静電気学会誌，44, 3（2020）128-134

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

マイクロ波放電式プラズマ源による高真空下除電
森下 貴都 ，神田 大樹 ，細田 聡史 ，＊＊＊
＊＊＊
＊＊＊
＊＊
最上 智史 ，峯村 和樹 ，野村 信雄 ，國中 均
＊, 1

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（2019年3月4日受付；2020年2月17日受理）

Electrostatic Charge Neutralization in Vacuum Environment
using an Electron Cyclotron Resonance Plasma Source
＊, 1

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＊＊＊

Takato MORISHITA Daiki KODA , Satoshi HOSODA , Tomofumi MOGAMI
＊＊＊
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Kazuki MINEMURA , Nobuo NOMURAand Hitoshi KUNINAKA,（Received March 4, 2019; Accepted February 17, 2020）
Electric charge accumulation can cause failure during vacuum manufacturing processes. For the charge neutralization in vacuum
environment, cyclical change of its pressure to produce intermittent passive discharges according to the Paschen＇s law is often
used; however, it is still insufficient to increse production efficiency. The goal of this study is to increase the charge-4
neutralization rate in vacuum environments (10-10 Pa) using an electron cyclotron resonance (ECR) plasma source developedby JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) to neutralize the charge of spacecrafts emitting ions from their thrusters. We
investigated the charge neutralization of a 50 mm × 50 mm plate with capacitance of 1.7 µF at initial voltage of 200 V, where
the plate is placed 30 cm away from the ECR neutralizer. The time required to reach 37％ of the initial voltage was 0.1 s for
positive charge and 27 s for negative charge. In addition, improvement of the electron extraction electrode for the ECR
neutralizer led to five times higher neutralization current compared to the previous ECR neutralizer at 10 W power and 0.1 mg/s
xenon flow rate.

1．緒論宇宙機の故障原因の内訳を図 1 に示す．その半数以上が帯電やそれに伴う静電気放電によるものである ．宇宙1）機が帯電することで生じる故障は多岐に渡るが，例えば2003 年に発生した環境観測衛星「みどり II 」
（ ADEOS-II ）は，衛星帯電が原因で全損事故を起こしたと言われている ．このように帯電に関する故障は宇宙機にとって致
2）命的であり，これを解決することが宇宙開発にとって必須であると言える．
一方，地上産業における課題として，有機 EL ディス
キーワード：除電，真空，プラズマ，宇宙，電気推進＊東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻（〒113-8654 東京都文京区本郷 7-3-1）
Department of Aeronautics and Astronautics, The
University of Tokyo, 7-3-1, Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo
113-8654, Japan
＊＊
宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所（〒252-5210 神奈川県相模原市中央区由野台 3-1-1）
Japan Aerospace Exploration Agency/ Institute of Spaceand Astronautical Science, 3-1-1, Yoshinodai, Chuo-ku,Sagamihara-shi, Kanagawa 252-5210, Japan＊＊＊
春日電機株式会社（〒212-0032 神奈川県川崎市幸区新川崎 2-4）
Kasuga Denki, Inc., 2-4, Shinkawasaki, Saiwai-ku,
Kawasaki-shi, Kanagawa 212-0032, Japan1
morishita@ep.isas.jaxa.jp
DOI : https://doi.org/10.34342/iesj.2020.44.3.128

図 1 宇宙機の故障原因の内訳
Fig.1 Details of breakdown cause of spacecraft.
1）

プレイ製造時のフィルム蒸着過程など，半導体プロセスでの帯電による障害の発生が挙げられる．これらの過程
では真空下で金属ロールを回転し，フィルムの搬送が行われている．しかしフィルムとロールの摩擦帯電によりフィルム同士が吸着し，絡まることで製品歩留まりを低下させている．また帯電電荷が次第に大きくなり，パッシェン則に対応する圧力，放電距離，帯電電位で放電が生じ，放電孔が開くなど製品を損傷する．
大気圧下における除電方法として，コロナ放電を応用

