平成２９年度
九州大学大学院 総合理工学府
先端エネルギー理工学専攻

修 士 論 文電気推進機作動環境下における電界放出型カソードの作動特性

氏

名

川原

友太郎

指導教員名

山本

直嗣

目次
第1章

序論 ...............................................................................................................5

1.1 背景 ....................................................................................................................5
1.1.1 帯電防止用カソード ....................................................................................5
1.1.2

電気推進機用中和器 ....................................................................................6

1.1.3

テザー推進システム用電子源 .....................................................................7

1.2 各種カソード ...................................................................................................91.2.1 熱電子放出カソード(Thermal Emission Cathode : TEC)..............................9
1.2.2

ホローカソード .......................................................................................... 10

1.2.3

マイクロ波放電型カソード .......................................................................11

1.2.4

電界放出カソード(Field Emission Cathode : FEC) .....................................121.3

原子状酸素(AO)............................................................................................. 12

1.4

先行研究.........................................................................................................13

1.4.1

カーボンナノチューブを用いた FEC ....................................................... 131.4.2

立方晶窒化ホウ素(cBN)を用いた FEC ..................................................... 15

1.5

研究目的.........................................................................................................15

第2章

電界放出（Field Emission） .......................................................................162.1

電界放出.........................................................................................................16

2.2

Fowler-Nordheim プロット ............................................................................ 19

第3章

立方晶窒化ホウ素（cBN）........................................................................21

3.1

cBN の特徴 ..................................................................................................21

3.2

cBN の用途 .................................................................................................... 21

3.2.1 半導体としての需要 .................................................................................... 21
3.2.2

工具としての需要 ...................................................................................... 22

3.3

cBN 薄膜の製造方法 ..................................................................................... 22

第4章

様々な条件下における cBN-FEC による電子の引き出し ....................... 24

4.1

使用した cBN-FEC ........................................................................................ 24

4.2 実験体系.........................................................................................................26
4.2.1 排気系 ...........................................................................................................26
4.2.2 計測系 ...........................................................................................................27

4.3 電子の引き出し方法 ....................................................................................... 31
4.4 実験 ................................................................................................................ 31
4.4.1 バイアス値の違いによる性能への影響評価 .............................................. 31
4.4.2

異なる圧力条件における cBN-FEC の引出性能 ......................................324.4.3

プラズマ環境下における引出性能 ........................................................... 32

4.4.4

耐久試験......................................................................................................33

4.5

実験結果及び考察 ......................................................................................... 34

4.5.1

バイアス値の違いによる性能への影響評価 ............................................ 34

4.5.2

異なる圧力条件における cBN-FEC の引出性能 ......................................37

4.5.3

プラズマ環境中における引出性能 ........................................................... 384.5.4

耐久試験......................................................................................................39

第5章

CNT と cBN の比較 .................................................................................... 41

5.1

cBN の問題点................................................................................................. 41

5.2

実験装置.........................................................................................................415.3

実験結果及び考察 ......................................................................................... 44

第6章

CNT-FEC を用いたイオンビームの中和 .................................................. 45

6.1

イオンエンジンの中和器.............................................................................. 45

6.2

実験装置.........................................................................................................45

6.2.1

CNT-FEC .....................................................................................................456.2.2

小型イオンエンジン .................................................................................. 46

6.2.3

実験環境......................................................................................................46

6.3

実験 ................................................................................................................ 47

6.3.1

CNT-FEC 単体での動作確認 .....................................................................47

6.3.2

Xe ガスを流した状態での CNT-FEC の動作確認 .................................... 47

6.3.3

CNT-FEC を接地した状態で同時作動 ...................................................... 48

6.3.4

系全体を浮かせた状態で同時作動 ........................................................... 49

6.4

結果及び考察 ................................................................................................. 50

6.4.1

CNT-FEC 単体での動作確認 .....................................................................50

6.4.2

Xe ガスを流した状態での CNT-FEC の動作確認 .................................... 51

6.4.3

CNT-FEC を接地した状態で同時作動 ...................................................... 52

6.4.4

系全体を浮かせた状態で同時作動 ........................................................... 53

第7章

結論 ............................................................................................................. 56

APPENDIX

cBN-FEC の改良 .................................................................................. 57

A-1

現在の cBN-FEC の問題点...........................................................................57

A-2

設計した FEC ............................................................................................... 57

A-3電極の撓みの計算 ........................................................................................ 59

A-4

設計した FEC による電子の引き出し ........................................................ 60

参考文献 ..................................................................................................................... 62
謝辞 ............................................................................................................................. 64

第1章

序論

1.1 背景世界の宇宙開発情勢は急速に進んでおり, インドなどの新興国の台頭も著しい.
近年では, 多くの民間の宇宙ベンチャー企業が注目されており, 今後宇宙開発はより商業的なものになっていき, 宇宙空間で運用される衛星の数はますます増えていくことが予想される.
電子を宇宙空間に放出する電子源（カソード）は, 宇宙機器の主要デバイスとして, または宇宙機器の安定動作のためなど, 宇宙開発において必要不可欠である. 宇宙機器におけるカソードのいくつかの利用方法を示す.

1.1.1

帯電防止用カソード

低地球軌道を周回する人工衛星は周辺プラズマや太陽フレアにより帯電し, 異常放電を引き起こす危険性がある. 異常放電は宇宙機器の故障の原因となり, これを未然に防ぐのに, 流入してきた電子を宇宙空間に放出するためのカソードが有効である.
図 1.1 に示す地球観測技術衛星「みどりⅡ (ADEOS-Ⅱ)」は世界各地での異常気象，南極のオゾンホールなど地球規模での環境変化の把握のために，2002 年に HⅡA ロケットにより打ち上げられた[1]．しかし，2003 年 10 月，地球観測衛星「みどり 2 号」が北極を通過後，ペルー沖上空で消息を絶った. 故障の原因は衛星の帯電であり, 帯電によって衛星そのものが機能停止してしまった[2].

図 1.1

みどりⅡ (ADEOS-Ⅱ)1.1.2電気推進機用中和器

宇宙空間探査機には低燃費で長時間運転が可能なイオンエンジンなどの電気推進が搭載されている. イオンエンジンは, キセノンなどの希ガスをプラズマにして, キセノンイオンを電気的に加速して, 高速で噴射させることにより得られる反作用から推進力を得る. エンジンはイオンを放出し続けると機体が負に帯電してしまうため, 電気的に中和するために電子を放出するデバイス(中和器)が必要になる.
小惑星「ITOKAWA」の表面サンプルを地球に持ち帰った小惑星探査機「はやぶさ(MUSES-C)」には, イオエンジン µ10 が搭載されており，中和器はマイクロ波
放電型である[3].
「はやぶさ」の後継機である「はやぶさ 2」が現在小惑星「RYUGU」を目指して航行中である. 「はやぶさ 2」では, 「はやぶさ」の経験を活かして改良された
イオンエンジンが搭載されており, 推力が増強され, 耐久性が増している. 「はやぶさ 2 のイオンエンジンにおいても, マイクロ波放電型の中和器が搭載されている[4].

図 1.2 はやぶさ

図 1.3 はやぶさ２

1.1.3

テザー推進システム用電子源

図 1.4, 1.5 に示すように[5], [6], 近年の加速する宇宙開発により地球軌道には多量のスペースデブリが周回している．デブリの自然現象要因は空気抵抗による自然落下のみでありデブリ同士の衝突による増加率と減少率が釣り合う臨界密度を越えてデブリが存在すると，それ以上物体を投入しなくてもデブリ数が増加していくことになる．この現象をケスラーシンドロームと呼び，低地球軌道，特に 700
km-1000 km 付近，1500 km 付近の混雑軌道ではすでに開始しているといわれている[7]．
このデブリ除去方法の１つとして有望視されているのがテザー推進システムを用いた除去法である．図 1.4 にテザー推進システムの概念図を示す[8]. テザー推進システムとは，導電性の紐(テザー)を利用した推進システムであり，これが地球の周りを周回し地球磁場を横切る事により誘導起電力が生じる．そこで，テザーに進入してくる電子を紐の一端から放出させることで、閉回路が構成され，テザーに電流を流す事ができる．この電流と地球磁場との干渉により，ローレンツ力を発生させデブリを軌道降下させる[9]．2016 年から 2017 年にかけて, 宇宙ステーション補給機「こうのとり」6 号機を用いた導電性テザー技術の実証実験が行われるなど, 実用に向けての期待が高まっている. このシステムにおいて重要なのは, 電子を宇宙空間へ放出するデバイスであり，高性能なカソードが必要とされる本研究で取り扱う電界放出カソードは、主にこのテザー推進システムでの運用を目指したものである.

