1山

5.2.2模 擬iグ リ ッ ド5'1)

RFイ オ ン ス ラ ス タ へCICグ リ ッ ド適 用 し た 状 態 を 模 擬 す る た め に,本 研 究 で は 模 擬 グ リ ッ ド を 製 作 し た.本 実 験 に お け る 状 態 模 擬 と は,コ ン ダ ク タ ン ス を 合 わ せ る こ と に よ っ て,放 電 室 内 圧 お よ び 中 性 粒 子 密 度 を 合 わ る こ と で あ る.以 下 で コ ン ダ ク タ ン ス の 導 出 に つ い て 記 述 す る.

放 電 室 内 圧 力 お よ び 中 性 粒 子 密 度 を 計 算 か ら 求 め る た め に,グ リ ッ ド部 分 に コ ン ダ ク タ ン ス と い う指 標 を 用 い る.コ ン ダ ク タ ン ス と は,気 体 の 流 れ や す さ を 表 す 量 で あ り,こ の 量 が 大 き い ほ ど 気 体 は 流 れ や す い.コ ン ダ ク タ ン スCoは 次 式 で 表 せ る.

RT6 C・=

2訪A・(5‑1)_m

ま た,こ こ で 管 へ 気 体 が 飛 び 込 む と き の 管 端 の 影 響 を 考 慮 に 入 れ る 必 要 が あ る.厚 み の 無 い オ リ フ ィ ス と 長 い 管 の 合 成 コ ン ダ ク タ ン ス で も 近 似 で き る が,ク ラ ウ ジ ン グ 係 数 か ら短 い 管 で の コ ン ダ ク タ ン ス を 求 め る こ と が で き る .

Corifice=・κ'Co(5‑2)

ま た,ク ラ ウ ジ ン グ 係 数 と オ リフ ィ ス 径 と オ リ フ ィ ス 長 の ア ス ペ ク ト比 の 関 係 を 図5‑3に 示 す.

1.0 0.9 0.s

e

YO.7 ぎ0.6 U 紐o・5 NO.4

C

'雪 O.3 0.2 U

Q.1 0.0

0.00.20.40.60 .81.O

AspectRatio,LID,

図5‑3オ リ フ ィ ス の ア ス ペ ク ト 比 と ク ラ ウ ジ ン グ 係 数 の 関 係

式(5‑2)を 用 い て,各CICグ リ ッ ドの1孔 あ た り の コ ン ダ ク タ ン ス を 計 算 し ,そ れ を 孔 数 分 並 列 合 成 す る こ と で,各CICグ リ ッ ド コ ン ダ ク タ ン ス と し て い る .そ の 導 出 は 以 下 の 式 で 表 せ る.

Csc‐Cnrifice Tsc1+Corifice̲sc2+Corifice ̲sc3+

一 Σ(Y'

orificesc(5.3)

CorificescXNh

さ ら に,式(5‑3)か ら 求 め た 各CICグ リ ッ ド コ ン ダ ク タ ン ス を 直 列 合 成 す る こ と で ,最 終 的 に

C/Cグ リ ッ ド の コ ン ダ ク タ ン ス を 計 算 し た.そ の 導 出 は 以 下 の 式 で 表 せ る .

111 e‑十 一 CtotalCscCac

̲̲‐sc‐accc totalC

^^+C.

SCac

(5‑4)

こ の 計 算 か ら求 め た 各CICグ リ ッ ドコ ン ダ ク タ ン ス お よ びCICグ リ ッ ドの 総 コ ン ダ ク タ ン ス を 表5‑2に 示 す.そ し て,こ の コ ン ダ ク タ ン ス に 合 わ せ て 製 作 した 模 擬 グ リ ッ ドの 緒 元 を 表5‑3 に 示 す.模 擬 グ リ ッ ドに 空 い て い る 孔 自体 は37個 で あ る が,そ の う ち の1つ に,プ ロ ー ブ を挿 入 して 塞 い で し ま うの で,コ ン ダ ク タ ン ス と して は36個 の 孔 で 計 算 して い る.ま た,CICグ リ

ッ ド と今 回 製 作 した 模 擬 グ リ ッ ドの コ ン ダ ク タ ン ス か ら 算 出 した,投 入 す る 推 進 剤 流 量 と放 電 室 内 圧 お よ び 放 電 室 内 の 中 性 粒 子 密 度 の 比 較 を 図5‑4に 示 す.

