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磁気ノズル中のプラズマ運動量輸送とディタッチメント

研究課題

研究課題/領域番号 19H00663
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
研究機関東北大学

研究代表者

高橋 和貴  東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451491)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 交付 (2021年度)
配分額 *注記
45,760千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 10,560千円)
2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
2021年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
2020年度: 11,440千円 (直接経費: 8,800千円、間接経費: 2,640千円)
2019年度: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
キーワード磁気ノズル / プラズマ流 / 運動量輸送 / ディタッチメント
研究開始時の研究の概要

磁気ノズルを用いた無電極プラズマ推進機の研究開発が進む中で,運動量輸送と磁気ノズルからのプラズマ離脱に関して,定常現象から不安定性・乱流現象に起因する動的現象を包括した総合的な理解を進める必要がでてきている.本研究では,ヘリコンプラズマスラスタとヘリコンMPDスラスタを用いて,数桁にわたる広範なパラメータ領域を包括した実験を推進し,プラズマ離脱現象の発現と理解を進めるとともに,定常的および動的なプラズマ挙動に起因する運動量輸送機構を明らかにする.これにより磁気ノズルプラズマ流が織り成す物理現象の学術基盤を構築し,磁気ノズルプラズマ推進機の研究開発を加速する.

研究実績の概要

磁気ノズル中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い,以下の知見を得た.
1- 局所的な運動量ベクトルを計測可能なMomentum Vector Measurement Instruments (MVMI) を用いて,プラズマ源内部および磁気ノズル中の運動量流束の分布計測を行い,プラズマ発生部内壁に損失する運動量・エネルギーの分布を同定し,その抑制手法に関しても知見を得た.また磁気ノズル中では,周辺領域に存在する高エネルギー電子群が推力発生に大きく寄与していることを明らかにし,電子反磁性効果によるものであることが明らかになった.
2- 直径10cm級の13.56MHz駆動のヘリコンスラスタを設計製作し,燃料ガスの導入方法を改善し,最大推力70mNを得ることに成功し,ヘリコンスラスタの推進性能を更新した.また更に大口径化を進めるため2MHz帯のヘリコンプラズマ源の開発を行い,高密度プラズマ発生に成功した.
3- 電子の熱力学特性に関して,電子エネルギー分布関数の計測によってポリトロープ指数を評価した.その結果,電子は断熱膨張することを実証し,磁気ノズルによる推力発生モデルと矛盾しないことを明らかにした.またそのポリトロープ指数は磁場強度によって変化し,弱磁場では等温膨張を示すことを明らかにした.
4- 磁気ノズル中の静電波動計測に着手し,非線形相互作用による異常輸送の評価につながるデータを得た.このデータにより,推力損失やディタッチメントに関連する重要なファクターとなる可能性を示した.
5- 計算機シミュレーションにより,磁気ノズル中で自発的に誘起される周方向電流およびローレンツ力を評価し,実験と定性的に一致する結果が得られた.このことから,スラスタ解析に向けたコード開発が順調に進んでいる.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初の運動量変換・輸送・損失過程に関して,Momentum Vector Measurement Instrumentsを用いて当初の計画通りに評価を進め,エネルギー・運動量損失の分布や磁気ノズル中での軸方向運動量増大に関するデータが得られ,順調に進んでいる.また,プラズマ電位をゼロとすることでシースの効果を排除可能であることが分かり,磁気ノズルと電子の相互作用のみを調べることが可能な装置構築に成功した.その結果,磁気ノズル中の電子の熱力学特性に関して詳細な評価が可能となり,電子と磁気ノズルのエネルギー相互作用に関して調べることが出来た.これにより,断熱膨張する電子や,磁場強度によって変化する電子と磁気ノズルの相互作用を熱力学的観点から評価可能となり,当初の計画以上の成果が得られた.さらには,ヘリコンスラスタの推進性能の記録更新等,物理的課題に加えて工学的課題に関する実験も進展し,当初の計画以上に進展しているといえる.

今後の研究の推進方策

研究期間終了までに,磁気ノズル中のプラズマ運動量輸送・変換・損失過程の総合的理解およびディタッチメント現象の発現に向けた実験を推進する.具体的には,磁力線変形がプラズマ流ダイナミクスに及ぼす効果の解明や,自発的に励起される静電波動のプラズマ粒子輸送に対する効果を調べる.必要に応じて,広範な空間領域を計測するために大口径真空容器を導入して,スラスタ出口から磁気ノズル下流域を包括した実験を推進する予定である.
またこれらの実験データに対して,理論モデル構築に加えて,引き続き計算機シミュレーションを用いた研究を進め,特にプラズマ発生部と磁気ノズルを連結して解析可能なコード開発を進める.
上記のように,実験研究を主軸として,適宜シミュレーション研究と連携をとることで,磁気ノズル中プラズマ流のダイナミクスに関連する諸現象について,総合的な研究を展開する.

