卒

題

業

論

文

目

マイクロ波放電を用いた新しい小型推進器の開発

氏

名

牛尾

康一

所属教育分野プラズマ理工学

指 導 教 員

中島

秀紀

教授

山本

直嗣

准教授

九州大学工学部エネルギー科学科
提出年月

平成２６年２月

目次
第1章

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

1.1

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

1.2

電気推進 .............................................................................................................. 1

1.3

目的 ..................................................................................................................... 3

1.4

目標値の達成見込みと研究課題 .......................................................................... 4

第2章

小型マイクロ波プラズマ推進器..................................................................... 62.1

マイクロ波放電プラズマ ................................................................................... 62.1.1

マイクロ波放電 ............................................................................................. 6

2.1.2

ECR プラズマ ................................................................................................ 6

2.2

磁気チューブ ....................................................................................................... 8

2.3

小型マイクロ波プラズマ推進器の原理 ............................................................... 92.4推力の算出 ........................................................................................................ 12

第3章

実験体系 ......................................................................................................13

3.1

実験方法 ............................................................................................................ 13

3.2

実験装置 ............................................................................................................ 14

3.2.1

真空容器 ..................................................................................................... 14

3.2.2

小型マイクロ波プラズマ推進器.................................................................. 15

第4章

結果と考察 ...................................................................................................174.1

アンテナ形状に関する実験................................................................................ 174.1.1

アンテナに関する基礎知識 ......................................................................... 174.1.2

アンテナの種類と特徴 ................................................................................ 18

4.1.3

実験結果...................................................................................................... 20

4.1.4

モード変化について.................................................................................... 22

4.1.5

考察............................................................................................................. 24

4.2

新たに設計・製作した推進器 ........................................................................... 30
4.2.1

平行磁気チューブタイプ .......................................................................... 30

4.2.2

平行磁気チューブタイプの実験結果 ........................................................ 32

4.2.3

垂直磁気チューブタイプ .......................................................................... 34

4.2.4

垂直磁気チューブタイプでの実験結果 ..................................................... 37

4.2.5

円筒型タイプ ............................................................................................ 37

4.2.6

円筒型タイプでの実験結果 ....................................................................... 39

第5章

結論と展望 .................................................................................................. 41

参考文献 .................................................................................................................... 42

謝辞........................................................................................................................... 44

第1章

序論

1.1 背景現在、天気予報からカーナビゲーションシステムまで宇宙利用はわれわれの生活に欠かせないものとなっている(1-1)。2013 年、種子島宇宙センターからイプシロンロケット
が打ち上げられ、話題となったことは記憶に新しい。このイプシロンロケットで打ち上げられた惑星分光観測衛星（SPRINT-A）の重量は 350 kg であり、小型衛星に分類される。小型衛星とは明確な定義は無いが、一般的には重量がおおむね 500 kg 以下の人工衛星のことを指す(1-2)。この小型衛星の特徴は中・大型衛星に比べ製作期間が短く、コストが低い点である(1-3)。近年、宇宙開発においてこの小型衛星の打ち上げが活発化している(1-4)。これは、現在の国の予算内で中・大型衛星のみを用いると、打ち上げ可能な衛星数が限られてニーズを十分に満たせず、衛星打ち上げコストが高いことにより宇宙事業への新規参入やビジネス化を妨げる要因となってしまうからである。小型衛星の導入によりこれらの解消が見込めるほか、宇宙事業の活発化により新たなニーズや衛星
プロジェクトが生まれる可能性もある(1-5)。さらに、複数の小型衛星を用いて大型衛星並みのミッションを行うフォーメーションフライトも、現在研究が進められている(1-6)。
これはリスクの分散や、システムの漸増的な構築が可能という利点があり、注目を集めている。
以上のような理由により、今後も小型衛星の打ち上げはますます活発化していくと考えられる。
しかし、小型衛星はそのサイズから観測機器や推進器を搭載可能なスペースが小さいという制約がある。また、小型衛星に取り付けられる太陽パネルの大きさにも制限があるため、発電能力も最大で 100 W 程度と低くなるため、推進機で使用可能な電力も小さくなってしまう。このため、搭載する推進器としては小さく、小電力なものが求められる。また、「ほどよし」や「nano-JASMINE」に代表され、現在盛んに研究が行われている超小型衛星においては、サイズによる制約はさらに強くなる(1-7)(1-8)(1-9)。このような理由により超小型衛星に推進器が搭載されることは稀である(1-10)。しかし、推進器を搭載して機動制御を行ったほうが、超小型衛星をより多様なミッションに利用できることは明らかである。
故に、小型かつ小電力の推進器に対するニーズは非常に大きいと言える。よって、本研究ではこのようなニーズを満たす、小型かつ小電力の推進器の開発を目指すものとする。

1.2 電気推進(1-11)
宇宙機の推進方式としては化学推進と電気推進に大別される。化学推進とはロケットエンジンなどにみられるように推進剤を燃焼室で燃やし、高温高圧のガスを排出することによって推力を得るものである。特徴は、高い推力が得られ、比推力（単位推進剤重1

量によって 9.8 N の推力を持続させることができる時間、すなわち燃費）は小さい点である。比推力が小さいと大量の推進剤を搭載せねばならなくなるため、小型衛星の推進方式としては適していない。
一方、電気推進とは、太陽光エネルギーや原子力エネルギーを一旦電気エネルギーに変換し、推進剤を加熱・電離させ、電磁気力を用いて推進剤を排出し、その反作用によって推力を得る推進方式である。電気推進の特徴としては、ロケットエンジンなどの化学推進に比べて推力は小さいものの、比推力が約 10 倍である点であり、搭載しなければならない燃料を大幅に減らすことができる点である。代表的な電気推進機には、イオンスラスタ、アークジェットスラスタ、MPD（Magneto-Plasma-Dynamic）スラスタ及びホールスラスタなどがあり、ミッションよって使い分けられている。
故に、本研究では小型衛星に適用可能な小型かつ小電力な電気推進の開発を目指す。
研究で用いる推進器としては 2012 年度より同研究室の豊田により研究が始められた新
しいタイプの推進器を用いる。（以下、本研究で用いる推進器を小型マイクロ波プラズ
マ推進器、もしくは本推進器と呼ぶ）この推進器の最大の特徴は小型かつ小電力という目標を達成することが理論的に可能な点である。これらの特徴はこの推進器において必要な構成要素がマイクロ波源と推進剤タンクと流量制御系(流量制御器、減圧器など)のみであることによる。
他の電気推進器においては、プラズマ生成部のほかにイオン加速部やビーム中和部が必要であり、そのための電力やスペースが必要となるため目標達成にあまり向いていない。例えば本研究室でも小型化の研究が行われてきたイオンスラスタは本推進器と同様
マイクロ波でプラズマを生成したのちに、グリッドに電圧をかけることによってイオンを加速するイオン加速部とビームを中和する中和部が必要となる。また、現在盛んに研究が行われているホールスラスタはプラズマ生成部と加速部が１つになっていること
や、推力密度が高いという特徴を持っており小型化に向いているが、プラズマ生成とビームの中和のための電子を放出するホローカソードと呼ばれる部分が必要となる (1-12)。
しかし、部品や要素が多くなると故障のリスクが増える等のデメリットが発生する。よって、もしイオンスラスタやホールスラスタで同じ目標を達成できたとしても小型マイ
クロ波プラズマ推進器を用いるほうがよいと言える。
よって、推進器は小型マイクロ波プラズマ推進器を用いるが、この原理等は第 2 章で詳しく述べる。