本 研 究 で は,グ リ ッ ド中 心 をRp=0と し,5mm間 隔 で 放 電 室 径 方 向 に4点 の 測 定 を 行 っ た の で, 各 測 定 位 置 に プ ロー ブ 用 の 孔 の 空 い た4枚 の 模 擬 グ リ ッ ドを 製 作 した.実 際 に 製 作 した 模 擬 グ

リ ッ ドの 外 観 を 図5‑5に 示 す.測 定 位 置 毎 に模 擬 グ リ ッ ドを 交 換 して,プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ の 取 得 を 行 っ た.

表5‑2CICグ リ ッ ド の コ ン ダ ク タ ン ス

ScreenGridConductance Accel.GridConductance TotalConductance

Csc

cap

q。ta1

m3/s m3/s

2.4x10"2

7.4x10"3

5.6×10‑3

表5.3模 擬 グ リ ッ ド諸 元 Material

BeamDiameter HoleQuantity HolePitch

HoleDiameter Thickness OpenAreaFraction Conductance

瓦 軌 凡 恥 η 盈 G

㎜㎜㎜%崩mbm㎞

Aluminum

35

36 5.0 2.5

2.0 22.7 5.5×1p‑3

1.8

1.5

cQ [3..1

.2

ぜ ・ 90.9 拐器 a.0.6

N 量o.3

0.o

▽+C/CGrid,1『n

‑一一▼ 一一一DummyGrid

,P.n CICGrid,!V

… ● …DummyGrid

,Nn

!'雪/

▼ ﹂■ ▼

,メ▽"

012345

MassFlowRate,m,sccm

図5‑4放 電 室 の 内 圧 お よ び 中 性 粒 子 密 度 比 較

nE︑もrxオ,言5︒﹂Φρ∈コZ布﹂↑コΦz

6543210

●

●:・:・3:rr●

●

̲堕̲甑二上 二型 一

●●煽窒

︒69...・.・●・繋・擢・●

".・.︒.

(a)R̲=O_P (b)R=5(c)R=10

PP

図5‑5各 模 擬 グ リ ッ ド外 観

(d)R̲=15

P

5.3実 験 方 法

図5‑6に 実 験 回 路 図 を 示 す 。模 擬 グ リ ッ ドを 取 り付 け たRFイ オ ン ス ラ ス タ と ダ ブ ル プ ロ ー ブ , フ ィ ラ メ ン トを 真 空 槽 内 に 設 置 して い る .フ ィ ラ メ ン トは プ ラ ズ マ 点 火 の た め の 電 子 を 供 給 す る 目的 で 設 置 し て い る.投 入 す る 高 周 波 電 力 は,RF電 源 か ら マ ッ チ ン グ 回 路 を 介 して 放 電 室 に 巻 き 付 け た コ イ ル に 投 入 し て い る.ま た,作 動 ガ ス で あ るXeは 流 量 調 整 器 ,ガ ス 絶 縁器 を介 し て 放 電 室 内 に 投 入 し て い る.放 電 室 内 に プ ラ ズ マ を 生 成 し た 状 態 で ダ ブ ル プ ロ ー ブ に 印 可 す る 電 圧vPを 一30V〜30Vま で 変 動 さ せ,そ の 際 に 流 れ る プ ロ ー ブ の 電 流 値 ノpを測 定 し た ,そ して, 測 定 した ダ ブ ル プmブ の 電 流 電 圧 か ら3章 に 示 した 方 法 で,電 子 密 度 と 電 子 温 度 を 算 出 した .

ま た,同 時 にK種 の 熱 電 対 に よ っ て,放 電 室 壁 面 温 度 を 測 定 して い る.本 実 験 に お い て ,模 擬 グ リ ッ ドに は 電 圧 は 印 可 せ ず,浮 遊 電 位 と し て い る.

