目次
第1章

序論 .................................................................................................. 1

1.1

背景 ........................................................................................................... 1

1.2

研究目的 ................................................................................................... 3

1.3

重力波 ....................................................................................................... 4

第2章

推進器 .............................................................................................. 62.1

電気推進器 ................................................................................................ 6

2.2

イオンスラスタ ........................................................................................ 82.2.1

作動原理 ............................................................................................. 82.2.2

ビーム引き出し................................................................................ 10

2.2.3

イオンの中和 ................................................................................... 132.3マイクロ波放電型イオンスラスタ ......................................................... 14

2.4

電子源 ..................................................................................................... 15

2.4.1

フィラメントカソード .................................................................... 15

2.4.2

電界放出型カソード ........................................................................ 16

2.4.3

ホローカソード................................................................................ 172.5マイクロ波放電型中和器 ........................................................................ 19第3章

実験体系 ......................................................................................... 21

3.1

実験装置 ................................................................................................. 21

3.1.1

小型真空容器 .................................................................................... 21

3.1.2

イオン源 ........................................................................................... 24

3.1.3

グリッド ........................................................................................... 27

3.1.4

パルス駆動回路 ................................................................................ 30

3.1.5

イオンコレクタ ................................................................................ 31

3.1.6

その他の機器 .................................................................................... 32

3.2

実験 ......................................................................................................... 34
3.2.1

duty 比可変範囲測定 ..................................................................... 34

3.2.2

イオンビーム電流計測 ................................................................... 35

3.2.3

イオンビームプロファイル ........................................................... 36

第4章

実験結果と考察 .............................................................................. 37

4.1

duty 比可変範囲測定 ........................................................................... 37

4.2

イオンビーム電流計測結果 ................................................................. 40

4.3

イオンビームプロファイル結果 .......................................................... 49

第5章

結論と展望 ..................................................................................... 53

謝辞

第1章
1.1

序論

背景

近年，地球観測や天文観測といった様々な宇宙開発計画が世界中で実行されている．日本では，2014 年 12 月 3 日に宇宙航空研究開発機構 JAXA を中心として種子島宇宙センターから打ち上げられた小惑星探査機「はやぶさ２」が耳に新しい．この小惑星探査機「はやぶさ 2」は，小惑星イトカワのサンプルを持
ち帰り 2010 年 6 月 13 日に地球へ帰還した小惑星探査機「はやぶさ」の後継機であり，太陽系の起源を解明する手がかりを得ることを目的としている (1-1)．
「はやぶさ２」は太陽系の代表的なタイプである S 型，C 型，D 型の小惑星がある中，「はやぶさ」が調査した S 型小惑星のイトカワと比較し，より始原的な天体で，同じ岩石質の小惑星でありながら有機物や含水鉱物をより多く含んでいると考えられる C 型小惑星を目指している．このように「はやぶさ」や「はやぶさ２」は実際に天体から採取したサンプルを分析することで生命の起源に迫っている．この他にも重力波を観測することで宇宙誕生の謎を解明することを目的とした計画がある．質量を持った物体が加速度運動をすると，その物体の周囲の時空の歪みが空間を伝播していく．この波が重力波と呼ばれ，その存在は一般相対性理論の一つの帰結として理論的に予言されている．重力波は，物体との相互作用が非常に小さく，強い透過力を持つため，高密度天体の天文現象の内部を直接観測する新しい手段となり得る．
重力波の検出や，それによる天文学の創成を目指した研究は 1960 年代から行われており，現在までに世界中で大型重力波検出器が建設され，本格的な観測が始められている．これらの検出器は，連星中性子星の合体や超新星爆発によって発生する 100 Hz-1 kHz の重力波をターゲットとしており，銀河系やその近傍の重力波イベントがあれば検出できるだけの感度が実現されている．しかし，このようなイベントが起こるのは極めて稀と考えられ本格的な天文学を行うには十分な観測体制ではない．十分な観測体制にするには検出器の感度を上げ，観測することができる重力波源までの距離を広げることや，検出器が観測できる周波数帯を広げるなどの改良が必要とされる (1-2)．
1

現在，アメリカ合衆国や日本では，次期計画として，より高感度で重力波を検出する検出器を建設する計画を進めている．現在の地上検出器が十分な感度を持つことができるのは地面振動の影響を避けることができる 10 Hz 以上の周波数帯であり，観測対象は連星中性子星の合体や超新星爆発などのコンパクトで激しい天体現象が主となっている．
一方で，10 Hz より低周波の重力波を観測し，重力波によって宇宙誕生の謎を解明することや，多様な天文現象を観測するために，重力波検出器を宇宙空間に打ち上げる宇宙重力波計画 DECIGO が 2020 年前後を目安に進められている．宇宙空間では，地上検出器で問題となっていた地面振動の影響が無く，さらに，重力波の検出に用いるレーザー干渉計の基線長を長くとることができる
ため，低周波数の重力波に対する感度を高めることが可能となる．また，DECIGO は 0.1～10 Hz の周波数帯に感度を持ち， KAGRA などの地上検出器(1-3)や LISA(1-4) では捉えることが困難な，宇宙論的な距離にある波源からの重力波や，初期宇宙起源の重力波を観測することができる．DECIGO のレーザー干渉計のミラーはスラスタによって筐体の所定の位置に制御されなければいけない．そのため，筐体に働く太陽風の外乱やスラスタノイズを打ち消すために推力可変なスラスタが必要となる．本研究では DECIGO に用いるイオンスラ
スタの開発を目指すものとする．

2

1.2 研究目的
本研究では，重力波を通して宇宙誕生直後の世界を直接観測し，宇宙誕生の謎を解き明かすこと，ダークエネルギーの性質を解明すること，銀河に存在するブラックホール形成の観測を目的とした宇宙重力波望遠鏡 DECIGO に用いられるスラスタの研究を目的とする．
DECIGO に用いるスラスタは高精度の制御を実現するために，高感度のローカルセンサーと低雑音のスラスタが必要となる．具体的には，太陽輻射圧などの外力を抑圧するために最大推力 100μN，自身の雑音が問題とならない推力雑1