2

1.3 目的
本研究では利用目的として地球観測用の小型衛星を超低高度（地上約 200km）に投入する場合を想定する。超低高度に投入することにより地表をより高感度で観測することができ、サイズが小さいことによる性能の低さをカバーすることができる(1-13)。しかし、超低高度ではわずかに存在する空気によって空気抵抗を受けてしまうため、この抵抗を打ち消すために推進器が必要となる。この場合に必要な推力は、高度を 200 km、衛星の推進方向断面積を 1.2×1.2 cm2、重量を 50 kg とすると約 0.5～1 mN である(1-14)。
このサイズの小型衛星において推進器に使用可能な電力量は 10 W 程度と想定される(1-15)。よって、消費電力 10 W で推力 1 mN を目標値とする。また、イオン推進器では推進剤として Xe を用いるのが主流であるが、本研究では将来的な実用性を考え、より安価で比推力が伸びる Ar を用いることとする(1-16)。表 1.1 に目標値と次節で述べる小型マイクロ波プラズマ推進器の現在の性能をまとめる。比推力とは次式で定義され、推進器の燃費を表す値である。
𝐹

Isp= ̇

(1-1)

𝑚𝑔

ここで、F は推力、𝑚̇は推進剤流量、g は重力加速度であり、Isp の単位は秒(s)となる。
この式から分かるように比推力は推進剤の原子量が小さいほど大きくなる。表 1.2 には
Xe および Ar の生産量と価格を示す。
表 1.1

目標値と現在の性能

投入電力

推進剤(Ar)流量

推力

目標値

10 W

2.79 sccm

1 mN

現在の性能

10 W

2.79 sccm

31 μN

表 1.2

Ar と Xe の価格

年間生産量

年間生産可能量[t /year][t /year]

単価[円/kg]

Xe

32

160

500,000

Ar

3×106

5×106

500

3

1.4

目標値の達成見込みと研究課題

前節で目標値を 10 W、1 mN と設定した。この目標は果たしてこの推進器で達成できるのだろうか。推力はイオンの速度と電流値両方が確定することによってはじめて算出することができる。図 1.1 に流量 1.39 sccm でのイオンエネルギー分布関数(IEDF)を示
す。

図 1.1

1.39 sccm でのイオンエネルギー分布関数

この結果によれば 1.39 sccm において投入電力 32 W のとき、イオンのエネルギーは約
43 eV であり、速度になおせば 14450 m/s である。今、この速度を流量が倍の 2.79 sccmの場合にも実現できたと仮定する。この場合、1 mN に必要な電流値は 167 mA である。
これは、推進剤(Ar)2.79 sccm を全て電流として活用できた場合の電流値が 200 mA であるので、推進剤利用効率が約 80 %であれば推力 1 mN を達成できる。ここで、推進剤利用効率は次式で定義される。推進剤利用効率とは投入された推進剤がどの程度イオ
ンビームとして排出されたかを示す割合である。推進剤利用効率𝜂t は以下の式で表され
る。

𝜂

𝑚̇

(1-2)

現在の性能を 2.79 sccm、投入電力 10 W を基準にとれば、イオンの速度が 9 km/s、推進剤利用効率が 0.42 %である。よって、イオンの速度を 1.6 倍、推進剤利用効率を約
4190 倍に上げることが出来れば目標値を達成することができる。もちろんこれはあくま
で仮定であり、イオン速度をさらに上げることができれば、推進剤利用効率の目標値までの必要な増分は小さくなる。
前述のように、推力を算出するにはイオン速度と電流値の両方の測定が必要であり、目標値達成にはその両方を上げることが必要であるが、本研究においては電流値に注目し、計測する。それは、目標値に向けてイオン速度よりも推進剤利用効率、すなわち電流値のほうが目標値まではるかに遠いためである。
目標値まで電流値を 200 倍近くにしなければならない本研究において、毎回イオンの速度を測って時間をかけるよりも、まずは電流値の増加を目指し数多くの実験・検証を行うことが必要であると考える。よって本研究では基本的に電流値のみを測定することとする。また、流量については目標値を達成できる見込みのある 2.79 sccm で基本的に行うが、流量による変化をみるため半分の 1.39 sccm でも実験を行う。また、マイクロ波周波数については同研究グループの豊田の実験において最も性能がよかった 1.6 GHzとする。
本研究では、まずマイクロ波放電アンテナの形状についての研究を行う。同じくマ
イクロ波放電式のイオンスラスタにおいてアンテナ形状に関する研究が行われており、性能に大きく影響することがわかっているからである。しかし、表 1.1 や電流値を 200倍近くにしなければならない現状を考えるとアンテナ形状を変化させただけで目標値を達成できる可能性はまずない。よって、目標値達成のためにはもっと大きく抜本的な変化を与えなければならない。故に、本研究ではアンテナ形状に関する研究から得られた知見をもとに、全く新しい形状のスラスタを製作し、目標値達成を目指す。

5

第2章
2.1
2.1.1

小型マイクロ波プラズマ推進器

マイクロ波放電プラズマ
マイクロ波放電

この章ではこの小型マイクロ波プラズマ推進器についてマイクロ波放電プラズマから順に詳しく説明する。マイクロ波放電型とは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, 放電を維持するというものである。マイクロ波放電方式は「はやぶさ」にも用いられ、高い信頼を得ている (2-1)(2-2)。
このマイクロ波放電を推進器に採用することで以下のようなメリットが得られる。
① 放電用電極を必要としないのでスラスタの長寿命化と構造の簡略化が可能② 予備加熱が不要となるので, スラスタの迅速なスタートが可能
以上のような理由により本研究ではマイクロ波放電方式を採用している。
2.1.2

ECR プラズマ(2-3)

ECRの原理と概念図を図2.1と図2.2 にそれぞれ示す。真空中に存在する荷電粒子は磁場中でローレンツ力を受ける。この向心力のため電子は磁力線に巻きつくようなサイク
ロトロン運動と呼ばれる回転運動を行う。磁界における電子の運動方程式は次式で表さ
れる。

ｍ

d𝒗
d𝑡

𝑒𝒗 × 𝑩(2-1)

ここでｍ は電子の質量, 𝒗 は速度ベクトル，𝑒 は電荷量，𝑩 は磁束密度である．このときの円軌道の半径𝑟𝐿 はラーマー半径と呼ばれ、
𝑚𝒗⊥
𝑟𝐿
(2-2)
|𝑒|𝐵
で与えられる。ここで𝒗⊥ は電子の𝑩 に対する垂直な速度成分の大きさである。
プラズマを構成している荷電粒子は全て反磁性体である。そのためサイクロトロン運動の回転の方向は，外部磁場の向きに対して荷電粒子の回転によってできる磁場が常に外部磁場と逆を向く方向である。つまり、電子は磁場に対して右回りの回転運動を行う。
この回転運動の角周波数はサイクロトロン角周波数と呼ばれ
|𝑒|𝑩
(2-3)
𝑚
で与えられる。電子は電場と逆向きに加速されるため，磁場中の電子の回転方向と逆向
きに，回転する速さが等しい電場をかけると電子は連続的に加速され，電場から効率的にエネルギーを受けとることができる。これが電子サイクロトロン共鳴現象である。
ECRプラズマ発生装置では，導波管を通して角周波数𝜔 のマイクロ波を入射し，プ
ラズマを生成する。生成されたプラズマ中の電子は，サイクロトロン角周波数に従って磁力線方向に向かって右回りの旋回運動を行う。一方，強磁場側から入射したマイ𝜔𝑐6クロ波はプラズマ中を浸透し，電子サイクロトロン波と呼ばれる右回りの円偏波を励起する。この波は弱磁場側へ伝播し，角周波数が電子サイクロトロン角周波数と一致する層で急速に減尐してマイクロ波から電子にエネルギーが吸収される。つまり、𝜔𝑐𝜔
の関係が成り立つときにECRが生じる。
また逆に、ECRを起こすときに必要な磁束密度の大きさを𝐵
𝑚𝜔
𝐵
| |

とすれば (2-3)式より(2-4)となる。ECRによってエネルギーを増大させた電子は，磁力線に拘束されながら次々と効率よく周辺の中性粒子と電離衝突を繰り返す。このようにして生成されたプラズマがECRプラズマである。

