J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.11 (2020)６８０‐６８７講座 宇宙機用電気推進機のための計測法

２．宇宙機用電気推進機のためのプローブ計測
2. Probe Measurement Methods for Study of Electric Propulsion
渡邊裕樹
WATANABE Hiroki
宇宙航空研究開発機構（原稿受付：２
０
２
０年０
７月２
０日）

電気推進機自身の損失割合や宇宙空間での排気プラズマと宇宙機の相互干渉の予測，数値解析コードの検証などには，推進機から排気される推進剤イオンの特性をプローブにより計測する必要があります．本章では，推進剤イオンのプローブ計測器として代表的なガード電極付平面プローブ，逆電位アナライザ，"!!プローブについて解説するとともに，すべてのプローブで必須の微少電流計測についても解説します．
Keywords:
electric rocket propulsion, Faraday probe, retarding potential analyzer, "!!probe, low-current measurement２．
１ はじめに測し，放電電圧に対する割合を求める必要があります．加第１章で述べられた通り，電気推進機の推力発生の大半

えて，多価イオン生成による損失や損耗に対する影響を予は推進剤イオンの噴射によるものなので，排気イオンの特測するために "!!プローブにより多価イオンの生成量を性を計測し，把握することは推進機の放電状態や損失割合計測する必要があります．より詳しいプローブ計測結果をを予測する上で有効な手段になります．筆者はこれまでに用いたホールスラスタの体系的な損失評価については，

ホールスラスタやイオンエンジンといった推進剤イオンをBrown らの論文
［２］を確認ください．

静電的に加速する静電加速型［１］の電気推進機の研究開発

一方，荷電分離によりイオンを加速するイオンエンジンに従事してきました．放電チャネル内で準中性的にイオンの場合には排気されたイオンビーム電流が電気回路上で計生成と加速が行われるホールスラスタは，性能を把握する

測でき，イオンエネルギーも加速電圧でほぼ決まるため，ために，第４章で紹介されるように推力計測装置を用いて推力計測やプローブ計測を行わなくても推力と損失割合を推力を計測します．推力計測により，投入した電気エネル

電流と電圧からある程度予測可能です．しかし，すべてのギーが運動エネルギーにどの程度変換されたかを示すア

イオンが１価であるとの仮定が必要な点，また，イオンのノード効率を求めることができます．一方で，推力計測だ

発散による損失は考慮できないため，静電プローブによるけでは損失の内訳まで把握することはできません．

発散角の算出や "!!プローブによる多価イオンの存在比

例えば，ホールスラスタでは推進剤を１００％電離し，加速の算出により，イオンビーム電流から算出した推力や損失することは困難です．このため，供給した推進剤の内，ど割合の補正を行います［３］．

の程度の推進剤が電離し，加速されたかを把握する必要が以上のように電気推進機の研究開発において，効率改善あり，このためには静電プローブを用いてイオンビーム電のために各種プローブによる排気プラズマ計測は有効で流密度の空間分布を計測し，イオンビーム電流の総量を求す．また，プローブ計測はそれだけにとどまらず，人工衛める必要があります．加えて，イオンビームの空間分布か

星や探査機といった宇宙機に電気推進機を搭載する際にらビームの発散角を求めることにより，宇宙機の加速・減は，推進機から排気される推進剤プラズマが宇宙機自身に速に寄与しない発散による損失を求めることができます．

衝突し，不必要なトルクやスパッタリングによる宇宙機表

また，放電チャネル内でのイオン生成にどの程度のエネル

面の損耗，損耗物質の再付着による宇宙機表面の汚染が発ギーが費やされたかを予測するためには，イオンビーム電生するため，プローブ計測により排気プラズマの密度の空流の総量と放電電流の差分から，余分にアノードに流れた間分布やエネルギーなどの素性を把握しておくことは，宇電子電流の値を算出する必要がありますし，中和電子がイ

宙機の機能を維持する上で重要なことです［４］．加えて，

オンビームを中和するのに要するエネルギーは，逆電位ア

プローブを挿入するのが困難な推進機内プラズマの挙動のナライザによりイオンエネルギーを，ラングミュアやエ

把握や推進機の設計に使用される数値シミュレーションのミッシブプローブの I-V 特性から排気プラズマの電位を計

検証や境界条件の設定にも排気プラズマの計測結果は活用Japan Aerospace Exploration Agency, Sagamihara, KANAGAWA, 252-5210, Japanauthor’s e-mail: watanabe.hiroki@jaxa.jp

