卒 業 論 文

題目

マイクロ波放電型イオンエンジンのビームプロファイル計測

氏

名

三好誠

所属教育分野プラズマ理工学

指 導 教 員中島秀紀 教授

九州大学工学部エネルギー科学科
提出年月

平成 18 年 2 月

目次

第1章

序論

1.1 研究背景・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
1.2 イオンスラスタ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
1.3 研究目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

第2章
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5

第3章

原理

1
1
2
3

9

ECR プラズマの原理・・・・・・・・・・・・・・・・・ 9
マルチモノポールアンテナシステム・・・・・・・・・・ 10
発光強度分布計測・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11
イオンビーム・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 12
イオンコレクター・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13

実験装置

3.1 実験装置概略・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
3.2 真空系・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
3.3 エンジン構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
3.3.1 Divider、放電室およびアンテナ
3.3.2 グリッドシステム
3.4 マイクロ波電源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
3.5 イオンビームプロファイル計測・・・・・・・・・・・・
3.6 発光分光強度計測・・・・・・・・・・・・・・・・・・

19
19
19
20

21
22
22

第4章

結果及び考察

31

第5章

結論

44

第6章

今後の課題

45

謝辞

46

参考文献

48

第1章
1.1

序論

研究背景

現在、宇宙開発において、電気推進の需要が高まっている。電気推進とは、
太陽光エネルギーや原子力エネルギーから電力を得て、それを推進剤に与えることにより反力を得る外燃機関の一種である。
宇宙推進システムは、燃料と酸化剤を燃焼室で燃やし、火炎として発生した
高温高圧のガスをノズルから噴射することによって推力を得る化学推進がもっとも実用化されているが、非化学推進の中で、電気推進はすでに実用化が始まり、急速に人工衛星、宇宙探査機に搭載され始めている。
電気推進は、電力を推力に変換することから、その推力は得られる電力に見合ったものである。そのため極めて低推力のロケット推進である。そのため、地上打ち上げ用や月・惑星とのランデブーから周回軌道へのキャプチャー時のような瞬発力を要請される場面には不向きである。しかしながら電気推進は、ロケット推進の燃費を意味する比推力1が従来の化学推進の 2~10 倍以上と極めて大きいため、推進剤の消費量を低減できる。そのため、長期の運用が求められる人工衛星の姿勢制御や軌道保持、軌道間輸送に適している。また、特に大きな速度増分⊿V2が必要な深宇宙探査や有人宇宙探査では、化学推進のペイロード比3は極端に劣化するために(図 1-1)、電気推進のような高比推力が必須となってくる (1) 。
エンジンが発生する推力。1kgf の推進剤で 1kgf の推力
単位時間あたり消費する推進剤重量をどれだけの時間維持できるかを示す。時間の単位を持つ。
2 速度増分⊿Ｖ＝到達速度−初速度。作用反作用の法則より
m⊿V = Vex ln i
mf
1

比推力＝

で表される。 Vex は排気速度、 mi は初期質量、 m f はも燃えきり質量であり、推進剤排気速度に比例する。
ロケットの燃えきり質量
3 ペイロード比＝。推進剤以外の質量が初期質量のロケットの初期質量何％を占めているかを示す指標。
1

NASA(National Aeronautics and Space Administration)では、イオン推進シ
ステムを主推進機として用いた最初の小惑星探査機 Deep-Space-1 が 1998 年に打ち上げられた。わが国でも、JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)所
属 ISAS (Institute of Space and Astronautical Science )によって、小惑星から岩石を採取し地球に持ち帰る科学探査計画「MUSES-C」が電気推進探査機『はやぶさ』によって現在進行中である。
『はやぶさ』の推進システムはマイクロ波
放電型イオンスラスタであり、本研究グループの当座の目標は『はやぶさ』に搭載されているイオンスラスタに匹敵するマイクロ波放電型イオンスラスタの開発である。

1.2

イオンスラスタ

電気推進は、推力発生機構の違いにより、静電加速型のものと、電熱、電磁加速型のものがある。前者の代表的なものがイオンスラスタ、ホールスラスタ
であり、後者の代表的なものにはアークジェットスラスタ、
MPD(Magneto-Plasma-Dynamic)スラスタがある。図 1-2 に各種推進機の推力密度と比推力の関係を示す。これらの電気推進は、化学推進に比べて比推力は大きいが、推力密度は小さいことから、低重力空間で利用され、人工衛星の姿
勢制御や軌道保持のための推進装置として、軌道間輸送や惑星間輸送のための装置として用いられる。
その中でも 1960 年代から研究開発が続けられたイオンスラスタはその完成度が高く、1990 年代半ばの姿勢制御用エンジンとしての実用化、2000 年代の小惑星探査主推進用エンジンとしての実用化を経て現在に至っている ( 2,3) 。現在
でも軽量化、高効率化などの性能向上化が進んでいる。
イオンスラスタは電気推進の中でも、高い比推力領域(10 3 ~10 5 s)で高い推進
効率4(70~80%)が得られるという特徴がある。そのため速度増分⊿V の大きなミッションで長期にわたりさせることでその優位性を発揮する。
イオンスラスタは、アーク放電やマイクロ波等で推進剤を加熱・電離させてプラズマをつくり、2 枚ないし 3 枚からなる多孔状の電極（グリッド）に
1000~2000V の電圧を印加し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。図 1-3 にイオンスラスタの概念図を示す。イオンスラスタの物理過程
は、プラズマ生成、イオンビーム引き出し、イオンビームの中和に大別することができる。
1 / 2m& v 2。電気推進機に投入した電力 P がどれだけ推力発生の運P
動エネルギーに変換されたかを示す。
4