図2.1

ECRの原理図2.2

ECRの概念図
7

2.2

磁気チューブ

ECR プラズマにおいて、電子は電場によって中性粒子を電離させるのに十分なエネル
ギーを持つまで加速されなければならない。そこで、本推進器では電子を十分加速する
ために、電子が往復運動を行う磁気チューブと呼ばれる磁束管を利用し、電子の動きを制限している。以下、磁気チューブの原理について、詳しく説明する。
磁場に垂直な方向の荷電粒子の運動は、磁力線の回りをまわるような軌道を描くこと
は 2.1 節で述べた。ここでは、プラズマ中に図 2.3 に示すような磁力線が存在する状況を考える。この図の点 O に旋回の中心を持ち、速度 ν0 (磁場に垂直成分ν⊥ 、平行成分ν// )を持つ粒子があるとする。荷電粒子の運動エネルギーの保存より

v 2  v||2  v 22
 v||,20  v ,0(2-5)

 v 02となる。また、磁場が緩やかに変化する場合、磁気モーメント   (1/2)mv2 /B が一定に保たれることを考慮すると、磁場強度が増加するに従い、速度の平行成分が減尐してい
き、ある磁場強度で荷電粒子は磁場の弱い方向へ反射される。このような磁場による荷電粒子の反射を磁気ミラーと呼ぶ。μ の一定性より、

1 2
1 2
mv 0
mv 
2
2
B0
B

(2-6)

である。また、v  v sin  v 0 sin0であることを考慮し、式（2-7）を式（2-6）に代入すると、
sin2  0 sin 2 


B0
B

(2-7)

(2-8)

となる。よって、反射点での磁場強度は、 v||  0 と   90 であるのでB
Bref  20(2-9)

sin  0

となる。



図 2.3 のように両端に磁気ミラーを持ち、荷電粒子が往復する領域を磁気チューブと呼ぶ。小型マイクロ波プラズマ推進器では電子がこの磁気チューブを往復しアンテナ近傍を通過するたびにエネルギーを受け取り、加速される。

8

v0
B

v0

O

図 2.3

磁気ミラー（チューブ）による粒子の閉じ込め

2.3 小型マイクロ波プラズマ推進器の原理
本研究で扱う推進器について、推進器の概略図と軸上電位分布を図 2.4 に、磁場形状を図 2.5 に示す。なお、図 2.5 において放電室内のメッシュは 0.5 mm×0.5 mm である。
放電室外部には Sm-Co 磁石が配置されており、磁石から出た磁力線が軟鉄製のヨークを通って放電室内に導かれている。このときセントラルヨークとフロントヨーク間で磁気チューブが形成されている。そして、この磁気チューブを往復する電子をマイクロ波によって加速し、その電子に中性粒子(Ar)が衝突、電離することによってプラズマが生成される。このとき生成されたイオンはプラズマ電位と宇宙空間電位(即ち 0 V)の電位差により加速、排出される。また、電子については磁気チューブ内で高いエネルギーを持ったものが電位差を乗り越え、イオンと共に排出される。これにより、推進器から排出されるビームは中性に保たれる。このとき、排出される電子が高いエネルギーのもののみだと、イオンとのバランスがとれないように思われるかもしれないが、電子は速度が速く順次補充されるため問題はない。また、このバランスは自然かつ自動的に行われる。本推進器において推力が発生していることは同研究グループの豊田によって行われたイオンエネルギーアナライザーを用いて行われた実験から確かめられている。この実験によって得られた排出されたイオンのエネルギー分布関数を図 2.6 に示す。この結果によれば、排出されたイオンのエネルギーは流量 2.79 sccm、投入電力 10 W で 17eV 程度であり、速度になおせば約 9 km/s である。

9

図 2.4推進器の概略図と軸上電位分布10図 2.5

図 2.6

小型マイクロ波プラズマ推進器の磁場形状排出されたイオンのエネルギー分布関数(IEDF)

11

2.3

推力の算出

本推進器の現在の性能においては推力が極めて小さいため、推力を直接測定することはできない。よって、イオン飽和電流から推力の算出を行う。その際には以下の式を用いた(2-4)。

F

𝑚𝑉
𝐼
𝑒

(2-11)

この式において𝐼b は飽和イオンビーム電流[A]、𝑚i はイオン質量[kg]、𝑉i はイオンの速度 [m/s]を表す。本研究では推進器の前方 50 mm の位置にイオンコレクターを設置し、イオンビーム電流を計測する。その際、コレクターには-30 V を印加し、電子を跳ね返してイオンのみを捕集する。この時、電子を全て追い返した状態での電流値をイオン飽
和電流と呼ぶ。図 2.6 にコレクターに印加する電圧を変化させていったときの電流値を示す。実験条件は 2.79 sccm 10 W である。このグラフより、-30 V で十分に飽和していることがわかる。よって本研究においてはコレクターに-30 V を印加して実験を行う。
また、この実験において負電圧によるイオンの加速による電流値の増加は-30V から-50V の区間で 0.02mA 程度であったことから無視してよいと考えられる。

図 2.6 イオン電流飽和曲線

12

第3章

実験体系

3.1 実験方法
本研究の実験体系の概略図を図 3.1 に示す。本研究においては、推進器の推力が小さ
く、スラスタスタンドなどで直接推力を測定することができないため、推進器から排出されたイオンビーム電流を推進器前方 50 mm に設置したコレクターにより計測し、その値から推力を算出する。その際、推力に寄与するイオン電流値のみを計測するため、コレクターには-30 V を印加する。また、コレクターの距離としてはあまりに近いと推進器内部のプラズマに影響を与える可能性があり、遠過ぎるとビームを全て捕集できな
いため、ビーム発散角の計算からビームを全て捕集できるよう推進器から 50 mm の距
離にコレクターを設置した。
次に、図 3.2 に計測機器の写真を示す。マイクロ波は発信器から発信され、それを増幅器で増幅したのち、SMA ケーブルを経て放電室内部へ導入される。コレクターへは電源を用いて-30 V を印加するが、直接コレクターに接続するのではなく、I-V 変換回路を経て接続されている。この I-V 変換回路は計測器に接続されており、コレクターから流入するする電流値を計測器が計測可能な電圧に変換し、計測器へ伝達する役割を担っている。またマイクロ波増幅器からは直接計測器へ信号を入力している。そして、この計測結果をパソコンに出力して情報を画面で見ながら実験を行う。この際、投入したマイクロ波のうち、プラズマにエネルギーとして与えられなかったものは反射として計測される。

図 3.1 実験体系

13

図 3.2 計測機器

3.2 実験装置
3.2.1 真空容器
実験に用いた真空容器を図 3.3 に示す。小型真空容器には、内径 0.6 m、長さ 1 m の円筒型 SUS 製真空チャンバを用いた。この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。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 5.2 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用にそれぞれ使用した。 到達圧力は 1.0×10-5 Torr で，推進剤の Ar ガス 40 μg/s 流入時の背圧は 1.05×10-4 Torrであった。また、圧力はピラニーゲージとイオンゲージを用いて計測した。