６８０!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

2. Probe Measurement Methods for Study of Electric Propulsion

H. Watanabe

されます［５］．
このため，プラズマ物理や核融合プラズマ分野の先人たちが構築してきた各種測定器の技術［６］をもとに，電気推進機からの排気プラズマの計測に適した各種プローブ形状の研究やその精度評価が推進機の研究開発とともに行われてきました．本章では，図１に外観を示す電気推進機用のガード電極付平面プローブ，逆電位アナライザ，"!!プ
ローブについて解説します．また，紙面の都合から，計測結果の処理や補正方法，計測精度の議論については文献を紹介するにとどめ，測定原理や計測結果の一例を説明した
後，各プローブの製作方法について詳しく説明します．なお，計測結果の一例は過去に筆者が計測した小型ホールス
ラスタ［７］のものになります．

２．
２ ガード電極付平面プローブ

図２

ガード電極付平面プローブによる計測結果の一例．

電気推進機からの総イオンビーム電流の計測は，ビーム径に対して十分に大きな電極を推進機下流に設置し，負電のイオンビーム電流密度分布を計測し，積分により総イオ圧に印加することによりイオン飽和電流を計測すれば，簡

ンビーム電流や発散角を算出します．

単に計測することができます．しかし，この方法の場合，空間的にプラズマ密度が大きく変化するイオンビーム電電極材料がスパッタにより飛散し，推進機や真空チャン

流密度を静電プローブで正確に計測するには，イオンの捕バーを汚染します．また，電極に衝突し，中性粒子に戻っ集面積を可能な限り一定に保つ必要があり，図３に示すよた残留推進剤が推進機の作動に影響を与える場合がありまうなシース端効果を抑制し，コレクタ電極表面積と同じ捕す．加えて，イオンビームの発散角も計測することができ集面積を持ったシースを形成するためのガード電極付きのないため，一般的には，負電圧を印加した静電プローブを

平面プローブ（電気推進機のコミュニティではこの静電プ２軸の直線ステージや回転中心を推進機出口に合わせた回

ローブを「ファラデープローブ」と呼ぶことがあります）

転ステージを使って掃引し，図２に示すようなある平面でが良く使用されます．また，イオンビーム電流計測で一般的なファラデーカップ［８］も電気推進機の計測によく用いられますが，カップ内での残留推進剤とイオンの衝突による影響への懸念から，比較的大流量の推進剤を流すホール
スラスタではガード付平面プローブが使われる傾向があり
ます．一方で，真空ポンプの排気速度が十分でない場合には，一定量の推進剤が真空チャンバー内に残留し，推進機からの高速イオンと電荷交換衝突を起こし，低速イオンが発生，イオンビームが見かけ上広がるため，エネルギーに関係なく入射したイオンをすべて捕集するガード付平面プ
ローブでは，真空チャンバー内圧力が高い場合に発散角の算出誤差が大きくなる傾向を持ちます．ファラデーカップ
は入口のコリメータにより指向性の弱い低速イオンがイオ
ン捕集面に到達しにくい構造になっているため，電荷交換衝突による低速イオンの影響を受けにくい特性を持っています．
Mazouffre ら［９］は，ガードの無い平面プローブ，ガード付平面プローブ，ファラデーカップの３つのプローブについて比較評価を行い，推進機作動時に 10−3 Pa 以下の真空チャンバー内圧力を保持できる真空環境下であれば，ガー
ド付平面プローブとファラデーカップのイオン電流密度の空間分布が一致することを確認しています．また，電荷交換衝突による低速イオンの除去を目的に磁場によるフィル
タリング［１０］を実施するなど，残留推進剤による影響やイ
オンビーム電流計測に適した静電プローブについては，現図１

在でも研究課題の１つです．

各種プローブの外観写真．

本節では，構造が簡素で，筆者が製作したことがある
６８１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.11 November 2020

ガード付平面プローブについて詳細に解説します．なお，

タされ，飛散した真空チャンバー壁面材などにより絶縁抵

ラングミュアプローブやエミッシブプローブの I-V 特性に抗が低下しないように，ハウジングによる保護やコレク

よる排気プラズマの温度や電位計測も２．
１節で述べた通り

タ・ガード電極間隙は図３のようなラビリンス構造にし，で重要ですが，製作で大きく躓くことがないと思われる飛散物質の絶縁物上への堆積を抑制する必要があります．

点，測定原理や精度，注意点など本誌で過去に集中講座

加えて，排気プラズマによりプローブは加熱されるため，［１１］が組まれており，Lobbia ら［１２］や Sheehan ら［１３］がラ

耐熱性を考慮する必要があり，以上の観点から，絶縁物にングミュアおよびエミッシブプローブによる電気推進機のはセラミックスを使用します．高熱伝導率，高耐熱衝撃のプラズマ計測について総説論文を出していますので，そち窒化ホウ素や高い強度を持つアルミナを使用するのが一般