図 1.3

地球軌道上のデブリの年間推移(出典 : NASA, “Orbital Debris Quarterly News”, Volume 18, Issue 1 January 2014 )図 1.5

低軌道のデブリ静止画（出典：JAXA, 研究開発部門, スペースデブリ対策の研究）

図 1.6

テザー推進システムの概念図(出典 : JAXA, 研究開発部門, 導電性テザー(EDT))

1.2

各種カソード

先に述べたように, カソードは宇宙開発において必要不可欠であり, これまで
様々な宇宙機器用のカソードが開発されてきた．代表的なものを列挙すると，熱電子放出カソード，ホローカソード，マイクロ波放電式カソード, 電界放出カソードなどがある．表 1.1 に各カソードの特徴を示す．
表 1.1

各種カソードのメリットとデメリット

カソード

メリット

デメリット

熱電子放出カソード

簡易システム

空間電荷制限

制御性良好

大消費電力

大電流密度

作動ガス不可欠

高信頼性

複雑構造

超寿命

作動ガス不可欠

ウォームアップ不要

低電流密度

ホローカソード

マイクロ波放電型カソード

電界放出カソード

簡易構造
低消費電力

低電流密度

作動ガス不要1.2.1

熱電子放出カソード(Thermal Emission Cathode : TEC)TEC は熱電子放出によって電子を放出するカソードである. 熱電子放出とは,チタンやタングステンなどの高融点の金属を加熱することで, 伝導体の自由電子
がエネルギーを得て, 表面障壁(ポテンシャル)を越えて真空中に放出される現象である[10]. 熱電子放出は電子線加速器などに利用されている.
金属中の電子のエネルギー分布は, Fermi-Dirac 分布関数により次式で表される.
𝑓 (𝐸 ) =1
1 + 𝑒𝑥𝑝 (𝐸 − 𝐸𝐹)𝑘𝑇(1.1)

ここで E は電子のエネルギー準位, 𝐸𝐹 はフェルミエネルギー, k はボルツマン定
数, T は絶対温度である.
図 1.7 は熱電子放出の原理を表した図である. 縦軸 E は電子のエネルギー準位,
横軸の左半分 N (E )は物質内での電子の存在確立, 右半分 z は金属表面からの距
離(真空側)をそれぞれ表している. 図中のφはフェルミ準位𝐸𝐹 から, 真空準位𝐸0 までのエネルギー差にあたる仕事関数である. フェルミ準位とは, あるエネルギー状態において, 電子により占有されている確率が 1/2 であるエネルギーのことである[11]. 図 1.7 のように加熱によりエネルギーを受け取り, 真空準位を越えた電子が真空中に放出される. 熱電子放出電流密度は次式で表される.
𝐽 = 𝐴𝑇 2 𝑒𝑥𝑝 (

𝐴=

𝜙
)
𝑘𝑇

4𝜋𝑒𝑚𝑘 2
ℎ3

(1.2)

(1.3)

式(1.2)は Richardson-Dushman の式と呼ばれ, A は熱電子放出定数, e は電荷素量, hはプランク定数である.

図 1.7

1.2.2

熱電子放出の原理図

ホローカソード

図 1.8 にホローカソードの概念図を示す. ホローカソードは, 表 1.2 にあるようにフィラメント陰極と比較すると作動ガスを必要とするという欠点があるが, 安定した電子放出を行うことができることや長寿命(1000 時間以上)であることなどのメリットからイオンエンジンやホールスラスタの陰極として広く用いられている. ホローカソードは仕事関数の低いバリウムなどを含む化学物質をインサータ
ーとして利用している. このインサーターをヒーターにより高温まで熱すると, イ
ンサーターは熱電子を放出する. 放出された電子は作動ガスと電離衝突し, ホロー
カソード内でプラズマを発生させる. カソードの出口にキーパーと呼ばれるカソードに対して正に印加された電極を設置すると, プラズマから電子がカソード外に引き出される. カソード作動前には外部ヒーターを用いてインサーターを加熱するが, いったんカソードが作動すると自己発熱によって電子を放出することができる[12].

図 1.8 ホローカソードの概念図(出典 : 江崎徹, 九州大学, 平成 18 年度修士論文,“低電力ホールスラスタの開発”)

1.2.3

マイクロ波放電型カソード

マイクロ波放電型カソードは, プラズマの生成に電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance : ECR)を利用して電子の加熱効率を上げている. 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にサイクロトロン運動と呼ばれる運動をする. 磁界における電子の運動方程式は次式で表される.

𝑚𝑑𝑣= −𝑒𝒗 × 𝑩
𝑑𝑡

(1.4)

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 はラーマ半径と呼ばれ, 次式で与えられる.
𝑟𝐿 =

𝑚𝑣⊥
|𝑒|𝐵

(1.5)

ここで𝑣⊥ は電子の速度の B に対して垂直な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すべて反磁性体である. そのためサイクロ
トロン運動の回転方向は, 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, 次式で表さ
れる.
𝜔𝑐𝑒 =

|𝑒|𝐵
𝑚

(1.6)

電子は磁場に対して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取ることができる. これが電子サイクロトロン共鳴である[13].

1.2.4

電界放出カソード(Field Emission Cathode : FEC)

電界放出カソードは, 電界放出により電子を放出するカソードであり, 金属や半導体表面に高電界を印加して, 物質内部の電子を引き出す. 電界放出については次章で詳しく述べる.

1.3

原子状酸素(AO)

高度約 350-1400 km の低地球軌道(Low Earth Orbit : LEO)には希薄な空気が存在
し, それに含まれる酸素分子が太陽からの紫外線により解離するため, 原子状酸素(Atomic Oxygen : AO)が存在する.
𝑂2 + ℎ𝜈 (𝜆 < 242𝑛𝑚) → 𝑂 + 𝑂(1.7)

高分子材料は原子状酸素との反応によって一部がガス化し, 浸食される. 国際宇宙
ステーション(ISS)が周回する高度 400 km 程度では, 原子状酸素の密度は 109 cm-3程であるが, 宇宙機の軌道速度が 7.4 km/s と高速なため, 宇宙機前面への AO 流量
は 1014 cm-2s-1 に達し, 多くの化学反応が誘発される, 多くの高分子材料で 1 日あたり 1 µm もの急激なエッチング現象が観測される[14].

1.4

先行研究

1.4.1

カーボンナノチューブを用いた FEC

カーボンナノチューブ(CNT)は, FEC のエミッタ材料の代表格である. JAXA では
前述のデブリ除去に向けたテザー推進システムの電子放出源として, CNT をエミ
ッタ材料に用いた FEC が開発され優れた電子放出性能により多くの成果を上げている. 2016 年から 2017 年にかけて, 宇宙ステーション補給機「こうのとり」6 号機を用いた導電性テザー技術の実証実験が行われ[15], 図 1.9 に示す CNT-FEC は宇宙空間での電子の放出に成功している. （図 1.10）

図 1.9

導電性テザー技術実証実験で使用された CNT-FEC（出典：JAXA, ”HTV 搭載導電性テザー実証実験(KITE)の結果について”,
2017/02/06）

図 1.10

宇宙空間における CNT-FEC の放出電流（出典：JAXA, “HTV 搭載導電性テザー実証実験(KITE)の結果について”,
2017/02/06）

高い電子放出性能を持つ CNT-FEC であるが, 1.3 項で述べた原子状酸素(AO)への耐久性の低さが懸念されている. テザー推進システムの活躍が期待されている
低地球軌道には, 化学的活性な AO が存在している. AO を照射する前後の CNTFEC の電子放出性能の変化を図 1.11 に示す. 表 1.2 にはそれぞれのサンプルの AO
照射量と, それを高度 600-1000 km への滞在時間に換算したものを示す. 図に示す
ように CNT-FEC は AO 照射によって性能が低下することが示されている[16]. そのため, 金の蒸着などが対策として検討されている.
表 1.2

各サンプルの AO 照射量

Case

Fluence [atm/cm2]

600-1000 km 滞在時間 [days]A

3×10201500

B

3×1019150

C

1×101950

D

3×101815

図 1.11

AO 照射前後での CNT-FEC の放出電流の変化（出典：A. Shimada et al., Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan Vol. 12, No. ists29,
pp. Pb_59-Pb_64, 2014）

1.4.2立方晶窒化ホウ素(cBN)を用いた FEC

FEC に関しては, 他のエミッタ材料の検討も行われ, 本研究室の坂井らによって立方晶窒化ホウ素(cBN)をエミッタ材料に用いた FEC が開発された[17]. cBN については第 3 章において詳しく述べる. cBN-FEC の AO への耐性は坂井らによって調べられている. 図 1.12 に AO 照射前後の cBN-FEC の電子放出性能の変化を示す.
cBN-FEC においては AO 照射による性能の劣化が見られないことが示されている.