14

図 3.3 真空容器

3.2.2 小型マイクロ波プラズマ推進器
3.2.2.1 推進器本体
図 3.4 に推進器の写真、図 3.5 に推進器の組み立て図を示す。本推進器ではアルミニ
ウム製の長さ 12 mm 内径 21 mm 外形 25×25 mm の放電室を採用している。放電室の周囲に 4×4×12 mm(磁化方向：長手方向)のサマリウムコバルト磁石（Sm-Co 磁石）を複数個配置し、それらをバックヨーク、フロントヨークと呼んでいる軟鉄製部品で挟み込
んで 50 ×50 mm の容器に収納し固定する。フロントヨークは放電室と同じ直径 21 mmの穴が空いている。放電室内の圧力、すなわち中性粒子密度を調整するために、オリフィスプレートと呼んでいる中心に穴を空けたアルミニウム製の板を放電室前方に設置した。また、図 2.5 からわかるように磁気チューブは湾曲し、フロントヨーク前方まで達する。そのため磁気チューブに捕縛されている電子がオリフィスプレートに衝突すると、プレート上で再結合がおこるため、ロスの要因となりうる。そこで、フロントヨー
クとオリフィスプレートの間にスペーサーと呼んでいるフロントヨーク径と同じ大きさの穴が空いたアルミ板を挿入し、オリフィスプレートを離すことによって、このロスを減尐させる。本研究では、豊田の実験において性能が最も良かった、オリフィスプレートは直径 12 mm、スペーサーは厚さ 4 mm のものを用いた。

15

図 3.4 スラスタの写真

図 3.5 スラスタの組み立て図3.2.2.2 アンテナ
アンテナはモリブデン製であり、そのためスパッタに強く損耗しにくい。構造として
は、直径 1mm の軸に様々な形状のアンテナを挿す構造となっている。なお、用いたアンテナの厚さは全て 1mm である。このアンテナを SMA コネクタ（female）に挿入する。
アンテナは周囲の軟鉄製ヨークや放電室と絶縁され、さらに接触を防ぐためにセラミック管が挿入されている。加えて、セントラルヨークとの接触を避けるためごく薄い雲母
シートをアンテナとセントラルヨーク間に挿入している。

16

第4章

結果と考察

4.1 アンテナ形状に関する実験
4.1.1 アンテナに関する基礎知識
過去のイオンスラスタにおけるアンテナに関する研究から磁気チューブとの接触面積は小さいほど良いことがわかっている(4-1)。これは、磁気チューブを往復している電子がアンテナに衝突することにより、損失が発生するためである。図 2.5 からわかるよ
うに、磁気チューブはアンテナ周辺において中心軸から約直径 5 mm 以上の領域に存在していることがわかる。このアンテナが磁気チューブと接触している面積のことを以下、
磁気チューブ接触面積と呼ぶ。
次に投入されたマイクロ波によりアンテナ周辺に発生する電場について説明する。第2 章において、マイクロ波はプラズマ中を浸透し，電子サイクロトロン波と呼ばれる右回りの円偏波を励起すると述べた。しかし、本研究で用いた 1.6 GHz のマイクロ波の波
長は約 20 cm であり、放電室内をマイクロ波が伝播することはない。よって、電子サイ
クロトロン波が励起されることはなく、アンテナの電位とアースされた放電室壁面との電位差により電場が形成されるのみである。なお、アンテナの電位はマイクロ波周波数で振動しているため電場も振動し、加速は可能である。アンテナ周辺の電場を Quick fieldを用いて計算した結果を図 4.1 に示す。なお、アンテナ表面は 1 kV と仮定した(4-2)。

Strength
E (105 V/m)
3.50

3.15

2.80

2.45

2.10

1.75

1.40

1.05

0.70

0.35

0.00

図 4.1 アンテナ周辺の電場

17この計算によれば、アンテナとセントラルヨーク間に 5.0 MV/m、アンテナ側面に 3.0
MV/m、アンテナ表面に 2.0 MV/m の電場が発生している。この中で、磁気チューブ内の電子を加速し、電離に寄与しているのは主にアンテナ側面の電場であると考えられる。
また、後述の星型や L 字などの尖った部分があるアンテナではその先端の電場が強くなることが知られている。しかし、注意しなくてはならないのがこの電場形状はあくまでプラズマが周囲に存在しない場合の基本の電場であり、プラズマが生成した場合の電場はこの通りではないということである。プラズマ生成時の電場については、数多くのシ
ミュレーションが行われており、このように単純に計算できるものではない(4-3)(4-4)。また、電場強度と共に大切なものが、電場の向きである。図 2.3 からわかるように、磁力線と垂直な方向の電場成分のみが ECR 加速に活用されるためである。
4.1.2 アンテナの種類と特徴
図 4.2～図 4.5 に実験を行ったアンテナの写真を示す。また、表 4.1 に主なアンテナのパラメータを示す。

図 4.2 L 字アンテナ

図 4.3 星型アンテナ（中・小・大）18

図 4.4 尖った星、八芒星、十字アンテナ

図 4.5 大きい円、小さい円、のの字アンテナ
表 4.1 主なアンテナのパラメータ
表面積
（mm2）

磁気チューブ接触面積
（mm2）

星

35.08

15.44

十字

24.37

12.83

大きい星

65.31

45.675

小さい星

11.28

0

尖った星

22.23

6.56

Ｌ字（R=4.5m）

5

2.0

直線

0.785

0

のの字(内径 7mm,外径 9mm)

25.13

25.13

小さい円
（直径 5mm）

19.6

0

大きい円
（直径 9mm）

63.6

44.0

八芒星

39.05

19.41
19

次に各アンテナの特徴と実験のねらいについて説明する。
・星
これは、過去のイオンスラスタの研究において最も性能が良かったアンテナであり、小型マイクロ波プラズマ推進器においても高い性能が見込まれる。
・十字
過去のイオンスラスタでの調査において星型に次ぐ性能であるため、実験の価値がある。
・Ｌ字「はやぶさ」の中和器に用いられているアンテナ形状であり、実験してみる価値がある。さらに、R の長さによる性能の違いを比較して、最適なチューブへの食い込み深さを探る。また、星や円と比較して磁気チューブでの電子の加速は一点で行うべきか、満遍なく行うべきかを調査する。
・直線
特徴は磁気チューブとの接触面積が 0 である。磁気チューブ接触面積のみが重要なパラメータであり、磁気チューブとアンテナは近い必要はないのかを調査する。
・小さい円
特徴は直線型と同じく磁気チューブ接触面積が 0 であることである。直線型との決定的な違いは磁気チューブとの距離であり、このアンテナは外周がちょうど磁気チューブ
内周と接する大きさである。
・大きい円とのの字
大きい円は外周が直径 9 mm の円盤であり、のの字はそれから直径 7 mm 以下の部分を取り除いた形となっている。これらの実験結果を比較することで、外周以外の内側の部分が必要かどうかを調査する。つまり、磁気チューブに電場を発生させるのに必要な外周以外は必要ではないのではないかと考えた。また、大きい円については小さい円との比較によって磁気チューブと接触してでも磁気チューブに食い込む必要があるのかを調査する。
・尖った星
過去のイオンスラスタの実験において最も性能が良かった星型を細身にして磁気チューブ接触面積を小さくしたもの。最も高い性能が期待できる。
その他のアンテナは実験を進めていく上で追加したものであるので後述する。
4.1.3

実験結果

図 4.6 に各アンテナ形状での実験結果を示す。なお、実験においては測定を 3 回行い、その平均値をとった。このため、誤差は 0.02 mA 程度と非常に小さく、グラフにも掲載していない。このグラフからわかるように 4～12 W においては星型アンテナが最も性能が良く、14 W 以上では小さい円が最も性能が良かった。また、直線型と L 字(R=2.5mm)と L 字(R=6.5 mm)ではプラズマを点火することができなかった。表 4.2 に 10 W と20 W での代表的なアンテナの電流値を示す。
20

図 4.6 アンテナ形状に関する実験結果

表 4.2 代表的なアンテナの性能
10 W での電流値(mA)

20 W での電流値(mA)

星

8.36

15.5

小さい円

7.67

15.9

尖った星

7.10

13.5

大きい円

5.56

8.98

のの字

2.84

3.92

Ｌ字（R=4.5m）

1.34

1.91

21

4.1.4

モード変化について考察に入る前に、尖った星の実験中に観測されたモード変化について述べておきたい。
これは 1.39 sccm において投入電力を 6 W に下げたときに観測された。そのときの推進器の写真を正面から撮ったものを図 4.7 に示す。また比較のため、同流量における投入
電力 10 W 時の写真を図 4.8 に示す。ちなみに、モードとは、プラズマが生成している場所等のプラズマ生成の状態を表す言葉である。なお、写真は Iso 100、露光時間 1/30秒の設定で撮影した。

