目次
第一章 序論 ....................................................................................................................... 2
1.1 研究背景 ...................................................................................................................... 2
1.2 研究目的 ...................................................................................................................... 4
第二章 イオンエンジン ................................................................................................... 7
2.1 イオンエンジンの作動原理 ...................................................................................... 7
2.2 プラズマ生成 ............................................................................................................ 10
2.3 イオンビーム加速部 ................................................................................................ 10
2.4 中和器 ........................................................................................................................ 12
第三章 グリッド損耗 ..................................................................................................... 13
3.1 スパッタリング ........................................................................................................ 13
3.2 グリッド損耗原因 .................................................................................................... 13
3.3 電荷交換イオンによるアクセルグリッド損耗 .................................................... 15
第四章 実験装置 ............................................................................................................. 18
4.1 真空排気装置 ............................................................................................................ 18
4.1.1 中型真空排気装置 ................................................................................................. 18
4.1.2 大型真空排気装置 ................................................................................................. 18
4.2 小型マイクロ波放電式イオンスラスタ ................................................................ 20
4.3 シールド .................................................................................................................... 25
4.4 ホールスラスタ ........................................................................................................ 26
4.5 イオンビーム電流計測 ............................................................................................ 28
4.6 薄膜コーティング .................................................................................................... 29
4.7 分光器 ........................................................................................................................... 32
4.7.1 分光器の原理 ........................................................................................................... 32
4.7.2 分光器の製作 ......................................................................................................... 33
4.8 発光分光法 ................................................................................................................ 34
第五章 実験結果および考察 ......................................................................................... 35
5.1 銅とアルミニウムの多層コーティングによる実験 ............................................ 35
5.2 Pits & grooves 領域のグリッド損耗率の測定 ..................................................... 38
5.2.1 実験準備 ................................................................................................................. 39
5.2.2 実験結果 ................................................................................................................. 41
5.2.2. (a) Al 検出 ................................................................................................................. 41
5.2.2. (b)発光強度の変化 .................................................................................................. 42
第六章 結論 ..................................................................................................................... 46

第一章

序論

1.1 研究背景
人類が宇宙に新たなビジネスを求めるようになり早、半世紀が経過する。人工衛星打上げに関して言うと、1957 年にソ連、翌年アメリカ、その数年後ＥＵ各国が打上げに成功している（1）。現在、世界各国が国の威信をかけての宇宙開発を行っており、人工衛星は地球の衛星軌道上において 1000 基程作動している（2）。人工衛星の用途(3)について述べると、気象、通信、放送など様々な種類があり、これらの用途の衛星は我々の生活を豊かにし、必要不可欠なものとなっている。
従来、衛星軌道上を多く占めていたのは大型の人工衛星であった。大型の人工衛星の利点は様々な機器を搭載することが可能であるため、多種多様なミッションに利用することが可能であるが一方、開発期間の長期化、高コスト化などの欠点から故障したり、打上げに失敗することを考慮したとき、多大なリスクを承知しなければならなくなる。そのリスクを軽減するために近年、小型の人工衛星(4)が注目されている。
小型人工衛星とは一般的に質量が数百キログラム程度の衛星を示し、特徴として
は、勿論大型のものと比べて開発期間が短く、低コストであることが挙げられる。
大型衛星では開発期間が 5～10 年以上、打上げコストが数百億円程度であったが、小型衛星では開発期間約 3 年、コスト数千万円～数十億円程度である。開発期間が短縮されると、最新技術が投入されやすくなるため、タイムリーな衛星の開発が可能となる。また、低コスト化により、衛星軌道の利用性が高まることで、情報通信などの商業的利用性の高いミッションにおいて優位性が発揮できる。JAXA(宇宙航空研究開発機構)を始めとする様々な研究機関がこのような魅力的な小型衛星の開発・研究（3）を行っている。しかし、小型衛星はそのサイズ故に燃料を多く搭載することはできない。したがって、様々なミッションに対応することを考えたとき、燃費の良い推進システムが必要である。そこで現在、主流となっているのが電気推進システムの小型衛星への応用である。
電気推進システムとは、太陽光発電等で得られた電気エネルギーを用いることで、推進剤(燃料)をプラズマ化させ、これを加速、放出することで、その反作用から推力を得ようというものである。電気推進で得られる推力は化学推進のそれと比べ小さいが、比推力という燃費を示す値が大きいことを特徴としている。現在この電気推進を搭載した衛星(5)が宇宙で活躍している。
電気推進には推力発生システムの違いから、静電加速型と、電熱・電磁加速型の
2 つに分けられる。前者を代表するものとしてイオンスラスタ、後者を代表するものとしてホールスラスタ、MPD(Magnet-plasma-dynamic)スラスタ、アークジェットがある。図 1-1 にそれぞれの推進システムの推力密度及び比推力のグラフを示す。
一見して分かるように、化学推進と比較して電気推進は推力密度が小さく、比推力が大きい。特にイオンスラスタの比推力が最も大きいことがわかる。このような特徴を持つため、イオンスラスタを含む電気推進機は長期間の運用に適しており、衛星軌道上における軌道制御や惑星間航行等に適している。
空気抵抗や摩擦、重力のない慣性空間を一次元運動するロケットについて推進剤の噴出による排気速度 u が一定の場合、ロケットの速度の増分を⊿V とするとき以下の式（6）が得られる。このとき𝑀𝑖 は宇宙器の初期質量、𝑀𝑓 は宇宙器の終期質量である。
∆V = u ln

𝑀𝑖
𝑀𝑓

(1-1)

探査機をより遠方の天体へ到達させるミッションなどにおいて、必要な速度増分（⊿V）が大きくなってくると、指数関数的に𝑀𝑖 が大きくなってくるため、巨大な探査機、つまり巨大なロケットが必要となることが式(1-1)よりわかる。図 1-2 に各ミッションにおけるペイロード比と比推力の関係を示す。図から分かるように、グラフを右上がりであるから、イオンスラスタのような高比推力の電気推進であれば、同一の速度増分を得るための推進剤消費量が少量で済み、結果としてペイロードの増大が見込める。
イオンスラスタを長期運用するにあたり、その長期作動に適う耐久認定が必要となる。耐久認定法としては、従来実時間耐久試験というものが行われてきた(8)。実時間耐久認定法とは実際に地上で数万時間作動させることにより、その寿命を認定するものである。この方法は数億もの莫大なコスト、かつ数年に亘る期間が必要となるため、現実的ではないとされている。実際に記憶に新しい「はやぶさ」ではイオンエンジンを 18000 時間の耐久試験を 2 回行っている(9)。そこで現在、実時間耐久認定法に取り替わるものとして数値解析コードでの寿命評価の研究が進んでいる（10）。
数値解析コードは JIEDI コード(JAXA Ion Engine Development Initiatives)と呼ばれ、
JAXA を中心とする関連機関及び、大学等で開発・研究が行われている。このコードの正式名称はイオン加速グリッド耐久認定用数値解析である。イオンエンジンの寿命を決定する最も重要な要因はアクセルグリッド(加速グリッド)である(10)ため、アクセルグリッドの寿命を決定するための数値解析コードが研究されている。この
コードの研究は進んでいるが、計算結果の妥当性を検証できる実験データは少なく、また中性粒子密度分布の実験的取得が難しいため、グリッド損耗を起こす粒子の発生数を正確に算出できないでいる。

