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Clarification of ion and neutral particle behavior in RF plasma thruster depending on the neutral particle supply position

Research Project

Project/Area Number 19K14683
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
Research InstitutionChubu University

Principal Investigator

Kuwahara Daisuke  中部大学, 工学部, 講師 (60645688)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords電気推進機 / 高周波プラズマ / プラズマ工学 / レーザー誘起蛍光法 / マイクロ波干渉計 / 中性粒子 / 中性粒子供給 / 超音速ガスパフ / イオン速度分布関数 / 空間分布計測 / 速度分布関数計測 / 中性粒子分布
Outline of Research at the Start

次世代の宇宙機用推進機として開発が進められている無電極高周波プラズマスラスターの推力・燃費向上のため、近年研究が活発になっているプラズマ内部・下流からの燃料供給時における性能向上現象の解明を行う。
このため、従来のプラズマ計測で用いられてきたプラズマ流を阻害したり絶対値計測が困難なプローブ計測ではなく、非接触で中性粒子・イオンの速度分布関数が得られるレーザー誘起蛍光法と、多チャンネルマイクロ波干渉計による電子密度分布計測システムを構築する。推力を担うイオン・中性粒子の径・軸方向流束ベクトルをプラズマ生成部や発散磁場下において高時間・空間分解能で観測し、現象の機構解明と性能向上法を探求する。

Outline of Final Research Achievements

In order to improve the performance of Radio-frequency plasma thrusters, it is necessary to understand the behavior of plasma using the neutral fueling method, which has been reported to improve the thrust.
For this purpose, we have developed an experimental environment in which multiple measurements can be performed simultaneously, such as laser induced fluorescence (LIF), which can measure the velocity distribution function of ions and neutrals, and microwave interferometry, which can measure the electron density profile.
In the LIF method, the measurement sensitivity has been increased by a factor of about 10 compared to the conventional method, enabling spatial measurement by increasing the measurement speed. In the microwave measurement method, an inexpensive and easy-to-handle transmitter/receiver system has been developed, enabling simultaneous spatial measurement by multi-channel measurement.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は電気推進機の性能向上を大目的としているが、高周波プラズマに限らず多くのプラズマ応用研究においてプラズマを構成する粒子である電子、イオン、中性粒子の空間分布計測は極めて重要だが、イオン、特に中性粒子計測は困難であり、これらの計測を備えた装置は多くない。また、これらの計測器が一つの装置の一点を計測できるように整備されている例は、多くの計測器を備える大型核融合装置でも例がない。本研究ではこれらの計測器を一つの装置において、同一点で同時に計測でき、また空間分布計測が可能なものとして利用できる方法を研究したもので、他のプラズマ研究でも大いに役立つものと言える。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Electron Density Measurement Inside a Hall Thruster Using Microwave Interferometry2021

    • Author(s)
      Kuwabara Naoya、Chono Masatoshi、Yamamoto Naoji、Kuwahara Daisuke
    • Journal Title

      Journal of Propulsion and Power

      Volume: なし Issue: 3 Pages: 1-4

    • DOI

      10.2514/1.b38163

    • NAID

      120006998854

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Extremely small-diameter, high-density, radio frequency, plasma sources and central gas feeding for next-generation electrodeless plasma thrusters2020

    • Author(s)
      S. Shinohara, D. Kuwahara, Y. Ishigami, H. Horita and S. Nakanishi
    • Journal Title

      Review of Sientific Instruments

      Volume: 91 Issue: 7 Pages: 073507-073507

    • DOI

      10.1063/5.0003387

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Study of advanced gas feeding methods for radio-frequency plasma thruster2020

    • Author(s)
      D. Kuwahara, T. Furukawa, Y. Ishigami, J. Miyazawa, T. Mutoh, and S. Shinohara
    • Organizer
      4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 超音速ガスパフを利用した高周波プラズマスラスターの研究2020

    • Author(s)
      桑原大介, 服部公央亮, 石上雄一, 篠原俊二郎, 村瀬尊則, 宮澤順一, 坂本隆一, 小林進二, 竹田陽平, 吉川正志, 中嶋洋介
    • Organizer
      第37回プラズマ核融合学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Studies on Helicon Plasma Thruster and Measurement Methods2019

    • Author(s)
      D. Kuwahara, T. Furukawa, K. Amma, Y. Ishigami, H. Horita, and S. Shinohara
    • Organizer
      36th Internatinal Electric Propulsion Conference
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 桑原大介, 古川武留, 石上雄一, 宮澤順一, 篠原俊二郎2019

    • Author(s)
      高周波プラズマスラスターにおける中性粒子供給位置の検討
    • Organizer
      第36回プラズマ核融合学会年会
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2022-01-27  

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