らを確認ください．また，ガード付平面プローブについて的ですが，加工コストが高くなります．このため，熱的なは Brown ら［１４］が，測定原理や製作方法をはじめ，捕集面

特性や機械的な特性は若干妥協して，マコール!などのガ積の補正方法や真空チャンバー内の残留推進剤との衝突にラス系のマシナブルセラミックスや熱的に耐えられるのでよる計測誤差，プローブの掃引方法や推進機とプローブ相

あれば PEEK などの耐熱性樹脂を使用することも検討して対位置の補正となどを網羅的に解説した総説論文を出して良いと思います．これであれば，丸棒を購入し，大学の工いますので，本講座を読んで興味を持たれた方はそちらを作機械室で旋盤加工することができ，加工コストを抑制で確認することをお勧めします．

きます．

ガード付平面プローブは図３に示すように，イオン電流

ハウジングもコレクタやガードと同様に，排気プラズマを計測するコレクタ電極，シース端の広がりを抑制するに曝露されるため，グラファイトやモリブデンなどの耐スガード電極，これら２つを保持する絶縁物と電極に電線をパッタ性の強い材料を使用するに越したことはありませ

結線するためのボルトの頭などをプラズマに曝露しないよん．しかし，ビームを正面から受けない点，また，各電極

う全体を覆うハウジングから構成されています．コレクタ

や絶縁物と違い計測精度に大きな影響を及ぼす部品ではなとガードは二次電子放出による影響を同じにするため，同いため，加工コストを抑制するために，実験環境を考慮しじ材質で製作する必要があります．また，高速で入射するながら，SUS３１６などの入手性が良い非磁性のステンレス

イオンによるスパッタリングに耐えるため，耐スパッタ性を使用するのも良いと思います．ステンレスであれば，工の強い材料を使用します．さらに，ガード付平面プローブ

作機械室で円板と円筒をそれぞれ加工し，TIG 溶接機で点には二次電子放出を抑制する機能が備わっていないため，付けすることにより，安価に自作することができます．

推進剤であるキセノンなどのイオンの入射に対する二次電以上，ガード電極付平面プローブの各部品の材料につい子放出係数についての実験データが存在する材料を選定て述べてきましたが，設計にあたって重要な寸法は，コレ

し，次節以降で解説する逆電位アナライザや "!!プロー"，コレクタとガードの間隙（!$）およびクタの外径（!
#）

ブなどによる計測結果から，二次電子放出による影響につ"ガードの外径（!
%）になります．図３に各寸法の設計指針

いて補正［１４］を行う必要があります．以上の観点から，コ［１４］を示します．まず，コレクタ外径はイオンビーム電流

レクタおよびガード電極には純モリブデンや純タングステ

密度の空間的な分解能により決まります．プローブを回転ンが良く使われます．

ステージに載せ，推進機の出口を中心軸に推進機出口からコレクタとガードを固定する絶縁物は，各電極を構造的距離 "で円弧掃引した場合，電流密度の角度分解能 "はに支え，十分な電気絶縁性を持つ必要があります．コレク"の関係から求まります．例えば，スラスタから 1 m"!
#""

タ・ガード間の絶縁抵抗が低いとガードからコレクタへの

下流で角度分解能 1 deg を得たい場合には，コレクタ外径

漏れ電流が増加するため，イオンビーム電流が見かけ上増は 17 mm 程度に設定する必要があります．次に，電極間隙加し，計測誤差となります．このため，コレクタ・ガード

は均一なシース面を形成する観点からの寸法決定となるた間の絶縁抵抗は実験前後に絶縁抵抗計などにより，排気プ

め，排気プラズマのデバイ長!"の５〜１０倍以下に設定しまラズマ・コレクタ間の抵抗に比べて十分に大きいことを確す．例えば，最大で 1016 m−3，1 eV の排気プラズマを考え認する必要があります．また，イオンビームによりスパッた場合，デバイ長は 0.08 mm 程度のため，間隙は 0.5 mmに設定します．プローブを推進機に近づけると排気プラズ
マ密度は上昇し，より狭い間隙が要求されるので，加工精度やはめ合いによるズレを考慮しながら，計測距離と間隙については設定してください．最後に，ガード外径は薄い
シース条件が有効になるよう排気プラズマのデバイ長の１００倍以上に設定します．例えば，5×1014 m−3，1 eV が下限の排気プラズマの計測の場合には，デバイ長は 0.33 mm
程度ですので，ガード外径は 34 mm 程度に設定します．
プローブ長さ方向の寸法ですが，特に大きな制限はありません．しかし，Brown ら［１５］により電極間隙に入射したイオンのコレクタ側面での捕集が実験的に示唆されてお図３

