J. Plasma Fusion Res. Vol.91, No.6 (2015)４
１２‐４２８

プロジェクトレビュー

ヘリコン源を用いた先進的無電極
プラズマロケットエンジンの研究開発
Research and Development of a Novel ElectrodelessPlasma Rocket Engine Using a Helicon Source
篠原俊二郎
SHINOHARA Shunjiro
東京農工大学大学院工学研究院（原稿受付：２
０
１
５年３月３日）Keywords:
plasma, helicon, high-density, electrodeless thruster, specific impulse, efficiency

１．はじめにズマは幅広い外部パラメータで，高周波パワーが数 kW程度でも容易に 1013 cm−3 程度の高電子密度が得られるた

本プロジェクトレビューは，平成２１年度から２５年度まで実施した科学研究費補助金基盤研究（S）「ヘリコン源を用め注目を集めている．

いた先進的無電極プラズマロケットエンジンの研究開発」

本ヘリコンプラズマを用いた推進研究の基礎は２００１年に［１］の研究成果であり，筆者が代表して紹介する．レビュー

始まる．当時宇宙科学研究所の所属（後日，東京農工大学の内容は，まず本章では研究背景と経緯，研究目的・手法，へ異動）であった故都木恭一郎教授と九州大学所属（後日，及び研究組織を述べ，次に第２章で実験装置と理論・シ

東京農工大学へ異動）であった筆者が，京都での第１回プ

ミュレーション法の簡単な紹介，第３章で現在までの実験

ラズマ科学シンポジウム２００１／第１８回プラズマプロセシンと理論・シミュレーションの統合研究成果（高密度ヘリコ

グ研究会で久し振りに出会った．そこで今後の先進プラズ

ンプラズマ源開発と特性評価，先進プラズマ加速法の研究

マ推進（ロケット）に，ヘリコン高密度プラズマの適用の開発，先進プラズマ診断開発）の要約，第４章でまとめと可能性を議論した．故都木教授はよく知られている上述のする．

「はやぶさ」のイオンエンジンで大きな成果を挙げておら１．
１ 研究背景と経緯

れ，筆者はヘリコンプラズマのソース開発，生成・波動特

電気推進ロケットエンジン［２］は，通常の化学 推 進ロ

性解析と関連した物理現象に関する研究を広範に行っていケットエンジンに比べると，推力 F は小さいが比推力 !
"!

た．当時の世界のヘリコンプラズマ推進研究では，具体的（発生推力／単位時間あたりに消費する推進剤の重量，言内容は異なるが元 NASA の宇宙飛行士であった Chang

い換えると推進剤の排出速度／重力加速度：燃費の指標）

Díaz 博士が火星に人間を送るプロジェクト［１１］や，磁気圏が高い（つまり格段に燃費がよい）ため，その開発・展開を模擬して太陽風から力を受ける可能性を試した研究には大きな期待が寄せられている．電気推進機「はやぶさ」（M2P2：Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion）［１２］が［２‐４］は，イオンエンジンを積んで小惑星「イトカワ」のサ始められた位で他は殆どなく，先駆的に研究を始められた

ンプルリターンを行った快挙でよく知られている．しかしといえる．現在は，ヘリコンプラズマは後述する高効率生

ながら，プラズマと加速グリッド等の電極との直接接触か成を含めた「無電極概念」で注目され，多くの研究展開がら，電極損耗（不純物混入も問題）が起こり有限の寿命と見られつつある．

なる問題がある．MPD（Magneto-Plasma-Dynamic）アー

その後，メンバーを増やして組織を整えつつ，本プロ

クジェット［２］やホールスラスタ［２］等でもプラズマ生成・

ジェクト研究構築の礎となったメンバーの基盤研究（A）‐加速で同様な問題がある．それを克服して高効率の生成・（C）等や他の外部資金等の援助で，主として九州大学と宇加速ができれば究極の長寿命運転により，木星以遠等の深宙科学研究所で共同研究を行い，平成２１年度（２００９年）か

宇宙探査も可能となる．プラズマと電極が直接接しない

ら本研究プロジェクトが本格的にスタートした．しかし残「無電極」の概念でのプラズマ生成と加速という新アイデ

念ながらその年の５月に都木教授が急逝されたため組織のアでの先端的研究を，高密度ヘリコン源［５‐１０］を用いて行立て直しを行い，筆者は代表として，西田准教授（東京農うのが本プロジェクトの目的である．ここでヘリコンプラ

工大学）を研究分担者として新たに加えて再スタートとTokyo University of Agriculture and Technology, Koganei, TOKYO 184-8588, Japanauthor’s e-mail: sshinoda@cc.tuat.ac.jp

４１２!2015 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

Research and Development of a Novel Electrodeless Plasma Rocket Engine Using a Helicon Source

S. Shinohara

において大事な点であった．

なった．
１．
２ 研究目的・手法

これにより，無電極による高密度プラズマ生成・加速機「無電極」，「ヘリコンプラズマ」を主キーワードとした構の徹底的解明研究と，その応用としての加速方法を含め

本プラズマ推進プロジェクトの目的は以下である．電気推

た比較・改善，異なる推進剤での性能，耐久性，設計相似

進ロケット開発で上記短寿命の問題等を克服するために，則等の知の集大成による体系化を目指せたといえる．

プラズマ生成と加速において完全無電極推進を新たに試み

１．
３ 研究組織る事にある．つまりこれまでの本研究グループの幅広い先

本プロジェクトの研究組織としては以下である（敬称略，

端成果と知見を集大成して，生成・加速電極を直接プラズ順不同）：研究代表者：篠原俊二郎（九州大学・総合理工

マに接しない構造で，高効率で損耗の無い先進的無電極プ

学研究院，平成２２年度途中から東京農工大学・工学研究

ラズマ推進法を新規に開発して進めることにあり，非常に院），研究分担者：谷川隆夫（東海大学・総合科学技術研

チャレンジングである（図１左が将来のイメージ）．

究所），羽田亨（九州大学・総合理工学研究院），船木一幸

生成法に関しては本研究グループが大きな貢献・実績の（宇宙科学研究所），西田浩之（東京農工大学・工学研究院）．

ある高密度ヘリコン源を更に用途に応じて開発・特性解析を行い，加速法に関してはヘリコン源単独か新規の先端提連携研究者については交代，追加もあったが，当時の所案研究による試みで，（理学を含む）工学的体系化を目指

属を中心に時系列的に記載する．山形幸彦（九州大学・総すものである：ここで本研究はこの構想・概念を意味した

合理工学研究院），荒巻光利（名古屋大学・工学研究科，現HEAT（Helicon Electrodeless Advanced Thruster）プ ロ

在は日本大学・生産工学部），安藤利得（金沢大学・自然

ジェクトと名付け，ロゴも作成した（図１右）．

科学研究科），高橋和貴（岩手大学・工学部，現在は東北大

具体的にはプラズマ生成では，種々のサイズのヘリコン

学・工学研究科），冨田幸博（核融合科学研究所），河村学

源開発と特性評価，加速でも多くの新規法提案，及びその思（核融合科学研究所），成行泰裕（高知工業高等専門学

加速機構解明と性能評価を行う．サイズスケーリング則や校，現在は富山大学・人間発達科学部），大西直文（東北大異なる推進剤の効果も考慮し，体系的理解を進める．また学・工学研究科），井通暁（東京大学・新領域創成科学研

生成・加速に緊要な先進プラズマ診断・計測も開拓する．

究科），桑原大介（東京農工大学・工学研究院）．

本プロジェクトの最終ゴールは究極的なものであり，例と海外研究協力者については，Dr. K.P. Shamrai（核科学研

して完全無電極ながらも比推力 #"!が 3,000 秒，推進効率究所，ウクライナ：残念ながら２
０１３年９月に急逝），Prof.

!（単位時間あたりの推力発生の運動エネルギーと入力パ

F.N. Skiff（アイオワ大学，米国），ポスドクとして，大塚史ワーの比）５０％以上である．

子（九州大学・総合理工学研究院），松岡健之（宇宙科学研

ここで本プロジェクト研究のスタイルについて書くと，究所，現在は大阪大学・光科学センター）である．なお，

先進研究の進展には様々なアイデアと自由な議論が必要と夫々の研究者の研究室学生・院生の名前は記載しないが，の観点から，「異分野統合」と「手法統合」（更にそれらの多くの貢献があった事も記したい．

有機的結合）をモットーに行った．即ち，分野としては基礎プラズマ，応用プラズマ，高温プラズマ・核融合，宇宙

２．実験装置と理論・シミュレーション法

プラズマ，流体力学，航空宇宙工学等の（工学と理学の壁

２．
１ 実験装置を外した）専門分野をもつ気鋭の多彩な集まりとした，更研究代表者が中心として開発してきた高密度ヘリコンプに互いに頻繁に議論し昇華させながら，実験・理論・シ

ラズマ装置群を図２に示す．本研究の基礎となる長年のヘ

ミュレーションの手法を統合するように行った（シナジー

リコン源開発を通して，多くが世界新となる特徴ある装置

効果を期待）．研究代表者，研究分担者，連携研究者及び関群（47 cm3 の超小容量から 2 m3 を超える超大容量，直径

心のある関連研究者，該当研究室学生も交えた，年２回以

0.3 cm から 74 cm，直径と軸長の比であるアスペクト比 !

