麟 鋪 ◆lc・23・s6MH・
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搬r暮etV◎1重age.VI,V
Prf=300W m。=0.2mg/s
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口口口i宅,6.78MKz
◇ic,6.78M卜{z 8耗 ,13.56M}・{z
◆ic,13.56MHz
Prf=200W m、‑0.3mg/s
0$GIGO
Targe重V◎ltage.Vt.V
図4‑5タ ー ゲ ッ ト電 圧 に 対 す る 電 子 電 流 の 関 係
ISC
あ る と わ か る.以 上 の こ と か ら,こ の 現 象 は,RF/Cと タ ー ゲ ッ ト電 極 や 真 空 槽 な ど の 周 辺 機 器 と が 高 周 波 結 合 を 起 こ し,RF/Cの プ ラ ズ マ 中 の 電 子 が ター ゲ ッ ト電 極 や 周 辺 機 器 に よ っ て 引 き 出 され る こ と でRF/Cに イ オ ン コ レ ク タ 電 流1、が 流 れ る と考 え られ る.ま た,投 入RF周 波 数 に よ っ て イ オ ン コ レ ク タ 電 流1。が 異 な る こ と か ら,RF/Cと 周 辺 機 器 との 結 合 状 態 の 強 弱 な どが 投 入RF 周 波 数 に 依 存 す る も の と考 え られ る.
1.2
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図4‑6タv‑一 一一ゲ ッ ト 電 圧OVに お け る 電 流1,,1、,電 圧Vtの 変 化(a)6.78MHz,(b)13.56MHz
2
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10020030040050 Time,ns
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0‑0.5 Time,ns
算 出 周 波 数;It:6.58MHz,1、:6.93MHz算 出 周 波 数;It:13.51MHz,1。:13.74MHz
図4‑7RF電 力300W,ガ ス 流 量0.3mg/s,タ ー ゲ ッ ト電 圧OVに お け る 電 流It,1、 の 波 形
4.3.2RF電 力 に 対 す る 電 子 電 流 の 変 化
図4‑8に タ ー ゲ ッ ト電 圧80Vに お け るRF電 力 に 対 す る 電 子 電 流 で あ る タ ー ゲ ッ ト電 流Itの 変 化 を 示 す.図4‑8は 横 軸 にRF電 力P㎡ を,縦 軸 に 電 子 電 流 で あ る タ ー ゲ ッ ト電 流1,を と っ て お り,
タ ー ゲ ッ ト電 圧90V以 上 で 発 生 す る 真 空 槽 壁 面 の 放 電 の 影 響 が な い80V時 の タ ー ゲ ッ ト電 流It を 用 い て い る.図4‑8よ り,投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHzに 共 通 し て,投 入RF電 力 の 増 加 に 伴 い,電 子 電 流 は 増 加 し,ガ ス 流 量0.2mg/sに お い て 最 も 電 子 電 流 を 得 ら れ る こ と が 確 認 さ れ た.RF電 力300W,ガ ス 流 量0.2mg/sの 時,投 入RF周 波 数6.78MHzに お い て は,電 子 電 流1.4A,投 入RF周 波 数13.56MHzに お い て は,電 子 電 流2.8Aを 確 認 し た.ま た,同RF電 力,同 ガ ス 流 量 の
ど の 条 件 に お い て も,投 入RF周 波 数6.78MHzよ り も13.56MHzの 方 が 多 く の 電 子 電 流 を 得 ら れ て い る.
以 上 の こ と か ら,RF/Cに お い て,投 入RF周 波 数6.78MHzよ り も13.56MHzの 方 が 多 く の 電 子 電 流 を 得 る こ と が で き る こ と が 明 ら か に な っ た.
