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低気圧空気中の放電現象に及ぼす器壁の影響
一31
低気圧空気中の発光波の進展過程とフラッシ
オーバ電圧に及ぼす器壁の影響
赤崎正則＊・金子正光＊＊・原
雅則＊＊＊
（昭和55年5月30日 受理）
Innue皿ce of a Wall on Discharge Phenomena at
low Pressure in Dry Air
：Masanori AKAZAKI， Tadamitsu KANEKO
and Masanori HARA
Gaseous discharge processes have been investigated to obtain the basic data for the
design of the high voltage equipment where the discharge is apart from the wall of the
discharge tube． In且uence of a wall on discharge process has not been investigated in
details．
The purpose of this paper is to investigate the discharge processes and to measure
the flashover voltage at different tube radius R（R＝8．3mm，18．Omm，28．Omm，75．5
mm）at Iow pressure in dry air． Luminous waves in pre−breakdown and transieht glow
phases were observed by means of a image converter camera at pressure、P＝4．OTorr．
The flashover voltage was measured by the up and down method．
The results are summarized as follows；
（1） Corona can develope as a streamer even if the corona tip attachs to the tube
wall．
（2） The Iuminous wave in transient glow phase shows a similar behavior as the
negative striation in the dc glow phase．
（3） The flashover voltage under the β一irradition is independent of the radius of
Pyrex−glass tube， whereas it depends on the irradiation intensity．
本研究では，放電確立過程に及ぼす器壁の影響を調
1． ま え が き
べる目的で，パイレックスガラス管内に針対平板電極
気体の絶縁破壊過程に関して，これまでは，多くの
を設け，管半径を系統的に変化させて放電進展過程を
場合，放電境界が放電四壁ならびに近接物体から離れ
調べるとともに破壊電圧を測定した．従来，放電過程
た条件で研究されてきた1）．ところで，各種プラズマ
が単純で，放電初期の過程が大気圧空気中のそれと似
装置では，プラズマと器壁の間における絶縁破壊現象
ていることから，4Torr付近の乾燥空気を用いて器
が問題になる場合があり，また，レーザ発振器ならび
壁の影響がない条件のもとでの放電現象がかなり調べ
に気中放電を利用した低電圧用サージアブソーバなど
られているので2）3），ここでも4Torrの空気を用い
では，器壁によって放電空間が制限されており，この
て実験を行った．
ような場合における放電確立過程に対する四壁の影響
に関する研究は少ない．
その結果，従来，カソードストリーマといわれてい
た発光波の性質および破壊電圧と，器壁の存在ならび
にβ線照射の関係が明らかになったので報告する．
＊エネルギー変換工学専攻
＊＊エネルギー変換工学専攻修士課程（現在工学部電
2． 実験装置と方法
気工学科）
＊＊＊工学部電気工学科
Fig．1は，実験装置の概要で針対平板電極系の針