推進効率η t =2

プラズマ生成には、(a)直流放電型、(b)高周波誘導放電型、(c)マイクロ波放電型、(d)接触電離型などがある。本研究で用いるのはマイクロ波放電型であり、（１） 放電に電極を用いないことから、構造の簡略化ができる。また、寿命制限要因となる電極損耗の心配がない。
（２） ヒーターを用いないので予備加熱が不要となり、エンジンの迅速なスタートが可能となる。
（３） マイクロ波がその電力を伝送する際に基準電位を必要とせず、DC絶縁を容易に行なえることから、１台のマイクロ波電源で、互いに電位の異なるエンジンと中和器の両方にプラズマを生成することができる。また、そのことから電源システムの構成を簡素化することができる。
という特徴が挙げられる。
イオンビームの引き出しには、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によって行なわれる。まず、プラズマに接する Screen
Grid と呼ばれる電極に正の電圧が印加される。次の電極は Acceleration Gridと呼ばれ、負の電圧が印加される。これらのグリッド間に電位差を与えてイオンを引き出し加速する。これにより、イオンスラスタはイオンビームを排出し、その反作用により推力を得る。また、ビームの発散やエロージョンを抑えるた
めに、３枚目のグリッドとして電位 0V の Deceleration Grid を加えることもある。各電極には内径 1~3mm 程度の孔が多数開けられ、その開口率（孔の総面積が占める割合）は、Screen Grid で約 70%, Acceleration Grid で約 25%,
Deceleration Grid で約 50~70％である。

1.3

研究目的

イオンエンジンは、現在 NASA の「Deep Space１」ミッションや JAXA の「はやぶさ」のエンジンとして一万時間以上作動しているが、いくつかの課題が残っている。その一つとして挙げられるのが、グリッドのスパッタ損耗による寿命の低下である。
供給電力が限られている状況下において、イオンエンジンは推力が極めて小
さく、ミッション遂行のためには長時間(10000 時間~420 日以上)の作動が必要とされる。そのため、グリッド寿命による拘束がイオンエンジンのミッション適用に関して厳しい拘束となっている。
｢はやぶさ｣に搭載されている 10cm 級マイクロ波放電型イオンエンジンでは、
図 1-４の様にプラズマが放電室側面の ECR 領域で生成される ( 4) 。そのため、エンジン内のプラズマ密度が偏り、グリッドの劣化も部分ごとの偏りが生じてし3

まうため、エンジンの寿命は低下する (5) 。
本研究グループでは、マイクロ波の伝播に本研究室考案のマルチモノポール
アンテナを用いて 10cm 級マイクロ波放電型イオンエンジンの放電室内のプラ
ズマ生成の均一化を目指している。本研究の目的は、放電室内プラズマ生成の分布を調査するために、イオンエンジンの発光強度分布を調べ、さらにイオンビームプロファイルを計測することによって、プロファイルの均一性を定量的に測定することである。

4

出展

図 1-1 ⊿V を基準としたときのペイロード比と比推力
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）.

5

出展

図 1-2 各種推進機の推力密度と比推力の関係
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）.

6

図１-3 イオンスラスタ概念図7

出展

図 1-4 プラズマ密度 径方向分布
Funaki.I,et al., “Plasma diagnostics and numerical modeling of microwave ion
engine”,AIAA-98-3341,(1998).

8

第2章
2.1

原理

ECR プラズマの原理

本研究で使用しているマイクロ波放電型イオンエンジンのプラズマ生成は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）を利用することにより行なっている。ここでは本実験でのプラズマ生成方式である ECR プラズマの原理を述べる。
真空中おかれた電子は、外部から磁場を与えると，磁場をうち消す方向にローレンツ力によってサイクロトロン運動と呼ばれる回転運動を行う。磁界のもとでの電子の運動方程式は次式で表される。
dv
me= −ev × B
dt

(2-1)

ここで me 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。
このとき電子の回転半径 rc は

rc =

me v⊥
eB

(2-2)

で与えられ、ラーマ半径またはサイクロトロン半径という。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。粒子に働くローレンツ力の寄与す
る速度は磁界に垂直な成分のみであり、磁界に平行な速度成分と B との外積は0 となり、等速運動となる。回転の方向は、外部磁場の向きに対して荷電粒子の回転が常に逆を向くような方向である。電子は反磁性体であるため、磁場に対して右回りの回転運動を行う。この回転運動の周波数をωc とすると、

ωc =

eB
me

(2-3)

と表され、サイクロトロン周波数という。
荷電粒子は電場 E によって加速され、特に電子は E と逆向きに加速される。
従って、サイクロトロン運動をしている電子に対し、常に電子の回転と逆向きに同じ周波数の電磁波（電界が周期 ω c で振動する）をかけ続けると、電子は、

9電磁波波からエネルギーをもらい続け、その運動エネルギーは、時間とともに単調に増大していく(図 2-1)。この現象を電子サイクロトロン共鳴という。
マ イ ク ロ 波 の 電 場 の 周 波 数 ωrf が ， 電 子 の サ イ ク ロ ト ロ ン 周 波 数 と
等 し く な る 場 合 に ECR 現 象 が 生 じ る ．通 常 マ イ ク ロ 波 放 電 型 イ オ ン
エンジンを製作する際は，電場を生成するマイクロ波電源の周波数に よ り ， ECR 現 象 に 必 要 な 磁 束 密 度 Bref を 決 定 す る ． 算 出 式 は ，Bref =meω rf
e

(2-4)

となる。
ECR に 必 要 な 磁 場 は 、 永 久 磁 石 を 複 数 個 使 用 す る こ と に よ り 得 ている。電子は、こうして作られた磁気チューブを繰り返し往復し、ECR 層 を 何 度 も 通 る こ と に よ っ て 、中 性 粒 子 を 電 離 さ せ る た め の エ
ネ ル ギ ー を 効 率 よ く 得 る こ と が で き る ( 6) (図 2-2)。
これにより生じた高エネルギー電子が、中性粒子に衝突すること
によって電離が行われ、プラズマが生成される。この方式では、マイクロ波のエネルギーが効率よくプラズマ生成に利用でき、プラズ
マによる反射電力もマイクロ波の整合を調整することで抑えることができる。また、放電室に導入した磁場で電子加速とプラズマ閉じ
込めの両方の役割を担わせることが可能となる。

