2016 Fiscal Year Annual Research Report
電子圧力勾配による静電加速電気推進機の推力性能向上
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16J05603
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
市原 大輔 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2018-03-31
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| Keywords | 電気推進機 / ヘリコンプラズマ / 静電加速 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，発散磁場中におけるイオン静電加速メカニズムの解明とその宇宙推進への応用を目的としている．今年度は直流放電ないし高周波放電によるプラズマ生成手法がイオン加速特性に与える影響を実験により評価した．さらに，プローブ法によるプラズマ診断実験を実施し，プラズマの生成・加速過程における一連の物理機構を調査した．
直流放電によるプラズマ生成では，リング型陽極の内面と，軸方向発散磁場との位置関係が重要である．リング型陽極の内面に沿って軸方向に作動ガスを供給することで「Hollow anode効果」が作用し電離が促進される．発散磁場終端付近においてプラズマ電位は下流の陰極電位に向かって降下し生成したイオンを静電加速する．このとき生じる電位差は別途測定したイオンビームエネルギーの値とよく一致しており，発散磁場中のイオン静電加速過程解明に成功した．なお本成果はAppl. Phys. Lett., vol. 109, 053901 (2016) にて発表した．
上記発散磁場の上流部に高周波プラズマ源を設置しプラズマの生成・加速過程を分離することで，イオン静電加速の高効率化を試みた．これまで，プラズマ源への高周波電力を変化させた場合のイオン生成・加速特性を実験により取得した．プラズマ源の作動がイオンの生成・加速特性に与える寄与は作動ガス流量に応じて異なる．小流量作動時においてはプラズマ源でのイオン生成が重要となり，供給した作動ガスの93%に相当するイオンを生成し，放電電圧の88%に相当するエネルギーまで静電加速することに成功した．一方，大流量作動時においては，プラズマ源に投入した高周波電力は2価イオン生成に消費され，静電加速への寄与は限定的であった．これらの実験を通じ，実効イオン生成コストで決定される最適高周波電力比を見出し，宇宙推進機としての推進性能最適化に向けた重要な知見を得た．
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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
高周波プラズマ源を活用したイオン加速特性の向上について，最適高周波電力比の存在を実験により実証した．取得した作動特性を深く理解するためのプラズマ診断装置及び実験技術も整備し，プラズマ物理に基づいた実験結果の解釈に役立っている．宇宙推進機に関する過去の研究においてプラズマの生成・加速過程を分離する試みは数多く実施されてきたが，プラズマ生成部への最適高周波電力比を実験により見出した例は申請者の知る限り本研究が初めてである．加えて，2価イオンを考慮した推進性能評価が重要であることも判明し，発散磁場中でのイオン静電加速特性の評価手法に関しても一定の知見を得ることができた．また，直流放電によるプラズマ生成技術に関しても「Hollow anode効果」が直流放電維持に関する重要な要素であることが明らかとなった．高周波放電と比較してより低電力にてプラズマの生成・加速が可能な直流放電作動は，発散磁場中でのイオン静電加速を活用した宇宙推進機開発において重要な要素技術である．リング陽極内部の磁場強度及びその分布がイオン加速特性に影響を及ぼすことも明らかとなっており，特にリング陽極内面付近の磁場強度を局所的に増強することでHollow anode効果が卓越し効率的なイオン加速が可能となることも分かった．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでのイオンビーム電流，ビームエネルギー計測およびプローブによるプラズマ診断結果に基づき，推力計測が可能な小型推進機を製作する．現在製作中のナイフエッジ式スラストスタンドを用いて推力の直接測定を実施し，これまでのプローブ診断に基づくプラズマ物理の解明に加え，推進機としての評価を重点的に実施する予定である．
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Research Products
(6 results)
