2016 Fiscal Year Annual Research Report
無電極スラスタ内のガス・プラズマ相互作用に伴う運動量輸送と制御
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16H04084
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 和貴 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451491)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
小室 淳史 東北大学, 工学研究科, 助教 (70733137)
安藤 晃 東北大学, 工学研究科, 教授 (90182998)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | プラズマ・核融合 / ヘリコンスラスタ / 電気推進 / プラズマガス相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度である平成28年度は，最大実効排気速度5000L/sの真空排気系と直径1m，長さ2mの真空容器を有するMega-HPT装置内部に，スラストバランスおよび最大5kW級の電力を投入可能なヘリコンプラズマスラスタを設置し，安定した動作を確認し，本研究の実験基盤を構築した．スラスタの上流域から動作ガスであるアルゴンを導入し高密度プラズマ生成をパルス動作にて行ったところ，生成部全体にガスが充満した状態である放電初期の時間帯にはスラスタ出口近傍に高密度領域が存在することが観測された．高密度プラズマ生成と同時にスラスタ出口近傍の中性粒子密度が急激に減少することが発光分光計測により明らかとなり，その後の密度ピークがスラスタ上流域へと遷移してく様子が観測された．このことから中性粒子枯渇によって中性粒子密度分布が変化し，その結果電離分布も変化することで，上記のようなプラズマ密度分布が形成されたと考えられる．また磁場配置を調整し，上流域で効率よくプラズマが生成される条件においても類似したプラズマ密度分布が得られ，スラスタ内壁へと損失する運動量を計測したところ，大きな損失が起こっていることが明らかになった．
この計測結果の妥当性を数値的に示すために，PICシミュレーションにおいて中性粒子密度分布を人工的に設定しその効果を調べた．その結果中性粒子枯渇に相当する条件において，径方向壁面への軸方向運動量損失が顕著になることが明らかになり，実験結果と定性的な一致を示した．
また，中性粒子制御の模索へ向けてガス導入を上流・下流から行いその影響を予備的に観測したところ，下流から導入した場合の方が，大きな推力が得られることが実験的に観測された．さらにはプラズマ速度場計測，運動量の局所計測へ向けた計測法の開発に関しても着手した．
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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
当初の計画通りに，最大5kWの高周波電力を投入可能なヘリコンスラスタを安定動作させ，中性粒子枯渇が起こっていることを実験的にも実証し，その際にプラズマ密度分布が劇的に変化する様子の観測に成功し，推力損失への効果に関しても議論可能な実験データの収集が順調に進んでいる．PICシミュレーションにおいても上記現象の定性的な再現が確認され，当初の計画通りに研究が着実に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降は，プラズマ速度場や局所運動量損失の計測，中性粒子枯渇による運動量損失の抑制手法の確立に向けた実験を実施する．また中性粒子分布をシミュレート可能なDSMC法とPIC法を組み合わせたPIC-DSMCシミュレーションコードを開発し，実験結果の理解と中性粒子制御の最適化に向けた研究開発を促進する．
大型実験装置Mega-HPTでの実験に加えて，計測法の開発や基礎的な実験に対しては，機動性に富んだ小型実験装置を最大限に活用して，効率の良い研究開発を推進する．
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Research Products
(29 results)
