「真空中における放電制御のための高度計測・シミュレーション技術」調査専門委員会
第三回委員会議事録

開催日：平成１６年１０月２３日 １３：３０－１７：００
会

場：日本交通協会 特別会議室＜委員長＞山本（修） ＜委員＞金子、小林、佐々木、佐藤、菅原、田中、鶴田、藤井、堀田、松井、柳父、湯本、渡辺 ＜幹事＞齊藤

＜幹事補＞山納 （敬称省略）＜配布資料＞
VMS-3-1 第二回委員会議事録（案）VMS-3-2 研究紹介「紫外線レーザトリガ真空ギャップスイッチにおけるターゲット電極材料の影響」，「２つの真空トリガギャップを利用したクローバ電流の発生」
VMS-3-3 文献調査票：清水，森下他：「セシウム添加型負イオン源におけるプラズマ電極材質の違いが負イオン生成に与える影響」，JAERI-Tech, 2003-006, 2003年3月
VMS-3-4 文献調査票 S.G.Wang, I.G.Brown: “Unipolar arc simulation device”, Review of Scientific
Instrument, Vol.70, No.9, 3583-3585(1999)
VMS-3-5 文献調査票 E.Oks, I.Brown: “Emerging Application of Vacuum Arc-Produced Plasma, Ionand Electron Beams”, Edited by Efilm Oks and Ian Brown, Nato Science Series
VMS-3-6 文献調査票：山納他：「真空中における沿面放電前後の絶縁物上の帯電測定」，2004年電気学会基礎・材料・共通部門大会，p.445
VMS-3-7 文献調査票：K.Usui, Y.Taniguchi, H.Okubo: “Influence of Alumina Characteristics on
Charging Mechanism in Vacuum”, Proc. of XXIth ISDEIV pp.114-117 (2004)
VMS-3-8 ISDEIV 2004 参加国・参加件数調査
VMS-3-9 Yalta のPICS meeting において説明したプログラムトピックス
VMS-3-10 Preliminary Announcement, Call for Papers XXIInd ISDEIV
VMS-3-11 文献調査票：清野：「ナノメートル領域の計測」，電気評論，2004, Vol.10 pp.15- 22＜議事＞
１．第二回委員会議事録（案）について（山本（修）委員長）VMS-3-1
第二回の議事録（案）が承認された。

２．研究紹介（新潟大学 菅原委員）VMS-3-2
概要：「紫外線レーザトリガ真空ギャップスイッチにおけるターゲット電極材料の影響」
パルス大電流投入用スイッチである紫外線レーザ真空トリガギャップ(ULTVG)の Cu 主電極の陰極にAl，Ag または Ti のターゲット電極を設け，ギャップ長 1.6mm，印加電圧約 1～20kV 範囲において,その始動特性（始動時間と動作確率）を測定した。
ULTVG の始動特性は電極材料の影響を強く受ける。Cu 電極と Al 電極を比較すると，ギャップ長1.6mm において,始動時間は同程度であるが,絶縁破壊電圧が Cu:20.7kV,Al:10.7kV であるので，Cu 電極
ULTVG は高電圧領域で,Al 電極 ULTVG は低電圧領域の使用に適することになる。そこで,Cu 電極

ULTVG をより低い電圧でも使用できるようにすることを目的に,ターゲット電極を設けた。
主電極間にあらかじめ電圧を印加し，陰極側ターゲット電極に垂直方向からパルスレーザ（波長355nm，エネルギー密度 4×10７W/cm2）を照射する。レーザ光でターゲット電極材料がアブレーションにより蒸発し，光電離と陰極からの光電子放出によりプラズマが形成され，主電極間で放電する。レー
ザが照射されてから放電が開始するまでの始動時間および印加電圧に対する動作確率が測定された。
結果として,ターゲット電極のあるULTVGの始動時間は,印加電圧15kVで325ns,Cu電極ULTVGと同程度であるが,動作電圧範囲が広がることを明らかにした。