ガード電極付平面プローブの概要．

り，コレクタ電極の長さ方向をパラメータにした補正が推６８２

Lecture Note

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H. Watanabe

奨されているため，絶縁物に固定するために必要な雌ねじは一定と仮定した場合，イオンのエネルギー分布関数

が加工できる最小の長さにコレクタおよびガード電極は設%#%は計測したイオン電流 "$$,**をグリッド３の掃引電圧定するのが良いと思います．また，ハウジングの長さは，##(".で微分することにより，以下のように求まります．

電線の結線が十分に行え，それを覆える程度に設計する必!
(&$!)&
%"
$
,*
*
'
'
%
#%
$
#!!$
'(
%##(".

要があります．
最後に，各部の配線やコレクタに流れるイオン電流計測（１）については，逆電位アナライザや ""!プローブと共通な

ここで，!$はイオン捕集面積，(&は電子密度，'(は推進剤点が多いため，
２．
５節にまとめますが，ガード付平面プロー

質量です．また，実効的なイオンの価数 )&''は，&価のイオ

ブはイオン飽和電流を測る機器ですので，コレクタおよびンの密度 ()と価数 ))を用いて，以下のように定義します．

ガードの負電圧をどの程度に設定すべきか，本格的な計測
!
)&
#
'
'

の前に印加電圧をパラメータに流れるイオン電流値を計測
し，電流が飽和しているか確認する必要があります．通常

!
!)$
()))
%
!)()

（２）

であ れ ば，−20 V 以 下 に す れ ば 十 分 に 飽 和 し ま す．ま図５に逆電位アナライザによる計測結果の一例として，

た，ガード電極の効果を確認するために，飽和する電圧以掃引電圧に対する捕集電流のプロットとその微分を示しま下の領域で印加電圧を変更してもイオン電流が大きく変化

す．なお，図５ではイオンエネルギーのピークを検出しやしないことを確認してください．

すいように，Savitzky-Golay 法により計測値を平滑化し，数値的に微分を行っています．電気推進機の損失を予測す

２．
３ 逆電位アナライザる際には，１つの方法として，このイオンエネルギーの

図４に排気された推進剤イオンのエネルギー分布関数を

ピークを最確イオンポテンシャル #+-として求め，静電加計測するための逆電位アナライザの概要を示します．逆電速の実効的な加速電圧 #"を算出します．ただし，図４に示位アナライザは，４枚の多孔グリッド電極とイオンコレク

すように逆電位アナライザの基準電位は多くの場合，真空タ電極，それらを保持する絶縁スペーサやハウジングで構

チャンバー電位（接地電位）にしますので，真空チャン

成されています．グリッド１は電位を浮遊にし，アナライ

バー電位に対する排気プラズマ電位 #-をラングミュアやザの電位が外に漏れださないように測定位置付近のプラズ

エミッシブプローブの I-V 特性から求め，実効的な加速電マ浮遊電位に設定します．グリッド２および４は直流電源圧を求める際にはその分を除く必要があります

により一定の負電圧を印加し，グリッド２は入射プラズマ（#"##+-!#-）．

からの電子を排斥し，グリッド４は各グリッドやコレクタ

以上のように，逆電位アナライザは電場によってイオンに入射したイオンによる２次電子放出を抑制するために用をフィルタリングするため，計測結果から１価と多価を区います．グリッド３は一定速度以下のイオンを排斥する

別することはできず，あくまで単位電荷あたりのエネル

フィルタとしての役割を持たせるため，直流電源により正

ギー分布関数を計測していることに注意してください．ま

電圧を印加，掃引します．なお，グリッド２および４の電た，平行平板電極間に電圧を印加し，入射したイオンの軌位は十分に電子を排斥するために−30 V 程度に設定し，グ道を電場により偏向し，イオンのエネルギー分布関数を計

リッド３については予想されるイオンエネルギーの 1.5 倍測する装置［１６］も電気推進機の排気プラズマ計測では使用程度の電圧まで掃引します．

されており，Beal ら［１７］が２つの測定器を使った逆電位ア２．
１節で述べた通り，一般的に電気推進機の排気プラズ

ナライザの相対評価を行っていますので，逆電位アナライ

マには多価イオンが含まれていますが，２．
４節で示すようザの計測精度についての議論はそちらを確認してくださに，排気イオンの９０％は１価イオンが占めます．このため，

い．

価数によらず，単位電荷あたりのイオンの運動エネルギー

図４

逆電位アナライザの概要．

図５

６８３

逆電位アナライザによる計測結果の一例．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.11 November 2020