マイクロ波放電式プラズマ源による高真空下除電（森下 貴都ら）

129（35）した除電器が一般的に使用されてきた ．これは大気圧
3）下には中性粒子が多く存在し，強電界を印加することで電離し，荷電粒子により除電できるからである．しかし真空下では中性粒子密度が小さく，コロナ放電による除電器の効果は低い．したがってこれまでは，製品がある程度帯電したときに，真空度を低下させパッシェンの条件で受動的に放電させ，除電してきた．しかしこの方法
では，帯電するたびに真空度を低下させ，その都度真空引きする必要があり生産効率を低下させる．また，この歩留まりの低下を抑制するために排気速度の大きい真空ポンプが必要となることなど，装置の大型化，コスト増大という問題がある．
また，紫外線を照射して真空中の微量な中性粒子を光電離することで除電を行う研究が行われてきた ．しか4）

しこの方法では除電電流密度が小さく，十分な除電速度

図 2 マイクロ波放電式中和器の概念図
Fig.2 Scheamtic of ECR plasma source.

を得ることが出来ない点や，除電可能範囲が狭い点がデる キ セ ノ ン ガ ス に よ り，Electron Cyclotron Resonance

メリットとして挙げられる．
最近では，パルス的にガスを投入し，高電圧を印加し（ ECR ）プラズマを発生させる．ECR とは磁束の周りをた電極で放電を発生させる除電器も開発されている ．こサイクロトロン運動する電子の周波数と同じ周波数のマれはパルス的にガスを投入するため投入ガスを減らすこ

イクロ波を導入することで，電子が共鳴するプラズマ物とができ，大型の真空ポンプを必要としないメリットが理現象である．ECR により生成された高エネルギー電ある．しかし電極には高電圧が印加されるため，高エネ子が中性粒子に電離衝突することでプラズマ生成を行

ルギーイオンのスパッタリングに伴う，帯電物の損傷がう．電子サイクロトロン周波数 f は式（1）に示される ．

5）10）懸念される．このように真空下での除電の高効率化が必要とされており，プラズマによる除電が注目されている ．
6）

したがって本研究では，プラズマによる真空下除電のf=eB
ωe=2π2πme（1）

有効性を明らかにすることを目的とする．また，宇宙でここで ω e：電子サイクロトロン角周波数，e：電荷素量，実績があるプラズマ源の真空下除電器への応用可能性に

B：磁束密度，me：電子質量である．例えば，4.25 GHzついて検討した．のマイクロ波を入力した場合，ECR レイヤーは 152 mTの箇所に形成される．

2．マイクロ波放電式プラズマ源

マイクロ波放電式中和器はプラズマ生成に電極を用い本研究ではプラズマ源に，マイクロ波放電式イオンエず，電極損耗による寿命制限を解決し，原理的に長寿命ンジン中和器を適用した．マイクロ波放電式イオンエンが期待される．また壁面に衝突したイオンは壁面の電子

ジンは電気推進機の一種で，深宇宙探査用に適した燃費と再結合して再度プラズマ生成に寄与する．このためマの良いエンジンである．小惑星探査機「はやぶさ」や後イクロ波放電式中和器は，0.005 mg/s の低流量のキセノ継機「はやぶさ 2」において採用され，4 機累計で 4 万ンでも作動が可能である．

時間の宇宙作動の実績がある．また無電極放電形式7, 8）のプラズマ源であり，他のプラズマ源に比べて電極の損

3．実験耗を原理的に回避した．さらに酸化し易い熱電子放出剤

マイクロ波放電式プラズマ源の除電能力評価のため，を用いていないため，大気圧下での取扱性がよい ．
9）

図 2 にマイクロ波放電式中和器の概略図を示す．マイ

2 つの実験を行った．

3.1 帯電板の除電

クロ波放電式中和器の放電室内部には永久磁石により形

ここでは真空下におけるプラズマによる除電効果を検成される磁気回路があり，そこにマイクロ波発振器，ア証するために，帯電物体が除電される時間を測定する．

ンプ，同軸ケーブルを介してアンテナから入力されたマ

図 3 に実験系の概略図を示す．実験条件は表 1 に示す通イクロ波および，マスフローコントローラから供給されりである．40 cm × 40 cm × 100 cm の直方体の真空チ