音 0.1μN/𝐻𝑧 2 ，広いドラッグフリー制御を実現するための応答速度 10Hz 以上，長期間の運用にたえることのできる総インパルス104 以上で， マイクロ波の投入電力が 2W， 推進剤流量 0.05 sccm で 3 mA の電流を引き出すことのできるスラスタが求められる．
100μN 級のスラスタとして， イオンスラスタ， フィープスラスタ， コー
ルドガスジェットといったスラスタがあるが， フィープスラスタは宇宙を汚すこと， コールドガスジェットは性能・燃費が悪いことを考慮し， 比推力が高く， 長期ミッションに適したイオンスラスタを用いる．
DECIGO では 0.1～100 μN の推力が必要となるため， 本研究では 1000 倍の可変範囲をもったイオンスラスタを目標とする．
イオンスラスタは放電室内部において，推進剤であるキセノンにマイクロ波を投入して，推進剤をプラズマ化する．そして，スクリーングリッドとアクセ
ルグリッドの間に与えられた電位差でプラズマ化したイオンを加速させ，その反作用で推力を得るというしくみになっている．そこで，スクリーングリッドには一定の電圧を印加し，アクセルグリッドにパルス的な電圧を印加させる．
Duty 比を制御することでイオンを加速させる時間を変化させ， 推力を変化させるマイクロ波の投入電力，推進剤 Xe の流量，引き出す電流それぞれの目標値
は表 1 のとおりである．
表 1 目標値
投入電力(W)流量(sccm)

定常電流(mA)

推力可変範囲(μN)

2

0.05

3

0.1－100

3

1.3

DECIGO

本研究は DECIGO に使用できる推力可変イオンスラスタを開発することを目的としており，DECIGO は重力波を検出することを目的としている．重力波はアインシュタインの一般相対性理論によると，質量をもった物質が動くと，時空にゆがみが光速で潮汐的に伝わっていく．これが重力波であり，重力波は，すべてを貫通し，減衰しないと考えられており，これは電磁波と同様に空間を伝播する．重力波は Einstein 方程式を，弱い重力場を仮定し，線形近似することで導くことができる．

図 1.1

重力波の伝播(1-5)

検出には基本的にマイケルソン・レーザー干渉計が用いられ，これはミラー，
光検出器，ビームスプリッターで構成されている．ビームスプリッターの一方に置かれた光検出上では干渉縞が表れており，干渉計に重力波が到達すると，一方の腕の光路長が伸び，もう一方の腕の光路長が縮むため，干渉縞の明暗が変化する．この明暗を観測することで重力波を検出することができる．

4

図 1.2

図 1.3

重力波の検出(1-5)

DECIGO の概念図(1-6)

5

第2章
2.1

推進機

電気推進機 (2-1)

宇宙機の推進方式として，電気推進機と化学推進機の 2 種類があり，電気推
進は化学推進と比較すると，推力は劣るものの比推力が約 10 倍あり，必要な燃料を大幅に減らすことができ，長期ミッションには適した推進方式となっている．電気推進機には，アークジェット，ホールスラスタ，イオンスラスタといった種類がある．それぞれの推力密度と比推力を図 2.1 に示す．また，電気推進機は推進剤の加速方式により電熱加速型，電磁加速型，静電加速型の 3 種類の分別することができる．

電熱加速型：推進剤をジュール加熱して生成した高エントロピーガスがノズルを介して空気力学的に加速され推力を得る

電磁加速型：プラズマ化した推進剤を直行する電磁界によって発生するローレ
ンツ力で加速して推力を得る

静電加速型：プラズマ化した推進剤中のイオンを推力方向に印加された電界により静電加速することで推力を得る

図 2.1 推進機の推力密度と比推力6目的とするミッションにより，必要とされる推力密度，比推力が異なるので適切な推進方式を選択する必要がある．電気推進機の主な特徴として以下の 3点がある(2-2) ．

1. エネルギー源と推進剤を個別に調達し，任意の割合で調合

2. 推進剤に化学的に不活性な物質を利用

3. 加熱や加速に電熱的，静電的，電磁的手法を応用

2.2

イオンスラスタ (2-3)

2.2.1 作動原理
イオンスラスタはアーク放電やマイクロはなどで推進剤を加熱・電離させてプラズマを生成し，2 枚からなる多孔状の電極に約 1000 V の高電圧を印加させてイオンを加速するという静電加速型の推進装置である．イオンスラスタの物
理過程は，①推進剤を電離するイオン生成部，②生成されたイオンを静電的に加速して推力を得る加速部，③放出されたイオンビームを電気的に中和する中和部の 3 つの領域からなる．また，イオンスラスタはスラスタのプラズマの生成方式によってその分類を行うことが多く，これまでに研究されてきているイ
オンエンジンは大きく次の 4 種類に分類できる．

1. 直流放電型：プラズマの生成時に，熱陰極からの電子による電離衝突を用いる(2-4)．

2. 高周波誘加速型：RF（Radio Frequency）型とも呼ばれ，高周波を放電室外部から加えることで電子に電離衝突に必要なエネルギーを与えプラズマを生成する(2-5) ．

3. マイクロ波放電型：ECR（Electron Cyclotron Resonance）型とも呼ばれ，
7

マイクロ波により静磁場中の電子を共鳴的に加速・加熱することで，電子による電離衝突がなされる (2-6)(2-7) ．

4. 接触電離型：推進剤よりも仕事関数の大きい物質に推進剤を接触させることでイオン生成を行う．

図 2.2 イオンスラスタの概略図

2.2.2 ビーム引き出し
プラズマは正イオンと電子の密度が等しく，正と負の空間電荷量が釣り合った電位的に安定な状態にある．プラズマの空間電位に対して負の電位を持つ電極が存在すると，空間電荷のバランスが崩れ電子は反発されて正イオンの空間
電荷だけが存在するシースが形成される．プラズマ中の電子はイオンと比較して移動度が大きく，エネルギー分布を持っているため，イオンから取り出されるときにはイオンは遷移領域を経てからイオンシース領域において加速される．
このときプラズマから取り出されるイオン電流量のことをイオン飽和電流と呼び，イオン飽和電流密度𝐽𝑝𝑖 はイオンシースが安定に存在する条件から求めることができ，以下の式(2-1)で表される．
8

𝐽𝑝𝑖 = 𝑒𝑛𝑝 (𝑘𝑇𝑒 1
1)2 exp⁡(− )
𝑚𝑖
2

(2-1)

