印加により発生した変動周期だと考えられる．陰極点変動に着目すると，プラズマガスにArを用いたときは特徴的な周期の存在が確認できたが，N2アークの場合には確認されなかった．
外部磁場印加時のArアークにおいて，アーク変動の周期性と陰極変動の周期性における相関関係の有無を明らかにするため，陰極変動の周波数をアーク変動の周波数で除したものを独自に相関係数と定義し，これを用いて比較した．アークと陰極に相関関係があるならば，相関係数が1に近づくと考えられる．Fコイル電流を増加させることで，相関係数がほぼ1に近づくことが確認された．したがって，外部磁場印加時のArアークと陰極点の挙動は相関関係を有すると結論付けられた．
一方，プラズマガスにN2を使用した際に相関関係が得られなかった．これは，Arアークと比較してN2アークの方が外部磁場から受けるローレンツ力が小さく，アーク変動が陰極点挙動に影響を及ぼさなかったためだと考えられる．なお，ArアークとN2アークでローレンツ力が異なる原因は，アーク中の電流密度が異なるためであり，以下の2つに起因する．1つ目は，2原子分子であるN2では解離エネルギーが必要となるため，Arと比較してアーク温度が低くなるためである．その結果，N2アークの方が電気伝導度が低く，電流密度が小さくなる．2つ目は，アーク径の違いによるものである．Arアークと比較し，N2アークの方が熱的ピンチ効果が小さく，アーク径が大きくなるため，N2アークの電流密度が小さくなる．

結言
本研究ではロングDCアークの変動現象を明らかにすることを目的とし，アーク変動および電極変動の解析を行った．その結果，アーク電流およびガス流量変化に関しては，アーク変動と陰極変動に相関関係がないことが明らかになった．一方，外部磁場印加条件にて，Arアーク変動と陰極変動に相関関係が見出された．外部磁場によりアーク変動を制御することで，陰極の変動現象の制御も可能となる．このような知見より，陰極消耗の低減化，また廃棄物処理プロセスの高効率化が可能であることが示唆された．

国内学会