図

1.5

AO 照射前後での cBN-FEC の放出電流の変化

研究目的

先行研究の項でも述べたが本研究の坂井らによって cBN-FEC によって電子が引き出すことができることや, AO 照射後にも放出性能が落ちないことなど, cBN が
FEC のエミッタ材料として使用できるということが示された. 本研究の目的は, プ
ラズマ環境下や, 異なる中性粒子密度環境下など,

電気推進機の電子源として動作する場合に予想される様々な条件において実験を行い, cBN-FEC の電気推進機の電子源としての可能性を検討することである.
また, これまで主にテザー推進システムの電子源として開発されてきた CNTFEC を用いて, 世界初となる電界放出型カソードによるイオンエンジンの中和にも挑戦した.

第2章
2.1

電界放出（Field Emission）

電界放出

電界放出とは金属や半導体の表面に高電界を印加して, 物質内の電子を引き出す方法である. 電界放出の概念図を図 2.1 に示す.
Richardson-Dushman の式は, 熱電子放出電流は外部の電場に対して独立である
ことを示しているが, 現実には外部電場によって放出電流が変化することが知られている.この効果を陰極における Shottky 効果と呼ぶ[10]. 外部電場がない状態での真空ポテンシャルは図 2.2 において点線で表されており, この真空ポテンシャルが境界面で曲線になるのは,真空に放出された電子が物質表面上に鏡映電荷を生じ,
ポテンシャルを緩和させるためであり, 鏡映電荷によるポテンシャル𝑉𝑖 はV𝑖 (𝑧) = −𝑒2
16𝜋𝜀0 𝑧(2.1)

で表される. ここで𝜀0 は真空の誘電率, 𝑒は電荷素量である.
外部電場によるポテンシャルは電場を𝐸とすると−e𝐸𝑧 (図 2.2 において直線で表される)である. したがって外部電場のある場合の真空ポテンシャル𝑉は次式で表される.
𝑉 (𝑧) = 𝐸0 −𝑒2
− 𝑒𝐸𝑒𝑥 𝑧
16𝜋𝜀0 𝑧(2.2)

ここで𝐸0 は外場がないときの無限遠での真空ポテンシャルである. 真空ポテンシ
ャル V は図中に上に凸の曲線で表されている. 真空準位は𝑧 = 1/4√𝑒⁄𝜋𝜀0 𝐸𝑒𝑥 で最大となり,その値は
𝑒 𝑒𝐸𝑒𝑥V𝑚𝑎𝑥 (𝑧) = 𝐸0 − √
2 𝜋𝜀0

(2.3)

となる. 電子が真空中へ放出されるには, 𝑉𝑚𝑎𝑥 を越える必要があるので, 電場がある場合の実質的な仕事関数は次式で表される.
𝑒 𝑒𝐸𝑒𝑥𝜙(𝐸 ) = 𝐸0 − 𝐸𝐹 − √
2 𝜋𝜀0

(2.4)

ここで, 𝐸𝐹 はフェルミエネルギーである.
電場のない状態での仕事関数は𝜙0 = 𝐸0 − 𝐸𝐹 なので, 𝜙 (𝐸 )は次式で表される.

𝑒𝐸𝑒𝑥
𝜙 (𝐸 ) = 𝜙0 − √
4𝜋𝜀0

(2.5)

すなわち, 陰極表面に電場が存在することにより仕事関数が減少する. この現象はW.Shottky によって理論的に研究されたことから Shottky 効果と呼ばれている.
陰極表面の外部電場が非常に強くなると, この Shottky 効果により仕事関数が減少するとともに, 図 2.2 で示されているようにポテンシャルが非常に薄くなる. そのためポテンシャル障壁を直接越えるような運動エネルギーを持たない電子でも,トンネル効果によって真空へと脱出する, いわゆるトンネル電流が無視できない量となる. この現象を電界放出現象, あるいは Cold Emission という.
電界放出の放出電流密度は物質内での電子分布を表す式に障壁の透過係数をかけあわせて積分することにより得られる.障壁の形を
0
𝑈(𝑧, 𝐹 ) = {𝐸𝑜 − 𝑒𝐹𝑧(𝑧 < 0)(𝑧 > 0)(2.6)と近似することにより, 障壁の透過係数𝑃(𝐸𝑧 , 𝐹)は WKB(Wenzel-KroemerBrilouin)法により∞8𝑚(2𝜋)2{𝑈 (𝑧, 𝐹 ) − 𝐸𝑧 } 𝑑𝑧]
𝑃(𝐸𝑧 , 𝐹 ) = 𝑒𝑥𝑝 [− ∫ √ℎ20= 𝑒𝑥𝑝 [−

38𝜋√2𝑚
(𝐸0 − 𝐸𝑧 )2 ]
3ℎ𝑒𝐹

(2.7)

と求めることができる. ここで𝑥1 = (𝐸0 − 𝐸𝑧 )⁄𝑒𝐹 である. これを用いて, 放出電流密度は∞𝐽 = 𝑒 ∫ 𝑛(𝐸𝑧 )𝑃(𝐸𝑧 )𝑑𝐸𝑧

(2.8)

0

のように求められる. 以上を代入すると式(2.8)は
𝐽=

∞
4𝜋𝑒𝑚
𝐸𝐹 − 𝐸𝑧−8𝜋√2𝑚(𝐸0 − 𝐸𝑧 )3⁄2 } 𝑑𝐸𝑧
∫
𝑘𝑇
𝑒𝑥𝑝 {
3
ℎ
𝑘𝑇
3ℎ𝑒𝐹
0

(2.9)

と書くことができる.
式(2.7)において, 𝐸0 − 𝐸𝑧 = 𝐸0 − 𝐸𝐹 + 𝐸𝐹 − 𝐸𝑧 = 𝜙 + (𝐸𝐹 − 𝐸𝑧 )と置き, かつ𝐸𝑓 −𝐸𝑧 が小さいとしてテイラー展開すると,(𝐸0 − 𝐸𝑧 )3⁄2 = {𝜙 + (𝐸𝐹 − 𝐸𝑧 )}3⁄2
3= 𝜙 3⁄2 + 𝜙 1⁄2 (𝐸𝐹 − 𝐸𝑧 )2

(2.10)

8𝜋√2𝑚 3⁄24𝜋√2𝑚 1⁄2
𝜙 ] 𝑒𝑥𝑝 [−𝜙 (𝐸𝐹 − 𝐸𝑧 )]
3ℎ𝑒𝐹
ℎ𝑒𝐹

(2.11)となり, これを式(2.7)へ代入すると,
𝑃(𝐸𝑧 , 𝐹 ) = 𝑒𝑥𝑝 [−となる. これをさらに式(2.9)に代入すると,
4𝜋𝑒𝑚
8𝜋√2𝑚 3⁄2 ∞−4𝜋√2𝑚 1⁄2 ′
[−
]
∫
𝐽=
𝑒𝑥𝑝
𝜙
𝐸′𝑒𝑥𝑝
{
𝜙 𝐸 } 𝑑𝐸′
ℎ3
3ℎ𝑒𝐹
ℎ𝑒𝐹
0

𝐽=

𝑒 3𝐹 28𝜋√2𝑚 3⁄2
𝑒𝑥𝑝 [−
𝜙 ]
8𝜋ℎ𝜙
3ℎ𝑒𝐹

(2.12)となる. ここで𝐸 ′ = 𝐸𝑧 − 𝐸𝐹 とした. この式を Fowler-Nordheim のトンネル電流の式といい, 物質表面の単位面積・単位時間あたりに電界放出によって真空に放出される電流密度を表している.

