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論文題目「リング型陽極のロングDCアークにおける放電現象の解明」

添田裕彦

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，その地球温暖化係数はCO2の数千〜数万倍である．PFC削減対策の一つとして，10,000 K程の高温を有する熱プラズマを利用した技術が注目されている．
熱プラズマの1つであるロングDCアークは，通常のDCアークより1桁以上長い電極間距離(350 mm)を有しているため，被分解物質の滞留時間を長くすることができる．また，ロングDCアークに外部磁場を印加することで，高温アークの存在領域を増加させることに成功している．そのため，高速かつ高効率なPFCガス処理装置として，ロングDCアークは既に実用化されている．しかし，本手法の本格普及のためには，さらなる処理効率の向上や低コスト化が求められている．
従来のロングDCアークシステムでは，円柱型や円錐型の陽極が用いられてきたが，陽極での熱損失が大きいことが問題であった．そこで本研究では，ロングDCアークの陽極形状をリング型に改良することで，陽極で奪われるアークの熱エネルギーを陽極下流まで高速で噴出させ，それをプラズマジェット流として新たに活用することに成功した．しかし，ロングDCアークは新規性が高い装置であるため，その放電特性の理解が十分ではない．ロングDCアークをより効率的にプロセスに応用するためには，ロングDCアークの放電現象の解明が必要不可欠である．そこで本研究では，ロングDCアークの放電現象の解明を目的とし，ロングDCアークのエネルギーバランスの評価および変動現象の観察を行った．

実験装置および計測手法
ロングDCアーク装置のプラズマトーチ部の陰極と陽極には水冷したCuを用い，直径20 mmの水冷Cuを陰極とし，リング型の水冷Cu(外径50 mm，内径24.5 mm，厚さ20 mm)を陽極とした．プラズマガスとしてN2を使用し，アーク電流を10 A，プラズマガス流量を50 L/min，電極間距離を350 mmで固定した．
電極間に直流コイルを設置し直流電流を流すことにより，軸方向に磁場を印加した．磁束密度Bzと半径方向のアークの電流密度jrとの作用により，旋回方向のローレンツ力をアークに加え，アークを能動的に変動させた．コイルは陰極から180~250 mm下に設置し，コイル電流は0~1.0 Aとした．
ロングDCアークのエネルギーバランスを評価するため，陰極，陽極，および反応管の冷却水による熱損失をそれぞれ計測した．コイルを陰極から180 mmの位置に設置することで，外部磁場印加によるアーク変動がロングDCアークのエネルギーバランスに及ぼす影響を評価した．
また，ロングDCアークの変動特性を解明するため，高速度カメラを用いてロングDCアークの観察を行った．コイルを陰極から250 mmの位置に設置し，外部磁場印加によってアークおよび陽極下流のプラズマジェットが受ける影響を評価した．

実験結果
各コイル電流値におけるロングDCアークの熱損失およびプラズマジェットが有するエネルギーを示した熱収支において，従来用いられてきた銅円柱を陽極とした場合，電極間のアークが有するエネルギーのみをPFC処理に利用可能であり，陽極での熱損失は極めて大きいことがわかった．一方，リング型陽極を用いることで，円柱型の陽極で損失していたエネルギーの約60％を，PFC処理に利用可能なプラズマジェット流として噴出することに成功した．また，コイル電流値の増加に伴い反応管部での熱損失は大きくなり，プラズマジェットが有するエネルギー量がわずかに減少することがわかる．これは，外部磁場の増加に伴い，アークに作用する旋回方向のローレンツ力が増加することで，反応管内のアーク存在領域が大きくなり，側面の反応管壁に流出する熱量が増加したためである．
高速度カメラにより撮影した，ロングDCアークにおける陽極下部のプラズマジェットのスナップショットより，外部磁場の印加によってプラズマジェットが短くなることがわかる．これは，旋回方向のローレンツ力がアークに働いたことで，半径方向および旋回方向におけるアークの運動量が増加し，相対的に軸方向の運動量が低下したためである．
外部磁場印加時と未印加時のアーク電圧波形において，外部磁場未印加時では，電圧波形の形状はのこぎり型であった．この波形は，陽極点のリストライク現象に起因している．一方，外部磁場印加時においては，旋回方向のローレンツ力によって生じるアークの回転運動に伴う電圧変動が生じた．
アーク変動現象の周期性を評価するため，外部磁場印加時と未印加時のアーク電圧波形のFFT解析を行った．外部磁場を印加しない条件では，アーク変動はリストライク現象に起因する439Hzの周期的な変動であった．一方，外部磁場印加時では，20~60Hzの周期的な変動群が生じた．
このようなアーク変動がプラズマジェット変動に与える影響を評価するため，プラズマジェットをアーク領域に近い上流部，およびアークから離れた下流部に画像上分割し，それぞれの発光面積変動を解析した．プラズマジェットの上流部と下流部で440Hz程度の周期性が生じており，アーク電圧の変動周期と一致した．これは，アーク変動に起因した変動がプラズマジェットに重畳したためである．一方，プラズマジェットの下流部においては，100~300Hzの周期的な変動群が観測された．これは，プラズマジェットの下流部に限り観測されることから，プラズマジェットの周囲空気の巻き込みによる影響である．
外部磁場印加時のプラズマジェットのFFT解析結果において，プラズマジェットの上流部と下流部のどちらにも，アーク変動の周期性と一致する20~60Hzの周期的な変動群が生じた．一方，外部磁場未印加時に観測された100~300Hzの周期的な変動群が観測されなかった．これは，プラズマジェット長の減少に伴い，周囲空気の巻き込み量が減少したためである．

結言
本研究では，ロングDCアークの放電現象の解明を目的とし，ロングDCアークのエネルギーバランスの評価および変動現象の観察を行った．リング型陽極を用いることで，円柱型陽極で損失していたエネルギーの約60％を，PFC処理に利用可能なプラズマジェット流として噴出することに成功した．また，高速度カメラを用いることで，外部磁場印加時と未印加時のプラズマジェットの変動現象の観察を行った．プラズマジェットの変動はアーク変動に由来する変動であることから，外部磁場を印加しアークを制御することで，プラズマジェットの制御が可能である．以上より，リング型陽極のロングDCアークを外部磁場によって制御することで，PFCガス処理プロセスのさらなる高効率化が期待できる．


 プラズマ・核融合学会 九州支部第21回支部大会
講演奨励賞 (2018年3月)
「外部磁場印加によるロングDCアークの制御」
この度は，講演奨励賞という栄誉ある賞を頂きましたこと，大変光栄に存じます．
私がここまで励んでこられましたのも，常日頃からご指導頂きました渡辺先生をはじめとした，研究室の皆様の支えのおかげだと存じます．
この場をお借りして，お世話になりました研究室の皆様に心より御礼申し上げます．

研究論文

国際学会
  • Manabu Tanaka, Hirohiko Soeda, Takayuki Watanabe, and Koji Ohtsuki: Plasma Jet Charactersitcs in Long DC Arc with Ring-Shaped Anode, Proceedings of 14th International Conference on Fluid Dynamics (2017.11.2 Sendai International Center).
  • Manabu Tanaka, Hirohiko Soeda, Takayuki Watanabe, Koji Otsuki: Fluctuation Phenomena of Plasma jet in long DC arc System with Ring-Shaped Anode, The 7th International Conference on Microelectronics and Plasma Technology, TD3-4 (2018.7.26 Incheon, Korea).

国内学会