卒業論文
マイクロ波照射された太陽電池セル表面における放電現象の地上試験

指導教員：趙Ở 孟佑Ở 教授
提出日：平成 17 年 2 月 21 日
九州工業大学工学部電気工学科電気コース
学籍番号：01106042
氏名：加世堂Ở 康平

323

目次Ở
Ở
第 1 章Ở 序論ỞỞ Ở Ở Ở 1.1 はじめにỞỞ Ở Ở Ở 1.2Ở Ở SSPSỞ ỞỞ Ở Ở Ở 1.3 研究目的Ở
Ở
第 2 章Ở マルチパクタ放電ỞỞ Ở Ở Ở Ở Ở 2.1 マルチパクタ放電ỞỞ Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở 2.1.1 二表面間マルチパクタ放電ỞỞ Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở 2.1.2 単一表面上マルチパクタ放電ỞỞ
第 3 章Ở 実験装置Ở
Ở Ở Ở Ở Ở 3.1 マイクロ波発生装置Ở
Ở Ở 3.1.1 マイクロ波発振器Ở
Ở Ở 3.1.2 マイクロ波伝送ỞỞ Ở 3.1.3 電力分割器Ở ỞỞ Ở 3.1.4 サーキュレータỞỞ Ở 3.1.5 方向性結合器ỞỞ Ở 3.1.6 検波器Ở ỞỞ Ở Ở Ở Ở 3.2 電磁ホーンỞỞ Ở Ở Ở Ở 3.3 真空チャンバーỞ ỞỞ Ở Ở Ở Ở 3.4 電磁波のシールドỞỞ Ở Ở 3.4.1 チャンバー内部のシールドỞỞ Ở Ở 3.4.2 アルミ箔によるシールドỞỞ Ở Ở 3.4.3 銅板によるシールドỞỞỞỞ
Ở
第 4 章実験方法及び結果Ở
Ở Ở Ở Ở Ở 4.1 マイクロ波照射確認実験ỞỞ Ở Ở 4.1.1 マイクロ波発振確認実験装置Ở
Ở Ở Ở 4.1.2 マイクロ波発振確認実験結果Ở
Ở Ở Ở Ở Ở 4.2 アンテナによる電界強度測定ỞỞ Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở 4.2.1 自作アンテナによる電界強度測定ỞỞ Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở 4.2.2 電界分布測定結果Ở
Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở 4.2.3 ダイポールアンテナによる電界強度測定Ở ỞỞ Ở Ở Ở Ở 4.3 太陽電池セルへのマイクロ波照射実験ỞỞ Ở Ở 4.3.1 セルの垂直配置照射実験ỞỞ Ở Ở 4.3.2 発光開始電力Ở ỞỞ Ở Ở 4.3.3 発光画像Ở Ở324

Ở Ở Ở 4.3.4 放電箇所顕微鏡観測Ở ỞỞ Ở Ở 4.3.5 圧力波形の変化ỞỞ Ở Ở 4.3.6ỞAPD 波形Ở ỞỞ Ở Ở 4.3.7 セルの水平配置照射実験Ở ỞỞ Ở Ở 4.3.8 セルの配置と電界方向ỞỞ Ở Ở 4.3.9 マルチパクタ放電発生の電界強度の見積もりỞỞ
第 5 章Ở 結論ỞỞ Ở Ở Ở 5.1 総括Ở ỞỞ Ở Ở Ở 5.2 今後の課題Ở Ở
Ở
参考文献Ở
付録Ở
謝辞Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

325

第一章Ở 序論 Ở
1.1Ở は じめ にỞỞ 近年、世界の人口は急速に増加し、そのほとんどが開発途上国で起きている。これらの国の住民は当然のことだが産業国のような豊かなエネルギーのもとでの生活を求めるようになる。この要求に伴いエネルギー需要が急速に増加するだろうといわれている。また日本では１次エネルギーの約５０％を石油にたよっている。しかもそのほとんどを外国からの輸入に頼っている。そのためこれらの国々
が日本と同じ量の石油を使うようになると日本はエネルギーの確保が困難になっていくことが予想されエネルギー安定供給の確保が２１世紀における日本の課題である。Ở

Ở
図Ở 1.1Ở 人口増加とエネルギー需要ỞFigỞ1.1ỞAỞpopulationỞincreaseỞandỞdemandỞforỞenergy(*1)Ở

１．２Ở SSPSỞ
Ở この深刻なエネルギー問題に対しては核融合の研究、あるいは自然エネルギーの開発として環境負荷の少ないソーラーエネルギーなど様々なアプローチが検討されている。特に1968年にグレーザーが発表した宇宙太陽発電（SSPSỞ:ỞSpaceỞSolarỞPowerỞSystem）は宇宙空間に巨大な太陽電池およびマ
イクロ波送電システムを一体化した衛星を浮かべ、太陽光発電をして地上に電波でエネルギーを送る
原理で、以下のようなメリットがある。Ở
１） 昼夜天候を問わず発電が可能。Ở
２） 地上に比べ平均５~１０倍の太陽光強度で発電ができる。Ở
３） 核融合発電とは違い原理が実証されている。Ở
Ở 現在検討されているSSPSの構造は太陽電池、マイクロ波発振回路および送電アンテナが一体化されたものが考えられ、2020˜30年の商用化を目標としている。最終的には1GWもの莫大なエネルギーを発送電できるシステムが想定されている。Ở
Ở

326

Ở
図Ở 1.2Ở マイクロ波SSPSỞ
FigỞ1.2ỞMicrowaveỞspaceỞsolarỞpowerỞsystemỞ(*2)Ở

１．３研究目的Ở
真空中ではマイクロ波を用いる機器ではよくマルチパクタ放電という現象が観測される。この現象は最悪の場合、機器表面、内部の浸食につながる。その原理については次章で詳細に述べるが、マイク
ロ波と金属や誘電体表面との相互作用により表面が浸食される現象である。前述のSSPSでは莫大なエネルギーのマイクロ波を送電するため、その一部が太陽電池表面側に回折した場合、深刻な破壊を引き起こすことが懸念されている。宇宙用太陽電池セルはサブストレート上に接着剤で貼り付けられ、セルとセルはインターコネクタと呼ばれる導体によって連結されている。また、セルの表面にはカバーガラスが貼り付けられている。Ở
このように太陽電池は金属と誘電体でできており、そこにマイクロ波が照射された場合マルチパクタ
放電が起こるのではないかと考えられる。マルチパクタ放電が太陽電池表面で起きると発電電力の低下へつながり、最悪の場合発電できなくなることも考えられる。しかしながら過去に実験による検証はほとんどなく、基礎的な実験がSSPS成立のためには必要不可欠である。Ở
Ở そこで本研究では真空環境下で太陽電池とマイクロ波との相互作用を調べるための装置を構築し、マイクロ波強度に対する現象を調べる。またマルチパクタ放電の有無を調べ、代表的な放射レベルについても実験的に検証する。Ở
Ở327

第二章Ở マルチパク タ放電Ở
2.1 マル チ パク タ 放電ỞỞ マルチパクタ放電はマイクロ波に起因する多くのデバイスではしばしば観測される現象で、本研究では太陽電池セルやカバーガラスの損傷を引き起こし、発電電力の低下へ繋がると考えらる。Ở
マルチパクタ放電という現象には単一表面上におけるものと二表面間におけるものとの二種類が考えられる。ここではまず一般的によく知られている二表面間におけるマルチパクタ放電についての原理を説明し、次に単一表面上におけるマルチパクタ放電の原理について説明する。Ở
Ở

2.1.1 二表面間マルチパクタ放電（*3）Ở
二表面間のマルチパクタ放電は RF を扱う際に見られる特有の放電である．図 2.1-1 に示すような高周波電界のかかる金属ギャップである二極間を考える。図で電極 B が＋のある時刻 t1 に何らかの原因で電極 A を出た電子が、時刻 t2 に対向する電極 B に衝突するとする。この衝突により電極 B からは２次電子が放出される。もしこの時電場が反転していれば、放出された電子は逆方向に加速されて電極A に衝突し二次電子を放出する。二次電子放出係数が１以上であればこの仮定が繰り返し起こり放電が増大し持続する。これが二表面間のマルチパクタ放電である。Ở

Electrode A
Time t1

Time t3f!Time t2

Electrode B

ỞElectrode A!+

t2

Time
t3

t1

Electrode B!+ỞỞ
図 2.1-1Ở 二表面間マルチパクタ放電モデル図Ở
Fig.2.1-1Ở ModelỞofỞaỞtwoỞsurfaceỞmultipactorỞdischargeỞ

2.1.2 単一表面上マルチパクタ放電（*4）Ở
２表面間マルチパクタ放電は金属ギャップを考えたが、単一表面上マルチパクタ放電は誘電体表面上を考える。誘電体表面上に表面と直交する向きに直流電界 Edc と、表面と平行する向きに交流電界 Erfを考える。この様子を図 2.1.2 に示す。Ở

328

Erf = Erf 0 sin(" t + # )
Y

EDC

v0
!