3 2.5
<2 遍
ぢ1.5 霧ヨ1 Q
0.5
◎
◎
06.78MKz,0.1mg/s 口6 .78M卜{z、 ◎.2mg/s
△6、78Mト{z、 ◎.3mg/s
●13.三36MHz,G.1mg〆s
■13.s6MF{z,o.2mg/s
▲1356M8・,0.3謄9/魂
●
設 ㊧&
50
Vt=80V
■鳳(匹
■昂Ω兇
E85§
2◎01502◎02三50 RFPower,Prl}W
300 3SO
図4‑8タ ー ゲ ッ ト電 圧80Vに お け るRF電 力 に 対 す る 電 子 電 流 の 変 化
4.3.3RF電 力 に 対 す る 電 子 電 流IA引 き 出 し タ ー ゲ ッ ト電 圧 の 変 化
図4‑9にRF電 力 に 対 す る 電 子 電 流IA引 き 出 しに 必 要 な タ ー ゲ ッ ト電 圧 の 変 化 を 示 す.図4‑9 は 横 軸 にRF電 力Prfを,縦 軸 に タ ー ゲ ッ ト電 圧Vtを 取 っ て い る.投 入RF周 波 数6.78MHz, 13.56MHzに 共 通 して,ガ ス 流 量0.2,0.3mg/sに お い て はRF電 力 の 増 加 に 対 して 電 子 電 流IAを 引 き 出 す の に 必 要 な ター ゲ ッ ト電 圧Vtが 減 少 す る傾 向 が 見 られ,ガ ス 流 量 が 多 い ほ ど 必 要 な タ ー ゲ ッ ト電 圧V
tが 少 な い こ とが わ か る.ホ ロー カ ソー ドに お い て も,ガ ス 流 量 の増 加 に よ っ て ホ ー ル ス ラ ス タ の イ オ ン ビー ム と の接 触 電 圧 が 低 下 す る こ と が 報 告 され て お り【4"3】,RF/Cも他 電 子 源 と 同 様 な 傾 向 を も つ こ とが 示 され た.電 子 電 流IA引 き 出 しに 必 要 な 最 小 タ ー ゲ ッ ト電 圧Vt は,投 入RF周 波 数6.78MHzで は31.8V@ガ ス 流 量0.3mg/s,13.56MHzで は18.6V@ガ ス 流 量 0.3mg/sで あ り,投 入RF周 波 数13.56MHzの 方 が 各 ガ ス 流 量 に お い て 低 い タ ー ゲ ッ ト電 圧 で 電 子 電 流1Aを 引 き 出 す こ と が 可 能 で あ る.
ま た,電 子 電 流IAを 達 成 す る最 小RF電 力 は,投 入RF周 波 数6.78MHzで は160W@ガ ス 流 量 0.lmg/s,13.56MHzで は100W@ガ ス 流 量0.1,0.2,0.3mg/sで あ る.投 入RF周 波 数6.78MHzよ りも 13.56MHzの 方 が 電 子 電 流1Aを 得 られ る 最 小RF電 力 が 小 さ い こ と が 確 認 され た.
一一般 的 に
,ホ ー ル ス ラ ス タ の イ オ ン ビ ー ム と の 接 触 電 圧 に よ り電 子 源 か ら電 子 が 引 き 出 され る た め,電 子 源 と して は 低 い 接 触 電 圧 で 多 く の 電 子 電 流 を 得 られ る こ と が 求 め られ る.そ の た め,投 入RF周 波 数13.56MHzの 方 が 全 体 と して 低 タ ー ゲ ッ ト電 圧 ・低RF電 力 で 電 子 電 流 を 得 られ る の で,電 子 源 と して 優 位 で あ る と言 え る.
﹀︑帽﹀ド︑の醜邸調⑨〆
100 8◎
6◎
40 20
o§.78醐z,◎.img/s O6.78M縛z,0.2搬9/s
△6.78MHz,α3mg/s
●13.56M卜lz,0.lmg/s
● 梱
13,56M}セ,O.2mg/s
▲13.56醐 、,α3mg/,塞
O●ロム■▲
O●口△■▲
It=1A
0
050三 〇〇2502◎02503◎0350 只17Pow￠ ゑ1)rl㍉W
図4‑9RF電 力 に 対 す る 電 子 電 流IA引 き 出 し タ ー ゲ ッ ト電 圧 の 変 化
4.3.4RF電 力 に 対 す るRF/Cを 含 め た 負 荷 イ ン ピー ダ ン ス の 変 化
図4‑10にRF電 力 に 対 す るRF/Cを 含 め た 負 荷 イ ン ピー ダ ン ス の 変 化 を 示 す.図4‑10はRF/C の 各 作 動 条 件 に お け るイ ン ピー ダ ン ス マ ッチ ン グ時 の 直 列 バ リ コ ンC、,並 列 バ リ コ ンCpの 容 量 か ら式(3.8)に よ り求 め たRF/Cを 含 め た 負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス か らRF周 波 数 の 値 に よ っ て 容 量 が 変 化 す るマ ッ チ ン グ 用 コ イ ル1.0μH,ブ ロ ッ キ ン グ キ ャ パ シ タCBCを 抜 い た 負 荷 イ ン ピー ダ ン ス を 横 軸 に レジ ス タ ン スR,縦 軸 に リ ア ク タ ン スXで 表 し た も の で あ る.図4‑10よ り,投 入 周 波 数6.78MHz,13.56MHzで は,負 荷 イ ン ピー ダ ン ス の レ ジ ス タ ン スR,リ ア ク タ ン スXの 両 方 が 異 な り,RF電 力 の 増 加 に 対 す る レジ ス タ ン スRの 変 化 傾 向 も異 な る こ と が 確 認 で き る.唯 一,RF電 力 の 増 加 に 対 す る リア ク タ ン スXの 減 少 傾 向 の み 同 様 で あ る と言 え る.