2.2 マルチモノポールアンテナシステム
惑星探査機「はやぶさ」において搭載されているマイクロ波放電型イオンエンジンは、中心に導波管があるため、磁気チューブを形成する磁石列が放電室側面に形成され、プラズマ生成領域はその領域付近に偏っている。そこで、プラズマ生成領域を放電室全域に拡張するために、磁気チューブを放電室底面(base yoke)全域に形成した。さらに当研究室では、マイクロ波放電型小型中和器において、アンテナ周りに高密度なプラズマを生成できていることを 10cm 級に応用し、アンテナを複数本用いることで放電室全域に高密度で均一なプラズ
マの生成が期待できるシステムとして、マルチモノポールアンテナシステムが考案されており、最適化に向けて研究を続けている。
本研究においても、イオンエンジンへのマイクロ波放電には、マルチモノポ

10

ールアンテナを用いている。図(2-3)にマルチモノポールアンテナシステムのアンテナ構成図をしめす。マルチモノポールアンテナシステムは、モノポールア
ンテナから入射されたマイクロ波を、一旦 Divider と呼ばれる空間に充填させ、そのマイクロ波を複数本のアンテナに分配する構造となっている。その長所として、① 磁気回路用の磁石をヨーク全体に置くことができるので導波管方式よりも広い磁気チューブ領域を形成することができる② 一般にマイクロ波パワーの分配器には誘電体が挿入されており、誘電体損失が避けられない。また、コネクタ部分での損失もさけられず、分配器の数によりその損失も増加する。しかし、このシステムでは、金属壁で囲まれた空間内でマイクロ波を伝播させるため、また、アンテナを増やしてもコネクタ部は一箇所であるため、マイクロ波の損失が少ないと考えられる③ マイクロ波を複数本のアンテナへ入射可能④ 同 軸 管 の 内 導 体 と Divider、及び放電室へ伸びているアンテナとは物理的に接触しておらず、空 間 的 に 絶 縁 さ れ て い る の で 、DC
カッターの構造の簡素化ができる。
という点が挙げられる。
マルチモノポールアンテナ長は、入射マイクロ波の波長λを基準と し て 、ア ン テ ナ 工 学 的 に 電 磁 波 を 伝 播 す る の に 最 適 な 1/4×λ の 奇数 倍 で あ る 3/4×λ と し そ れ ぞ れ ECR 領 域 に 隣 接 す る よ う に 配 置 している。

2.3 発光強度分布計測
原子に衝突する電子のエネルギーが電離エネルギー以上であれば、電子衝突
によって電離が起きる。そのような衝突を電離衝突といい、その断面積は衝突電離断面積と呼ぶ。原子 A の衝突電離過程は次の式で表される。
A + e → A+ + e(2-5)
一方、原子に衝突する電子から軌道電子が電離エネルギーよりも低く、第一励起状態よりも高い場合には、軌道電子は励起状態に遷移する。このような衝

11突は励起衝突と呼ばれる。規定準位にある原子 A の励起衝突過程は次式で表さ
れる。
(2-6)
A + e → A＊ + e
ここで A ＊ は原子 A の励起状態を表している。励起状態の電子は多くの場合不安定で、非常に短い時間で低エネルギー準位に遷移する。この時準位のエネル
ギー差に相当するエネルギーの光（光子または電磁波）を放射する。この過程は次式で表される。
(2-7)
A＊ → A + hν
なお、 h はプランク定数、νは周波数である ( 7 ) 。
つまり発光現象とは、励起状態になった粒子が、より安定な状態に戻る際に、エネルギーを光エネルギーとして放出する現象である。したがってスペクトル
XeⅡ(484nm)の発光分布を測定することにより、発光強度分布から、この発光に関わる上準位の population が分かる。ゆえに ECR プラズマ中の電子エネル
ギー分布が Maxwell 分布であると仮定すれば、電子エネルギー分布から、各電子エネルギーに対しての XeⅡ(484nm)の励起レートがわかり、XeⅡ（484nm）の発光強度分布から、Xe イオン密度分布が定量的に考察でき、プラズマ生成量
分布を定性的に評価することが可能である。
発光強度分布測定は、プラズマへの撹乱をまったく与えずに空間分解能が高いプラズマ診断が行なえる、またプローブ測定の困難な強磁場中でも電子エネ
ルギー分布関数を考察できる、というメリットがある。
しかしながら実際は、カスプ磁場中の ECR プラズマの電子エネルギー分布関数の形は、同一平均温度の Maxwell 分布と比べて、高エネルギー尾部が少ないという。また低エネルギー部分も欠落しており、つまり平均温度付近のエネル
ギーをもつ電子が多い形をしている。そのため、スペクトル線の発光強度がMaxwell 分布を仮定したシュミレーション結果より増大していると推測される(8)。また、すべての励起衝突の断面積のデータがない、という問題もあるが、定性的な傾向を見る目的で本研究に用いた。

2.4 イオンビーム
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気的に安定な状態にある。その近傍にプラズマ電圧に対して負の電圧を持
つ電極があると、正イオンは引き付けられ電子は反発するために、正イオンだ
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に、イオンがプラズマから引き出12されるときには図(2-4)に示すような遷移領域を経てからイオンだけのイオンシース領域に入り加速される。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 J pi はイオンシースが安定に存在する条件（Bohm の条件）から求めることができ、以下の式で表される。
J pi = en pkTe
1exp(− )
2
mi

(2-8)

ここで、e は素電荷、n p はプラズマ密度、ｋは Boltzman 定数 1.3807×10 −23 J・
K −1 、 Te は電子温度、 mi はイオンの質量である。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の 1 乗と電子温度の平方根に比例する (9) 。

2.5

イオンコレクター

イオンビーム電流値を測定するために、負の電圧を印加した電極をイオンコ
レクターとして使用する。イオンコレクター回路図を図 2-5 に示す。−３０V を印加した電極をイオンコレクターとしてイオンスラスタ Deceleration Grid か
ら 5cm 下流に設置する。そのイオンコレクターをスラスタ中心軸から＋−85cm
径方向に移動させて、スラスタ径方向のイオンビーム電流を測定する。さらに測定したイオンビーム電流値をイオンコレクター表面積で割り、イオンビーム
電流密度を計算する。イオン放出能力はプラズマ密度の 1 乗に比例するので、イオンビーム電流密度からプラズマ密度を考察できる。
本研究では、グリッド下流のイオンビーム電流密度分布から、グリッド近傍のイオン密度分布を推定し、そこから放電室内のプラズマ生成分布を評価する事を目的としている。