X

DielectricỞỞ Ở Ở Ở Ở Ở Ở FigỞ2.1-2ỞModelỞofỞaỞsingleỞsurfaceỞmultipactorỞdischargeỞ
図 2.1-2Ở 単一表面上マルチパクタ放電図Ở
この誘電体表面上から電子が任意の速度 v0 を持ち、角度φで放出したとする。このとき電子は、誘電体表面と平行する向きにかかる大きさ Erf0 周波数ωの RF 電場 Erf により X 軸に沿って平行移動したものとしてエネルギーを受けとる。DC 電場 Edc は電子に対してエネルギーは与えず、単にその軌道を誘電体表面にぶつかるように曲げる。そのため電子は初めに誘電体表面を飛び出した時より大きなエネ
ルギーをもって誘電体表面に再び衝突する。このとき、衝突による２次電子放出係数が１を超えてい
れば電子の放出と衝突が繰り返し起こり、単一表面上マルチパクタ放電となる。Ở
Ở329

第三章Ở 実験装置Ở Ở
３． １ マイ ク ロ波 発 生装 置Ở
3.1.1 マイクロ波発振器Ở Ở
マイクロ波発振器を図3.1-1に示す。Ở

Ở
図3.1-1マイクロ波発振器Ở
Fig3.1-1ỞMicrowaveỞgeneratorỞ
マイクロ波発振器はマイクロ電子株式会社製Ở MMG-604V型、発振周波数5.8GHz

15MHzであり、公称で0~400Wまでを連続可変で出力する事が出来る。マイクロ波発振器は発振部と電源パネルの２つにわかれており、それぞれは高圧ケーブルと制御ケーブルで接続されている。電源パネルは入力電源として三相交流200Vで動作する。出力調整は電源パネル上にあるPowerỞControlつまみにより行う。
このPowerỞ Controlつまみはマグネトロン発振管のアノードに流れる電流を調整することでマイクロ波出力をコントロールする。また電源パネルにはこのアノード電流をモニターするための電流計とBNC端子があり、後で述べるがこのBNC端子によりマイクロ波出力を計測している。発振部の中の発振管には松下電子応用機器株式会社製Ở 連続波マグネトロン発振管（固定周波数、磁界内蔵、プロー
ブ出力型）が使用されている。この発振管の外観を図3.1-2に示すỞ

Ở
図3.1-2マグネトロン発振管Ở
Fig3.1-2ỞMagnetronỞoscillationỞtubeỞ

3.1.2マイクロ波伝送Ở
発振部で発生したマイクロ波を効率良く伝送するために導波管を使用した。直線導波管、L型のEベン
ト導波管の２種類使用し、その外観を図3.1-3に示す。マイクロ電子株式会社製Ở 直線導波管、Eベン
ト導波管共に口径はWRJ-6である。Ở

330

Ở図Ở 3.1-3導波管ỞFigỞWaveguideỞ

3.1.3電力分割器（ダミーロード付き）Ở
マイクロ電子株式会社製Ở 電力分割器Ở 許容電力：400WỞ 最大減衰率：20dBの外観を図3.1-4に示す。
電力分割器は導波管内を伝送されているマイクロ波出力を調整するためのもので、導波管を２つに分岐し片方を無反射終端器に送り熱として消費することができる。減衰率の調整は電力分割器本体にあるマイクロメータで行う。Ở

Ở
図Ở 3.1-4Ở 電力分割器Ở
FigỞ3.1-4ỞPowerỞDividerỞ

3.1.4サーキュレーターỞ
マイクロ電子株式会社製Ở サーキュレーターỞ アイソレーション：20dBỞ 挿入損失：0.2dB以下Ở を
図3.1-5に示す。サーキュレーターは負荷より反射してきたマイクロ波から発振部を保護するためのものである。Ở

331Ở
図3.1-5Ở サーキュレーターỞFigỞCirculatorỞ
Ở

3.1.5方向性結合器Ở
マイクロ電子株式会社製Ở 方向性結合器Ở 出力接検：同軸管WX-20Dを図3.1-6に示す。方向性結合器
は導波管中を伝搬しているマイクロ波の入射波、反射波の一部分をそれぞれ検出し、同軸コネクタに出力する。この出力端子により導波管内を伝搬しているマイクロ波電力を次に述べる検波器により測定する事が出来る。Ở

Ở
図Ở 3.1-6方向性結合器ỞFigỞ3.1-6DirectionalityỞcouplerỞ

3.1.6検波器Ở
マイクロ電子株式会社製Ở 検波器Ở を図3.1-7に示す。方向性結合器の同軸コネクタから出力したマイクロ波電力をダイオードで整流し電流値として電流計に表示される。表示した電流値はマイクロ波電力値へ換算することができる。Ở

Ở
図Ở 3.1-7Ở 検波器Ở ỞFigỞ3.1-7Ở Ở DetectorỞ

Ở
Ở

332

３．2 電 磁ホ ー ンỞ Ở
マイクロ波は伝送線路の形状により種々の電磁界分布をとりながら伝搬して行く。この分布はモードと呼ばれている。モードは導波管径とその遮断周波数により優勢モードが存在する。マイクロ波発生装置から出力するマイクロ波は方形導波管WRJ-6によって伝搬されてくる。この場合の優勢モードはTE10モードである。このときの導波管の電磁界分布を図3.2-1に示す。また真空チャンバーは円筒形であり、円形導波管とみなした。円形導波管での優勢モードはTE11モードである。この電磁界分布を図
3.2-2に示す。Ở

Ở
図3.2-1Ở TE10モードỞ
FigỞTE10ỞmodeỞ

Ở
図3.2-2Ở TE11モードỞ
FigỞ3.2-2ỞTE11mode（*5）Ở
伝送線路の断面形状が変形する点ではモードの結合が起こりそれまで伝搬してきた電力が損失として減少する。この損失を減らすには導波管形状を徐々に変形していかなければならない。そこで、方形導波管WRJ-6の形状から円形の真空チャンバーのマイクロ波投入用窓の形状へと徐々に変形していく
ように設計した電磁ホーンを作成した。電磁ホーンを図3.2-3に示す。電磁ホーンの長さは500mm、
直径150mmである。今回使用するマイクロ波は5.8GHz帯であり、真空での波長は51.7mmである。
電磁ホーンの長さを500mmとしたのは約10波長分でモード変換を行い、損失を減少させる目的からで
ある。Ở

333

Ở
図3.2-3Ở 電磁ホーンỞ
Fig3.2-3ỞElectromagneticỞhornỞ
またこの電磁ホーンと真空チャンバーは正確に固定されなければならない。そこで真空チャンバーの前面窓フランジと電磁ホーン先端の両方の同じ位置に8つの穴を空け、そこをボルトにより直接固定するという方法を取った。チャンバーとの接合時の様子を図3.2-4に示す。Ở

Ở
図Ở 3.2-4Ở ホーン-チャンバー接続時の様子ỞFigỞ3.2-4ỞConnectionỞofỞhornỞandỞchamberỞ
Ở

３．3 真 空チ ャ ンバ ーỞ
宇宙環境を模擬した真空チャンバーを図3.3-1に示す。Ở

Ở
図3.3-1Ở 真空チャンバーỞFigỞ3.3-1ỞVacuumỞchamberỞ
真空チャンバーは直径400mm、奥行き400mmである。真空チャンバーには粗引き用ロータリーポンプỞ ULVAC製：GVD-100、ターボ分子ポンプỞ ULVAC製：UTM-150Ở
があり、10-5~10-3Pa程度の真空度で実験を行う事ができる。Ở
Ở
Ở

334

３．4 電 磁波 の シー ル ドỞ
マイクロ波を取り扱う際に最も重要なことはマイクロ波の漏れを防ぐことである。マイクロ波の被爆は、異常出産、白内障、中枢神経障害、頭痛、がん等を引き起こすと言われている。総務省が定める環境基準によると、本研究で取り扱う周波数5.8GHzを含む1GHz~300GHzに関しては10W／m2以下としてある。そこで本実験装置でもこの基準以下に抑えることを行った。Ở

3.4.1チェンバー内部のシールドỞ
発振されたマイクロ波は電磁ホーンを伝わってチャンバー全面のガラス窓を通過し真空チェンバー内部へ伝搬する。チャンバー内壁の多くの部分は金属製であり、マイクロ波の多くはそこで反射する。
しかしチャンバー側面または上部にある5つのフランジからはマイクロ波がリークする。このフランジの位置を図3.4.1-1に示す。Ở