上の全体会議と数十回に及ぶ多くの個別の会議・議論が主１３］等）の物理特性解が最小 0.075，強磁場の "!10 kG［１０，である．個人的関係に関しても，互いに相手を信頼，尊重してオープンに自由闊達に議論して行った事は重要であったと付記したい．故都木教授と筆者も互いに高校からの同窓であり，信頼関係が強かった事も本研究の基礎的な進展

図１ （左）
将来の完全無電極による先進的高密度ヘリコンプラズ
マ推進のイメージ図と（右）HEAT プロジェクトのロゴ．

図２

４１３

開発した種々の特徴ある高密度ヘリコンプラズマ装置群．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015３．
１ 高密度ヘリコンプラズマ源開発と特性評価

析と装置改良を行ってきた．

３．
１．
１ 理論・シミュレーション

本プロジェクトにおいて主として用いたのは，東京農工
大学では Large Mirror Device（LMD）［１４，１５］，Small Heli-

高効率の高密度ヘリコンプラズマの生成機構解明は３０年

con Device（SHD）［１６］及び中型真空装置［１７］，東海大学

以上の重要な課題であり，最近ではヘリコン波からモードの Tokai Helicon Device（THD）［１８］，宇宙科学研究所の変換した TG（Trivelpiece Gould）波の強い減衰が有力候補

Large Helicon Plasma Device（LHPD）［１９，２０］である．これとして考えられてきた［９，１０］．この短波長の TG 波の直接らを用いた実験は，研究代表者（篠原），研究分担者（谷

波動測定は非常に困難なため，間接的に TG 波の効果を入川，船木，西田），連携研究者（桑原）が行い，連携研究者

れると実験結果を説明できる部分［２２，２３］があった．今回，（高橋）は当時の岩手大学の装置を使用した．

衝突効果を含む詳細な１次元流体計算（FDTD 法：Finite-

ここで現有の真空装置とガス供給・排気系，磁場コイル

Difference Time-Domain Method）により，衝突周波数をパとその電源に加え，本プロジェクトで追加整備もされた高ラメータとして，ヘリコン波の直接減衰が TG 波による減周 波 電 源 類 は 以 下 で あ る：周 波 数 $は 0.3−13.56 MHz，衰と共に重要である事を初めて見出した．

3−15 MHz，13.56 MHz とその高調波，及び 50−150 MHz

図３（縦軸：磁場に垂直方向の波数 %'，横軸：磁場に平で，出力が数百 W から 5 kW．プラズマ診断に関しては，現行方向の規格化した波数）の分散関係に示すように，衝突有と追加整備を含めて，静電・磁気プローブ類，光学測定

周波数 %が印加角周波数 &に対して増えると，励起した小（高分解能分光器，広帯域分光器，高速度カメラ，レーザー

さい %" のヘリコン波（実線）が高い %" の TG 波（点線）に誘起蛍光法用のレーザー測定系）とデータ収集系（高速度

段々とモード変換しなくなる（実部の線同士が繋がりにく

オシロとデータロガー）であった．詳しいプラズマ診断開くなっている）．パワーフラックスの計算から求めたヘリ発については３．
３で記述する．

コン波から TG 波へのモード変換率を図４に示す．通常実"&#!
!
"ではこのモード変換が殆どなく，ヘ験で良くある %なお，ヘリコン源単独の特性解析に関しては連携研究者

リコン波による直接減衰が主要なメカニズムとなる．

（高橋），レーザー誘起蛍光法 Laser Induced Fluorescence

なお，流体計算に加え，PIC シミュレーションによって（LIF）計測システム構築に関しては連携研究者（山形，荒巻）と海外研究協力者（Skiff）の貢献もある．

もヘリコン波と TG 波の伝播及びモード変換過程の数値計

２．
２ 理論・シミュレーション法

算を行い，流体計算の正しさを裏付ける結果を得た．また九州大学（羽田，大塚）を中心に，東京農工大学（西田），

電子とイオンの加熱について定量的な評価を行った．更

宇宙科学研究所（船木，松岡）と共に，生成と加速の理論に，主要な物理過程がほぼ線形であるため，主磁場方向の構築と数値シミュレーションを行った．更にヘリコン生成

波数は良い精度で保存される事に着目して，低メモリース

機構とヘリコン単独加速（&!!加速も）に関しては，研究ペース・高速化が可能である新たな空間擬２次元のコード

代表者と共に海外研究協力者（Shamrai）の，加速シミュを開発した．

レーションでは東北大学（大西）の貢献もある．

３．
１．
２ 実験

なおこの数値計算において，主として計算機は本プロ

電磁石や永久磁石（及びその併用）を用いた多くの高密ジェクトで一部購入したワークステーションを用い，計算度ヘリコンプラズマ源開発（図２参照）を行った．電磁石

コードには商用コードと独自開発の計算コードを状況に応使用では，世界最大サイズ（直径 74 cm，軸長 486 cm，容じて使い分けた．独自開発したコードは，電子・イオン・中

量 2.1 m3）となる宇宙科学研究所の装置を改造し開発研究

性粒子を考慮した３流体プラズマコードや，全粒子計算を行った（LHPD 装置となる）［１９，２０，
２４‐２６］．一般的に高コード PIC（Particle in Cell）
シミュレーションコードがあ

周波パワー #$%&と共に電子密度 '#は増加する．ここで多くる．商用コードとして PIC コードである OOPIC Pro 及びの場合，#$%&と共に電子密度ジャンプを伴って，Capaci-

VORPAL［２１］コード等を用いた．なお，粒子計算において

tively Coupled Plasma（CCP）から Inductively Coupled

は，プラズマ粒子と中性粒子との弾性及び非弾性衝突過程

Plasma（ICP）を経て，ヘリコン高密度プラズマとなったを，実験結果に基づく衝突断面積を用いて正しく取り入れ（2.1 m3 の 超 大 容 量 で も #$%&!4 kW で '#〜6×1012 cm−3た．

以 上 を 達 成）．図５に は，軸 長 "!81 cm の 場 合 の '#と#$%&の関係を示す．#$%&が 1 W 以下程度（μW/cm3 の非常に

３．研究成果低い電力密度レベル）からプラズマ生成が可能（'#は109 cm−3 台）で，広領域でのパワー放電の優位性を示して

以下，既述したように本プロジェクトは高密度ヘリコン
プラズマ生成とそれを用いた先進加速研究のため，研究成

いる．

果を「３．
１ 高密度ヘリコンプラズマ源開発と特性評価」，

更に "を 5.5 cm まで縮めても '#が 1012 cm−3 程度のプラ及び「３．
２ 先進プラズマ加速法の研究開発」に分けて記述

ズマを生成でき，プラズマ推進（産業応用でも）のソース

する．その際プラズマ特性を調べるには「診断」も重要でとして重要なアスペクト比 !は 0.075 と世界最小となった

必須なため，「３．
３ 先進プラズマ診断開発」も記す．

［２４］．同時に 1/4 波長までの定在波の存在も見出し，励起

また「実験」と「理論・シミュレーション」とは不即不波動構造解析を行った［２４，２６］．なお，宇宙や核融合で興味離であり，研究進展の両輪として密接な議論を行ってきた深い研究として，プラズマ圧力と磁場圧力の比である $が，便宜上分けて述べる．

を１に及ぶ高ベータも達成し，反磁性構造を観測した
［２５］．
４１４

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S. Shinohara

図３ "/#を変えた場合のヘリコン波と TG 波の分散関係の変化．

図４ "/#を変えた場合のヘリコン波からTG波へのモード変換率
の変化．

図６

ヘリコン波の分散関係［２
７］
．

と減少）
［１６，
２８，
２９］．ここでヘリコン 波 の 分 散 関 係［２７］（図６）を考慮すると，半径 !が小さくなると同じ軸方向波
数 "!!の 場 合，印 加 周 波 数 を 上 げ る 必 要 が あ る た め，
7−70 MHzの領域で実験を行った［２８］（磁場とパワーでほぼ 決 ま る 電 子 密 度 が 一 定 を 仮 定）．更 に 高 い 周 波 数 の
140 MHz の放電では，低圧力でも他の周波数よりも同電力
で #!が高い結果となった．また数十 MHz 以上では，数 W
でもプラズマ生成が容易であった．
今まで得たプラズマパフォーマンスを更に上げるため，
図５

現在使用の電磁石に加え，強磁場の 2 kG を越える永久磁石

L ＝ 81 cmの場合のne とPinp の関係：〇，□，◆，△は，夫々
アンテナ近傍の磁場コイル電流が 20，40，60，80 A［２７］．

を設計・設置し高密度プラズマ放電（夫々単独もしくは併用）を LMD［３０］や SHD で行った．永久磁石単独のヘリコン源も東京農工大学の中型真空装置，SHD，宇宙科学研究

また世界最小口径も開発した SHD を用いて更新し，#!

