令和元年度
九州大学大学院 総合理工学府
先端エネルギー理工学専攻

修 士 論 文論文名
磁気ノズルからのプラズマデタッチメントの検証に向けた多軸磁場計測

氏

名

指導教員名

西岡 裕輝

山本

直嗣

目次
第 1 章 序論 ........................................................................................................................................... 2
1.1

背景 ......................................................................................................................................... 2

1.2

宇宙推進機の性能 ................................................................................................................... 3

1.3

レーザー核融合ロケット(LFR) .............................................................................................. 5

1.4

磁気スラストチャンバーシステムの推進原理 ....................................................................... 6

1.5

プラズマデタッチメント ........................................................................................................ 7

1.6

目的 ......................................................................................................................................... 8

第 2 章 実験装置 ................................................................................................................................. 10
2.1 磁場生成用回路 ......................................................................................................................... 10
2.1.1 コンデンサバンク ............................................................................................................... 10
2.1.2 サイリスタ駆動回路 ........................................................................................................... 13
2.1.3 ロゴスキーコイルによる電流計測 ..................................................................................... 14
2.2 ねじりバネ式スラストスタンドの原理..................................................................................... 16
2.3 Bdot プローブ ............................................................................................................................ 17
2.3.1 Bdot プローブの原理........................................................................................................... 17
2.3.2 Bdot プローブにおけるノイズ対策 ..................................................................................... 19
2.4 磁場生成用コイル設計指針 ....................................................................................................... 21
第 3 章 推力直接計測実験 ................................................................................................................... 23
3.1 製作したねじりバネ式スラストスタンド ................................................................................. 23
3.2 LED 変位センサ......................................................................................................................... 26
3.3 スラストスタンド校正実験 ....................................................................................................... 28
3.4 実験配置図 ................................................................................................................................ 29
3.5 インパルスビット測定結果と考察 ............................................................................................ 33
第 4 章 プラズマデタッチメント検証のための磁場計測実験 ............................................................ 36
4.1 製作した 3 軸 Bdot プローブ .................................................................................................... 36
4.2 実験配置 .................................................................................................................................... 38
4.3 磁場の時間発展計測結果 .......................................................................................................... 39
4.4 インパルスビットと磁気圧の関係性比較 ................................................................................. 41
4.5 磁場ベクトル算出 ..................................................................................................................... 42
第 5 章 結論 ......................................................................................................................................... 46
参照文献 .............................................................................................................................................. 47

1

第1章 序論
1.1

背景1960 年代から始まった火星探査は，これまでに 40 回以上実施しされており，
2018 年に NASA の火星探査機「インサイト」が歴史上 8 回目の火星への着陸成功を果たすなど着実に歩を進めている [1].図 1 は各国の火星探査の動向を示している．図 1 のように，現在の火星探査を巡る世界の動向は 2020 年代中盤までにアメリカ、ロシア，中国、インド，UAE がミッションを予定しており非常に活発化している．

図 1 火星探査をめぐる各国の動向 [2]こうした現状を踏まえて，火星探査の次なるフェーズとして有人火星探査が現実味を帯びてきた．事実，米国・NASA は 2024 年有人月面着陸，2030 年代の有人火星着陸を目指す「アルテミス計画」を発表しており [3]，スペース X
社は 2019 年に火星を目指す宇宙船「スターシップ」の試作機を公開する [4]等，
有人火星探査に向けた機運が世界的に高まっている．一方で有人火星探査には
2

これまでの無人火星探査にはない特有の問題を数多く抱えている．その問題の一つは長期ミッションによる乗務員の身体的，心理的負担である．具体的には
無重力生活による骨密度の低下，宇宙放射線による被曝，長期宇宙船滞在による精神的不安等が挙げられる．とりわけ問題視されるのは宇宙放射線である．
宇宙放射線は主に太陽系外から降り注ぐ「銀河宇宙線」と太陽フレア等の太陽
活動によって生じる「太陽宇宙線」がある．これらの放射線を人体が長期にわたり浴び続けると癌の発生リスクが高まるとされている．NASA では宇宙飛行士の累積被曝量上限について，がん発生リスクの 3％までの上昇を基準としている．しかしながら，2012 年に火星に着陸した NASA の探査車「キュリオシテ
ィ」が火星到達までの飛行期間(254 日)における総被曝量を計測したところ 660
mSv であり，NASA の定める許容被曝量 800 mSv に迫る結果であることが分かった [5]．

1.2

宇宙推進機の性能

宇宙推進機に要求される性能の中でとりわけ重視される性能はペイロード比と飛行時間である．ペイロードは目的地まで輸送される荷物の可搬量であり，多いほど性能が良いとされるが，飛行速度に依存する．飛行時間は加速時間や巡航速度に依存する．前述の通り，有人火星探査に代表される長距離探査ミッションにおいては，宇宙放射線の影響を避けるために数カ月以下の飛行時間が求められている．飛行時間に制限のない無人探査や月面探査などの短距離ミッションにおいては，従来通り電気推進や化学推進が利用できるが、長距離ミッションにおいては後述するレーザー核融合ロケット(LFR)等の高速推進機によるミッションの短期化が必要不可欠である．本節では宇宙推進機の性能について触れ，従来推進機との比較から核融合ロケット実現の重要性について述べる．
大気による抵抗や地球の重力が無視できる宇宙空間では，ロケットの推進に関する公式として以下のツィオルコフスキー方程式が成り立つ．

3∆𝑣 = 𝑣𝑒𝑥 𝑙𝑛

𝑀𝑖
𝑀𝑓

(1.1)

ここで，∆𝑣は初期軌道から目標軌道までの速度増分， 𝑣𝑒𝑥 は推進剤排気速度，
𝑀𝑖 は宇宙推進機の発射時の全質量，𝑀𝑓 は加速後の最終質量を表す．(1.1)式からわかるように，推進機の速度増分は推進剤排気速度に比例し，質量比に対してはその対数に比例する．有人探査においてはペイロード(輸送される荷物の可搬量)を増やしたい点を考慮すると，飛行速度を上げるには高い排気速度が必要である．化学推進機の排気速度が4.5 km/s と最も低く，続いて電気推進機
が20 km/s となっている．対して核融合ロケットは1000 km/s が期待されており，ミッションの短期化のみならず高いペイロード比を取れるという利点を持っている．推進機の性能は一般的に比推力と比出力の二つのパラメータによって評価されることが多い．比推力𝐼𝑠𝑝 は
𝐼𝑠𝑝 =

𝐹
𝑚̇𝑣𝑒𝑥
𝑣𝑒𝑥
=
=
𝑚̇𝑔
𝑚̇𝑔
𝑔

(1.2)