測 定 位 置 を 図5‑7に 示 す.先 述 し た 通 り,径 方 向 に 関 し て は 模 擬 グ リ ッ ド中 心 をRp‑0と し, 5mm間 隔 でRp=15ま で の4点 を 測 定 し た.軸 方 向 に 関 して は ,限 りな く グ リ ッ ド近 傍 の プ ラ ズ

マ パ ラ メ ー タ 取 得 の た め,ダ ブ ル プ ロ ー ブ の 絶 縁 管 部 分 の 端 面 が グ リ ッ ド上 流 部 か ら距 離lmm , す な わ ち 電 極 部 分 が グ リ ッ ドか ら 距 離Imm〜5mmに な る よ うに 設 置 して い る .

本 実 験 で のRFイ オ ン ス ラ ス タ の パ ラ メ ー タ を 表5‑4に 示 す,表5‑4の 高 周 波 電 力 で の 括 弧 付 き の も の は,流 量lsccm時 の み の パ ラ メ ー タ で あ る,

VacuumChamber

DummyGrid

＼

DoubleProbe

華 一Filament

璽 一VYY

⑫

ermocouple TypeK

Gas ＼ Isolator

0

‑●

:t

＼

圃 ■咀 8●

・・ ● ま11 1

一

Ma#ching

Circuit

ゆ

PRF

tm

1

腎

④', MFC

一 ■

RF Generator

̲↓ 、、 ‑J

Xe Tank

ラ こ

⑫

ノ ー 一㍉ Vp

㌧一̲ノ

e

図5‑6実 験 回 路 図

{宕

・..・ ・

図5‑7測 定 点

R=OP

R‑5P

R=10P

R=15P

DummyGrid

表5‑4RFイ オ ン ス ラ ス タ の パ ラ メ ー タ

RFPower MassFlowRate

PRF 1弛

W

sccm

20,(30),40,(50),80 1,1.5,2

5.4実 験 結 果

5.4,1各 測 定 位 置 で の プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ

図5‑7に 各 測 定 位 置 に よ る 電 子 密 度 を 示 す.横 軸 は 投 入 し た 高 周 波 電 力,縦 軸 は 電 子 密 度 で あ り単 位 は ×101ηm3で あ る.こ の グ ラ フ に お い て プ ロ ッ トし た 点 は,そ の パ ラ メ ー タ 時 の 全 て の デ ー タ の 平 均 値 で あ り,エ ラ ー と して 全 て の デ ー タ か ら算 出 し た 標 準 偏 差 を 上 下 に 描 い て い る.

つ ま り,エ ラ ー バ ー 範 囲 内 に,今 回 測 定 した デ ー タ の6827%が 存 在 し て い る こ と に な る.こ の 結 果 か ら,投 入 す る 推 進 剤 の 流 量,高 周 波 の 電 力 に 比 例 し て 電 子 密 度 が 増 加 す る こ と が 分 か る.

流 量 に 関 し て は,流 量 が 増 え る こ と に よ っ て,放 電 室 内 の 中 性 粒 子 密 度 が 増 加 す る た め,電 子 密 度 が 増 加 し て い る と 考 え ら れ る,ま た,電 力 に 関 して は,電 子 に 与 え る エ ネ ル ギ ー が 増 加 す る た め,電 離 が 進 行 しや す い 環 境 に な る た め だ と 考 え られ る,図5‑4で 示 した 中 性 粒 子 密 度 と 図 5‑7の 実 験 結 果 か ら電 離 度 を 算 出 す る と,本 実 験 条 件 で の 電 離 度 は0.5〜2.5%程 度 だ と 見 積 も れ

る.