投 入RF周 波 数13.56MHzに お け る負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス の 変 化 は,ま ず プ ラ ズ マ が 生 成 され る と プ ラ ズ マ 分 の レ ジ ス タ ン スR,リ ア ク タ ン スXが 含 ま れ る こ と に よ り負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス の 両 成 分 が 変 化 す る.次 にRF電 力 の 増 加 に よ り プ ラ ズ マ 密 度 が 上 昇,電 子 数 の 増 加 が 起 こ り[44], 電 子 の 移 動,電 流 が 流 れ や す くな る とい っ た プ ラ ズ マ の 導 電 性 が 良 く な る.こ れ に よ り,式(2.3), (2.4)よ りプ ラ ズ マ 抵 抗Rp,電 子 の 慣 性 イ ン ダ ク タ ン スL,が 減 少 して い く こ とで,プ ラ ズ マ を 含 ん だ 負 荷 イ ン ピー ダ ン ス の レ ジ ス タ ン スR,リ ア ク タ ン スXが 減 少 す る 【4'6].この よ うに 投 入RF 周 波 数13.56MHzに お け る負 荷 イ ン ピー ダ ン ス は,RF電 力 の 増 加 に 対 す る プ ラ ズ マ の 状 態 の 変 化 と対 応 し て い る こ と が わ か る.し か し,投 入RF周 波 数6.78MHzで は,RF電 力 の 増 加 に 対 し て 電 子 電 流 は 増 加 して い る の に も 関 わ らず,プ ラ ズ マ 抵 抗 を 含 め た レ ジ ス タ ン スRが 増 加 して い る.
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6◎
50 40 30 20 10 0
◇ ◆/ 癖 勝
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鐙
20 3020W
◇6.78MHz、 プ ラ ズ マ 無 06.78MHz,1sccm
口6.78MHz,2sccm
△6.78MHz,3s￠cm
◆B.S6MHz,プ ラ ズ マ 無
●13.56M8z,ユsccm
■33.56M}セ,2sccm
▲23.56MKz,3sccm
Res圭s重ar韮ce,K,Ω
40
図4‑10RF電 力 に 対 す るRF/Cを 含 め た 負 荷 イ ン ピー ダ ン ス の 変 化 50
こ の 投 入RF周 波 数 に よ る 負 荷 イ ン ピー ダ ン ス の 違 い は,生 成 され た プ ラ ズ マ の 状 態 が 異 な る こ とに 依 存 す る と考 え られ る.図1‑2,1‑3に 示 し た よ うな 高 周 波 プ ラ ズ マ 源 に お い て 投 入RF周 波 数 に よ っ て 誘 導 結 合 プ ラ ズ マ,容 量 結 合 プ ラ ズ マ の どち ら が 支 配 的 な の か が 変 化 す る こ と に 関 係 し て い る と考 察 で き る 囹.ま た,投 入RF周 波 数6.78MHzに お け る負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス は, 前 項 で 述 べ た 投 入RF周 波 数6.78MHzの 周 辺 機i器 と の 結 合 に よ る 高 周 波 伝 送 経 路 の 変 化 が 含 ま れ て し ま う も の で も あ る.そ の た め,投 入RF周 波 数13.56MHzと は負 荷 イ ン ピー ダ ン ス を 構 成 す る 回 路 が 異 な り,図4‑10に 示 す よ うな 負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス の 違 い が 生 じた と も考 え られ る.