図 2.1 電界放出の原理図

電界付与前
の真空障壁

電界付与後
の真空障壁

外部電界による
ポテンシャル

図 2.2 電界放出の模式図

2.2 Fowler-Nordheim プロット
Fowler-Nordheim の式(2.12)の e, 𝜋, ℎにそれぞれ値を代入すると,
𝐽 = 1.54 × 10

−6

𝐹2
𝜙 3⁄2
9)
(
𝑒𝑥𝑝 −6.83 × 10
𝜙𝐹

(2.13)となる. 𝛽を電界集中係数とすると, 𝐹 = 𝛽𝐸𝑒𝑥 となる. これを式(2.13)に代入して,エミッション面積 A をかけると電界放出電流 I は次式で表される.
𝐼 = 1.54 × 10

−6𝐴(𝛽𝐸 )2𝜙 3⁄2
9𝑒𝑥𝑝(−6.83 × 10 )𝜙𝛽𝐸(2.14)

この式(2.14)の両辺を𝐸 2 で割って, 両辺の自然対数をとると,𝐼
𝜙 3⁄2 1𝛽2𝑙𝑛 ( 2 ) = 𝑏( ) + ln (𝑎 )𝐸
𝛽 𝐸
𝜙(2.15)

ここで, 𝑎 = 1.54 × 10−6 𝐴⁄𝑑 2 ，b = −6.83 × 109 𝑑である.
式(2.15)より, 横軸を1⁄𝐸 , 縦軸を ln(𝐼 ⁄𝐸 2 )にとってプロットしたものを FowlerNordheim プロット(F-N プロット)と呼ぶ. 放出電流が式(2.12)の FowlerNordheim のトンネル式によるものであれば, F-N プロットは直線になることから, F-N プロットは電界放出現象の指標として用いられる[18].

a) I-V 特性b) F-N プロット

図 2.3 電界放出におけるプロット例
また, F-N プロットの傾きΔは，電界集中係数𝛽と表面ポテンシャル障壁ϕより，次式で表すことができる[19]．
∆= −6840ϕ3⁄2 /𝛽(2.16)

仕事関数は物性値であるため, F-N プロットの傾きがわかれば電界集中係数βを求めることができる.

第3章
3.1

立方晶窒化ホウ素（cBN）

cBN の特徴

立方晶窒化ホウ素(cBN)は窒化ホウ素(BN)が立方晶の結晶構造をしたもので, 同様に炭素が立方晶の結晶構造をしたダイヤモンドに似て, 高い硬度, 電気絶縁性などの優れた特性を持つ材料である[20]. cBN は天然には存在せず, 大きなバンドギャップを持つ半導体である.
cBN の他には六方晶の結晶構造をした hBN があり, 炭素においてのグラファ
イトに相当する.

図 3.1 炭素と窒化ホウ素の相関関係(出典: IST 産学官事業 研究成果報告書, “立方晶窒化ホウ素圧膜形成法を用いたウルトラハードコーティング技術の開発”)

3.2

cBN の用途

3.2.1 半導体としての需要先に述べたように, cBN は半導体として優れた特性を持つ. 最大の特徴は半導体材料の中で最大のバンドギャップ(Eg = 6.25 eV)を持つことである[21]. 一般的に,ワイドギャップ半導体は伝導体のエネルギー準位が高く, 真空中の電子のエネル
ギー準位に近いため, 半導体表面の伝導体電子から見たときに電子が真空中に飛び出すためのエネルギー障壁が低い, つまり電子親和力が低いという特徴がある.
さらに cBN は, 負の電子親和力(Negative Electron Affinity : NEA)を持つといわれている. NEA を持つということは, 真空中の電子のエネルギー準位が, 半導体

表面の電子のエネルギー準位より低くなるということで, 伝導体内の電子から見たときエネルギー障壁がない状態である. そのため, 伝導体内に生起した電子は,
障害無く外部に放出されることになる[22].
また, cBN 薄膜の表面は島構造と呼ばれる構造をしており, 局所的な電界の集中による焼損を防ぐ事ができると考えられ, さらに中性粒子の影響を受けにくいとも言われている.

3.2.2

工具としての需要

近年, 高硬度材・高強度材(難削材)の需要が急速に高まっており, それらを効率的に加工するために, 各種工具の性能向上が求められている. 難削材を切削加工するには, 様々な超硬工具が用いられるが, 工具の寿命と耐摩耗性を向上させるために, 保護膜として硬質コーティングが施される. 代表的なものとして, ダイヤモン
ドやダイヤモンド状炭素があるが, 炭素は鉄に対して高い反応性を持つのでダイ
ヤモンドコーティングは鉄を含む材料の加工には用いることができない. そのため, 鉄に対しての反応性が低く, 高い硬度を持つ硬質コーティングが必要とされている. cBN はダイヤモンドに次ぐ高い硬度を持ち, 鉄に対する反応性が低いため,
cBN を硬質コーティングに用いた切削工具はあらゆるものに使用でき[23], 実現が望まれている.

3.3

cBN 薄膜の製造方法

cBN を電界放出カソードのエミッタ材料として利用する研究は以前から行われており, ミシガン大学は MEMS を用いて引き出し実験を行っている[24]. cBN をハードコーティングや電子デバイスへ用いるには, 膜として利用することが効率的である. ミシガン大学で使用された cBN 薄膜はイオンアシストスパッタリングを用いて製膜されたものであり, 電子の引き出しに成功しているが, 低品質の膜の為に性能は低かった．しかしながら現在，堤井ら(九州大学)は低圧誘導結合型プラ
ズマ(ICP)中において，cBN 膜合成を行い，優れた電界放出性能を有する cBN 膜を製造する事に成功している[20]. この方法では, ICP 中で三フッ化ホウ素(BF3)ガスを用い, Si 基板を正にバイアスして 50 eV 以下の低いイオン衝撃エネルギーを用いて基板上に cBN を薄膜合成する[20]. これによって, 剥離しにくく, 粒径が大きく, 結晶性が良い cBN 薄膜が得られる. 今回使用した cBN 基板を図 3.3 に示す.

Si 基板上には, cBN と hBN が混在している状態であり, cBN 存在比が大きい基板の方がエミッタ材料として優れた性能を示すことが先行研究により明らかになっている[17]. これは, cBN と hBN の仕事関数の違いによるものと考えられる.
cBN の仕事関数に対して, hBN の仕事関数は低い. そのため, cBN の存在比が大きい基板の方が大きな放出電流を実現できる.

図 3.2 低圧誘導結合型プラズマ装置a) cBN 比率低
図 3.3b) cBN 比率高使用した cBN サンプル

第4章

様々な条件下における

cBN-FEC による電子の引き出し
4.1使用した cBN-FEC

本研究で製作した FEC の外観を図 4.1 に示す．FEC のシールド(ボディ)は鉄，
ゲート電極，マスク電極はモリブデンである.この FEC の諸パラメータを表 4.1 に示す．
cBN-FEC による電子の引き出しの概略図を図 4.2 に示す. マスク電極は, cBN の基板の上にセットする電極である. 図 4.2 に示すように, 高電界を印加された cBNから電子が引き出されるが, 引き出された電子がゲート電極に流入してゲートに電流が流れると, その電流は電流損失となってしまう. 引き出した電子の損失を少なくするために, ゲート電極と同じ位置に同じ形状の穴の空いた電極を cBN 基板のすぐ上に設置する. これによって, 引き出された電子はマスク電極の穴の部分か
らのみ出ていくようになり, ゲート電極に流入しにくくなる. ゲート電極は, cBNに高電界をかけるために, 高電圧を印加するための電極である. ゲート電極に高電圧を印加することで, ゲート電極と cBN 基板の間に強力な電界が発生する.
また, 本実験で使用する電極は 20-50 µm と非常に薄いため, 電子の引き出し中にクーロン力により撓んでしまうことがある. その際に電極同士の接触を防ぐため, 電極の間にはリング状の, マイカでできた絶縁体を挟んでいる.
電子を引き出す際にはゲート電極に電圧を印加することにより cBN に電界をかけるが, カソードの構造上, 電子放出口周辺はベース電位（cBN 基板の電位）と同じになっており, ベース電位が高いと電子が外部に放出されにくくなる. そのため, 引き出しを行う際には電源を用いてベース電位を負にバイアスする.
表 4.1.1

FEC の諸パラメータ

FEC 外径44 mm

FEC 厚さ13 mm

ゲート電極厚さ50 μm

マスク電極厚さ

20 μm

電極間隔

180 μm孔配列60°千鳥型

孔径0.4 mm孔数91a) 正面b) 背面c) FEC 内基板d) FEC 内電極
図 4.1

図 4.2

FEC の外観

電子引き出しの概略図

4.2

実験体系

4.2.1 排気系実験で使用した真空チャンバーを図 4.3 に示す. 使用した真空チャンバーの大きさは, 直径 300 mm, 高さ 27 mm の円筒形である.

図 4.3

真空チャンバー

排気には荒排気用にドライポンプ, 高真空用にターボ分子ポンプと, 2 種類のポンプを用いる. 2 つのポンプの詳細を表 4.2 に示す. 初めにドライポンプのみで真空を引き, 40 Pa 程度まで圧力が下がったところでターボ分子ポンプを作動させる.
この 2 つのポンプを組み合わせることで, 最低到達圧力 1.73×10-5 Pa を実現することができた. チャンバー内の圧力は, キヤノンアネルバのイオンゲージを用いて計測する.

