実験装置 お よび実験方法

表4‑1真 空 槽 仕 様 UltimatePressureforN2

PressureduringThrusterOperationforXe PressureduringCathodeOperationforXe RequiredPumpingTimeforThrusterOperation

9.7x10"6Pa

<2.3x10"3Pa

く9.6×1004Pa

4hour

表4‑2真 空 ポ ン プ 仕 様

Pumpingspeed*UltimatepressurePowerconsumption MechanicalboosterpumpMBPwithRP‑A

TurbomolecularpumpTMPwithRP‑B CryogenicpumpCP

78L/s 190L/s 28,000L/s

2.Ox10"2Pa

l.0×10ηPa

1.Ox10"6Pa

4.OkW O.5kW 5.9kW

*Thepumpingspeedandtheultimatepressurearecalibratedfornitrogen .

表4‑3真 空 計 仕 様

Modelnumber Measurementrange Convectronvacuumgauge275096&275071

10nizationvacuumgaugeGI‑1000&WIB

1.3×10"11.3×105Pa

l.3×10‑61.3×10"2Pa

実 験 中 に お け る 中性 粒 子 一中性 粒 子 間 での 平 均 自由 工程 λmは次 式 で計 算 す る こ とが で き る.

vl

nn2

vnTC(f'

nf」"n)Nn

こ こ で,〈v。 〉 は 中 性 粒 子 の 平 均 熱 速 度,Vmは 中性 粒 子 間 で の 衝 突 周 波 数,r.は 衝 突 半 径 ,1>nは 中 性 粒 子 密 度 で あ る.推 進 剤 はXeで あ り,本 研 究 で 検 討 す るRFイ オ ン ス ラ ス タ の 作 動 時 の 真 空 槽 内 圧 力 は6.4×104Pa以 下 で あ る.ま た,推 進 剤 は 室 温 と し,理 想 気 体 の 状 態 方 程 式 を 考 え る

と,各 パ ラ メ ー タ は 以 下 の よ う に な る.な お,ボ ル ツ マ ン 定 数 はk=1.38×10‑23[JIK]で あ る .

r =2.43×10‑10[m】 ・ρ 一64×1・‑4[Pa】 ・写 一298阻 一P‐2 .9k

Tn×10"【/㎡ 】 これ ら の 値 を 式(4‑1)に 代 入 す る と,中 性 粒 子 一中 性 粒 子 間 の 平 均 自 由 行 程 は8 .4mと な る.電 子 と 中 性 粒 子 の 衝 突 は,さ ら に1/4程 度 に な る た め,RFイ オ ン ス ラ ス タ か ら の 排 気 粒 子 の ほ と ん ど は 他 粒 子 と 衝 突 す る こ と な く真 空 槽 壁 面 へ と 到 達 す る .よ っ て,本 研 究 で 使 用 し た 真 空 排 気 系 は 宇 宙 空 間 を 模 擬iで き て い る と い え る.

表4‑4流 量 調 整 器 仕 様

Model Company Calibrationgas Fullscalerange Accuracy MFC1 FC‑260J

MFCIlSEC‑A512KX

AeraJapan HORIBASTEC

Xe Xe

10sccm 2sccm

fl%*

土1%*

*Fullscalerangeに 対 し て

表4‑3直 流 電 源 仕 様

Model Company Outputvoltage Outputcurrent Regulationmode NC‑110M

NB106‑OS

NISTAC NISTAC

0〜20V

±100V

0〜10A

±0.5A

CV/CC CV/CC

4.1.2ガ ス 供 給 系

推 進 剤 と し て 利 用 され る キ セ ノ ン は 充 填 タ ン ク か ら レ ギ ュ レー タ ー に よ り減 圧 し,流 量 調 整 器(MFC)を 介 し て イ オ ン ス ラ ス タ へ 供 給 され る.表4‑4は 使 用 し た 流 量 調 整 器 の 仕 様 で あ る.

流 量 の 設 定 に は,標 準 状 態 に お け る1分 間 あ た りの 堆 積 流 量 をccで 表 すsccm(StandardCubic CentimeterperMinute)と い う単 位 が 用 い られ る.キ セ ノ ン の 場 合,標 準 温 度 ・圧 力(273K,1013hPa)

に お い てlsccm=0.0977mg/sで あ る.気 体 に よ っ て 感 度 が 変 わ る た め,ガ ス 種 に よ っ て 校 正 す る す る 必 要 が あ る が,本 研 究 で 使 用 した 流 量 調 整 器 は 全 て 使 用 ガ ス で あ る キ セ ノ ン で 校 正 が 行 わ れ て い る.本 研 究 に お い て は,2台 の 流 量 調 整 器 を 並 列 に 接 続 す る こ とで,0〜12sccmを 供 給 で

き る よ うに 設 置 して い る.

4.L3直 流 電 力 供 給 系

本 研 究 で 使 用 し た 直 流 電 源 の 仕 様 を 表4‑4に 示 す.電 源 は 全 てNISTAC製 の 直 流 安 定 化 電 源 で あ る.直 流 電 源 に は 定 電 流 モ ー ド(ConstantCurrent:CC)と 定 電 圧 モ ー ド(ConstantVoltage:

CV)が あ る.CCモ ー ドは 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス が 非 常 に 大 き く,負 荷 値 の 変 化 に よ らず 一 定 の 電 流 値 を 出 力 す る こ と が 可 能 で あ り,CVモ ー ドは 出 カ イ ン ピー ダ ン ス が ゼ ロ に 近 く,負 荷 値 の 変 化 に よ ら ず 一 定 の 電 流 値 を 出 力 す る こ と が 可 能 で あ る.