13

図 2-1

ECR の 原 理

14

図 2-2

磁 気 チ ュ ー ブ 内 の ECR 放 電 機 構

15Isolator

図 2-3 マルチモノポールアンテナシステムアンテナ構成図

16

Potential distribution

V
0

V0
V0=kTe/2e
ne0

np

V
ds

Transition area

Plasma
+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Ion emission surface

Ion sheathe

Ion extraction electrode

図 2-4 イオン源プラズマとイオンの引き出し

17

z

18

図 2-5 イオンコレクター回路図

第３章

実験装置

3.1 実験装置概略
本研究で使用する実験装置の概略図を図 3-1 に示す。イオンエンジン本体には、数種類の電源および推進剤ガス供給系を設置している。電源には、グリッドに電圧を印加するための直流電源とプラズマ生成用のマイクロ波電源があり、マイクロ波電源は、電子レンジと同じ周波数であり、汎用的である 2.45GHz 電源を用いた。そのイオンエンジン本体を真空チャンバー内に設置し、数種の真空排気装置を使用して真空チャンバー内を 10 −5 Pa 台まで真空を引いた後、推進剤ガス供給系から推進剤ガスをエンジン放電室内に供給し、その後マイクロ波
電源からマイクロ波を送る。マイクロ波は同軸管を経由し Divider 内に充填され、放電室にマイクロ波が送られプラズマが点火する。なお、エンジンは真空容器、マイクロ波電源の両方から電気的に絶縁されており、特にマイクロ波電源は DC Block により交流成分のみ伝播するようにしている。

3.2 真空系
本来イオンスラスタは宇宙空間で使用され、特に「はやぶさ」等の深宇宙探査機の背圧はほぼ０と考えられる。イオンエンジンは真空状態でなければ作動しない。よって地上での実験でも真空状態を模擬するために、できるだけ真空
容器内の背圧を低くしなければならない。
イオンスラスタ試験用真空チャンバーの概観を図 3-2 に示す。真空チャンバ
ーはステンレス(SUS304)製で、内径 60cm、長さ 100cm の円筒形である。
真空排気系は
1. ロータリーポンプ２台(排気速度：310ℓ/s)
2. ターボ分子ポンプ(300ℓ/s)
3. クライオポンプ(2,000ℓ/s)
を用いた。

19

3.3

エンジン構成図 3-3 にエンジン構成図を示す。エンジンは主にプラズマが生成される放電室，イオンを引き出すグリッド，マイクロ波電力供給アンテナ、マイクロ波を分配させるための Divider，そしてマルチモノポールアンテナより構成されてい
る。

3.3.1

Divider、放電室およびアンテナ

Divider はマイクロ波を 1 本の同軸ケーブルから複数本のモノポールアンテナへと分配させるための空間であり、DC カッターの役割も兼ねている。一般にマイクロ波を分配する場合、分配器における誘電体損失が分配器の数だけ増加していく。一方 Divider からマイクロ波を分配する場合、金属壁で囲まれているだけであるため上記の損失がないため、マイクロ波の損失が少ないと考えられている。材質はアルミニウムであり、推進剤供給のための推進剤供給口を等間隔に 12 個設けている(図 3.3,3.4(a)参照)。
放電室は、磁石を設置するベースヨーク（放電室底面）、内径 105mm の円筒状のサイドヨーク（放電室壁面），そして Grid よりなる空間のことで，この放電室内でプラズマを生成する。
放電室壁面は円筒形であり、磁石を並べ磁気回路を形成できるよう規格品である内径 105.3mm 配管用炭素鋼鋼管を使用している。その外側には銅の水冷用パイプが巻かれており、大気側に置かれた冷却機から冷水を流すことにより、冷却が可能となっている。
Base Yoke は磁気回路を形成するために軟鉄製となっている。
なお放電室深さは、過去の研究から、もっとも性能が良いとされる 25mm とした (10 ) 。
アンテナ配置と磁場配置を図 3-４(a),(b)に示す。本実験では、図 3-4.(a)に示
すように、磁石を同心円状にお互い隙間なく並べ，それを 3 列配置して、それぞれの磁石列の磁極の向きを逆方向にし，磁気チューブが放電室内に広く形成できるようにした。マイクロ波周波数 2.45GHz の場合に ECR に必要な磁場強度は 0.0875 T であり、この磁場を形成するために Base Yoke に、直径 10mm,
高さ 5mm の円柱型永久磁石を設置した。磁石はサマリウム−コバルト磁石であり、表面磁束は 0.25~0.31T である。図 3-4,(b)に、磁場配置および ECR 層(磁場強度 0.0875T)を示す。

20

アンテナ配置は磁石列 1 列目を取り囲むように１本、磁石列 2 列目を取り囲
むようにして４本 ECR 領域に隣接するようにして配置した。なお、アンテナは電気的に浮いた状態である。
モノポールアンテナから放射されたマイクロ波が永久磁石で形成された磁力線に巻きついた電子を加速することによって、プラズマは生成される。

3.3.2 グリッドシステム
グリッドは、放電室内で生成されたプラズマ中のイオンを加速し、イオンビームとして引き出すために用いる多孔状の電極である。イオンの加速はグリッ
ドに電圧を付加することにより発生する静電界によって行なう。グリッドは、
エンジン側からそれぞれ Screen Grid, Acceleration Grid, Deceleration Grid と呼ばれる。グリッドは各々電気的に浮いた状態で、それぞれが絶縁を介して固定されている。また、Screen Grid はイオンエンジン放電室に対して直接固定され、同電位である。なお、エンジン本体は真空容器に対して電気的に浮いて固定されている。本実験では、宇宙科学研究所提供の Grid を使用した。Grid 材
質は、熱膨張変形、イオンビームによるスパッタリングが少ない C/C を用いた。
図 3-5 にグリッド正面写真、表 3-1 にグリッドの設計値を示す。
放電室と同電位に置かれた Screen Grid に 1500V 電圧を印加し、プラズマ中のイオンの電位を上げ、Acceleration Grid との電位差による電界 E でプラズマ
からイオンを引き出す。同時に Acceleration Grid に-300V の電圧を印加し、Deceleration Grid を ア ー ス に 接 地 す る こ と に よ っ て 、 Screen Grid 、Acceleration Grid 間の電界とは逆方向の電界を作り、電子が高電位になっている放電室内に逆流してくる事を防ぐ。
なお、本来イオンエンジンは、エンジン本体を電気的に中性に保つため、電子を放出する中和器が必要となるが、今回の実験では真空容器をアースに接地しているため、中和器は用いていない。