所の LHPD（但し真空容器内にスラスタを設置），東北大が最大 1013 cm−3 程度を得た（直径 2 cm から 1，0.5，0.3 cmの装置で行っている（３．
２．
２参照）．この永久磁石を用いた
４１５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

３．
２ 先進プラズマ加速法の研究開発

コンパクト・スラスタ開発では容器直径は 2.6 から 10 cm

新規プラズマ加速法として，以下の多岐に亘る種々の方まで拡張され，プラズマ特性のカスプ磁場の有無，磁場強法を初めて提案し，その物理的理解と特性解析を行った．

度等の影響も調べた．

図１０にその主な加速法の概念図を示す［２４，
２７，
３２］．

その際，ヘリコン放電での粒子生成効率のスケーリング
が，古典拡散に基づいた計算結果［３１］と非常に幅広い領域!）ヘリコン源単独による高速流生成（＋関連して，ポン（半径で１００倍以上）でほぼ合うことを示した［２４，３２］．図７

デロモーティブ力による方法（PA: Ponderomotive Accel-に全電子数 ##とプラズマ径 a の関係を示す（塗りつぶした

eration）），"）回転磁場法（RMF:

Rotating

Magnetic

黒丸は本研究グループの測定）．ここでは径方向拡散が支

Field），#）回 転 電 場 法（REF: Rotating Electric Field），

配的である場合で，##!
$$%&が %"にほぼ比例している．一方$）ポンデロモーティブ加速＋イオンサイクロトロン共鳴

軸長が非常に短い（アスペクト比が小さい）場合は軸方向法（PA/ICR: Ponderomotive Acceleration / Ion Cyclotron

拡散が強くなるが，これも実験結果はその予測するスケー("!コイル励起加速法．
Resonance），%）

リング則と一致した［２５］（##!
$$%&が軸長 "に比例）．

後述するが，上記全ての手法で外部発散磁場を利用して図中の破線は古典拡散の３倍程度の値から導出したもの

いる（付随して磁気ノズルの加速効果もある）ため，磁場であり実際の実験上の上限といえる．つまり本ヘリコン高を用いる高密度ヘリコン放電とマッチしている．また"），

密度放電を良い運転領域で行うと，幅広い領域で他のプラ#），%）では周方向電流 '"を誘起させ，発散磁場の径方向ズマ源より良い（少なくとも劣る事があり得ない），非常

磁場 !'との，軸方向成分のローレンツ力 &("'"!!'で加速に高い粒子生成効率をもっていることが実証できた．

と#）はDC
させる提案である．但しこの '"に関しては，"）
電流，%）では AC 電流である．

ヘリコン励起波動に関して種々のアンテナを開発した．
周方向モード (［７，
９，
１０，
３３］を０，±１，±２の選択励起

３．
２．
１ 加速の理論・シミュレーション（予想されるヘリコン波の径方向励起構造を磁気プローブ

提唱している様々な上記の方法の理論的検討と比較を行で確認）と径方向放射分布が同時に制御できるヘリコンア

いまとめた．まず"），$）の手法を考えると AC 成分同士

ンテナの新規開発にも THD で成功した［１８］（図８）．これの非線形結合過程で DC 部分が出るのが期待されるため困は LMD や LHPD で開発した大口径プラズマ生成用のスパ難であるがチャレンジングである．"）では誘起 '" からのイラルアンテナ
［１５，
１９，
２０，
３４］の発展形であり，周方向と強い電磁力（ローレンツ力），$）では ICR 領域での電場の径方向に分割されたアンテナ要素の繋ぎ合わせで，周方向２乗の勾配が期待できるのが特徴である．#）は，AC 部分

モードのみならず径方向密度分布も制御できた．これにより加速用のターゲットプラズマとして所望の条件設定がより柔軟となる．
LMD では発散磁場による内壁への接触によるプラズマ
損失軽減を考慮し，プローブ測定用ポートも取り付けたテーパー状（内径 10 から 17 cm まで）石英管（放電部）を試作した．開発した３００枚に及ぶ永久磁石群と電磁石併用によって，ヘリコンプラズマのパフォーマンスを向上させた．更にアルゴンガスに加え，水素，ヘリウム，キセノン
放電の特性も求めた（図９は LMD での高密度ヘリコン放電でのプラズマ光写真）．

図８ （左）
アンテナ写真，（右）分割されたアンテナ要素の結合による種々の周方向モードと径方向放射 パ タ ー ン 制 御 例
［１
８］
．

図７

全電子数 Ne を高周波パワー Pinp で割ったものと半径 a の二
乗の関係．

図９

４１６

高密度ヘリコンプラズマ光写真：（左）ソース部のアルゴン光，（右）キセノン光の全体的写真．

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S. Shinohara!）ヘリコン源での単独加速
ここでは，磁場勾配（磁気ノズル）及び結果として生じる軸方向の密度勾配と電位構造が重要である指摘を行った．反磁性電流の効果も重要である．勿論３．
１で述べた効率の良い高密度ヘリコンプラズマ生成が前提条件となる．これは磁気ノズルに関する研究［３６‐３９］とも考えが一致する．
また，径方向密度分布を持った発散磁場下では，*!!
モード励起で単独の PA でも大きい加速があることがわかった．ハイブリッドモード，つまりヘリコン波と準 TG
波の結合，による電子への強い軸方向加速と径方向圧縮が重要である（図１１［２７］）．
"）RMF 加速法
これは元々核融合分野でのコンパクトトーラス Field Reversed Configuration（FRC）の装置に関し，平衡形成維持
時間増加のための周方向電流駆動の概念［４０］を応用したものである．ここで回転磁場生成は，対となるサドルコイル
２セ ッ ト に 位 相 を 変 え て 角 周 波 数 )で AC 電 流（)%'!)!)%&（電子サイクロトロン角周波数）
）を流す方
法（図１０
（a）参照）や，周方向に４本置いた軸方向に向いた
コイルに位相を変えて電流を流す方法等がある．電流駆動
は外部回転磁場 !) がプラズマ中へ誘起した軸方向電場と!) との非線形結合で周方向電場が生じ，抵抗率を通じて)' が誘起される．簡単な物理的描像としては，回転磁場に

図１
０ 新規提案の加速法例：（a）
RMF 加速，（b）
REF 加速，（c）PA/
ICR 加速［２７］．

電子（イオン）が周方向に追随できる（できない）ため，周方向電流 )' が流れる機構である．

と空間不均一性からの誘起 )'が生じる．これらはプラズマ

この手法では電子が回転（既述したローレンツ力生成の物理的にも興味深い対象である．また全体の加速効率を上ための )' 誘起に関連）するために重要な，回転磁場のプラ

げるには，壁へのプラズマロスを軽減し，生成と加速領域

ズマ中への浸透［４１］だけでなく，粒子通過時間（軸方向拡を近づける必要があることを確認した．

散が重要）と印加周波数，電磁力の粒子間への印加構造が次 に 実 験 の 基 準 と な る 入 力 パ ラ メ ー タ（種 々 の 時

重要である指摘を行った［２７，
３２］．ここで磁場浸透の重要

間スケ ー ル も 整 理）を 使 っ て，各 手 法 での 理 論 的 考 察

なパラメータ［４１］として，%（プラズマ径とスキン長の比）（夫々の特長と問題点）と比較を行った．オーダリングにと$（電子のホールパラメータ：但し )%&を導出する磁場はよ る 概 略 計 算（実 験 的 に 典 型 的 な 値 を 使 用）で 予 想

回転磁場の強度）がある：ここで円柱での流体シミュレー

さ れ る 単 位 断 面 積 当 た り の 推 力 (は"）か ら#）の 順

ション結果は，図１２に示すように曲線の上が磁場浸透とな

，
，#
に，(
)!!&$
&"
%$
'
+&$$$
#
#
!#
#
")""
&"
%$
'
+&$$$
)!!&$
"
#
#
"
"
"
&+&'"
(
#") と な る．こ こ で，&：プ ラ ズ マ 半 径，
*)%'$
"
#