表 4.2 ポンプの詳細
真空ポンプ

ドライポンプ

ターボ分子ポンプ

メーカー

樫山工業

大阪真空

型番

NeoDry 15E-3

TF160

排気量

250 L/m

160 L/s

また, JAXA の宇宙科学研究所にあるスペースサイエンスチャンバーでも実験を行った. スペースサイエンスチャンバーを図 4.4 に示す. 直径 2.5 m, 長さ 5m の円筒形である. このチャンバーはロータリーポンプ 2 台, ターボ分子ポンプ 1 台, ク
ライオポンプ 2 台の計 5 台を用いて真空引きを行い, 最低到達圧力は 2.02×10-5 Paであった. スペースサイエンスチャンバーで実験を行う場合も計測系は同じであ
る.

a) 外観
b) 内部
図 4.4 スペースサイエンスチャンバー

4.2.2 計測系
計測回路を図 4.5 に示す. ベース（cBN 本体）はバイアス用の電源に接続されており, コレクタとゲート電極は共通の高圧電源に接続されている. このベース, コ
レクタ, ゲートの 3 ヶ所の電流を計測する. 計測回路は流れる電流値を電圧に変換するものであり, その値を横河メータ&インスツルメンツ株式会社の PC ベース計
測器を用いて記録する. ゲート, コレクタ, ベースそれぞれの回路図は図 4.6 の通りであり, 各計測回路の詳細なパラメータを表 4.3 に示す. 基本的に 3 つの計測回路においての電流-電圧変換は同じであり, 負荷抵抗 RL に電流が流れたときに生じる電位差を計測アンプ(INA128 または 131)で出力している. 異常放電などによる

ノイズを除去するために, 負荷抵抗にはπ型のローパスフィルタ(LPF)を接続している. 高電圧を印加するゲートとコレクタには, ノイズを除去するために LPF 最下流に接続している. また, 高電圧印加時にはマスク電極とゲート電極で異常放電が発生することがあるので, ベースとゲートには過大電流が流れる恐れがある. そのため, 計測アンプの故障を防ぐために, 負荷抵抗にバリスタが接続されている.
バリスタは無限大に近い抵抗を持っているが, 規定以上の電圧が自身に印加されたとき, 急激に抵抗値が減少する素子である. 高圧電源と接続され, 各計測回路は絶縁アンプを使用しているため, 安全のため高圧側と低圧側で基板が隔てられている. 計測回路を上から撮影した図が図 4.7 である.

図 4.5

計測回路

a)

b)

c)

a)ゲート用 b)コレクタ用 c)ベース用
図 4.6 各計測回路

表 4.3 各計測回路のパラメータ
ゲート
コレクタ

ベース

計測アンプ

INA128P

INA131BP

絶縁アンプ

ISO103

ISO103

負荷抵抗 RL

10 kΩ

1 kΩ

100 Ω

バリスタ電圧

47 V

なし

47 V

Rπ

1 kΩ

1 kΩ

1 kΩ

Lπ

450 µH10 µH

450 µHCπ1 = Cπ2
種類

1 µF
フィルム

0.1 µF
積層

1 µF
フィルム

上流 LPF(カットオフ周波数 fc)

πフィルタ
fc = 159Hz

πフィルタ
fc = 1.59 kHz

πフィルタ
fc = 159 Hz

下流 LPF(カットオフ周波数 fc)

UAF42AP
fc = 1.59 kHz

UAF42AP
fc = 1.59 kHz

なし

図 4.7

計測回路の外観INA131AP

4.3 電子の引き出し方法
電子の引き出しを行う際は FEC に水分が残っていると, 異常放電を引き起こす
可能性があるため, 圧力が 10-4 Pa 台まで下がってから, FEC に取り付けたシート状のヒーターを用いて 100℃ 弱で 1 時間程度ベーキングを行う. ベーキングを行うとチャンバー内の圧力が上昇するので 5×10-4 Pa 以下まで圧力が下がるのを待ってから実験を行う. 計測される電流値は振動するため, 印加電圧を上げていく際は一定電圧を 10 秒程維持してその平均値をとり引き出された電流値を計測する.
FEC によって外部に放出された電子は, コレクタ電流, もしくは cBN からの引き出し電流（ベース電流）と, 引き出された電子がゲート電極に直接当たる, または戻ってくることで計測される電流損失（ゲート電流）の差を取ることによって計測できる. 実験の条件によってはコレクタを設置できない場合もあるので, 結果については主にベース電流とゲート電流を載せる

4.4

実験

4.4.1 バイアス値の違いによる性能への影響評価
ベース電位を変えながら子の引き出し行うことで , ベース電位の子放出 性能への影響を調べた. 宇宙空間での使用を考える場合, FEC は周囲のプラズマに対して電子を放出しなければならない. FEC 本体の電位を周囲のプラズマに対して低くすることで cBN から引き出された電子は外部に放出されやすくなる.
この実験では, 初めに印加電圧を 3.5 kV に固定した状態で, ベース電位を-200-0
V まで変化させて, ベース電流とゲート電流の変化を調べた. 次に, バイアス値を固定した状態でゲート電圧を変化させて電流を計測し, 各バイアス値における電子の放出性能を調べた. 実験は JAXA のスペースサイエンスチャンバーにおいて行った.

4.4.2異なる圧力条件における cBN-FEC の引出性能第 2 章で述べたように, 電界放出現象には高い真空度が求められ, 本研究でも電子の引き出しを行う際は通常 5×10-4 Pa 以下の圧力条件下で行っている. しかし,電気推進機の中和器としての使用を考える場合, FEC の周辺は推進機の放電室から漏れてくる中性粒子により圧力が上昇することが考えられる. この実験では, 圧力条件の違い, すなわち周囲の中性粒子密度の違いによる cBN-FEC の電子放出性能への影響を調べた.
実験は 10-5 Pa オーダーの超高真空状態から始めて, 2 段階に分けて Xe ガスをチ
ャンバー内に流入させることにより 10-5, 10-4, 10-3 Pa と, それぞれのオーダーによる引き出し電流を計測した. ベースの電位は-150 V に固定して計測を行った. 実験は JAXA のスペースサイエンスチャンバーにおいて行った.

4.4.3

プラズマ環境下における引出性能

プラズマ環境下における, cBN-FEC の電子放出性能を調べた. 宇宙空間での使用を考える場合, cBN-FEC にはプラズマ環境下においても電子を放出することが求められる.
本実験ではプラズマ源として小型イオンスラスタを用いた. チャンバー内の配置図を図 4.10 に示す. FEC はイオンスラスタから 600 mm 離れた位置に設置し, イ
オンスラスタがイオンを噴射する向きと逆向きに電子を放出する向きに設置した.
FEC とイオンスラスタの間に中性粒子密度を測定するための電離真空計を設置している. プラズマ環境下での電子の引き出し時には, イオンスラスタによる電子の引き出しは行わず, プラズマがイオンスラスタの放電室から漏れ出している状態である.
実験では, 比較対象として, プラズマを点ける前に, cBN-FEC 単体での電子の引き出しを行い, その後プラズマ環境下での引き出しを行った. 実験は JAXA のスペ
ースサイエンスチャンバーにおいて行った.

図 4.10チャンバー内の配置

4.4.4

耐久試験

宇宙機器での使用を考える場合, カソードには長時間安定して動作し続けることが求められる. 本実験では cBN-FEC の耐久試験を行った. ゲート電圧を 3 kV に固定して, 合計 50 時間の電子の引き出しを行った. ベース電位は-150 V に固定した. そのため, cBN には実質 3.15 kV の電圧がかかっていることになる. 本実験では, cBN-FEC を安定的に作動させることを重視したため, 普段電子の引き出しを行う場合に比べて印加電圧を低めに設定している.

4.5
4.5.1

実験結果及び考察
バイアス値の違いによる性能への影響評価

実験結果を図 4.11 に示す. 図 4.11 は, ゲート電圧を 3.5 kV に固定して電子を引き出している状態でベース電位を変化させ,正味の放出電流の変化を計測したときの結果である. バイアスが 0 V の場合, 放出電流はほぼ 0 だったが, ベース電位を負にバイアスすることで放出電流が増えていき, -100 V 付近で放出電流はほぼ一定になった. これは, カソードの電位が低くなったことで, 電界により電子が外部に輸送されやすくなったためであると考えられる.
この結果から, 電子を外部に放出するためには-100 V 程度のバイアスが必要であることがわかった.