この式からイオン飽和電流密度はプラズマ密度と電子温度の平方根に比例する
ことがわかる．しかし，プラズマからイオンを引き出す場合は，イオン自らがもっている正の空間電荷によって電界が変化し，その電界がイオンビーム電流量を制限する．また，イオンシース領域において，電流密度𝐽0 と電極間の印加電
圧𝑉0 を用いて以下の式(2-2)のような関係がある．
3

4𝜀0 2𝑞 1 𝑣0 2
𝐽0 =
( )2
𝛾
9 𝑚𝑖 𝑑 2(2-2)

この式は，Child-Langmuir の式と呼ばれ，荷電粒子ビームの加速進行方向に対して輸送する場合の最大電流密度を表す．1 つの孔から引き出すことができる最大のイオンビーム電流は，理想的には引き出し電圧の 3/2 乗に比例して増加する．しかし，イオンは質量が大きいので速度が遅いので空間電荷効果を受けや
すい．また，与えられた電極間隙」に対し絶縁破壊電圧が存在することなどから，イオンビームの大きさには上限値がある．多量のイオンビームを得たい場
合は孔の数を増やせばよい．
イオンスラスタでは，プラズマ生成部で発生した正イオンを静電界によって加速することでイオンビームの引き出しが行われる．イオンビームの引き出し部はプラズマに接しているスクリーン電極と 1 mm 程度の短い間隔で置かれる
加速電極，減速電極で構成されている．本研究では減速電極は使用しない．各
電極には内径 1～3 mm の孔が多数あけられ，その開孔率はスクリーン電極で約70 %，加速電極で約 25%となっている．イオンビームの下流領域には中和器から放出された電子やイオンとスラスタから漏出した中世粒子との電離反応で生じた電子が存在し，ビームプラズマと呼ばれるイオンビームと，それを取り囲
むようにプラズマが存在した状態が形成されている．これらの電子が引き出し部を通ってプラズマの生成部へ逆流しないようにアクセル電極が負の電位領域を形成している．
9

図 2.3 イオン源とイオンビーム引き出し

図 2.4 イオンシース領域への遷移102.2.3 イオンの中和
イオンスラスタの外側に設置された中和器でイオンビームの中和が行われる．
イオンスラスタが正のイオンを噴出するとイオンスラスタは負に帯電するため，噴出されたイオンが再び引き戻されるため推力発生が不可能になる．このため，噴出したイオンと同数の電子を放出する必要がある．

図 2.5 単孔から抽出されるイオンビーム

図 2.6

イオンビーム引き出し軸方向電位分布112.3 マイクロ波放電型イオンスラスタ
マイクロ波帯域の交流電界で電子を加速し，この電子が中性粒子と電離衝突してプラズマを生成，放電を維持するマイクロ波放電型をイオンスラスタに用いることで 3 つのメリットがある．

1.

スラスタの長寿命化と構造の簡略化

2.

単一マイクロ波源から互いに電位の異なるイオン源・中和器プラズマの同時生成が可能3.

スラスタの迅速なスタートが可能

図 2.7 マイクロ波放電型イオンエンジンの概念図

12

2.4
2.4.1

電子源
フィラメントカソード

タングステン等の高融点金属を加熱することで，一部の電子が熱エネルギーを得て電子を放出する装置である．また，フィラメントカソードは 3 章のイオ
ンビームプロファイル・イオンビーム計測にも使用している．図 2.10 にイオン
スラスタのイオンビーム放出口の下流 25mm 地点にフィラメントカソードを設置した図を示す．また，この実験において電源から約 2A，8V 印加した．

図 2.8 フィラメントカソード

132.4.2電界放出型カソード

電界放出型カソードは，金属表面に強い電界を加えることで電子を放出する装置である．先端の尖った金属表面とゲートと呼ばれる電極の間に電圧を印加することで，強電界を生み出し，金属内の自由電子がトンネル効果によって放出される．1 つの素子あたりの電子電流は数 A のオーダーであるので，多くの素子を集めるアレイとして用いられる．電界放出型カソードには針状の金属を用いたスピント型とカーボンナノチューブを用いたカーボンナノチューブ型がある．図 2.11 に電界放出型カソードの概念図を示す．

図 2.9

2.4.3

電界放出カソードの原理

ホローカソード

ホローカソードは直流放電型イオン推進器システムの主放電電子源や中和器として利用されているプラズマ源である．ホローカソードの中心部は空洞であり，オリフィスを介し内部の熱電子放出電極とキーパー電極の間に直流放電を起こしプラズマ連続生成する．オリフィスにより，内部の作動ガスの中性粒子密度を高め，低ガス流量においても比較的高いプラズマ密度が得られ，高い電子電流が得られる．
インサートには，バリウム化合物などの熱電子放出を促す物質が含浸された
仕事関数の低いポーラスタングステンが用いられる．作動には外部に巻かれたヒータを加熱することにより熱電子を放出させる．この電子と作動ガスである
14

中性粒子が衝突，電離することで電子と正イオンが生成される．このイオンがインサートに衝突して二次電子が放出することにより放電が自立する．フィラ
メントのように単純に熱電子だけを放出しているわけではない．
インサートに用いられているバリウム化合物などのアルカリ土類金属の酸化物は，活性ガスである大気などに触れると水蒸気と反応して水酸化物を形成し，再びもとには戻らず陰極として使えなくなる．このため，打ち上げ前の地上で大気に暴露しないように窒素パージなどを行う必要があり，また低軌道上のように活性ガス密度が無視できない場合もある．さらにインサートは作動時には高温に加熱する必要があるので，作動数分前からヒートによる予熱の必要がある．ヒータは作動サイクルと共に高温と極低温の厳しい温度サイクルにさらされることとなり，ヒータの断線といった推進器全体にとってクリティカルな不具合が発生する場合もある．

図 2.102.5

ホローカソードの断面図

マイクロ波放電型中和器

マイクロ波放電型中和器は中和器内部の一次電子はイオン源同様に ECR 加
熱によるプラズマから供給される．放電室内ではフロントヨークとバックヨー
クの間で磁気ミラーが形成されており，プラズマ中で生成された電子は，磁力線に沿ってヨークに近づくがヨークの周りの強い磁場により逆側のヨークへ跳15

