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2022 Fiscal Year Research-status Report

効率と安定性のトレードオフ限界を超える超小型直流放電の実現とイオン推進機への応用

Research Project

Project/Area Number 22K18855
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

鷹尾 祥典  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 村上 勝久  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20403123)
Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Keywords電気推進 / イオン源 / 電子源 / グラフェン / 超小型衛星
Outline of Annual Research Achievements

近年、超小型衛星の打ち上げ数が激増しており、大規模コンステレーションや深宇宙探査にも使われ始めている。このような高度なミッションには高い増速量と高い比推力(燃費に相当)を有する推進機が不可欠であり、その筆頭格はイオン推進機である。しかし、小型化すると表面積割合の増加から性能の劣化が避けられず、特に元来小さい電子源(中和器)はなおさらである。
本研究では、中和器側の抜本改善策として、上部電極をグラフェンとし低電圧作動が可能で推進剤が不要な高電流密度平面型電子源を利用することで比推力を大幅に向上させる。また、電子透過性の高い保護膜を付けることでプラズマ耐性を高め、イオン源用の電子源としても利用する。この電子源と金属陰極との併用によりこれまで安定しなかった高電流密度モードを実現させ、イオン源の効率を大幅に引き上げる。効率と安定性のトレードオフ限界を克服することで、従来とは根本的に異なる新しい直流放電型イオン源を創出することを目的とする。
2022年度は、電子源のイオン衝撃耐性向上として、プラズマ耐性のある保護膜(六方晶窒化ホウ素: h-BN)をGOS型電子源へ適用するため、CVDを利用した保護膜プロセスの最適化により、欠陥の無い保護膜付き電子源の作製を行った。一方、電子源の保護膜作製と並行し、まずはフィラメント電子源を利用したイオン源作製を進め、最適な磁場配置および電位構造の設計指針を構築した。それに基づき、作製した超小型イオン推進機の放電実験でプラズマ診断によりポテンシャル構造の把握を行うとともにイオンビーム引き出し実験を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

簡易的に機械的転写方式で成膜した欠陥を含むh-BNで保護した予備実験において、プラズマにさらしてもグラフェン層が残り、かつ、同程度の効率で十分な電子放出が確認できていた。この保護膜の欠陥を無くすため、化学気相成長法(CVD)を利用した保護膜プロセスの最適化を進めた結果、保護膜成膜は実現できた一方でグラフェンの状態が電子放出を行うほど良い状態にはなっていないように見受けられ、さらなる保護膜プロセスの改良が求められるため。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は以下の方法により研究を遂行する。
①電子源保護膜成膜条件の探索
グラフェンに対する成膜条件を様々に変化させて保護膜を成膜し、加熱酸素環境および酸素プラズマアッシャーによる耐原子状酸素評価を行う。
②イオン源の改良ならびに放電の解析
昨年度までに作製したイオン源の改良を行い、より低い放電電圧での放電が可能な実験条件を求めることでイオン生成コストを下げる。また、イオンビーム引き出し電流と流量の依存性を把握することで、より高い推進剤利用効率が得られる条件を求める。

Causes of Carryover

次年度使用額は当該年度所要額に対して3%未満であり、概ね予定通り使用したと言える範囲と考えられる。結果、次年度も当初予定通り助成金の使用を行う。

  • Research Products

    (8 results)

All 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Low-Temperature Direct Synthesis of Multilayered h-BN without Catalysts by Inductively Coupled Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition2023

    • Author(s)
      Yamamoto Masaya, Murata Hiromasa, Miyata Noriyuki, Takashima Hiroshi, Nagao Masayoshi, Mimura Hidenori, Neo Yoichiro, Murakami Katsuhisa
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 8 Pages: 5497~5505

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c06757

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Oxidation Resistance Improvement of Graphene-Oxide-Semiconductor Planar-Type Electron Sources Using h-BN as an Oxygen-Resistant, Electron-Transmissive Coating2022

    • Author(s)
      Matsumoto Naoyuki, Takao Yoshinori, Nagao Masayoshi, Murakami Katsuhisa
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 7 Pages: 33004~33009

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c02709

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 小型直流放電式イオンスラスタの放電特性に対する磁場形状の影響2023

    • Author(s)
      田中芳実、鷹尾祥典
    • Organizer
      令和4年度 宇宙輸送シンポジウム、宇宙科学研究所、相模原市
  • [Presentation] Optimization of Magnetic Field Configurations of a Miniature DC Ion Thruster with an Inverted Potential Structure2023

    • Author(s)
      Yoshinori Tanaka, Hiroto Ueo, and Yoshinori Takao
    • Organizer
      The 11th Asian Joint Conference on Propulsion and Power, Kanazawashi Cultural Hall, Kanazawa, Japan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Recent progress of planar type electron sources using 2D materials2022

    • Author(s)
      Katsuhisa Murakami
    • Organizer
      The 22nd International Vacuum Congress, Sapporo, Japan
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] グラフェン平面電子源のエタノール中動作による水素発生2022

    • Author(s)
      村上勝久、村田博雅、長尾昌善
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会、東北大学、仙台市
  • [Presentation] 電位構造を反転した小型直流放電式イオンスラスタの高性能化2022

    • Author(s)
      田中芳実、上尾洋翔、鷹尾祥典
    • Organizer
      第66回宇宙科学技術連合講演会、熊本城ホール、熊本市
  • [Presentation] 液中動作用グラフェン平面電子源の開発2022

    • Author(s)
      村上勝久、村田博雅、長尾昌善
    • Organizer
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用、ウインク愛知、名古屋市

URL: 

Published: 2023-12-25  

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