1.2 研究目的
イオンエンジンの実時間耐久試験に基づく耐久性能評価を数多く行うことは現
実的に不可能であり、寿命評価の効率化は早急に取り組むべき課題である。そこで
数値解析コードの精度向上を目指して、低コストの実験的手法によりデータ取得を行う。グリッド損耗評価における実験の役割は主に 3 つあり、数値解析の必要な入力値の取得、現象確認実験による数値解析モデルの妥当性評価、寿命試験による数値解析結果の妥当性評価が挙げられる。本研究は、数値解析に必要な入力値の取得に焦点を当てており、中でも測定しにくい中性粒子密度を求めたい。後述において詳しく説明するが、イオンビームと中性粒子との電荷交換衝突によって発生する低速イオンが損耗の主な原因である。この低速イオンによるアクセルグリッドへの損耗率を求めることにより、中性粒子密度にアプローチできる。何故かというと、電荷交換イオン電流はイオンビーム電流と中性粒子密度に比例して大きくなり、グリッド損耗率は電荷交換イオン電流に比例するため、グリッド損耗率とイオンビーム
電流が分かれば、中性粒子密度を推定することが可能となる。
電荷交換イオン電流は各グリッドならびに各要素における中性粒子密度ならびにイオンビーム電流速度既知ならば、ビームがある長さ 𝑙 進む間において(13)𝐼cex = ∭ 𝐼𝐵 (𝑥, 𝑦) 𝜎cex 𝑛𝑛 𝑑𝑙𝑑𝑥𝑑𝑦(1-2)

で表される。また電荷交換衝突断面積は以下に示される(13) (21)。
𝜎cex = (

)

l

(1-3)

運動エネルギーは以下に示すことができる。

=

𝑀 𝑖

(1-4)

単位時間あたりにグリッド表面からスパッタされる原子の個数は以下に示され
る。
𝐼cex
̇
(1-5)
=
( cex , )グリッド材の比重ならびに原子量から求められる体積変化率を以下に示す。
̇

=

̇

𝑀

(1-6)

イオンビームの速度はグリッド放出面から、ビーム放出面の法線方向に放出する。

𝑖 =√

𝐼

：電荷交換イオン電流：スパッタ率

(1-7)

𝑀
̇

𝑖

：グリッド損耗率

𝐼𝐵 ：イオンビーム電流 𝜎 ：電荷交換衝突断面積 𝑛𝑛 ：中性粒子数密度：素電荷：入射エネルギー：電子温度：運動エネルギー
̇ 𝑖 ：体積変化率：放電電圧：グリッド面への入射角度
𝑖 ：イオン速度
M：原子量

：比重

図 1-1

：アボガドロ数

各種推進器の推力密度と比推力の関係（7）図 1-2

ミッション ΔV をパラメータとしたときのペイロード比と比推力（7）

第二章

2.1

イオンエンジン

イオンエンジンの作動原理(8)イオンエンジンの概念図を図2-1 に示す。イオンエンジンはアーク放電やマイク
ロ波などでキセノンなどの推進剤を加熱・電離させてプラズマを生成し、2枚ないし3枚からなる多孔状のグリッド間に電位差を与えることにより、イオンを加速するという静電加速型の推進装置である。イオンエンジンは主に3つの領域から構成されている。
① 推進剤を電離するプラズマ生成部 （Ionization）② 生成されたイオンを静電的に加速して推力を得るイオンビーム加速部（Acceleration）③ 放出されたイオンビームを電気的に中和するイオンビーム中和部（Neutralization）
これらの各過程はそれぞれ放電室、グリッドシステム、中和器によって行われる。

図 2-1 イオンエンジンの概念図(22)
ここで、生成されたプラズマ及びそのビーム引き出しについて考えてみる。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グリッドが存在す
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に比べて移動度が大きく、エ
ネルギー分布を持っているため、イオンがプラズマから取り出されるときにはイオ
ンは図2-2 に示すような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ぶ。イオン飽和電流密度𝑖 はイオンシースが安定に存在する条件(Bohm のシース条件) から求めることができ、以下の式で表される(6)。
1
𝑖 =

ここで、

𝑛 (

𝑚𝑖

) exp ()

は素電荷、𝑛 はプラズマ密度、はBoltzman 定数1.3807×10-23 ・は電子温度、𝑚𝑖 はイオンの質量である。

(2-1)

1

、

図2-2 イオンシース領域への遷移(11)このようにプラズマからのイオン放出能力はプラズマ密度と電子温度の平方根に比例する。ただしプラズマからイオンを引き出す場合、イオン自らがもつ正の空間電荷により電界が変化し、その電界がイオンビーム電流量を制限する。図2-3 に引き出されるイオンビーム量における、イオン引き出し系の空間電荷とプラズマ源
でのイオン放出能力の関係を示す。この空間電荷に制限された電流値のことを空間
電荷制限電流値といい、イオンシース領域において、電流密度 はグリッド間の印
加電圧を用いて以下のような関係式がある。
1

4𝜀
𝑞
=
( )
9 𝑚𝑖 𝑑
ここで、

3

(2-2)

は真空の誘電率、q は荷電粒子の電荷量、d は引き出しグリッド間隙、g は空間電荷制限緩和係数 (イオン引き出し領域に電子による空間電荷中和がある場合に空間電荷制限電流が緩和されるときの係数で、1 以上の値をもつ) である。この式はChild-Langmuir の式（6）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。

2.3 イオンビーム加速部
イオンビーム加速部は2枚または3枚のグリッドと呼ばれる多数の小孔の開いた電極で構成される。ビーム引き出しはプラズマ生成部で発生したイオンをこのグリ
ッドに電位差を与えることにより静電的に加速することによって行われ、推力はその反作用により得られる。数枚のグリッドの内、プラズマ生成部に接するグリッドをスクリーングリッドといい千数百Vの高電圧が加えられる。スクリーングリッドと1 mm程度の短い間隙で平行に置かれるアクセルグリッドはマイナス数百Vの負電圧が加えられる。この負電圧はイオンエンジン外部からの電子が加速部へ逆流するのを防ぐ働きがあり。この2枚のグリッド間の電位差によりイオンを加速させ、ビームを引き出すようになっている。2枚グリッドシステムではこのような仕組みとなっているが、3枚グリッドシステムでは電位を0Vとしたディセルグリッドが加えられる。このディセルグリッドはアクセルグリッドとの間で逆電位勾配を形成し、幾分かイオンを減速させ、下流からの電子の侵入を防いでいる。また、軸方向の電位分布の概略を図2-6 に示す。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性粒子との電離反応で生じた電子が存在し、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、図2-7に示されるように逆電位勾配をアクセルグリッドとディセルグリッドは形成している。