２．
４ E×B プローブ

電子やイオンをフィルタリングするグリッド電極には，市販の金属メッシュやイオンスパッタ装置の加速グリッド

図６に排気プラズマ中の多価イオンの存在比を計測するのような多孔加工をした金属板を使用します．イオンビー

ための ""!プローブの概要を示します．""!プローブはムが衝突する部品のため，耐スパッタ性の高いものを使用

上流側のコリメータで直進するイオンビームのみをプローするのが望ましいですが，市販されている金属メッシュはブ内に入射させ，ビームに対して垂直かつ互いに直交する

ステンレス製が多く，モリブデンなどの多孔加工も高コストのため，SUS３１６などの非磁性のステンレスが良く用い

電場と磁場により形成されたウィーンフィルタによりイオ
ン速度 $の選別を行い，再度下流のコリメータで直進性をられます．また，ステンレスであれば化学エッチングによ担保し，最下流のイオンコレクタにより各イオン速度のイ

り安価に多孔加工が可能ですし，電位を与えるための電線オン電流を計測する機器です．ウィーンフィルタ部ではを溶接により簡単に取り付けることが可能になります．

ローレンツ力 #によりイオンの軌道は変化しますが，電場フィルタリングされたイオンを受けるコレクタ電極も耐ス"と磁場 !の影響が相殺するローレンツ力がゼロとなる速パッタ材のモリブデンなどで製作するのが望ましいです

度を持ったイオンは直進します．この通過イオン速度が，ガード電極付平面プローブに比べ，図５のように電流+-'..は以下の関係から求まります．

としては nA から μA オーダーと，グリッドにより入射する##),&$"!$"!%#!

イオンの量はかなり絞られますので，ステンレスや銅で製+-'..#

作することもあります．絶縁スペーサは２．
２節の静電プローブと同様の理由から，窒化ホウ素やアルミナが望ましいですが，使用条件によってはガラス系マシナブルセラ%"0 $(+'.#
#
!1
!1

（４）
（５）

ここで，各ベクトルは一方向の成分のみを持ちます．

ミックスや耐熱性樹脂の使用を検討しても問題ありませ

$#$
+/!
!
!
!
%

ん．ハウジングに関しても同様に SUS３１６などで問題あり

"#$
!",!
!
!
%

ませんが，イオンビームが直撃する正面部分のシールド機

!#$
!
!
!1%
!
!

能を担う箇所には，耐スパッタ材であるグラファイトやモ
リブデンの円板を用いるのが推奨されます．

（６）

通過させるイオンの選別は式（５）より電場か磁場を変化さ

逆電位アナライザで重要な寸法は，イオンを通す空間のせる必要がありますが，磁場は永久磁石により一定の強さ

大きさを決めるメッシュの目開き '*もしくはグリッド孔径を印加し，距離 %-を保った平行電極平板間に印加する電圧*#*，排気プラズマを荷電分離しイオンを減速する領域で$(+'.を変化させることにより印加電場を調整するのが計測あるグリッド２とグリッド３の 距 離 %#!$になります［１８］．

実施の観点から容易なため，一般的に採用されます．

目開きや孔径がデバイ長より大きい場合には，孔の中心で静電加速型の電気推進機の場合，推進剤質量や加速電圧の電位が低下 す るた め，一 様 な 電 場 を 維 持 す る ためには既知もしくは予測しやすいため，以下の式より j 価イオ

２節で'$& や #$& に設定する必要があります．２．
*
*"#
*"#

ンの速度 +,を予測することができます．

述 べ た 通 り，最 も 濃 い プ ラ ズ マ 計 測 時 で デ バ イ 長 は

$'
),&
#
+,#
% (+

0.08 mm程度ですので，２００メッシュ以上のステンレスメッ
シュや孔径 0.1 mm 程度のグリッドが良く使われます．ま（７）

た，グリッド３よりコレクタ側はイオンのみが存在する領

例えば，キセノンを推進剤とした放電電圧 200 V 作動の域になるため，空間電荷制限を回避するために，上流から

ホールスラスタの場合，推進剤質量は2.18×10−25 kg，実効のイオンの量を絞る観点から，グリッドの開孔率は３０％程的な加 速 電 圧 は 180 V 程 度 で あ る の で，イ オ ン 速 度 は度に設定するのが一般的です．

16.3 km/s（１価），23.0 km/s（２価），28.2 km/s（３価）となります．このため，""!プローブにより各イオン速度でグリッド間距離は空間電荷制限を回避するために，以下の関係から設定します．