40

"35E 0

×30 ぐ25 蓄20 5 e15

m E10 Z

C50L Vu

畠o

05050504332211 貫﹂∩︾

︒E︑も﹃・.ぐ書50﹂ΦΩEコz⊆︒と8面

102030405060708090 RFPower,PRA,W

(a}R̲=O

n

0902030405060708090

RFPower,PRF,W

(c)R°10

P

は  

35a r X30

=ミ。25

奮2。c m

15

薯1。

呈5

蓉 。

wo 102030405060708090 RFPower,PRF'W

(b)R=5

P

M40 E

351▲

妥3。

m CZr

蓄2。

唐15 窪1。

崔5

量 ・。1。2。

山

図5‑8各 測 定 点 で の 電 子 密 度

304050607D8090 RFPower,PRF,W

(d)R=15

P

5

4>Φ融 3210編Φ﹂ヨO﹂ΦαEΦ↑⊆O﹂ぢ①一山 ・●

直

▲

ユ▲⁝●1・・

匡騒

0102030405060708090

RFPower,∫ 柔F,W

(a)R̲=O _P

4>O︒ρ 3210.Φ﹂ヨ9ΦαEΦト=O﹄OΦ薗 4

>Φぐ 321一Φ﹂コ一理ΦαFにΦト=0﹂一〇〇一山 4>Φ畑 ハ﹂2﹂I

d﹂コ罵﹂9EΦト⊂OとOΦ函

0102030405060708690

RFPower,PftF'VV

(c)R̲̲=10_P

0102030405060708090

RFPower,PRF'VU

(b}R.̲=5_n

0102030405060708090 RFPower,PRPW

(d)R̲=15_P 図5‑9各 測 定 点 で の 電 子 温 度

図5‑8に 各 測 定 点 で の 電 子 温 度 を 示 す.横 軸 は 投 入 し た 電 力,縦 軸 は 電 子 温 度 で あ り,単 位 は eVで あ る.電 子 密 度 と違 い,投 入 す る 高 周 波 の 電 力 に 比 例 し て い な い こ と が 分 か る.ま た,推 進 剤 流 量 が 少 な い ほ ど 高 い 値 に な っ て い る こ と が わ か る.こ れ は,放 電 室 内 部 の 中 性 粒 子 密 度

が 下 が り,中 性 粒 子 と エ ネ ル ギ ー 交 換 が し に く く な る た め,増 加 し て い る と 考 え られ る.

各 測 定 位 置 の 結 果 か ら,電 子 密 度 に 関 し て は 投 入 す る 推 進 斉1」流 量,高 周 波 電 力 と 比 例 関 係, 電 子 温 度 に 関 して は,ほ ぼ 一 定 と い う傾 向 を 確 認 した.こ の 傾 向 を 用 い る こ と で,測 定 を 行 っ て い な い 条 件 で の プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ に 関 し て も お お よ そ 予 想 値 を 算 出 す る こ と が で き る と 考 え ら れ る.

5.4.2プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 分 布

各 測 定 位 置 の プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ を 繋 ぎ,プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 分 布 と した も の を 図5‑10に 示 す.図5‑10は 投 入 し た 高 周 波 電 力40W時 で,推 進 剤 流 量 毎 に プ ロ ッ ト し た も の で あ り,図5‑11

は 投 入 した 推 進 剤 流 量1.5SCCm時 で,投 入 電 力 毎 に プ ロ ッ ト し た も の で あ る.ど ち ら も横 軸 は 測 定 した 位 置,縦 軸 は 電 子 密 度 と 電 子 温 度 で あ る.電 子 密 度 分 布 に 関 し て は,Rp‑10の 点 以 降 急 激 に 減 少 し て い る こ と が 分 か る.Rp=10か らRp=ISま で の 電 子 密 度 減 少 率 は 全 て の 条 件 で30〜40%

程 度 で あ る.こ の こ と か ら,本 研 究 で 用 い たRFイ オ ン ス ラ ス タ は 中 心 か ら半 径10mmま で で 濃 い プ ラ ズ マ が 生 成 さ れ て い る と 考 え られ る.電 子 温 度 に 関 して は,外 側 に い く ほ ど,上 昇 して い る こ と が 確 認 で き る.こ れ は,中 性 粒 子 密 度 が 外 側 に い く ほ ど減 少 して い る た め だ と 考 え ら れ る.ま た,流 量 が 少 な い ほ ど 上 昇 率 は 大 き い こ と も わ か る 。 上 昇 率 は 全 条 件 で,推 進 剤 流 量 1sccm時 でRp=0か らRp=15ま で で20〜30%程 度,推 進 剤 流 量2sccm時 でRp;0か らRP‑15ま で で5"'10%程 度 の 上 昇 が 確 認 され た.