概要：「２つの真空トリガギャップを利用したクローバ電流の発生」
クローバは，容量性電源から誘導性負荷に準定常的な直流電流を流すためのパルス成形技術で，ロングパルス電流源や，大きな振動電流を流さないための保護回路として使用されている。
真空トリガギャップ(TVG)において，各電極に印加する電圧の極性の違いにより，始動特性は影響を受ける。これは，極性効果と呼ばれる。本研究では，TVG の極性効果を利用し，２つの TVG を電極極性が互いに逆になるように並列接続し，同時トリガすることで，準直流的な電流が得られることを見出した。しかし，この回路は実験条件，すなわち，トリガ電流継続時間，ギャップ長により，クローバ電流の発生確率が大きく依存していることがわかった。そこで，本回路において，良好にクローバ電流を発生させる条件の一部を実験的に明らかにした。
その結果，トリガ電流継続時間6.65μs，ギャップ長2～6mmの条件下で，クローバ電流発生確率90%以上を得た。クローバ電流の例としては，波高値2.4kA， 4.9／270µsの波形を得た。
[質疑]（紫外線レーザトリガ真空ギャップスイッチにおけるターゲット電極材料の影響）
質問： レーザの集光は行っているのか？
回答： 現段階では行っていない。今後，行う予定。
意見： ターゲット電極の損傷は？
回答： 見た目で少しわかる程度にくぼみができる。
質問： 多光子吸収は発生しているのか？
回答： 本研究のレーザパワー（エネルギー密度4×10７W/cm2）ならば多光子吸収の発生範囲である。
質問： 銀の場合は光のエネルギーよりも仕事関数が大きいので光電子放出が起こりにくいのでは？
回答： 電界を印加しているので，ショットキー効果により仕事関数が低くなっていると考えられる。
質問： パルスの繰り返しでエージング効果があるのか？
回答：

40回ほど自爆放電させてコンディショニングさせている。その後試験を実施している。1つのデータに対し10回の試行を3セット行う。また，1ショット毎の実験間隔は20秒なので，エージング効果や，コンディショニング効果が影響しないようにしている。
質問： ベーキングを行った場合，吸蔵ガスがなくなることでレーザトリガの特性が変化するのでは？
回答： 現在のところ，ベーキングは行っていないので不明。
意見：

Tiは酸化膜が薄いため，吸蔵ガスは関係していないと考えられる。熱伝導率が悪いためでは。

質問： トリガギャップの極性効果は？カソードにトリガーをかけた場合のメカニズムは？
回答： 本研究では，レーザを陰極に照射することで，光電効果による電子放出を想定している。陽極にレーザを照射した場合は，自爆電圧付近まで絶縁破壊が起こらないことからも，極性効果は重要である。
意見： 始動時間0.4µsは何できまるか。
回答： ギャップ長によって決まる。