ね返される．電子はこのように磁気ミラー間を往復する間に，マイクロ波の電界により加速され，中性粒子に衝突し，プラズマが生成されていると考えられている．また，磁気ミラー間に ECR 領域が含まれると，そこで電子が共鳴的に加速されることで，より効率よくプラズマを生成することができる．
イオンは引き出された電子の代わりに壁面に入射し，壁に衝突したイオンは再結合して再びプラズマの材料として利用されるため低流量での作動が可能となる．中和器は専用の電源によって負にバイアスされており，生成されたプラ
ズマから電子が外部に向かって引き出され，オリフィス付近でさらに電離衝突を起こして電子を増加させる．また，中和器オリフィスから出るプラズマジェ
ットがイオンビームと接触することで，電子の通り道を作り，中和器から放出された電子がイオンビームへの到達が容易になっている．仮に電子のみを放出
した場合，空間電荷により中和器付近で電子の移動が阻害され，電子を加速させるための引き出し電圧が増加して電力も増加するため不利である．中和器電圧は中和器の性能に直結し，性能が良いと低い中和器電圧でも効率的に電子を生成し，イオンビームに供給できるが，内部の劣化やマイクロ波電力の低下などで徐々に性能が低下すると電子を引き出すために，より大きな電力が必要になる．

図 2.11マイクロ波放電型中和器の概要図
16図 2.122.6

ECR 放電によるプラズマ生成

イオンコレクタ

ホールスラスタから排出されたイオンビームの測定にはイオンコレクタを使用した．イオンコレクタの外観を図 2.13 に示す．イオンコレクタは 40 mm×40 mmのカーボンの中心に直径 9 mm の円盤状イオン捕集用コレクタを取り付けたものである．コレクタには-30 V が印加されており，イオンの捕集及び電子の追い返しを行っている．また，コレクタのみではコレクタの電位が周囲のプラズマに擾乱を引き起こし，イオン軌道を曲げてしまったりコレクタから二次電子が放出されたりし，実際のイオン電流よりも大きい信号が出てしまう．そこで，コレクタの周囲に取り付けたカーボンにも同様に-30 V を印加し，コレクタ周囲
でのプラズマの擾乱を防いでいる．ホールスラスタから排出されたイオンビー
ムの一部はチャンバ内に存在する背景ガスと電荷交換衝突を起こす．電荷交換
衝突とは，高速のイオンが低速の中性粒子と衝突し，電荷のみの交換を行い，低速のイオンと高速のイオンになる反応のことである．以下にその反応式を示
17

す．
+
+
𝑋𝑒𝑓𝑎𝑠𝑡+ 𝑋𝑒𝑠𝑙𝑜𝑤 ⁡ → 𝑋𝑒𝑓𝑎𝑠𝑡 + 𝑋𝑒𝑠𝑙𝑜𝑤

(2-3)

++
⁡
+
+
𝑋𝑒𝑓𝑎𝑠𝑡+ 𝑋𝑒𝑠𝑙𝑜𝑤⁡ → 𝑋𝑒𝑓𝑎𝑠𝑡+ 𝑋𝑒𝑠𝑙𝑜𝑤(2-4)

電荷交換によって生成された低速のイオンはもともと等方散乱する中性粒子であるため，スラスタ由来のイオンビームとは異なる方向へと飛んでいく．そのためイオンコレクタによって得られる値は電荷交換衝突を考慮しなければならない．

図 2.13

イオンコレクタ18

第 3 章 実験体系
3.1 実験装置
3.1.1 真空容器
実験には，宇宙空間の環境を模擬するために，本研究室が保有している内径
0.6 m，長さ 1 m の円筒型 SUS 製真空チャンバと宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所の直径 2.5 m， 長さ 5 m の大型真空容器（スペースサイエンスチェンバ）を使用した．この小型真空容器は全実験を通して電気的にアースされ，基準電位となっている．

小型真空容器

円筒型 SUS 製真空チャンバ（図 3.1）

・ロータリーポンプ 1 台 (排気速度 900 l/sec)
・ターボ分子ポンプ 1 台 (排気速度 520 l/sec)
ロータリーポンプは粗排気用に，ターボ分子ポンプは高真空時にそれぞれ使用した．到達圧力は 0.6×10−5 Torr であった．圧力の計測にはピラニーゲージとイオンゲージを用いた．それぞれの写真を図 3.2 に示す．

大型真空容器スペースサイエンスチェンバ（図 3.3）

・ターボ分子ポンプ

1 台(排気速度 3400 l/s)

・クライオポンプ 2 台(排気速度 28000 l/s)
真空排気にはメカニカルブースターポンプ 1 台とロータリーポンプ 2 台で粗排気を行った後，ターボ分子ポンプ 1 台とクライオポンプ 2 台を用いて高真空まで排気する．

19

図 3.1

図 3.2

小型真空容器ピラニーゲージ(上)とイオンゲージ (下)20図 3.3

スペースサイエンスチェンバ

3.1.2 イオン源
本研究では，平岡が設計した中和器と杉田が設計したイオンスラスタ (3-1)をイオン源として使用した．杉田が設計したイオンスラスタを図 3.4 平岡が設計した中和器を図 3.5 に示す．以下より，杉田のイオンスラスタをイオン源 A，平岡が設計した中和器をイオン源 B とする．イオン源 A は 50×50 mm の箱型で Al
製の放電室の周りに 4×4×12 mm のサマリウムコバルト磁石（Sm-Co 磁石）を9 個設置し，長さ 12 mm 内径 21 mm の放電室を採用している．この磁石は脆くて欠けやすい欠点があるが，高い磁気特性を持ち，また温度特性に優れ高温での使用にも比較的向いている．イオン源 B は銅製で，長さ 32 mm，内径 21 mm，
外径 25 mm の放電室を採用しており，放電室の周囲に 4×4×12 mm のサマリウ
ムコバルト磁石を 9 個配置し，それらをバックヨーク，フロントヨークと呼ばれる軟鉄製部品で挟んでおり，放電室周囲の磁石の数によって内部磁場の形状を変更することができ，フロントヨークの内側にもサマリウムコバルト磁石を図 3.6 のように 3 つ配置している．これらのサマリウムコバルト磁石と放電室を挟むヨークによって磁気回路を形成している．外側のサマリウムコバルト磁石の数が 9 個のときの磁場形状を図に示す．すべての実験において放電室内部
21