る．

%：外部コイルの半径，'：電荷素量，$$：加速用回転電磁コードの VORPAL でも解析を行った．磁場浸透する条件

場の実効軸長，")：回転またはポンデロモーティブ電場，（浸透と不浸透の境界近くでない領域）では，磁場回転周波)：回 転 磁 場／電 場の 角 周 波 数，!!：外 部 軸 方 向 磁 場，数の逆数の１０‐２０サイクル程度の時間で定常に達した．パ)%'：イオンサイクロトロン角周波数，(：衝突によるファク

ラメータを変えて計算した結果は文献［４１］（２次元流体シ,'
ター，#：軸方向磁場勾配長×)%'"（,(：軸方向イオン速( 'ミュレーション：イオンは静止）と定性的には同じであ

磁場浸透時間と励起波動の空間構造については，PIC度），である．
実際上記に典型的な値（)!106 s−1，&"%"$$ "5 cm，+&!1012 cm−3，!!!0.5 kG 等）を入れると，RMF の場合［２７］（文献［３５］ともほぼ一致）とは理想的には #"100 mN
なり，本手法の具体的適用の可能性を示唆し実験への指針とした．また重要な点であるプラズマの実機からのデタッチメントについても，２次元ハイブリッドモデル（イオンを粒子，電子を無質量の流体として扱う）を用いて議論を行った．
以下に，種々に提案している具体的手法と既述した!）‐$）の解析・考察を述べる．

図１
１ m ＝ 0 コイルを用いた PA 加速の概念図［２
７］
．

４１７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

方向電流 #'を介して推力に関係するため重要である．シー
ス効果を入れた１次元浸透モデルで解析的及び PIC シミュ
レーションで評価を行った［４５，４６］．ここで制御パラメー
タは電場のシールドを表す &［４６］で，%"と !が印加電圧と電極間距離共にパラメータとなる．次に拡張して２次元電界浸透モデル（理論的解析［４８］と衝突効果も入れた PIC
コード［４９］）で計算を行い，求めていた１次元浸透モデル［４５，４６］より実験条件（得られる推力）が厳しい事が判明した．図１５は推力に必要な #' のパラメータ依存性を示し，右上の領域が望ましい．なお，図中の白線は，理論モデルで

図１
２ 磁場浸透境界での %c と &の関係（曲線より上が完全浸透）［４１］．

電場浸透度が 0.5 となる条件を表す．これより更に推力効率を上げるには，今後高磁場化・高周波数化に加え，大型り，更に磁場や粒子衝突の効果も調べた．なおここでは化・高電力化が指針となった．

PIC の 2D計算を行ったが，実際の実験との比較のために今

更に，電子・イオン・中性粒子を考慮した３流体プラズ

後更には 3D シミュレーションが必要である．

マシミュレーションコードも開発した．これにより PIC!）REF 加速法

シミュレーション及び理論解析結果とも比較でき，それら

こ の 加 速 で は 図１３の よ う に（初 期 ア イ デ ア は 文 献の結果とも定性的に一致した．
"）PA/ICR 加速法［４２，４３］），回転電場はプラズマ周辺に置いた電極群（アンテ ナ）に 電 圧 の 位 相 を 変 え て AC の 角 周 波 数 (この概念を図１６に示す（図１０（c）も参照）．このスキーム（(!#!(!(!"）で印加する事によって作る（図１０（b）も参では，イオンは磁場に垂直方向に ICR 加熱される．その垂照）．これも RMF と同様，回転電場に電子（イオン）が周直方向のイオンエネルギー $# は，発散磁場下ではエネル

方向に追随できる（できない）ため，周方向電流 #' が流れ

ギーと磁気モーメントの保存から軸方向エネルギー $""へる機構である．なおプラズマ円柱断面で電場ベクトルがリ変換され軸方向への推力となる．一方，ICR 共鳴層に高周サージュパターンを示すので，我々はリサージュ加速とも

波電場強度のピークをもつと，電磁的なポンデロモーティ呼んでいる．

ブ（以下ポンデロと略称）力で加速される［５０，５１］．ここで

回転電場がプラズマ断面中に浸透すると，図１３（a）のよ

ポンデロ電位は以下で表される（"：高周波電場，&：電

うに電子は２つの運動の重ね合わせとなる：小さいラー

荷，$：イオン質量，#"(!#）．

マー径での円運動と，この回転電場 "と軸方向磁場 !との存在下での "!! ドリフト運動を行う．ここで径方向に電子密度勾配があると，ドリフト運動の差が生じ周方向に電子電流が流れる（図１３（b））．ヘリコン高密度ではこの勾配が大きいため電流駆動が有利と考えられる．
理論と PIC シミュレーション計算［４４‐４７］で，無衝突条
件においては回転電場の "!! ドリフト半径が重要であり，これがプラズマ直径の約 0.4 倍で推力が最大となることがわかった．また，１次元モデル［４５］でスラストサイズのスケーリング則も導出した．図１４に推力密度の磁場と密

図１
４ REF 加速での推力密度の磁場 B と密度 ne の依存性（典型的実験パラメータを代入）［４５］．

度の依存性の例を示す．パラメータによっては適切な磁場がある事がわかる．
ここで電場のプラズマへの浸透を評価する事は，誘起周

図１５ 典型的実験パラメータで計算した j 'の磁場 Bz と f の依存性
［４
９］
．

図１
３ REF 加速での電子の運動と周方向電流駆動［４
４］
．

４１８

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Research and Development of a Novel Electrodeless Plasma Rocket Engine Using a Helicon Source

#
%# "%
'
&
%%
'
&
#
#．
#
$ ' !#%$'&

S. Shinohara

なっている．これらの特性は粒子のこの加熱・加速領域でのトランジット時間で理解できる．また典型的には，ポン（１）

デロによる $$の上昇の約1/3であっ!
!の上昇は ICR による $つまり強磁場側（図１６の左側），弱磁場側（図１６の右側）

た．

に拘わらず，常にイオンは磁場軸方向（図１６の右方向）の

更に壁でのロスや衝突効果も含めた粒子軌道計算を行っ力を受けるため，例え右側から入ったイオンでも．多くのた．例として図１９で示すように，ラーマー径が小さいヘリ場合速度が反転されて右側へ出て行く．図１７の FORTRAN

ウムイオン（左図）の方が，アルゴンイオン（右図）より

コードによるテスト粒子計算例で示すように，ICR で $$壁のロスが小さく速度上昇は大きい．装置サイズや磁場がが，次にポンデロ（PA）で $!
!が増え，更に発散磁場で磁気

強い VASIMR のパラメータでは更に速度上昇が大きい事

モーメントの保存から$にエネルギーが移る．初速
$から$
!
!

もわかった．これらにより，推力（図２０）等を計算しこの度 &(が小さい方が加速領域での滞在時間が長いため，ポン概念が有効である事を示した．但し計算からわかるように

デロによる $!
!の上昇が大きい．ポンデロは軸方向加速であ衝突と壁のロスを慎重に決めないと，推力が電場と共に上り，ICR のように垂直方向のエネルギー増加によるラー

昇しなくなる事に留意する必要がある．なお，このスキーマー半径が上昇しないため，プラズマー壁の相互作用が小さくなる有利な特長がある．
ここで計算においては，高周波電場 "と外部定常磁場 !
の強度分布を以下として行った（#&，#% は軸方向長さのス
ケール長を意味し，この依存性も種々に調べた）．
# #
，
'!'
"%
'
#&(
!%
&
#"!)0,'
).&!

