タングステンの飛散

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12210 (2023) この記事を引用

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アーク放電中にタングステンベースの陽極から飛散する独特のメカニズムが確認されました。 飛沫は、溶融アノード表面に形成された局所的な凹部の後に伸びる液体金属柱の破壊によって発生した。 タングステンベースのアノードの添加剤に由来するセリウムイオンによって放出される青紫色のルミネッセンスが、凹部の形成前に捕らえられました。 飛散時の表面温度は添加剤の沸点を超えていた。 測定された液滴速度は、電磁力が高速射出に寄与していることを示唆しました。 エネルギー分散型分光分析マッピングでも、アーク放電後のアノードの縦断面に添加剤の残存が示されました。 これらの実験事実に基づいて、アーク放電における陽極飛散のメカニズムは、沸点以上の温度での添加剤の気泡形成、表面での気泡の破裂、マイクロプラズマジェットの発生、極性下での液柱の伸長と破断であると推定されました。電磁力とその結果としての高速液滴吐出。

放電は、電子および分子および原子のイオン化種からなる導電性ガス媒体を電流が流れるときに発生します。 このような媒体はプラズマと呼ばれます。 アーク放電は、大気圧下で陰極と陽極の間の低電圧と大電流によって引き起こされる放電の一種です。 アーク放電は非常に高い温度 (> 10,000 K) を生成する可能性があるため、アーク プラズマは高速金属切断および接合における独自の熱源として適用されています 1、2、3。 さらに、積層造形として知られる 3 次元材料製造の有望なツールとして科学的および産業界の注目を集めています 4,5。 アークプラズマは輝度が高いため、光源としても使用されます。 太陽光発電は近い将来持続可能な電力源として期待されており、太陽光の電力への変換効率の向上が大きな社会課題となっている6,7。 変換効率を正確に測定するには、太陽光と同等の発光スペクトルを持つ安定した光源が必要です。 これらの要件を満たす光源には、キセノンアークランプとメタルハライドアークランプがあります8、9、10。 最近、我々は、アークプラズマと相互作用する溶融電極表面の独特のダイナミクスを特定しました。 この論文では、これらの発見について詳しく説明します。

陰極は高温に加熱されると熱電子を放出します。 アーク電流が熱電子放出のみによって十分に供給される場合、アーク プラズマは比較的安定したままになります。 このため、陰極材料は 3000 K を超える温度でも固体または液体でなければなりません。通常の陰極材料はタングステンであり、融点と沸点が高くなります。 さらに、数重量パーセントの酸化物がドープされたタングステンは、純粋なタングステンよりも実効仕事関数が低く、熱電子放出も低くなります。 その結果、カソード温度が低下し、カソードの腐食が抑制されます11、12。 さらに、カソード内の添加剤の拡散と蒸発を考慮することにより、研究者らはカソード浸食の予測を改善しました 13,14。

アーク放電中のタングステンベースの陰極の現象はよく研究されていますが、タングステンベースの陽極の現象はほとんど説明されていません。 そのような現象の 1 つは、溶融したアノードの飛散です。 アーク電流は直流 (DC) または交流 (AC) のいずれかであるため 15、16、17、単一のタングステンベースの電極が陰極と陽極の両方になります。 しかし、タングステンベースの陽極の物理学はほとんど理解されていないため、AC アーク放電 (DC アーク放電よりも複雑) 中の電極現象は不明のままです。 特に、溶融陽極の飛散は陽極の侵食を促進し、安定したアークプラズマの形成を妨げる。 さらに、溶融金属の飛沫は汚染を引き起こし、アークランプ、材料接合、積層造形などの用途の品質を低下させます。 いくつかの研究では、DC アーク放電中に溶融陰極の一部が液滴として放出されることも報告されています 18,19。 しかし、注目すべきことに、これらの研究はアーク点火またはアーク消滅の直後に特定の条件下で実施されました18,19。 対照的に、アーク放電の連続動作中にタングステンベースのアノードからの液滴の噴出を観察しました。 この研究は、持続的な DC アーク放電中のタングステンベースのアノード表面での飛散プロセスのダイナミクスとメカニズムを明らかにします。 これらの新しい洞察は、アーク放電の科学的応用と産業的応用の両方に利益をもたらすでしょう。