図 4.7 尖った星 1.39 sccm 6 W 推進器正面からの写真

図 4.8 尖った星 1.39 sccm 10 W 推進器正面からの写真
これらの写真から分かるように 6 W でのモードではアンテナの前方が周囲と比べて著しく暗く見える。しかし、投入電力が減ると光が弱くなることは当然なので厳密に明るさの比を調べる必要がある。
22

そこで、Origin をもちいて光の強度分析を行った。分析結果を図 4.9 と図 4.10 にそれぞれ示す。写真上と右にあるグラフがそれぞれの軸上での光の強度分布を示している。

図 4.9 尖った星 1.39 sccm 6 W

光の強度分布図 4.10 尖った星 1.39 sccm 10 W

光の強度分布

これらの分析結果から、10 W でのモードではアンテナ前方の光の強度は周囲の約 6 割程度であるのに対して、6 W でのモードでは 2 割程度しかないことがわかる。よって、このモードの違いはアンテナ前方でプラズマが生成されているかどうかであると思われる。すなわち、10 W のモードではアンテナ前方に十分な強さの電場が発生しており、電子はアンテナ前方を通過するだけで中性粒子を電離させるのに十分なエネルギーを持つので、プラズマが生成していると思われる。これまで、磁気チューブでのみプラズ
23

マが生成されると考えていたが、これからはアンテナ前方でのプラズマ生成についても考慮にいれる必要がある。ただし、分析結果の強度分布から分かるようにやはりプラズ
マ生成は主に磁気チューブで行われていると考えられる。また、今後アンテナ前方でもプラズマが生成しているモードをモード 1、アンテナ前方でほとんどプラズマが生成していないモードをモード 2 と呼ぶことにする。また、性能が大きい円より良かったもの
は全て基本的にモード 1 であった。
4.1.5 考察
まず、１つ１つの要素について考察する。
・磁気チューブとの距離について
直線型においてプラズマが点きもせず、小さい円がとても良い性能であったことから、アンテナは尐なくとも磁気チューブと接する程度までは近づいていたほうがよいことがわかる。これは、図 4.1 のアンテナ周辺の電場強度において、アンテナから離れると電場の強度が下がっていることからも明らかである。
・磁気チューブ内の電場の分布(一点集中か満遍なくか)L 字アンテナが R=4.5 mm を除いてプラズマが点かず、プラズマが点いた R=4.5 mm
でも他のアンテナと比較して著しく性能が悪いことから、電場は一点に集中して発生させるより、万遍なく尐なくとも 4 点くらいに発生させたほうがよいことがわかる。一点集中では性能が悪い要因としては一点に濃いプラズマが発生して、うまくエネルギーを投入できなかったためだと考えられる。マイクロ波プラズマにおいては、プラズマがある一定の密度(カットオフ密度)以上になると、プラズマがマイクロ波を反射してしまうという現象が起こる(4-5)。本推進器においては、マイクロ波がプラズマ中を伝播している訳ではないが、これに等しい現象が起こっている可能性がある。これはマイクロ波の反射が他の星型などのアンテナでは入射の約 1/5 程度であるのに比べて、L 字(R=4.5mm)では入射の 2/3 程度であったことから推測される。
・アンテナ軸付近のアンテナ領域の意義
実験結果としては大きい円のほうが、のの字の 2 倍以上高い性能を示した。よってアンテナ軸付近の領域においてもアンテナは存在していたほうがよいと考えられる。これは、磁気チューブ接触面積は大きい円のほうが約 1.7 倍大きいにもかかわらず、大きい円のほうが性能がよいことからも確かだと思われる。ではなぜ磁気チューブとは直接関係の無いアンテナ軸付近の領域にもアンテナが存在するほうがよいのだろうか。ここで、モードについて思い出してみよう。すると要因の１つとしてアンテナ前面で生成されるプラズマが関係していると考えられないだろうか。図 4.11 と図 4.12 に大きい円、1.39
sccm,10 W での写真と光の強度分布を示す。この写真はイオン飽和電流測定のためのコレクターを設置した状態で撮影したため、プラズマの光が格子状に遮られているが、光の強度分布を見るには大きな問題はない。また、のの字の写真については撮影できていない。

24

図 4.11 大きい円 1.39 sccm 10 W での写真

図 4.12 大きい円 1.39 sccm 10 W での光の強度分布
これらの写真と分析結果を尖った星のもの見比べると、明らかに尖った星よりもアンテ
ナ前方が暗く、アンテナ前方の光の強度の値としては尖った星の約半分程度しかない。
これから分かることは大きな円においてはアンテナ前方でプラズマがほとんど生成しないモード 2 である可能性が高いということである。また、大きい円においてはモード
変化は全く見られなかったため、常にモード 2 であると思われる。これはアンテナの表
面積が大きいためにエネルギーが分散し、電場の強度が下がったことが要因だと考えられる。では、アンテナ前方においてプラズマがほとんど生成していないとすると、のの字アンテナが大きい円に比べて明らかに性能が悪かったのはなぜであろうか。
25

ここで新たな推論として、のの字アンテナでは作った電場が全て有効活用されていな
いのではないかと考えられる。のの字は直線型をのの字に曲げたものであり、発生する電場もそれに準ずる。よって、のの字アンテナでもモリブデン棒周囲全域に電場が発生していると考えられる。即ち、のの字アンテナでは中央に空間があるためその部分に有効活用されない電場が発生していると考えられる。
・尖った星の性能
次に、一番性能がよいと予想された尖った星の性能が、星の性能を上回らなかった原因について考察する。もし、磁気チューブとの接触面積のみが重要なパラメータであったなら、尖った星のほうが高い性能を示すはずである。このことは同様に星型より磁気チューブ接触面積が小さな十字にも言えることである。ここで考えられる要因として前述の無駄に電場が発生している領域がないかを考慮してみる。図 4.13～図 4.15 に尖った星、十字、星の磁気チューブとの位置関係を正面から見た図を示す。なお、磁気チューブは直径 5 mm から直径 13 mm の領域とした。

図 4.13 尖った星の磁気チューブとの位置関係

26図 4.14 十字の磁気チューブとの位置関係

図 4.15 星型の磁気チューブとの位置関係
これらの図からわかるように、尖った星と十字には明らかに無駄に電場が発生している領域があるが、星型には全くないことがわかる。表 4.2 にこの 3 つのアンテナの無駄に電場が発生している面積を示す。

27

表 4.2 各アンテナの無駄に電場が発生している面積

無駄に電場が発生している面積(mm2)