3.4

マイクロ波電源

本実験では低電力領域で発信特性の良い、固体発信機と固体増幅器(Solid
State Power Amplifier ;SSPA)を使用している。最大出力は 60W である。増幅器から N 型の同軸ケーブルで伝送されたマイクロ波は真空同軸コネクタを通って真空容器内へ伝送される。

21

3.5

イオンビームプロファイル計測

本実験に使用するイオンコレクターおよびイオンエンジンの写真を図 2-6 に、
イオンコレクター構造を図 2-7 にそれぞれ示す。イオンコレクター本体は、融点が高く仕事関数の大きいタングステンを使用し、直径は 1mm である。導体を先端部だけ露出した電極構図であり、先端部の表面積 7.85×10 −7 m 2 の円形部に
イオンビーム電流が流れこむ。イオンコレクター本体外側には、外径 2mm のセ
ラミック管を被せ、絶縁している。なお、測定中ノイズがイオン電流値を乱さないように、シールド配線を用いており、シールド配線及びコレクター保持台をアースしている。
本研究では、イオンコレクターをスラスタ中心から＋−85mm 径方向に移動
させ、電流値を測定する。そのため、コレクター保持台をステッピングモータ
ーのよって、任意の点に稼動させる。ステッピングモーターの稼動システムは、
ピッチ幅 2mm のボールねじをステッピングモーターによって回転させ稼動台を移動させる、既製品の移動ステージ（THK 製 KR2602AFM+300L1F=06XE）を使用した。この移動ステージにコレクター保持台を固定し、イオンコレクタ
ーを任意の点に稼動させる。コレクター保持台図を図 2-8 に示す。コレクター
保持台は、イオンコレクターがスラスタ中心軸の高さで、かつイオンビーム引
き出し面と垂直に設置できるように製作した。
イオンコレクター中心から＋−65mm では、ステッピングモーターを 180°ずつ回転させイオンコレクターを 1mm ずつ移動させ、中心から＋−66mm〜
85mm ではステッピングモーターを 720°ずつ回転させイオンコレクターを
4mm ずつ移動させ、その各々の点で、１０回ずつイオンビーム電流値を測定した。さらに、その平均値を計算した後イオンコレクター面積で割り、各々の点でのイオンビーム電流密度を算出した。
イオンビームプロファイル計測の実験条件を以下に示す。マイクロ波周波数は 2.45GHz である。Screen Grid に 1000V 電圧を印加し、スラスタ本体も同電位である。Acceleration Grid には-300V を印加した。Deceleration Grid および真空チャンバーは０V にアースしてある。推進剤は Xe を使用し、推進剤流量は
2.20sccm である。

3.6

発光分光強度計測

バンドパスフィルターを用いて、XeⅡ(λ=484nm)の発光分光を CCD カメラ
で計測し、発光強度分布を分析した。バンドパスフィルターは、488nm,ハンチ22

幅 1nm のフィルターを 10°傾けることにより 484nm の波長の発光を計測した。
測定に用いた CCD カメラは既製品の浜松フォトニクス製 C4742-80-12AG を使用した。
発光分光強度計測の作動条件は以下に固定した。マイクロ波周波数は2.45GHz である。Screen Grid に 1500V 電圧を印加し、スラスタ本体も同電位である。Acceleration Grid には-300V を印加した。Deceleration Grid および真空チャンバーは０V にアースしてある。推進剤は Xe を使用し、推進剤流量は
2.20sccm である。

23

24

図 3-1 実験装置外略図

図 3-2 イオンスラスタ試験用真空チャンバー

25

Isolator

図 3-3 エンジン構成図

26

放電室壁
マルチモノポール
アンテナ
推進剤
供給口

磁石列

図 3-4.(a) イオンスラスタアンテナ配置（放電室内正面写真）

side
yoke

base
yoke

ＥＣＲ層

図 3-4.(b) イオンスラスタ磁場配置27

図 3-5 Grid 正面写真

表 3-1 Grid 設計地
ScreenAcceleration

Deceleration

材質

Mo

C/C

C/C

引き出し孔数

857

857

857

105

105

105

開孔率（％）

67

24

67

孔直径（mm）

3.0

1.8

3.0

Grid 厚さ(mm)

0.5

0.8

0.5

ビーム引き出し径(mm）

Grid 間距離(mm)