報告書

(3件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 審査結果の所見   実績報告書

研究成果

(48件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (19件) (うち国際共著 4件、 査読あり 16件、 オープンアクセス 12件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 11件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] The Australian National University(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] Holon Institute of Technology(イスラエル)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] Universidad Carlos III de Madrid(スペイン)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] The Australian National University(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Magnetic nozzle radiofrequency plasma thruster approaching twenty percent thruster efficiency2021

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11

    • DOI

      10.1038/s41598-021-82471-2

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Vertical silicon etching by using an automatically and fast-controlled frequency tunable rf plasma source2021

    • 著者名/発表者名
      Hanaoka Kengo、Takahashi Kazunori
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 11

    • DOI

      10.1063/5.0038596

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Automatically Controlled Frequency-Tunable rf Plasma Thruster: Ion Beam and Thrust Measurements2021

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Imai Ryoji、Hanaoka Kengo
    • 雑誌名

      Frontiers in Physics

      巻: 9

    • DOI

      10.3389/fphy.2021.639010

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Direct measurement of thrust induced by a magnetron sputtering source2021

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Miura Hidemasa
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spatially- and vector-resolved momentum flux lost to a wall in a magnetic nozzle rf plasma thruster2020

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Takeharu Sugawara, and Akira Ando
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10

    • DOI

      10.1038/s41598-020-58022-6

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fast and Automatic Control of a Frequency-Tuned Radiofrequency Plasma Source2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Hanaoka Kengo、Ando Akira
    • 雑誌名

      Frontiers in Physics

      巻: 7

    • DOI

      10.3389/fphy.2019.00227

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Minimal multi-target plasma sputtering tool2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Saito Taichi、Ando Akira、Yabuta Yuki、Mizuguchi Hisashi、Yamamoto Naoko、Kamei Ryuichiro、Hara Shiro
    • 雑誌名

      Vacuum

      巻: 171

    • DOI

      10.1016/j.vacuum.2019.109000

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 磁気ノズルRFプラズマスラスタ開発の現状2020

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴, Christine Charles, Rod Boswell, 鷹尾祥典, 安藤晃
    • 雑誌名

      宇宙太陽発電

      巻: 5 ページ: 14-17

    • NAID

      130007799145

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際共著
  • [雑誌論文] Reproducibility of a Plasma Production in a Fast- and Automatically-controlled Radio Frequency Plasma Source2020

    • 著者名/発表者名
      Hanaoka Kengo、Takahashi Kazunori、Ando Akira
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Plasma Science

      巻: 48 ページ: 2138-2142

    • DOI

      10.1109/tps.2020.2987554

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Modification of momentum flux lost to a radial wall of a helicon source by neutral injection2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Sugawara Takeharu、Ando Akira
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 27

    • DOI

      10.1063/5.0002173

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spatial measurement of axial and radial momentum fluxes of a plasma expanding in a magnetic nozzle2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Sugawara Takeharu、Ando Akira
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 22

    • DOI

      10.1088/1367-2630/ab98d5

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Commentary: On helicon thrusters: Will they ever fly?2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Charles Christine、Boswell Rod W.、Takao Yoshinori、Fruchtman Amnon、Navarro-Cavall Jaume、Merino Mario
    • 雑誌名

      Frontiers in Physics

      巻: 8

    • DOI

      10.3389/fphy.2020.00277

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Increased Thrust-to-Power Ratio of a Stepped-Diameter Helicon Plasma Thruster with Krypton Propellant2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Takao Yoshinori、Ando Akira
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 36 ページ: 961-965

    • DOI

      10.2514/1.b37940

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermodynamic Analogy for Electrons Interacting with a Magnetic Nozzle2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Charles Christine、Boswell Rod W.、Ando Akira
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 125

    • DOI

      10.1103/physrevlett.125.165001

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Helicon-type radiofrequency plasma thrusters and magnetic plasma nozzles2019

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi
    • 雑誌名

      Reviews of Modern Plasma Physics

      巻: 3

    • DOI

      10.1007/s41614-019-0024-2

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Simultaneous Measurements of Local Axial and Radial Momentum Fluxes near a Radial Wall of a Helicon Source2019

    • 著者名/発表者名
      SUGAWARA Takeharu、TAKAHASHI Kazunori、ANDO Akira
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 14

    • DOI

      10.1585/pfr.14.1301143

    • NAID

      130007704147

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spatiotemporal oscillation of an ion beam extracted from a potential-oscillating plasma source2019

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Imagi Tsuyoshi、Ishitomi Masashi、Nagaoka Kenichi、Haba Yasuaki、Nakano Haruhisa、Ando Akira、Kisaki Masashi、Tsumori Katsuyoshi、Ikeda Katsunori
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 21 ページ: 093043-093043

    • DOI

      10.1088/1367-2630/ab3f70

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Laboratory demonstration of a bidirectional helicon plasma thruster for space debris removal2019

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod W Boswell, Akira Ando
    • 雑誌名