で表される．ここで𝐹は推力，𝑚̇は単位時間あたりの推進剤消費質量，𝑔は重力加速度を表す．これは単位質量の推進剤で単位推力を発生させ続けられる秒数を表している．すなわち比推力はエンジンの燃費に対応するパラメータを意味
し，これに重力加速度𝑔を乗じることにより排気速度の大きさとなる．
2
比出力は推進機の出力𝑃(= 𝑚̇𝑣𝑒𝑥
/2 = 𝑣𝑒𝑥 𝐹 ⁄2)をロケットの推進システム質量

比

𝛼=

𝑃
𝑚𝑠

(1.3)

により定義される．比出力は値が大きいほど加速度が大きくなり，飛行時間の短縮の目安となる．化学推進機は比出力に関しては500kW/kg と大きいが比推力は500 s 程と小さい．一方でイオンエンジン等の電気推進機は比推力については20000 s 程と大きいが比出力が0.1 kW/kg と小さい．一方で核融合ロケッ
トは高温，高圧の核融合プラズマを推力変換させることから高い比推力(100004s)と高い比出力(10 kW/kg)を両立した次世代推進器として期待されている．
[6]

1.3

レーザー核融合ロケット(LFR)

核融合ロケットの代表例として慣性核融合を利用するレーザー核融合ロケッ
トが挙げられる．核融合の発生方式として，「磁場閉じ込め方式」と「慣性閉じ込め方式」の二つがあるが，ロケットへの応用を考慮した際には，以下の観点
等から慣性閉じ込め方式の方が有利であると言える．
① 磁場閉じ込め方式では磁場発生用コイルの中性子による損傷を防ぐために，最も実現が容易であるとされる D-T 反応ではなく，D-D 反応，D-3He 反応
等の中性子発生量の少ない反応方式を利用する必要がある．
② 磁場閉じ込め方式においてプラズマ閉じ込めには重量の大きいコイルが必要となるため，機体の軽量化が困難である．
③ 慣性閉じ込め方式ではレーザーの照射周波数を変えることで容易に推力制御が出来る．
このレーザー核融合ロケットの研究としては，米国のローレンス・リバモア国立研究所の Orth らのグループが設計概念例「a Vehicle for Interplanetary SpaceTransport Application Powered by Inertial Confinement Fusion（VISTA）」を提案している [7]．図 2 に概念図を示す．VISTA では図 2 のようにレーザー照射により生成した核融合プラズマを超電導コイルの生成磁場で制御することで図面左方向に推進する．VISTA は底のないコーヒーカップのような形状をしている
が，これは核融合反応により生じた中性子線による機体への損傷を減らすためである。Orth らによると，従来の化学推進では火星往復に 500 日以上かかるところを、レーザー核融合ロケットでは約 145 日にまで短縮できると試算している．

5

図 2 「VISTA」の概念図 [8]1.4

磁気スラストチャンバーシステムの推進原理

レーザー核融合ロケットの推進システムである磁気スラストチャンバーについて述べる．この推進システムでは磁場をノズルに見立てることで（磁気ノズル），レーザー核融合プラズマの排出方向を制御し推進力を得るシステムである．具体的な推進発生原理について図 3 に示す．
(a) 電磁コイルにて生成した外部磁場において，固体ターゲット(主に D-T ター
ゲット)にレーザー照射をすることで慣性核融合プラズマを生成する．
(b) 膨張するプラズマは外部磁場によりラーマ運動をし，反磁性電流を生む．反磁性電流により磁場キャビティが生成され，プラズマ膨張に伴い外部磁場を圧縮する．
(c) 圧縮された磁場は膨張プラズマを減速させる方向に磁気圧を強める．減速により停止したプラズマは磁場の復元力により押し返され，磁気ノズル後方に排出される．その押し出す反作用により推力を得る．
磁気スラストチャンバーの利点としては，プラズマ排出時にプラズマと固体壁との接触がないため排出速度に制限が少なく，エネルギー変換効率を高くすることが出来る点である．更に荷電粒子が非接触であるため機体壁への損傷が少6

なく、推進システムの高寿命化と機体の軽量化が期待されている．機体損傷には高速中性子の影響も大きいため中性子遮蔽体等は必要となる．本研究グルー
プではターゲットを円錐状にすることにより，推進機への中性子放射を減らす研究も行われている [9]．

図 3 磁気スラストチャンバーシステムの推進原理

1.5

プラズマデタッチメント

1.4 節で述べた磁気スラストチャンバーにおける重要課題としてプラズマの磁場からの引き離し（プラズマデタッチメント）がある．磁気ノズル用コイルが生成する磁場は開放端ではなくコイル(すなわち推進機本体)を周回するように生成される．そのため，プラズマ(電子とイオン)が推進機本体に引き戻され，十分な推力を得ることが出来ない可能性がある．図 4 に磁気スラストチャンバーにおけるプラズマデタッチメントの概念図を示す．イオンよりもラーマ半径の小さい電子は磁力線に沿って本体に戻る可能性がある(図 4(a))．もし，電子が磁力線から引き離されないでトラップされているとすると，プラズマは荷電分離するためイオンを機体本体に引き戻す方向に電場が生じる(図 4(b))．この電場によりイオンの減速が生じ，推力発生に大きな影響を及ぼす(図 4(c))．そのため，(図 4(d))のようにイオンと電子の両方がデタッチメントされる条件を見つけることが重要であるが，現在はこのプラズマデタッチメント条件の解明

7

は出来ていない．

図 4 プラズマデタッチメントの概念図 [10]

1.6

目的

これまで磁気スラストチャンバーにおけるプラズマデタッチメントの検証研
究では数値シミュレーションにて行われており，発散磁場中における膨張プラズマを計算するシミュレーションコードの開発及び電子とイオンのデタッチメ
ントの理論構築を行った [11]．一方で，これまで実験的な検証は行われておらず，実験結果との比較は行われていない．プラズマデタッチメント条件の解明
は最適な磁気スラストチャンバーの設計に必要不可欠であり，実験データと数
値シミュレーションコードの比較検証は重要課題である．プラズマデタッチメ
ントの可否は図 5 のように局所的なプラズマ流速ベクトルと磁場ベクトルを測定することで検証出来る．局所点において，もし磁場ベクトルとプラズマ流速
ベクトルの方向が同じであればプラズマは磁場にトラップされているとみなせ
る．反対に二つのベクトル方向にずれが生じている場合はプラズマが磁場から引き離されたと判断できる．本研究グループではこれまでにプラズマ流速ベク
トルの計測に向けた二次元レーザートムソン散乱計測の原理実証を行っている．
そこで本研究では，3 軸 Bdot プローブ法を適用することで磁気スラストチャン
バーにおける 3 次元磁場ベクトルの時間発展計測手法を確立し，数値シミュレ
8

ーションとの妥当性検証に向けた実験データの取得を目的とする．本実験ではプラズマにレーザーアブレーションプラズマを利用し，磁気ノズルには磁場強度～0.5 T(ターゲット位置)の電磁コイルを利用して磁気スラストチャンバーを模擬した．そこで磁場ベクトル計測以外に本磁気ノズルシステムの性能調査として，スラストスタンドを利用したインパルスビットを測定することも目的としている．

