研究スタッフ
教授：

櫛引淳一、准教授：

研究目的

安藤晃

宇宙２１世紀の宇宙開発や、新エネルギー源としての核融合開発など、先進科学にとって高密度プラズマ流研究は非常に重要です。
本研究室にて開発したマッハ数が１を超える超音速プラズマ流を準定常的に生成できる装置は世界にも例がなく、これを用いた高速プラズマ流の発生と磁場による制御の実験研
究をはじめ、先進宇宙プラズマ推進機の開発、先進核融合プラズマ加熱法の開発を進めています。

エネルギー

さらに、環境工学・材料工学への応用を指向した液体中や大気圧中の放電プラズマによる水の浄化、有害ガスの分解、材料の表面改質・創製、医用工学への応用を指向した応用研究も行っています

環境

主な研究テーマ
1.高速プラズマ流の生成と高性能宇宙推進機への応用
2.先進核融合プラズマへの加熱法の開発～水素負イオン源と高周波源の開発～
3.高電圧応用・大気圧プラズマ生成と環境工学への応用

櫛引・安藤研究室

http://www.ecei.tohoku.ac.jp/space/1.高速プラズマ流の生成と先進宇宙推進機応用
高速プラズマを噴射できる電気推進機は、人工衛星や深宇宙探査機の軽量化・長寿命化などに不可欠です。比推力可変プラ
ズマ推進機VASIMRは、将来の有人火星探査用ロケット主力エンジンとして期待されています。また、MPDプラズマ源は中・大型衛星のエンジンの他、宇宙デブリ（塵）回収、地球直撃小惑星の軌道変更などにも有用です。

HITOP実験装置(HIgh density TOhoku Plasma)

HITOP（HIgh density TOhoku Plasma)実験装置

電磁流体力学(ＭＨＤ)の基礎研究

天体ジェット、磁気回転不安定性、太陽フレア、・・・

超音速／超アルヴェン速
プラズマ流、電磁衝撃波、ベルヌイ則、電磁渦、回転不安定性、・・・

MPDプラズマ源

MPD

陽極と陰極に流れる電流と自己誘起磁場の相互作用によりプラズマが軸方向に加速され、超音速で噴出する。

高速プラズマ流の生成と制御技術

準定常放電 (t ～ 1ms)
プラズマ密度 n ～1021 m-3
イオンマッハ数 Mi ～ 1Antenna
MPDプラズマ源

Diamag. coil

高比推力、長時間加速、高周波加熱と加速(VASIMR)

高ベータ核融合の実現

直径

D = 0.8 m

高速プラズマ流によるMHD安定化、双極子磁場閉じ込め、逆転磁場、スフェロマック配位、・・・

全長

L = 3.3 m

外部印加磁場

高速プラズマ流の高周波加熱と磁気ノズル加速比推力可変型電気推進機をめざした高速プラズマ流の高周波加熱実験

2

種々の宇宙推進システム

我々のMPDプラズマ源を用いたHITOPでの研究により、右図に示すように高周波励起によってプラズマ流の熱エネルギーW⊥が上昇することが確認され、高速高密度プラズマ流の高周波加熱に世界で初めて成功した。

MPDスラスタ

10 4
10 3
10 2

ホールスラスタ

1010 4比推力(sec)

電気推進機は、化学推進機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、さらに軌道間輸送や惑星間輸送のために用いられる。
＊比推力＝ロケットエンジンが発生する推力÷単位時間当たり消費する推進剤の重量11.5Time(ms)Time [ms]

2

磁気ノズル

NASAのVASIMRプロジェクト

0.03i⊥

Ti//

40051015P (kW)200051015P (kW)RF

プラズマ流の推進エネルギーは印加する高周0.02

波電力（PRF）によって制御が可能。

0.01

電極部のない大型の比推力可変型プラズマ推進機(VASIMR)を使用すれば、有人火星探査をわずか約３ヶ月で行える。２０年後の実用化に向けた開発研究が本格化している。