図 4.11

ベース電位と正味の放出電流の関係

次に, ベース電位を 0, -50, -100, -150, -200 V とそれぞれ固定して, 電子の引き出しを行った. 結果を図 4.12 に示す. 比較のため, ベース電流とゲート電流でグラフを分けている.
まずベース電流について, バイアスなしの場合以外には大きな変化は見られなかったが, バイアスなしの場合のみ他の条件に比べてベース電流が小さかった. この原因としては, バイアスなしでは FEC 本体の電位が他の条件に比べて高いので,放出された電子が引き戻されやすいため, ゲート電極だけでなく FEC 本体にも当たりやすく, それによってベース電流が見かけ上低く計測されている可能性もある.
ゲート電圧に関しては, ベース電位が高いほど, ゲート電流が大きくなっている. 各条件のベース電流の最大値におけるゲート電流の割合を表 4.4 に示す. 表
4.4 を見ると, 結果が図 4.11 とほぼ一致していることがわかる. これらの結果から,
電流損失を抑えるには-100 V から-150 V 程度のバイアスが必要であることがわか
る.
表 4.4

ベース電位と電流損失の割合

ベース電位 [V]

電流損失の割合 [%]

0

98.3

-50

14.6

-100

3.7

-150

2.8

-200

2.2

図 4.12

a)

ベース電流

b)

ゲート電流

各ベース電位での電流の比較

4.5.2異なる圧力条件における cBN-FEC の引出性能結果を図 4.13 に示す. それぞれの結果はベース電流とゲート電流に分けて示している. グラフからもわかるように, 圧力が 10-3 Pa 台に入っても, ベース電流, ゲート電流ともに大きな変化はなく, cBN-FEC は電子を放出することができた.

a) ベース電流b) ゲート電流
図 4.13異なる圧力条件における cBN-FEC の引出性能

4.5.3プラズマ環境中における引出性能

図 4.14 に結果を示す. 実験時のプラズマ密度はプローブ測定より 8.19×1014 m-3,
電子温度は 5 eV であった. ゲート電流はどちらの条件でもベース電流の 40%程であった. プラズマ存在下でも電子引き出しは可能であったが引き出し電流の減少が見られた. これは, 周囲のプラズマによりカソード周辺の電位が高くなったことによるものと考えられる. F-N プロットが直線になったことから, 計測された電流が電界放出によるものであることが確認できる.

a) I-V 特性b) F-N プロット
図 4.14プラズマ環境下での引き出し性能

4.5.4

耐久試験

最終的に, cBN-FEC は合計 50 時間に渡り, 電子を放出し続けることができた.
しかし, 耐久試験の途中で放出電流の減少が見られた. 図 4.15 にベース電流とゲート電流の時間変化を示す. ゲート電圧は 3 kV に固定されている. ベース電流に対するゲート電流の割合が高いのは, 電極のセッティング（電極どうしの孔を揃える作業）が不十分だったためであると考えられる. グラフから, 電流が徐々に減少していることがわかる. 初めは 60 µA 程出ていたベース電流が, 最終的に 10 µA
まで減少した. この現象は, 耐久試験中に何度も見られたものであり, 計測の時間が経つとベースは 10 µA まで減少した. この原因としては, ジュール熱が考えられる. 使用した cBN-FEC では電極間の距離をセラミック製のスペーサで保っていたが, 長時間作動し続けることにより, スペーサが熱によって膨張し, 電極間の距離が大きくなり, cBN にかかる電界が弱くなったと考えられる. そのため, 電流が減
少しても, 数時間 cBN-FEC を休ませれば電流値は元に戻った. しかし, 長時間連続で大きな放出電流を維持し続けるためには, 放熱のための機構を考えなければならい.
図 4.15 では, 異常放電（一瞬大電流が流れている部分）の直後に電流が増加している箇所があるが, 異常放電による電流の増加も耐久試験中に何度も見られた.
第 3 章で述べたように, cBN の表面は島構造をとっており, cBN は各島（エミッションサイト）から電子を放出している. 異常放電後に電流が増加するのは, 異常放電により, 電荷がたまってクーロン力によって電極どうしが近づきすぎていた部
分が元に戻ることで, うまく電界がかかっていなかったエミッションサイトに電界がかかるようになったためであると考えられる.
図 4.16 に 50 時間の耐久試験の直後に取得した I-V 特性を示す. 横軸の印加電圧
はゲート電圧に 150 V を足した値である. 図からもわかるように, 50 時間の耐久試
験の直後でも cBN-FEC は電子を放出することができた. しかし, 耐久試験で固定していたゲート電圧 3 kV（グラフ中では印加電圧 3.15 kV）における放出電流は減少したままである. したがって, やはり温度を下がるのを待つことが必要だということがわかる.

図 4.15

耐久試験中の放出電流の時間変化

図 4.16

耐久試験後の I-V 特性

第5章
5.1

CNT と cBN の比較

cBN の問題点

cBN-FEC の問題点として, 電子の引き出しに必要な電圧の閾値が 3 kV 程と高いことが挙げられる. 印加電圧が高いほど, 異常放電が起きやすくなり, 電子の引き出しが不安定になる. cBN は CNT に比べて仕事関数が低く, 表面の先鋭度も低いので, 閾値が CNT より大きくなることは予想できる. しかしながら, カソードの構造が閾値の高さに寄与していることも考えられる. そのため, CNT をエミッタ材料として用いるカソードにおいて, cBN をエミッタ材料に用いて実験することで,より正確に cBN と CNT の閾値を比較することができると考える.

5.2

実験装置

実験は JAXA の航空宇宙技術研究所(NAL)で, JAXA によって開発されたカソードを用いて行った. 使用したカソードを図 5.1 に示す. このカソードには 8 個のエ
ミッタがある. それぞれのエミッタには∅ =4 mm の, エミッタ材料をのせるためのステージがあり, CNT の場合はステージに直接塗布されている. cBN の場合はステージ上に直接塗布することができないので, ステージ上に収まるように加工して使用した. cBN の基板を加工する際には, cBN の存在比が高い部分と低い部分で分けて, それぞれ cBN-High, cBN-Low とした. CNT と cBN-High, 実験で使用した電極を図 5.2 に示す. 電極はモリブデン製であり, ゲート電極, マスク電極ともに厚さは 50 µm であり, 電極間の距離は 100 µm である.

図 5.1a) cBN-High使用した FECb) CNT
図 5.2c) 使用した電極使用したエミッタ材料及び電極実験のチャンバー内の配置を図 5.3 に示す. チャンバー内の台にカソードを置けるようになっており, カソードの上部, つまり電子放出方向にアノード板が設置してある. 実験の回路図を図 5.4 に示す. Emitter, Gate, Anode の 3 ヶ所で電流を計測した. Emitter はエミッタ材料から電子が引き出されることによって流れる電流.
Gate は引き出された電子がゲート電極に当たることによって生じる電流損失,
Anode は引き出された電子がアノード板に当たることによって計測される電流である. カソード本体は接地されており, アノード板には 500 V の電圧が印加されている. 今回の実験では, 8 つの内 4 つのエミッタを使用したが, 同時に動作させることはせず, 個別に電子の引き出しを行った. また, 電流導入端子の問題で, CNTと cBN-Low に印加できる電圧の上限は 2 kV に制限されている.

図 5.3

チャンバー内の配置

図 5.4

実験の回路図5.3

実験結果及び考察

CNT に関しては, 問題なく電子を引き出すことができた. cBN-High1, 2 に関しては引き出した電子をアノード板によって計測することはできたが, 異常放電が頻発し, I-V 特性を取ることができなかった. この原因としては, 普段使用する cBNFEC では実験前にヒーターを用いてベーキングを行い, 水分をとばす作業を行っているが, 今回はベーキングを行っていなかったので水分が残っていたことが考えられる. また今回使用した FEC にとって, 普段印加しないような高電圧を印加したため, 電極が撓むなどして, 電極間距離が短くなったことも考えられる. cBNLow に関しては印加電圧の上限 2 kV までに電子を引き出すことができなかった.
cBN の I-V 特性を得ることはできなかったが, 引き出し電圧の閾値は得られたので, 表 5.1 に CNT と cBN の閾値を示す. ここでは 10 µA のアノード電流を得るのに必要とした電圧を閾値としている
表 5.1 からわかるように, カソードの違いもあり, 普段使用している cBN-FEC
で引き出しを行う場合より, cBN の閾値は少し低くなったが CNT の 3 倍以上の印
加電圧を必要とすることが分かった. これは, CNT と cBN の表面の先鋭度違いに由来する電界集中係数の違いによるものであると考えられる.
表 5.1 には式(2.16)から算出した CNT と cBN それぞれの電界集中係数を示している. 今回の実験では cBN の F-N プロットを取得することができなかったので,参考として, 以前に本来の cBN-FEC によって得られた F-N プロットの傾きから算出した電界集中係数βの値を載せている. 同じ条件で取得したデータではないので,一概に比較することはできないが, CNT は cBN より 1 桁以上電界集中係数が大きかった. したがって, 電界集中係数の違いが電圧の閾値の差に表れていると考えら
れる.
表 5.1

CNT と cBN の閾値及び電界集中係数の比較

エミッタ材料閾値 [V]

電界集中係数β

CNT

475

2,277

cBN

1700

154

第6章
6.1

CNT-FEC を用いたイオンビームの中和

イオンエンジンの中和器

従来, ホローカソードやマイクロ波放電型中和器がイオンエンジンの中和器として使用されてきた. これらの電子放出源は安定して長時間に渡り電子を放出することが可能であり, 高い性能を示しているが, これらの電子源は作動ガスと呼ばれるプラズマを生成するための推進剤を必要とする. イオンエンジンの中和器として FEC を利用することができれば, 宇宙機の軽量化や低消費電力化が可能である. しかし, FEC はエミッタ材料の劣化や, 放出電流の小ささから, 中和器としては用いられてこなかった.
本実験では, FEC の中でも安定した電子放出能力を持ち, 「こうのとり」6 号機を利用して行われた導電性テザー技術の実証実験により宇宙での作動実績もある,CNT をエミッタ材料として用いた FEC によりイオンビームの中和を試みた.