のイオン電流を計測することにより，図７のように価数分"#%離することが可能となり，各価数の相対的なイオン電流値

$#
%

&
$
%#!$" ## # $ ! #!$" $&#)$ )/-$!"%（３）

ここで $#!$はグリッド２・グリッド３間の電位差になります．先に述べたようにグリッド２には電子を十分に排斥するために−30 V 程度の電圧を一般的に印加しますので，$#!$の最小値は 30 V 程度になります．また，排気プラズマの電子温度を 1 eV，デバイ長を 0.08 mm とすると，グリッド間距離は 1 mm 程度に設定する必要があります．逆電位
アナライザのグリッドはイオン光学系ですので，より正確に電場の張り出しやイオン軌道を把握し，最適な各グリッドの孔径や各グリッド間距離を設定するには数値シミュ
レーション［１９］の助けを借りる必要があります．

図６

６８４

E×B プローブの概要．

Lecture Note

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や存在比を求めることができます．存在比を求める際には
各価数のイオン電流のピーク値を求める方法，正規分布や三角形でのフィッティングにより面積を求める方法があり，Shastry ら［２０］が真空チャンバー内の残留推進剤との衝突による計測誤差ととともに，データ解析方法による誤差について言及しているので，そちらを確認してください．
ウィーンフィルタ部に一様な一方向磁場を形成するためには直方体のヨークを構築する必要があります．ヨークには磁気特性が良好な電磁軟鉄を使用しますが，柔らかく，加工が難しいため，重量は増加しますが入手性が良く，加工がしやすい SS400 などの炭素が多く含まれた構造鋼を使用しても問題ありません．ただし，ヨーク内での磁気飽和が起こらないよう磁場シミュレーションにより各寸法を決定してください．また，常に真空中にプローブを置いておく場合は問題ありませんが，大気で保管する可能性がある

図７

E×B プローブによる計測結果の一例．

場合には，防錆の観点から無電解ニッケルめっきを加工後に実施することをお勧めします．また，上下流のコリメー

ここで，"!，""，"#，"$はそれぞれ上流コリメータの入口

タもフィルタ内に挿入する場合には，磁場の浸透を防止す

孔径と出口孔径，下流コリメータの入口孔径と円筒コレクるためにヨークと同じ材質で製作します．磁場の発生に

タの外径になります．また，%，%%，%( はそれぞれウィーン&

は，許容温度に収まるようであれば，入手性が良く，大きフィルタ部の長さ，上流コリメータの長さ，下流コリメー

な板状のものがラインナップ化されているフェライト磁石

タの長さになります．式（８）より，分解能を上げるためにをお勧めしますが，耐熱性が必要な場合にはサマリウムコ

は各孔径を小さくするか，各部の長さを大きくする必要がバルト磁石を用いる必要があります．例えば，電極間距離ありますが，孔径を小さくするとコレクタへの入射イオン

を 10 mm とすると，先に挙げた数十 km/s のイオンを選別

電流が減少し，計測が困難になり，長さを大きくするとプ

するのに電極間に印加する電圧を 50 V 以下に抑えようとローブの重量増加を招きます．このため，多価イオンのした場合，式（５）より，磁場は 0.1 T 程度となりフェライト

ピークが検出できる分解能を検討し，精度よく計測可能な磁石でも簡単に形成できます．一方で，広範囲のイオン速

イオン電流と許容できるプローブ重量を踏まえながら，各度を計測する場合に，電場の強化だけでは対応できない場

寸法を決定してください．また，プローブに入射したイオ

合には，永久磁石ではなく，電磁石による磁場発生を検討

ンは壁面で中性粒子に戻りますが，プローブ外に流出しにしてください．

くいため，プローブ内でのイオンとの衝突を抑制するため""!プローブは後述するエネルギー分解能を高めるたに，ヨーク側面にガス抜き孔をいくつか開けることをお勧めします．

め，コリメータにより入射イオンの量をかなり絞り，イオン電 流 は pA か ら nA オ ー ダ ー に な り ま す．こ の た め，

これまで述べてきた通り，""!プローブはウィーン

ウィーンフィルタ部での偏向により平板電極に入射するイ

フィルタ部で直進したイオンを計測する装置です．このたオンによるスパッタ量は微少のため，電極には軽量で加工

め，上流コリメータと下流コリメータの軸合わせが非常に性が良いジュラルミンなどのアルミ材料を使っても問題あ重要です．組み上げ時には真直度が高い棒状の治具などをりません．また，一様電場を発生させるため，電極は十分使い，軸合わせを行ってください．一方で，どんなに軸合な剛性を持ち，側面に雌ねじが加工できる程度の板厚を設わせをしても加工精度やはめ合いによる軸ずれは起こるた

