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電子放出面の電位構造が従来と逆になる電子源を用いた新規超小型イオン推進機の実現

研究課題

研究課題/領域番号 18K18910
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分24:航空宇宙工学、船舶海洋工学およびその関連分野
研究機関横浜国立大学

研究代表者

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

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2022-03-31
研究課題ステータス 交付 (2020年度)
配分額 *注記
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2018年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワード電気推進 / 電子源 / グラフェン / イオン源 / 超小型衛星
研究実績の概要

超小型衛星にも搭載可能なイオン推進機の飛躍的な性能向上には、元来小さい電子源(中和器)の更なる小型化と高効率化が不可欠である。本研究では、この電子源の抜本的な変革に注目し、正にバイアスされた電位面から電子放出が可能で低電圧でも高電流密度が得られるグラフェン電子源を利用する事で、電位構造が従来と異なる新しいイオン源の創出とともに超小型イオン推進機の性能向上を目指す。
2020年度は、2019年度までに実現した高い電流密度を持つ電子源の耐性向上を図った。まず、電子源を作る前に耐酸素性があり、かつ、電子透過率の高い保護膜をグラフェン層の上に成膜し、酸素プラズマ下における耐性を評価した。その結果、単層の保護膜においてもグラフェン層の保護が可能であることが明らかになった。その後、グラフェン電子源においても同様に対応したところ、保護膜層が薄い程、保護膜無しの電子源とほぼ同等性能の電流電圧特性が得られる事が分かった。
一方、イオン源においては、2019年度と同様に、従来のフィラメント熱電子源を用いたイオン源の改良を進めた。このイオン源の作製に当たっては、グラフェン電子源への置き換えを行う事を考慮し、従来のイオン源とは異なり、イオン引き出しグリッド電極の近い側にフィラメント電子源を配置している。2019年度の磁場設計を踏まえて改良した磁場形状により放電室およびイオン引き出しのためのグリッド電極を作製した。作製したイオン源に対して径方向および奥行方向に静電プローブ診断を行った結果、中心でプラズマ密度が高くなり磁力線に沿ってグリッドへ向かう程、径方向に広がる分布が得られた。しかし、まだ中心への偏りが大きいため、イオン引き出し実験においては電力が低い時のみ加速電極への損失が小さい状況にあり、今後の分布改善が求められる状況にある。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

コロナ禍に伴う緊急事態宣言期間中は、産業技術総合研究所における作業も滞る状況にあり、イオン源に利用する耐性の高い電子源の作製が遅れている。また、同様に大学における実験作業の制約から、イオン源側も放電条件の最適化に遅れが生じた。

今後の研究の推進方策

2021年度は以下の方法により研究を遂行する。
①グラフェン電子源の耐久性向上:
2020年度からの継続として、長寿命化ならびに耐イオン衝撃性の向上を図り、イオン源にも利用可能な電子源の実現を目指す。
②イオン源の放電特性解析と超小型イオン推進機の作製:
実験とプラズマ粒子計算によるイオン源の放電特性を解析することで、グリッド直前でより一様な分布となるイオン源の実現を図る。最終的には上記グラフェン電子源を利用したイオン源の作製し、電位構造が従来とは異なる新しい超小型イオン推進機を創出する。

報告書

(3件)
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 2018 実施状況報告書

研究成果

(20件)

すべて 2021 2020 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Origin of monochromatic electron emission from planar-type graphene/hexagonal boron nitride/n-type silicon electron emission devices2021

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Igari, Masayoshi Nagao, Kazutaka Mitsuishi, Masahiro Sasaki, Yoichi Yamada and Katsuhisa Murakami
    • 雑誌名

      Physical Review Applied

      巻: 15 ページ: 014044-014044

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.15.014044

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-performance planar-type electron source based on a graphene-oxide-semiconductor structure2019

    • 著者名/発表者名
      Murakami Katsuhisa、Miyaji Joji、Furuya Ryo、Adachi Manabu、Nagao Masayoshi、Neo Yoichiro、Takao Yoshinori、Yamada Yoichi、Sasaki Masahiro、Mimura Hidenori
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 114 ページ: 213501-213501

    • DOI

      10.1063/1.5091585

    • NAID

      120007127634

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Highly Monochromatic Electron Emission from Graphene/Hexagonal Boron Nitride/Si Heterostructure2019

    • 著者名/発表者名
      Murakami Katsuhisa、Igari Tomoya、Mitsuishi Kazutaka、Nagao Masayoshi、Sasaki Masahiro、Yamada Yoichi
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 12 ページ: 4061-4067