星

尖った星

十字

0

3.96

8.09

表 4.2 に示すように尖った星よりも十字のほうが無駄に電場が発生している面積は大きい。この値が大きいほど性能が悪く、結果と合致しておりこのパラメータが重要な値である可能性が高い。また、小さい円アンテナもこの面積が 0 であり、これも性能が高かった結果に合致する。しかし、本当にこれらの結果を無駄に電場が発生していることだ
けで説明してよいとは言えない。なぜならば、磁気チューブより内側の領域が埋まっているほど、前述のアンテナ前方で発生するプラズマも多くなると考えられるからである。
よって、おそらくこの 2 つの要因が重なってこのような結果になったと思われる。しかし、磁気チューブ内側の領域が埋まっていたほうが良いことは確かである。
・小さい円と星の比較
これまでの考察では、磁気チューブ接触面積が 0 で、かつ無駄に電場が発生している
面積も 0 である小さい円が最高性能となるはずである。しかし、結果としては投入電力14 W 以上では確かに小さい円が最高性能であるものの、投入電力 12 W 以下においては星のほうが性能がよかった。これは、この結果をもたらす何らかの要因は投入電力に影響を受けるものであることを示している。一つの要因としては、投入電力が上がると電子のエネルギーが高くなり、アンテナ表面での損失が増加することが分かっている。
これにより投入電力が上がるにつれて、小さい円に対して星型の性能が下がっていた理由は説明できる。しかし、これだけではそもそも 12 W 以下において小さい円のほうが性能が悪い理由が説明できない。そこで、投入電力によって変化する要素として電場強度がある。これから考えられることは、小さい円は投入電力が低い場合には十分に強い電場がアンテナ近傍にしかできないために磁気チューブの内側しか有効活用できなかったのではないかということである。一方、星型は先端部分が磁気チューブの半ばまで食い込んでいるために、磁気チューブ全体を有効活用できたのではないかと考えられる。
ここでの十分な強さの電場とは、加速された電子が中性粒子と衝突するまでの間に中性粒子を電離させるのに十分なエネルギーにまで加速できる電場の強さのことである。
・小さい星と八芒星
最後に、磁気チューブ接触面積を 0 に保ったままでも、星型にして電場を先端に集中させればより遠くまで強い電場が発生し、磁気チューブの外側まで有効活用できるのではないかという考えから小さな星を、星の突起の数を増やせばより磁気チューブ全体を万遍なく活用できるのではないかという考えから八芒星での実験を行った。八芒星での実験を行ったのは、星において突起の隙間に有効活用できていない部分があるのではな
いかと思われたためである。すなわち同じ星の系統のなかでも、無駄に電場が発生する領域が生まれても磁気チューブ接触面積を小さくすることを優先した小さい星と、磁気28

チューブ接触面積を犠牲にして磁気チューブに満遍なく電場を作ることを優先した八芒星だと言える。結果はどちらも星型には及ばなかった。小さい星は無駄に電場が発生している領域が存在するため、八芒星は磁気チューブ接触面積が大きいために、性能が星に务ってしまったと考えられる。そして、八芒星の性能が星に务ったことから星型はその形状でも星の突起の隙間もしっかりと強い電場が発生しており、突起の間も十分有
効活用されている可能性が高い。
今回の実験では、以前から重要であると思われていた磁気チューブ接触面積のほかに、
磁気チューブより内側の面積、磁気チューブ全体を有効活用できているかということがアンテナ性能を決める上で重要なパラメータであり、星型はそれらのバランスが良く、最高性能が出たと考えられる。また、さらに良い形状のアンテナを作るとすれば星型を尐し細身にすることが考えられる。しかし、尖った星とは違い無駄に電場が発生している面積を 0 に保つことが重要である。この理由としては、まず無駄に電場が発生する面積については既に 0 であってもう改善のしようがなく、磁気チューブを有効活用することについても八芒星との比較から、現在の形状で星の突起の隙間が有効活用できていない可能性も低く、尐なくともそれを心配して磁気チューブ接触面積を増やしては意味が無い。よって、もう尐し細身にしてもまだ突起の隙間を有効活用できるとすれば、細身にすれば磁気チューブ接触面積を小さくでき、性能が上がると考えられる。しかし、これで性能が上がるにしても 1～2 程度が限界であると考えられ、アンテナだけでなく、もっと大きな変化を加えなければ目標値を達成することはまずできないと言ってよい。

29

4.2

新たに設計・製作した推進器

4.2.1 平行磁気チューブタイプ
目標値を達成するためにアンテナに関する研究から得られた知見をもとに主に磁場形状に注目して新たな推進器を 3 タイプ製作した。この実験での目的は細かく小さな調
整を繰り返すのではなく、磁場形状に関する知見を得るとともに、従来の性能を上回る見込みのある磁場形状を模索することである。また、これは 3 つのタイプすべてに共通することであるがバックヨークとフロントヨークを新たに製作し、ヨーク間を長さが可変の支柱で繋ぐことにより、様々な形状の放電室に対応できるようにした。
まずは、平行磁気チューブタイプについて説明する。この推進器の最大のねらいはア
ンテナが形成する電場の向きと磁力線を直交させることにある。第 2 章で説明したように ECR 加速においては磁力線と直交する方向に電場をかけることが最も効率がよい。
しかし、従来のタイプでは電場と磁力線はあまり直交していなかった。その点の改善を試みたのが、この平行磁気チューブタイプである。平行磁気チューブという名はアンテ
ナ軸と磁気チューブが平行であることを表している。また、放電室内に磁気チューブが従来のタイプより広い領域に存在しているためプラズマ生成領域が増え、より多くの推進剤が電離することが見込まれる。図 4.16 に概念図を、図 4.17 に AMaze を用いて計算した磁場形状を、図 4.18 に実際に製作した推進器の写真を示す。また、磁石個数については 4×4×32 の磁石を 29 本設置した。これは従来のタイプで最も性能が良かった磁石 9 個と同程度の強さの磁場をアンテナ周辺に形成するためである。また、オリフ
ィスについても従来のタイプで最も性能がよかった直径 12 mm を採用した。また、磁気チューブを形成するためにフロントヨークに円筒型の突起を、セントラルヨークに中央にくぼみがあるものを使用した。また、アンテナについてはこれまでの実験結果を参考に磁気チューブに半分ほど食い込んだ直径 12 mm の星型アンテナを使用する。また、放電室長は同研究グループの豊田の研究によって従来のタイプで性能を伸ばすには電子の平均自由行程の計算から磁気チューブを 1.5～2 倍程度にするべきであるとわかっているため、磁気チューブが従来のタイプの約 2 倍の 20 mm となるよう設計した。放電室径については従来と同じ 21 mm とした。

30

図 4.16 平行磁気チューブタイプの概念図

図 4.17 平行磁気チューブタイプの磁場形状31図 4.18 平行磁気チューブタイプの外観
4.2.2 平行磁気チューブタイプの実験結果
当初の予定通り磁石 29 本で実験を行ったところプラズマを点火することができなかった。これは磁石が多すぎたために ECR 層がアンテナの端から離れすぎた可能性が考えられた。よって磁石個数を 16 本まで減らしアンテナに ECR 層を近づけて実験を行った。するとプラズマを点火することができた。その時の磁場形状を図 4.19 に、その結果を図 4.20 に示す。

図 4.19 磁石 16 本での磁場形状32

図 4.20 平行磁気チューブタイプの実験結果
この実験結果から言えることは 10 W において平行磁気チューブタイプはイオン電流値としては 4.0 mA で、従来のものと比較して約 1/8 の性能しか出ていないということである。これは、もちろん磁石を減らしたことによって磁場によるプラズマ閉じ込めが弱まったという効果も含まれていると思われるが、1/8 と差が大きいことや従来のタイ
プで最も性能がよかった状態を模した磁石 29 本でプラズマが点かなかったことを考えると何か構造的に大きな問題があると考えられる。その 1 つとしてこのタイプの最大の特徴である平行磁気チューブ、すなわち磁気チューブの向きによって電子が排出されにくい構造になっている可能性が考えられる。これはどういうことかを順に説明すると、
本研究で扱っている推進器は第 2 章で説明したようにイオンと電子が排出され、ビームは電気的に中性となる。しかし、このときに注意しなければならないのは、このビームが中性に保たれる作用は自然かつ自動的に行われているということである。すなわち、
イオンのみが排出されやすい構造だとしても、電子が排出されにくいとその尐ない電子と電気的に釣り合う量のイオンしか排出されなくなってしまうのである。具体的に電子が排出される仕組みとしては、第 2 章でも述べたように高いエネルギーを持ったものが電位差を乗り越えて排出されるというものである。では、高エネルギーの電子がどこに存在するかといえば磁気チューブであり、チューブ内の電子が中性粒子との衝突、もしくはエネルギーが高くなることによって磁気チューブの束縛から逃れていくと考えられる。ここで、重要なことはこれらの要因により磁気チューブから逃れた電子は主に磁気チューブとは垂直方向に逃げていく、言い換えれば磁気チューブと垂直な方向にしか逃げられないということである。これは、もし中性粒子との衝突によって磁気チューブと平行方向に飛ばされたとしても磁気チューブにすぐにつかまってしまうし、高いエネ
ルギーになった電子も加速される速度成分は磁気チューブに垂直な方向成分だけだか
33