一32一
総合理工学研究科報告
第2巻 第1号
昭和55年
タカメラ（1・C．C． John Hadland社製， Imacon
from ChGrged circuit
HE 700， Photocathode：S20）で，放電確立過程
Rl
4−dischGr9e tube
R2
P、M，
needle
750の測定には，ギャップを橋絡したチャンネルの
R3
LC，C
delGy
黒
equip−
CQmero
C2
Cl
c〔】merG
下灘
一引レto ＞〔］cuum
system
ment
R4
R5
を流し撮りとこま撮り法で調べた．
R6 to digitGl memory
to irnoge converter cσmerG （1．C，C，）
収縮と陰極点および陽光柱の発生から，フラッシオー
バーを確認し，30回の電圧印加による昇降法で測定し
た．なお，75。測定時の電圧印加の時間間隔は，約2
分とした．
3． 発光波の進展過程
非照射の場合，コロナ開始時刻に大きなばらつきを
CfO・5μF RI＝12・5Ω R2＝100 kΩ R3＝347Ω
伴うので，すべて，照射の条件下で放電過程を調べた
C2＝0・1μF Rぺ200Ω R5＝50Ω
が，非照射時のそれと同じものであった．
R6＝50Ω
Fig． l Schematic diagram of experimental
and measuring circuits
3．1初期過程
これまでの低気圧空気中の放電に関する研究によっ
て，正一次ストリーマは自由空間を進展するので，ス
電極に（2．6×160）μsの正インパルス電圧を印加し
トリーマ先端に作られた電子なだれ中の電子はストリ
た．針電極として，針先端を半球状にした半径0．5
ーマ幹部に流入して正イオン空間電荷を残し，この空
mmのタングステン棒を用い，平板電極には，円板
間電荷電界の働きでストリーマが進展を自続すること
の周囲を丸く仕上げた真ちゅう円板を用いた．印加電
が知られている4）．ところで，放電管が細くなって一
界と直角な方向への放電発光領域の最大広がり幅は，
次ストリーマ先端が放電管器壁に接触すると自由空間
印加電圧と放電ギャップの長さによって異なるが，50
中と同様にストリーマ状のコロナ放電が出現するかど
％フラッシオーバ電圧（750）付近の印加電圧で，ギ
うか疑問である．このことを調べるために，管半径R
ャップの長さを110mmにし，放電管（パイレック
＝8．3mmと75．5mmの放電管を用いて，放電先駆
スガラス製）には内径2R＝16！mmのものを用い，
過程を調べたのがFig．2である．図から明らかなよ
一方，放電発光領域を山顛に近づけた実験には内径
うに，放電管が細い場合（Fig．2（a））も太い場合
2R＝16．6，18．0，28．Ommの管を用いた．さらに，
（同工（b））と同じような進展過程を示している．大
器壁の影響を顕著にさせるたあに，2R＝16．6mmの
気圧空気中では，絶縁物表面上での正コロナ放電は，
管の場合は，ギャッフ。の長さを204mmとして実験
気中におけると同様にストリーマ状になり得ることが
を行った．供試気体は，実験室空気で，放電管を約
10−2Torrまで排気した後，4Torrまでシリカゲ
ルを通して封入した，初期電子供給源にはβ線源
（Srgo：80μα）を用いた．
2R
tube
needl
COS
遜
plane
NG七’
電圧，電流および光波形の測定は，ディジタルメモ
VG＝1・96 kV
R＝8，3 mm
（α）
リー（四通，DM−902，書き込み速度：！0 ns／word∼
0．5s／word）を使用した．光電子増倍管（P． M．）
〔RCA社製，1P21，螢三面感度S−4〕の観測位置は，
放電軸上における針先からの距離x〔mm〕で示し
（b）
た．放電過程は，放電確立過程が時間的に最もゆっく
り進行する75。に近い電圧と，過電圧を印加して調
べた．また，放電の観測には，静止カメラで放電の最
〇
5
一州レt （PS）
Fig．2 Streak photographs of pre−break−
大空間発光分布を，イメージインテンシファイア（L
down phenomena at pressure P＝
4．OTorr：（a）、R＝8．3mm，（b）R＝
I．日立暗視スコーフ。，HS 690）付イメージコンバー
75．5mm
一33一
