2017 Fiscal Year Annual Research Report
高精度テーラーメイド宇宙環境試験のための非熱平衡系多成分高速原子ビーム形成技術
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26289322
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
田川 雅人 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横田 久美子 神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 宇宙環境 / 原子状酸素 / 複合環境 / 材料劣化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
広範な宇宙環境での材料劣化現象を地上シミュレーションするには、これまでの原子状酸素のみの試験ではなく、異なるエネルギーで同時衝突する重元素を含んだ分子衝突を再現できるシミュレーション技術が必要となる。さらに実宇宙環境を完全には再現できない現状では、地上試験環境で定量性を担保するには表面科学をベースにした原理的な理解が不可欠となる。本申請では、①世界初となる非熱平衡混合原子・分子ビームを発生させる技術開発、②放射光などの先進表面分析の導入による複雑反応系における化学反応メカニズム解明と定量推定精度向上、さらに、③衛星搭載用センサーとその地上キャリブレーション法を同時開発することによる超小型衛星等を用いた高信頼性日本型非回収宇宙材料曝露試験法の確立を目指す。これらにより、世界に先駆けてサイエンスに立脚した広範な宇宙環境に適用可能な軌道上曝露試験の基盤技術を確立することを目標としている。
平成26年度には多成分ビームを形成するためにPSVへ任意の組成の混合ガスを供給可能な高精度ガス混合器（MAPMix9000システム）を新たに導入し、その動作確認とオペレーション条件の最適化を行い、27年度には各種条件でMAPMix9000システムを実際に運用し、形成されたビームのチャラクタリゼーション結果から安定性評価と運用条件の最適化を行った。28年度には混合プラズマからのEUV測定を行い、プラズマ内での分子間衝突によるエネルギー遷移過程を明らかにするとともに、EUVを効果的に抑制する方法を見出した。平成29年度にはMAPMix9000システムでは不可能な単一ノズルから独立に2種類のビームを形成する技術実証と、ノズル形状によるビーム組成変更技術の確立を実施する予定であったが、前者の装置調整が難しいこと等の理由により研究遂行が遅延している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
混合ターゲットガスを用いた場合には、レーザープラズマ内の原子・イオン過程が複雑化するため、ガス種によりレーザー解離・加速メカニズムが異なることが考えられる。そこで、ガスの組成や混合比を変化させた場合に、各成分がどの程度のエネルギーまで加速されるかを測定し、宇宙環境実験に適した速度分布を得られる条件を探索することを目標として、平成26年度には高精度ガス混合システム（MAPMix9000システム）の導入、平成26-27年度には同システムを実際に運用し、ビーム安定性評価と運用条件の最適化を行った。その結果、バッファータンクの設置と予備運転により所定の混合比の原子ビームを安定にPSVからノズル内に導入できることが確認された。さらにArとO2を混合させることによりレーザーを照射しない場合には分子量に依存する熱平衡状態のビームが形成されるが、レーザーを照射することにより分子量に依存しない同一速度（異なるエネルギー）の非熱平衡状態の超熱原子ビームが形成されること等が明らかになった。平成28年度にはアルゴンおよび酸素混合プラズマからの極端紫外線(EUV)測定を実施し、プラズマ素過程の解析を行った。またアルゴン添加がレーザー誘起酸素プラズマ形成に及ぼす効果と材料試験への影響について研究を行った。平成29年度には単一ノズルから複数のビームを独立に形成する技術実証、ノズル形状によるビーム組成変更技術の確立を実施したが、前者の装置調整が難しく実験の実施に時間を要した。これらを実施する過程で、米国製PSVが不調となり実験効率が一時的に極端に低下したこと、エフォートを申請しているにも関わらす研究分担者の本課題への参画が制限されるなどの状況が続いたこと、さらに参加を予定していた国際会議の年度を跨いだ開催延期や研究代表者の健康上の問題等も重なり研究の遅延が生じたため研究期間の延長を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
MAPMix9000システムの導入と運用条件を確立した平成26年度、ビーム形成評価を行った平成27年度に引き続き、平成28年度にはノズル内に導入した混合ガスにレーザーを照射し、超熱混合原子ビームの形成とそのキャラクタリゼーションを行い、現在までに超低軌道における重分子衝突についての詳細分析と、重分子の持つ運動エネルギーあるいはモーメンタムトランスファーによって吸着分子を含んだ表面反応系における脱離速度の増速効果が確認されている。さらにレーザープラズマから放射される極端紫外線の分光分析によるプラズマ内で形成される多価イオン種等の解析を併用することで、混合ガスレーザープラズマの解析とビーム形成特性の関連付けを行っている。しかしながら、本プロジェクト実験中に本システムのキーコンポーネントである米国製パルスバルブが不調となり実験を行うことが困難となったため、同様の機能を有するパルスバルブを自家設計・製作し実験を再開した。その後の実験は順調に実施されている。新型のパルスバルブを用いた飛行時間スペクトル測定に加えて、また、新型パルスバルの特性を生かして、これまで不可能であった単一ノズルから複数のビームを形成する技術実証、ノズル形状によるビーム組成変更技術実証については実験実施に時間を要しているが、期間延長により当初の目標をクリアできる見込みである。さらに、開催が延期されていた本分野における国際会議（ICPMSE）の開催が2018年10月に決定したことから、同国際会議での成果発表を行うことで、本プロジェクトの成果を国際的にも発信する予定である。
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| Causes of Carryover |
2017年5月に長期入院・手術を行ったため実験の進捗が停滞したこと、多成分原子ビームの調整が難しく実験のスループットが低くなったこと、本分野における世界最大級の国際会議であるICPMSEの開催が2018年に延期されたこと等の理由により期間延長を行った。これにより2017年度の使用額が予定を下回った。現在は健康上の問題も解決したため、2018年度には研究の順調な遂行と上記国際会議が開催されるたことを勘案した使用計画が立案されており、本年度における研究の遂行には特に問題は生じないと考えている。
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Research Products
(11 results)
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[Journal Article] Soft X-ray irradiation effect on the fluorinated DLC film,” Hiroki Takamatsu, Makoto Okada, Masahito Niibe,2017
Author(s)
XiaoLong Zhou, Kenji Komatsu, Hidetoshi Saito, Hiroki Akasaka, Akihiko Saiga, Koji Tamada, Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Yuichi Furuyama, Kazuhiro Kanda,
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Journal Title
Diamond and Related Materials,
Volume: 79
Pages: 14-20
Peer Reviewed
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