図 5 プラズマデタッチメント検証実験概要図9

第2章 実験装置
2.1 磁場生成用回路
2.1.1 コンデンサバンク
本研究ではレーザーアブレーションプラズマを磁場によって制御することによって，磁気スラストチャンバーシステムを模擬している．磁場印加の手法には永久磁石を利用する手法が第一に考えられる．しかし永久磁石は磁場強度が不変であるため，各種測定項目における磁場強度依存性を計測するのが困難である点や実験環境ごとに最適な磁場強度の永久磁石を調達する必要がある点が問題となる．そこで磁場印加には電磁コイルを利用する．コイル半径や巻き数を変えることで容易に磁場構造を調節でき，コイル充電電圧に対して線形的に磁場強度が変化するため磁場強度依存性を容易に検証出来る点がメリットとして挙げられる．電磁コイルへの電源供給にはコンデンサバンクを利用する．図6，図 7 に本研究で利用したコンデンサバンクの回路概要及び実際に製作したコンデンサバンクを示す． コンデンサバンクはアルミニウム製のボックスに囲まれており，外部からのノイズを低減している．

図 6 コンデンサバンク回路図例

10(b)コンデンサバンク俯瞰図(a)コンデンサバンク配線図

図 7 コンデンサバンク外観

ここからはコンデンサバンクの動作手順について説明する．まずコンデンサ( FFLI6B3007K： フィルムキャパシタ，耐電圧 800 V，静電容量 3 mF)に直流
安定化電源から最大 0～700 V(コンデンサバンクを直列接続することで充電電圧を増加することは可能である)の電圧を充電する．この時，電源とコンデンサの間には 20 kΩ，5 W の抵抗を挿入した．これは電源からの投入電流値を安定化させることと，逆起電力が生じた際の電源保護用ダンパーの役割を果たしている．充電完了後，電磁コイルへの放電の前に直流安定化電源をコンデンサバ
ンク及びアースから切り離した(SW1，SW2)．これはレーザー生成プラズマを利用した実験では，レーザーの電磁ノイズやプラズマの反磁性電流に起因する逆起電力が電磁コイル等を介してコンデンサバンクやアースを介しに流入し，直流安定化電源が故障する恐れがあるからである．またコンデンサバンクはアースを通して流入する真空チャンバー等からのノイズの影響を無くすために，
アースを独立させた非接地配線方式とした．コンデンサから電磁コイルへの放電はサイリスタによりスイッチング(SW3)する．サイリスタはゲート・カソー
ド間に電圧を印加することによってアノード・カソード間を導通させる三端子半導体素子である．構造が簡単であり小さな制御電力で大電力を制御できるため大電力用スイッチとして広く利用されている．また，サイリスタは整流特性があり，逆起電力に対しても高い耐電圧特性を示すことからレーザー生成プラ
ズマ実験での利用に適しているためスイッチング素子として採用している．本11

実 験 で は 耐 電 圧 1400 V ， 耐 電 流 15000 A の サ イ リ ス タ ( DYNEX 社 ，
DCR1010G14 )を用いた．図 8 のようにサイリスタのアノード面，カソード面
をプラスチックねじによってカーボンシート及び銅板に挟み込むことでモジュール化している．

図 8 サイリスタモジュール外観

図 9 に実際にコンデンサバンクから電磁コイルに電源投入した時の放電波形を示す．放電波形は 2.1.3 節に述べるロゴスキーコイルを用いて計測した．電磁コイルを磁気ノズルとしてプラズマ制御に利用する際には，生成磁場は定常である必要がある．図 9 の通りコンデンサバンクはパルス運転であるため生成磁場は非定常である．しかしながら放電電流の持続時間が数 ms(半値全幅)であるのに対してレーザー生成プラズマの膨張する時間レンジは～数 µs と十分に短いためプラズマ膨張時間に合わせて磁場を生成すれば定常磁場とみなすことが出来る．コンデンサ放電後の残存電荷の接地，充電中に放電を中止しての接地にはアース棒を利用した．図 10 に製作したアース棒を示す．アース棒の構成
は絶縁筒に包まれた巻線型抵抗（1 kΩ，750 W）に電源タップのアース線を接続したものである．コンデンサの高圧側に抵抗の片側を接地することでアース
線を通して配電盤にコンデンサの電荷が逃げるようになっている．以前の実験においては，機械式スイッチを利用して抵抗にて電荷を消費させるシステムとなっていたが [12]，充電電圧の増加に伴い，スイッチ切替時に機械式スイッチ
12での異常放電がしばしば見られたためアース棒を導入した．

図 9 コンデンサバンク放電波形例

図 10 アース棒外観図

2.1.2 サイリスタ駆動回路
電磁コイルへの放電用スイッチにはサイリスタを用いている．図 11 に本研
究で利用したサイリスタ駆動回路を示す．このサイリスタ駆動回路は外部からトリガ信号を受け取るとサイリスタのゲート・カソード間に導通電圧を供給する構造となっている [13]．図 11 のようにサイリスタ駆動回路はフォトカプラ
によりトリガ信号源から回路的に切り離されており，コンデンサ C1 によって駆動する．コンデンサ C1 は直流安定化電源から 12 V 充電されており，駆動時には SW にて切り離す．これはレーザー生成プラズマ実験環境下におけるレーザ
13

ーノイズなどのノイズ源により誤ってサイリスタが駆動することを防ぐためである．またサイリスタ駆動回路もコンデンサバンクと同様にアルミ製のボック
スに囲まれている．本研究においてはサイリスタ駆動回路へのトリガ信号には
プラズマ生成用ドライブレーザーに同期したディレイジェネレータ(DG645 型
デジタル遅延パルス発生器，Stanford Research Systems 社)を利用した．これは電磁コイルの磁場強度がピーク値に達した際にレーザーアブレーションプラズ
マを生成するためである．

図 11 サイリスタ駆動用回路

2.1.3 ロゴスキーコイルによる電流計測
コンデンサバンクにおける電磁コイルへの投入電流値の計測にはロゴスキーコ
14

イルを用いる．ロゴスキーコイルは図 12 のように環状芯材に導線を巻き付けた形状をしており，非接触電流センサとして利用される．測定時には測定対象となる導体（本実験ではサイリスタ‐電磁コイル間導線）がロゴスキーコイル
を貫くように配置する．測定対象導体に流れる電流が変化するとロゴスキーコ
イルを貫く磁場が変化し，誘導起電力が生じる．これがロゴスキーコイルの出力信号となる．誘導起電力（ V）の大きさは，ファラデーの法則により，対象電流の時間微分(d𝑖 ⁄d𝑡 )とコイルの断面積(A)に比例し，式 2-1 で表される．ここで，μは大気中の透磁率，n は単位長さ当たりのロゴスキーコイルの巻き数である．
V = −μAn

𝑖=−

di
dt

1
∫ 𝑉 𝑑𝑡
𝜇𝐴𝑛

(2.1)