低気圧空気中の放電現象に及ぼす酒粕の影響
知られている．一方，低気圧の場合は，一次ストリー
t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8
2R t1
→H ドト
マの進展過程に対する不馴の影響は少ないが，一次ス
申AG
トリーマの開始に対する器壁の影響は著しい．たとえ
、
ば，非照射の状態で，管径が大きい場合は，コロナ開
しW
〆
始電圧のばらつきは比較的小さいが，管径が小さくな
ると，コロナ開始電圧は照射したときよりも数十％上
昇する．これは，管径が小さい場合には針電極近傍に
初期電子が存在する確率が小さいためと考えられる．
このことは，β線で針電極を照射したとき，コロナ開
始電圧が管径の大きいときの値に近くなることからも
4−NG
VG＝ユ．83 kV
f
I冨0，06 A／div
v
SW翼20
μS／d1V
P＝410 Torr
0
R＝8、3 mm
全
G＝ユユ0 ㎜
確かめられた．
tl∼t8：18μS
】二
Fig．2より，一次ストリーマ（FCS）以後の放電
〇
過程も管径の相違による違いは少ないことがわかる．
（C）
（G）
すなわち，一次ストリーマが平板に到達すると直ちに
平板上の強い発光に対応する負グロー（NG）が形成
tl
t2
t3
t4
t5
t6
t7
されると共に，平板から針に向かう電離電圧波（IW）
が励起される．IWは，約109 cm／sの進展速度を持
ち，これかギャップ中央付近に達すると，針に向かう．
陽極向けストリーマ（ADS）と平板に向かう陰極向け
ストリーマ（CDS）に転換し，それらは，両電極に向
t1
かって進展しつつ途中で衰退する．ADSの後は，拡
散発光波（DLW）となり，これがギャップ全体を覆
VG＝工・79 kV
1igh
I＝0，024A／div
十
Sw＝20
うようになる。Fig．2では， R＝8．3mmの場合の
μS／div
P＝4．O Torr
十
が大きくなっている．また，75。の電圧を印加して，一
1
R＝75，5 mm
方が過電圧率が大きいので一次ストリーマの進展速度
次ストリーマの平均進展速度をRの関数として調べる
G＝110 mm
x＝55 mm
tユ∼t7116りS
0
（C）
といずれの場合も106cm／secの程度であるが， Rが
小さくなると平均進展速度が小さくなる傾向がある．
t7
（b）
Fig．3 Luminous waves in the transient
glow phase for different discharge
3．2 過渡グロー相の発光過程
tubes：（a）R−8．3mm，（A）static
DLWが，ギャッフ。全体を覆うようになると，陰極
photograph， （B）framing photogr−
aphs（exposure time：400 ns），（C）
voltage−current photograph ； （b）
R＝75．5mm，（A）static photograph，
（B）framing photographs（exposure
time：400 ns）， （C）light−current
上部のファラデー暗部（FDS）が明瞭になり，グロー
相になる．このグロー相には，Fig．3のように，発
光波（LW）を含む場合とFig．4のように含まない
場合がある．管径が大きい場合は，印加電圧を上昇す
photograph
ると過渡グロー相の電流が増加するが，放電発光領域
も広くなって放電路の電流密度はほぼ一定に保たれ
計的変動にもとづいて），放電電流を増すと，電流密
る．このような場合は，Fig．3のように過渡グロー
度は上昇する．このような場合にはFig．4の形式の
相に明瞭な発光波（LW）が認められ，ギャップ中に
過渡グローに，電流密度が小さい場合はFig．3（a）
存在するLWの個数は常に1個で，次のLWは前の
のようなしWを含む過渡グローになりやすい．また，
LWが針から伸びた拡散発光波（DPC）に接触したと
管径が小さい場合は，LWがギャップ中に2個以上存
きに平板上の負グロー（NG）で励起される．これに
在し得るようになる．LWの進展速度は，約3×105
対して，管径が小さい場合は，放電路の断面が放電管
cm／secであり， LWは，放電電流にリップルを伴
で制限されるので（印加電圧の上昇ならびに放電の統
う．
34
総合理工学研究科報告
