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(1)

6章レールガンプラズマの制御

プラズマを電機子に用いたレールガンでは，プラズマの膨張を如何にして制御するかが大きな課題である．アブレーションによってプラズマ電機子の質量は増大し,加速方向の長さが増大する．質量および体積の増大は，たとえばレーリー・テーラー不安定性の発生を助長し，プラズマ電機子の分裂というシナリオで加速度の低下を招く．

本章では，レールガンのプラズマを制御するための方針を述べ，実際に試みたいくつかの方法およびその実験結果についてそれぞれ述べる．

6．１プラズマの制御法

プラズマを制御するということは，如何にプラズマをコンパクトに飛翻体の背後に閉じ込めておくかということに他ならない。プラズマの圧力と磁気圧力を如何にバランスよく保つかということである。このための方針がいくつかある[41]．

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アブレーシヨンの抑制一プラズマに浸入する粒子を低減する．

プラズマ電機子内粒子排出一プラズマ内の粒子を排出する．

電磁力制御一磁気圧の低下を抑制する．

それぞれについて以下にもう少し詳しく説明しよう．

（１）加速管におけるアブレーションの低減

加速管壁への熱負荷を低減する、または加速管を耐熱化するなど，アブレーションを抑制することによってプラズマ内に混入する粒子を低減する．

熱負荷を低減する方法についてもいくつか考えられる。まず、加速初期においては飛翻体の予備加速が最も効果的である。（3‑2)式に示されるように，加速管への熱負荷は速度が遅いときほど大きいので,加速管内において飛翻体の初期位置からわずか数ｃｍまでが局所的に損傷し，他はほとんど傷まない．飛翻体に初速を与えることができれば，加速初期におけるアブレーションを大幅に軽減でき，加速管の損傷を小さくできる６また，アブレーションの低減によってプラズマの加速初期における質量が小さく抑えられると、プラズマの粘性抵抗など加速中の抗力が抑制されるので，射出速度の低下を防ぐことができる．

熱負荷を低減する二番目の方法は，３章で述べたバイアス磁場を用いる方法である．プラズマで発生する熱量を低減するために，駆動電流を低減する．電磁力の低下を補うためにレール電流によって生じる磁場を増強するような向きに外部から磁場を印加する．ただし，バイアス磁場がプラズマに作用し抵抗率が僅かに上昇するので，注入電力は減らした電流ほどは減少しない．

7０

(2)

耐熱化の方法は，加速管を構成する材料として，たとえばレールにタングステン，銅一タングステン，絶縁壁にセラミック系などの耐熱特性を有する材料を用いようとするものである．また，レールを裏側から水あるいは液体窒素で冷却するなどの方法も考えられる．

（２）プラズマ粒子数制御

飛期体の予備加速，低電流駆動および加速管構成材料の耐熱化などの考え方は，プラズマの質量が増加する原因となる加速管壁材料のアブレーションを抑制するための，いわば事前措置である．これらに対して，増大したプラズマを加速中に一部取り除いて，プラズマをコンパクトにするという，いわば事後措置がプラズマ粒子数制御の考え方である．

分散電極型レールガン(DiscreteElectrodeRailgun；DERG)[82,83]，プラズマ排出孔 (Spouthole)[84,85,86]などがある．ＤＥＲＧは多数の櫛状分岐電極を有し，これら分岐電極の端面が絶縁体加速管の内面に露出して分散電極面を形成する．この構造利点は，各分岐電極をフューズ等のスイッチング素子を介してレールと接続することよりプラズマ電流の空間分布を制御できることである．増大するプラズマの後端への電流を強制的に遮断するので，それ以降のプラズマは主部に追いつくことがでぎず，結局プラズマ主部から取り除かれることになる．

プラズマ排出孔は,加速管上の数箇所に直径数mmの孔を設けるだけの非常に単純な構成である．プラズマが孔の上を通過する際に一部が穴の中に取り込まれるので通過後のプラズマがコンパクトになる．従来型レールガンで必ず発生するプラズマ電機子の分裂が排出孔を設けることによって消滅する場合があるという報告がある．プラズマ排出孔に関しては，６．３で詳しく述べる．

（３）電磁力の制御

我々の実験を含めて幾つかのレールガンの加速実験を見ると，駆動電流が最大値を過ぎて減少し始めて間もなく異常に加速度が低下する現象がみられる[24,73,87,88]・アブレーションによってプラズマの質量・体積が増大すると，プラズマを閉じ込める磁気圧力も増加させなければならない．電流が減少し始めると電磁力は減少するが，そこまでに膨らんできたプラズマの質量は急には減少しないので，プラズマは急激に膨張し始める．プラズマが膨張すると加速管との接触面積が増加するので，粘性抵抗等の抗力が大きくなる．場合によってはプラズマ内における電流分布に局在化が起こり，電機子電流の分裂の引き金になる可能性もある．