(2.2)

本研究で利用したロゴスキーコイルでは n=0.6 回/mm，A=50 mm2 である．また過去の校正実験 [12]から式(2.2)におけるロゴスキーコイルの補正係数は 1である．図 13(a)にロゴスキーコイルでの典型的な出力波形を示す．ここで得られた出力電圧を時間積分し，式(2.2)を用いることで図 13(b)のように電流波形に変換する．コイルの電流値は生成磁場に比例するため，ロゴスキーコイルの波形を監視することで，レーザー照射タイミングでの磁場強度を確認する．

図 12 ロゴスキーコイルの外観図

15

積分処理

(a)ロゴスキーコイルの出力電圧(b)電流波形

図 13 ロゴスキーコイル波形例

2.2 ねじりバネ式スラストスタンドの原理
本研究における推力計測にはねじりばね式スラストスタンドを利用した．パ
ルスプラズマスラスタや磁気スラストチャンバーのようなパルス的に作動する推進機のインパルス計測にはこのスラストスタンドがよく利用される．このス
ラストスタンドでは変位角θ(t)に比例してトルクが発生するねじりバネが中心に配置されている．このスラストスタンドの運動方程式は次式のように表される．
𝑑 2 𝜃(𝑡)
𝑑𝜃(𝑡)
𝐽
+
𝑐
+ 𝑘𝜃(𝑡) = 𝐹(𝑡)𝑙𝑓
𝑑𝑡 2
𝑑𝑡

(2.3)

ここで J は慣性モーメント，𝑐は粘性抵抗の比例定数， k はバネ定数とし，𝐹(𝑡)を推力，𝑙𝑓 を中心軸から推力発生箇所までの距離とする．レーザー変位計を用いることにより，測定点における推力並行方向への変位 x(t)を計測することでス
ラストスタンドのアーム角度変化を算出することが出来る．回転中心から測定点までの距離を𝑙𝑠 とすれば変位は𝑥(𝑡) =𝑠 sin𝜃(𝑡) ≈ 𝑙𝑠 𝜃(𝑡)(2.4)

となり，これを式(2.2)に代入すると
d2 𝑥(𝑡)d𝑥(𝑡)+ 2𝜂+ 𝜔0 𝑥(𝑡) = 𝑇(𝑡)
2
d𝑡
d𝑡
𝜂=

𝑐
2𝐽

16

(2.5)

(2.6)

𝜔0 = √

𝑘
𝐽

(2.7)

を得る．ただしηは粘性係数，𝜔0 はアームの固有角周波数である．ここで推力発生時間をτとすると推力はインパルスビット I を用いて次式のように表される．
𝐼
𝐹(𝑡) = { 𝜏(0 ≤ 𝑡 ≤ 𝜏)0(𝜏 < 𝑡)(2.8)

ここで推力発生直前のスラストスタンドは原点で静止しており，スラストスタ
ンドの粘性抵抗は十分小さいと仮定すると式(2.5)の解は𝐼𝑙𝑓 𝑙𝑠 cos 𝜔0 𝑡
(0 ≤ 𝑡 ≤ 𝜏)𝐽𝜔0 2 𝜔0
𝜔0 𝑡𝑥(𝑡) =
𝐼𝑙𝑓 𝑙𝑠 sin 2𝜏(𝜏 < 𝑡)2 𝜔0 𝑡 sin 𝜔0 (𝑡 − 2)
𝐽𝜔0
{
2

(2.9)

と解くことが出来る．またインパルスの発生時間は十分短いので式(2.9)は𝐼=

𝐼𝑙𝑓 𝑙𝑠sin𝜔0 𝑡(2.10)

𝐽𝜔0 2𝑥(𝑡)𝑙𝑓 𝑙𝑠 sin𝜔0 𝑡(2.11)

𝑥(𝑡) =𝐽𝜔0 2となる．これによりインパルスビットが振幅に比例しており，x(t)最大の時，正味のインパルスビットであることが分かる [14]．

2.3 Bdot プローブ
2.3.1 Bdot プローブの原理
磁気スラストチャンバーにおける反磁性キャビティの計測やプラズマデタッ
チメント検証には局所的な磁束密度の計測が有効である．本研究ではこうした高速なレーザーアブレーションプラズマ挙動を追う目的で Bdot プローブ法を用いた磁場計測を行った．Bdot プローブ法はロゴスキーコイルと同様に金属導17

線をコイル状に巻くことで，コイル内部（空芯）を貫く磁束変化（𝜕B/𝜕t）により誘導された電圧を計測する手法である．Bdot プローブの出力電圧 V は次式のように表される，
𝑉 = −𝑁𝐴

𝜕𝐵
𝜕𝑡(2.12)

ここで N はコイル巻き数，A は導線によって囲われた面積を示す．ここで示された誘導起電力を時間積分することで，磁場を計測することが出来る．すなわ
ち Bdot プローブの感度は NA である．Bdot プローブは式(2.11)のように，時間微分計測であるため周波数応答に優れ，数 MHz 帯域では容易に磁場揺動を計測できる．一方でコイルを含む測定系統が LCR 回路であり共振が存在するため，高周波用の Bdot プローブを作成する場合は注意が必要である．測定周波数において平坦な周波数特性を得るには共振周波数を上げるか，平坦化させる必要がある．LCR 回路における共振周波数は 1/√𝐿𝐶であることから，Bdot プロー
ブの自己インダクタンス L とケーブルのキャパシタンス C を下げる必要があ
る．自己インダクタンス L は巻き数 N の 2 乗に比例しており，コイル面積 A に反比例する．それゆえにコイルの感度 NA を下げずに共振周波数を上げるには，コイルの巻き数 N を減らし，コイル面積 A を大きくすればよい [15]．しかしながら Bdot プローブの大型化はプラズマの攪乱を起こす点や，局所計測精度を悪くする点などがデメリットとして考えられるため，実験ごとに最適なコイル形状を見つける必要がある．また，ケーブルのキャパシタンスを下げるために，出来るだけ測定におけるケーブル長は短くする方が好ましい．
Bdot プローブ法のメリットは一回のレーザーショットで磁場の時間発展を計測できる点である．また Bdot プローブ法は多軸同時測定ができるため，局所的な磁場ベクトルの計測に有用である．一方でデメリットとしては先にも述べた通り，プローブのコイル径が大きいため初期プラズマ領域での空間分布が直接測定できない点やターゲットから放出されるデブリやレーザーの散乱光によりプローブが破損する恐れがある点があげられる．本研究では局所的な磁場の時間発展の計測に着目しているが，こうしたデメリットを克服する測定手法と18