6.2

実験装置

6.2.1 CNT-FEC
本実験では, JAXA で開発された CNT-FEC を使用させて頂いた. 今回使用した
CNT-FEC を図 6.1 に示す. FEC は 88 mm×88 mm の正方形である.

図 6.1使用した CNT-FEC

6.2.2小型イオンエンジン実験に使用したイオンエンジンを図 6.2 に示す. イオンエンジンの正面は 50 mm
×50 mm の正方形であり, グリッドの孔数は 91 個である. このイオンエンジンでは 3 枚のグリッドを用いてイオンを加速して噴射する. 推進剤には Xe を用いる.

図 6.2

6.2.3

使用したイオンエンジン

実験環境

本実験は JAXA の宇宙科学研究所にあるスペースサイエンスチャンバーを使用して行った. 図 6.3 にチャンバー内の CNT-FEC 及び小型イオンエンジンの配置を示す. カソードとイオンエンジンの面はそろっている状態で, カソードの中心とイ
オンエンジンの距離は 150 mm である.

図 6.3

チャンバー内の配置

6.3

実験

6.3.1 CNT-FEC 単体での動作確認
初めに, イオンエンジンは動かさず, CNT-FEC 単体での動作確認を行った. チャ
ンバー内の圧力は 7×10-5 Pa であった. カソードの本体の電位は電源を使い, -100
V にバイアスされている. エミッタ電流は CNT から電子が引き出されることにより計測される電流である. つまり, 正味の放出電流はエミッタ電流とゲート電流の
差である.

6.3.2

Xe ガスを流した状態での CNT-FEC の動作確認

次に, イオンエンジンを作動させる前段階として, Xe ガス 0.1 sccm を流入させ,中性粒子密度が高い状態で CNT-FEC の電子放出性能を調べた. チャンバー内の圧力は 1×10-4 Pa まで上昇した.

6.3.3 CNT-FEC を接地した状態で同時作動
イオンエンジンからイオンビームが引き出されている状態で, CNT-FEC による電子の引き出しを行った. 実験の回路図を図 6.4 に示す. 図 7.4 にあるように, カ
ソードの本体が接地された状態で計測を行った. イオンエンジンとの同時作動を行うので, エミッタ電流とゲート電流に加え, イオンエンジンのスクリーン電流,
アクセル電流, ディセル電流も計測する. スクリーン電流はイオンビームが引き出されることによる電流であり, アクセル電流とディセル電流は, それぞれのグリッドにイオンが当たることによって生じる電流損失である. したがって, イオンビー
ム電流はスクリーン電流から, アクセル電流, ディセル電流を引いた差である.

図 6.4

実験の回路図（接地）6.3.4

系全体を浮かせた状態で同時作動

次に系全体を浮かせた状態で計測を行った. 実験の回路図を図 7.5 に示す. 今回はこれまで計測していた諸パラメータに加えて, 系の浮動電位を計測した. この浮動電位は宇宙空間を想定した場合の, 宇宙プラズマに対する衛星の電位である.
実験の手順としては, はじめにイオンエンジンによるイオンの引き出しを行っていない状態, つまりイオンエンジンの内部で生成されたプラズマが漏れている
状態でカソードによる電子の引き出しを行う. エミッタ電流が一定の値になった
らゲート電圧を固定したままイオンエンジンによるイオンの引き出しを行った.
その後, 各パラメータを変化させながら, ゲート電圧と浮動電位の関係や, 正味の放出電流とイオンビーム電流の関係などを調べた.

図 6.5 実験の回路図（フローティング）

6.4

結果及び考察6.4.1 CNT-FEC 単体での動作確認
実験結果を 7.7 図に示す. CNT-FEC 単体での動作確認は問題なく行うことができた. CNT-FEC はゲート電圧 500 V において 5 mA 程のエミッタ電流を計測した. ゲート電流はエミッタ電流の約 40%であった.

図 6.6

CNT-FEC 単体での引き出し性能

6.4.2

Xe ガスを流した状態での CNT-FEC の動作確認

実験結果を図 6.7 に示す. 圧力が上昇しても, CNT-FEC は問題なく電子を引き出すことができた. 計測された電流が, 圧力が上がる前に比べて減少したように見えるが, これはゲート電圧の最大値が少し前に比べてわずかに低いためであり, 性能の劣化ではない. ゲート電圧が高い領域では, わずかにゲート電圧を上げただけで電流値が大きく上昇する. 実験では, 手動でゲート電圧を調節しているため, わず
かな操作のずれがグラフに大きく反映されていると考える.

図 6.7

Xe ガスを流した状態での CNT-FEC の引き出し性能

6.4.3 CNT-FEC を接地した状態で同時作動
実験結果を図 6.8 に示す. 比較のため, FEC 単体の結果を重ねて載せている. まず, 本実験の結果についてだが, ゲート電流がエミッタ電流とほぼ同じになった.
グラフ上でゲート電流の方が大きく出ているのは, ゲート電極が周囲の電子を引き寄せているのと, 周囲のイオンが FEC に当たることで, エミッタ電流の計測値が減少することが原因であると考えられる.
次に FEC 単体の場合の結果との比較であるが, エミッタ電流が減少した. 原因としては, 周囲のプラズマの影響であると考えられる.

図 6.8

カソードを接地して同時作動した結果

6.4.4

系全体を浮かせた状態で同時作動

各パラメータの時間変化を図 6.9 に示す. ゲート電圧は 500 V に固定している.
初めはゲート電流がエミッタ電流に比べて 1 mA 程大きいが, これはゲート電極が周囲のプラズマ中の電子を吸い寄せているためだと考えられる. しかし, イオンの引き出しを始め, イオンビーム電流が大きくなるに連れ, エミッタ電流とゲート電流が逆転し, カソード外部に電子を放出することができた. それに伴い浮動電位も-13 V で安定した. 正味の放出電流がイオンビーム電流に比べて 1 mA 程低く計測されているが, これは, 実験中にイオンエンジンのグリッド間で放電が起きたときにイオンビーム電流のゼロ点がずれたことによる誤差であると考えられる.
次に, イオンビーム電流とカソードからの正味の放出電流の関係を図 6.10 に示す. このとき, ゲート電圧は固定したまま, 投入電力を変化させることでイオンビーム電流を変化させ, それに伴う正味の放出電流の変化を見た. グラフ中の赤線は傾き 1 の直線である. 図 6.10 からイオンビーム電流と FEC からの正味の放出電流は 1:1 の割合で増加していることがわかる. つまり, イオンビーム電流が増加した
分だけ, FEC から過不足なく必要な分だけ電子を放出できていると考えられる.
ゲート電圧と系の浮動電位の関係を図 6.11 に示す. この場合は, ゲート電圧のみを変化させ, それに伴う浮動電位の変化を調べた. 図からもわかるように, ゲー
ト電圧の高低によりプロットがいくつかの領域に分かれた. まず, ゲート電圧が低い領域では, FEC からの電子の供給が不足しているため浮動電位が大きく沈み込んでいる. ゲート電圧が増加するのに伴い, FEC の放出電力が増加するため, それにあわせて浮動電位も増加した. ゲート電圧が大きい領域になると, FEC からイオンビームを中和するのに十分な電子が放出されているため浮動電位は上昇し続けずに-13 V で安定したと考えられる.
イオンビーム電流と放出電流の計測値に差が出たが, 浮動電位がチャージアッ
プせず一定になったこと, イオンビーム電流と放出電流が同じ割合で増加したことから, CNT-FEC によるイオンエンジンの中和に成功したと考える.