本 研 究 で 用 い た 直 流 電 源 は,ど ち ら も使 用 用 途 お よ び 測 定 項 目 に 応 じ て,CCモ ー ド とCVモ ー ドを 使 い 分 け る こ と が 可 能 で あ る .本 研 究 で は,NC‑110MをCCモ ー ドで,NBIO6‑05をCV モ ー ドで 使 用 し て い る.

4.1.3高 周 波 電 力 供 給 系

高 周 波 電 力 供 給 系 は 高 周 波 電 源 お よ び イ ン ピ ー ダ ン ス 整 合 器 か ら構 成 され て お り,N型 同 軸 コ ネ ク タ の フ ィ ー ドス ル ー を 介 し て 真 空 槽 内 に 導 入 され る.本 研 究 に お い て 使 用 し た 高 周 波 電 源 お よ び 整 合 器 を 表4‑5と 表4‑6に 示 す.本 研 究 で の 高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ の プ ラ ズ マ 点 火 時 の 等 価 回 路 は 図4‑2の よ う に な る,電 源 系 の イ ン ピー ダ ン ス は50Ω で あ り,r型 の 可 変 キ ャ パ シ タ を プ ラ ズ マ 負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス が50Ω に な る よ う に 調 整 し,高 周 波 電 力 が 反 射 す る こ と

な く 供 給 で き る よ うに して か ら実 験 を 行 っ て い る.

表4‑5高 周 波 電 源 仕 様

Model Company MaximumOutputPower Frequency Regulationmode

RF5‑S IonTech saow 13.56MHz CP

表4‑6イ ン ピ ー ダ ン ス 整 合 器 仕 様

Model Company Seriescapacitance Parallelcapacitance

AM‑5&AMPS‑2A lonTech OsaopF 0〜1000pF

Series

RF Generator

Plasma

図4‑21CP点 火 時 の 電 気 的 等 価 回 路

4.2高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ(RFイ オ ン ス ラ ス タ)

本 研 究 に お い て 検 討 を す る 高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ の 概 略 を 図4‑3に 示 す .放 電 室,銅 製 イ ン ダ ク シ ョ ン コ イ ル,CICグ リ ッ ドに て 構 成 され て い る,コ イ ル は 本 研 究 で は5巻 の も の を 用 い て い る.放 電 室,C/Cグ リ ッ ドに 関 して 以 下 に 詳 細 を 記 述 す る .

Gas 一〉 一

VesselHousing

(Alumina)(Ceramic) Space (Alumina}

Coil (Copper)

Grid (C/C)

図4‑3高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ概 略 図

4.2.1放 電 室

プ ラ ズ マ を 生 成 す る 放 電 室 は ア ル ミナ 製 で あ り,内 径40mm,長 さ25mmで あ る.放 電 室 中 央 に 配 管 を 接 続 し,推 進 斉1」を 供 給 し て い る.ま た,下 流 端 面 に8個 の 通 し穴 が 設 け て あ る の で,4 個 を ス ク リー ン グ リ ッ ド固 定 用 に,残 りの4個 を ア ク セ ル グ リ ッ ド固 定 用 に す る こ と を 検 討 し て い る.

(a)Sideview{b)Downstreamview

図4‑4放 電 室 外 観

4.2.2CICグ リ ッ ド

本 研 究 に お い て 検 討 を 行 うCICグ リ ッ ドの 諸 元 を 表4‑7に 示 す.形 状 はC/Cの 熱 膨 張 率 が 極 め て 低 い と い う特 性 を 生 か し,フ ラ ッ トな も の で あ る.ビ ー ム 径 は 放 電 室 径 に 対 し,少 し狭 め て35mmと し て い る.CICは 金 属 に 比 べ,機 械 的 強 度 が 低 い た め,強 度 を 増 す た め に,従 来 の グ リ ッ ドよ り も厚 さ を 増 や す こ とで,強 度 を 高 め て い る.グ リ ッ ドの 穴 配 列 を 図4‑5,開 口 率 の 算 出 法 を 図4‑6に 示 す.

表4‑7CICグ リ ッ ド諸 元 Material

GridShape BeamDiameter HoleQuantity HolePitch

 ぬむDO〜P

mm

mm

C/CComposite Flat

35 163 2.s ScreenGrid

HoleDiameter Thickness OpenAreaFraction

DSO TSB Fsc

mm

mm

%

2.2 1.0 70.2 Accel.Grid

HoleDiameter Thickness OpenAreaFraction

Day 1'ac j'ac

mm

mm

%

2.2 1.0 25.3

Sc‑AcGap LSC.ac mm 0.4

、 鐙 砂 畿,

、 磯 ⑭ 鱗 鋤,

一 鐙 ⑭ ⑭ 鈴 ⑭ 一

穣i鍵

図4‑5グ リ ッ ド孔 配 列 図4‑6開 口率 算 出 法