T

加熱部で熱エネルギーを得たプラズマ流は、磁気ノズル部にてその熱エネルギー（Ti⊥）を推進エネルギー （Ti//）へと変換する。

0.04

060
20

RF

0.05

Courtesy of NASA

火星に向かうVASIMRエンジン
搭載の有人宇宙船（想像図）

i//

400Directed by F.R. Chang Diaz, Johnson’s Advanced
Space Propulsion Laboratory

80T

60200.06

プラズマ生成部

化学ロケットおよび電気推進機の比較

0.5

Ti⊥

80

Ion cyclotron heating in He plasma

10 5

⊥

10 3

0100100W⊥

3

パルスプラズマ
10 20

イオンエンジン

1ΔW⊥

0.02

加熱部

Heating
region

RF ON
RF OFF

0.04

VASIMR； Variable Specific Impulse
Magneto-plasma Rocket

レーザー推進Acceleration
region

高速プラズマ流中でのイオン加熱に世界で初めて成功！

00.06

VASIMRが目指す新たな領域

ＤＣアーク
ジェット

Diamagneticcoil

1

W (J/m )推力密度(N/m 2 )

原子力推進

10 5

Faraday cup

helical antenna

RF ONW[J/m23)]W⊥⊥(J/m

化学推進

10 6

IIdd(kA)[kA]

有人火星探査など次世代の宇宙航行用推進機として、比推力可変型電気推進機の開発がNASAで進められている。この実現のためには高速プラズマ流のイオン加熱を実証する必要があるが、未だ成功していなかった。

710B0～0.1T

Ti(eV)

宇宙電気推進機への応用

Ti(eV)

宇宙電磁流体力学(ＭＨＤ)現象

0200400

ω = 2ω ci (He+)

f=237kH
600 z 800
1000

BD (G)

ω = ω ci (He+)

or

熱エネルギーの増加は、イオンサイクロトロン共鳴よりわずかに低い磁場で強くなる。

プラズマ流によるドップラー効果

ω = ω ci (He2+)

２.先進核融合プラズマへの加熱法の開発
核融合プラズマ実現のために必要な水素負イオン源や高周波源の開発を進めています。
100eV以下の低エネルギーで大電流（電流密度0.1A/cm2以上）のイオンビームを引き出すことのできるイオン源を開発。このビーム源は、種々の材料の表面改質や小型核融合実験の中性粒子ビーム加熱などへ応用ができます。

イオンビーム実験装置
直線はチャイルド･ラングミュア則の制限領域
高周波を用いた水素負イオン源の開発や、低エネルギーイオン源の開発を行っている。

低エネルギービーム源の開発

３.高電圧・大気圧プラズマ生成を利用した応用研究

櫛引・安藤研究室

5mm
10mm
10mm

He5mm

CathodeCylindrica
l electrode

Air

CathodeWater contact angle(degree)

高速気流安定化による直流（ＤＣ）グロープラズマの生成

高速気流による大気圧中での直流グロー放電の維持と表面改質への応用、EHD効果を用いた小型ポンプの開発、水中プラズマ生成による水質浄化などの応用研究を行っています。

ガラス表面の親水処理

50

relative humidity 30%

4030

discharge current

20

corona 0.05 mA
glow 0.45 mA
glow 1.80 mA

1000510152025
Treatment time(sec)30

高速気流を用いた大気圧グロー放電実験

電気流体力学（EHD）効果を用いた小型ポンプの開発

放電路に高速気流を流すことで、大気圧グローが維持できる。この大気圧グロープラ
ズマを用いてガラス表面の親水処理を行ったところ短時間で耐久性のある処理を施すことができた。

電極間に高電圧を印加することで、機械的駆動部のない小型のポンプを実現できる。この技術は、小型電子機器の冷却、医療やバイオテクノロジーの発展にともなう超小型化学分析器の開発につながる。

http://www.ecei.tohoku.ac.jp/space/20