0.5

0.5

28

イオン
コレクター

径方向に
移動

イオンスラスタ
直径 100mm
図 3-6 イオンコレクターとイオンエンジン

29

コレクター本体
タングセテン棒
直径1mm

シールド配線

セラミック管直径2mm−30V
図 2-7 イオンコレクター構造

102

コレクター本体(a)(b)
図 2-8 コレクタ保持台図(a)(b) 側面図

正面図

30

第４章

結果及び考察

図 4-1 に径方向イオンビーム電流密度分布のマイクロ波電力による比較結果を示す。また参考のために、グラフ下部に磁石列およびアンテナ配置を示す。
どのマイクロ波電力においても磁気チューブが形成されている領域（径方向±38.5mm）において、高い電流密度の値を示していることがわかる。また、マイクロ波電力が 32W、40W では、均一なプロファイルを確認することができた。
この均一性を評価するために、径方向±25mm においての均一度を計算すると、32W で 3.5%、40W で 2.7%を示した。この事から、プラズマ生成の均一性の観点からマルチモノポールアンテナシステムの有益性が示された。しかし、16W、24W とマイクロ波電力が低い場合は、プロファイルは左右非対称であり、スラ
スト軸右側より左側の方がイオンビーム電流密度が高いことが分かる。この事から、グリッド近傍ではプラズマ密度が左右非対称であり、すなわち放電室内のプラズマ生成が左右非対称であることが示唆された。これは、マイクロ波電力が低いと推進剤を電離させるほどのエネルギーをもった電子がアンテナ近傍でのみ存在しアンテナ遠方では少なくなり、エネルギーの高い電子の密度が不均一になるため、プラズマ生成の分布が不均一となるからである。その一方、マイクロ波電力が大きいときはエネルギーの高い電子が放電室内全体に存在するようになり，放電室全体でプラズマが生成されるため一様な分布となると考えられる。
さらにイオンビームプロファイルの非対称性を考察するために、アンテナ配
置を 90°回転させて同様の実験を行なった。以下、回転前の磁場配置をＡ配置、アンテナ配置を 90°回転させた磁場配置をＢ配置と呼ぶ。本実験ではマイクロ
波電力は 32W に固定して行なった。図 4-2 に回転前後のアンテナ配置を、図 4-3にイオンビーム電流密度分布の磁場配置による比較測定結果をそれぞれ示す。
また参考のために、グラフ下部に磁石列およびアンテナ配置を示す。
イオンビーム電流密度分布は、Ａ配置では均一なプロファイルである。一方
Ｂ配置は径方向±25mm の外側部分は回転前とほぼ同じ分布だが、電流密度ピーク部分の分布が回転前とは大きく異なっている。回転後では、まず径方向0mm 付近に電流密度の明らかなピーク値が存在し、その左側では、径方向 1mm

31

から 10mm 近辺まで直線的に傾き 0.12 A/m 2 ほどで大きく減少している。一方スラスタ右側では、電流密度は、なだらかな放物線状に減少していく。
これらの結果を磁石列およびアンテナ配置と対応させてみると、まず、どちらのグラフも磁気チューブの形成されている領域、すなわち径方向±38.55 以内
で高い電流密度の値を示していることがわかる。また、Ｂ配置では、内側のアンテナの存在しない領域で大きく減少している。以下、これらアンテナ配置によるプラズマ生成領域分布結果を考察する。
本研究室において行なわれたマルチモノポールアンテナシステムにおける各アンテナごとの電磁波伝送量解析の計算体系図および計算結果を図 4-4、図 4-5にそれぞれ示す。
この計算体系は、電磁波伝送量 P を以下のようにポインティングベクトル Sを用いて計算している。
P = ∫ (Ε × H ) ⋅ dA

(4-1)

S = E× H(4-2)

A

ここで、E は電場，H は磁場，A はポインティングベクトル計算断面積である。
この計算体系では、放電室内にプラズマは存在しない条件であり、モノポール
アンテナがループアンテナでなく、線状アンテナでありその全長も異なるが、その他の条件は実験体系とほぼ同じである。
この解析結果から、Divider 内の Emitter から最も近いアンテナが、電磁波のエネルギーを多く伝送していることが分かる。また、エネルギーを多く伝送しているアンテナの近くのアンテナはエネルギー伝送量が少ない。この事から、実験においても Divider 内のモノポールアンテナに最も近い、内側のアンテナ
がマイクロ波のエネルギーをもっとも伝えている、また内側のアンテナ挿入部
分に近い外側のアンテナはエネルギー伝送量がすくないと考えられる (11) 。
また、Ｂ配置での中央左側が大きく減少していることもアンテナのない領域
が、アンテナのある領域にくらべて電子のエネルギーが低いのでプラズマ生成が弱いためであると言える。
図 4-6 に磁場配置 90°回転後の電流密度ピーク付近の電流密度分布を示す。
アンテナ位置はスラスタ中心から半径 9.5mm の円周上にあり、左側にはアンテナは存在しない。プラズマは磁気チューブ領域で盛んに生成されるため、磁気チューブ領域の径方向 5mm から 15mm の電流密度を周方向に積分した。その値はスラスタ左側は 10.1mA、スラスタ右側は 10.4mA となった。
この、アンテナ近傍の電子のエネルギーが高いことを検証するために、バン32

ドパスフィルターを用いて、XeⅡ(484nm)の発光分光をＣＣＤカメラで計測し、その発光強度を計測した。
図 4-7 にイオンエンジンプラズマ発光写真を示す。発光の強い部分が多孔状となっているのは、グリッド下流から計測したため、発光はグリッドの孔部分からのみ観測されるためである。
プラズマ発光からλ=484nm の光を抽出した発光分光分布を図 4-7(a)に、この時の磁気回路写真を図 4-8(b)にそれぞれ示す。図 4-8(a)より、発光強度がもっとも強い領域はアンテナ近傍であることが分かる。さらに図 4-8(b)と比較すると、アンテナ近傍だが発光強度が弱い領域は、内側のアンテナのループの切れ目のある領域に相当することが分かる。発光の強い領域は電子エネルギーが高いため、プラズマ生成が盛んに行なわれていると考えられるため、このアンテナ配
置による発光強度分布の変化は、イオンビームプロファイル結果とよく一致していると言える。
また図 4-8(a)より、発光強度が強いのは磁石間の部分であることも分かる。この事から、発光強度分析においてもプラズマ生成は磁石間、すなわち磁気チューブ近傍で強く行なわれているということが言える。
したがって、磁石列を増やす等により、磁気チューブを放電室内により多く作ることにより、プラズマ生成領域をさらに広げることができ、放電室内プラ
ズマ密度分布の均一化ができると考えられる。
この知見をもとに、放電室壁面と磁石列 3 列によって磁力線が形成され、その磁力線に沿って移動した電子が放電室壁に衝突することによる壁面損失を抑えるため、また放電室内に磁石列を増やし磁気チューブを放電室内により多く作ることにより、プラズマ生成領域をさらに広げるため、放電室壁面に磁石列 4列目を配置して同様の実験を行いイオンビーム電流密度分布を計測した。なお、
磁石列 3 列目 4 列目間の磁気チューブにマイクロ波を伝播させるために、外側のアンテナのうちの 2 本を外側に向けている。図 4-9 に磁気回路変更前後の磁石列配置、図 4-10 に磁気回路変更前後の磁場配置をそれぞれ示す。
実験結果を図 4-11 に示す。磁石列 4 列の電流密度分布は、径方向 0mm から±50mm までは磁石列 3 列と比較して電流密度が低くなっている。しかし、径方向±50mm 以上では、磁石列３列と比較してスラスタ右側では電流密度は同程度、右側はやや高くなっている。この差を評価するために、スラスタ右側の磁石列４列の電流密度が、磁石列３列の電流密度より高い領域(径方向 47mm から 63mm)の電流密度値を 180°周方向に積分し比較した。磁石列３列でのこの領域の電流は 13.8mA であり、一方磁石列４列では電流は 15.2mA であった。