図2-6 イオンビーム引き出し軸方向電位分布(7)

12

第三章

グリッド損耗

静電加速部では、高速イオンが直接的に、または電荷交換反応により二次的に派生したイオンがグリッドに衝突し、スパッタリング損耗を起こす。損耗が続いていくと、グリッドの構造が破壊され、イオンエンジンは推力を発生することができなくなり故障してしまう。グリッドシステムが破壊される例として、スクリーングリッド孔近傍に堆積した異物により加速電界が乱れ、イオンビームが収束できずにアクセルグリッドへ直撃し、構造が破壊される。または、電荷交換イオン衝突によるアクセルグリッドの構造破壊、アクセルグリッド孔径の拡大に起因する中和電子の逆流などが原因にあたる。本章
ではグリッドシステムに起こるこれらの現象とその対策について解説する。

3.1 スパッタリング
スパッタリングという現象は、固体表面の原子間の結合エネルギーを上回る運動エネ
ルギーをもった粒子(高速の粒子など)が固体表面に入射すると、固体原子の結合が失われ、その表面からその原子が叩き出されることをいう。1 衝突粒子に対する放出粒子の数をスパッタリング率といい、スパッタリング率は様々なパラメータによって大きく変化する。スパッタリング率は比衝突材料によって異なり、また衝突粒子、衝突粒子のもつ入射エネルギー、入射角、材料の表面状態などに依存することがわかっている。

3.2 グリッド損耗原因
イオンエンジンにおいて、スパッタリングは寿命を評価する上で考慮せねばならない要素である。スパッタンリングはイオンビーム起源の高速粒子がグリッドに衝突することで生じ、その衝突の形態(衝突粒子)は 5 つの種類に分けることができ、表 3-1 に示す。
また、イオンエンジンのグリッド損耗の概要について図 3-1 に示す。ビームレットの直接衝突が無視できる場合、つまり最適設定されたグリッドシステムにおけるグリッド損
耗の要因としては、弾性衝突により生じたイオンや中性粒子の影響も無視できないが、電荷交換イオンがほぼ 9 割以上を占めることが分かっている(13)。
13表 3-1
直接衝突イオン
電荷交換イオン

電荷交換中性粒子

弾性散乱イオン

弾性散乱中性粒子

グリッド損耗の原因になりうる衝突粒子(10)イオンビームそのものの発散、または交差することによる衝突を起こすイオン。
イオンビームと中性粒子との電荷交換衝突により生じる低速イオ
ン。負の電界に引き寄せられてアクセルグリッドに衝突する。下流側で生成された場合、二枚グリッドシステムならば、グリッド表面に対して垂直に近い角度で衝突する可能性が高い。上流側で生成された場合は、枚数に関わらず、アクセルグリッド内壁に損耗を起こしやすい。
イオンビームと中性粒子との電荷交換衝突により生じる高速中性粒子。上流側で生成された場合には、アクセルグリッド、または
ディセルグリッドに衝突する可能性あり。
イオンビームと中性粒子による弾性衝突により速度が変化した高速イオン。上流側で比較的多く生成され、下流方向への速度を有しているため、アクセルグリッド及びディセルグリッドの内壁に浅い角度で衝突する割合が大きい。
イオンビームと中性粒子との弾性衝突により速度が変化した高速中性粒子。上流側で比較的多く生成され、下流方向への速度を有しており、アクセルグリッド及びディセルグリッドの内壁に浅い角度で衝突する割合が大きい。

図 3-1 イオンエンジンのグリッド損耗の概要(10)143.3 電荷交換イオンによるアクセルグリッド損耗
イオンエンジンでは放電室においてプラズマを生成するのだが、全ての推進剤がプラズマ生成に用いられるわけではなく、プラズマ生成に用いられない推進剤は放電室からグリッド下流へ漏れ出す。その低速の中性粒子とグリッド間で加速された高エネルギーのイオンビームが電荷交換衝突を起こすことで低エネルギーの電荷交換イオンを生じる。つまり電荷交換衝突は、それぞれの粒子の運動量を保存したまま、電荷だけが交換される現象であり、グリッドシステムにおいては高速イオンと低速中性粒子間の反応である。その衝突の反応式を以下に示す。
+
𝐴𝑓𝑎𝑠𝑡

𝐴𝑠𝑙𝑜𝑤 → 𝐴+
𝑠𝑙𝑜𝑤

𝐴𝑓𝑎𝑠𝑡

(3-1)

この反応が引き起こす事象を、図 3-2 に示されている領域ごとに説明する。
(A)

スクリーングリッド上流で発生した低速イオンは、グリッドシステムの電界によって他のイオンとともに排気され推力発生に寄与するが、高速中性粒子はスクリーンもしくはアクセルグリッドに衝突し、スパッタリング損耗を起こす。ただし、イオン密度は他の領域に比べて低いので反応は著しくない。

(B)

スクリーングリッド下流からアクセルグリッド中流で発生した高速中性粒子は、排気され推力発生に寄与するが、低速イオンはアクセルグリッドの負の電界に引き付けられ衝突し、スパッタリングを起こす。電位差が小さいため、スパッタリング
率は小さいが、イオン密度が最も高い領域であり、また中性粒子密度も放電室内のプラズマと同程度であるため、他の領域に比べ電荷交換反応は多く生じ、アクセル
グリッドを損耗させる主要領域である。この領域で生じた低速のイオンがアクセル
グリッドの内壁に衝突し、孔径が拡大することで、電子の逆流を防ぐ効果を失うことがイオンエンジンの寿命決定要因の一つである。アクセルグリッドの延命化を図るために、空間電荷制限によるスクリーン電流の低下を余儀なくしても、スパッタリングが生じにくいように、アクセルグリッドの電圧の絶対値を小さくする傾向に
ある。

(C)