130（36）

静電気学会誌 第44巻 第 3 号（2020）ら 30 cm 離し，除電時間を測定した．
ここで除電時定数 τT を，はじめの帯電電位（± 200 V ）の 37％まで除電される時間と定義する．本実験で計測される除電時定数 τT は，抵抗器に流れている電流も影響している．抵抗器のみの除電時定数（本実験では実測174 秒）に対して十分小さい値であればこの影響は少ないが，そうでない場合，プラズマでの除電時定数の評価が妥当ではなくなる．したがって，プラズマの除電の時定数 τP を見積もる．RC 回路を仮定して，τT は下記のようにかける．
（2）

τT = RT CMW
ここで RT は下記に示す合成抵抗である．
図 3 帯電板の除電実験系
Fig.3 Experimental setup for measurement of neutralization time.

表 1 除電時間測定の実験条件
Table 1 Experimental conditions for measurement of neutralizationtime.
GasXenon Mass Flow Rate
Argon Mass Flow Rate
Microwave Power
Back Pressure without gas input
Back Pressure at Xe 0.02 mg/s
Back Pressure at Ar 0.08 mg/s
Charge Voltage

Xenon / Argon
0.02 mg/s
0.08 mg/s
8W-3
3 × 10 Pa-3
4 × 10 Pa-3
8 × 10 Pa± 200 VRT =111+RR
RP（3）

ここで，RR は抵抗器の抵抗値であり，RP はマイクロ波放電式プラズマ源 - 帯電板間のプラズマの抵抗値である．したがって，プラズマの除電の時定数 τP は下式のように見積もることができる．
τP = RP CMW =τT RR CMWRR CMW - τT

（4）

本実験では上式を用いて測定値を校正した．
また，マイクロ波放電式プラズマ源の下流 11 mm の位置に電子の抽出電極（ Anode ）を設置し，抽出電圧のャンバーを使用し，真空排気系は油拡散ポンプ，油回転印加による電子引き出しの有無で除電時間を比較した．

ポンプから構成される．

電子引き出しを行う場合はキセノンでは 45 V の電圧をまた本実験ではプラズマ生成用のガスとしてキセノン印加し，135 mA の電流引き出しで，アルゴンを用いるおよびアルゴンを用い，両者の除電性能を比較した．キ

場合は 100 V の印加電圧で 31 mA である．これはアルセノンを用いた理由として先に述べたように，本プラズ

ゴンはキセノンよりも電離しにくいため，キセノンよりマ源は宇宙用として研究開発され，キセノンで性能が最も高い印加電圧を必要としたためである．また以上の理適化されている．本実験は除電能力の初期検討のために由から，印加電圧の抑制および引き出し電流の増大のた行われたため，キセノンも用いた．しかし地上産業におめに，アルゴンでは流量 0.08 mg/s とキセノンの 4 倍のける真空設備ではアルゴンの方が汎用性が高いため，ア流量を投入した．

ルゴンと比較も行った．

3.2 除電電流密度分布

一般的に除電速度評価方法は，米国 ANSI 規格においマイクロ波放電式プラズマ源が将来的に用いられる環て 150 mm × 150 mm，20 pF のチャージプレートの±境として，30 cm より遠くに設置される可能性がある．

1000 V →± 100 V までの除電時間と定められている．

しかしここでは搬送されるフィルムに対する除電能力を

しかし本実験で使用するマイクロ波放電式プラズマ源の調査するために，帯電板とプラズマ源の軸方向がなす角

除電速度は早く，20 pF では除電時間の測定が難しい．

度は距離で異なる．また抽出電極やオリフィスを変更し，したがって本実験では静電容量 CMW が 1.7 µF のコンデプラズマ源の除電能力の変化を調査した．図 4 に実験系ンサを用い，一辺の長さ LMW が 50 mm の正方形銅板をの概略図を示す．直径 1.5 m，長手方向 3 m の真空チャ± 200V に帯電させて，マイクロ波放電式プラズマ源かンバーを使用し，真空排気系は油拡散ポンプ，メカニカ

マイクロ波放電式プラズマ源による高真空下除電（森下 貴都ら）

131（37）

図 4 除電電流測定の実験系
Fig.4 Experimental setup for measurement of neutralization current.