して本研究グループでは非接触計測であるプロトンバックライト法やイオン源を利用したグローバルな磁場構造計測についても試みている [16]．

2.3.2 Bdot プローブにおけるノイズ対策
2.1.1 節でも述べた通りレーザー生成プラズマ実験環境下ではレーザーによる電磁ノイズに曝される．レーザーによる電磁ノイズは GHz 帯域から MHz 帯域において現われる．通常こうした電磁ノイズはローパスフィルタ等を利用することでカットすることが可能である．しかし今回の測定対象である磁場変化の周波数帯域は MHz 帯域と電磁ノイズと同様に高周波帯域であり，フィルタリングが困難であるため，信号がノイズに埋もれる恐れがある．また直流電源
や真空ポンプの駆動ノイズに関しても，インバータ由来の高周波ノイズが生じる可能性がある．ここでは S/N 比向上のために実際に行ったノイズ対策について述べる．最も簡単なノイズ対策としては信号ケーブルを直流安定化電源や真空ポンプ等の電磁場ノイズ源から物理的に距離を離すことである．これにより商用電源の周波数である 60Hz 帯のノイズやインバータ由来の高周波ノイズを大幅にカットすることが出来る．距離を離すのと同様に重要となるのは計測機
器とノイズ源となる機器とのアースの分離である．例えば同じ電源タップからオシロスコープと真空ポンプの電源を投入すると，アースを介して真空ポンプ
由来のノイズがオシロスコープにて検出されてしまう．そのため可能な限り計測機器のアースは他の機器と異なる系統から取るのが望ましい．またアースまでの距離は出来るだけ短縮し，面積を大きく取ることでケーブルの LC 成分を減らすことが出来るため，ノイズ成分を除去することが出来る．アースとして配電盤や真空チャンバー，電源タップ等が考えられるが実験環境ごとに最適なアース接続方法を考える必要がある．電源線，信号線へのノイズ混入を防ぐ目的でケーブルの磁場シールド，静電シールドも一定の効果がある．具体的には
アース接続したアルミテープをケーブルに巻き付ける手法である．先に述べたような真空チャンバー外での他機器からのノイズ除去には大きく寄与しないが，チャンバー内のレーザーによる電磁ノイズの減少には効果が見られた．
本研究における Bdot プローブは図 14 のように巻き方向を反転させたツイ
19

スト線によってコイルを形成した．すなわち 1 軸当たりに二つのコイルをペアとして Bdot プローブを作成した．またオシロスコープまでの信号ケーブルをツイストさせることで，磁場によるプローブ出力電圧が同じ経路をたどってオシ
ロスコープに伝搬するようにした．これにより，ループ 1 とループ 2 は，大きさは等しいが逆極性の誘導起電力を出力し，レーザーノイズなどの静電ノイズ
源は等量が同極性で出力されるようになる．したがってループ 1 の信号とルー
プ 2 の信号の差分を取ることにより静電ノイズ源が除去され，磁場による誘導
起電力のみ取り出すことが可能となる．また Bdot プローブのインピーダンスは50 Ωであるため，インピーダンス整合を取るためにオシロスコープは 50 Ω受けで計測を行った．

図 14 磁気プローブによる差動測定 [17]図 15 反転磁気プローブによるノイズ除去手順例

20

2.4 磁場生成用コイル設計指針
本研究に関わらず、電磁コイルを利用して磁場を生成する場合，最初に目標となる磁場強度が設定し，その磁場強度を満たすようにコイル設計を行なう．
コンデンサバンクを利用する場合，コイルの生成磁場強度に必要となるパラメータとしてはコイル断面積，コイル巻数，放電系統のケーブル長，コンデンサ
充電電圧，コンデンサ静電容量，コイル導線種類等が挙げられる．放電系統のケーブル長は抵抗減少を図るために可能な限り短くするべきである．一方でコ
イル断面積を含むコイル形状に関しては光学計測に代表される他計測系からの制約を受けるため，大きく形状変更を行なうことが困難な場合が多い．そのため実際のコイル作成の際には，主にコイル巻き数，コンデンサ充電電圧，コン
デンサ静電容量を変化させることで目標磁場への到達を目指した．磁気ノズル用コイルの放電波形は LCR 回路として考えることが出来る．今，コイルのインダクタンスを L，コンデンサの静電容量を C，放電系統の内部抵抗を R，コンデ
ンサ充電電圧を V とすると放電電流は以下の微分方程式を解くことで求められる．
𝑑𝐼
1
𝑉 = 𝐿 + 𝑅𝐼 + ∫ 𝐼𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝐶
{
𝑑𝑞
𝐼=
𝑑𝑡

(2.13)

式(2.10)を差分法にて解析を行ない，各パラメータを変更させることで図 16 のように実験波形とフィッティングすることが出来る．これにより得られたパラメータを基に，充電電圧，静電容量，コイル巻き数などを変化させることで最適なコイル条件を決定する．

21

図 16 放電波形の LCR 回路フィッティング

22

第3章 推力直接計測実験
磁気スラストチャンバーにおける推力測定では先行研究として前野らが永久磁石を利用してスラストスタンドにより計測を行なった [18]．磁気スラストチ
ャンバーにおける推力計測を広島大学大学院工学研究科機械物理工学専攻プラ
ズマ基礎科学研究室にて行った．磁気スラストチャンバーはパルス運転である
ため，力積を示すインパルスビットを用いて推進性能を評価する．磁場発生源にはソレノイドコイルを利用し，磁場で制御されたレーザーアブレーションプ
ラズマをスラストスタンドのスラストターゲットに当てることによりインパル
スビットを計測した．また生成磁場の強度を変化させて計測を行うことにより，推力の磁場依存性について調べた．本実験で使用するコイルは第 5 章のプラズ
マデタッチメント検証実験でも使用する．本実験の主たる目的は二つある．第一にはプラズマデタッチメント検証実験で利用する磁気ノズル用コイルの性能調査である．第二には推力値のシミュレーションとの比較に向けた実証実験データの獲得である．本研究グループでは kJ オーダー以下のエネルギースケール
において推力の実験値とシミュレーション値との比較を行なってきた．しかし，先行研究では実験値とシミュレーションにより得られた推力とに 4 倍の差が見られた．シミュレーションと実験値との比較を基にシミュレーションコードの改良やパラメータの変更を行なうことは，磁気スラストチャンバーのエネルギースケーリング則の確立に不可欠である．したがって，本実験による推力実験
値の獲得は非常に重要であると言える．

3.1 製作したねじりバネ式スラストスタンド
製作したねじりばね式スラストスタンドの外観図を図 17，概略図を図 18 に示す．

23

(a)俯瞰図

(ｂ)上面図(c)ねじりバネ構造

図 17 スラストスタンドの外観

スラストスタンドのアームには C/C コンポジット(炭素繊維強化炭素複合材料)を使用している．このスラストスタンドはアームを 台座と二つのねじりばね(Riverhawk 社製，5006-400)で支える構造になっている．すなわち，ねじりバネ
を回転軸として，アーム水平方向に回転運動する形となっている．この水平方
24