質問： 紫外線を導入する窓は？もう少しエネルギーの高い紫外線を透過してみたら。
回答： 紫外線透過UV grade Fused Silicaガラスを使用し，波長355nmに対し９９％の透過率である。本研究で用いるレーザは，結晶を追加することで4倍高調波まで得ることができる。しかしながら，この場合レーザ出力は低下する。本実験では，レーザ出力と波長との兼ね合いで３倍高調波を用いている。
質問：３倍高調波以外に２倍高調波を用いる予定は？
回答：現時点では考えていない。Nd:YAGレーザから高調波を取り出すことは比較的新しい技術であり，紫外線となる波長355nmの３倍高調波を用いている。2倍高調波では，レーザ出力は強くなるが，光子エネルギーは低下するため，アブレーション量は増大するが光電子放出は少なくなるものと考えられる。本研究は，赤外線大出力レーザと対照的にアブレーションによる電極消耗を少なくすることも課題の1つと考えている。
質問：回路インダクタンス3µHはどこのインダクタンスか
回答：コイルは用いていないため，回路全体のインダクタンスである。コンデンサの静電容量と振動周期から求めている。
質問：インダクタンスが変わるとどの程度影響があるのか？
回答： インダクタンスの効果は従来のTVGにおいても確認されている。インダクタンスの増大によってプラズマの成長が遅れると考えている。
意見：電極の面積，即ち電極の浮遊容量も影響があると思われる。
質問： ULTGVは，カソードスポットの状態に依存するのではないか？
回答：カソードスポットよりは，プラズマ形成が主体的であると思われる。理由として，従来の電気的トリガと違いトリガ放電による陰極点の形成は起こらないため，アブレーションによりプラズマが生成され，主電極間の放電チャネルが形成されるものと考える。放電チャネルの形成と持続には陰極点は重要な働きをするが，放電初期のプラズマ生成と成長から放電チャネルの形成へと移行していくものと考えられる。
その後，カソードスポットへと成長するのではないかと考えているが，詳しいことはわかっていない。
[質疑]（２つの真空トリガギャップを利用したクローバ電流の発生）
質問：カソードスポットの発生よりは，プラズマ形成が主体にきいていると思われるが?
回答：従来型の電気的トリガによるTVGは，有孔電極とトリガ電極の間で初期放電を起こす。この際，有孔電極側の主電極が陰極でトリガ電極が正極性の場合，トリガ放電で有孔電極上に形成されたカソードスポットがそのまま主放電のカソードスポットとなるため，始動時間が速くなる。逆に，有孔電極が陽極の場合，トリガ放電によるカソードスポットは主放電のカソードスポットとならないため，始動時間が遅くなるものと考える。これがTVGの極性効果の理由と考えられ，本研究ではこの始動時間差を利用している。
質問：同時トリガでは，TGV1とTGV2が同時に動作してしまうのでは？
回答：同時トリガすることで，2つのTVGの始動時間に対し，自動的に時間遅れが生じる。まったく同時に発生すると失敗波形になってしまう。
質問：クローバ回路は何に利用されるのか。
回答：一般的に保護回路に使われる。レールガンにも利用できると考えられる。JAXAでの実験では，気中ギャップを用いており，騒音がひどい。本手法を用いればそれが改善される。トリガ電流を制御することでクローバ電流をパルス形成できるのではないかと考えている。パルス形成により，繰り返し回数の増加や，遮断時のコンデンサ充電電圧極性を正極性にすることで，充電エネルギーの効率化ができるのではないかと検討している。

質問：クローバをかけるタイミングについて？
回答：クローバスイッチの投入時刻は，LC放電周期の1/4の時刻になる。
質問：クローバの動作原理として，Rにかかる電圧でトリガとなるのか？
回答：実際，Rにかかる電圧で起こっていると考えられる。クローバスイッチは印加電圧が低い常態で動作を要求されるため，TVGをクローバスイッチに適用することは困難である。このため，電極間距離，トリガ電流，回路インダクタンス，主コンデンサ充電電圧などの回路条件の範囲が狭い。逆に必要な電流や電圧の条件が決まれば，これに合うように回路条件を設計することで必要なクローバ電流が得られる。