表 2 除電電流測定の実験条件
Table 2 Experimental conditions for measurement of neutralization
current.
Gas
Mass Flow Rate
Microwave Power
Back Pressure without gas input
Back Pressure at 0.05 mg/s
Charge Voltage

Xenon
0.05 mg/s
8W-33 × 10 Pa-37 × 10 Pa± 200 V

ルブースターポンプ，油回転ポンプから構成される．マ
イクロ波放電式プラズマ源から 1 m, 1.5 m, 2 m の距離に50 mm 角の銅製の帯電板を配置した．この銅板に± 200
V の直流電圧を印加し，流れる除電電流を計測した．このとき帯電板は片面のみプラズマに対して曝露している．実験条件は表 2 に示す通りである．
また図 5 に示すように，抽出電極やオリフィス部分の形状を変化させて除電電流の違いを調査した．電極は，幅 10 mm 直径 10 mm の円筒をオリフィス下方 10 mm の箇所に設置した「円筒電極（ Cylinder electrode ）」，直径

図 5 除電電流測定で用いた抽出電極とオリフィス
Fig.5 Anodes and orifices used in measurement of neutralization
current.

20 mm のパンチングメタルをノズル下方 10 mm の箇所に設置した「20mm 電極（20mm electrode ）」の 2 種類で4．結果ある．オリフィスは，小惑星探査機はやぶさやはやぶさ4.1 帯電板の除電2 と同形状である厚さ 5 mm，内径 4 mm ノズルの「単孔プラズマ点火なしの場合の時定数 τT は 174 秒であっオリフィス（ Single hole orifice ）」と，厚さ 1 mm で開口た．ここでは抵抗器に電流が流れて除電されており，静率 32.6％のパンチングメタルを用いた「多孔オリフィス電容量と抵抗値の積におおむね等しいことを確認した．

（ Multiple holes orifice ）」である．電極を用いる場合は単図 6 にキセノンを用いた場合の，除電の時間推移を示す．

孔オリフィスと組み合わせ，引き出し電流はすべての電上図が正帯電の除電であり，下図が負帯電の除電である．

極に共通で 135 mA の定電流引き出しとする．

それぞれ抽出電極に電圧を印加し，電子引き出しを行った場合との比較も示している．
計測された時定数 τT を表 3 にまとめる．キセノンを

132（38）

静電気学会誌 第44巻 第 3 号（2020）
表 3 除電時定数の比較
Table 3 Time constant of charge neutralization.
Gas
Xenon
Xenon
Xenon
Xenon
Argon
Argon

ChargePositive
Positive
Negative
Negative
Negative
Negative

Anode voltage, V
4504501000

Anode current, mA
13501350310τT, s0.1
227111122120τP, s0.1
232320432408

る除電を含む測定値 τT と 3 倍近い差が生じる．
また正帯電の除電について，電子引き出し無しの場合は約 8 秒で +10 V 以下まで除電されているが，電子引き出し有りの場合は 1 秒の除電時間で +30 V 程度の電位が残る．
アルゴンを用いた場合の負帯電の除電時定数を表 3 にまとめる．電子引き出し有りで 122 秒，電子引き出し無しで 120 秒と大差がない結果となった．またキセノンに比べて，特に電子引き出し有りの場合に除電時定数が大きい．

4.2 除電電流密度分布
正帯電除電電流密度分布を図 7 の上図に，負帯電除電電流密度分布を下図に示す．正帯電，負帯電に共通の傾向として，プラズマ源との距離が 1 m から 2 m に離れた場合に電流密度は 1-2 オーダ下がる事がわかる．また，正帯電の除電電流密度の方が負帯電よりも 3 オーダ大きい結果となった．つまり除電器の設計において負帯電の除電性能が律速することがここでも確認された．
図 7 より，抽出電極無し（単孔オリフィスのみ）と比べて，抽出電極に電圧を印加してノズルと抽出電極の間に陽光柱を発生させた場合は，総じて除電電流が大きい．
また単孔オリフィスのみの場合よりも，抽出電極はないがノズルの孔数を増やした多孔オリフィスにおいて除電電流密度が増加した．
負帯電除電において，多孔オリフィスは単孔オリフィ
図 6 除電の時間推移
Fig.6 Time history of charge neutralization.