アクセルグリッド下流以降で発生する電荷交換イオンの起こす損耗は 2 枚グリ

15

ッドと 3 枚グリッドの場合とで違ってくる。2 枚グリッドの場合、下流で発生した
低速イオンがアクセルグリッド下流面に引き寄せられ、特に 3 孔間の中心に損耗がひどく集中する。損耗の形状から Pits & Grooves(13) と呼ばれている。この Pits &Grooves 領域は主流ビームに挟まれた領域であるため、電位が周囲と比べて低くなり、低速イオンを集めやすい。例として、NASA が Deep Space 1 を打ち上げる前に行った 2 枚グリッドシステムのイオンエンジンの実時間耐久試験において、Pits& Grooves 領域にグリッド損耗を起こした写真を図 3-3 に示す(14)。左の写真が作動から 125 時間経過、右の写真が 30,352 時間経過のものである。3 孔間の中心が三角形上に損耗を起こしていることと、孔径が拡大していることが左右の写真を比較することでわかる。3 枚グリッドシステムにおいては、ディセルグリッド下流で発生した場合、ディセルグリッドへの電位の伸展を抑制し、アクセルグリッド面への低速イオン流入を阻止する。
2 枚グリッドにおける Pits & Grooves 形状の損耗が続くことで孔間がつながってしまいグリッドの構造が損なわれる場合や、孔径が拡大することでスクリーングリ
ッドとアクセルグリッドとの間に負の電位を形成されずに中和電子がスクリーン
グリッドの正の電位に引き付けられ、逆流するような状況に陥れば、イオンエンジ
ンの性能は極めて劣化する。また、グリッドの一部の構造が破壊されてもその周辺部で推力を得ることは可能ではあるが、エンジンの性能の劣化により衛星は致命的な状況に陥る。

図 3-2

電荷交換反応発生領域と粒子の挙動(6)16図 3-3

実時間耐久試験でのグリッド損耗写真(Deep Space 1)(14)

17

第四章

実験装置

4.1 真空排気装置
イオンエンジンは、プラズマ生成部、イオンビーム加速部、イオンビーム中和部の三部構成であり、これらのシステムを試験するには、宇宙空間の真空環境や熱環境を模擬した真空槽内が必要である。つまり、イオンエンジンを地上試験するには真空排気装置が必要である。

4.1.1 中型真空排気装置
実験に用いた中型真空容器を図4-1に示す。中型真空容器には内径0.6m、長さ1mの円筒型ステンレス製真空チャンバを用いた。真空排気系として以下に使用した真空排気装置を用いた。

・ロータリーポンプ 1 台 (排気速度15 L/sec)
・ターボ分子ポンプ 1 台 (排気速度520 L/sec)
・クライオポンプ 1 台 (排気速度2000 L/sec at air, 800 L/sec at xenon)

まず、ロータリーポンプを用いて真空容器内を粗排気させ、その後ターボ分子ポンプで真空引きさせる。そして0.05Pa以下になるとクライオポンプを作動させ、高真空にした。
到達圧力は1.6×10-4 Paで，推進剤Xeガス0.02 mg/s流入時の背圧は1.3×10-3 Pa であった。

4.1.2 大型真空排気装置
実験に用いた大型真空容器を図 4-2 に示す。大型真空容器は直径 1.0m、長さ 1.2m の円筒型ステンレス製真空容器で行った。この真空容器は中型と同様に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．以下に使用した真空排気装置を示す。
・ロータリーポンプ 1 台 (排気速度27 L/sec)
・メカニカルブースターポンプ(排気速度375183u ) 1 台・ターボ分子ポンプ 1 台 (排気速度2230 L/sec)
・クライオポンプ 1 台 (排気速度2000 L/sec at air, 800 L/sec at xenon)

こちらの真空の引き方も上記とほぼ同様であるが真空の粗引き時にロータリーポンプ
だけでなくメカニカルブースターポンプも用いている。到達圧力は3.25×10-4 Paで，推進剤Xeガス0.02 mg/s流入時の背圧は8.47×10-4 Pa であった。

図 4-1 実験で用いた中型真空容器

19図 4-2 実験で用いた大型真空容器

4.2 小型マイクロ波放電式イオンスラスタ
図4-3 に本研究で使用したスラスタの写真を図4-4にその構成図を示す。外観は50×50×20mmの箱型となっている。 Al製円筒放電室の周囲に4×4×12 mmの長手方向磁化
磁石を複数設置し，それらを軟鉄製ヨークで挟み込んで放電室内に磁気回路を形成させている。放電室のサイズは、直径21mm高さ12 mmである。磁石数を変更することで内部磁場を変更することができる。磁石は永久磁石のサマリウムコバルト(Sm-Co)を使用しており，この磁石は脆くて欠けやすいが、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。アンテナはSMA コネクタ (female) によって固定されており、マイクロ波電力を放電室内部に伝えている。このアンテナには、モリブデン(Mo) 製の星型アンテナを使用している。過去の研究からこの形状のアンテナが最もカ20

ップリングが良いとわかっている(17)。このアンテナの写真を図4-5に示す。
今回、実験に用いたグリッドはカーボン製及びアルミニウム製で、スクリーングリッ
ドとアクセルグリッドの2 枚を用いた。また3種類の形状の違うグリッドを用いた。パ
ターンAのグリッドはイオンビームを金属板に照射し、スパッタリングさせパターンB
またはCのグリッドにコーティングさせるために用いた。その内の一つの写真を図4-6 、また全てのパラメータを表4-1,4-2,4-3に示す。

図 4-3 2cm 級イオンスラスタの外観

21

magnet

図 4-4イオンスラスタの構成図

図 4-5

モリブデン製アンテナ（17）22表 4-1パターン A グリッドのパラメータ
ScreenAcceleration

Open area ratio, %

51.0

16.0

Hole diameter, mm

1.20

0.70

Potential, V

1000

-150

Thickness, mm

0.30

Hole pitch, mm

1.50

Material

CarbonGrid gap, mm

0.20

Number of holes

91

表 4-2

パターン B グリッドのパラメータ
ScreenAcceleration

Open area ratio, %

58.0

32.6

Hole diameter, mm

1.2

0.90

Potential, V

500

-150

Thickness, mm

0.30

Hole pitch, mm

1.50

Material

CarbonGrid gap, mm

0.30

Number of holes

151

23

表 4-3パターン C グリッドのパラメータ
ScreenAcceleration

Open area ratio, %

44.8

16.1

Hole diameter, mm

3.00

1.80

Potential, V

1000

-150

Thickness, mm

1.00

Hole pitch, mm

3.50

Material

Aluminum

Grid gap, mm

0.50

Number of holes

7

Carbon

図 4-6 グリッドの写真(左:スクリーングリッド、右:アクセルグリッド)パターン C
24

4.3 シールド
正の高電位にバイアスされたイオン源本体が外表面を電気的に露出していると、周囲から電子を引き寄せ電力損失となる。そこで電気的接地されたシールドカバーをかける
ことにより電場または磁場を遮蔽する必要がある。つまり、イオンエンジンの実験を行
うにはシールドカバーが必要であるため、今回これを作製した。図 4-7 にその写真を示す。イオン源の輻射冷却を促進するとことと、内部に気体が停留することを防止するた
めに、シールドには金属メッシュを使用した。メッシュ板の孔径は、静電遮蔽の効果があるように周囲プラズマの密度・温度に依存して決まるデバイ長さより小さく設定する。
𝜀𝜆𝐷 = √
真空の誘電率𝜀 =
=