33

放電室に磁石列を配置することによって、この領域で約 1.1 倍程度面電流密度が上昇したことがわかる。すなわちこの領域でのプラズマ密度が上昇したといえる。
これらのことから、プラズマ生成領域の拡大に成功していることが分かる。
しかし、電流密度の高かった領域の電流密度値が減少したため、プラズマ生成の均一化はできていない。以下この原因を考察する。
磁気回路変更後は、プラズマ生成領域を拡大し拡大した部分にもアンテナを配置することにより、マイクロ波電力を変更前より分散させ伝播させている。
そのため内側の領域ではエネルギーの高い電子の密度が低下し、電流密度が減
少したと考えられる。また外側の領域ではマイクロ波電力の投入が最適化されていないために損失が大きくなっていると考えられる。アンテナ付近でプラズ
マ生成が強く行なわれるとすれば、磁石列３列目４列目間の磁気チューブ間に配置しているアンテナ上の電流密度分布を計測すれば、プラズマ生成領域の拡大の傾向がより顕著に現れると考えられる。

34

磁気チューブのある領域で高い電流密度値

Ion Beam Current Density [A/m2]

20
16W
18W
32W
40W

18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-80

-60

-40 -200
20
40
Radial Position [mm]

60

分布が
左右非対称

図 4-1 イオンビーム電流密度径方向プロファイル

3580

外側のアンテナ

内側のアンテナ

ｒ＝28.55mm

ｒ＝9.5mm内側のアンテナ挿入位置

電流密度測定軸(a)(b)

図 4-2 回転前後のアンテナ配置図(a) 回転前 (b) 90°回転後
18

±0°
＋90°

領域が不均一

磁気チューブ領域で電流密度が高い

Ion Beam Current Density [A/m2]＋90°ではピーク
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-80

-60

-40 -200
20
40
Radial Position [mm]6080

図 4-3 回転前後のイオンビーム電流密度径方向プロファイル (32W)

36

周波数

2.45Ghz

Mesh 数

116×195×116
1.8×10 12 ｓ

⊿T

(a)

(b)

1
4

3
2
5
(c)

図 4-4 マルチモノポールアンテナシステム電磁波伝送量解析計算体系(a) 体系図 (b) 計算条件 (c)アンテナ配置

37

３

２
１，５
４

図 4-5 電磁波伝送量解析結果

38

Ion Beam Current Density [A/m2]

17.4
右側
左側

17.2
17
16.8
16.6
16.4
16.2
16
15.8
15.6
0

5

10

15

20

Radial Position [mm]磁気チューブ(5mm~15mm)近傍の電流密度に差がある

図 4-6 磁気回路 90°回転後の左右の電流密度分布39図 4-7 イオンエンジンプラズマ発光写真

40

発光が強い

発光強度[arb.unit]

発光が弱い

(a)

内側のアンテナのない領域(b)
図 4-8 発光分光分布と磁気回路(a) 発光分光分布41(b) 磁気回路写真

電流密度測定軸

外側の磁気チューブ間に壁面にアンテナを配置

磁石列配置

(a)

(b)
図 4-9 変更前後の磁石列配置(a)

磁石列 3 列(b)磁石列 4 列

ECR 層

放電室壁面で
壁面損失

磁気チューブ形成
壁面損失抑制(a)(b)
図 4-10(a)

変更前後の磁場配置

磁石列 3 列42(b)磁石列 4 列Ion Beam Current Density [A/m2]

16
磁石列３列
磁石列４列

14

磁気回路変更前より

12

電流密度減少

10
8
6
4
2
0
-100

磁気回路変更前と同程度、または増加-50
050Radial Position [mm]100

図 4-11 磁気回路変更前後のイオンビーム電流密度径方向プロファイル(32W)

43

第5章

結論

本研究では、マイクロ波放電型イオンエンジンの、放電室内プラズマ密度分
布を定量的に評価することを目標とした。今回の実験で使用したマイクロ波放電型イオンエンジンは 2.45GHz 電源を使用し、マイクロ波伝播には本研究室で考案されたマルチモノポールアンテナを使用した。以下本研究で行なったことを列挙する。
1. イオンスラスタ下流でのイオンビーム電流密度の径方向分布を測定する装置を設計製作した。
2. イオンビームプロファイルを計測してグリッド近傍のイオン密度を推定することにより、放電室内のプラズマ生成の分布を推定した。
3. プラズマ発光からバンドパスフィルターを用いて、XeⅡ(484nm)の発光分光
強度分布を測定することにより、放電室内のプラズマ生成の分布を推定し、イオンビームプロファイル計測結果と比較した。

本研究で得られた結論を以下に述べる。
1. イオンビームプロファイルを計測することに成功した。
2. マイクロ波電力 32W で均一度 3.5%,40W で均一度 2.7%と均一なプロファイ
ルが計測でき、マルチモノポールアンテナシステムの有益性を示すことができた。
3. アンテナの位置、形状が放電室内のプラズマ生成に大きく影響をあたえる。
また、アンテナのない領域は、アンテナのある領域と比べプラズマ生成が弱いということが確認できた。
4. すべての電流密度分布において、磁気チューブのある領域内(径方向±38.5mm 以内)で電流密度が大きくなっていたことから、プラズマ生成は磁気チューブ近傍で多く起きていることが確認できた。
5. 磁石列を放電室壁面に設置することで、プラズマ生成領域を拡大することが
できた。