に磁気ミラーを形成させ，効率よくプラズマを生成できるようにしている．マ
イクロ波周波数 1.6 GHz では 57 mT の位置で ECR 層を形成する．フロントヨー
クには直径 10 mm の穴が空いており，そこをオリフィスとしいている．この穴がイオンの放出出口となる．
バックヨークの中心に SMA コネクタを介してアンテナを固定した．アンテ
ナにはモリブテン製で，直径 1 mm，29 mm の円柱型で直線のものを採用した．
マイクロ波は SMA コネクタを通してアンテナに伝送している．

図 3.4

イオン源 A

図 3.6

図 3.5

イオン源 A の概略
22

イオン源 B図 3.7イオン源 B の概略

図 3.8 可視化したイオン源 B

図 3.9 フロントヨークの磁石配置

図 3.10イオン源 A の磁場形状23図 3.11

イオン源 B の磁場形状(T)

3.1.3 グリッド
本研究では自分で新しく設計したグリッドと杉田のグリッドの 2 種類のグリッドを使用した．杉田のグリッドは本研究の条件のもとに設計されたものではないため，新たにグリッドを設計した．以下より，杉田のグリッドをグリッド
A，新しく設計したグリッドをグリッド B とする．図 3.12 はグリッド A のアク
セルグリッドとスクリーングリッドの写真である．図 3.13 図 3.14 はグリッド Bのオリフィス側かと外側から見た写真である．グリッドには目標値の電流である 3 mA でイオンビームの発散角がより小さい値となるように，アクセルグリ
ッドとスクリーングリッドの厚さ，孔径の大きさを選んだ．それぞれの大きさは表 3.1 表 3.2 に示している．2 枚のグリッドは，スクリーングリッドをオリフィスプレートに固定し，その上からアクセルグリッドをセラミックねじで 1 枚に固定されている．グリッドの間隔は，グリッド A とグリッド B ともに 0.3 mmとなっている．

24

図 3.12

図 3.13

グリッド A (左：アクセルグリッド，右：スクリーングリッド)

グリッド (オリフィス側)

図 3.14

グリッド (外側)

表 3.1 アクセルグリッドとスクリーングリッドのパラメーター (グリッド A)
孔径 (mm)

厚さ (mm)孔数 (個)

ピッチ (mm)

アクセル

0.7

0.3

91

1.5

スクリーン

1.2

0.3

91

1.5

表 3.2 アクセルグリッドとスクリーングリッドのパラメーター (グリッド B)
孔径 (mm)

厚さ (mm)孔数 (個)

ピッチ (mm)

アクセル

0.7

0.3

19

1.5

スクリーン

0.9

0.4

19

1.5

25

また，この 2 枚のグリッドから出るイオンビームの軌道は図 3.15 図 3.16 のとおりである．グリッド A の発散角は 25.64°，グリッド B の発散角は 11.59°で，グリッド B の発散角が小さいことがわかる．グリッドを設計するためにイオンビーム軌道を計算する際には opt コード(3-2)(3-3)(3-4)を用いた．また，図 3.15 図 3.16のイオンビーム軌道は opt コードを使用した結果となっている黄線がイオンビ
ーム軌道，赤線がポテンシャルを示している．

図 3.15

グリッド間から出るイオンの軌道(グリッド A)

図 3.16

グリッド間から出るイオンの軌道(グリッド B)

26

3.1.4 パルス駆動回路
本実験において ON/OFF 制御し，アクセルグリッドにパルス的な電圧を印加するためにスイッチング電源などでよく見られるプッシュプル回路を使用した．
使用したパルス駆動回路を図 3.17 に示す．回路に使用した素子を表 3.3 に示す．

図 3.17

パルス駆動回路

表 3.3

使用した電子部品

フォトカプラ

A2400

インバータ

74HC04

セミコンダクタ

74HC08

ドライバー

IR2213MOSFET

2SK420727

3.1.4 その他の機器実験で使用したその他の機器を図 3.18～22 に示す．
•

マイクロ波系

マイクロ波発信機（図 3.18）によりマイクロ波を生成し，マイクロ波増幅器（図 3.19）によりマイクロ周波数 1.6 GHz まで増幅させ，アンテナを通してイ
オンスラスタ内へ伝送する．
•

計測系

イオンコレクタやグリッドに達するイオンビーム電流は電流プローブで測定
し，ON/OFF 制御するアクセル電圧は電圧プローブによって測定した．また，使用した電流プローブと電圧プローブ 100 MHz 帯までの計測が可能であるため，µs のオーダーでは問題なく計測することができる．

図 3.18

図 3.19 マイクロ波発信機

マイクロ波増幅器

図 3.20

図 3.21

計測機

28

電圧プローブ図 3.22 電流プローブ

29

3.2 実験
3.2.1duty 比可変範囲測定
グリッド A を付けたイオン源 A を用いて，duty 比の変更によるイオンの引き出しが可能か，またその可変範囲を調査するために，図 3.23 のように 2 枚のグリッド間に電圧を印加する実験を行った．パルス電圧の印加時間の duty 比，すなわち ON/OFF の時間比を制御することで推力を変化させ，推力の可変範囲を調べる．測定では信号の周波数や duty 比を変化させ，duty 比の可変範囲の測定をした．
測定した電流はイオンエンジン下流に設置したターゲット（イオンコレクタ）に流れ込むイオンビーム電流で，これはスクリーングリッドからアクセルグリッドを通ってイオンスラスタの外に出て行く電流と等しい．また ON/OFF する
アクセルに印加する電圧も計測した．スクリーングリッドには，500 V の電圧をかけており，アクセルグリッドに信号で 500 V の電圧が印加された時は電位差がなくなり，電流が流れない．信号がなくなると，500 V の電位差が生じて電流が流れる．使用したマイクロ波周波数は 2.45 GHz である．