第2巻 第1号
昭和55年
と管半径Rの間には
2R1
needle
λ＝島Rη1．ト々2Rη2
P．岡，
（！）
の関係があることが理論的に求められる．ただし，定
G
Plone
数々1，々2，η1，η2は，ガスのプラズマパラメータに
100
（PS）
0
一一 撃
よって決まる．実験的には，
V（】＝1．87 kV
（G）
λ＝んRπ
（2）
I＝0，12 A／div
0−
Sw＝20
light
↓
↑
μs／div
の形に近似できることが確かめられている6）．他のガ
p＝4．O Torr
R冨8．3 mm
ス中でもこのような関係があることは理論的に推論で
G＝llO ㎜
x＝0 ㎜
きるが，インパルス放電における過渡グロー相中の
10＿
LWについて，λとRの関係を調べるとFig．6の
（b）
Fig．4 Non luminous waves in the trans−
ient glow phase：（a）streak pho−
tograph， （b） light−current photo−
（mm）
ユ00
graph（discharge tube， R＝8．3mm）
LWのふるまいを詳細に調べるたあに， R＝8．3mm
でギャップの長さを204mmにして，過渡グロー相
のこま撮り写真を撮ったのが，Fig．5である．ギャ
50
盆
ップ中には数個のLWが平板から針に向かって進展
石
している．この様子は，従来知られている負の移動
届
毎
さ
縞5）と類似している．
ヨ20
ところで，Neガス中の移動縞の場合，発光波長λ
2R
ユ0
8 10
need
tユ
t2
t3
t珂
t5
t6
t7
t8
20
50
80
rGdius of the dischGr9e tube、 R
（mm）
Fig．6 The wavelength of luminous wave
as a function of the radius of the
discharge tube R in the transient
glow process
Gp．凹，
154
垂撃盾獅?
@
ようになる．同図で，R＞28．Ommの場合は，ギャ
、
7
（
（G）
tl
t8
0−
light
ップ中に，LWが1個存在したので，図には，λが，
VG＝5．83 kV
I＝0、12 A／div
ギャッフ。の長さの110mmより大きいとして記入し
SW＝20
た．図から明らかなように，Rが小さい領域では
寺
十
1
0一
（b）
Fig．5
Luminous waves
りs／dlv
p＝410 Torr
R＝8．3．mm
G＝204 mm
X＝104 ㎜’
t1∼t8：18μs
in the transient
glow at gap length
G＝204mm：
（a）framing photographs（exposure
time：400 ns）， （b）light−current
photograph（discharge tube， R＝8．3
mm）
（2）式のような特性となり，Rが大きい場合は，ギャ
ップ長Gが
λ〉σ
（3）
の領域にあって，LWがギャップ中に1個しか存在し
得なかったことを図は示している。すなわち，過渡グ
ロー相中のLWは，（i）電流密度が大きい場合は発
生せず，（ii）放電径が管に制限されるときは，波長
λと管半径Rの間に（2）式の関係が認められる．こ
一35一
低気圧空気中の放電現象に及ぼす四壁の影響
れらの結果から，LWは，直流グロー放電中の負の移
irrGd1GtiOn
（kV）
動縞と同じ性質の電離波であることが推論される．
O： R＝ 8．3 mm
5，0
x： R＝1800 mm
△l R冒75，5 mm
4．フラッシオーバ特性
非照射の状態下で，数時間以上放電を休止した放電
管に電圧を印加すると，管径が小さいときは，フラッ
シオーバ電圧は比較的低く，2分間隔で電圧印加して
置3・o
§
ぼ一定の値に落ち付く．しかし，この場合の放電のば
お2．0
き
らつきは，非常に大きい．これに対して，管径が大き
務
三
くなると，この不整現象ならびに放電のばらつきは，・
苔
次第に小さくなる．照射を行った場合は，不整現象は
認められず，フラッシオーバ電圧のばらつきも小さ
重・R＝813mm
蓋
50％フラッシオーバ電圧を測定すると最初フラッシ
オーバ電圧の上昇が認められるが，数回の放電で，ほ
non−irrGdiGtiOn
∈R4’0