4.4第4章 の ま と め
本 章 で は,投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性,電 子 放 出 性 能 に 与 え る 周 波 数 の 影 響 を 評 価 し,以 下 の 結 果 を 得 た.
1.投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHz共 に,RF電 力 増 加 に 伴 い,電 子 電 流 は 増 加 し て い く こ と が 確 認 さ れ た.ま た,タ ー ゲ ッ ト電 圧80Vの 時,ガ ス 流 量O.2mg/s,RF電 力300Wに お い て 最 大 電 子 電 流[email protected],[email protected]を 得 ら れ,投 入RF周 波 数13.56MHzの 方 が
多 く の 電 子 電 流 を 得 ら れ る こ と が 明 ら か に な っ た.
2.電 子 電 流1Aを 引 き 出 す の に 必 要 な 最 小 タ ー ゲ ッ ト電 圧 は,投 入RF周 波 数6.78MHzで は 31.8V@ガ ス 流 量0.3mg/s,13.56MHzで は18.6V@ガ ス 流 量0.3mg/sで あ る.ま た,電 子 電 流
lAを 達 成 す る 最 小RF電 力 は,投 入RF周 波 数6.78MHzで は160W@ガ ス 流 量0.lmg/s, 13.56MHzで は100W@ガ ス 流 量0.1,0.2,0.3mg/sで あ る.以 上 よ り,ホ ー ル ス ラ ス タ に 電 子 電 流IAを 供 給 す る 場 合,投 入RF周 波 数13.56MHzの 方 が 低RF電 力 ・低 接 触 電 圧 で 供 給
で き る た め,優 位 で あ る こ と が 明 ら か に な っ た.
3.投 入RF周 波 数13.56MHzに お け るRF電 力 の 増 加 に 対 す る 負 荷 イ ン ピ ・・一一・ダ ン ス の 変 化 は, プ ラ ズ マ の 状 態 の 変 化 と 対 応 し て い る こ と が 確 認 さ れ た.し か し,投 入RF周 波 数6.78MHz で は 対 応 は 確 認 で き ず,高 周 波 プ ラ ズ マ の 種 類 の 違 い や 周 辺 機 器 と の 結 合 に よ る 高 周 波 伝 送 経 路 の 変 化 に 伴 う 負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス 構 成 回 路 の 違 い に よ る も の だ と 考 え ら れ る.
4.RF/Cの 電 子 放 出 性 能 は 投 入RF周 波 数6.78MHzよ り も13.56MHzの 方 が 優 れ て い る こ と が 明 ら か に な っ た.
参 考 文 献(第4章)
1.TimothyR.Sarver‑Verhey,̀℃ontinuingLifeTestofaXenonHollowCathodefbraSpace PlasmaContactor",NASAContractorReportl95401,1994.
2.プ ラ ズ マ ・核 融 合 学 会,"プ ラ ズ マ の 生 成 と 診 断 一応 用 へ の 道 一",コ ロ ナ 社,pp.204‑208, 2004.
3.DanM.Goebel,KristinaK.JamesonandRichardR.Hofer,"HallThrusterCathodeFlowImpact onCouplingVoltageandCathodeLife",JournalofPropulsionandPower,Vol.28,No.2,
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4.谷 川 隆 夫,篠 原 俊 二 郎,船 木 一 幸,山 際 啓 一 郎,"宇 宙 研 に お け る 高 密 度 ヘ リ コ ン プ ラ ズ マ 実 験",2006年 度 宇 宙 関 連 プ ラ ズ マ 研 究 会 講 演 集,2006.
5.阪 本 将 隆,鷹 尾 祥 典,江 利 口 浩 二,斧 高 一,"超 小 型 高 周 波 イ オ ン 推 進 機 の 回 路 シ ミ ュ
レ ・一一一・シ ョ ン と 実 機 特 性 評 価",平 成24年 度 宇 宙 輸 送 シ ン ポ ジ ウ ム,STEP‑2012‑061,2013.
6.堀 勝 佐 藤 久 明,"プ ラ ズ マ/プ ロ セ ス の 原 理",丸 善 株 式 会 社,pp.367‑388,2010.
7.中 山 宜 典,成 澤 健 一,田 中 太,高 宮 紗 綾,松 尾 勇 佐,"電 気 推 進 機 作 動 時 の 真 空 槽 内 圧 力 分 布",平 成25年 度 宇 宙 輸 送 シ ン ポ ジ ウ ム,STEP‑2013‑025,2014.