図 3.23 電流引き出し実験概要30

3.2.2 イオンビーム計測
宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所のスペースサイエンスチェンバを使用
し，回路中の MOSFET を変更し、アクセル電圧をさまざまな周波数や duty 比
で ON/OFF したときにイオンスラスタから放出されるイオンビーム電流の計測を行なった．イオンビーム電流を計測するためにイオンスラスタ下流 80 mm 地
点にカーボン製のイオンコレクタとステンレス製のイオンコレクタの 2 種類を用いて，信号の周波数・duty 比を変化させたときのアクセル電流・スクリーン
電流・イオンビーム電流を計測した．また，それぞれのイオンコレクタによる
イオンビーム測定への影響を調査した．実験にはイオン源 A とグリッド A を使用し，プロファイル時と同様にイオンスラスタをシールドで覆うことで背景に存在する電子を引き付けないように設置してある．表にこれらの実験条件を示す．また，図 3.24 にそれぞれのイオンコレクタを設置したときの写真を示す．

表 3.3

実験条件

マイクロ波周波数

1.6 GHzマイクロ波投入電力

8W

推進剤流量

0．20 sccm

引き出し電圧

500 V

推進剤

Xe

推進剤流入時圧力

1．4×10−4 𝑃𝑎

図 3.24 イオンコレクタ（左：カーボン，右：ステンレス）
31

3.2.3 イオンビームプロファイル
宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所のスペースサイエンスチェンバを使用
し，イオンスラスタ（図 3.25）から放出されるイオンビームのプロファイルを行なった．プロファイルを行なうためにチェンバ内の 3 次元トラバース(図 3.26)を用いて，下流 750mm イオンビームに対して垂直方向にイオンコレクタを 25
mm 間隔で移動させ，それぞれの地点でのイオンビーム電流を計測した．また，外部の電子を引き付けないようイオンスラスタをシールドで覆い，さらに，イ
オンビームの発散を抑えるためにイオンスラスタ下流にタングステン線をフィラメントとして設置し，イオンスラスタにはイオン源 A にグリッド A を用いて実験を行なった．実験条件を表 3.4 に示す.コレクタは中心部のφ9 mm の円形コレクタと外側の同心円上コレクタの２つに分けられており，中心部のコレク
タに入ってくるイオン電流のみを測定した．これは寸法効果によってコレクタの端で電界が歪み，イオンの軌道が湾曲するため，この影響を受けないようにするためである
表 3.4

実験条件

マイクロ波周波数

1.6 GHzマイクロ波投入電力

8W

引き出し電圧

500 V

推進剤

Xe

推進剤流量

0.20 sccm

推進剤流入時圧力

1.3×10−4 𝑃𝑎

図 3.25 イオンスラスタ

図 3.2632

3 次元トラバース

第4章

実験結果・考察

4．1 duty 比可変範囲測定結果
回路に duty 比が 20%，周波数が 100 Hz の信号を入力した時のビーム電流の時間履歴を図 4.1 に，アクセルグリッドに印加された電圧の時間履歴を図 4.2 に示す．あらかじめ，スクリーングリッドには電源から 500 V の電圧がかかって
おり，アクセルグリッドに信号によって 500 V の電圧が印加されたときには，
スクリーングリッドとアクセルグリッドの間の電位差が 0 V になり，電流が流れていない．逆に，信号が無く，アクセルグリッドに印加される電圧が 0 V のときは，スクリーングリッドとアクセルグリッドの間に電位差 500 V が生じ，電流が引き出されていることが，この 2 つのグラフを比較して見ることによって確認することができる．
図 4.3 は，回路に duty 比 50%，周波数 1 kHz の信号を印加して引き出すことのできたイオンビーム電流をコレクタによって測定した結果である．正常に電流が引き出せている図 4.1 と比較して，電流の引き出しの立ち上がりに約 200µs の遅れが生じており，さらにスイッチングによる過剰電流が生じる結果となった．
図 4.4 は，回路に duty 比 0.1 %，周波数 1 Hz の信号を回路に印加して引き出すことのできた電流を測定した結果である．この場合も周波数を高くしたときと同様に，電流の引き出しの立ち上がりに約 200 µs の遅れが生じる結果になった．

33

図 4.1 信号と電流 (100 Hz)

図 4.2 信号と電圧 (100 Hz)

34図 4.3 信号と電流 (1 kHz)

図 4.4 信号と電流 (duty 比 0.1 %)

35

4.2

イオンビーム電流計測結果•

スクリーン電流とコレクタ電流の関係
図 4.5 から図 4.11 までスクリーングリッドに流れるイオンビーム電流 Is とス

テンレス製のイオンコレクタによって計測された電流 Ib の関係を表すグラフを示す．スクリーングリッドに流れるイオンビーム電流，すなわちスクリーン電
流 Is はスクリーングリッドに電圧を印加する配線ケーブルに流れる電流を電流プローブによって計測した結果となっている．
これらのグラフより，電圧の ON/OFF を行なうことによって引き出されるイ
オンビーム電流はスクリーングリッドを通過し，イオンコレクタによって計測されるまでに約 20 µs ほどの遅れが生じることが確認できた．これはイオンが電界によって加速され，グリッド間を通過し，コレクタによって計測されるまでに 20 µs ほどの時間がかかっているものだと考えられる．また，図 4.16 図 4.17のグラフではデータロガーの性能からアクセル電圧とイオンビーム電流のグラ
フの立ち上がりに遅れが確認できた．

Is
Ib

20

8

Is (mA)

4

10
2

5
0

0

-2

-5

-4

0

2

図 4.5

4

6

8 10 12time (ms)

14

16

18

スクリーン電流とコレクタ電流
100Hz 90%36

20

Ib (mA)

6

15

20

8

15

Is
Ib 6

Is (mA)Ib (mA)

4

10

2
5
0
0

-2

-5

-4
0

2

4

図 4.6

6

8 10 12time (ms)

14

16

18

20

スクリーン電流とコレクタ電流
100Hz 50%

8

16

Is
Ib

14
12

6

Is (mA)

8

2

6

0

4
2

-2

0

-4

-2
-4

-6
0

2

図 4.7

4

6

8 10 12time (ms)

14

16

18

スクリーン電流とコレクタ電流
100Hz 10%37

20

Ib (mA)

4

10

25

10

Is
Ib

20

5
0

10
5

-5

Ib (mA)Is (mA)

15

0
-10

-5
-10

-15

-15
-100

-50

0

50

100

150

200

time (s)

図 4.8

スクリーン電流とコレクタ電流
100Hz 1%

10
20

5
0
-5

0

-10
-10

Is
Ib

-15

-20

-20
0

1

2
3
time (ms)