定してください．なお，コレクタやグリッド電極，入口のめ，その分，イオン電流のピークが出るイオン速度の値はシールドの材料の選定は２．
３節と同様です．

不確かなものになります．このため，今回は解説記事のた""!プローブは上下流にコリメータを配置し，可能なめ厳密性を求めずに図７のように横軸をイオン速度としま

限り直進イオンのみをコレクタに入射するように設計しましたが，一般的には ""!プローブの横軸は電極間に印加す が，孔 の 直 径 や コ リ メ ー タ 部 の 長 さ は 有 限 の た め，

した電圧を取り，多価イオンの存在比のみを算出するよう

ウィーンフィルタ部で若干軌道が曲がったイオンもコレクにし，イオンエネルギーの情報については逆電位アナライ

タに入射します．このため，図７に示すように，計測されザから算出します．ただし，軸ずれによるイオン速度は価る イ オ ン 電 流 は，あ る ピ ー ク イ オ ン エ ネ ル ギ ー

数に関係なくオフセットするため，逆電位アナライザで得"）に対して，あるエネルギーの幅 ( を持ちま
!（#!
!
&'''
"
'
す．この ""!プローブのエネルギー分解能 ( は以下の関られない１価と２価で単位電荷あたりの運動エネルギーは係式［２１］から求まります．

は用いることができます．

($$)!' "!!"" "#!"$
!
!
"
%
%
%
#
&
&

同じかなど，相対的な議論には ""!プローブの計測結果

２．
５ 微少電流計測（８）

これまで解説してきた通り，どのプローブを用いる場合
６８５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.11 November 2020

でもイオン電流の計測は非常に重要です．電流計測ではじすることをお勧めします．電気推進機を試験する真空チャ

めに思い浮かぶのが，図８（a）のように計測したい電流ランバーは推進機の動作を担保するために大型になるため，

インに既知の抵抗値を持ったシャント抵抗 ""を挿入し，そ真空フィードスルーからプローブまでの配線は長くなりまこに発生する電圧降下 #"を計測することにより，流れていす．加えて，チャンバー内で回転ステージなど駆動装置にる電流（!
""）を算出する方法だと思います．シャン"##"!

プローブを載せるために配線はさらに長くなります．このト抵抗方式では計測対象の電流が小さくなる場合，電圧降ため，各プローブの背面の可能な限り直近で BNC や SMA

下を一定するにはシャント抵抗の値を大きくする必要があなどの同軸コネクタを取り付け，真空チャンバー内は同軸

ります．しかし，電圧降下を計測する電圧計の入力インケーブルで配線してください．真空チャンバー内の配線はピーダンスはシャント抵抗より十分に大きくしなければな

カプトン被覆の同軸ケーブルなどが市販されていますが，らないため，シャント抵抗と電圧計を結線する電線や入力費用とアウトガスの影響のバランスを見ながら，耐熱性に部の絶縁抵抗を高く保つ必要があります．また，実験室で注意し，RG58 などの一般用途の同軸ケーブルの使用を検よく使用するデータロガーやオシロスコープの入力イン

討しても良いと思います．また，フィードスルーに関してピーダンスは数〜数十 MΩ のため，ガード電極付平面プも可能であれば同軸コネクタのものを使用するのが望まし

ローブの mA-μA オーダーの電流計測が限界です．このたいです．加えて，同軸ケーブルで内部導体から外部導体にめ，逆電位アナライザや ""!プローブの pA-nA オーダー

流れる漏れ電流によるオフセットが大きく，さらに変動すの電流を計測する場合には，シャント抵抗と電圧計の間にる場合にはドライビングガードと三重同軸ケーブルの使用

入力抵抗の高い直流増幅器を挿入することも考えられます［２２］も検討してください．最後に同軸ケーブルを曲げたが，図８（b）に示すようなオペアンプを使ったフィード

り，振動させたりした場合に発生する摩擦電気効果によるバック方式が良く使用されます．

微少電流など様々なノイズ源がありますので，文献［２４］なフィードバック方式の電流計測は市販のピコアンメータ

どを確認しながら，真空チャンバー内での同軸ケーブルので採用されています［２２］．この方式では計測する電流はオ

這わせ方にも注意をしてください．また，プラズマ実験に

ペアンプの反転入力・出力間に接続されたフィードバック

おけるノイズに関しては本誌で過去に講座［２５］が掲載され抵抗 "!にほとんど流れるため，オペアンプの出力電力 #"ていますので，そちらを一読ください．

を計測することによって流れている電流（!
"!）を
"#!#
"!