    • DOI

      10.1021/acsami.9b17468

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Resistance Investigation of Graphene-Oxide-Semiconductor Planar-Type Electron Sources against Atomic Oxygen2021

    • 著者名/発表者名
      Naoyuki Matsumoto, Katsuhisa Murakami, Masayoshi Nagao, and Yoshinori Takao
    • 学会等名
      The 10th Asian Joint Conference on Propulsion and Power
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 電位構造を反転した小型直流放電式イオンスラスタの作動特性2021

    • 著者名/発表者名
      森悠太朗, 鷹尾祥典
    • 学会等名
      令和2年度 宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 六方晶窒化ホウ素による平面型グラフェン電子源の酸素耐性向上と特性評価2020

    • 著者名/発表者名
      松本直之, 村上勝久, 長尾昌善, 鷹尾祥典
    • 学会等名
      第64回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of Low-Voltage-Driven Propellantless Cathodes with High-Current Density Based on Graphene-Oxide-Semiconductor Structure2019

    • 著者名/発表者名
      Ryo Furuya, Katsuhisa Murakami, Masayoshi Nagao, and Yoshinori Takao
    • 学会等名
      36th International Electric Propulsion Conference
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 小型イオンエンジン用Graphene/SiO2/Si積層型mA級平面電子源の開発2019

    • 著者名/発表者名
      古家 遼,村上 勝久,長尾 昌善,鷹尾 祥典
    • 学会等名
      電子デバイス研究会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 超小型直流放電式イオンスラスタの放電特性に対する放電室構造の影響2019

    • 著者名/発表者名
      森 悠太朗,鷹尾 祥典
    • 学会等名
      第63回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 低電圧駆動可能な小型中和器実現に向けたグラフェン/SiO2/Si積層型平面電子源の大電流化2019

    • 著者名/発表者名
      古家 遼,村上 勝久,長尾 昌善,鷹尾 祥典
    • 学会等名
      第63回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 超小型イオンエンジン用Graphene/SiO2/Si積層平面型電子源の大電流化2019

    • 著者名/発表者名
      古家 遼,村上 勝久,長尾 昌善,鷹尾 祥典
    • 学会等名
      2019年 日本表面真空学会 学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 低真空・液体中でも動作する超高効率グラフェン平面電子源2019

    • 著者名/発表者名
      村上勝久
    • 学会等名
      2019年Cupalシンポジウム、第16回 真空ナノエレクトロニクスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] 超小型宇宙推進機が求めるイオン源と電子源2019

    • 著者名/発表者名
      鷹尾祥典
    • 学会等名
      2019年Cupalシンポジウム、第16回 真空ナノエレクトロニクスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] 小型イオンエンジン用平面型グラフェン電子源の電子電流特性評価2019

    • 著者名/発表者名
      古家遼, 村上勝久, 長尾昌善, 鷹尾祥典
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] Improvement of Electron Emission Efficiency of Graphene-Oxide-Semiconductor Planar-Type Electron Sources for Nanosatellite Neutralizers2018

    • 著者名/発表者名
      Ryo Furuya, Katsuhisa Murakami, Masayoshi Nagao, and Yoshinori Takao
    • 学会等名
      31st International Vacuum Nanoelectronics Conference
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Graphene-oxide-semiconductor planar-type electron emission device and its applications2018

    • 著者名/発表者名
      Katsuhisa Murakami, Joji Miyaji, Ryo Furuya, Manabu Adachi, Masayoshi Nagao, Yoshihiro Nemoto, Masaki Takeguchi, Yoichiro Neo, Yoshinori Takao, Yoichi Yamada, Masahiro Sasaki, and Hidenori Mimura
    • 学会等名
      31st International Vacuum Nanoelectronics Conference
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 平面型グラフェン電子源の放出効率向上と大電流化に向けた取り組み2018

    • 著者名/発表者名
      古家遼, 村上勝久, 長尾昌善, 鷹尾祥典
    • 学会等名
      第62回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] 平面型グラフェン電子源の放出電子電流向上2018

    • 著者名/発表者名
      古家遼, 村上勝久, 長尾昌善, 鷹尾祥典
    • 学会等名
      平成30年度 宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www.takao-lab.ynu.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [備考] Takao Lab

    • URL

      http://www.takao-lab.ynu.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書 2018 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2018-07-25   更新日: 2021-12-27  

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