向の変位を LED 変位計にて計測することでインパルスビットを算出する．アー
ムには変位計測定用の反射板(セラミック製)と排出プラズマを捕集するスラス
トターゲット(直径 70 mm 円盤)が設置されている．回転軸から変位計計測点までの距離𝑙𝑠 は 150mm，回転軸からスラストターゲットまでの距離𝑙𝑓 は 250 mmとなっている．2.2 節で述べた通り，LED 変位計の変位とインパルスビットには比例関係があるため，この関係からインパルスビットを測定する．

図 18 スラストスタンド概略図

スラストターゲットの材料には絶縁性素材であるプラスチックを採用した．
当初は 図 19 のようなアルミ素材を採用していたが，金属素材の場合パルス磁場との相互作用によりスラストスタンドに振動が生じたため変更した．図 20 にス
ラストスタンドにコイルから磁場強度 0.5 T を印加したときの LED 変位センサの出力波形を示す．これより，プラスチック製スラストスタンドによりパルス
磁場単体による推力発生の影響を無視できるようになった．

25

図 19 アルミニウム製スラストターゲット

図 20 磁場印加時の変位計測定結果(アルミニウム製，プラスチック製)

3.2 LED 変位センサ
図 21(a)に使用した LED 変位センサ(OMRON，Z4D-F04A)システムを示す．
本 LED センサの分解能は 5 µm 以下であり，4±1.25mm の距離を測定し，電圧にて線形的に出力を行う仕様となっている．図 21(b)から分かる通り二つの同
じ LED センサが反射板から双対するように設置されている．これはノイズ除去を行うためである．ノイズ除去手法は次の通りである．まずそれぞれの変位センサは同電源によるノイズを含んでいるため図 22(a)，(b)のような波形を出力する．ここでそれぞれの変位センサの出力信号を図 23 の差動増幅回路に入力することによりノイズを相殺することで図 22(c)のようなノイズのない波形を検 出 で き る ． 図 23 は オ ペ ア ン プ を 利 用 し た 典 型 的 な 差 動 増 幅 回 路 で ある．”brawn”，”blue”， ”black”は LED 変位センサの配線である．”brawn”，”blue”
26

は LED 変位センサ電源用の配線であり，オペアンプと共に外部電源 15V を印加することで駆動している．”black”は LED 変位センサの出力信号である．オペ
アンプの pin2 と pin3 にそれぞれ双対する LED 変位センサの出力信号 V+， Vを入力することで両者の差分を取り増幅している．オペアンプにより増幅された出力信号 Vo をオペアンプの pin6 からオシロスコープにより計測した．その関係式はオペアンプ INA129 の仕様から
𝑉𝑜 = (1 +49.4𝑘) (𝑉+ + 𝑉− )14𝑘と求められる．

(b)変位計側概要(a)LED センサ

図 21 LED 変位計概要図(a)

図 22 LED 変位計のノイズ除去原理

27

(3.1)

図 23 LED 変位計用差動増幅回路

3.3 スラストスタンド校正実験
スラストスタンドのインパルスは原理的には式(2.10)を用いて LED 変位センサの変位から求めることが出来る．しかしながら実際には正確な慣性モーメン
ト，粘性抵抗の比例係数，ばね定数を算出するのは困難である．そこで本研究では図 24 のようにロードセルを用いて既知のインパルスをスラストターゲッ
トに与え，その時の変位から校正直線を作成することでインパルスの取得を行った．ロードセルの出力信号は力の時間変化なので，時間積分することでイン
パルスビットを求めることが出来る．
図 25 にスラストスタンドの校正直線を示す．縦軸をロードセルから算出したインパルスビット，横軸を LED センサの変位差の出力電圧とすると校正の比
例定数は 0.192±0.030 µNs/V である．

28

図 24 校正用ロードセル

図 25 スラストスタンドの校正グラフ

3.4 実験配置図
こ の 実 験 で 使 用 し た 真 空 チ ャ ン バ ー を 図 26 に 示 す ． レ ー ザ ー に はNeodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet（ Nd:YAG）レーザーを利用した．
利用したレーザーの仕様を表 1 に示す．図 27 に示すように，直径 500 µm の
カーボンロッドにレーザーを照射し，アブレーションプラズマを生成した．照射レーザーのスポットの直径は 100 µm 以下であり，ターゲットに対して十分小さい．カーボンロッドは 3 軸トラバースに設置されており，ショットごとに29

照射面をずらすことで，アブレーションプラズマの排出方向の均一性を図った．

図 26 真空チャンバー外観

表 1 推力直接計測実験におけるレーザー条件
レーザー波長1064 nmレーザーパルス幅

3-4 ns

レーザーエネルギー

1.7 J

レーザースポット径～100 µm

実験配置を図 27，図 28 に示す．ターゲットはコイルホルダー表面から 7 mm
離して配置している．コイル中心からは 13 mm 離れた位置に配置されている．
更にターゲットからレーザー軸方向に 8 mm 離した位置にスラストスタンドのスラストターゲットを設置した．

30

(b)側面図

図 27 推力直接計測実験における実験配置図

図 28 推力直接計測実験における外観図

次に本研究における磁場強度及びコイル形状について述べる．最適な外部磁場強度はプラズマの運動エネルギーに依存しており，先行研究から運動エネル
ギー Ep に対して 5 倍の磁場エネルギー𝐸𝐵 = 0.5𝐿𝐼 2 が必要であるとされている[19](図 29)．ここで L はコイルインダクタンスとする．今，簡単にレーザーエ
ネルギーが全てプラズマの運動エネルギーに換算されると仮定すると本研究における磁場強度は 0.5 T 程度である．磁場生成に利用したソレノイドコイルを
図 30 に示す．ソレノイドコイルは 2.4.4 節で述べた設計指針から内径 12 mm，
外径 25 mm，ソレノイド長さ 10 mm．巻き数は半径方向に 13 巻きのコイルが31

軸方向に二列並んだ形状とした．ソレノイドコイルへの電流印加は 2.1 節に述
べたコンデンサバンクの静電容量は 1.5 mF(3 mF のコンデンサ 2 つを直列接続)である．コイルホルダーは 3D プリンターによって成型している．図 31 にコンデンサバンクに 500 V 印加したときのターゲット位置での磁場強度を示す．
磁場強度計測にはガウスメータを利用して行なった．図 31 から 500 V 印加時に目標磁場強度である 0.5 T に達していることが分かる．このときのコンデン
サバンク放電系統での電流値をロゴスキーコイルであらかじめモニターすることで，電流と磁束密度の関係性から実験時の磁場強度を求めている．本実験ではコンデンサバンクへの投入電圧値を 0 V，100 V, 250 V，500 V（すなわち，磁場強度を 0 T，0.1 T，0.25 T，0.5 T）と条件を変えたときの推力値を計測した．ロゴスキーコイルで計測した各条件の電流値を 図 32 に示す．

