静電場を用いた氷微粒子加速装置の開発

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13554015
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 荒川 政彦 北海道大学, 低温科学研究所, 助手 (10222738)
• 研究分担者: 渡部 直樹 北海道大学, 低温科学研究所, 助手 (50271531) ; 前野 紀一 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (50001657)
• キーワード: 氷天体 / 氷微粒子 / 静電加速 / 衝突実験 / アグリゲイト / 高速度ビデオカメラ / 抵抗係数 / 電荷密度

研究概要

本年度は氷微粒子加速装置に真空チャンバーを取り付け、減圧下での微粒子加速効率を調べた。また、加速部を伸長することにより、微粒子集合体にかかる加速度を減らし、加速中に粒子構造が壊れないように工夫した。静電加速の場合は、電極形状が加速の方向に重要であるので、安定した微粒子加速を得るために様々な形状の電極を試した(平板、棒、球)。微粒子が飛翔する様子は昨年購入した高速度デジタルビデオカメラを用いて行なった。
実験の結果、大気圧(1bar)下では1kV/mmの電場で、サイズ約500μmの氷微粒子集合体を20m/sまで破砕することなく飛ばすことに成功した。これで静電加速により速度3cm/sから20m/sまで三桁に渡る広い領域で速度を自在にコントロールすることができることになる。しかしながら、目標とする1km/sを超えるためには二桁大きな速度が必要である。そのためには、まず空気抵抗を減らした場合の加速効率を調べた。0.1気圧に減圧した中で氷微粒子集合体を加速した結果、加速時間が0.5msec程度に長くなるとともに終端速度が3〜4倍速くなることがわかった。この結果を外挿すると1kV/mmの電場で100m/sを超える速度が可能になると思われる。
一方、本装置を用いて、氷微粒子集合体の抵抗係数を求めることもできる。微粒子の見かけの断面積を仮定する必要はあるが、高速度ビデオから得られた微粒子の位置変化を運動方程式でフィッティングすることにより、集合体の抵抗係数は10〜300であることがわかった。速度を上げるためには、空気抵抗を減らす他に、q/m値を上げる方法が有効である。そこで氷微粒子の電荷密度を制御する手法を開発するため、様々なイオン濃度で氷微粒子を作ることができる微粒子作成チャンバーを製作した。このチャンバーは倒立顕微鏡に設置し、電極には10kVまでの高電圧を負荷することができる。減圧下で、イオン濃度の異なる氷微粒子を作成し、等電場での加速度を計測することによりq/mの違いによる加速効率の差を調べることができる。この装置を用いて、現時点より100倍q/m値の大きな氷微粒子集合体を作る条件を見つければ、10kV程度の電位差で1km/sを超える速度を得ることができる。

研究成果

• [文献書誌] Arakawa, M.: "Ice-silicate fractionation among icy bodies due to the difference of impact strength between ice and ice-silicate mixture"Icarus. (In press). (2004)
• [文献書誌] Arakawa, M.: "Observation of crack propagation in water ice with fluid inclusion"Canadian Journal of Physics. 81. 159-166 (2003)
• [文献書誌] Arakawa, M.: "Effect of direct and alternating fields on friction between ice and metals"Canadian Journal of Physics. 81. 209-216 (2003)
• [文献書誌] Arakawa, M.: "Impact strength of porous ice -silicate mixture"Proc.36th ISAS Lunar and Planet.Symp.. 57-60 (2003)
• [文献書誌] Watanabe, N.: "The dependence of H_2CO and CH_3OH formation on temperature and thickness of H\2O-CO ice during successive hydrogenation of CO"Astrophys.J.Lett.. 588. 121-124 (2003)
• [文献書誌] Maeno, N.: "Adhesion shear theory of ice friction at low sliding velocities, combined with ice sintering"J.App.Phys.. 98. 134-139 (2004)