表面波励起プラズマを用いた超小型プラズマスラスターの研究開発

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14655364
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 斧 高一 京都大学, 工学研究科, 教授 (30311731)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 和生 京都大学, 工学研究科, 助手 (50335189) ; 節原 裕一 京都大学, 工学研究科, 助教授 (80236108)
• Keywords: 電気推進 / プラズマスラスター / マイクロ波励起プラズマ / 表面波励起プラズマ / 超小型電気推進 / 超小型プラズマスラスター / 半導体マイクロ波素子 / MEMS

Research Abstract

本研究課題における超小型プラズマスラスターは、マイクロ波を励起源としたミリメートルサイズの軸対称表面波励起プラズマ源(直径2mm、長さ10mm)と、該プラズマを真空中に放出して推力を得るためのマイクロノズル(スロート直径0.2mm)から成る。本年度は、(1)まず、マイクロノズルにおけるプラズマ流れの解析について、粘性・熱伝導係数の温度依存性、輻射損失、およびノズル壁条件を詳細にモデル化することにより、マイクロノズル流れでは流れの境界層がノズル空間の寸法と同じ程度になり超音速流れが十分に発達しないこと、そのため推力に関して運動量推力のみならず圧力推力の寄与が20〜40%と顕著になること、を明らかにした。(2)さらに、軸対称表面波励起プラズマ源とマイクロノズルを機械加工により製作し、半導体素子を用いた小型マイクロ波増幅器からのマイクロ波(周波数4GHz,パワー10W)を導入することによりアルゴンプラズマ生成とプラズマの真空中への超音速膨張を実証した(アルゴンガス流量100〜500sccm)。ここで、超小型プラズマ源に対するマイクロ波パワーとガスの導入に関するコンパクトな軸対称構造、およびプラズマの初期点火方法を考案した。(3)また、超小型スラスターの推力測定のための装置について調査・検討を行い、測定システムの設計を行った。来年度(最終年度)は、モデル計算と機器製作・実験を相補的に推進し、超小型プラズマ源およびノズル流れの特性解明と最適化を行うとともに、推力の測定を行い、超小型プラズマスラスターの設計指針と今後の課題をまとめる。

Research Products

• [Publications] H.Kousaka, K.Ono: "Fine structure of the electromagnetic fields formed by backward surface waves in an azimuthally symmetric surface wave-excited plasma source"Plasma Sources Science and Technology. Vol.12,No.2. 273-286 (2003)
• [Publications] Y.Takao, K.Ono, K.Takahashi, Y.Setsuhara: "Micro plasma thruster using azimuthally symmetric surface-wave discharges excited by microwaves : A numerical and experimental study"Proceedings of the 16th International Symposium on Plasma Chemistry, ISPC-16, Taormina, Italy, July 2003. Paper Or5.10 (2003)