３．次回の研究紹介次回は、三菱電機 佐藤氏にお願いすることになった。

４．調査報告・文献紹介（渡辺委員）VMS-3-3
光電子電流は Fowler の式で示される。この関係を用いてセシウム添加型負イオン源内のプラズマ電極の仕事関数を測定した。その結果、負イオン生成効率は、プラズマ電極の仕事関数のみに依存することが明らかになった。実験した材質では金電極とセシウムの組み合わせの時に仕事関数が 1.42eV に下がり，負イオン生成も 20.7mA/kW と従来電極より 30％高くなった。また、セシウムとタングステンの同時堆積ではさらに高い負イオン生成効率 24.6mA/kW を得た。
質問：仕事関数によって負イオン生成量が変化する。このことは仕事関数の低下と理論的に一致するのか？
回答：ほぼ傾向は一致するが、厳密に一致させるまでの精度は無い。理論値は、表面の酸化膜や汚損などが全くない理想的条件での値である。その値を、イオン源の動作環境下での測定である本実験で検証するのは難しい。
質問：セシウムをどのようにして金属表面に蒸着するのか
回答：セシウムオーブンをイオン源チャンバに設置しておき，その温度を上昇させ，セシウムを蒸発させてイオン源内に導入する。導入されたセシウムは、イオン源の運転によって、イオン源内で蒸発し、全体に拡散する。そして、プラズマ電極面にも堆積する。堆積しただけでは不十分で、プラズマ電極の温度を高めて仕事関数が低下するセシウム蒸着密度（モノレイヤーからハーフモノレイヤー程度）に調整している。電極温度は２５０℃から３００℃程度が良い。
質問：図4.8はチャンバ内にプラズマが存在するのか？
回答：最初にプラズマを生成させておき，その後，プラズマを停止して直後にレーザを照射し、電子放出電流を測定し仕事関数を求めている。
コメント：高仕事関数の物質に低仕事関数の物質を付けると表面にﾀﾞｲﾎﾟｰﾙができ，仕事関数が下がる。
コメントへの質問等：その通りで、セシウムによる仕事関数低下は電極の材質として仕事関数の高いタングステンなどが良いとされている。実験でもタングステンとセシウムの同時堆積は負イオン生成効率も高いことを確認した。将来はイオン源のメンテナンスの観点からセシウムを使わずにもっと仕事関数を下げることが出来る材料が必要。このような材料が有ればご教示頂きたい。
回答：原子スケールで高温条件ではジルコニアタングステンなどは安定して仕事関数が下がる。しかしながら，その構造が不明である。電極を作る程の大面積板が作れるか疑問。
質問：2.1式のファウラーの式で表面ポテンシャル障壁とは？
回答：実効的な仕事関数に相当するものでプラズマとは関係しない。実際の仕事関数測定では、照射レーザの波長を変えて光電子電流を測定し、その値にフィッティングを掛けて光電子電流ゼロの点を仕事関数として求めている。

５．調査報告・文献紹介（渡辺委員）VMS-3-4
ユニポーラアークを実験的に模擬できる装置についての論文である。ユニポーラアークは真空中での放電プラズマと壁間のポテンシャル差で発生する放電で、真空容器壁が損傷を受ける。装置は、プライマリーアーク放電電極とそこからのアークプラズマが届く領域に設けたセカンダリー放電電極で構成されている。ユニポーラアークが一旦点灯すれば、そこのカソードスポットの振る舞いは、通常のアーク放電のそれと殆ど変わらない。電極損傷の様子について材料を変えて容易に調べることが可能。核融合炉内で発生するユニポーラアークによる損傷などを実験チャンバで容易に模擬する装置。
質問：プラズマ空間と電極が放電しているのか
回答：ユニポーラアークは壁とプラズマの間での放電である。壁に面するプラズマのポテンシャルが局所的に変化し、シースを破壊するだけ電界が発生して放電する。さらにプラズマ中でもポテンシャルが異なるところで電界が出来て、放電経路が壁に戻るように形成される。（技術報告第５８６の解説参考）
質問：金属容器が陰極になるのか？
回答：原則としてはプラズマ自体と電極との放電であり，容器壁が陰極となる。ただし、放電経路はプラズマを介して容器に戻る。ユニポーラアークにおいても陰極点が発生して、容器壁に放電痕跡ができ、損傷がもたらされる。
質問：この装置で極性を変えても放電は発生しているのか
回答：おそらく放電していると考えられる。
質問：プラズマの損傷が少ない材料を調べることは可能か？
回答：材料を取り替えていろいろなものについての損傷の度合いを調べるのが本装置の目的であり、そのための装置なので可能である。
質問：放電が発生しているところまで磁場は影響しているのか？
回答：セカンダリーアークには影響していないと思われる。プライマリーアークの金属プラズマをセカンダリーアーク放電領域に効率的に導くために磁場を用いているものと思われ、セカンダリーアーク自体には影響は無いと思われる。