×

度𝑛 =

1

19

54 ×

1

(4-1)

𝑛

F/m、ボルツマン定数 =J、電離層相当のプラズマに関し、電子温度

𝑚 3とするとき、デバイ長さ𝜆𝐷 =

×

3

=

K、プラズマ密J/K、

5mm となり、この長さよりも小さい細密なメッシュのシールドが必要であるが、本研究で用いるシールドの孔径は 1mm であり問題なくクリアしている(7)。

図 4-7

シールド

25

4.4 ホールスラスタ
本実験において、イオンビームを金属板に照射にスパッタリングさせ、アクセルグリ
ッドに対しコーティングを施すにあたって、イオンエンジンだけでなく、ホールスラス
タも利用した。本実験で用いたホールスラスタの写真を図 4-8 に示し、ホローカソード
を図 4-9、またホールスラスタの機構図を図 4-10 に示す。ホールスラスタの構造は円環状の加速チャンネル、チャンネル上流の陽極、外部の陰極であるホローカソード、また磁気回路を持つ構造となっている。ホールスラスタは円環状のプラズマ加速部に、半径方向の外部磁場と軸方向電界によって周方向のホール電流を誘起するようになっており、その電流をホローカソードなどの電子源から電子を放出し、電気的に中和している。
今回このスラスタにキセノンを推進剤とし、推進剤流量 1.04mg/s、放電電圧 300V で作動させ、ホローカソードでの推進剤流量は 0.28mg/s とした。イオンビーム電流値 1.0Aを引き出し、図-のような形で金属板に照射し、スパッタリングさせ、アクセルグリッドにコーティングさせるために用いた(7)。

図 4-8

ホールスラスタの写真26図 4-9

図 4-10

ホローカソードの写真

ホールスラスタの機構図(7)27

4.5 イオンビーム電流計測
本研究におけるスラスタの性能は，イオンビームを引き出しそのイオンビーム電流から推進性能を見積もることができる。本研究でのイオンビーム測定実験の体系を図4-11に示す。イオンビームの引き出しはスクリーングリッド及びスラスタ本体に1000 Vの電圧を、アクセルグリッドに -150Vの電圧を印加することにより行った。ポテンシャル差によって引き出されたイオンビームの電流値 𝐼 [A]は次式から求められる。
𝐼𝐵 = 𝐼𝑠𝐼𝑎(4-2)

ここで 𝐼𝑠 と 𝐼𝑎 はそれぞれスクリーングリッド用DC電源に流れる電流値とアクセルグ
リッド用DC電源に流れる電流値である。この式により求められたイオンビームの電流値
は、イオンスラスタ下流約 50 cm の場所に設置されたイオンコレクタによって測定された電流値と一致することが過去の研究からわかっている。(18)
実験には1600 MHzの周波数のマイクロ波電源を使用した。推進剤はXe、推進剤流量は0.04～0.10mg/s, マイクロ波投入電力は8W、12W、16Wにて実験を行った。

28

Ａ
Ａ

図4-11イオンビーム引き出しの概略図

4.6 薄膜コーティング
イオンエンジンの寿命決定要因として最も懸念されているのは、先述した通り、イオ
ンビーム引き出しによるアクセルグリッドの損耗である。アクセルグリッドの損耗率を求めるために、アクセルグリッドに金属薄膜コーティングを施す方法が提案された。この手法はコーティングパターンによるが、損耗による金属薄膜の発光を検知することによりコーティング層が無くなるまでの時間を測定することによりグリッド損耗率を求められる。
図 4-12 にアクセルグリッドに対し、コーティング層を多層にした場合のイメージ図を示す。まず A 層に低速イオン衝突による損耗が起こり、スパッタリングされた A 層の発光を検出される。損耗が続くにつれてその発光の強度がピークとなり、やがて発光が検出されなくなり、B 層が検出されるようになる。層の膜厚がわかれば、A 層がなくなる
29

までの時間を計測することによりグリッド損耗率を測定できる。またそれ以降の層も同様である。
金属薄膜コーティングはホールスラスタ、若しくはイオンエンジンのイオンビームを金属の板に照射させ、スパッタリングさせることによりアクセルグリッドに行う。実際にイオンエンジンでイオンビームを引き出し、水平面から 45°傾けた金属板 Al に照射し、そのビームの照射する領域の真下に Al 板を置きコーティングさせた、このときの写真を図 4-13 に示す。
またアクセルグリッドにコーティングする際に、一部分のみにコーティングできるよ
うにアクセルグリッドカバーを作製した。図 4-14 に写真を示す。これで覆うことによりグリッド対し、面積の小さいコーティング層を作製することができる。

図 4-12

コーティング層損耗図30

図 4-13

図 4-14

金属板へのイオンビーム照射

アクセルグリッドカバー
31

4.7 分光器
コーティング層の損耗による発光を検出するために、分光器を用いる必要がある。分
光器にはプリズム型と回折格子型の 2 つのタイプがあるが、今回、回折格子型の分光器を用いたため、回折格子型の分光器について説明する(16)。

4.7.1 分光器の原理
ここでは分光器の原理として重要な、回折と逆線分散を説明する。図 4-14 に示すよ
うに回折格子への入射角を , 回折角を とすると

Nm  (sin i  sin  )が成立する。ここに N は 1mm 当たりの溝の本数、間隔(4-3)
は次数、 は波長である。入

射光と回折光が回折格子の面の法線に対して同じ側にあれば正の符号を異なる側にあれば負の符号をとる。(4-3) 式より分散式は(4-4)となる。焦点距離をとすると、焦点面上で単位波長当たりの距離を線分散（linear

dispersion）と呼び、で表す。逆に焦点面上で単位距離離れた 2 つの波長の差を逆

線分散（reciprocal dispersion）と呼び、で表す。この逆線分散は (4-4) 式を用いて次のように表せる。

(4-5)

32

図 4-15 回折格子による光の回折

4.7.2 分光器の製作
今回、実験するにあたり分光器を製作した。1 次光を取り出し ICCD カメラで読み込
むために、グレーティング(N=1800grooves/mm)を用いアライメントを行った。実際に分光器を組んだときの写真を図 4-15 に示す。グレーティングには図 4-14 について言うところの、i＝4 °で入射し、θ =5°で回折すれば、式(4-2)において理論上 394.40nm の波長を取り出せることができる。そこで 394.40nm のレーザーを入射しアライメントして、分光器の波長分解能は±0.0044nm そんなにない．そもそもファイバの径が 200μであるから，逆分散[nm/mm]×0.2mm 以上は無理であり、および感度も測定に十分であることを確認した。