!"The front

The front#$%

Right side&

Left side図Ở

3.4.1-1Ở フランジの位置ỞFigỞ3.4.1-1ỞPositionỞofỞflangeỞ
また、実験中は真空度を保つためにターボ分子ポンプを可動した状態で行い、ターボ分子ポンプに直接マイクロ波が入射する恐れがある。そこで図3.4.1-2に示すようにチャンバー内面とゲートバルブ直前を円柱状に加工したステンレスのメッシュで覆った。使用したメッシュの編み目はマイクロ波を遮断できる1/4波長以下である。またメッシュを挿入したことによる真空度への影響はみられなかった。Ở

Ở
図Ở 3.4.1-2Ở チャンバー内部のシールドỞFig3.4.1-2ỞShieldỞinỞchamberỞ
このときのチャンバー内部の様子を図3.4.1-3に示す。Ở

335

Ở図Ở 3.4.1-3Ở メッシュでシールドしたチャンバー内部Ở
FigỞ3.4.1-3ỞInsideỞofỞchamberỞshieldedỞwithỞmeshỞ
このメッシュによるシールドの効果を試験した。マイクロ波のリーク値の測定はリークディテクター
（マイクロ電子製）を用いた。このリークディテクターは最大20W/m2と最大50W/m2という2種類の測定レンジでリークの測定が可能である。この外観を図3.4.1-4に示す。Ở

Ở
図Ở 3.4.1-4リークディテクターỞFigỞ3.4.1-4Ở LeakỞdetectorỞ
試験条件は真空度410 Paであり、チャンバー内部へ入射したマイクロ波出力の計算値は25Wである。
-4

この時のマイクロ波のリーク箇所とリーク測定結果を図3.4.1-5に示す。Ở

#

'

!

"

&

$

%

Ở
図Ở 3.4.1-5Ở リーク箇所ỞFigỞ3.4.1-5ỞLeakỞpartỞ Ở
Ở
Ở

336

leak part

!(

!'

!&

!%

!$

!#

!"

max leakvalue [W/m2]

!70

!50

!50

!10

!10

!20

20
Ở

表Ở 3.4.1-6Ở リーク測定値Ở
TableỞ3.4.1-6ỞLeakageỞmeasurementsỞ
マイクロ波のリークはチャンバーの5つのフランジからだけではなく、チャンバーの扉、発振部̶導波管の接合部からもリークしていることが判明した。このリーク値は基準値を大きく上回っておりさらに抑える必要がある。Ở
Ở

3.4.2アルミ箔によるシールドỞ
マイクロ波関連の機器を取り扱う企業のWebページ等ではマイクロ波のリークはアルミ箔では防ぐことは出来ないと記載してある事が多いが、リーク箇所を全てアルミ箔で覆って見ることにした。この時の様子を図3.4.2-1に示す。Ở

Ở
図Ở 3.4.2-1Ở アルミ箔によるシールドỞ
FigỞ3.4.2-1ỞShieldỞwithỞaluminumỞfoilỞ
このアルミ箔によるシールドの効果を試験した。試験条件は真空度が410-4Pa、チャンバー内部へ入射したマイクロ波出力の計算は25Wである。このときのリーク箇所とリーク測定結果を図3.4.2-2及び表3.4.2-3に示す。Ở
Ở

337

$
!"#
&

%

'
(

Ở
図Ở 3.4.2-2Ở リーク箇所Ở Ở
FigỞ3.4.2-2ỞLeakỞpartỞ

leak part&max lealvalue[W/m2]

40

!

%

$

#

20

30

40

!

"

20
Ở

表3.4.2-3Ở リーク測定値Ở
TableỞ3.4.2-3ỞLeakageỞmeasurementsỞ
アルミ箔によるシールド効果はリークを防いでいる箇所もあるが逆に増加している箇所もあり、効果が疑わしい。また新しく電磁ホーンの根元と先の2箇所からのリークが確認された。これらのリーク値はやはり基準値を上回っているため更なる対策が必要である。Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

338

3.4.3銅板によるシールドỞ
メッシュやアルミ箔によってチャンバーやマイクロ波発生装置自体からのリークを基準値以下に抑えることはできなかった。そこでマイクロ波発生装置及び真空チャンバー全体からのリーク値が実験者の立っている地点では基準値以下に抑えられ、かつマイクロ波発振中は真空チャンバー及び発生装置に近寄らなければ安全であるとの観点からリーク対策を行った。そこで真空チャンバーとマイクロ波発生装置全体を銅板で覆ったシールドルームを作成した。このシールドルームの構造は、装置全体が収まる大きさの骨組みをアングルにより製作し、その上から銅板を被せ、床面からも銅板で覆うという直方体の箱である。図3.4.3-1この骨組みの寸法を示す。Ở

3.25m

1.5m

1.5m
The back

The frontỞ

図Ở 3.4.3-1Ở シールドルームの寸法ỞFigỞ3.4.3-1ỞSizeỞofỞShieldỞroomỞ
この骨組みのサイズをもった広さの銅板は入手困難なため、0.45m 4.5mの銅板をハンダと金属テープで繋ぎあわせて一枚の広い銅板とした。また、図3.4.3-1にある前面は実験者側から装置の状態が観測できるようメッシュで覆い、可動式にしたことでシールドルームの出入り口となる。シールドルー
ム内にはリークしてきたマイクロ波を吸収する吸収体が存在しないため背面は何も覆っていない。作成したシールドルームの外観を図3.4.3-2に示す。Ở

Ở
図Ở 3.4.3-2Ở シールドルーム外観ỞFigỞ3.4.3-2ỞExternalsỞofỞshieldỞroomỞ
このシールドルームによる効果の試験を行った。試験は実際の照射実験を想定し、安定して出力可能なマイクロ波出力の最大値250Wで行った。リーク箇所とそのときのリーク値を図3.4.3-3に示す。Ở

339

Ở
図Ở 3.4.3-3Ở リーク測定結果Ở
FigỞ3.4.3-3ỞLeakỞmeasurementỞresultỞ
この測定結果から実験者付近ではマイクロ波のリークは観測されず、安全であることがわかる。しかしシールドルームのドア付近は基準値を多少上回っている。これはドアの開閉を行うための多少の隙間があるためである。実験中にはこのドア付近に実験者が近付く恐れがあるため、さらにこの箇所のリークを防ぐ必要がある。そこでこの箇所をアルミ箔で覆った。この様子とシールド効果試験結果を
図3.4.3-4に示す。Ở

Ở
図Ở 3.4.3-4Ở アルミ箔で覆った後のシールドルームとリーク測定結果Ở
FigỞ3.4.3-4ỞAfterỞshieldỞroomỞcoversỞwithỞtheỞaluminumỞfoilỞandỞleakỞmeasurementỞresultỞ
Ở
シールドルームをアルミ箔で覆った後はドア付近での最大リーク値が基準値以下の 5W/m2 まで抑えることができている。これにより次から述べる実験は安全に行うことが可能である。Ở
Ở340

第四章Ở 実験方法及 び結果Ở Ở
4.1 マイ ク ロ波 照 射確 認 実験Ở Ở Ở
4.1.1マイクロ波発振確認実験装置Ở
真空チャンバー内にマイクロ波を投入する前の予備実験として、マイクロ波発生装置から実際にマイクロ波が発振していることの確認を行う必要がある。マイクロ波発振確認実験装置を図4.1-1示す。Ở

Ở
図4.1-1マイクロ波発振確認実験装置外観Ở
Fig4.1-1ỞMicroỞwaveỞoscillationỞconfirmationỞexperimentỞdeviceỞexternalsỞ
また、このマイクロ波発振確認装置の配置図を図4.1-2に示すỞ

Power
meter
reflection

Dummyloading

Directional
coupler

Isolator

power
divider

power
divider

Power
meter
inflection

Dummy
load

Dummy
load

Dummy
load

MagnetronỞ
図4.1-2マイクロ波発振確認実験装置配置図Ở

Fig4.1-2SystemỞdiagramỞofỞmicrowaveỞoscillationỞsystemỞ
発振部から出力したマイクロ波は２台の電力分割器により減衰される。減衰したマイクロ波は方向性結合器にある検波器で最終的な出力値を測定して、無反射終端器へ入り熱として消費される。マイク
ロ波の発振は検波器に表示される電流値により確認する。電流値と出力電力値は図4.1-3に示す校正された換算表より求まる。Ở

341

500
Power,W

400
300
200
100
0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Powermeter output,mAỞ

図 4.1-3Ở パワーモニタ出力とマイクロ波出力の換算表Ở
FigỞ4.1-3ỞConversionỞtableỞofỞpowerỞmeterỞoutputỞvsỞmicrowaveỞpowerỞ