図 4.9

スクリーン電流とコレクタ電流
500Hz 50%

38

4

5

Ib (mA)Is (mA)

10

10

Is
Ib 5

20
10
0

-5

-10

-10

-20

-15

-100 -50

0

50

100

150

200

250

Ib (mA)Is (mA)

0

300

time (s)スクリーン電流とコレクタ電流
500Hz

10%

Is
Ib

15

Is (mA)

1
0

5

-1
-2

0

図 4.11

3
2

10

-5
-0.1

4

-3
-4
0.0
time (ms)スクリーン電流とコレクタ電流
500Hz

39

1%

0.1

Ib (mA)

図 4.10•

アクセル電圧とアクセル電流の関係
図 4.12 から図 4.16 にアクセル電流 Va とアクセル電流 Ia の関係を示す．また，アクセルは図 4.12 から図 4.15 は 100 Hz で制御し，図 4.16 は 700 Hz で duty
比をそれぞれ変化させている．これらのグラフのアクセル電流に注目すると，duty 比 1%まではアクセル電流の ON/OFF の切り替えができていることが確認できた．また，アクセル電圧はパルス駆動回路によって電圧を ON/OFF 制御をしているが，アクセル電圧に関しては周波数や duty 比には依存せず，異常なく切り替えができていることが確認できた．

600

Va (V)

400

50

300

0

200
-50
100
0

-100

Va
Ia

-100
-2

0

2
4
time (ms)

6

-150
8

図 4.12 アクセル電圧とアクセル電流
100Hz 50%40

Ia (mA)

100

500

600
100
500

Va (V)

300

0

200

-50

100

-100

Va
Ia

0

Ia (mA)

50

400

-150
0

2
time (ms)

図 4.13 アクセル電圧とアクセル電流
100 Hz 10%

600
100
500

Va (V)

300

0

200

-50

100

Va
Ia

0

-100

-150
0.2

0.0
time (ms)

図 4.14 アクセル電圧とアクセル電流
100Hz 1%41

Ia (mA)

50

400

100

400

50

300

Ia (mA)

Va (V)

500

0

200

-50

100
-100

Va
Ia

0

-150
-10

-5

0

5

10

15

20

time (s)

図 4.15 アクセル電圧とアクセル電流
100Hz 0.1%

Va
Ia

600
10

500

5

300
0
200
-5

100
0

-10

-100
0

5
time (ms)

図 4.16 アクセル電圧とアクセル電流
700Hz 50%42

Ia (mA)

Va (V)

400

•

イオンコレクタの応答性（ステンレス製とカーボン製の比較）
図 4.17 にステンレス製のイオンコレクタでイオンビーム計測したときの結果，

図 4.18 にカーボン製のイオンコレクタでイオンビームを計測したときの結果を示す．また，図 4.17 図 4.18 はどちらも 100 Hz でアクセル電圧を制御し，duty
比 10 %の条件でイオンビーム電流を引き出している．これらのグラフより，ス
テンレス製のイオンコレクタではイオンビームを計測するまでに 10 µs の遅れが生じ，また，カーボン製のイオンコレクタではイオンビームを計測するまでに 100 µs の遅れが生じることが確認できた．
イオンビーム電流をイオンコレクタで計測する際は，イオンビームがコレクタに到達するまで約 10-100 µs の遅れが生じるため高周波数や duty 比が 99%であるときはコレクタによっては計測することが難しいことがわかった．これはコレクタの影響でスラスタ下流にプラズマが生成され、イオンビーム電流のON/OFF に影響を及ぼしているからだと考えられる．

8
500

Ib
Va

Ib (mA)

4

400

2

300

0

200

-2

100

-4
0
-6
-500

0

500

1000

time (s)

図 4.17

アクセル電圧とコレクタ電流

100Hz

10%

43

ステンレス

1500

Va (V)68

500

Ib (mA)

4

400
300

2

200

0
100
-2
0
-4
-2000

-1500

-1000

-500

0

500

time (s)

図 4.18

アクセル電圧とコレクタ電流

100Hz

10%

44

カーボン

1000

Va (V)

Ib
Va

6

4.3 イオンビームプロファイル結果•

イオンビームプロファイル（空間分布）

図 4.19 図 4.20 にイオンスラスタから放出されて出てくるイオンビーム電流に対して垂直方向に 25 mm 間隔で直径 9 mm のイオンコレクタを移動させそれぞれの地点でのイオンビーム電流について電流密度の空間分布を測定するためにプロファイルした結果を示す．また，図 4.19 は 100 Hz，図 4.20 は 500 Hz でア
クセル電圧を制御したときのプロファイル結果となっている．縦軸にイオンビーム電流（µA）横軸にイオンビームの中心からの距離（mm）としている．
これらのグラフからアクセル電圧の duty 比を制御することによって引き出す
イオンビーム電流を制御することができることが確認できた．また，それぞれのグラフを比較することによって，周波数を変化させることによる平均イオン
ビーム電流の違いは見られなかった．

•

イオンビームプロファイル（ビーム拡がり）
次に，イオンビーム電流密度の空間分布を測定し，ON/OFF 制御がイオンビーム拡がりに与える影響を評価した．図 4.21 図 4.22 に 100 Hz と 500 Hz でアクセル電圧を制御した図 4.19 と図 4.20 の結果をそれぞれの duty 比でのピーク電流で割った結果を示す．これらのグラフからイオンビーム電流の広がりは周波数や duty 比を変化させることによって変わりが見られないことからイオンビー
ム電流は周波数や duty 比には依存しないことが確認できた．また，95 %のイオ
ンビームの半頂角で定義されるイオンビーム発散角は duty 比や周波数によらず一定で約 20°であり、ON/OFF 制御によるイオンビームへの悪い影響は見られ
なかった。

•

推力算出
図 4.23 に図 4.19 の結果をもとにイオンビーム電流が一様に放出されていると仮定しイオンスラスタから放出される全体のイオンビーム電流を算出し，イオンスラスタの推力を算出した結果を示す．この結果からイオンビーム電流は45

約 6.7 mA となったがこの値はイオンビーム電流が広がっていることを考慮できていないため実際はこの値よりも小さくなると考えられる，また，推力の算
出には下式を使用した．
2𝑚𝑖 𝑉𝑏F = 𝐼𝑏 √
𝑒

0.999
0.99
0.5
0.1

40

ion beam current (μA)