図 6.9

図 6.10

各パラメータの時間変化

イオンビーム電流と正味の放出電流の関係

図 6.11ゲート電圧と浮動電位の関係

第7章

結論

本研究では, 電気推進機作動環境下における電界放出カソードの作動特性と題
し, cBN-FEC の宇宙機器での応用の可能性検討や, エミッタ材料としての cBN と
CNT の比較, また, CNT-FEC を用いたイオンエンジンの中和試験を行った.

cBN-FEC においては, 高い中性粒子密度環境下, プラズマ環境下, 耐久試験など
様々な条件下において電子を引き出すことに成功したが, 計測された放出電流は100 µA 以下と小さかった. しかし, 本研究で使用した cBN-FEC の電子放出面積は,
約 0.1 cm2 と非常に小さい. 現在の放出面積での放出電流を 50 µA とすると, 1 mAの放出電流を実現するのに必要な放出面積は 2 cm2 と十分に実現可能な値である.
しかし, 電子を引き出すために必要な電圧が 3 kV 程度と非常に高いのが問題であり, 宇宙機への応用を考えた場合, 低電圧作動は必要不可欠である. そのためには, cBN とマスク電極を一体化させるなど, FEC の構造の改良が必要であると考える.
CNT-FEC を用いたイオンエンジンの中和実験に関しては, 世界で初めて電界放出カソードを用いたイオンビームの中和に成功した. この結果から, イオンビーム
電流のあまり大きくない小型のイオンエンジンなどには CNT-FEC が中和器として今後活躍する可能性が大いにあると考える.

APPENDIX
A-1

cBN-FEC の改良

現在の cBN-FEC の問題点

現在の FEC は, 構造(特に電極の強度と固定法)に問題があり, 図 A-1 に示すように, 異常放電が発生し, 電流値が変化して安定した電流を引き出すことができないことがあった. これらの諸問題は電極が撓んでしまい, 電極同士の距離が変化する

3.2

70

3.0

60

2.8

50

2.6

40

2.4

30

2.2

20

2.0

印加電圧
コレクタ電流

1.8
1.6
0

20

40

10

コレクタ電流 IC [A]

印加電圧 V[kV]ことに起因する. そのため, 撓みにくい電極を開発する必要がある.

0
60

80

100

時間 t[s]
図 A-1

A-2

電界放出特性のジャンプ設計した FEC

図 A-2 に FEC の外観及び内部を示す. FEC はステンレス製で, cBN 薄膜の基板を設置する本体部分とカバー部分に分かれている. cBN 薄膜の上にマスク電極, イン
シュレータ, ゲート電極, 電極を抑えるためのセラミック製の板の順に重ねてネジで固定する. cBN 薄膜の基板は 11.5 mm×11.5 mm の正方形をしており, FEC 本体
は 38 mm×38 mm の正方形で, 全体の奥行きは 16 mm である. カバーの側面には,電圧をかけるためのケーブルを通すための隙間が空いている. 図 A-3 に FEC の構
造を立体的に表した図を示す.
大きな変更点は, マスク電極とゲート電極, ポリイミド製のインシュレータを同じネジ穴を用いて固定していることである. これによって, インシュレータによって量電極を支えることができるようになった. 更に, ゲート電極の上から厚さ 1mm のセラミック製の板を固定することで, 電極が撓むのを防いでいる. 図 A-4 に設計した電極とインシュレータを示す. マスク電極の厚さは, 撓みにくさを重視して 50 µm に設計した. 電極間の距離はインシュレータの厚さによって決まり, 150µm である.

a) 外観

b) 内部
図 A-2

図 A-3

a) 電極

設計した FECFEC の構造の立体図b) インシュレータ
図 A-4

設計した電極類c) セラミック板

A-3電極の撓みの計算設計の変更によって実際にどの程度撓みが軽減されるのかを見積もるために,
Autodesk の CAD を用いてシミュレーションを行った. 電極間隔が 130-150 µm の場合, 真空中において 3 kV の電圧を印加した際に電極にはたらく圧力はおよそ 9kPa である. 両電極の厚さを 50 µm に合わせて, 以前の電極ではネジ穴のみを拘束し, 新しい電極ではネジ穴に加えてインシュレータの穴の縁が当たる部分も固定した. これらの条件でシミュレーションを行った結果を図 A-5 に示す. 最大変位が以前の電極では 0.13 mm なのに対して, 新しい電極では 0.043 mm と, 撓みを約 3
分の 1 に抑えられていることが分かった.

a) 以前の電極b) 新しい電極
図 A-5 圧力による電極の撓みのシミュレーション結果

A-4

設計した FEC による電子の引き出し

新しく設計した cBN-FEC を用いて電子の引き出しを行った. 排気系や計測系などの実験体系は変更していない. 実験結果を図 A-6 に示す. 比較として以前の
FEC のデータも載せている. 以前のカソードでは印加電圧が 3 kV 付近で電子が引き出され始めたのに対して, 印加電圧が 2kV になった辺りから電子を引き出すことができ, 低印加電圧で作動できるようになった. これは, 以前の FEC のゲート撓
むことで電極間隔が大きくなってしまい, cBN にかかる電界が弱くなってしまったのに対し, 新しく作成した FEC ではゲート電極をセラミックの板で上から抑えているため, 電極間隔が変化しなかったためであると考えられる.
図 5.2 の結果を F-N プロットしたものを図 A-7 に示す. 図のように F-N プロッ
トが直線形になったので, 今回計測された電流は電界放出によるものであり, 電界放出カソードとして正常に作動しているということが確認できた.

図 A-6 電子の引き出し効率

図 A-7F-N プロット

参考文献
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https://ilc.kek.jp/Lectures/OHO2006/05SrcKuriki.pdf[11]Andrew S. Grove, オーム社, “半導体デバイスの基礎”[12]

江崎徹, 九州大学, 平成 18 年度修士論文, “低電力ホールスラスタの開発”[13]

下川床潤, 九州大学, 平成 23 年度修士論文, “マイクロ波放電式小型中和器の二次元数値解析”[14]

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坂井寿光, 九州大学, 平成 26 年度修士論文, “立方晶窒化ホウ素を用いた電界放出カソードの開発”[18]

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特性”
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藤森直治, 鹿田真一, シーエムシー出版, “ダイヤモンドエレクトロニクス

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IST 産学官事業 研究成果報告書, “立方晶窒化ホウ素圧膜形成法を用いたウルトラハードコーティング技術の開発”[24]

Thomas M. Liu, David P. Morris and J. Zagel, “The Use of Boron Nitride for

Field Effect Electron Emission”, AIAA 2007-5253, 43rd Joint Propulsion Conference, July
(2007)

謝辞
本研究を進めるにあたり, 学部 4 年生の頃から厳しくも温かく指導してくださいました山本直嗣教授に深くお礼申し上げます. 学生時代に宇宙開発という夢のあるテーマに携わることができ, 今後の人生においてとても貴重な経験を積むことができました. また, 進路に関する相談にも乗って頂き, とても感謝しています.
3 年間大変お世話になりました.
ミーティングなどで研究に対する様々なアドバイスを頂いた森田太智助教, 中島秀紀名誉教授に謝意を表します.
JAXA の大川様には, 共同研究を行った際に, 研究に関する大変貴重なアドバイ
スを頂きました. 心から感謝申し上げます. 大川様にお会いできたことは私の人生の財産になりました.
JAXA の阿部様, 中園様, 岩倉様にはスペースサイエンスチャンバーを使用するにあたって多大なるご協力を頂きました. ここに謝意を表します.
九州大学の堤井准教授には研究の核となる cBN のサンプルを提供して頂きました. 心より感謝申し上げます.
出張の手続きなど, 研究活動がスムーズに行えるようにサポートして頂いた, 馬
渡隆子・大内田映子事務補佐員に感謝申し上げます.
B4 の頃から先輩として研究室生活のサポートをして頂いた齋藤直哉氏, 牛尾康
一氏, 江川雄亮氏, 枝本雅史氏に感謝申し上げます. 特に牛尾さんには研究に行き詰っているときに何度も助けて頂きました. 深く感謝申し上げます.
積極的にコミュニケーションを取ってくれて, 英会話の上達を助けてくれた留学生の Parsa Yousefian 氏, Huang Yan 氏に感謝申し上げます.
楽しい研究室生活を送らせてくれた後輩の児島富彦氏, 竹末一平氏, 長野公勇
氏, 池田凌氏, 大坪正和氏, 長島圭祐氏, 黒江雄貴氏, 丸井一生氏, 高木麻理子氏に感謝します.

研究室で苦楽をともにした同期の板谷佑太朗君, 福本湧君, 小山智樹君, 淵上太貴君, 岩本政隆君に感謝申し上げます. 同期の仲が良かったおかげで楽しい研究室生活を送ることができたと思っています.
最後に, 大学院まで通わせてくれた両親をはじめ, 家族に感謝します. 心配をかけることも多かったですが, おかげさまで無事に修士論文を書き上げることができました. 本当にありがとうございました.