２．
６ おわりに算出します．手元に Keithley の６４００シリーズやエーディー
シーの５３５０などのピコアンメータがあれば，それを使用す

以上，電気推進機の排気プラズマを計測する代表的なプ

ればよいですが，無い場合には購入するか，自作する必要

ローブについて材料選定や設計に重きを置いて解説してきがあります．フィードバック方式の設計で最も重要なことました．本章の内容が学部生や大学院生といったはじめては計測する電流に比べて，十分小さい入力バイアス電流の研究活動に取り組む方の計測器製作の助けになれば幸いでオペアンプ，例えば，AD549JHZ などを使用することです．

す．また，MPD スラスタやパルスプラズマスラスタなどの

このほかにどのような素子を使用すべきか，また，オペア

電磁加速型の電気推進機で使用する磁気プローブ［２６］や電ンプの発振防止のためにどのようなキャパシタを挿入すべ気推進機内の高密度プラズマを計測するための高速掃引機

きか，文献［２３］などを参考にしてください．また，反転入構を備えた静電プローブ計測装置［２７］など，それぞれの用力の端子を基板にはんだ付けすると基板を介した漏れ電流途に特化したプローブも研究開発されていますので，参考が発生し，フィードバック抵抗以外の電流経路ができるな

文献を確認していただければ幸いです．

ど，実装について も 注 意 す べ き 点 が あ り ま す の で文献

参考文献

［２２，
２３］などを参考にしてください．
以上の通り，各プローブで計測される電流値は非常に小［１］D. Goebel and I. Katz, Fundamentals of Electric Propulsion(Wiley, 2008), p. 3.
［２］D. Brown et al., J. Propul. Power 25, 1163 (2009).
［３］荒川義博 他：イオンエンジンによる動力航行（コロナ
社，２
０
０
６）
，p.１
１
３．
［４］T. Muranaka and Y. Inanaga, Trans, JSASS Aerospace
Tech. Japan 16, 366 (2018).
［５］J. Boeuf, J. Appl. Phys. 121, 011101 (2017).
［６］I. Hutchinson, Principles of Plasma Diagnostics (Cambridge
University Press, 1987), p. 6.
［７］H. Watanabe et al., Acta Astronaut. 166, 227 (2020).
［８］G. Gerdin et al., J. Appl. Phys. 52, 3269 (1981).
［９］S. Mazouffre et al., Proc. 35th IEPC, IEPC-2017-336 (2017).
［１０］J. Rovey et al., Rev. Sci. Instrum. 77, 013503 (2006).
［１１］雨宮 宏：プラズマ・核融合学会誌 81, 482 (2005).
［１２］R. Lobbia and B. Beal, J. Propul. Power 33, 566 (2017).
［１３］J. Sheehan et al., J. Propul. Power 33, 614 (2017).

さいので，配線にも注意が必要です．イオン電流計測以外のプラズマのフィルタリングのための電極への配線は，真空中でのアウトガスが少ないふっ素樹脂電線の単線をツイストさせて実施しても問題ありません．一方，イオン電流が流れるラインは推進機や真空ポンプなどからの誘導や放射ノイズを可能な限り遮断するために同軸ケーブルを使用

図８

微少電流の計測方法．

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Lecture Note

2. Probe Measurement Methods for Study of Electric Propulsion［１４］D. Brown et al., J. Propul. Power 33, 582 (2017).
［１５］D. Brwon and A. Gallimore, Rev. Sci. Instrum. 81, 063504(2010).
［１６］C. Farnell et al., J. Propul. Power 33, 638 (2017).
［１７］B. Beal and A. Gallimore, Proc. 28th IEPC, IEPC-2003-035(2003).
［１８］C. Marrese et al., Proc. 25th IEPC, IEPC-97-066 (1997).
［１９］船木一幸 他：プラズマ・核融合学会誌 90, 234 (2014).
［２０］R. Shastry et al., Rev. Sci. Instrum. 80, 063502 (2009).

［２１］S. Kim, Ph. D Dissertation, The University of Michigan(1999).
［２２］鈴木直司：応用物理 70, 868 (2001).
［２３］本多信三：トランジスタ技術 SPECIAL 126, 87 (2014).
［２４］内山正敏：計測と制御 44, 681 (2005).
［２５］井 通暁：プラズマ・核融合学会誌 95, 563 (2019).
［２６］K. Polzin et al., J. Propul. Power 33, 659 (2017).
［２７］J. Hass et al., Rev. Sci. Instrum. 71, 4131 (2000).

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わた

なべ

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き

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渡 邊 裕 樹H. Watanabe

宇宙航空研究開発機構・研究開発部門・主任研究開発員．首都大学東京大学院・シス
テムデザイン研究科・博士後期課程を修了（博士（工学））．研究分野は宇宙推進工学，

特にホールスラスタやイオンエンジンをはじめとした電気推進機の性能および信頼性向上に関する研究を進めています．
今年４月から現職に就き，日本の宇宙開発の発展に貢献できるよう日々精進しています．

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