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2018 年度 実績報告書

無電極スラスタ内のガス・プラズマ相互作用に伴う運動量輸送と制御

研究課題

研究課題/領域番号 16H04084
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 小室 淳史  東北大学, 工学研究科, 助教 (70733137)
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) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードプラズマ・核融合 / ヘリコンスラスタ / 電気推進 / プラズマガス相互作用
研究実績の概要

最終年度である平成30年度は,Momentum Vector Measurement Instrument を用いて,壁面へ損失する運動量の空間分布計測を実施することに成功し,プラズマ密度ピークの位置によって損失分布が変化することが明らかになった.特に,外部磁場強度を増強した際に損失が抑制される点に加えて,中性粒子導入位置によって損失分布が変化することが実証された点で,大きな学術的進展があったといえる.これらの結果は,これまで提案してきたプラズマ‐中性粒子相互作用と矛盾ない結果であり,スラスタの高性能化へむけた基盤となる.さらに損失分布の計測に基づいて,内径が変化するプラズマ源を設計・製作し,プラズマ運動量の壁面損失を抑制することで,推力の増強が可能であることを明らかにした.また,磁場強度をサーベイした際には,弱磁場ヘリコン波が効率よく励起され,密度ピークがスラスタ出口近傍へとシフトし,下流へ放出されるプラズマ流束の増加と付随する推力増加が起こることを明らかにした.
また,フライトモデル開発へ向けた周辺機器の開発にも着手し,可変キャパシタを使用しない周波数調整型の高周波プラズマ発生技術を実現し,周辺機器の小型化に関する開発も実施した.ここでは,dc-rf変換効率が75%程度の周波数40MHz帯の高効率周波数可変アンプと電圧制御発振器および電圧可変アッテネータを組み合わせた制御を行い,比較的高速にインピーダンス整合が可能であることを示した.また永久磁石のみを用いた磁気ノズル形成に関しても数値解析を実施し,最大磁場強度400Gauss程度が可能な新たな磁石配置を考案し,今後の高性能化へ向けた開発を着実に進めた.

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 8件、 招待講演 3件)

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

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      The Australian National University
  • [雑誌論文] Enhancement of downstream plasma density by a stepped-diameter radiofrequency plasma source under a static magnetic field for a compact sputtering reactor2019

    • 著者名/発表者名
      Saito Taichi、Takahashi Kazunori、Ando Akira、Hara Shiro
    • 雑誌名

      Vacuum

      巻: 163 ページ: 269~274

    • DOI

      10.1016/j.vacuum.2019.02.036

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thrust imparted by a stepped-diameter magnetic nozzle rf plasma thruster2018

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

      Applied Physics Letters

      巻: 113 ページ: 034101-1~5

    • DOI

      10.1063/1.5041034

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Demonstrating a new technology for space debris removal using a bi-directional plasma thruster2018

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

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: 14417-1~10

    • DOI

      10.1038/s41598-018-32697-4

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of a momentum vector measurement instrument in steady-state plasmas2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazunori、Sugawara Takeharu、Akahoshi Hikaru、Takao Yoshinori、Ando Akira
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 8 ページ: 105117-1~10

    • DOI

      10.1063/1.5050553

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 小型高周波プラズマ源を用いた実用化装置開発2019

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴
    • 学会等名
      プラズマ流の基礎と応用に関する研究会
  • [学会発表] ヘリコンスラスタ内壁への局所運動量損失ベクトルの分布評価2019

    • 著者名/発表者名
      菅原丈晴,高橋和貴,鷹尾祥典,安藤晃
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] ヘリコンスラスタからの双方向プラズマ運動量放出とスペースデブリ除去2019

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴,Christine Charles, Rod Boswell, 安藤晃
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] Standing helicon induced by a rapidly bent magnetic field in plasmas2018

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Sho Takayama, and Akira Ando
    • 学会等名
      Japan-Germany Workshop on Negative Ion Source
  • [学会発表] Adiabatic expansion of electron gas interacting with a magnetic nozzle2018

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod W Boswell, and Akira Ando
    • 学会等名
      71st Annual Gaseous Electronics Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Laboratory experiments on a plasma-flow-state transition from diverging to stretching a magnetic nozzle2018

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takaahshi and Akira Ando
    • 学会等名
      71st Annual Gaseous Electronics Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of neutral depletion and propulsion performance in electrodeless RF plasma thrusters2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshinori Takao, Kazuki Takase, Sora Yoshikawa, and Kazunori Takahashi
    • 学会等名
      71st Annual Gaseous Electronics Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Adiabatic expansion of electrons in a magnetic nozzle2018

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod W Boswell, and Akira Ando
    • 学会等名
      2nd Asia-Pasific Conference on Plasma Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhanced plasma density downstream of an rf plasma source by enlarging an open source exit2018

    • 著者名/発表者名
      Taichi Saito, Kazunori Takahashi and Akira Ando
    • 学会等名
      2nd Asia-Pasific Conference on Plasma Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Vector-resolved measurement of a local plasma momentum in a helicon plasma thruster2018

    • 著者名/発表者名
      Takeharu Sugawara, Kazunori Takahashi, Yoshinori Takao and Akira Ando
    • 学会等名
      2nd Asia-Pasific Conference on Plasma Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Inhibition of substrate heating in a Minimal Multi-Target Helicon sputtering tool2018

    • 著者名/発表者名
      Taichi Saito, Kazunori Takahashi, Akira Ando and Shiro Hara
    • 学会等名
      International Symposium on Semiconductor Manufacturing
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a Minimal multi-target helicon sputtering tool2018

    • 著者名/発表者名
      Kazunori Takahashi
    • 学会等名
      International Symposium on Semiconductor Manufacturing
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a momentum vector measurement instrument in a helicon plasma thruster2018

    • 著者名/発表者名
      菅原丈晴,高橋和貴,鷹尾祥典,安藤晃
    • 学会等名
      平成30年度電気関係学会東北支部連合大会
  • [学会発表] 磁気ノズル中電子の断熱膨張過程の観測2018

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴,Christine Charles, Rod Boswell, 安藤晃
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] 磁気ノズル中のプラズマ流ダイナミクスと推進応用展開2018

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴
    • 学会等名
      核融合科学研究所ネットワーク型共同研究 研究会
  • [学会発表] ヘリコンスラスタ中の局所プラズマ運動量ベクトル計測法の開発2018

    • 著者名/発表者名
      菅原丈晴,高橋和貴,鷹尾祥典,安藤晃
    • 学会等名
      第62回宇宙科学技術連合講演会
  • [学会発表] ヘリコンスラスタ中のプラズマ物理現象とRFシステム開発2018

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴, Christine Charles, Rod Boswell, 鷹尾祥典,菅原丈晴,斎藤太地,高瀬一樹,安藤晃
    • 学会等名
      第62回宇宙科学技術連合講演会
  • [学会発表] ヘリコンスラスタ中のエネルギー分布関数と推力計測2018

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴
    • 学会等名
      電気推進夏の学校
    • 招待講演
  • [学会発表] ミニマル・マルチターゲット・ヘリコンスパッタ装置2018

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴
    • 学会等名
      SEMICON JAPAN2018 ミニマルファブ講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 磁気ノズルRFプラズマ中の物理現象と宇宙応用2018

    • 著者名/発表者名
      高橋和貴
    • 学会等名
      プラズマ・核融合学会 九州・山口支部大会
    • 招待講演

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公開日: 2019-12-27  

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