６．調査報告・文献紹介（鶴田委員）VMS-3-6
Nato Science Series の本の紹介。参加者は、”Nato”関係および”Nato Partner countries”としてロシア，ウクライナが参加している。本ワークショップには，イオン関連，イオン源，電子ビーム関連の研究者が参加している。
質問：第何回か？
回答：不明
質問：軍事関連か？
回答：そのようなことはない。
７．ISDEIV 2004 参加国・参加件数調査（佐藤委員）VMS-3-8
今年 9 月にウクライナで開催された ISDEIV2004 への国別参加件数と実参加者数を調査した。
その結果、予稿集掲載論文数 163 件、実際の発表件数 120 件、実参加者数は曜日で異なるが最大 120 人程度だった。

質問：実参加比率とは？
回答：論文数に対するポスター発表した件数である。
質問：真空遮断器に関する論文は中国が多い。これはメーカーか大学か。Space Applicationの論文数は？
回答：ほとんどが大学である。Space Applicationは無かった。
コメント：LOCの発表では，参加者はウクライナ以外150名，ウクライナ25名，現地協力企業（タブリダ）20名の合計195名である。
コメント：ヨーロッパの参加者が例年と比べて少ない。

８．電気学会活動・国際会議予定など（山本（修）委員長）
以下の関係学会の開催情報が照会された。
・IWHV2004，A部門大会，GD2004 ，ISDEIV2004は終了。
・ACED2004（11月19－22日、Shenzen、中国）
・平成17年電気学会全国大会（シンポジウム，3月17日午前，本委員会からはFEDを予定，徳島）
・9th Spacecraft Charging Technology Conference(開催日05/4/4～8，Abst.締め切り：本年11/30，筑波)・ISH2005（2005年8月25日－29日北京。アブストラクト締め切りは12月31日
http://ish2005.tsinghua.edu.cn/）
・放電研究会（テーマ：真空放電，放電新応用，放電一般，H17,6月会告提出，H17,8月会告掲載，9月申し込み〆切，10,11月開催案内掲載，11月原稿〆切，12月研究会，関西地域）
・A部門特集号（2005年8月原稿〆切，2006年8月発行予定）
・GD2006（2006年9月第一週、西安、準備中）
・ISDEIV2006（2006年9月第四週、松江、準備中，Web page: { http://isdeiv.eee.u-ryukyu.ac.jp} 10月末公開予定 ）９．Yalta のPICS meeting において説明したプログラムトピックス（小林委員）
次回ISDEIVのプログラムトピックスが紹介された。トピックは，大項目で分類し，その中に小項目で詳細を入れる形式にする方針である。PISCから次回の会議において新たに設けるトピックが提案されていることも紹介された。
コメント：最近のISDEIVでは真空遮断器の研究に傾倒している感じがあるので，次回会議では幅広い分野から投稿できるようにした方がよい。
１０．VMS-３-10 Call for Paper XXIIth ISDEIV
次回のISDEIVのPreliminary Announcement が紹介された。現時点では，開催日程は記載なし。会議
会場：Matsue Terrsa。詳細は，http://isdeiv.ees.u-ryukyu.ac.jpで紹介の予定。Web掲載は開催日程が決定しだい公開予定である。
・IEEE DEI, Plasma Sci.以外に真空にも論文掲載予定。
１１．本委員会の英文名について
本委員会の英文名として以下のA案～C案が提案されていることが紹介された。
Investigation Committee for Measurement and Simulation Technologies
A Applied to Control Discharges in VacuumB Applied for Controlling Discharges in Vacuum
C for Controlling Discharges in Vacuum
現在，放電技術委員会に提案中。

１２．第757号電気学会技術報告について（小林委員）
電気学会で販売中の前々委員会の第757号技術報告書の残部が廃棄される予定であることが紹介された。
委員各位は，技術報告書を1部以上購入してほしい旨が述べられた。

１３．次回の委員会について（山本（修））
次回の委員会は１２月初旬から中旬に東京にて行う予定。日程の希望があれば知らせてほしい。