.
'!'
!
#%(
!%
'
""/
'
+*'
!%
&
&
#!!%
).&

（２）

次に図１８に示すように，このスキームによるイオンの運動エネルギーゲイン "$を計算すると，小さい &(の時は一定（飽和）で，それより大きくなると &(と共に減少している．ま た 一 様 電 場，非 一 様 磁 場 下 で の 準線 形 理 論 曲 線$&#%!
'&(&と，大きい &(と #& で近い値と"$#%&%#"!#!
$%

図１
８ LE を変えた場合のイオンエネルギーゲイン"$のvb 依存性．
準線形理論結果も示す［２
７，
５
２］
．

図１
９ （左）
ヘリウムイオンと（右）アルゴンイオンの粒子運動のス
ナップショット［５３］．

図１
６ PA/ICR の概念図［２７］．

図２０ 推力と電場との関係：〇は壁へのロスと衝突を双方入れない場合，□は壁へのロスはあるが衝突を入れない場合，△は壁へのロスと等方性衝突を入れた場合，▽は壁へのロスと非等方性衝突を入れた場合，実線は準線形理論からの計算の場合を示す［５２］．

図１
７ PA/ICR スキームでのエネルギーゲイン．実線と点線は夫々軸方向の初期イオン速度が 400 と 1,600 m/s の場合を示す
［２
７，
５
２］
．

４１９

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ムでも電磁場の浸透が重要であり，外電極による静電的電磁場の影響も調べる必要があるが，)$-，$(+の全てが大#，$場浸透と，プラズマ外電流による磁場励起での誘導電場励〜c）の観点から望まれる．
きいのが， '-と既述の a）
そのため特に重要な )%-を調べると，外部磁場が小#と $起する方法について，モデル計算と比較・検討を行った［５４］．

さいほど双方とも大きくなったが，印加周波数が大きくな"）*"!コイル励起加速法

るにつれ )%-は減少するため，最適な領域を探# は増加し $ここでは，発散磁場下でコイルに印加した AC 電流によす必要がある．但し ICR 領域や低圧力では )#が大きくなりるプラズマ中に励起された)# が 重 要 で，電 磁 力

有望である（高磁場でも可能）ため，その領域での検討も

１は加
'
-")
#!!(によるプラズマ加速を利用している（図２

行った．今後はより正確な描像を得るため，発散磁場下で速相での概念図）．半周期毎に加速相と逆方向加速相となの計算を行う必要がある．

るが，逆加速相ではプラズマが自分自身の装置内面に当た３．
２．
２ プラズマ加速実験る（若しくは戻るだけのみ）ためシステム全体では逆加速!）ヘリコン源単独加速法とはならない．つまり半周期毎に加速となる．

ここでは，搭載型とターゲット型スラストスタンド測定

ここでこのスキームで満足すべき重要な点は以下の３点（関連するプラズマ診断開発は後述の３．
３参照）で推力を計である：a）誘起電磁場がプラズマ中に浸透する事，b）加測した．搭載型で永久磁石を用いた様々な磁場配位と強度速されるプラズマがインダクティブ（$的）である事（つ（カスプ磁場の有無もあり）で実験を行った．直径 3 cm

まり抵抗&によって誘起電流が小さくならない事：そうでの 比 較 的 小 プ ラ ズ マ 源 で の 実 験 で は，%%&'〜1 kW で，ないとオーム加熱のみとなる），c）加速された粒子（特に０％"〜3（最大 5）mN，#+〜３)'〜200 s，推進剤利用効率 "イオン）が加速の半周期でこの加速・減速領域から離れてであった．直径 5 と 10 cm の場合は，後者 で %%&'〜2 kW

しまう事（発散磁場の勾配長より半周期での軸方向の運動において，"〜11 mN

距離が長いのが目安）
［２７，
５５］．

を含め#
)
'の算出においては，ガス流量の値ではプラズマ出

このためには誘起電流分布と電流の絶対値は重要であ#)'〜840 s と良い特性を得た．ここ

口からの逆流は考慮していない．

り，１次元モデルによる解析的計算（この印加電場の周方

次に LMD（既述したようにソース部は口径 10 cm でテー

向と定常外部磁場の軸方向を考えると，実質的には異常波

パー部は 10−17 cm）で永久磁石と電磁石を併用して実験と同じ取り扱い）で，印加角周波数 $を変えた場合の誘起を行った（図２，９参照）．アルゴン高密度ヘリコンプラズ

電流の径方向依存性の例を図２２に示す（衝突の効果も入れマ（所謂ブルーモード）では，最大推力 "<22 mN，#)
'ではてある）．ここで #$,*はこの外部印加コイル電流，$#" は低2,000 秒を達成できた（夫々図２４，２５）：推力電力比 "!
%%&'$#" の１との大小によって浸透域混成角周波数である．$!
度が異なるのが分かる（１より小で伝播波，大でエバネッ
セント波）．典型的な値を入れると，理想的推力 "は数十mN となり実機に適用できる可能性が高い．また電気回路的解析（外部回路とプラズマ系での，等価的 &，$，相互イ
ンダクタンス，駆動誘起電圧等を使用）でも上記と同様な結果を確認し，更にこの（等価的）電気回路の計算でもプラズマ挙動解析も行った．
更に精度を上げるため，２次元シミュレーションコード
［４８］により，誘起電磁場構造，誘起電流 )# の空間分布，イオンと電子の挙動（特に軸方向運動）等を，パラメータ
サーベイを行って調べた．但し外部一様磁場下での計算である．図２３にその計算結果例を示す．誘導電流のピークはプラズマ周辺にあり，質量の違いから電子の１周期での軸図２２ m ＝ 0 加速での概念図（加速相）［２４］．

方向移動距離 $$-はイオンの $%-より大きかった．今後発散

図２３ m ＝ 0 加速での２次元計算例（左：j #の絶対値，右：電子の１周期間での軸方向移動距離）．

図２
１ m ＝ 0 加速での概念図（加速相）
［５
５］
．

４２０

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図２
４ アルゴンプラズマ推力の高周波パワー依存性（電磁石電流と流量を変化）．

S. Shinohara

図２
６ キセノンプラズマ推力の高周波パワー依存性（電磁石電流と流量を変化）．

図２
５ アルゴンプラズマ比推力の高周波パワー依存性（電磁石電流と流量を変化）．
図２
７ コイル電流を変えた場合の（左）磁気ノズルによる磁気力（●）とプラズマ密度（□），（右）全推力．但し左図の横棒は理想的理論予想［５７］．

は最大 8.5 mN/kW．この !"#は，高密度キセノンプラズマでは更に上昇し 16 mN/kW となった（図２６から導出）．またこのキセノンプラズマにおいて，#"#$〜3 kW で最大推力!は 41 mN となった（図２６）．但し推進効率は現時点では８％以下である．
これらの値はヘリコン源として非常に良い値を達成し，無電極でありながら他で運用される推進源にかなり近い値となってきている．例えば，ホールスラスタは別として，
MPD ア ー ク ジ ェ ッ ト："#"#$〜20 mN/kW，%$〜500 s，!"
イ オ ン エ ン ジ ン（「は や ぶ さ」型）："%$〜3,000 s，
［２，
３］で
!"
#"#$!25−30 mN/kW，!!8.7 mN（１基あたり）
ある．
また発散磁場下での反磁性電流による軸方向推力について実験を行った．ガラス管直径は 6.4 cm，長さ 20 cm で，直図２
８ ヘリウムプラズマでのイオン速度の高周波パワー依存性（ガス流量と電磁石電流を変化）［２９］．

径 60 cm，長さ 100 cm の真空容器に繋 げ た．最 大 700 Gの高磁場では径方向拡散が抑えられるため理論的推力に近づき理想的ノズルとして働く事を実証した
［３８，
５６］

めた［２９］．なおイオン音波速度を導出する際に電子温度は（図２７）．また低圧力・低密度の領域では電位の急激な変化

実験で典型的な 5 eV を使用した．その結果アルゴンでの速のあるダブルレアーが観測され，イオンビームの存在も確

度は＜3 km/s 程度であったが，流量を下げると #"#$が 1

認した［５７］．

kW 以上でヘリウム（水素）の場合最大 15（40）km/s を達成

次に SHD を用いて直径 2 cm の小口径でアルゴン，ヘリ（図２８，２９参照）し，"%$は 1,500（4,000）秒相当となる．こウム，水素ガスで高周波プラズマを生成し，ダブルプロー

れより，本無電極研究の将来目標の一つである "
（排出さ
%
$

ブとマッハプローブで電子密度 $!とイオン流速 %（速度の"れるイオン）が 3,000 秒を達成したといえる．但し，#"#$

校正係数は文献［５８］：無磁化モデルの係数κ＝1.26）を求が 1 kW で $!はアルゴン（1012 cm−3 台）に比べヘリウム，
４２１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

得られた（図３１が例でプラズマの有無によらず励起磁場が浸透）［３２，５５］．更に，RMF 電流と磁気プローブ信号からも比例関係［２７］が得られ，磁場浸透の確認ができた．
次に RMF 加速実験を行った．直径 5 cm のプラズマソー
ス で も 速 度 の 上 昇 も 見 ら れ た が，こ こ で は 直 径 10 cm（テーパー部で 17 cm）のソースでの結果を示す．具体的実験構成については，全体を図３２に示す．コイルのターン数
は５で 5 MHz の高周波を印加した（最大 2 kW の電源を２つ使用）．ここでは永久磁石のみ使用した実験結果を示す
ので，その永久磁石部分（３．
１．
２も参照）を図３３に示す．ここで永久磁石では，加速に必要な !+を電磁石に比べ大きく

図２
９ 水素プラズマでのイオン速度の高周波パワー依存性（ガス流量と電磁石電流を変化）［２９］．

できる利点がある．但し今回は，電磁石を用いていないのでターゲットプラズマとしての速度，密度等は最適化条件

水素とも 1010 cm−3 台で低い．今後 &'や電離度を上げるたより低い．ま ず は RMF 電 流 "&%$ が最大 30 App で行い，めに中性ガスを減らし，#()*を増やして最適条件を求める