33

図 4-16分光器

4.8 発光分光法
発光分光法により、アクセルグリッドに施した金属薄膜の損耗による発光を検出する。
具体的にはパターン X,Y の 2 種類の実験装置を組み上げ使用した。
まず、パターン X の実験装置の概略図を図 4-16 に示す。この装置ではアクセルグリ
ッド下流 15 mm 地点の発光を検出できるようにアライメントされている。この地点からの発光を f=100 mm のレンズを用いて平行光にして、2 枚のミラーでリレーして分光器に入射し、ICCD(Intensified Charge-Coupled Device)カメラにて読み込むようになっている。
分光器には f=250 mm のレンズで入射した。分光器の焦点距離は 350 mm，スリット幅は0.1 mm であった。
次にパターン Y の実験装置の概略図を図 4-17 に示す。この装置ではアクセルグリッ
ド下流 10mm 地点の発光を検出できるようにアライメントされている。また、図中の点線内は今回実験で作成した分光器である。検出地点からの発光を f=100 mm のレンズを用いて平行光にして、分光器に入射し ICCD カメラで読み込むようにした。
34

図 4-17

実験装置(パターン X)

こんなもの使ってない

第五章

実験結果および考察

5.1 銅とアルミニウムの多層コーティングによる実験
この実験はアクセルグリッドに金属薄膜の多層コーティングを施し、各層のグリッド
損耗率を測定することを目的とした。またこの実験においてグリッドパターン B のグリ
ッドをコーティングさせ測定することにした。まず実験の下準備として、アクセルグリ
ッドに対し、薄膜多層コーティングを施す必要がある。ホールスラスタの陽極に対する放電電圧をとするとき、放出されるイオンのエネルギーは次式(13)で与えられる。
𝟐𝟏𝟏𝟐𝒆𝑽𝒅 𝒌𝑻𝒆
𝑬 = 𝑴𝒗𝟐𝒊 = 𝑴 (√
)
𝟐
𝟐
𝑴

(5-1)

ホールスラスタの放電電圧をイオンビームの 300V とするとき、エネルギーは 300eVと近似できる。そしてそのイオンビームにて金属板 Al、Cu を交互にスパッタさせるこ35

とにより、アクセルグリッド上に Al 及び Cu の多層コーティングを施した。具体的な条件は、作動ガスには Xe を使用、Xe イオンを生成、加速し、Al 板及び Cu 板に照射、ス
パッタ粒子をアクセルグリッドにコーティングした。Al 層と Cu 層の膜厚を等しくさせるために Al・Cu 原子の 300eV のエネルギーを持つキセノンイオンにするスパッタ率の比 0.32:0.88 よりイオンビームの照射時間を決定した(20)。Al→Cu→Al→Cu…というように、計 10 層の層を作製するために、Al 照射を 495sec、Cu 照射を 180sec とし、これを 1セットとするとき、5 セット行った。但し、表面層となる Cu は検出しやすくするために照射時間を 6 分とした。そして、コーティングの前後の重量を分析天秤(Amidia[ATX224](Min0.1mg/Max220g)島津製作所)で測定することにより、(分析天秤の精度は±0.4mg である)層の厚さを算出した結果、一つの層の厚さは 41.7±4.8nm であり、また表面層の厚さは 83.4±4.8 nm であった。
そして、イオンエンジンの磁石個数 8 個とし、スクリーン電圧 500V、アクセル電圧-150V 印加し、イオンビームを引き出し、コーティングさせたアクセルグリッドを損耗させ、発光分光法により損耗による露出光を検出した。今回 DC ブロックの耐電圧性能の問題からスクリーン電圧を 500V としている。実験装置は先述のパターン X にて行った。0.134sec 毎の露出光を 100 回積算して 13.4sec 毎に測定した。検出されたスペクトル分布のグラフを図 5-1 に示す。Al の発光分布は波長 394.40nm と 396.15nm に分布しておりグラフより検出できたことがわかる。また、Al の発光強度はアインシュタインの A
係数を用いて次式(19)で表すことができる。
𝐼𝑛𝑚 =𝑛 ℎ𝑐𝜈𝑛𝑚 𝐴𝑛𝑚(5-2)

この式は、例えば原子に 2 種類のエネルギー状態 m、n があって、n 状態のほうがエネルギーを余分にもっていて、m 状態への遷移が自発的に起こりうるものとしたときを示している。線の強度を 𝐼𝑛𝑚 (e issi n)、発光スペクトル線の波数を 𝜈𝑛𝑚 、 𝑛 は状態 n にある原子の数密度（ポピュレーション）で、ℎ はプランク定数、𝑐 は光速、遷移の確率が 𝐴𝑛𝑚 である。この 𝐴𝑛𝑚 をアインシュタインの自然放射遷移確率ともいう。これはつまり発光を伴って原子が状態 n から状態 m へと遷移する割合である。
図 5-1 を見ると 394.40nm と 396.15nm の発光スペクトルが存在しているため Al であるといえる。さて、Al の場合、励起状態 m にいる数密度 𝑛 は 394.40nm、396.15nm 共に同じであり、波数𝜈𝑛𝑚 も両者は近似でき、遷移の確率 𝐴𝑛𝑚 が 1:2 の比となっているため発光強度はほぼ 1:2 の比になる。
しかし銅が分布する 402.26 nm、406.26 nm にスペクトルが存在していないため銅の検出ができなかったと言える。また、405 nm 近傍に発光分布が存在するのはコーティングの際に使用した Al 板に不純物が含まれていたために、その波長分布が検出されたので
36

はないかと考えた。その不純物として考えられるのが鉄であり、鉄は 408.～412nm 付近にスペクトル分布をとることがわかっているので、鉄が発光した可能性がある。
銅の検出が上手くいかなかった原因としてはターゲットとした発光ラインの上順位のエネルギーが E = 6.87 eV と高い順位からの遷移に伴う発光であるために、イオンエン
ジンのこの付近ではこの順位まで励起する原子は少なく結果として検出できなかったと考えられる。
次に Al のスペクトル時間変化を図 5-2 に示す。これらのグラフから共通して読み取れることは、発光強度のピーク値の時間経過による変化を測定することができなかったことが挙げられる。わずかな発光強度の上下の変化は見られたが、グリッド損耗率の算出にまで至らなかった。
ピーク値の時間経過による変化が測定できなかった原因は、常に Al が損耗する状況にあったからである。その状況に陥ったのには、3 つの要因が考えられた。まず、アクセルグリッド全面に行ったコーティングが不均一だったか、もしくは損耗がグリッド全
面で不均一だったことが考えられた。アクセルグリッド上での多層薄膜のコーティング
が不均一だった場合、例えば中心部の片側が厚く生成され、もう片側が薄く生成された
場合、上層から削れていくとき層が厚い方と、薄いほうとで発光が検知される時間がず
れ、Cu と Al が同時に損耗を起こすといった状況に陥る。またこのずれは時間が経過するにつれ大きくなる。そのため各層における損耗による発光のピーク値は検出できず、グリッド損耗率は求まることはない。また損耗が不均一だった場合も同様である。また、
もう 1 つの要因は Al コーティング層が厚くなってしまい、薄膜が失われることなく損耗し続けたのではないかと考えられた。