35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-300

-200

-100
0
100
Distance (mm)

200

300

図 4.19 100 Hz (イオンビーム電流空間分布)

46

0.9
0.5
0.1

35

ion beam current (μA)

30
25
20
15
10
5
0
-300

-200

図 4.20500 Hz (イオンビーム電流空間分布)

-100
0
100
Distance (mm)200

図 4.21 100 Hz (ビーム拡がり)

47

300

図 4.22 500 Hz（ビーム拡がり）

250

thrust ()

200
150
100
50

thrust

0
0.0

0.2

0.4

図 4.230.6
duty ratio

0.8

推力（100 Hz）

48

1.0

第5章

結論と展望

本研究では，0.1-100 µN の推力可変範囲をもつイオンスラスタを開発することを目的とした。

•

信号を送るとその信号と同時に電圧を引き出すことができる回路を作成し ，
実験結果からも回路が正常に働いていることが確認できたことから
ON/OFF 制御システムが正常に動くことが確認できた．しかし，スイッチン
グ時間を速くするために高速 MOSFET を使用したため，スイッチング時に過剰電流が見られている．

•

イオンビームプロファイルの結果からアクセル電圧の周波数や duty 比を変化させることによるイオンビーム発散角の大きな変化はなく，ON/OFF 制御に悪い影響は与えないことが確認できた•

イオンビーム計測の際は高周波数，低 duty 比での条件でアクセル電圧を制御するとイオンビーム電流の立ち上がりに遅れが生じるため，コレクタでの計測は難しい．しかし，アクセル電圧に注目すると周波数には依存せず，パルス駆動回路によって制御できていることが確認できた．

•

イオンコレクタを用いたビーム計測の際はコレクタの影響により、高周波数，低 duty 比での条件でアクセル電圧を制御するとイオンビーム電流の立
ち上がりに遅れが生じる。これはコレクタの材質やマイクロ波の周波数によってその遅れが変わることより、この原因として、スラスタ下流のプラズ
マがイオンビームの引き出しに影響を与えている事が示唆される。この ため，コレクタでのイオンビーム計測には改良の余地がある 。

•

マイクロ波投入電力 8 W，推進剤流量 0.20 sccm の条件下では，目標とする
イオンビーム電流 3 mA を達成することができたため，より低電力・低流量で安定してイオンビーム電流を引き出すための改良が必要となる．
49

参考文献
(1-1) JAXA

小惑星探査機「はやぶさ 2」(1-2) 安藤正樹，川村静児:宇宙重力波望遠鏡 DECIGO
大型低温重力波望遠鏡(1-3) KAGRA(1-4) NASA

National Aeronautics and Space Administration

LISA project Office(1-5) 川村静児：スペース重力波アンテナ DECIGO(1-6) DECIGO(2-1)

スペース重力波アンテナ

荒川義博， 國中均， 中山宜典， 西山和孝：”イオンエンジンによる動力航行コロナ社，2006)(2-2)

平岡義章：小型マイクロ波放電型中和器の性能向上に関する研究， 平成 23 年度，九州大学修士論文(2-3)

イオンエンジンの作動原理(2-4)

Wilbur， P． J．， Rawlins， V． K．， Beattie， J． R．， “Ion Thruster

Development Trends and Status in the United States，” Journal of Propulsion andPower， Vol． 14， No．5． Pp．708-715， 1998．
(2-5)

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Kuninaka ， H ． and Satori ， S ．， “Development and DemonstrationofCathodeless Electron Cyclotron Resonance Ion Thruster，” Journal of Propulsion
and Power， Vol． 14， No． 6， 1998， pp．1022-1026．
(2-7)

Funaki， I．， Kuninaka， H．， Toki， K．， “Plasma Characterization of

a 10-cmDiameter Microwave Discharge Ion Thruster，” Journal of Propulsion andPower， Vol． 20， No． 4， pp． 718-726， 2004．
(3-1)

杉田健策：小型マイクロ波放電式イオンスラスタのマイクロ波周波数依存性， 平成 23 年度， 九州大学修士論文(3-2)

船木一幸，中野正勝，中山宜典，梶村好宏：JIEDI ツール開発上の課題と 2007 年 度 の 活 動 方 針 ， イ オ ン 加 速 グ リ ッ ド 耐 久 認 定 用 数 値 解 析50JIEDI(JAXA Ion Engine Development Intiatives)ツールの研究開発ワークショッ
プ 2006 年度報告書(2007)，pp．75-81(3-3)

中野正勝：電気推進のシステム解析と性能評価 ，東京大学博士論文(1999)(3-4)

John R． Anderson， Ira Katzt， Dan Goebel : Numerical Simulation of Two-

Grid Ion Optics Using a 3D Code
(3-5)

船木一幸，篠原育，中野正勝，梶村好宏，宮坂武志，中山宜典，百武徹，

和田元，剣持貴弘，村本哲也，國中均：イオンエンジングリッド損耗解析ツール JIEDI，宇宙航空研究開発機構研究開発資料(2012)51謝辞
はじめに，修士での 2 年間，宇宙推進の研究に携わる機会を与えてくださると共に，ミーティングでは研究の様々な助言をいただいた中島秀紀名誉教授に深く感謝致します．研究を進めていく中で，未熟な私に，いつも親切に丁寧にご指導くださいました山本直嗣教授に深く感謝致します．研究や試問で行き詰ったときに助けていただいた森田太智助教に深く感謝致します．事務的な手続き等で研究生活を支えてくださった馬渡隆子事務補佐員に深く感謝致します．
明るく充実した研究室での生活を送らせていただいた研究室の皆様に感謝致します．研究・ミーティングの様々な点で丁寧にアドバイスをいただいた斎藤直哉氏，牛尾康一氏，岩本氏，板谷氏，川原氏，小山氏，淵上氏，児島氏，竹末氏に感謝致します．同じ M2 として 2 年間，公私共に楽しく充実した時間を過ごしてきた市丸智裕氏，上野文輔氏，枝本雅史氏，江川雄亮氏，三浦智之氏に感謝致します．また，研究を進めていく中で，お世話になった多くの方々に感謝致します．私に関わった全ての方のおかげで研究を行うことができました．最後に，これまで 2 年間いつも温かく見守ってくれた両親に感謝致します．

52