4.1.2 マイクロ波発振確認実験結果Ở
前にも述べたがマイクロ波の出力調整は電源パネルのダイヤルの調整で行う。マイクロ波の発振確認の測定結果を公称値と共に図 4.1-4 に示す。Ở

powermeter output,mA!"#$%&$'$%(")'*)'+,$-.)%$&$/'(0-1)$2!"#$%&$'$%(")'*)'+344565-1(0-1)$2

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
100 150 200 250 300 350 400 450
Frontpanel dial valueỞ

図 4.1-4 パワーメーター測定値及び公称値ỞFigỞ4.1-4MeasurementỞofỞpowerỞmeterỞvalueỞandỞOfficialỞvalueỞ

342

!"#$%&'$()*%$+$,-./(0*$1!"#$%&233454(0./(0*$1Power,W

200
150
100
50
0
100 150 200 250 300 350 400 450
dial valueỞ図Ở 4.1-5Ở マイクロ波出力測定値及び公称値ỞFigỞ4.1-5ỞMicroỞwaveỞoutputỞmeasurementsỞandỞofficialỞvalueỞ
図 4.1-4 より図 4.1-3 を用いて出力電力値に換算したものを図 4.1-5 に示す。この装置の最大出力は400W であるが、400W 出力するとマグネトロン発振管のアノードに流れるアノード電流が過電流となり電源パネルの安全装置が働き出力が遮断されるため実際には定格の半分程度しか出すことが出来ない。そのため測定は 200W までで行った。これによりマイクロ波が 150W 程度は発振されていることがわかる。また、図 4.1-4 及び図 4.1-5 ではダイヤル値を基準に測定を行った。しかしダイヤル値とマイクロ波出力の関係はアノード電極の温度の影響により常に一定ではない。それが公称値とマイク
ロ波出力とのずれの原因である。これ以降はパワーモニター出力と図 4.1-3 を使い、マイクロ波出力への換算を行った。Ở
Ở

4.2 アン テ ナに よ る電 界 強度 測 定Ở4.2.1 自作アンテナによる電界強度測定Ở
発振部より出力されたマイクロ波は電磁ホーンによりモード変換され真空チャンバーへ入射する。この時の実験装置の外観を図4.2-1に示す。Ở

Ở
図4.2-1Ở 真空中マイクロ波照射実験装置外観図Ở
FigỞ4.2-1ỞTheỞmicroỞwaveỞirradiationỞexperimentỞinỞtheỞvacuumỞ deviceỞexternalsỞchartỞ

343

真空チャンバーは金属製でありマイクロ波は反射を繰り返し電磁界の分布は乱れ、入射波と反射波が重なり合った定在波になっている。後で示すが太陽電池セル表面でマルチパクター放電を起こすためにはチャンバー内で定在波の電界強度の最も強い場所に配置すべきであり、チャンバー内で定在波の分布がどのようになっているのかを三次元的に測定する必要がある。そこでセミフレキシブルの同軸ケーブルで自作のアンテナを作成し、これをスペクトラムアナライザー（ADVANTEST製、R3162、MAX30dBm,DC0V,入力インピーダンス50Ω,9KHz-8GHz）に接続することにより電界強度測定を行った。セミフレキシブルケーブルを使用したのはチャンバー内部で折り曲げて使用できるため三次元的に測定を行うのに都合が良いからである。作成したアンテナを図4.2-2.1に示す．アンテナ係数は測定していないがマイクロ波を拾うアンテナの芯線部分の長さは、真空中の5.8GHzマイクロ波の波長の四分の一とした。また、スペクトラムアナライザーとアンテナの間には図4.2-2.2に示すような６dBと20dBの固定減衰器を挿入した。Ở
ỞỞ
図4.2-2.1Ở 自作アンテナỞ
Fig4.2-2.1ỞSelf-madeỞantennaỞ

Ở図Ở 4.2-2.2Ở アッテネータỞFigỞ4.2-2.2ỞAttenuatorỞ
電界分布を測定するにあたり真空チェンバーの軸は図4.2-3のようにチャンバーの中心を原点として
設定した。

344

Ở
図4.2-3Ở チャンバーの軸設定Ở
FigỞ4.2-3ỞAxialỞsettingỞofỞchamberỞ
アンテナを三次元的に可動させるために真空チェンバー外部でX-Zステージに固定し、Y軸方向にはア
ンテナ自体の重みで弛むのでアルミアングルでガイドを付けて固定した。これを図4.2-4に示す。Ở

Ở
図Ở 4.2-4Ở 電界分布測定装置Ở
FigỞ4.2-4ỞElectricỞfieldỞdistributionỞweighingỞdeviceỞ
アンテナは真空チャンバー側面にある窓フランジから挿入するため、X軸方向には10mm刻みで30mmだけ可動し、Z軸方向には40mm刻みで100mm刻みで160mm可動する。Y軸方向にはチャンバーの壁があるため100mm、30mm以上X軸方向に可動する際にはアンテナ自身を折り曲げて測定を行

う。Ở

345

Ở
図Ở 4.2-5Ở X-Zステージ可動範囲Ở
FigỞ4.2-5ỞX-ZỞstageỞmovableỞrangeỞ

4.2.2電界分布測定結果Ở
チャンバー内部の電界分布測定はスペクトラムアナライザーのaverage機能を使い行った。この機能は測定点の電界を100回平均した値を示す。また測定方法はX軸、Y軸、Z軸のうちX軸とY軸の２軸は固定しておき、Z軸のみ40mm刻みで可動して行った。こうすることで、Z軸と平行な線の分布が分かる。
この線分布測定を10回行き来して行った。測定結果をY＝0,100,-100のそれぞれについての平均と最大値、最小値を示す。Ở

Ở
図Ở 4.2.2-1Ở 電界分布測定結果1（X=0）Ở
FigỞ4.2.2-1ỞElectricỞfieldỞdistributionỞmeasurementỞresultỞ1Ở （X=0）Ở
Ở

346

Ở

Ở
図Ở 4.2.2-2Ở 電界分布測定結果２（X=1,X=2）Ở
FigỞ4.2.2-2ỞElectricỞfieldỞdistributionỞmeasurementỞresultỞ2(X=10,X=20)Ở
ỞỞỞỞ
図Ở 4.2.2-3Ở 電界分布測定結果3Ở （X=30）Ở
FigỞ4.2.2-3ỞElectricỞfieldỞdistributionỞmeasurementỞresultỞ3(X=30)Ở

347

Ở図Ở 4.2.2-4Ở 電界分布測定結果4Ở (X=40)Ở
FigỞ4.2.2-4ỞElectricỞfieldỞdistributionỞmeasurementỞresultỞ4(X=40)Ở
これよりチャンバー内部の相対的電界強度の分布が分かった。また最も強度の大きな点は(X,Y,Z)=(3,10.8)、2番目に大きな点は(X,Y,Z)=(4,-10.8)であるということが測定結果から言える。Ở
Ở

4.2.3Ở ダイポールアンテナによる電界強度測定Ở
4.2.1項で述べた自作のアンテナによる電界強度測定はアンテナ係数がわかっていないので測定結果
はチャンバー内部の電界分布の相対的強度測定である。そこでアンテナ係数が付属しており、校正されているダイポールアンテナにより電界強度の絶対値を測定しなくてはならない。それを4.2.2項の測定結果に換算してチャンバー内部の絶対的電界強度をえることができる。測定に使用したアンテナ（アンリツ社製、MA5612C5）を図4.2.3-１に示す。Ở

Ở
図Ở 4.2.3-1Ở ダイポールアンテナỞ
Fif4.2.3-1ỞDipoleỞantennaỞ
このダイポールアンテナは長さが200mmあり、チャンバーの中では自由に移動させることが出来ない。
そこで測定は4.2.2項の結果より最も強度が大きいと分かったỞ (X,Y,Z)=(3,10,8)の点のみ行った。この348

点の電界強度を基準にして4.2.2項の測定結果を換算して、縦軸を電界強度で表し、三次元でプロットしたものを次に示す。Y=100の面及びY=-100の面に関してはX=20,30の測定を行わなかったので0としている。Ở
Y=100の面の電界分布を図4.2.3-2示す。Ở

Ở
図Ở 4.2.3-1Ở 電界分布の三次元プロット（Y=100）Ở
FigỞ4.2.3-1ỞThree-dimensionalỞplotỞofỞelectricỞfieldỞdistributionỞ(Y=100)Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

349

Ở
次にY=0のときを図4.2.3-3示す。Ở

Ở
図Ở 4.2.3-3Ở 電界分布の三次元プロット（Y=0）Ở
FigỞ4.2.3-3ỞThree-dimensionalỞplotỞofỞelectricỞfieldỞdistributionỞ(Y=0)Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

350

次にY=-100のときを図4.2.3-4示す。Ở

Ở
図Ở 4.2.3-4Ở 電界分布の三次元プロット（Y=-100）Ở
FigỞ4.2.3-4ỞThree-dimensionalỞplotỞofỞelectricỞfieldỞdistributionỞ(Y=-100)Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