図 29 推力効率の磁場依存性シミュレーション結果 [19](b)コイル外観(a)コイル形状

図 30 磁気ノズル用ソレノイドコイル
32

図 31 ターゲット位置磁場波形

図 32

ロゴスキーコイルによる電流値結果

3.5 インパルスビット測定結果と考察
ねじりバネ式スラストスタンドはインパルスビット印加前にスラストスタン
ドが静止状態である場合に精度よく測定することが出来る．そのため通常，ス
ラストスタンドにはダンパーを設置して，ノイズ源による揺れを抑える措置を講じる．本実験においても当初，ネオジム磁石を利用したダンパーを設置する予定であったが，実験時の配置変更による真空チャンバー内のスペースの問題
でダンパー設置を行なわなかった．そのため本実験結果では真空ポンプなどのノイズ源により，図 33 のように計測前からスラストスタンドに振動が生じ，変位が計測された．そこで本実験においては初期状態の振幅値とインパルス印
加後の第 1 振幅値との変位をインパルスビットによる LED センサの変位であ33ると定めた。ここで計測した LED 変位計の出力電圧を校正係数 0.192±0.030µNs/V（先の校正実験にて算出）を利用することで，インパルスビットに変換した．本実験におけるインパルスビットの磁場依存性を示したグラフが図 34である．図 34 から 0V 印加時にインパルスビットが計測されていないことから，中性子や単なるレーザーアブレーションプラズマによる推力寄与がないことが分かる．このことからは本実験の実験結果が磁場による推力寄与にのみ生じるものであることを示唆しており，磁気ノズル用コイルが推力発生性能を有していることを示している．また，印加磁場強度が大きくなると，測定されるインパルスビットも大きくなることを確認した．またデータ数が各条件 2 点と少ない点を考慮すべきであるが，磁場増加に対するインパルスビットの増加傾
向は 0.5 T において急激にインパルスビットが増加していることが分かる．
長嶺らのシミュレーション [19]では外部印加磁場を増加させた場合に推力値が一定値で飽和するような結果を示している．これは磁場エネルギーがプラ
ズマエネルギーの 5 倍になるときに見られた特徴である．今回の実験ではデー
タ点が少なく，磁場増加に伴うインパルビットの飽和を確認できなかった．また先行研究[19]では等方向にプラズマ膨張するのに対し，本研究では一方向からのレーザー照射であるためシミュレーション結果より高い磁場エネルギーにて，飽和が見られる可能性がある．

図 33 LED 変位計出力電圧(0.5 T)34

図 34 インパルスビットの磁場依存性35

第4章 プラズマデタッチメント検証のための磁場計測実験
4.1 製作した 3 軸 Bdot プローブ
本実験ではプラズマデタッチメント検証に向けて，外部磁場と膨張プラズマの相互作用による磁場ベクトルの時間発展を計測するために，3 軸同時測定が可能な Bdot プローブを構築した．図 35 に作成した Bdot プローブの概要図を示す．本プローブは図 36 に示すプローブコアに導線を巻き付けることで作成した．このプローブコアは 3D プリンターの耐熱レジンによって形成した．プ
ローブコアは一辺が 2.8 mm の直方体となっており，各面に溝幅は 0.8 mm，深さ 0.4 mm の溝を作られている．各溝に対して，ツイストされた導線(0.1 mm，ポリウレタン銅線)を 5 回巻き付けることで 3 軸同時測定を構築した．すなわち各軸に対して 2 つの反転されたループが形成されている．プローブコアは内径2 mm，外径 3 mm のアルミナ製保護管の先端にエポキシ樹脂によって接着され，プローブコアから伸びた計 12 本のツイスト導線は管内部へと封入した．プ
ローブ先端はレーザー生成プラズマやレーザーから保護するために，耐熱性無機接着剤(アロンセラミック，東亜合成)によってコーティングした．また静電ノイズや磁場ノイズを防ぐために，アルミナ製保護管の根本部分(本実験では先端から 40 mm)は接地された銅管に挿入した．両者はエポキシ樹脂によって接着されている．ツイストされた 12 本の導線はアルミナ製保護管を出た後 SMA
端子を通じて，同軸ケーブルに接続される．同軸ケーブルはチャンバー壁面のフィードスルー付きフランジを経て，真空チャンバー外のオシロスコープに接続した． 図 37 に実際に製作した 3 軸 Bdot プローブの外観を載せる．

36

図 35 3 軸 Bdot プローブ概略図

図 36 プローブコアの CAD 図

図 37 Bdot プローブの外観

37

4.2 実験配置
本実験の実験体系と実際の外観図を図 38 に示す．本実験における使用レーザー条件，ターゲット，コイル形状は第 3 章と同じである．ターゲットはコイル中心から 13 mm(コイル表面から 7 mm)離して配置されている．Bdot プロー
ブはターゲットから x 軸方向に 12 mm，y 軸方向，z 軸方向にそれぞれ 4 mm 離した位置に配置している．ところで，本実験では第 3 章とレーザー照射方向が逆向きとなっている．第 3 章の推力計測では，コイルに近づく方向にプラズマを生成することで，強磁場領域におけるプラズマ挙動を調査した．一方で本章
はコイルに遠ざかる方向にプラズマ生成を行なった．これはプラズマデタッチ
メントによる磁場ベクトルとプラズマ流ベクトルとのずれが現れる弱磁場領域でのプラズマ挙動を調査するためである．本実験ではプラズマ生成時に投入外部磁場強度を 0 T，0.1 T，0.25 T，0.5 T と条件を変えたときの磁場ベクトルの時間発展を計測した．また，同時にチャンバー上空から Intensified Charge CoupledDevice(ICCD)カメラによる自発光計測も行った．

図 38 プラズマデタッチメント検証のための磁場計測実験の配置図

38

4.3 磁場の時間発展計測結果
3 軸磁気プローブにより，磁場の時間発展を観察した．測定点 X 軸方向での磁場変化 ΔBx を図 39(a)に， Y 軸方向の磁場変化 ΔBy を図 39(b)に，Z 軸方向の磁場変化 ΔBz を図 39(c)に示す．磁場印加時の結果に着目すると，全ての軸方向において初期磁場方向への磁場減少が見られた．これは膨張したプラズマ
Bdot 計測位置を通過することで，反磁性により初期磁場が減少したと考えられる．第三章において本磁気ノズル用コイルによる推力発生を確認していることからも，磁場が推力に寄与しており磁気スラストチャンバーの有効性が確認できる．一方で磁場の減少開始時間に関しては，全ての条件で 360 ns 頃から始まっており，磁場強度による依存性は見られなかった Y 軸と Z 軸の磁場変化を比較すると，Y 軸における磁場変化の方が大きいことが分かる．とりわけ 0.5 T 印
加時においてはその差が顕著であり， Y 軸において 0.0154 T，Z 軸において0.0119 T と 1.3 倍の違いが見られる．Bdot プローブは Y 軸，Z 軸共にターゲッ
トから 4 mm 離した位置に配置しており，予想では同じ磁場強度変化が見られると予想していた．原因としては 図 40 の自発光計測からも分かるように，ター
ゲットアライメント精度の問題でアブレーションプラズマがレーザー照射方向から斜めに噴出されたこと等が挙げられる．