RMF の効果がみられた［５９］が，本稿ではより明確な実験必要がある．

となった最大 50 App での結果を述べる．

!）RMF 加速法

図３４には，高周波パワー #()*!1 kW で "&%$，アルゴンガ

本加速の典型的実験構成を図３０に示す．高周波アンテナ

ス流量，位相 "（９０と−９０度）を変えた場合の，マッハプで生成された高密度プラズマを，２セットの対向しているローブで測定した電子密度&'とアルゴンイオン速度'(を示

加速用のコイル状アンテナに，位相差 "がある AC 電流を!
"#す．前述のようにイオン速度の校正係数はκ!!
［５８］と印加し軸方向に垂直の回転磁場 !$ を形成する．これによした．マッハプローブは RMF コイル中心から軸方向下流り "!９０度の場合，誘起された %#と外部径方向磁場 !+によ側の 11.5 cm に置き，"&%$= 50 App の時の !$ はコイル間中る軸方向ローレンツ力 $０度で,が期待できる．なお，"!−９

心で最大 12 G である．これより，加速の位相では &'と '(は減速，０度や１８０度では加速がなく単なる直線偏波の振は加速前に比べ夫々〜２９，〜１９％増加した．一方減速相で動で加熱のみとなる．

はどちらも２％以下であり，位相差効果が確認できた．

まず本加速では RMF 励起磁場が浸透するかどうかが重９０度で，流量を変図３５に #()*!1 kW，"&%$ = 30 App，"!

要であるため，プラズマの有無による磁場測定を行った．

えた場合の，RMF の有無による &'と '(の径方向分布を示

LMD で直径 5 cm のソースでの磁気プローブ測定実験です．RMF により &'は空間全体で１０％程度上昇したが，'(は，Milroy の計算予測（図１２参照）［４１］と比較し，プラズマ

はプラズマ周辺付近（〜８％）の方が中心部分（〜４％）よへの浸透がある条件だけでなく，入りにくい条件でも浸透がみられ，その条件が緩い可能性を示唆する良好な結果が

図３
０ RMF 加速の典型的実験的構成．

図３
２ LMD での RMF 加速実験全体図［５９］．

図３１ プラズマの有無による RMF 磁場の空間分布［３
２，
５
５］
．

図３
３ 開発した永久磁石による磁場の空間分布．

４２２

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S. Shinohara%"!!モードより生成効率が高い場合［９，１０］がある．それをチェックするため磁気プローブでの高周波波動励起測定を行ったが，ヘリコン波の構造と異なっていた．また推
力 !の粗い評価を $"の測定から以下のようにほぼ実験結果を説明でき，本加速方法は有望で原理が実証されたといえる：RMF を印加すると非線形効果［４０］により，RMF 印加
周波数を #とすると，$" には DC 部分（これが加速部分の項）と "#部分が出てくるがそれらの振幅は同じである．これを利用して，磁気プローブの径方向分布計測からマック
スウェルの式を使ってこの"#部分を導出して DC の $"とし!を評価した．
以上に加え，RMF 励起磁場の部分浸透（径方向浸透分布の "#$%依存性等）から，!の効果が RMF によるものである
ことも確認され，本スキームの実証が行われたと考えられる．更に別の予備的推力測定からも，RMF による予想された推力増加がみられている．
今後図１２や PIC シミュレーション結果より，修正した浸透条件と有限軸方向長加速部を考慮しながら，増加推力の

図３４ IRMF，流量，!を変えた場合の ne と vi の変化（Pinp ＝ 1 kW）．

制御を図る必要がある．但し推力増加［２７，３５］と磁場浸透条件［４１］はトレードオフの部分（RMF 周波数，半径，電子密度等）がある点を留意して，ターゲットプラズマを整備しながら更なる最適化を図る予定である．
!）REF 加速法
永久磁石を用いたコンパクトヘリコン源で，REF 加速実
験を行った典型的実験構成を図３６に示す．ループアンテナで生成した高密度プラズマを，複数の高周波電源と印加される電極を用いた回転電場による加速である．実験ではプ
ラ ズ マ サ イ ズ（直 径 2.5〜5 cm），電 源 周 波 数（13.56 と27.12 MHz），REF 電源数（増やす程，周方向の電場パター
ンの対称性が良くなる：最大４ケ），各電極へ印加する電圧の位相（回転方向で加速と減速を決定可能）等を変えて実験を行った．
REF によりイオン流の加速（マッハプローブ計測）が見られた（図３７が例）が上昇分は少なく，また電圧位相差における流速の顕著な変動も確認できなかった．その原因は，電場の浸透条件を十分に満たしていないためであるとわかっており，今後より上昇させるには上述３．
２．
１ !）で

図３
５ RMF印加の有無による流量を変えた場合のne とvi の空間変化（Pinp ＝ 1 kW，IRMF ＝ 30 A，!＝９０度）．

の理論計算から予想される実験領域にパラメータを設定する 必 要 が あ る．具 体 的 に は，加 速 用 電 源 の 周 波 数 がり若干高い傾向にあった．これは磁場浸透を考えると，現13.56 MHz，電極間電圧 1 kVpp とすると，30 cm 以上のスラ

条件ではプラズマ中心（周辺）では部分（完全）浸透［４１］スタ直径，3 kG 以上の磁場により，明らかな REF 加速効果のためであった可能性がある．また上記は "#$%"1 kW で

（電磁推力 0.1 mN）が確認 で き る と 期 待 さ れ る．ま た，

行ったが，これを3 kWに上げるとこの効果は薄れた．ター

10 mN クラスの推力増強は，30 cm 以上のスラスタ直径にゲットの密度が上昇し，磁場浸透条件が厳しくなった可能加え，5 kG の磁場強度と 40 MHz，50 kVpp の REF が必要性がある．

である事も予測されている．

ここで RMF の実験では，加速だけでなく生成（加熱）のまた実験的には全推力を電磁加速分とプラズマ圧力分と効果も考える必要がある．本スキームでは理想的には加速に分離する事も理解に必要で，それも準備した（プラズマのみ期待できるが，アンテナとプラズマとのカップリング

診断法開発の項参照）．

により実際には生成と加速の両方が入っていると考えられ"）PA/ICR 加速法

る．本 実 験 で は，加 速（減 速）相 で は ヘ リ コ ン 波 で の本加速用に THD 内に軸方向に長い平板アンテナ（対向%"!（−1）モードの励起可能性がある．ここでヘリコンした一対アンテナも試みた）を設置し，計算予測に近い実波の %"!モードは，他の実験でみられているよう に，験領域（発散磁場下でヘリウム一価イオンのイオンサイク
４２３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

図３
８ THD での He プラズマを用いた PA/ICR 加速実験写真．

図３６ 永久磁石を用いたコンパクトヘリコンソースでの REF 実験
例（上は生成・加速実験の側面図，下左は断面図，下右は
放電写真）
．

図３
９ SHD での m ＝ 0 コイルによる加速実験．

図３
７ REF の有無によるイオン流速度分布の変化［４７］．

ロトロン周波数領域：磁場400 Gで周波数150 kHz付近）でテストを行った（図３８）．軸方向と径方向に向けられる作
製したイオンエネルギーアナライザー IEA での計測で，イオン温度の上昇と軸方向加速がみられた．今後ループアン
図４
０ 外部コイル電流 Iext とマッハプローブ信号（r ＝ 0，⊿z 〜 0）の時間変化．

テナ等も試し，パラメータサーベイと最適化条件での推力測定での実証が必要である．
!）#!!加速法#!!コイルによる電磁場の浸透は小口径の方が一般的

これに対し半径方向のプラズマ端に近い領域に良い（計算で確認）ため，LMD でなく SHD で実験を行っ（%〜6 mm，"'"!）では，&"は定常成分（w/o）からをベーた．発散磁場下で内径 2 cm の石英管に巻き数２０のコイル

スとして常に下流に向かって正であった（全波波形に近（軸方向に 2 cm 幅）に 20 App の電流を印加した（図３９）．印

い：図４１）．この端付近での #!!コイル電流の有無での，加周波数は ICR 領域である．

イオン流速度比（w/の場合の w/o に対しての比）の軸方向

図４０は外部コイル電流 !
%)(に同期したマッハプローブ

分布を図４２に示す．ここでエラーバーの上端（下端）は（イオン飽和電流 !
&'の収集として上流側を up，下流側を#!!コイル電流印加時のイオン流の最大（最小）速度，中down）の信号例を示す．$%（upとdownの信号平均に比例）