351

4.3太 陽 電池 セ ルへ のマ イ クロ 波 照射 実 験Ở
4.3.1Ở セルの垂直配置照射実験Ở
前項でチャンバー内部の電界分布が測定できたので、その点に太陽電池セルを配置してマイクロ波照射を行う。セルの配置に関しては様々な置き方が可能であるが、この節ではセルを地面と垂直に置き、かつセル表面をマイクロ波の入射する方向へ向けた場合を述べる。使用した太陽電池セルは宇宙実験
衛星SFU(SpaceỞFlyerỞUnit)での二元高電圧アレイ実験（2D/HVSA）の地上試験用に製作されたSFU
クーポンである。この節では4枚のSFUクーポンを使用して試験をおこなっている。それぞれを区別するためにSFU-A,SFU-B,SFU-C,SFU-Dと呼ぶことにする。SFUクーポンの外観と断面図を図4.3.1-1及び図4.3.1-2に示す。SFUクーポンはアルミ枠にカプトンが張られた基板の上に６枚の太陽電池セルが直列に貼付けられている。それぞれのセルはインターコネクターで繋がっている。Ở
ỞỞ
図Ở 4.3.1-1ỞSFUクーポンỞFigỞ4.3.1-1ỞSFUỞcouponỞ
0.8mm
0.63mm0.085mmMgF2 :100nm
Coverglass : 150µm
Adhesive:40µm
Solar cell:100µm

MgF2
Coverglass
AdhesiveThickness

Solar cell

Adhesive:150µm
Substrate:150µm

InterconnectorỞ

図Ở 4.3.1-2ỞSFUクーポンの断面図Ở
FigỞ4.3.1-2CrossỞsectionỞofỞSFUỞcouponỞ
一般的には宇宙機の太陽電池を模擬する場合、クーポンに外部回路やバイアス電源等を接続して実験を行うが、今回の実験ではマイクロ波照射された太陽電池で何が起こるのかを見ることが目的である
ので、クーポンはセルと基板共に接地して、接地線に流れる電流（ブローオフ電流と称する）をAC電流プローブで測定している。またSFU-Aではマイクロ波の影響で撮影可能か不明であるが試しにCCD
カメラをチャンバー内部に入れてある。SFU-B以降ではチャンバー外部から撮影している。アバラン
シェフォトダイオード（浜松ホトニクス製）をチャンバー側面窓に設置した。実験配置図を図4.3.1-3
に示す。Ở

352

Ở
図Ở 4.3.1-3Ở 実験装置配置図Ở
FigỞ4.3.1-3ỞExperimentalỞdeviceỞsetupỞ
以上のような実験環境で試験を行った．次からはそれぞれの条件項目における4枚のクーポンの試験結果と比較及び考察を述べる。Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

353

4.3.2発光開始電力Ở
上の実験環境で4枚のSFUクーポンにマイクロ波照射を行ったところ、4枚全てで発光が確認された。
まず4枚のクーポンのチャンバー内部での配置を図4.3.2-1に示す。Ở

Ở
図Ở 4.3.2-1真空チャンバーの内部と実験回路図Ở
FigỞ4.3.2-1ỞInnerỞstructureỞofỞvacuumỞchamberỞandỞexperimentỞcircuitỞchartỞ
SFU-Aクーポン照射実験では初めチャンバー内部にCCDカメラ１を投入した状態で行っていたが、やはりマイクロ波の影響により途中で撮影できなくなった。そのためCCDカメラ1が壊れて以降はチャンバー上部窓より撮影を行った。またこのクーポンに関してのみ電界強度測定の結果が最も大きい点よりY軸方向に関して10mm下に配置してある。Ở
Ở

354

Ở
図Ở 4.3.2-2真空チャンバーの内部と実験回路図Ở
FigỞ4.3.2-2nnerỞstructureỞofỞvacuumỞchamberỞandỞexperimentỞcircuitỞcharỞ
Ở
それぞれのセルのマイクロ波照射前の表面温度と真空度を図4.3.2-3に示す。Ở

before irradiation
Coupon
name

SFU-A

SFU-B

SFU-C

SFU-D

Temperature

20.8

18

30.6

20.7

4!10-42!10-44!10-4

5!10-4["]
Vacuum level[Pa]Ở

表Ở 4.3.2-3Ở 温度と真空度（マイクロ波照射前）Ở
TableỞ4.3.2-3ỞTemperatureỞandỞvacuumỞlevels(BeforeỞirradiatingỞtheỞmicroỞwave.Ở)Ở
以上のような試験条件で照射を開始したのであるが、ここで述べているマイクロ波の発光電力値とはそれぞれのセルにおいて１度目の発光を映像により確認した時点のマイクロ波電力値であり、発光以前の照射時間、つまり発光するまでにセルに与えたエネルギー及び圧力の変化による影響は考えていない。また SFU-A については１度目の発光の際、CCD カメラをチャンバー内へ投入していたためノイズがひどく発光が確認出来たのはかなり強く発光し始めた時点からである。試験結果を図 4.3.2-4
に示す。Ở

355

Coupon
name

SFU-A

SFU-B

SFU-C

SFU-D

Microwave
power [W]

110

67

130

150
Ở

図 4.3.2-4Ở マイクロ波による発光を最初に確認した時の電力値Ở
FigỞ4.3.2-4ỞElectricỞpowerỞvalueỞwhenỞluminescenceỞbecauseỞofỞmicroỞwaveỞisỞconfirmedỞfirstỞ
Ở
この測定結果より 100W 程度の範囲にばらつきがあるが、発光開始するマイクロ波電力のしきい値といえるものが 60W から 150W の間付近にあるのではないかと考えられる。しかしそれを結論付けるためには今後さらに多くのデータを蓄積していかなければならない。Ở
ỞỞ

4.3.3 発光画像Ở
この節ではマイクロ波による放電の発光画像を比較する。初めに SFU-A についてであるが、上でも述べたように、放電画像にはかなりのノイズが含まれている。発光を確認したのはマイクロ波照射開始から 36 秒後で、マイクロ波出力 110W のときである。その発光は連続的で、グロー放電のような発光である。発光開始から 12 秒間多少の揺らぎはあったが途中で点滅したりすることはなかった。12秒後それまで連続的に発光していた光は突然きえた。その後マイクロ波出力 140W に上昇させると別の箇所が発光しはじめた。この発光も連続的でグロー放電のようであった。この時の発光画像を図4.3.3-1 に示す。Ở
ỞỞỞ
図Ở 4.3.3-1Ở 発光画像 1.1（SFU-A）Ở
FIGỞ4.3.3-1ỞLuminescenceỞimageỞ1.1(SFU-A)Ở
Ở
放電が発生している箇所は2番目と3番目のインターコネクターであるỞ
CCDカメラの故障後、別のカメラでチャンバー上部から撮影して、実験を続けた。マイクロ波出力90Wのとき連続的な弱い発光を確認した。このときマイクロ波出力をゼロにすると発光は消えた。再び出356

力100Wに戻すと連続的な弱い発光をはじめ、出力135Wでの強い発光へ移行した。またこの強い発光
は発光途中に位置を変化させた。この時の発光画像を図4.3.3-2に示す。Ở
ỞỞ
図Ở 4.3.3-2Ở 発光画像 1.2(SFU-A)Ở
FIGỞ4.3.3-2ỞLuminescenceỞimage1.2(SFU-A)Ở
Ở
この発光は3番目のインターコネクターで起きている。Ở
Ở
次にSFU-Bの発光画像について述べる。この時の発光はマイクロ波出力67Wの時に確認された。初めはトリガー放電のようなパルス発光があり、その2秒後もう一度同様にトリガー放電のようなパルス発光がおこり、続いてこのすぐ後から連続的な発光へ移行した。この連続的な発光は次第に強くなっていった。そしてマイクロ波出力を止めるまでの11秒間続いた。この時の最も強い発光画像を図4.3.3-3に示す。Ở

Ở
図Ở 4.3.3-3Ở 発光画像 2(SFU-B)Ở
FIGỞ4.3.3-3ỞLuminescenceỞimage2(SFU-B)Ở
Ở
画像から放電が発生している箇所は 2 番目のインターコネクターである。Ở
Ở
Ở
次に SFU-C の発光画像について述べる。はじめ 130W のときに弱い連続的な発光が確認され、その数後別の箇所でマイクロは出力 150W のときにトリガー放電のようなパルス発光が確認され。一旦出力を落とし、再び照射を開始すると、その箇所でマイクロ波出力 50W 程度で発光しはじめ、発光に強弱はあるが連続的な発光が確認された。これは 20 秒間続いて消えた。この時の発光を図 4.3.3-4 に示
す。Ở