44

今後の課題
今後の課題は、プラズマ生成を放電室全体に広げつつ、かつプラズマを均一な密度で生成できる磁場配置、マルチモノポールアンテナの本数及び位置の最適化である。
具体的には
1. 磁気チューブを増やした磁気回路を用いて実験を行なうことにより、プラズ
マ生成領域の拡大を図る。
2. プラズマ生成の少ない、内側のアンテナのない領域を減らし、かつプラズマ生成の多いアンテナ設置部を増やすため、内側のアンテナ本数を増やした体系で実験を行なうことにより、プラズマ密度を増加させる。
が挙げられる。
これらの体系でのプラズマ生成の分布を、イオンビームプロファイルを計測することにより考察し、磁場配置、マルチモノポールアンテナの本数及び位置の性能への依存性を明らかにしていく。
上記のことにより、マルチモノポールアンテナシステムを用いた 10cm 級マ
イクロ波放電型イオンエンジンの最適化を目指す。そして、均一なプラズマを生成することによって、推力密度が高く、かつエンジン寿命の長い、ISAS のイ
オンスラスタに匹敵するマイクロ波放電型イオンスラスタの開発を目標とする。

45

謝辞
宇宙推進システムという、私が子供のころから憧れていた分野に関わるきっかけをくださり、いつも様々なご指導をしてくださり、私を暖かく見守っていてくださった中島秀紀教授に感謝いたします。研究において私がいつも見逃す
ような点を鋭くご指摘くださり、私に新たな観点を気づかせてくださった渡辺
幸信助教授に感謝いたします。いつも私に研究者としてのあるべき姿を示していただいた梶村好宏講師に感謝いたします。至らない私がどんな質問をしても、いつも私が理解できるまで何度も丁寧に指導していただき、また実験や論文、
その他あらゆる事でいつでも私を導いてくださり、研究の行い方を 1 から教えていただいた山本直嗣助手に感謝いたします。いつも明るく、研究に疲れた私を笑顔で癒してくださった岡安悦子秘書に感謝いたします。私の拙い英語で話しかけてもいつも気さくにわらいかけてくださり、わたしを英語に慣れ親しまさせていただいた Dimitre N. Kadrev 氏に感謝いたします。豊富な経験から、実験についての様々なことを教えてくださった博士 3 年宮本尚使氏に感謝いたします。豊富な知識で、私の質問にいつも基本的なことから発展的なことまで教えていただき、研究に行き詰った私を助けていただいた博士 3 年増井博一氏に感謝いたします。豊富なコンピュータの知識でパソコンの基本的な使い方から応用まで教えていただいた博士 1 年林真照氏に感謝いたします。電磁波伝送についていつも教えていただいた修士 2 年和泉圭介氏に感謝いたします。いつも私にパワーポイントの構成や要旨を見ていただき、発表のやりかたを教えてくださった修士 2 年児玉章裕氏に感謝いたします。いつもエクセル等実践的なデータ処理を教えてくださった修士 2 年篠原大介氏に感謝いたします。いつも一緒に実験を行い、実験の行い方、道具の扱い方を教えてくださり、実験の苦楽を共にした修士 2 年新屋敷佳介氏に感謝いたします。実験の苦労や楽しみ、実験事故を起こしたときの対処法等を教えていただいた修士 2 年谷所正彦氏に感謝いたします。研究の苦労や責任、義務を教えていただいた修士 1 年小川真司氏に感謝いたします。研究するときは真剣に行い、休むときは休む、研究のメリハリを教えていただいた修士 1 年加来大輔氏に感謝いたします。アンテナについていつも私の質問に答えてくださった修士 1 年笠岳幸氏に感謝いたします。実験のことやパソコンのことなど色んな質問に気さくに答えてくださった
修士 1 年近岡貴行氏に感謝いたします。いつも鋭い指摘で至らない私を気づかせてくださった修士 1 年野田賢治氏に感謝いたします。研究のことや、その他

46

色々な相談に乗ってくださった修士 1 年宗貞伸孝氏に感謝します。共に苦労や喜びを共有し、励ましあった学部 4 年金川隆保君、川渕亮君、近藤慎哉君、西島康太君に感謝いたします。最後にいつも私を影ながら支えていただいた家族の皆様に感謝いたします。

47

参考文献
(1)

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）.

(2)

R.Myers: “Overview of Major U.S.
Programs’’,AIAA-2004-3331,(2004).

(3)

J.Dunning et al.: “An Overview of Electric Propulsion Activities atNASA’’,AIAA-2004-3328,(2004).

(4)

Funaki.I,et al., “Plasma diagnostics and numerical modeling of microwave ion
engine”,AIAA-98-3341,(1998).

(5)

Funaki. I, Kuninaka. H, Toki. K, “Plasma Characterization of a 10-cm
Diameter Microwave Discharge Ion Thruster”, Journal of Propulsion andPower, Vol.20,No.4,(2004).

(6)

國中均:“無電極マイクロ波放電型イオンエンジンの開発研究”,日本航空宇宙学会誌,第 49 巻第 530 号,(1998).

(7)

電気学会・プラズマイオン高度利用プロセス調査専門委員会: “プラズマイオ
ンプロセスとその応用”（株式会社 オーム社,2005）.

(8)

西山 和孝:“電子サイクロトロン共鳴型イオンスラスターの放電プラズマ”,東京大学博士論文,(1998)(9)石川 順三:“荷電粒子ビーム工学”（株式会社 コロナ社,2002）.

(10)三井謙太郎:“10cm 級マイクロ波放電型イオンエンジンのモノポールアンテナによる高推力密度化”,九州大学修士論文,(2004).

(11)和泉敬介:“マルチモノポールアンテナシステムを用いたマイクロ波放電型イオンスラスタの電磁波解析”,九州大学修士論文,(2006).

48

Industrial

Electric

Propulsion