心値はその速度の平均値を示す．速度変動はコイル付近でと &&（up と down の 信 号 比 か ら 導 出．既 述 し た よ う には最大比率 1.7 近くを示したが，軸方向に遠方になるにつ

!
#$
κ!"
［５８］）は，!
%)(と同じく振動している．このプロー

れ平均値は１に近くなった（中性粒子圧力が高く現象がみ

ブ信号はコイル中心付近（半径方向 %"!，#!!コイル中

えなくなった可能性がある）．電子密度に関しては変動は

心からの軸方向距離 "'"!）では，!
%は逆%)(と電子密度 $小さかった．なお，印加周波数を ICR 領域から離した場合，

相で，イオン速度 &&（下流に向かって正と定義）は $%と同速度振動の振幅は小さくなった．また，より口径の大きい相であった．%"!の領域で軸方向に離れても同傾向を示し

LMD でも#!!コイル電流のプラズマへの影響（密度振動

た（速度振動の振幅は軸から離れると減少）．

等）が認められた．
４２４

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S. Shinohara

コンプラズマにおける測定では，イオン流が数 km/s
［６０］で磁場ノズルによる加速が見られたのに対し，中性粒子流は 200 m/s 弱程度［６１］とイオン音波速度より遅かった．このイオンと中性粒子流速計測より，夫々の密度を考慮すると，本研究領域では推力項には中性粒子よりイオンが主要であることがわかった．
これらによりプラズマ流の特性評価と性能向上に重要な測定基盤が確立されたが，現在は更に軸方向と径方向流（速度空間２次元）の径軸分布（実空間２次元）の同時測定と，ms に及ぶ高速計測を可能とするための開発を行っている：全て入射系もオプティカルファイバーを使い，Photomultiplier Tube（PMT）の代わりに簡便，安価でコンパ

図４１ Iext と vi の時間変化（r 〜 6 mm，⊿z 〜 0）．

クトな Multi-Pixel Photon Counter（MPPC）と，現在行っている Fast Fourier Transform（FFT）解析の代わりに自作のロックインアンプを用いている．
次に超高性能可視分光器（焦点距離 1.5 m，波長分解能
0.005 nm：リツー応用光学%）に駆動機構を用いたプラズ
マ光診断開発で，イオンと中性粒子の温度とドップラー速度（但し線 積 分）の２次 元 空 間 分 布 測 定 を 可 能 と し た［５５，６２］．現在は同時計測用にこのシステムを PMT によるマルチチャンネル化（３２チャンネル）への改造を進めている．また夫々の計測のクロスチェックのため，図４４にはこの分光器に加え，前述の LIF，マッハプローブとの同時条．
図４２ vi の変動の軸方向分布（r 〜 6 mm）

これらから，半径方向のプラズマ中心付近（$"!）は提案している#!!加速，プラズマ周辺付近では本加速と$）PA/ICR 加速法との複合的効果が考えられる．今後パワー
バランスを考慮しながら更なる特性解析を行うが，加速現
象を打ち消す衝突効果を軽減させるため中性粒子圧力を下げ，永久磁石による !"の増強（ローレンツ力の増加），増
強した電源を用いた #!!コイル電流の増加（ "! の増加によるローレンツ力の増加）等を調べる必要がある．
３．
３ 先進プラズマ診断開発
以下，プラズマ生成と加速の評価や最適化に有用な先進
プラズマ診断開発を，!）電気的測定（プローブ類），"）
図４
３ レーザー誘起蛍光法によるアルゴンのイオンと中性粒子の軸方向速度分布関数の２次元測定のブロック図［６０］．

分光測定（レーザー，２種の分光器，高速度カメラ），#）
力学的測定（スラストスタンド），について述べる．
!）電気的測定
本研究の装置群に合わせた静電プローブ（シングルとダブルプローブ：挿入のための曲り形状等），様々な形状のマッハプローブ，励起磁場測定用磁気プローブとホール素子，イオンエネルギーアナライザーの試作等を行い，種々のプラズマ挙動解析に用いた．
"）分光測定0.5 W 出力の半導体レーザー（TOPTICA 社）を用いたレーザー誘起蛍光法 LIF の新規開発［５５，６０，６１］を行い，アルゴンイオンだけでなくアルゴン中性粒子の軸方向速度分
布関数の（径軸方向の放電ショット毎の入射・受光位置ス
キャンによる）２次元空間分布測定を可能とした．図４３が

図４
４ レーザー誘起蛍光法（LIF），超高性能可視分光器（Monochromator），マッハプローブ（Mach Probe）によるアルゴンイオンの軸方向速度の軸方向依存性．

開発した測定システム［５５，６０］であり，これより粒子の平均流速度，温度，相対密度も導出できる．無加速でのヘリ
４２５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015!）力学的測定（スラストスタンド）

件による測定例（永久磁石によるヘリコンプラズマ生成のみ）を示す．これよりほぼ同じ結果が得られ信頼性もある

プラズマ生成・加速において推力測定は重要である（実ことがわかる（なおプラズマ推進分野ではこのような同一

験の項３．
２．
２を参照）．今回，ねじり振り子型（搭載型）と物理量の複数計測は少ない）．

ターゲット型のスラストスタンドを開発した．前者は３種

次に，広帯域波長（３６０〜792 nm：Ocean Optics 社）を高類以上作成（ソース内径は 2.4〜6.5 cm）し，一部は電磁推速にデータ取得ができる分光器によるライン強度比測定

力，圧力推力，全推力を分離できる構成とした（分離測定で，電子温度と密度を評価する研究（非接触で得られ有望）結果例として図２７参照．壁のロス効果も調べることも行っに着手し，定性的な一致をみた（衝突輻射モデル［６
３］によ

た）
［２７，
３８，
５７，
６４，
６５］．

る計算とライン選定が重要）．アルゴンの分光でこの手法

後者では LMD でターゲット材質（SUS とポリカーボネが確立できれば大きな進歩となる．これは微小サイズやプイト）と形状（コーンとフラット）を変えて行い，精度のローブ測定が困難な場所で有効である．例えば３．
１．
２で述評価も行った［６６］．またねじり振り子型とターゲット型ス

べた SHD による世界最小口径 0.3 cm ではプローブ測定はラストスタンドの同時測定により，ターゲット型で問題とサイズの点から不可能に近く，非接触測定の分光法等によなる弾性衝突の効果を入れる必要がないことがわかった．

るプラズマパラメータ測定開発が望まれる．なお簡単な第これらは３．
２．
２で既述した推力測定に用いた（図４６と４７に一ステップとして，電子温度が一定なら ArII 強度が電子密

前者と後者の夫々のタイプのスラストスタンド例）．今後

度の２乗に比例する事を利用し，類似実験（電子密度とターゲット素材の損傷や形状効果や容易な組み上げ・据え

ArII 強度の測定データ利 用）と 実 効 立 体 角 を 考 慮して付け等も検討していく予定である．

〜1 kW の高周波パワーで〜4×1012 cm−3 程度のプラズマ

なお，これらの諸診断法により種々のプラズマパラメーが得られていることを確認した［２９］．更に現在，アルゴンタが取得でき（既述したようにイオン速度等は複数の方法に加えヘリウムの衝突輻射モデル計算を始めており．アク

で評価：図４４），計測の信頼性が向上する．これにより詳

チノメトリ―的手法も検討中である．

細な物理現象解析が可能となり先進研究開発の進展への寄

高速度カメラ測定（最大 1.3 MPS の仕様：Photron 社）で与が期待できる．

は，ArI と ArII の干渉フィルターを用いて，高密度ヘリコ

４．おわりにンプラズマの電子密度と中性粒子密度の空間分布（非対称
アーベル変換と ART 法）を求めた［５５，６２］．ここで電子温電気推進ロケット開発でプラズマと電極が接して損耗し度が一定なら，ArI 強度は電子密度と中性粒子密度の積に比例する（Ar II 強度は既述）．求めた（相対的）電子密度
分布は静電プローブ結果とよく一致し，この有効性が確認された．この手法 に よ り プ ラ ズ マ 源 か ら 離 れ る につれ（図４５の左から右），電子密度（中性粒子密度）の減少（増加）が観測された．鏡やファイバースコープ（観測が困難な場所でも設置可能）を用いた測定も容易となった．更に本カメラを用いてプルーム挙動やプラズマ柱の回転現象（電子反磁性方向で約 0.38 kHz）も調べた．現在は異なるプ
ラズマ周方向においた３本のファイバースコープを，光学系を工夫してフィルター付の高速度カメラに入れて逆変換
し，電子と中性粒子密度の時空間分布計測の開発を進めて