スに比べて 5 倍の電流密度の向上がみられた．距離 1 mの点において多孔オリフィスが最大の除電電流密度を得ることが確認された．多孔オリフィスは抽出電極用電源用いた正帯電の除電時定数 τT は，電子引き出し有りなどを必要とせず，これを採用した場合，実際の製品化（ Plume ON ）の場合で 0.1 秒，電子引き出し無し（ Plumeにおいて構造を簡素化できる．

OFF ）の場合で 2 秒であった．それに対して負帯電の除電時定数は，電子引き出し有りの場合で 27 秒，電子引5．考察

き出し無しの場合で 111 秒と，2 オーダ大きい．このよ5.1 帯電板の除電

うに，除電器は負帯電の除電能力に律速される．除電が他の真空除電器との比較として，重水素ランプから紫比較的遅い，電子引き出しを行わない場合のキセノンに外線を照射することで，光電離により真空下で除電する

よる負帯電の除電時定数 τP は 320 秒であり，抵抗器によUV イオナイザ IUV-303（原田産業株式会社製）は，10-1

マイクロ波放電式プラズマ源による高真空下除電（森下 貴都ら）

133（39）電されていることに対し，電子引き出し有りの場合は30 V 程度の残留電位が生じている．これは電子を引き出すために抽出電極に 45 V の電圧を印加することで，浮遊電位が上がったことが原因と考えられる．
アルゴンを用いた場合，キセノンに比べて除電能力が低い．アルゴンはキセノンに比べてイオン化エネルギーが大きいため，プラズマ密度が小さいことが原因として考えられる．また，アルゴンを用いた場合に電子引き出し有りと無しでは大差がなかった．先述の通り，アルゴンはキセノンよりも電離しにくいため，本実験では電子を 31 mA 引き出すのに 100 V の印加電圧を必要とした．
そのため，100 V が印加された抽出電極の電場により，帯電板まで到達するイオンが減少したからであると考えられる．また 100 V を抽出電極に印加したことにより，キセノンの場合よりも空間電位が上昇したことで，残留電位が高くなり除電時定数が長くなったことも理由として挙げられる．

5.2 除電電流密度分布
それぞれの距離において正帯電の除電電流密度の方が負帯電よりも 3 オーダ大きい点に関して，電子の方がイオンに比べて質量が小さいため，帯電板に比較的容易に到達することが原因として考えられる．準中性プラズマ中を仮定すると，正帯電と負帯電の除電電流の違いは，電子とイオンの飽和電流の差であると考えられる．式（6）はイオン飽和電流と電子飽和電流の比を示しているが ，12）

両者は 3 オーダ異なることがわかる．
Te mion
3= 5×10Tion me

図 7 正帯電および負帯電の除電電流密度比較
Fig.7 Charge neutralization current density comparison.

（6）

ここで T：温度，m：質量である．e は電子について，Pa 程度の真空中において，11 cm 離れた静電容量 CUV がion はイオンを示す．

10 pF の， 一 辺 の 長 さ LUV が 5 inch の 正 方 形 ウ エ ハ をマイクロ波放電式“中和器”の機械的・磁気的構造の-200 V → -20 V に 0.1 秒で除電する ．一方でマイクロ観点から本来はイオンは放出されにくい仕組みである．

11）

波放電式プラズマ源では，図 6 の負帯電の除電結果より，式（7）に Larmor 半径を示す．

キセノンで電子引き出し有りの場合の -200 V → -20 V の除電時間 τ -200V → -20V は 58 秒である．除電器との距離は本実験の方が遠く，一般に不利に働くが，比較のために帯電板の面積とコンデンサの静電容量の比をとると，(LMWτ -200V → -20V・LUV)

