時空間変動磁場下の微粒子プラズマの物理挙動解明と電磁加速型無電極推進への影響調査
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22K14027
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 14030:Applied plasma science-related
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
古川 武留 神戸大学, 研究基盤センター, 助教 (70845122)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
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| Keywords | 無電極高周波プラズマスラスタ / 回転磁場加速法 / 磁気ノズル / 微粒子プラズマ / レーザー誘起蛍光法 / 発光分光分析法 / プローブ計測 / 電気推進機 / 高周波プラズマ生成 |
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| Outline of Research at the Start |
微粒子プラズマはあらゆるプラズマ応用デバイスで発生し，宇宙航行用電気推進機もその例外ではない．帯電微粒子の時空間変動磁場下での磁化/非磁化のバランス，プラズマとの非線形な相互作用を伴う物理現象に着目し，時空間変動磁場を有する電磁加速型無電極スラスタにおける微粒子プラズマの物理的挙動を実験研究により明らかにする．そして，微粒子プラズマの安定した制御則を導出することで，帯電微粒子が提案電磁加速型無電極プラズマ推進の性能に与える影響を鑑みた，推進性能を予測可能な物理モデルを導出することを目的とする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
無電極高周波型スラスタに回転磁場（Rotating Magnetic Field: RMF）による追加加速法を適用したプラズマ推進手法を提案しており，これによる高周波型スラスタの推進性能向上を図ることを目的としている．本研究課題ではこのRMF法の加速条件最適化に加えて，微粒子プラズマの回転磁場印加における物理挙動を鑑みたRMF法によるプラズマ加速効果の評価を進めている．
昨年度に設計構築した内直径27 mmの放電管を使用した小型RMFスラスタ模擬装置にて，外部磁気ノズル，放電用ガス供給タイミング，高周波プラズマ生成効率の依存性を明らかにした．定めたプラズマ生成条件にてRMF駆動を行い，静電プローブ計測におけるプラズマパラメータ取得を進めた．別の大口径装置を用いた先行研究にてRMF加速効果が得られたRMF回転周波数条件とプラズマ生成条件を用いて，RMF印加時の電子密度，電子温度，イオンマッハ数を計測したところ，このRMF周波数条件においてもRMF磁場強度増加における電子密度とイオンマッハ数の上昇を得ており，イオン流速に依存する動圧成分の増加が顕著となった．これら結果を含めて，RMF加速法のスラスタサイズのスケーリング測とモデル化の知見を得た．
粒子プラズマ発生装置の設計とこれにかかる必要設備を明らかにすべく，微粒子プラズマに関係する文献調査及び関連学会での発表聴講をおこない，微粒子導入機構やRMFアンテナの設計を検討し，装置設計を進めた．
RMF磁場の時空間分布計測の解析から，高い径方向ローレンツ力によるプラズマ中心方向への電子輸送効果を議論した．これによりRMF印加時のプラズマ中心部の密度上昇をもたらすことが考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
RMF加速効果の装置サイズスケーリング則解明を目的に，小型RMF加速模擬装置を用いたプラズマ追加加速効果の検証をメインで進めている．先行研究で加速効果の得られたRMF周波数条件使用時には，RMF磁場強度増加におけるイオンマッハ数の上昇を小口径装置においても得られた．これをもとに，小型RMFスラスタにおける加速特性の解明も進めている．小口径であり，高い中性粒子圧力がプラズマ生成に影響を与え，かつプローブ計測が困難な領域があるため，発光分光計測によるプラズマパラメータ推定手法の導入も行っている．
RMFの時空間分布計測の解析から，磁気ノズル配位とRMF設置位置によってはRMF印加により駆動される周方向電子電流によるローレンツ力の径方向成分が軸方向成分よりも高く，この成分が磁気ノズル下のプラズマプルームにおける電子の軸中心方向への輸送をもたらし，結果として高い反磁性電子電流による加速効果を促進させる解析結果を得ている．時空間変動するRMF磁場を用いた周方向電子電流駆動によるこの副次的な電子輸送特性は，RMF加速効率にかかわるものであり，これを鑑みたプラズマ流加速評価の知見を得た．
微粒子プラズマ装置の設計を進展させた．微粒子プラズマ制御の関連研究を参考に，供給する微粒子量と高周波プラズマ放電のタイミングなどを鑑みた微粒子プラズマテスト放電装置の設計を現在進めている．また装置に必要な各装置コンポーネントと設備外部磁場用電磁石コイルは手配済みである．また，コンデンサバンクによる大電流交流電源回路装置のテストモデルを新たに構築し，RMF磁場生成に必要な動作確認を進めている．
昨年度と比較してある程度のより進展がみられたため，総合的に判断して今回は上記区分に相当すると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き小型装置における計測実験を継続し，RMF加速法の性能を予測可能な加速効果のサイズスケーリングモデル構築を進めていく．今回主に使用したRMF回転周波数および磁場強度以外のRMF加速条件での放電実験を行うとともに，パルス放電に対するRMF駆動タイミング（プラズマおよび中性粒子流のスラスタ排気方向の軸方向遷移，外部発散磁場条件など）などのプラズマ生成条件も鑑みた最適条件の導出を進める．
微粒子プラズマ源試験用の真空チェンバーのセッティングを早急に完了し，微粒子プラズマ生成とRMF駆動による放電特性の検証を進める．
作製中の大電流電源回路を用いたRMF駆動によるプラズマ加速効果を検証する．プローブ計測と分光計測によるプラズマ流計測，高速度カメラ（1台を借用予定）による微粒子挙動の画像計測（画像相関法など）を行い，時空間変化する外部磁場における帯電微粒子流の磁化/非磁化の評価やプラズマ流の詳細な時空間分布，さらにその物理的相互作用の関係を明らかにし，微粒子プラズマの無電極プラズマスラスタの適用可能性を評価していく．
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