図４
６ ねじり振り子型スラストスタンド［２
７］
．

いる．

図４
５ 電子密度（校正済み）と相対的中性粒子密度分布．

図４
７ ターゲット型スラストスタンド［６
６］
．

４２６

Project Review

Research and Development of a Novel Electrodeless Plasma Rocket Engine Using a Helicon Source

S. Shinohara

短寿命（及び不純物混入）となる問題等を解決するために，

なお，平成２１年度から現時点までの研究代表者と研究分

本 HEAT プロジェクトでは非常にチャレンジングなテー担者による査読論文数は３８編（別にヘリコンプラズマ科学

マ「高密度ヘリコンプラズマ生成と加速における完全無電に関する解説［１０］），学会発表数は２４２件である．その内，極の推進法開発」で新たに試みる事にあった．特に高効国際会議を主とした招待講演は２２件（プロジェクト直前に率・高密度（〜1013 cm−3）で且つ従来のマシンパラメータ

アメリカ物理学会があったが，それを除いてもヨーロッパを越えた多様なヘリコン源開発と，それを用いた先進加速物理学会及び日本物理学会，電離気体現象に関する国際会の研究を初めて行った．

議 ICPIG 等重要な会議が多くある）となり，成果を広く公

ヘリコン源では生成機構を含む特性解析を通じた，優れ表できた．なお，最終年度の途中であるが，その時点でのた粒子生成効率のスケーリング則の導出により，この効率

本プロジェクト成果をまとめたものがある［２７］．

評価のガイドライン確立となった．同時に，これまでにな

更に基盤研究（S）として求められている研究成果の広報

い斬新な種々の加速法の提案とその基礎的機構研究を行について述べる．本プロジェクトも含めた篠原研究室紹介

い，物理的実証段階から実機で使われる段階まで，新たな（電気学会［６７］，応用物理学会［６８］）があり，アウトリー

成果として次に繋がる状況となった（推力，推力‐電力比，チ活動としては，夫々の関連研究室の Web 公表だけでな

比推力等の数値目標達成）．つまりプラズマ科学分野での

く，東京農工大学での科学技術展，分担者組織（複数）で領域開拓において，新たな学術的知見と工学的成果が得らの学内・所内開放，イノベーションジャパン等にも複数回れたといえる．勿論まだ次世代に現実に使用される無電極出展した．論文・学会発表以外の学会活動に関連しては，で高効率となる究極的な推進法確立までには至っていない

メンバーとして電気学会プラズマ技術委員会の「電気推進が，当初立てた意欲的な目的・目標は十二分に達成したとロケットエンジンの推進性能と内部プラズマ物理現象に関考えられる．

する調査専門委員会」に採択され H２３‐２５年度に活動し，プ

今後は，広域プラズマ科学・宇宙工学のもつ多面的な学

ラズマ・核融合学会の専門委員会に H２６年度からは「先進術性（統合性，普遍性等を含む）とプラズマ推進応用への的無電極プラズマスラスタ実現へ向けての基礎研究」で採展開を意識しながら，インパクトを与える本研究関連を更択され活動している（H２７年度も継続中）．補足だが，H２６に進めていく予定である．具体的には，学術性ではプラズと２７年度には，プラズマ・核融合学会付録の卓上カレンマ生成に関しては，高周波波動と高効率生成機構の明確

ダーに，夫々 LMD でのアルゴンとキセノンの高密度ヘリ化，不安定性・閉じ込めと関連した粒子生成スケーリング

コンプラズマ光の写真が掲載された．

則の更なる拡張・開拓，加速では提案スキーム（新規も含

また，研究代表者・篠原と研究分担者・谷川は平成２２年

む）の更なる理解と改良を行い，応用としては将来プラズ

度に本研究関連で文部科学大臣表彰科学技術賞（研究部

マ推進として求められる仕様を意識して最適化を進める必門）を受賞し，連携研究者の学会関連等での受賞も２件あ要がある．プラズマ推進の現在の潮流としての大電力化にる．研究のみならず教育の観点も重要である．研究代表者

も留意しながら，特に諸効率（粒子生成効率，言い換えると分担者分所属分では，学生の学会表彰は２件，育った学とイオン生成コスト［２，３］，推進剤利用効率［２，３］等）にも生としては，博士号取得２人，修士号取得２２人，学士号取関連する高電離度と推進効率の向上が今後重要な点と考え

得２５人であった．更には新進の若手研究者の育成にも大きられる．ここで，冒頭の１．
１と１．
２で述べたように，研究のく貢献したといえる．

進展には理学と工学等の分野を越えた物理的基礎から工学

以上，これらの研究・教育成果と外部評価を励みに，関応用まで展開した広域プラズマ科学・宇宙工学分野（それ係者一同は本研究の成果（知見と開発技術）を更に進展さも手法と異種分野の統合）の有機的で柔軟な，互いに信頼せ，プラズマ推進研究のみならず，波及効果としての広域をもった組織が鍵となる．なお，本研究で開発した先進ヘ

プラズマ科学・宇宙工学に貢献できればと願っている．まリコンプラズマ生成法は，プラズマ源として基礎から核融た本稿が他の研究者，特に若手の方々への刺激や新規研究合，産業応用まで，新規加速法は高密度，高速プラズマ流へのヒントとなれば幸いである．

関連で，やはり同様に幅広い分野で普遍的インパクトが期

謝

待できる．

辞

次に本研究成果の評価であるが，日本学術振興会におけ本プロジェクトの直接の原動力となった，科学研究費補る研究検証評価でも以下の内容で「A」を戴いた：「研究進助金基盤研究（S）のサポートに心から感謝します．その前

捗結果に比べ，十分進展した研究成果であった．現在イオ段階でのプロジェクト関係者が受給しました基盤研究

ンエンジンにおいて大きな課題は電極の損耗であり，本研

（A）
‐
（C）
や三菱財団，JST 等の外部資金も助けとなりまし

究はその課題を解決する事を目指したものである．研究進

た．

捗評価時点で既に達成しているプラズマ生成に関する優れまた研究分担者との緊密な議論・相談，HEAT プロジェ

た成果に加えて，プラズマ加速法についての理論，シミュ

クト全体会議（年２回以上）での学生を含む多くの関連参

レーション，実験が進められ，イオン流速増加の確認に加

加者間の活発な議論は，本研究を推進する上で非常に大きえて，無電極で 3,000 秒の比推力特性能を達している．（一な貢献となっています．本稿出版に際してもプロジェクト

部略）本研究の成 果 は 当 初 目 標 を 達 成 し た と 評 価 されメンバー（特に研究分担者の方々）にもお世話になりまし

る．」

た．
４２７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015［３
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［３４］篠原俊二郎，谷 川 隆 夫：特 許 第４
０
６
９
２
９
８号 ＆ 特 許 第
４
０
６
９
２
９
９号，２
０
０
８年１月２
５日（登録日）．
［３５］M. Inomoto, IEEJ Trans. Fundam. Mater. 128, 319 (2008).
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［６
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なお，http://www.tuat.ac.jp/ sinohara/（特に発表論文
等の項）でも本研究活動成果の一部が見られます．
末筆ながら，本プロジェクトの基礎から多大な貢献をして戴いた故都木恭一郎教授と故 K. P. Shamrai 博士に本稿を捧げたいと思います．

参考文献［１］http://www.jsps.go.jp/j-grantsinaid/12̲kiban/ichiran̲
21/shinki. html
［２］栗木恭一・荒川義博編：電気推進ロケット入門（東京大学出版会，東京，２００３）．
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1229 (1997). (Review Paper)［８］F.F. Chen and R.W. Boswell, IEEE Trans. Plasma Sci. 25,
1245 (1997). (Review Paper)［９］篠原俊二郎：プラズマ・核融合学会誌 78, 5 (2002).
（解説）［１０］篠原俊二郎：日本物理学会誌 64, 519 (2009).
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７］K. Toki et al., Thin Solid Flms 506-507, 597 (2006).
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［１９］S. Shinohara and T. Tanikawa, Rev. Sci. Instrum. 75, 1941
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［２７］S. Shinohara et al., IEEE Trans. Plasma Sci. Technol. 42,1245 (2014).
［２８］T. Nakagawa et al., JPS Proc. 1, 015022 (2014).
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［３０］S. Otsuka et al., Plasma Fusion Res. 9, 3406047 (2014).

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［６５］T. Nakamura et al., Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan12, Po̲1̲1 (2014).
［６６］D. Kuwahara et al., Plasma Fusion Res. 9, 3406025 (2014).
［６７］研究グループ紹介 東京農工大学 大学院工学研究院 篠原研究室：電気学会基礎・材料・共通部門（A 部門）
０
１
２年１
２月号）
．
ニュースレター，p. 1（２［６８］研究室紹介：応用物理学会プラズマエレクトロニクス
分科会会報，No.58, p. 12 （２
０
１
３年６月）
．

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