37

10

8

emission intensity
Arbitary Units (Al:396.15nm)

6
8
5
7
4
Al:396.15nm

6Al:394.40nm

emission intensity
Arbitary Units (Al:394.40nm)

7

9

3

5

2
13

107

201

295

389

482

576

670

Time(s)
図 5-2

Al の発光強度の時間変化

以上に述べた問題を解決するために、コーティング面積を小さくして成膜の不均一や、損耗の不均一による発光ピークの埋もれを回避するために，コーティングをアクセルグ
リッド全面に行うのではなく、損耗率が高い Pits & grooves の中心点にのみ、にコーテ
ィングを行った．うことを考えた。コーティング面積が大きいと、その面積における薄膜のといった問題が生じるため、実験を行うことが考えられた。

5.2

Pits & grooves 領域のグリッド損耗率の測定

本実験において、金属をスパッタリングさせる用としてパターン A とコーティングさせ、発光を測定する用に、パターン C のグリッドを用いることにした。計測用のアクセ
ルグリッドの写真を図 5-3 に示す。パターン C のグリッドは 7 個孔式で他のグリッドと比べて孔数は少なく、また孔径が大きい使用となっている。よって今回の実験には適し38ている。その理由はグリッドの孔のピッチ幅が大きく、3 孔の中心に位置する Pits &grooves 領域にコーティングしやすいことが挙げられる。他の孔数の多いグリッドではその領域のみにコーティングすることは難しいからである。本実験は多層で行うのでな
く、単層で行い、発光の検知からピーク値の検出および発光が減衰していく過程が計測できるか検討する。

5.2.1 実験準備
5.1 節の実験において、アルミニウムの発光が確認されたことから、アルミニウムが今回コーティングさせるのに用いる金属の候補に挙がった。まず、7 個孔グリッドにおいてアルミニウムの発光を検出できるかの検証を行った、ま Al 製の 7 個孔アクセルグ
リッドを用いて、磁石個数 9 個、マイクロ波投入電力 4W、推進剤流量 0.04mg/s、スク
リーン電圧 1000V、アクセル電圧-150V を印加し、実験を行った。その結果のグラフを
図 5-4 に示す。波長 394.4nm および 396.15nm の領域にスペクトルが観察されたため、Al が検出されたといえる。つまり、例えばカーボン製のグリッドに Al コーティングをさせ、イオンビームを引き出すと、損耗による Al の発光が検出されることが期待できるということである。

次にアクセルグリッドへのコーティングについて説明する。今回コーティング箇所はPits & grooves の領域の一点のみ施すことにし、その位置を図 5-5 に赤の点線で示す。あるイオンビーム電流値において金属板をスパッタリングさせたときの成膜速度のデータを得ることにした。パターン A のグリッドを装着したイオンエンジンを用い、イオン
ビームを金属板に照射、スパッタリングさせ、パターン C のアクセルグリッドに粒子をコーティングさせた。照射時間 1800sec、イオンビームの電流値 14.2mA、エネルギー
1000eV においてそのデータを表 5-1 に示す。

39

図 5-5

表 5-1

コーティング箇所(13)成膜速度測定における作動条件

諸元
イオンビーム電流スクリーン電圧
アクセル電圧
投入電力
磁石個数
作動ガス
推進剤流量
照射時間
成膜速度

値
14.2mA
1000V
-150V
12W
8個
Xe
0.3mg/s
1800sec
0.0822±0.0274nm/s

40

5.2.2 実験結果
まず、アクセルグリッドに対し、カバーを取り付けた後、先に求めた成膜速度を元にPits & Grooves 領域の一点のみ Al 薄膜コーティングを行った。アクセルグリッドに対し、成膜速度を求めたときと同じ条件でコーティングを行った。コーティングは 300sec 行い、
24.66±8.22nm の膜厚を施した。

5.2.2. (a) Al 検出
Al 薄膜コーティングを施したアクセルグリッドの損耗による発光を実験装置パター
ン Y にて露光時間 0.59sec を 100 回積算して 59sec 毎にカウントを検出し、計 59sec のカ
ウントを 110 回測定した。まず Al の発光が検出できたかどうか、5546-5605sec 経過時におけるスペクトル分布を図 5-7 のグラフに示す。
3

emission intensity
arbitary units

2.5
2

1.5
1
0.5
0
382

385

388

391

394

397

400

403

wavelength(nm)
図 5-75546-5605sec 時におけるスペクトル分布

41

5.2.2. (b)発光強度の変化
実験は 110 回カウントを取ったうち、推進剤流量およびスクリーン電圧やアクセル電圧を変化させるなど条件を変え、60 回、3×15 回、5 回に分け実験を行った。このときイ
オンエンジンの磁石個数は 8 個、推進剤は Xe である。
(i) 0-3540sec(60 回)

下記の表 5-2 に示すような条件で実験を行った。この条件下における Al の発光強度変化を図 5-9 に示す。

(ii)

表 5-2

0-3540sec における作動条件

諸元
照射時間
投入電力
スクリーン電圧
アクセル電圧
推進剤流量
イオンビーム電流
推進剤利用効率値
0-3540sec
12W
1000V
-150V
0.06mg/s、
2.4mA
5.6％

3540-4425sec(15 回)

15 回のうち、(i)と条件はほぼ一緒だが、4 回目と 5 回目は推進剤流量を 0.04mg/s に下げた。4 回目と 5 回目の条件を表 5-3 に示す。
表 5-3

3715-3835sec における作動条件

諸元
照射時間
投入電力
スクリーン電圧
アクセル電圧
推進剤流量
イオンビーム電流
推進剤利用効率値
3715-3835sec
12W
1000V
-150V
0.04mg/s、
2.4mA
8.5％

42

(iii) 4425～5310sec (15 回)
15 回のうち、9 回目までスクリーン電圧 1500V、アクセル電圧-300V を印加した。その条件を図 5-4 に示す。10 回目から 15 回目までは、アクセル電圧を-500V に印加し、その条件を表 5-5 に示す。
表 5-4

4425-4956sec における作動条件

諸元
照射時間
投入電力
スクリーン電圧
アクセル電圧
推進剤流量
イオンビーム電流
推進剤利用効率値
4425-4956sec
12W
1500V
-300V
0.06mg/s、
3.6mA
8.4％

表 5-5

4956-5310sec における作動条件

諸元
照射時間
投入電力
スクリーン電圧
アクセル電圧
推進剤流量
イオンビーム電流
推進剤利用効率値
4956-5310sec
12W
1500V
-500V
0.06mg/s、
3.7mA
8.6％