      Proceedings of the 36th International Electric Propulsion Conference

      巻: IEPC-2019

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Performance improvement of a magnetic nozzle plasma thruster2019

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Yoshinori Takao, Akira Ando
    • 雑誌名

      Proceedings of the 36th International Electric Propulsion Conference

      巻: IEPC-2019

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [学会発表] 磁気ノズル加速における電磁気力と運動量増分の数値解析2021

    • 著者名/発表者名
      江本一磨, 高橋和貴, 鷹尾祥典
    • 学会等名
      2020年度宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 磁気ステアリングを用いたヘリコンスラスタの推力ベクトル制御2021

    • 著者名/発表者名
      今井涼二, 高橋和貴
    • 学会等名
      2020年度宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 磁気ノズル中の電子エネルギー分布関数:等温-断熱膨張の変化2021

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴, Christine Charles, Rod W Boswell
    • 学会等名
      2020年度宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 境界における非局所性 及び動的液体金属-プラズマ接触実験2021

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Plasma expansion in a magnetic nozzle thruster2020

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi
    • 学会等名
      The 73rd Annual Gaseous Electronics Conference
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Investigaion of the electromagnetic force and momentum gain in a magnetic nozzle plasma thruster2020

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Emoto, Kazunori Takahashi, Yoshinori Takao
    • 学会等名
      The 73rd Annual Gaseous Electronics Conference
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 磁気ノズルプラズマスラスタの粒子計算による反磁性ドリフト電流分布の評価2020

    • 著者名/発表者名
      江本一磨, 高橋和貴, 鷹尾祥典
    • 学会等名
      第64回宇宙科学連合大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] ヘリコンスラスタ開発と自動制御高周波システム2020

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴, 花岡健吾, 今井 涼二
    • 学会等名
      第64回宇宙科学連合大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Thermodynamics of electrons expanding in a magnetic nozzle2020

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi
    • 学会等名
      4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Testing a scallop free vertical silicon etching by using a fast- and automatically- controlled RF plasma source2020

    • 著者名/発表者名
      Kengo Hanaoka, Kazunori Takahashi, Ando Akira
    • 学会等名
      4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Direct measurement of a thrust induced by sputtered materials in magnetron-type plasma sources2020

    • 著者名/発表者名
      Hidemasa Miura, Kazunori Takahashi, Ando Akira
    • 学会等名
      4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ヘリコン波プラズマを用いた宇宙工学と地上産業応用2020

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴
    • 学会等名
      第37回プラズマ・核融合学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 磁気ノズルプラズマスラスタにおけるエネルギー輸送の数値解析2020

    • 著者名/発表者名
      江本一磨, 高橋和貴, 鷹尾祥典
    • 学会等名
      第37回プラズマ・核融合学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 磁気ステアリングによるヘリコンスラスタの推力ベクトル制御の検証2020

    • 著者名/発表者名
      今井涼二, 高橋和貴
    • 学会等名
      第37回プラズマ・核融合学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Minimal multi-target helicon sputtering tool2019

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Taichi Saito, Akira Ando, and Shiro Hara
    • 学会等名
      15th International Symposium on Sputtering & Plasma Processes
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of automatically-controlled compact rf plasma source and its application2019

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi
    • 学会等名
      KAIST Workshop on the next generation RF plasma sources
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The pulse-controlled helicon plasma source for the silicon etching2019

    • 著者名/発表者名
      花岡健吾, 高橋和貴, 安藤晃
    • 学会等名
      2019年度 電気関係学会東北支部連合大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Direct measurement of thrust induced by sputtered materials for a compact electric propulsion device2019

    • 著者名/発表者名
      三浦英将, 高橋和貴, 安藤晃
    • 学会等名
      2019年度 電気関係学会東北支部連合大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Laboratory demonstration of a bidirectional helicon plasma thruster for space debris removal2019

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod Boswell, Akira Ando
    • 学会等名
      36th International Electric Propulsion Conference
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Performance improvement of a magnetic nozzle plasma thruster2019

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Yoshinori Takao, Akira Ando
    • 学会等名
      36th International Electric Propulsion Conference
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Axial and radial momentum fluxes lost to a radial wall of a helicon plasma thruster2019

    • 著者名/発表者名
      Takeharu Sugawara, Kazunori Takahashi, Akira Ando
    • 学会等名
      3rd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Many aspects of plasma expansion physics in the magnetic nozzle and space applications2019

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi
    • 学会等名
      3rd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 磁気ノズルRFプラズマスラスタ開発の現状2019

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴
    • 学会等名
      第5回宇宙太陽発電(SSPS)シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 金属スパッタリングによる放出運動量計測と小型電気推進応用2019

    • 著者名/発表者名
      三浦英将, 高橋和貴
    • 学会等名
      第36回 プラズマ・核融合学会 年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 周波数制御型ヘリコンプラズマ源の開発と応用2019

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴, 花岡健吾, 安藤晃
    • 学会等名
      第36回 プラズマ・核融合学会 年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2022-04-19  

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