25201510 50

のE︑トもUx.ゼ,惹窪Φ0﹂①ΩEコZ⊂OとOΦ函 T●・工○・i‑●‑1 1●1⊥●1●ー凸 T●ー●1±1●⊥

●1sccm

・1.5scem

・2sccm

}ム●〒O⊥

5

4>Φ・げ 3210,Φ﹂コ一応﹂Φ自ロ﹂①ト仁OおOΦ一山 T●● T●●⊥一 甲O丁●●⊥ ム▼昂‑●Ψ

●1scan 1.5sccrn

・

●2sccm

505050332211 =り0

再E乞炉xぐ言⊂Φ︒・・n∈コz・︒も・薗

0510150510

RadialPosition,R,mmRadialPosition

,R,mm

(a)電 子 密 度 分 布(b)電 子 温 度 分 布

図5‑10P冊 一40W時 の プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 分 布

5

15

i日I11÷‑晶ー ‑ーー1⊥早I11二ー●144 可画⊥1●ー・▲・

▲20W

・40W 固80W

T●﹂▲一 4>Φ爵 32ーハU

,9ヨ匹Φα∈Φト=oとoΦ面 ‑1国‑‑・●▲・ ー寧⊥.2﹂ 申T亘⊥エ ‑圏←+亭・

・20W

L型1

●40W 051015051015

RadialPosition,fR,mmRadialPosition

,fR,mm

(a)電 子 密 度 分 布(b)電 子 温 度 分 布

図5‑11nt=】.JSCCI71時 の プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 分 布

5.5グ リ ッ ド電 位 変 更 実 験 5.5.1実 験 方 法

こ れ ま で 説 明 し て き た 実 験 は グ リ ッ ド電 位 が 浮 遊 の も の で あ り ,本 実 験 で は グ リ ッ ドを グ ラ ン ドに 接 続 す る こ と で グ ラ ン ド電 位 と し た.実 験 回 路 図 を 図5‑】2に 示 す.グ リ ッ ドが グ ラ ン ド 電 位 に な っ て い る 以 外 は コ ン フ ィ グ レー シ ョ ン に 関 し て 変 更 点 は 無 く,RFイ オ ン ス ラ ス タ の パ ラ メ ー タ も 先 ほ ど の 実 験 の 全 く 同 じ で,表5‑4に 示 され て い る 通 りで あ る.本 実 験 で は,Rp;5 の 点 の み の 測 定 を 行 っ た.

VacuumChamber

DoubleProbe

A

⑫

1

DummyGrid

㍊

Gas ＼ Isolator

…翻

1 ^・・・

Filament

ermocouple TypeK

＼

⁷

Matching Circuit

一

ゆ

PRF

舎 茄

一1一 ■z

, 1

④'p MFC

RF Generator

T㌧一̲一 ノ

池

Tank

⑫ f

ノ ー一 一一‑ vP

㍉ 一 ノ

e

図5‑12グ リ ッ ド電 位 変 更 実 験 回 路 図

5.5.2実 験 結 果

図5‑13に 本 実 験 と 先 の グ リ ッ ドが 浮 遊 電 位 の も の の プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 比 較 を 示 す.凡 例 中 にFと 書 い て あ る も の が グ リ ッ ドが 浮 遊 電 位 の も の で,GNDと 書 い て あ る も の が グ リ ッ ドが グ ラ ン ド電 位 の も の で あ る.本 実 験 に 関 して は,取 得 し た デ ー タ 全 て を プ ロ ッ トし て い る.電 子 温 度 に 関 し て は,グ リ ッ ドを グ ラ ン ド電 位 に し た 方 が 低 い と い う結 果 が 得 られ た.こ れ は,グ

リ ッ ドが プ ラ ズ マ に 対 して 幾 分 か 低 い 電 位 を 持 っ て い る た め だ と 考 え ら れ る.ま た,電 子 密 度 に 関 し て は お お む ね 同 じ値 で あ る とい う結 果 を 得 た 。 電 子 密 度,電 子 温 度 と も に 傾 向 は 先 ほ ど の 実1験 と 同 様 の も の が 確 認 され た.

ドキュメント内 臨 驚 (ページ 46-56)