357

Ở

Ở
図Ở 4.3.3-4Ở 発光画像 3(SFU-C)Ở
FIGỞ4.3.3-4ỞLuminescenceỞimage3(SFU-C)Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

358

次に SFU-D について述べる。マイクロ波出力が 150W に到達した時点でトリガ放電のような短い発光があり、その後すぐに連続的な強い発光へ移行していった。この連続的な発光は狭い範囲であるが、2 箇所にわたって同時に発光しているようである。またこれまでの発光と違い発光の色が何色か変化しながら発光箇所も同時に変化して行くように見えた。パルス発光、連続発光の 2 箇所の発光画像を図4.3.3-5 に示す。Ở

Ở
図Ở 4.3.3-5Ở 発光画像 4(SFU-D)Ở
FIGỞ4.3.3-5LuminescenceỞimage4(SFU-D)Ở
これら 4 枚のクーポンの発光画像より、SFU-A をのぞいた発光に関して,発光は初めにパルス的な発光が発生し、その数秒経過したのち連続的な発光が発生している。SFU-A に関してはノイズが大きい
ため発光を観測した以前に同様なパルス発光があったことも考えられる。これまでの 4 枚のクーポンのチャンバー内部での位置とそれぞれの放電発生箇所を下にまとめて示す。ポイント（3,10,8）はチ
ャンバー内部の同じ位置を示している。縦方向の距離だけ見ると、SFU-B と SFU-C では 2 番目のイ
ンターコネクターの位置（41mm）で 3 回放電が発生している。SFU-A と SFU-D では 3 番目のインターコネクターの位置（62mm10mm）で放電が発生している。これを見ると放電が発生しやすい

場所はインターコネクターであるが、その位置は局所的ではなくある程度の幅の範囲内（ポイント（3,10,8）から縦 41mm˜72mm、横 40mm）にあるインターコネクターであると言える。Ở
Ở
Ở

359

Coupon
name

SFU-A

SFU-B

SFU-C

SFU-D

Luminescence The second
and third
part
inter
connector

The second
interconnector

The second
interconnector

The third
interconnectorỞ表Ở 4.3.3-6Ở 放電発生箇所Ở
TableỞ4.3.3-6Ở ElectricalỞdischargeỞgenerationỞpartỞ
Electric field measured point
Electrical discharge
luminescence points

verticalposition
SFU-A

SFU-B

SFU-C

SFU-D

10mm
41mm

51mm

41mm
62mm

72mm

40mm

Ở
図Ở 4.3.3-7Ở セルの位置と放電発生箇所Ở

FigỞ4.3.3-7ỞPositionỞandỞelectricalỞdischargeỞgenerationỞpartỞofỞcellỞ
Ở
これらの放電発生箇所は電界強度測定では観測していない点であるため電界強度は分からない。今後
はより詳細なチャンバー内の電界分布を測定する必要がある。Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

360

4.3.4 放電箇所顕微鏡観測Ở
この節では放電が発生した箇所の試験前後の顕微鏡写真の比較を行う。SFU-A の試験前後の拡大写真
を図 4.3.4-1 に示す。Ở

Ở
図Ở 4.3.4-1放電箇所拡大写真(SFU-A)Ở
FigỞ4.3.4-1ỞElectricalỞdischargeỞpartỞexpansionỞphotograph1(SFU-A)Ở
Ở
前節で画像により放電が確認された箇所は２番目と３番目のインターコネクターであった。しかし２番目のインターコネクターには放電痕を確認できなかった。上の放電痕は３番目の左のインターコネ
クターである。倍率 100 倍の写真は照射前の上部分が多少切れているが、照射後と比較すると明らかに、熱が加わったと見られる痕がある。しかし放電痕はインターコネクター表面にあるだけで、インターコネクターの形状等の大きな損傷には至っていない。次に 50 倍の拡大写真はこのインターコネク
ターの裏面である。照射前の拡大写真がないが、インターコネクター下面の接着剤と基板のカプトンが黒く焦げているのが分かる。これはカメラ交換後のマイクロ波照射の際に出来たものと思われる。
その理由として、放電画像 1.2 では発光位置が移動していたが、この放電痕が発光画像同様２箇所にわたって焦げていることから分かる。Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

361

次に SFU-B に関して述べる。放電画像から放電は 2 番目のインターコネクターで起きている。拡大
写真からもそれが確認できる。図 4.3.4-2 に放電痕の拡大写真を示す。Ở

Ở
図Ở 4.3.4-2Ở 放電箇所拡大写真2(SFU-B)Ở
FigỞ4.3.4-2ỞElectricalỞdischargeỞpartỞexpansionỞphotograph2(SFU-B)Ở
この放電痕は太陽電池セルの P 電極側のインターコネクター(写真上側)が激しく損傷している。P 電極
はセルの下側であり、放電により 200 倍、斜め 60の拡大写真でも分かるようにカバーガラスの下でセル自体にまで損傷が広がっている。Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

362

次に SFU-C に関して述べる。放電画像から放電は 2 番目のインターコネクター左右両方で起きている。拡大写真からもそれが確認できる。図 4.3.4-3 にまず右側のインターコネクターの放電痕の拡大
写真を示す。Ở

図Ở 4.3.4-3放電箇所拡大写真3.1(SFU-C)Ở
FigỞ4.3.4-3ỞElectricalỞdischargeỞpartỞexpansionỞphotographỞ3.1(SFU-C)Ở
このセルはインターコネクターが RTV でコーティングされていたにも関わらずその上から放電が発生している。放電痕は SFU-B で起きた放電痕と類似していて、カバーガラス表面には損傷はなく、カバーガラスとセルの間での損傷が激しいことから、これも P 電極側のインターコネクターで発生しているように見える。Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

363

図 4.3.4-4 及び図 4.3.4-5 に左側のインターコネクター放電痕の拡大写真を示す。この箇所は表面だ
けではなく裏面にも損傷が確認された。Ở

Ở
図Ở 4.3.4-4Ở 放電箇所拡大写真3.2(SFU-C)Ở
FigỞ4.3.4-4ỞElectricalỞdischargeỞpartỞexpansionỞphotographỞ3.2(SFU-C)Ở

364

Ở図Ở 4.3.4-5放電箇所拡大写真3.3(SFU-C)Ở
FigỞ4.3.4-5Ở Ở ElectricalỞdischargeỞpartỞexpansionỞphotographỞ3.3(SFU-C)Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

365

次に SFU-D に関して述べる。放電画像から放電は３番目のインターコネクターで起きている。拡大
写真からもそれが確認できる。図 4.3.4-6 に放電痕の拡大写真を示す。この放電痕も P 電極側にある
インターコネクターで発生している。Ở

Ở
図Ở 4.3.4-6Ở 放電箇所拡大写真4(SFU-D)Ở
Fig 4.3.4-6 Electrical discharge part expansion photograph 4(SFU-D)
顕微鏡観測についてまとめる。今回の放電はすべてインターコネクターで発生している。また放電痕
は SFU-A を除くとすべて同様に P 電極側のインターコネクターの上にあり、そこからカバーガラスの下面のセルにまで損傷が達している。SFU-A に関してはセルを配置した位置が他の 3 枚よりも10mm 下に配置している。この違いにより放電痕が異なるのではないかと考えられる。つまりセルを同じ位置に配置してマイクロ波照射を行った SFU-A を除く 3 枚のセルに関しては放電の発生機構が同様であり、よく再現すると言える。しかしその発生機構がマルチパクタ放電であるか、高周波放電であるのかはわかっていない。今後この発生機構を解明するために太陽電池セルを使用して試験を行うのではなく、より簡単化した試供体を製作して発生機構の解明を行う必要がある。Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở
Ở

366

4.3.5 圧力波形の変化Ở
圧力変化は放電に関わる重要なパラメータの一つである。放電が発生したときの圧力変化と発生しなかったときの圧力と出力の関係を図 4.3.5-1 にそれぞれ示す。Ở

