2021 Fiscal Year Research-status Report

周方向電場印加によるホール効果を利用した大電力無電極推進機の新たな可能性

Research Project

Project/Area Number	21K18774
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	小泉宏之東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2023-03-31
Keywords	大電力電気推進 / 無電極プラズマ / ホール効果 / 宇宙探査
Outline of Annual Research Achievements	現在，世界の宇宙開発は活況を呈しており，月そして火星へと続く深宇宙への機運が高まっており、この深宇宙進出の鍵を握るのは効率的（優れた燃費）な大電力電気推進である．このための２大候補がホール効果スラスタと磁気ノズルスラスタである．本研究では，無電極推進機にホール電流を適用することで，両者の特性をあわせ持つ新しい推進機の探求を行う．本年度は、半径磁場卓越型の無電極推進機のプロトタイプを製造し、その基本特性の把握を実施した。一般に、ホール効果スラスタでは、半径方向磁場の強さが作動における重要な調整パラメータとなる。このため、本研究の推進機に対しても、半径方向磁場の強度を調整可能な電磁コイルを装着した。ただし、高周波（プラズマ生成用の10 MHzとプラズマ加速用の100 kHzが混在）との併用のため、誘電損失を招く導電性材料が使えず、純鉄等の強磁性体を利用するホール効果スラスタとは大きくことなる磁気回路設計を用いた。加速用コイルがプラズマ内部に生みだす誘導電場は、電子に対して軸方向のExBドリフトを生じさせる。この電子移動に伴う荷電分離による生じる電場が、本推進機の加速原理となる。また、この電場によるイオンの加速が目的であるため、下流におけるイオンエネルギー分布測定は加速の効果を知る指標となる。このため、プロトタイプ推進機に対して、エミッシブプローブによるプラズマポテンシャル空間分布測定し、軸方向の電場生成を確認した。さらに、ならびに逆電位アナライザによるイオンエネルギー分布測定により、加速時に新しいイオンエネルギーのピークが生成していることを発見した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究実績に記したとおり、本研究で提案する新しい推進機において、加速コイルによる高周波の印加により、軸方向電場の生成とイオン加速（イオンエネルギーピークの発生）を確認した。これらは想定する原理と整合する重要な発見である。しかし、これらの電場およびイオンピークの生成が、想定している物理によるものであるとまでは断定できていない。加速コイルによる高周波は、プラズマ生成、それに伴う電位形成を生じうる。すなわち、別の物理によっても、軸方向電場やそれによるイオン加速が発生する可能性があるのである。
Strategy for Future Research Activity	次年度は、本年度に得られた軸方向電場の生成とイオンエネルギーピークの発生物理の解明を行う。このために、まずプロトタイプ推進機の改良を行う。現在、加速用の高周波コイルの印加は、マッチングの不整合を原因として範囲が限られている。このため、十分な電力を投入できず、測定量が小さいという課題がある。２つの高周波電源およびマッチング回路まわりの整備することでマッチング範囲を広げ、本研究のコンセンプトがより大きく現れる条件下での実験を目指す。また、ポテンシャルおよびイオンエネルギーに加えて、プラズマパラメータおよび誘導電流の時間および分布測定を進めることで、本研究が提案するコンセプトの可否ならびに定量的効果を明らかにする。
Causes of Carryover	主に次の３つの理由により次年度使用が生じた：計画当初に予定していた研究専門職員の雇用ができなくなったこと、学術会議の現地開催を断念しオンライン開催となったこと、そして、プロトタイプ推進機の製造が既存品および3Dプリンタを用いて予想より低コストで実現したこと。一方、本年度の実験では、高周波電源のマッチング不整合により、想定していた範囲のパラメータ調査ができなかった。これらを踏まえて次年度は、新規の高周波電源を入手しパラメータ範囲を広げるとともに、高周波電源まわりの整備を担当する研究専門職員の雇用を模索する。雇用が困難であった場合には、同業務を外注することでこれに対応する。