らである。そして、改めて平行磁気チューブタイプの磁気チューブの向きを見ると、全く電子の排出に適さない構造であることがわかる。これが性能が低かった要因の１つであると考えられる。
また、もう１つの要因としてアンテナについての考察で述べた無駄に電場が発生している領域が考えられる。このタイプでは磁気チューブに星型アンテナがチューブの半ばまで食い込んでおり、そのような領域はないはずであった。しかし、実はこのタイプでは中心にくぼみがあるセントラルヨークを使用したために、そのくぼみに無駄な電場が発生していたと考えられる。さらにこの領域はアンテナとの距離が放電室の壁面より近く、また体積的にもアンテナの研究で考慮していた領域よりも 3～5 倍程度大きい。これにより投入電力の多くが無駄になっていたと思われる。当初想定した磁石 29 本でプラズマが点かなかった要因はこれであると考えられる。
よって、この形状では従来のタイプの性能を超えることはないと見込まれる。しかし、今回のタイプで問題があったと考えられるのは磁気チューブと排出方向が平行なことと、無駄に電場が発生している領域があるためであって、アンテナ軸と磁気チューブを平行にするという考え自体に問題があった訳ではない。よって、磁気チューブがアンテ
ナ軸と平行でありながらも、排出方向とは平行ではない形状を実現できれば、良い性能がでる可能性もある。

4.2.3 垂直磁気チューブタイプ
このタイプでの最大の特徴は排出方向と磁気チューブが垂直である点である。これにより、前節で述べたように電子が排出され易くなり、それに伴いイオンの排出も多くなると考えた。図 4.21 に概念図を、図 4.22 に AMaze を用いて計算した磁場形状を、図4.23 に放電室内に並べた磁石の写真を、図 4.24 に実際に製作した推進器の写真を示す。
ここで注意しなければならないのは、これまでのタイプはすべて軸対称なものであったが、今回のタイプでは対称性は無いということである。このタイプでは、排出方向と垂直な磁気チューブを放電室内部に磁石を置くことによって形成した。また、チューブのみでは荷電粒子が排出されにくいことが考えられたので荷電粒子の排出を促す発散磁場を加えた。また、出口付近には概念図において紙面に垂直な向きへの電子の流失を防
ぐため、壁面に 4×4×2 の磁石を設置した。またオリフィスについては、出口付近の発散磁場に沿って排出される電子と衝突しないよう大きめの 25 mm×25 mm のものを使用した。また、アンテナ側面の強い電場は磁気チューブには有効活用できないが、アン
テナ前方の電場でも、磁気チューブに捕らえられている電子なら長時間加速できるため、十分に加速できると判断した。

34

図 4.21

平行磁気チューブタイプの概念図

図 4.22 平行磁気チューブタイプの磁場形状35

図 4.23 放電室内に並べた磁石の写真(排出側から)

図 4.24 製作した垂直磁気チューブタイプの写真

36

4.2.4

垂直磁気チューブタイプでの実験結果

プラズマを点火することができなかった。この要因の１つとして考えられるのはアンテナ周辺の磁力線の向きである。これは、アンテナ軸と磁気チューブが垂直なためにアンテナ側面にできる強い電場をほとんど活用できていなかったことによると考えられる。また、アンテナ前方の電場も既にプラズマが点いている状態ならプラズマを生成することも可能であったが、プラズマを点火するには弱すぎ、電子が十分なエネルギーを持つ前に中性粒子と衝突してしまったと考えられる。よってこの磁場形状ではプラズマを点火することはできないという結論になったが、ここで注意しなければならないのは排出方向と磁気チューブの向きが垂直であるというアイデア自体が否定された訳ではないということである。もしこのような磁場形状であっても磁気チューブに効率良くエネルギーを与えることができればまだ高い性能がでる可能性も残されているといえる。
4.2.5 円筒型タイプ
このタイプの特徴は磁気チューブを無くしたことである。垂直磁気チューブタイプまでの実験において電子が排出され易い構造が必要であると考えられたが、磁気チューブを排出方向と垂直にするという構想はうまくいかなかったために磁気チューブを無くし、発散磁場をメインとした構造とすれば、高いエネルギーの電子のみならず多くの電子が排出されると考えた。図 4.25 に概念図を、図 4.26 に AMaze を用いて計算した実際に実験を行った磁場形状を、図 4.27 に実際に製作した推進器の写真を示す。

図 4.25 円筒型タイプの概念図37

図 4.26 円筒型タイプの磁場形状

図 4.27 実際に製作した円筒型タイプの写真
図 4.26 や図 4.27 からわかるように放電室外側にリングのフェライト磁石を、放電室
内部のバックヨークにリングの Sm-Co 磁石を設置した。これは放電室外側のリング磁石のみではバックヨーク側にも磁場が発散してしまい、バックヨークに多くの電子が衝突することが予想されたため、放電室内部に磁石を設置し磁気ミラーを形成した。また、外側のリング磁石にフェライト磁石を用いたのは Sm-Co 磁石では放電室内部の磁場が38強くなり過ぎるためである。なお、ガウスメーターによる測定では放電室の排出側先端から約 10 mm の地点で ECR 層を確認した。アンテナについては放電室内で長時間加速するために放電室の端までの直線型アンテナを採用した。放電室長については磁気チューブが無くても十分に電子が加速されるよう、従来のタイプの磁気チューブ 2 往復程度の長さである 40 mm とした。放電室内径は従来のタイプのサイズを維持しつつ、フェライト磁石のサイズを考慮して 20 mm とした。オリフィスプレートについては図 4.25
からもわかるように放電室の端まで発散磁場が存在しているため、それに沿って排出される電子との衝突を避けるため放電室内径より大きな直径 21 mm のものを選択し、オ
リフィスプレートの役割は磁石と放電室の固定に留めた。図 4.27 を見ると排出側にも磁力線の狭まりがあり時期チューブが形成されているようにも見えるが、その付近では磁場強度が低いため電子はあまり捉えられないと考えられる。
4.2.6
円筒型タイプでの実験結果
円筒タイプにおいては、プラズマは点火したもののイオン飽和電流値を計測することができなかった。それは、コレクターに-30 V を印加しても電流値が飽和しなかったためである。図 4.28 にコレクター電圧対電流値のグラフを示す。

図 4.28 円筒型タイプの I-V 曲線

この結果は即ち、従来のタイプよりも高いエネルギーの電子が排出されていることを意
39

味している。また、-70 V 以上印加しても電流が飽和していないことから 70 eV 以上の電子も排出されていることがわかる。ここで、世界で行われている研究に目を向けると、フランスで Julien Jrrige 氏らにより研究が行われている ECR スラスタは、今回の円筒型タイプと同じく発散磁場をメインとした小型の推進器であり磁場形状も比較的似ている(4-6)。ECR スラスタの研究では推進器から排出されたイオンが 200 eV 程度であることがわかっていることから、円筒型でも同じ程度のイオンが排出されている可能性も十分にある。ただし ECR スラスタの推進剤は Ar と Xe を使用しているものの、流量が本研
究の約 3 倍であり投入電力は 20～50 W と高いため一概には比較できない。しかし、従来のタイプや ECR スラスタでは流量が尐ないほどイオンのエネルギーは高くなる傾向
なので円筒型ではさらに高いエネルギーのイオンが排出されている可能性のほうが高い。よって、円筒型タイプの性能を正しく評価するにはイオンエネルギーアナライザー
を用いて排出されたイオンのエネルギーを計測する、もしくはある程度推力が出ていると見込んでスラスタスタンドで直接推力を測定する必要がある。