帰1，0
m
0
0，5
い．Fig．7は，初期不整現象が現われた以後の放電
に対するフラッシオーバ電圧のばらつき範囲で，30回
1
5
10
PreSSUre、 P
Fig．8
の昇降法でγ50を求めたときの最小フラッシオーバ
（TOrr）
The 50％flashover voltage 750’as
afunction of the pressure at va−
rious tube radius R （gap Iength＝
電圧と最大非フラッシオーバ電圧の範囲を示してい
110mm）
る．照射によって放電のばらつきが小さくなることが
mmの非照射の75。にほぼ等しい．放電管が細くな
よくわかる．
ると，非照射の場合，照射の場合と比較して，750は
Φ LO
む
P＝4丁orr
。（kV）
＝
Cレー■《） non−irrodiGtion
雲
H
お
irrGdiotion
乙
低いPで著しく上昇する．
照射条件によって，このようにフラッシオーバ電圧
が変動する理由は，次のように考えられる．3章でも
述べたように，ひとたび放電が生じれば，同じ電圧条
看
件（コロナ開始時の電圧の時間的変化の状況が同じ場
≡
合）では，照射に無関係に放電過程はほぼ同じであ
霊 0。5・
る．従って，照射は，放電確立過程にはほとんど影響
剃
ち
を与えていないが，一次ストリーマの開始には著しく
ε
影響を与えており，これが，75。の変動に関係してい
窃
さ
るものと考えられる．
島
モ
聲
桐
5． む
0
0
50
80
rGdlus of『the d！schorge tube， R（㎜）
Fig．7 The dispersion of the flashover
voltage as a function of the radius
of the discharge tube R at different
irradiation
Fig．8は，各種管半径Rの放電管中における50
す
び
低気圧空気中の放電過程とフラッシオーバ電圧に及
ぼす器壁の影響を調べる目的で，針対平板ギャップの
容器であるパイレックスガラス管の管半径Rを8．3
∼75．5mmの間で変化させて実験を行った．その結
果，次のことが明らかになった．
（1）放電先駆過程は，管半径にほとんど影響され
ないが，ひとたび一次ストリーマが進展を開始する
％フラッシオーバ電圧（750）を気圧（P）の関数とし
と，その進展速度は管半径が小さくなると遅くなる傾
て示したものである．照射時の750−P特性は，．Rに
向がある．しかし，一次ストリーマの開始電圧と電圧
無関係にほぼ一本の曲線になり，この値は，R＝75・5
印加から開始までの時間は，管半径に著しく影響され
一36一
総合理工学研究科報告
昭和55年
第2巻 第1号
るが，初期電子供給源としてβ線照射を行なうと管
力された堺 厳裕，奥住信之の両技官ならびに，実験
半径の影響は小さくなる．
に協力された本学卒業研究生，吉松隆利（現，川崎製
（2）過渡グロー相中の発光波（LW）の特性は，
管半径の影響を受け，発光波の波長λと管半径Rの間
鉄），東正弘（現，三菱電機）の両君に謝意を表す
る．
には，従来，認められている負の移動縞と同様な関係
参 考 文 献
が認められ，Rが大きい場合は，λが大きくなるの
で，ギャップ中に1個しか発光波が認められない，
1） 赤崎：‘‘気中放電の最近の研究，，，応用物理，
40，1123（昭46）．
（3）50％フラッシオーバ電圧（75。）対気圧（P）
の特性は，管半径と照射の強さに影響される．非照射
の条件下では，管半径が小さくなるとF5。が著しく
上昇し，電圧のぱらつきも大きくなる．一方，照射の
条件下では，75。は，管半径にほとんど無関係とな
る．ゆえに，フラッシオーバ電圧に及ぼす器壁の影響
は，放電管中に存在する初期電子数に依存する．
本研究を行なうに当たり，有益な検討，助言をいた
だいた福岡大学西嶋喜代人講師，実験装置の製作に協
2） 原・蟄田・大重：電気学会雑誌，94−A， 197
（昭49），
3） 賛田・大坪・大重：同上，53−A，257（昭53−
5）．
4）
原・飯盛・大重：同上，93−A，261（昭48）．
5）
電気学会：放電ハンドブック，P．124，電気学
会（昭50）．
6） T．Kenlo and Y． Hatta：J． Phys． Soc．
Japan，19， 2313 （1964）．