With electrical discharge
10
Continuous
luminescence

Without electrical discharge
10-2

Pulse
luminescence

10-4
300

250
200
150
100
50
01000

1050

1100
Time,s

1150

Pressure,Pa

10-3

Microwave power,W

Microwave power,WPrssure,Pa

-2

10-3

10-4
250
200
150
100
50

1200

0 100

150

200
Time,s250300

図 4.3.5-1Ở 放電発生の有無による圧力と出力の関係の違いỞFigỞ4.3.5-1ỞDifferenceỞofỞrelationỞbetweenỞpressureỞandỞoutputỞbyỞpresenceỞofỞelectricalỞ
dischargeỞ
Ở
右のグラフの放電が発生していないとき出力は与えられているが圧力上昇が 10-3Pa 台から変化していないのがわかる。左のグラフの放電が発生した時は 10 -3Pa 付近でふらついており、パルス発光の直前には何度か急激な圧力上昇が確認できる。またその後の連続発光では一気に 10-3Pa 台から 10-2Pa 台への圧力上昇が確認できる。セルや基板またそれらをつなぐケーブル等がマイクロ波を照射されると、温度上昇によりガス放出を起こす。セルの発光点は 2 番目又は 3 番目のインターコネクターの２箇所に偏っている。このため、この付近の物質（RTV 等）からガスが発生し、このガスがインターコネク
ターに集中し、局所的な圧力の急上昇から放電を引き起こしたかも知れない。一度放電が発生するとさらに新しくプラズマが生成され、電子がマイクロ波エネルギーを吸収して連続的な発光にいたるのではないか考えられる。これより放電発生の条件としてチャンバーの雰囲気圧力 10-3Pa のしきい値があるにではないかと考えられる。Ở
ỞỞ
4.3.6APD 波形Ở
今回アバランシェフォトダイオード（APD）により放電による発光確認を行った。しかし CCD カメラと同様に APD 波形にはマイクロ波によるノイズが激しく含まれている。まず APD の受光部を黒いシートにより覆い、光が入らないようにした状態で測定を行った。この時の波形を 50W、200W とそ
れぞれ図 4.3.6-1 に示す。Ở

367

50W

200W
0.25

0.2

APD output,V

APD output ,V

0.25
0.15
0.1
0.05
0
-0.05 -5
-3 10 -2 10-5-1 10-5 0 1 10-5 2 10-5 3 10-5
Time,s

0.2
0.15
0.1
0.05
0
-0.05 -5
-3 10 -2 10-5-1 10-5 0 1 10-5 2 10-5 3 10-5
Time,sỞ図Ở 4.3.6-1Ở APD 出力波形 1(暗状態)Ở
FIGỞ4.3.6-1Ở Ở APDỞoutputỞwaveỞform1Ở
マイクロ波の出力に比例して、DC 成分 AC 成分両方にノイズが含まれている。特に AC 成分のノイズ
は周波数 50kHz 程度である。Ở
図 4.3.6-2 にマイクロ波照射しているが、発光していないときの APD の出力波形を示す。Ở

ADP output,V

208W
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
-3 10-4-2 10-4-1 10-4 0 100 1 10-4 2 10-4 3 10-4
Time,sỞ図Ở 4.3.6-2Ở APD 出力波形 2Ở
FigỞ4.3.6-2Ở APDỞoutputỞwaveỞform2Ở
このように DC 成分が全体的に増加している。AC,DC のどちらか成分のみがマイクロ波の出力値に比
例して増加していくのではない。Ở

APD output,V

0.25

180W

0.2
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-3 10-5-2 10-5-1 10-5 0 1 10-5 2 10-5 3 10-5
Time,sỞ図Ở 4.3.6-3Ở APD 出力波形 3Ở
FigỞ4.3.6-3ỞAPDỞoutputỞwaveỞform3Ở
図 4.3.6-3 は発光しているときの波形である。この波形を見ると、一見周期的に発光しているようにみえるが、この周期は図Ở 4.3.1.5-1 で示したように光を遮断した時に見られたノイズによるものと同一である。また振幅のピーク値を見ても図 4.3.1.5-2 に示した発光していないときのノイズによる波形のピーク値を下回っている。このように波形からはどの部分が発光によるものでどの部分がノイズによるものであるのか判断できなかった。このため 4.1.1 項で示したようなパルス発光のような弱い発光による APD 信号は取得できなかった。また連続的な発光に対しても測定時間幅が短すぎるため取得出来ていない。今回使用した APD は温度補償回路、増幅回路内蔵である。その回路をマイクロ波の368

ノイズが通ったため正しく出力できなかったのではないかと思われる。マイクロ波によるノイズの中でどのように信号測定をしていくかは今後の大きな課題である。Ở
ỞỞ

4.3.7 セルの水平配置照射実験Ở
4.2.2 項で測定した電界分布のうち２番目に電界強度の大きな点を中心としてセルを図 4.3.7-1 のように地面と平行に配置して試験を行った。Ở

Ở
図Ở 4.3.7-1Ở 真空チャンバー内部と実験回路図Ở
FigỞ4.3.7-1ỞInnerỞstructureỞofỞvacuumỞchamberỞandỞexperimentỞcircuitỞchartỞ
試験は同じクーポンを用いて 2 回行った。このときの照射前の条件を表 4.3.7-2 に示す。Ở

Couponname

Before irradiation
Temperature Vacuum
level[Pa]
["]

Test1

SFU-E

23.7

1.5!10-4

Test2

SFU-E

22.2

2.2!10-4Ở

表Ở 4.3.7-2Ở 温度と真空度（マイクロ波照射前）Ở
FigỞ4.3.7-2ỞTemperatureỞandỞvacuumỞlevelsỞ(BeforeỞirradiating)Ở
Ở
試験 1 では照射時間 4 分 14 秒、10W 刻みで 160W まで照射した。この時発光は確認できなかった。
照射後の圧力は 9.66

10-4Pa まで上昇していた。照射試Ở 験 2 では照射時間 8 分 25 秒、200W まで照射をおこなった。しかしこのときも発光は確認できなかった。照射後の圧力は 1

10-3Pa,セル表面

温度は 68.5 度であった。試験回数が少ないが、セルを水平に配置した場合マイクロ波を照射しても放電は発生しなかった。Ở
ỞỞ

4.3.8 セルの配置と電界方向Ở
セルを水平に配置する場合と垂直に配置する場合の電界方向との関係を述べる。まずチャンバー内部
では図 3.2-2 で示したような TE 11 モードで電界は分布していると仮定する。つまり電界はチャンバー
内部では地面と垂直方向であると考えられる。この様子を図 4.3.8-1 に示す。Ở

369

Ở
図Ở 4.3.8-1 セルの配置と電界方向の関係Ở
Fig4.3.8-1ỞRelationỞbetweenỞarrangementỞandỞdirectionỞofỞelectricỞfieldỞofỞcellỞ
これよりセルの配置仕方によりインターコネクターにかかる電界方向に違いがある。放電が発生する
かしないかはこの違いによると考えられる。Ở
ỞỞ

4.3.9Ở マルチパクタ放電発生の電界強度の見積もりỞ
本研究では、マイクロ波照射された太陽電池セル表面でマルチパクタ放電が発生の可能性の検証が目的である。そのためここではマルチパクタ放電が発生するためにはどの程度の電界強度が必要である
か知ることは非常に重要である。そこでこの必要電界強度を理論的に計算し、実験で放電が発生した
時の電界強度との比較を行う。Ở
単一表面でマルチパクタ放電が発生するためには、2 次電子を 1 個以上放出するのに十分なエネルギ
ーを電子がマイクロ波電界から半周期中に得る必要がある。Ở
電子の運動方程式よりỞ

dv= eE sin(!t)
dteEv=
cos(! t)m!
eEv max =m!
Ởm

この時衝突エネルギーが 2 次電子放出係数 1 以上であるためのエネルギーを超えていなくてはならず、これを 50eV と仮定するとỞ

Eimpact =1m(v max )2 [kg ! m2 / s2 ] > 50[eV ]2

E 2 > 7.56 " 101 1[V / m]
E > 8.69 " 105 [V / m]

Ở

である。Ở
実験装置で最大出力のときの電界強度はỞ

370

E = 1.28 ! 10 3 [V/m]Ở
である。理論値から実験値は２桁以上も低い。Ở
また、2 表面間のマルチパクタ放電であると考えた場合、発生箇所をセル-インターコネクター間と仮定し、その距離は図 4.3-2 から 0.4mm であるので、参考文献 3 より最小電界はỞ

E=

m! 2 d1e4 +" 2 Ởであるので、Ở

E = 8.11! 10 5 [V / m] Ởである。この場合も理論値より実験値は 2 桁低い。しかし実際に放電は発生した。これより考えられることは 2 点あり、発生した放電がマルチパクタ放電ではなく別の発生機構による放電である。または、放電発生箇所での電界強度が測定点よりも極端に大きく、マルチパクタ放電発生の要電界強度を上回っていることである。マルチパクタ放電以外の要因であるかを確かめるには放電発生に関わるパラメータを少なくして試験を行うことが挙げられる。マルチパクタ放電であるかを確かめるには放電発生箇所のそばに短いアンテナとなるものを置きスペクトラムアナライザーに接続し、そのプラズマの発する電磁波の周波数を測定することが挙げられる。これはその中心周波数が 5GHz 付近であればマルチパクタ放電であり、MHz 帯を含む広帯域であれば高周波放電であるからである。Ở
Ở
Ở