39

図 39 3 軸プローブによる磁場の時間発展測定結果40

① 30 ns

② 50 ns③ 100 ns

図 40 外部磁場 0.1 T 印加時の自発光計測結果

4.4 インパルスビットと磁気圧の関係性比較
4.3 節にて示した 3 軸の磁場変化 ΔBx，ΔBy，ΔBz のピーク値から各印加磁場における磁場変化の最大値 ΔB を算出した．図 41 に第 3 章にて計測したインパルスビットと今回算出した ΔB とを同じグラフ上にプロットしたものを示す．
両者はレーザー照射方向が異なるため初期のアブレーションプラズマの運動方
向が逆である点を考慮すべきであるが，レーザー条件，コイルの生成磁場は同じ条件となっている．図 41 からインパルスビットと ΔB は高い相関性にあるということが分かった． ΔB は膨張プラズマを押し返す磁気圧を示しており，
この磁気圧の大きさがインパルスビットの大きさを決めるため，図 41 のように両者のグラフ概形が同じになると考えた．

41

図 41 インパルスビットと磁場変化の関係性

4.5 磁場ベクトル算出
ここでは Bdot プローブ計測地点における磁場ベクトルの算出を行う．まず各印加磁場条件(0.1 T，0.25 T，0.5 T)での計測地点における初期磁場 B をガウス
メータにより計測した．250 V 印加（ターゲット地点で 0.25 T）時のガウスメ
ータ計測結果を図 42 に示す．初期磁場 Bprobe に図 39 の磁場時間変化 ΔB を加えることで磁気スラストチャンバーにおける磁場ベクトルが算出できる．
0.1 T，0.25 T，0.5 T における初期磁場ベクトルと最大減少時の磁場ベクトル比較を 図 43-46 に示す．図からわかるように，初期磁場に対して X 軸方向に沿った方向に磁場の方向ベクトルが変化している．これは図 46 のように推力方向に運動ベクトルを持ったプラズマが磁場を引き延ばしたためであると考えられる．次に各条件における磁場強度の減少率を算出した．0.1 T，0.25 T，0.5
T においてそれぞれ，磁場強度が 83.0％，88.5 ％，73.0 ％まで減少した．減
磁場減少に関しては磁場強度だけでなく Bdot 計測位置の依存性も大きいと予想されるため，今後の課題として磁場の空間分布の計測が求められる．

42

図 42 0.25 T 印加時の初期磁場波形

43

図 43

磁場ベクトル値(X-Z 平面，側面図)

図 44

磁場ベクトル値(X-Y 平面，上面図)

44

図 45

磁場ベクトル値(X-Y 平面，正面図)

図 46

プラズマによる磁場変動

45

第5章 結論
本研究ではレーザーによるアブレーションプラズマを利用した磁気スラスト
チャンバーの性能調査を行った．磁気ノズルとしてソレノイドコイルを用いた実験構成で，インパルスビット測定実験及びプラズマデタッチメント検証に向けた磁場の多軸計測を行った．実験結果を以下に示す．

・ねじりバネ式スラストスタンドを利用したインパルスビット測定では，磁場増加に伴う発生推力が増加することを確認した．レーザーエネルギーが 1.7 Jの時，0.1 T，0.25 T，0.5 T の外部磁場を印加すると，それぞれ 0.037 µNs，0.052 µNs，0.33 µNs のインパルスビットを計測した．磁場を印加しない場合のインパルスビットがゼロであることからこの推力が磁場とプラズマの相互作用によるものであると言える．

・プラズマデタッチメント検証に向けて，局所磁場の 3 軸同時計測を行った．
プラズマの反磁性と見られる磁場減少が見られた．またその磁場変化の外部印加磁場依存性はインパルスビットの外部印加磁場依存性と波形概形に相関性があった．これらの測定結果から局所的な 3 次元磁場ベクトルの時間発展の計測が出来た．磁場ベクトルが推力寄与方向に沿った変化をするのは，磁気ノズルから排出されるプラズマに磁場が引き延ばさられるためである．

本研究では初めて磁気スラストチャンバーにおける磁場の 3 軸同時計測に成功した．プラズマデタッチメントの実験的検証において，3 次元磁場ベクトルの算出は重要であり，計測手法を確立できた点は有意義な結果であると言える．
今後の展望としては推力計測においてより高電圧で充電することで推力の閾値を求めることである．プラズマデタッチメント計測の観点では，磁場の空間分
布計測とトムソン散乱計測との組み合わせによるプラズマデタッチメント検証
実験を行なうことである．

46

参照文献

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[19] Y.Nagamine and H.Nakashima,“Analysis of Plasma Behavior in a Magnetic
Thrust Chamber of a Laser Fusion Rocket”, Fusion Technology, 35, 62-70
1999.

48

謝辞
本研究の遂行にあたり，非常に多くの方のご指導とご協力を頂きました．ここに感謝の意を表します．指導教員である山本直嗣教授には研究の場を提供していただき，又，研究に関する多くのご助言をいただきました．深く感謝いた
します．そして，普段の研究生活から実験に至るまで，あらゆる場面でご指導
いただきました森田太智助教に心からお礼申し上げます．そしてミーティング
等におきまして多くのご助言をいただきました中島秀樹名誉教授に深く感謝いたします．研究生活において書類手続き等多くのサポートを頂きました大内田映子秘書に深く感謝いたします．
北九州工業高等専門学校の竹崎太智講師には技術的な立場から貴重なご意見を多くいただきましたことを心より感謝いたします．
実験を行うにあたり，実験環境の提供から実験に対するご助言まで多方面から実験にご協力頂いた広島大学大学院工学研究科の難波愼一教授に深く感謝いたします．
大阪大学レーザー科学研究所の藤岡慎介教授には研究に関する貴重なご意見や実験のサポートを頂きました．深く感謝いたします
研究室の先輩である江川雄亮氏，枝本雅史氏，Ali Yousefian 氏，廣池匠哉氏，
児島富彦氏には研究において貴重な意見を数多くいただきました．深く感謝いたします．充実した研究生活を共に過ごしました井上純武氏，河津誠人氏，川邊智氏，桑原直也氏，山戸葵維氏，町田貴大氏，木下順平氏，江川裕貴氏，宮田
慎太郎氏，児島拓仁氏，Hu,Zefeng 氏に深く感謝いたします．また同輩である
山村徹氏，黒江雄貴氏，西牟田直氏，高木麻理子氏，安達美咲氏，齋木淳氏には研究だけでなく公私あらゆる面でサポートしていただきました．心より感謝申し上げます．特に齋木淳氏にはスラストスタンドの校正用振り子を提供いただ
きました．深く感謝いたします．
最後に，自分の進路に対して温かく見守り，支援してくれた両親に深く感謝し，謝辞とさせていただきます．

49