| 研究課題/領域番号 |
19H00663
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
高橋 和貴 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451491)
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| 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)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| 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 |
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| 研究実績の概要 |
磁気ノズル中のプラズマ運動量輸送・変換過程とディタッチメントに関して，広範なプラズマパラメータ領域を包括した実験を行うために，複数種のプラズマ源の採用に関して検討・実験を行うとともに，磁気ノズル中のプラズマダイナミクス計測により，以下の成果を得た．
1- プラズマ発生部の絶縁管形状を，内径が変化する構造とし，プラズマ源内壁への粒子損失を抑制することで，磁気ノズル中のプラズマの高密度化に成功した．高周波プラズマ源の大口径化を進めるために，プラズマ駆動周波数選定を行い，表皮深さの効果を検討することで，2MHz帯での作動が効果的であるとの結果が得られ，次年度以降の高密度プラズマ流生成・制御に関する知見を得た．またヘリコンMPDスラスタを新たに作成し，大口径真空容器端部に接続し，10^{20} m-3を超える高密度プラズマ発生技術を構築した．
2- 周波数自動制御高周波システムをヘリコンスラスタに接続し，出力電力と周波数を自動で制御することで，スラスタ動作の安定化と高速インピーダンス整合技術を構築した．また推力計測の結果，これまでと同等の性能が得られることを確認した．
3- 実験室プラズマ中で必然的に存在する境界の効果を排除するために，プラズマ電位をゼロとしシース電場を排除したプラズマ生成システムを構築した．この条件下で，電子エネルギー分布関数を４桁に渡る高精度で計測可能な実験系を構築し，磁気ノズル中を膨張する電子の熱力学特性の評価の基盤を構築した．
4- 運動量ベクトル計測器の開発に成功し，マイクロニュートンオーダーの微小運動量流束の計測技術を確立した．また，次年度以降のプラズマ揺動計測に必要なデータロガーや解析コードの構築を進めた．
5- PICシミュレーションコードを構築し，プラズマ発生部と磁気ノズルを包括して解析可能なコード開発を進めた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
大電力高周波プラズマ源に関しては，研究途中での駆動周波数の変更が効果的であるとの結論にいたり，これに伴い若干の実験の遅れが生じた．一方で，プラズマ電位をゼロとすることが可能な手法の発見があり，システムから電場を排除し，電子流と磁気ノズルのみの相互作用を観測可能な実験系を構築でき，運動量変換素過程の解明につながる独創的な実験が展開可能となった．また運動量ベクトル計測器の開発や揺動計測システム構築など，本研究の基盤技術の構築を着実に進めることが出来たため，研究はおおむね順調に進展しているといえる．
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度に開発・構築したプラズマ発生方式，計測システム等を駆使して，２年目以降に本格的なデータ収集を始める予定である．特に，局所運動量の計測や推力計測に注力し，推力発生とプラズマダイナミクスの関連性を総合的に理解することで，将来的な大電力電気推進機開発に向けた学術的な基盤構築を目指す．
また，プラズマ中の揺動計測や電子の熱力学的特性の評価を高精度で進めることで，内在する物理諸現象の詳細解明に向けた実験研究を展開する．これらの結果と計算機シミュレーションの結果を比較・検討することで，総合的な理解を進める．また必要に応じて，国際共同研究展開を図り，磁気ノズルプラズマ流が織りなす学術研究を発展させる．
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