CUV-5・= 5.3×10 ［ s ］CMW

2

r=mv⊥qB（7）ここで，v⊥：B に垂直な速度成分である．ノズル近傍の磁場が数 10 mT 程度であるので，数 cm オーダの Larmor（5）半径であり，これはノズル径より大きい．したがってイオンが放出されにくい構造である．しかし負帯電が除電つまり，UV イオナイザに比べて 10 倍程度早いことがされたのは，抽出電極に電圧を印加した場合は陽光柱プ示唆される．

ラズマにより，放電室外部で生成されたイオンを供給可4

図 6 より，正帯電の除電についてイオンバランスを比較すると，電子引き出し無しの場合は 10 V 以下まで除能なことが原因として考えられる．
抽出電極無し（単孔オリフィス）と比べて，抽出電極

134（40）

静電気学会誌 第44巻 第 3 号（2020）

により陽光柱を発生させた場合に，総じて除電電流が大きい原因として，陽光柱プラズマの寄与が考えられる．
先述のように，印加電場により引き出された電子が，中性粒子に電離衝突することで陽光柱プラズマは生成されの運用異常に係る原因究明及び今後の対策について，
http://www.mext.go.jp.
3） 木脇久智，佐久間伸夫：除電器による災害対策．高分子学会誌，10［4］（1961）384-388

る．したがって抽出電極有りの場合は，プラズマ源の外

4） 菱沼宣是：プラズマの光源応用身近な明かりから次世代部においてもプラズマを生成することが可能であり，こ光源まで 4. これからの光源 4.3 ランプの新用途（エキシの違いが単孔オリフィスとの除電電流の差であると考えマランプと用途）．プラズマ・核融合学会誌，81［12］られる．

（2005）1012-1015
5） 峯村和樹，最上智史，野村信雄，池畑隆：高速バルブ

6．結論を用いたプラズマ放電式除電機の開発．静電気学会講演

本研究により得られた結果を総括し，以下に列挙する．

論文集（2018）71

・宇宙探査機用に研究開発されたプラズマ源を，地上産業における真空設備用除電器に応用した．

6） 池畑隆：真空宇宙におけるプラズマによる除電．静電気学会誌（2019）67-72

・真空中にて帯電物にプラズマを照射し，除電されるこ

7） H. Kuninaka, K. Nishiyama, I. Funaki, T. Yamada, Y. Shimizuとを確認した．負帯電の除電が除電能力の律速となるand J. Kawaguchi: Powered Flight of Electron Cyclotron

ことを確認した．

Resonance Ion Engines on Hayabusa Explorer. Corona

・正帯電および負帯電の除電電流を測定した．

Publishing, J. Propulsion and Power, 23（2007）544-551

・荷電粒子の透過性を向上するオリフィス形状について

8） K. Nishiyama, S. Hosoda, K. Ueno, R. Tsukizaki and H.

調査し，宇宙用プラズマ源に使用されている単孔オリ

Kuninaka: Development and Testing of the Hayabusa2 Ion

フィスのものに対して 5 倍の除電電流密度を達成した．

Engine System. Trans. JSASS Aerospace Tech, 14（2016）
Pb131-Pb140

謝辞
本研究は宇宙航空研究開発機構，先端工作技術グループの支援を受けたものである．

9） 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）10）F. Francis and Chen: Introduction to Plasma Physics andControlled Fusion: Volume 1: Plasma Physics, pp. 104-105,

参考文献
1） 宇宙航空研究開発機構：宇宙環境計測情報システム ,http://sees.tksc.jaxa.jp.
2） 文部科学省：環境観測技術衛星（ ADEOS-II ）みどり IISpringer（1984）
11） 原田産業株式会社 IUV-303 カタログ：http://at.haradacorp.
co.jp/pdf/IUV-303.pdf
12）Y.P. Raizer: Gas Discharge Physics, Springer（1987）