371

第 5 章Ở 結論Ở
5.1Ở 総括Ở
Ở 本研究では真空中でマイクロ波照射された太陽電池アレイ表面の放電現象を確認する実験の装置開発から行った。真空中のセルへマイクロ波を照射するためにまずマイクロ波を真空チャンバー内部へ入射させることから始めた。これは独自で考案した電磁ホーンを使うことにより達成できた。真空チ
ャンバーにマイクロ波を入射させてからはマイクロ波のリーク対策を行った。測定機器に関してはノイズによりデータ取得が困難であり今後検討して行かなければならない。またセルへの照射実験するためにチャンバ−内部の電界強度を測定したところマルチパクター放電発生の理論値からは 2 桁も足りず、放電しないのではないかと思われた。しかしそのような低い電界強度の中で実際にマイクロ波照射を開始すると簡単に放電が発生してしまうことが判明した。Ở
Ở これらの実験結果から、マイクロ波照射された太陽電池表面の放電現象の発生にはいくつかの条件があることがわかった。それは P 電極側のインターコネクターに偏って放電は発生し、その発生箇所
はインターコネクターであればどのインターコネクターでも発生するという訳ではなく、照射したクーポンの特定の箇所（上から 2~3 番目のインターコネクター）に限られており、マイクロ波のチャン
バー内での電界強度分布に関係していると思われる。観測された放電現象には大きく分けて２種類あり、パルス的な放電と連続的な放電があった。また放電発生にはマイクロ波に対するセルの向きが重要であり、放電が発生する向きと発生しない向きがあることがわかった。また放電が発生するにはチャンバー内雰囲気圧力が 10-3Pa を超えなければならないということがわかった。Ở
Ở

5.2 今後の課題Ở
今回の実験はマイクロ波照射された太陽電池表面で放電が発生するという現象を確認しただけである。
この放電がマルチパクタ放電であるのか、高周波放電であるのかなど放電発生のメカニズムは解明されていない。今後の課題としてこの放電現象の発生メカニズムの解明のため、より簡単化したクーポンで実験を行うこと、またクーポン表面の状態が放電発生に関連しているかを調べること、クーポンの配置と放電発生との関連について調べることなどが挙げられる。また今回は真空中で実験を行ったがより実際に近い状態を模擬するためにはプラズマ環境下で同様の実験を行う必要がある。更に SSPSを運用する前段階の確認として、実際の SSPS で使用が予定されているパッチアンテナの現物にマイクロ波を照射し、放電が発生するかを調べる。また実際の衛星で観測されている表面帯電によって発生するトリガ放電がマイクロ波のエネルギーを吸収して成長するのかどうかを調べることなどが挙げ
られる。Ở
Ở

372

付録 1Ở マグネトロンによるマイクロ波発生Ở

Ở

マグネトロンは陰極であるフィラメントを中心にして、陽極である空洞共振器が同心円上に配置されている２極管構造である。陰極と陽極の間の空間は作用空間と呼ばれている。マグネトロンの内部構造を図 1-1 に示す。Ở

Anode

Output antenna

CathodeB

E

Cavity resonatorỞ Ở Ở Ở Ở Ở 図 1-1Ở マ

グネトロンの構造ỞỞ Ở Ở Ở Ở Ở Fig1-1Ở StructureỞofỞmagnetronỞ

まず陽極、陰極間には高電圧を印加することにより陽極から陰極方向へ静電界Eが発生する。また陰極であるフィラメントは加熱されることで熱電子放出を起こして電子を放出する。そこに２極の軸方向から磁石により外部磁界Ｂを印加するとフィラメン
トから放出された電子はE Bドリフトにより作用空間内を図3.1-1のように回転運動する。また、共振器内に電磁界が存在する場合の電気力線を図1-2に示す。Ở
Ở

Anode

B

!

+
-

-

-

+
-

Cathode-Ở

図 1-2Ở 高周波電界と電子の動きỞ

Fig1-2Ở HighỞfrequencyỞelectricỞfieldỞandỞMovementỞofỞelectronỞ
Ở
373

ここでは印加電圧による電界は無視してある。このとき電子は位置によって異なった動きをする。陽極片付近では電界は半径方向が強いので、電子は円周方向にドリフトする。その結果電子はこの部分に集まることになる。これを集群作用と呼ぶ。空洞共振器の入り口付近では、電界は円周方向が強くなり、そのため電子は陰極または陽極方向にドリフトする。陽極方向にドリフトする場合、電子はポテンシャルの低い方向へ移動するが直交場の中ではドリフト速度は一定のため、電子はエネルギーを失う。
その結果印加電界から電子を介して電磁界へエネルギーが移る。一方陰極方向へドリ
フトする場合、電子はポテンシャルの高い方向へ移動するが速度は保たれるので、電子はエネルギーを得る。そのため電磁界から電子へエネルギーが移る。このような行
程によりマグネトロンからマイクロ波が出力する。Ở
Ở374

付録 2Ở
SFU-D に関しては 5 番目のインターコネクターの裏面で下に示すような放電痕が確認された。これは基盤であるカプトンが放電の加熱により焼失している。Ở

Ở375

付録 3Ở
二表面間マルチパクタ放電発生のための必要電界Ở
電子の運動方程式Ở
d2zm 2 = !eE cos ("t + # )Ở Ở Ở dtỞ Ở Ở Ở Ở Ở Ở (1)ỞỞ Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở (E ! 0) Ở
電子の初速度 0 の初期条件よりỞ

! dz $
z(0) = 0, # & = 0" dt %ỞỞỞỞỞ Ở (2)Ở
で解くとỞ
v (t ) = !

eE{sin("t + # ) ! sin # }m"Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở (3)ỞỞz (t ) =eE{cos (!t + " ) + !t sin " # cos "}m! 2Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở (4)Ở位相条件を考える。Ở
ここで電子は 1 周期内で表面に戻ると仮定する。Ở
放出点で(2)の初期条件の電子が（1）に従って加速されるには、Ở
!
3!
"# "
2
2 Ở
でなくてはならない。Ở
また電子放出の電極と対向する電極に電子が到達する時刻に、マイクロ波の位相がπだけ変化していると、対向する電極で発生した二次電子は逆方向へ加速されて、元の電極に一周期遅れて到達する。二次電子の初速度を 0 と仮定するとỞ

!t = " Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở z(t) = d Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở （6）Ởのときマルチパクタ放電が発生する。Ở
(4)と(6)よりỞ

E(! ) =

m" 2 d1
e # sin ! $ 2 cos ! Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở (7)Ởとなる。Ởこの電界の最小値を求める。Ở
（７）式の独立変数φについてỞd= ( " sin ! # 2 cos ! ) = " cos ! + 2 sin ! = 0d!
Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở Ở (11)Ở

376

tan ! = "#2 Ở Ở Ở Ở Ở , ! = 2.13771 Ở

よってỞE(! )min =m" 2 de

1
4 + #2 Ở

となる。Ở
Ở
Ở

377

付録 4Ở
高周波放電Ở

!"#$%&' µiL!"#$&()* x =
+,

L=

µi E
sin !t!

2 µi E!

f-./0123456789:1!"#$;<./
L"dx=>$?@AB$C53D-3,EFGHIJJJKLM(
0NOIPQERSTU0(N1V(E$1E"l = log + 1&

#

%r

'

3Y6Z[\K]^

W4

378

X4

参考文献Ở
Ở
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ンディショニングの可能性”、Ở AcceleratorỞStudyỞNote(ASN)-413ỞJanỞ18Ở1998Ở Ở*４Ở R.A.KishekỞandỞY.Y.LauỞ“MultipactorỞDischargeỞonỞaỞDielectric”Ở
PHYSICALỞREVIEWỞLETTERSỞVOLUMEỞ80,NUMBERỞ1Ở,Ở5ỞJANỞ1998Ở*５杉浦Ở 寅彦、石井Ở 順也、弓場Ở 芳治、阿座上Ở 孝共著Ở “マイクロ波工学”、朝倉書店Ở
*６武田Ở 進著、“気体放電の基礎”東京電機大学出版局Ở 1993Ở
*7 大森Ở 俊一、横島一郎、中根Ở 央共著Ở “高周波・マイクロ波測定、コロナ社、
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INSTRUMENTS,ỞVOLUMEỞ72,NUMBERỞ7ỞJULYỞ2001Ở

379

謝辞
本研究の機会を与えていただき、さらに本研究の遂行並びに本論文の作成にあたりご指導を頂きました九州工業大学工学部教授、趙孟佑先生に心から感謝すると共に厚く御礼申し上げます。また、本研究の一部は宇宙航空研究開発機構共同研究『宇宙環境への高電圧バス技術の適用性の研究』の一環としておこなわれた。また九州工業大学
産学官連携研究員細田聡史氏、金正浩氏、JAXA 高度ミッション研究センター主任開発部員Ở 久田安正氏、マイクロ電子株式会社代表取締役Ở 大友司郎氏に感謝します。
最後に、種々の御協力を頂きました九州工業大学電気工学科趙研究室の同諸君に感謝致します。

380