(iv) 5310～6195sec (15 回)
15 回のうち、9 回目と 10 回目を除いて、スクリーン電圧 1500V、アクセル電圧-300V
推進剤流量 0.06mg/s に設定した。9 回目と 10 回目は推進剤流量 0.1mg/s に設定した。
表 5-6

5782-5900sec における作動条件

諸元
照射時間
投入電力
スクリーン電圧
アクセル電圧
推進剤流量

値
5782-5900sec
12W
1500V
-300V
0.10mg/s、43

イオンビーム電流
推進剤利用効率(v) 6195～6490sec

3.3mA
4.6％

（5 回）

このタイムスケールでは、マイクロ波投入電力 16W とし、スクリーン電圧 1500V、ア
クセル電圧-300V を印加し、推進剤流量を 0.06mg/s とした。
表 5-7

6195-6490sec における作動条件

諸元
照射時間
投入電力
スクリーン電圧
アクセル電圧
推進剤流量
イオンビーム電流
推進剤利用効率値
6195-6490sec
16W
1500V
-300V
0.06mg/s、
4.2mA
9.7％

3.5

emission intensity
arbitary units

3

2.5
2
1.5
1
Al(394.40nm)

0.5

Al(396.15nm)

0
0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

time(sec)
図 5-8

発光強度変化のグラフグラフから読み取れる考察として、まず 100 分超のイオンビーム引き出しをさせたのにも関わらず、発光強度の減衰のエンドポイントが検出できなかった。つまり、この時間内において、Al コーティング層が全て損耗しなかったことを示す。この原因としては
2 つあり、コーティング層を厚くしすぎてしまったことと、アクセルグリッドの損耗量が少ないことが考えられた。本実験は 6490 秒のイオンエンジン作動によって行った訳
44

だが、仮に損耗が一定のとき、6490 秒でコーティング層がなくなってしまう場合を考えてみると、グリッド損耗率は

±

×

3

nm/s となる。1 時間では 13.7±4.7nm 削れ

る計算となる。実際、6490 秒ではコーティング層全てが損耗していないため、グリッド
損耗率はこの値よりも小さくなる。そういったことを考慮すると、数 nm オーダーの薄い薄膜をコーティングさせないと短時間でのグリッド損耗率は難しいと考えられる。今回求めた成膜速度 0.0822nm/s は、誤差が±0.0274nm/s であったため、、仮に現時点で 1nmの膜厚を作製し、それが全て損耗するまでの時間は成膜速度 0.0822nm/s において、12秒間コーティングさせればよい。また膜厚がなくなるまでの時間は少なくとも 260 秒以
上かかることがわかった。

45

第六章

結論

本研究において、イオンエンジンのアクセルグリッド下流における中性粒子密度を推定するために、グリッド損耗率を求めることからアプローチしようと試みた。しかしながらグリッド損耗率算出に至らなかった。本研究で生じた問題とその解決策を本章で述べる。
アクセルグリッドの損耗率を求める過程において、グリッド全面に多層コーティング
させることは望ましくない。その理由として、全面にコーティングを行うと、膜厚の不均一性が生じるからである。例えば膜厚が不均一だった場合、つまり薄い膜厚と、厚い膜厚が存在するとき、上層から削れていく場合、発光検知の時間のずれが生じてしまい、
常に損耗する状況が続いてしまう。この問題を解決するにはコーティング面積を小さくすることで均一に行うことができると考える。
本研究では様々な問題が生じたが、数 nm もしくはそれより小さいオーダーの膜厚を作製すれば、短時間でグリッド損耗率は精度よく求められるだろう。例えば、1nm のコーティング層を作製するにあたっては、成膜速度 0.0822nm/s において、12 秒間コーティ
ングさせればよい。また膜厚がなくなるまでの時間は少なくとも 260 秒以上かかることがわかった。
単層でのグリッド損耗率が求まるならば、今後の展望としてはそれを多層にすること
で各層の損耗の時間を測定し、様々な条件下においてより多くのデータの取得を行うことができれば、中性粒子密度分布や数値解析の検証を行う際に適した方法であるといえ
よう。

46

参考文献
(1)

http://www.rocketmime.com/space/timeline.html(2)

http://www.celestrak.com/satcat/boxscore.asp(3)

http://www.jaxa.jp/pr/inquiries/qa/satellite.html#03(4)

宇宙航空研究開発機構 産学官連携部 連携企画グループ

上野 真吾著“Local activities of micro and nano satellite development in Japan”(5)

http://www.tsm.toyama.toyama.jp/_ex/curators/aroom/satellite/jsatellite.htm

(6)

荒川義博

監修、國中均、中山宜典、西山和孝著“宇宙工学シリーズ 8 イオン

エンジンによる動力航行”(7)

栗木恭一、荒川義博“電気推進ロケット入門”

(8)

國中均、
“「はやぶさ」小惑星探査機に搭載されたマイクロ波放電式イオンエンジン”(9)

http://www.jaxa.jp/article/special/hayabusa/kuninaka_j.html(10) 大川恭志、早川幸男、北村正治、“グリッド損耗評価試験技術の現状”(11) 電気学会、“電子・イオンビーム工学”(12) 谷所正彦、修士論文、“マイクロ波放電型中和器の基礎研究”(13) 中野正勝、“電気推進のシステム解析と性能評価”(14) John R. Anderson、Ira Katzt、Dan Goebel、“Numerical Simulation of Two-Grid Ion Optics
Using a 3D Code ”(15) 張科寅、修士論文“ホールスラスタの壁面損耗測定法に関する研究”(16) http://www.shimadzu.co.jp/opt/guide/index.html(17) 笠岳幸、修士論文、“マイクロ波放電型イオンエンジンのアンテナ設計最適化に向けた電磁波伝播解析”(18) 提井信力、“プラズマ基礎工学”内田老鶴圃、1995(19) http://kotobank.jp/word(20) 日本真空技術株式会社、“真空ハンドブック改訂版”(21) J.B.Hasted、“Physics of atomic collisions”(22) http://art.aees.kyushu-u.ac.jp/research/ECR/ECR_j.xhtml

47

謝辞
本研究を進めるにあたり、研究の場を提供していただき、また研究に関する多くの助言を頂きました中島秀紀教授に心より感謝致します。そして、実験及び研究指導、またソフトボールの練習まで付き合って頂いた山本直嗣准教授に深く感謝致します。また伊都キャンパス工作場の蓮尾技官には、短い間でしたが工作の基礎を丁寧に教えて頂き、深く感謝致しております。
事務手続きはもちろん中島研究室に太陽のような明るい笑顔を持ち込んで頂いた大神めぐみ秘書に感謝致します。

最後に私を今まで支えてくれた、両親並びに妹たち、また親戚一同に心から深く感謝致します。

48