40

第5章

結論と展望

本研究では、小型マイクロ波プラズマ推進器において 2.79 sccm、4～12 W の条件においては星型アンテナが最も性能が良く、12～32 W では小さい円が最も性能が良いという結果を得た。この結果から、以下の条件がアンテナの性能を高めるためには必要であると考えられる。
・磁気チューブ接触面積を小さくすること
・無駄に電場が発生する領域を小さくするため、もしくはアンテナ前方でより多くプラズマを生成するため、磁気チューブより内側の領域はアンテナが存在していること
・磁気チューブ全体に満遍なく十分に強い電場を発生させる形状であること
星型アンテナはこれらのバランスがうまくとれた、かなり性能の良いアンテナであると言える。
また、アンテナに関する研究で得られた知見をもとに、新たな形状の推進器を 3 タイプ製作した。その中で、今後も深く研究を行う価値があると思われるものは発散磁場をメインとした円筒型タイプのみであった。このタイプは、従来のものより高いエネルギ
ーのイオンが排出されている可能性があり、イオンのエネルギーの計測や、直接推力を測定する価値がある。しかし、他の 2 つのタイプにおいても、それぞれの設計コンセプ
トである、アンテナ軸と磁気チューブを平行にすることと、磁気チューブと排出方向を垂直にするという考え自体が間違っていたとは言えず、今後の新たな形状の設計の指針にすべきである。さらに、今回新たなタイプを 3 つ製作して分かったことは、なかなか良い形状を見つけられないというだけでなく、新たな推進器を設計・製作するには時間と制作費がかかるため、実験できる形状の数には限りがあるということである。よって、今後新たな形状を実験する場合にはより柔軟に多くの形状を製作できるよう、磁石の代わりにコイルを使用するべきである。これにより、磁石を形状に合わせて準備する必要が無くなり、様々な磁場形状と強度をより多く実験することができる。そして、良い性能の形状が見つかった時にその形状を磁石で再現するという計画に移行するべきであ
る。

41

参考文献
(1-1) 日本経済新聞(Web 版)“ ウェザーニューズの超小型人工衛星、安定通信に成功”、
2013/11/23(1-2) 飯田尚志：小型衛星の現状と将来動向、電子情報通信学会技術研究報告. SANE, 宇宙・航行エレクトロニクス 93(398), 49-54, 1993-12-17(1-3) 趙孟佑、増井博一、入江大樹、今里昂史：超小型衛星の検証コストに関する試算、第 54 回宇宙科学技術連合講演会講演集、JSASS-2010-4049、(2013)(1-4) 金岡充晃：超小型衛星における技術開発・政策動向, 第 57 回宇宙科学技術連合講
演会講演集、JSASS-2013-4014、(2013)(1-5) 中須賀真一：ほどよしプロジェクトの成果を利用した将来の超小型衛星利用の展
望、第 57 回宇宙科学技術連合講演会講演集, JSASS-2013-4694、(2013)(1-6) 河野功、山元透、巳谷真司：フォーメーションフライト技術の宇宙最先端ミッシ
ョンへの応用、電子情報通信学会技術研究報告. SANE, 宇宙・航行エレクトロニ
クス 109(101), 127-132, 2009-06-18(1-7) 白坂成功、中須賀真一：ほどよし信頼性工学とその適用、第 57 回宇宙科学技術連
合講演会講演集、JSASS-2013-4680、(2013)(1-8) 酒匂信匡 、 初鳥陽一、稲守孝哉、中須賀真一 ： 超小型赤外線位置天文観測衛星
Nano-JASMINE システムと開発状況について、年次大会講演論文集 、JSME annual
meeting 2008(5), 411-412, 2008-08-02(1-9) 青 山 順 一 、 佐 原 宏 典 ： 超 小 型 衛 星 用 推 進 系 の 開 発 の 成 果 と そ の 応 用 、JSASS-2013-4691、(2013)(1-10) 青柳賢英、岩崎晃、中須賀真一、矢入健久、吉本聖志：超小型衛星の災害監視利用、第 57 回宇宙科学技術連合講演会講演集、JSASS-2013-4685、(2013)(1-11) 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)(1-12) 江崎徹：低電力ホールスラスタの開発、平成 22 年度九州大学修士論文(1-13) 此上 一也、五十嵐 伸明、今村 俊介、山川 史郎、高畑 博樹：超低高度衛星技
術試験機(SLATS)の開発、電子情報通信学会技術研究報告. SANE, 宇宙・航行エレクトロニクス 111(90), 1-5, 2011-06-16(1-14) 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(1-15) 小泉宏之、國中均：マイクロ波放電式小型イオンスラスタのシステム性能、日本
航空宇宙学会論文集、60(3), 128-134, 2012-06-05(1-16) 三好誠：Ar を推進剤として用いるイオンエンジンの開発、平成 19 年度九州大学
修士論文

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(2-1) 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、
プラズマ・核融合学会誌 82(5), 300-305, 2006-05-25、(2006)(2-2) 細田聡史，國中 均：イオンエンジンによる小惑星探査機「はやぶさ」の帰還運用、
J. Plasma Fusion Res. Vol.86, No.5 (2010)282-292(2-3) 高村秀一：プラズマ理工学入門、森北出版(1997)(2-4) 栗木恭一，荒川義博：電気推進ロケット入門、東京大学出版会(2003)(4-1) 山本 直嗣、近藤 慎哉、近岡 貴行、金川 隆保、中島 秀紀：小型イオンスラスタの推進性能における形状依存性、Journal of the Japan Society for Aeronautical andSpace Sciences 56(655), 383-390, 2008-08-05
日本航空宇宙学会(4-2) 新谷將：マイクロ波放電式小型イオンエンジンの数値解析、平成 22 年度九州大学
修士論文(4-3) 金川隆保：マイクロ波放電式小型イオンエンジンの数値解析、平成 19 年度九州大
学修士論文(4-4) 楠田将士：マイクロ波放電式イオンエンジンにおける中和器内部の電磁場解析、
平成 25 年度九州大学学士論文(4-5) 電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会：マイクロ波プラズマの技術、オーム社(2003)(4-6) Julien Jarrige, Paul-Quentin Elias, Félix Cannat, Denis Packan：“Performance Comparisonof an ECR Plasma Thruster using Argon and Xenon as Propellant Gas“,
IEPC-2013-420,(2013)43謝辞
まず初めに、以前より興味のあった宇宙推進器の分野ついての研究の場を与えてくだ
さると共に、ミーティング等で様々なご指導を頂いた中島秀紀教授に深く感謝いたします。研究や論文製作、その他あらゆる事について熱心にご指導くださっただけでなく、
明るく親しみを持って接してくださった山本直嗣准教授に深く感謝致します。事務的な手続き等で支えてくださった馬渡隆子事務補佐員に深く感謝します。
楽しく充実した研究室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。同じ研究グループで、研究内容についていつでも親身に相談に乗ってくださり、研究生としての基本を教えてくださった豊田裕司氏に深く感謝親します。研究・論文等でアドバイスをしていただくと共に常に、明るく接してくださった Indranuj DEY 氏、李後毅氏、
笹川裕太郎氏、富永宙志氏、伊藤匠氏、齋藤直哉氏、坂井寿光氏、木邊厚視氏、楠田将
士氏、田中啓介氏に感謝致します。同じ B4 として様々な面で助けてもらうと共に、切磋琢磨し合った川島諒祐氏、前田優士氏、山口敦氏に深く感謝致します。
また、この 1 年間常に研究室生活を支えてくれた家族に深く感謝致します。最後に、その他の教授方や友達、その他今まで私に関わった全ての方たちのおかげで今回の研究を行うことができました。深く感謝致します。

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