2018 Fiscal Year Annual Research Report
地球惑星超高層大気の中性粒子分布・力学機構の実証解明を実現する直接観測の基盤構築
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17H01164
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
齋藤 義文 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (30260011)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笠原 慧 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00550500)
横田 勝一郎 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (40435798)
平原 聖文 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (50242102)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 質量分析器 / 人工飛翔体 / 中性粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は将来の地球の電離圏・磁気圏観測や他天体の周回観測及び他天体への着陸探査を含めた惑星探査に向けた、4種類の人工飛翔体搭載用中性粒子質量分析器を開発することである。「マルチターンTOF型質量分析器」については平成29年度に引き続き宇宙機搭載用パルス高圧電源の開発を行った。その結果、宇宙用TOF型質量分析計に必要な、昇圧レベル1kV・消費電力2W未満・立ち上がり時間50ナノ秒で昇圧後の平坦さ10%以内を実現したパルス高圧電源基板を試作することができた。「多反射リフレクトロン型質量分析器」については、平成29年度に行った設計・検討結果を基に詳細設計を行った上で試験モデルの試作を行うことができた他、平成29年度に完了できなかった1回反射型リフレクトロンの実験室モデルの改良と測定装置の改良を行った。所期の質量分解能200には到達しなかったものの「多反射リフレクトロン型質量分析器」の詳細設計に反映すべき設計指針を得ることができた。「四重極型質量分析器」については、平成29年度に開始した、4つの質量分析器に共通の開発項目である中性粒子の電離機構部の開発を進め、酸化バリウムを多孔質タングステンに含浸させたカソード，および酸化イットリウムをイリジウムにコーティングしたカソードの性能試験・耐久試験を実施することで、搭載可能なレベルの電離機構部の設計を行うことができた。「2次元速度計測用ベネット型中性粒子分析器」については、試作モデルに関して昨年度に行った雑音除去の為の電極構造を設置するための内部電極構造の再確認を行ったのに加えて速度分布関数を取得出来る様に、2次元位置検出器の較正実験を行った。また、粒子ビームの2次元空間プロファイル取得システムを完成させた他、粒子ビームラインのモニターシステムを開発し、中性粒子分析器開発に必要な粒子ビームラインの特性取得を可能にした。
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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
申請時の計画では平成３０年度までに、複数の質量分析器に共通に必要となる「中性粒子の電離機構部」「宇宙機搭載用パルス高圧電源の開発」を行い、「マルチターンTOF型質量分析器」については宇宙機搭載可能な分析器制御部の開発、「多反射リフレクトロン型質量分析器」については試験モデルの試作とレーザーによる固体物質の気化を行う部分の設計・試作、「四重極型質量分析器」については、搭載用四重極質量分析器の設計、「2次元速度計測用ベネット型中性粒子分析器」については、二酸化炭素・アルゴンに対する質量弁別能力の確認と改良を行う予定であった。「中性粒子の電離機構部」については、搭載可能なレベルの電離機構部の設計を行うことができた他、「宇宙機搭載用パルス高圧電源の開発」については、もう少し性能を上げる必要があるものの、宇宙機搭載可能な部品を用いた電源の試験モデルを製作することができた。各質量分析器の開発においても、「マルチターンTOF型質量分析器」については本研究とは別の予算を用いて宇宙機搭載可能な分析器制御部の開発を進めることができた。「多反射リフレクトロン型質量分析器」については、予定通り試験モデルの試作を行うことができたが、レーザーによる固体物質の気化を行う部分については、平成３１年度以降に実施を遅らせることにした。「四重極型質量分析器」については、必要とされる開発技術が近く、より高い性能が期待できる「オービトラップ型質量分析器」の開発を進めることに方針を転換したが、この質量分析器について検討を進めることができた。「2次元速度計測用ベネット型中性粒子分析器」については、性能試験のために必要となるビームラインの性能を確認するためのビームモニターの開発を行うことで、最終的な目的である、窒素原子・酸素原子の質量分離と、それぞれでの密度・風速・温度計測のための測定を行う準備を進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
4年間の研究計画のうちこれまでに約半分の2年間が過ぎた。複数の質量分析器に共通の開発項目である「宇宙機搭載用パルス高圧電源」の開発については、予定より時間がかかっているが確実に性能の向上を進めている。「マルチターンTOF型質量分析器」の開発で予定していた、「宇宙機搭載可能な分析器制御部」の開発を他の予算で進めることができることになったため、本研究では質量分析器の性能を左右するパルス高圧の開発を更に進めることにするが、他の予算で試作した分析器制御部の性能評価及び調整も行う。「多反射リフレクトロン型質量分析器」については、平成30年度には、実験室モデルの設計・製作を優先したために、レーザーによる固体物質の気化を行う部分の設計・試作が遅れているが、平成31年度に試作後の試験まで含めて実施する予定である。「四重極型質量分析器」に変えて開発を進めることになった、「オービトラップ型質量分析器」は、平成31年度には試験モデルの要素試作を行って開発を進める予定である。「2次元速度計測用ベネット型中性粒子分析器」については、2次元位置検出機能を有するMCP検出器の較正実験を行った結果、検出器からのパルス信号の波高分析処理技術を改修する必要を認めたため、次年度では波高分析処理のプログラミング開発を進め、分析器による中性大気の速度分布関数の取得に向けた分析技術改善を行う予定である。複数の質量分析器に共通に開発を進めている中性粒子の電離機構部については、「多反射リフレクトロン型質量分析器」へのイオンビーム入射条件に適したオプティクスを設計し，含浸カソードおよび酸化イットリウムカソードを用いた電子銃を製作し，そのビーム特性を調べる予定である。この電離機構部と宇宙機搭載用パルス高圧電源については、それぞれの試作品を「多反射リフレクトロン型質量分析器」に接続して性能確認試験を実施することも計画している。
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[Presentation] Science Objectives and Mission Plan of "FACTORS" with Multiple Compact Satellites for the Space-Earth Coupling Mechanisms2018
Author(s)
Masafumi Hirahara, Yoshifumi Saito, Hirotsugu Kojima, Naritoshi Kitamura, Kazushi Asamura, Ayako Matsuoka, Takeshi Sakanoi, Yoshizumi Miyoshi, Shin-ichiro Oyama, Masatoshi Yamauchi, Yuichi Tsuda, Nobutaka Bando
Organizer
JpGU2018
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