2021 Fiscal Year Annual Research Report
Plasma momentum transport and detachment from a magnetic nozzle
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19H00663
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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) |
永岡 賢一 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (20353443)
鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
安藤 晃 東北大学, 工学研究科, 教授 (90182998)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 磁気ノズル / プラズマ流 / 運動量輸送 / ディタッチメント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁気ノズルプラズマ流の運動量輸送・変換・損失過程およびディタッチメントに関して，広範なパラメータ領域を包括した実験を主軸とした研究を行った結果，以下の知見を得た．
1- 外部磁場を変更することで，プラズマ運動量のベクトルを制御可能であることを実証し ，推力ベクトルの直接計測を行ったところ，推力ベクトル制御機構が可能であることを明らかにした．またその物理メカニズムとして，電子反磁性効果と静電イオン加速現象のベクトル場の変化によるものであることを明らかにした．
2- 昨年度から継続して推進機の性能改善を実施し，推進効率約20%を得ることに成功し，これまでのヘリコンスラスタの推進効率記録を更新した．また，大口径プラズマスラスタ開発に向けて，前年度に設計製作した2MHz帯プラズマ源の基礎特性を評価し，高周波電力数kW帯において5x10^18m^-3 の大口径高密度プラズマを得ることに成功した．
4- ヘリコンMPDスラスタを用いて磁気ノズル中の高密度・高速プラズマ流の速度計測を実施し，磁力線が伸長すると思われる領域においてプラズマ流が急激に減速する現象を観測し，MHDプラズマ離脱に関連する興味深いデータが得られた．
5- 計算機シミュレーションにより，磁気ノズル中の運動量変換過程に関して解析を実施し，これまでに実験結果の解釈として提案してきた電子反磁性効果による運動量変換が支配的であることを確認し，さらにエネルギー損失のメカニズムに関して評価した．
6- FPGAおよびAD/DAコンバータを搭載した制御ボードを用いて，高周波電力の自動整合が可能なRFシステムを開発した．これをヘリコンスラスタに搭載し，これまでの高周波システムを用いた場合と同等の性能が得られることを確認し，スラスタの小型化につながる重要な技術を獲得した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
高速プラズマ流による磁気ノズルの伸長現象に関連して，プラズマ流速度が磁気ノズル中で急激に減衰する現象を実験的に観測し，当初予期していなかった離脱現象に関連する重要な知見を得た．また，現時点でヘリコンスラスタ方式では世界最高性能の推進効率を得ることに成功しており，高周波システムなどの開発も予想以上に進展した．以上より，当初の計画以上に研究が進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である2022年度には，プラズマ中に励起される不安定性による粒子輸送を実験的に同定し，プラズマ離脱現象との関連性を評価する．また，前年度導入したスペース模擬真空容器内で広範な空間領域を包括した計測を実施し，磁気ノズルの下流域を含めた詳細な計測を行うことで，磁場強度が連続的に変化する磁気ノズル中で，領域毎に発生する諸現象を明らかにしていく予定である．
またヘリコンＭＰＤスラスタを用いた実験では，プラズマ流によって誘起される磁場構造を詳細に計測し，新たに観測されたプラズマ減速現象との関連性を明らかにし，MPD離脱へ向けた知見を獲得する．
また，磁気ノズル中のプラズマ密度分布が磁気ノズルによる推力発生に大きな影響を与える可能性が示唆されているため，能動的にプラズマ分布を制御可能な装置を開発し，その効果に関して明らかにする．
以上を総合的にまとめることで，磁気ノズルプラズマ中の運動量輸送・変換過程に関して学術的な体系化を図り，離脱現象へ向けた学術基盤を構築する．
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