アイスペレット加速のように加速中の最大加速力が限られている場合には，駆動電流を矩形化するなど，加速後半での電磁力の減少を防ぐことが望まれる．また，電流の最大値付近を除いた加速初期と後半のみにバイアス磁場をかけるなど，加速中の電磁力が変化しないようにすることが重要である．

７１

(3)

参

６．２．１プラズマ衝突法の概念

プラズマ衝突法[45,46]とは，通常飛朔体の背後に密着させて設置するプラズマ源(金属細線など)を飛朔体後方数ｃｍの位置に離して設置する方法である．ただ単純に飛翻体とプラズマ源を離して設置することからＰISP(PlasmalnitiatedSeparatedfromProjectile）

と呼ぶこともある．図６−１に概念を示す．飛朔体なしでプラズマのみをレールガンで加速すると，僅か数ｃｍの加速距離で１０数km/ｓの速度に達する(A)．プラズマ源である０．１ｍｇ程度の銅細線がすべて気化して加速されるとすれば，その運動量は１９．m/ｓ以上となる．

このプラズマを飛翻体に衝突させるとプラズマから飛翻体への運動量の伝達がおこる(B)．

飛測体が非常に軽い場合，たとえば１０ｍｇ程度であれば，非弾性衝突が起こるとして飛測体は数１０ｍ/ｓの初速度を得ることになる．（3‑4)式に示されるように，加速管への熱負荷は速度が遅いときほど大きいので，初期の僅かな運動量でも加速管壁への熱負荷は大幅に軽減される．衝突後はレールガンの通常の動作と同じである(C)．

６．２．２実験装置および方法

レールガンは図３−６に示される単純型を用いた．ただし，プラズマからの発光が観測できるように支持物にはＦＲＰの代わりにアクリルを用いた．従来のようにプラズマ源を飛測体に密着させたものとＰISPを用いた場合について，射出速度，加速管壁(レール)のエロージョン，動作の安定性(再現性)，およびプラズマ電機子の振舞(電流密度分布など)などについて比較した．また，プラズマの走行状態を観測するために，ストリークカメラ

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６．２プラズマ衝突法

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(C）

7２

(4)

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６．２．３実験結果および考察

（１）プラズマ衝突法におけるプラズマの挙動

図６−２に電流およびＢ−ｄｏｔプローブの出力波形を示す．図６−３は同一ショットにおいてプラズマの走行状態を観測したストリーク写真である．写真の像はプラズマからの発光の軌跡をしめす．時間軸と平行な黒い筋状の線は，観測窓に設けた計測ポートの影である．

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図６−３プラズマが加速されて飛測体に衝突する様子(ストリーク写真）

ペレット質量：３０ｍｇ

プラズマ源(銅細線)質量：ＱＯ８ｍｇ

ペレットープラズマ源(銅細線)の間隔：１５ｃｍ

7３

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1５

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(5)

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（２）飛翻体加速実験

図６−４および６−５はそれぞれ細線を飛翻体に密着させた場合および離しておいた場合

（PISP適用）の典型的な動作である．加速距離は４０ｃｍである．B‑dotプローブはｘ＝０を飛翻体の初期位置として，０，１０，２０，３０，３５ｃｍの位置に設置されている．＊' は飛翻体が銃口から射出される時刻をあらわす．

細線を密着させた場合，プラズマはほとんど加速されず，途中で停滞する場合が多い．

図６−４においてプラズマ電流の通過がｘ＝１０，２０ｃｍの位置で認められるが，飛朔体は既に８５０１ﾙｓで射出されており，飛翻体と電流の動きとが全く異なっている．このショットにおける飛翻体の射出速度は820ｍ/ｓであった．

図６−６に図６−４に示すショットにおけるプラズマ発光のフレーミング写真を示す．フレーム間隔は200ｕｓ，露光時間は201』ｓである．支持物であるアクリルを通して観測しているので，散乱・反射等によって少し広がって見える．発光強度の強い部分はほとんど動かずに停滞しており，発光の先端のみが銃口へと伸びている．発光部分はプラズマの供給源

7４

図6‑5細線を離して設置した場合の動作

2０ 2０

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へ

里,０

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図6‑4細線を密着させた場合の動作

プラズマ源である銅細線の設置位置をｘ＝０として，飛翻体を加速方向の前方１５ｃｍに置いてある・銅細線は気化する前に移動しないように加速管に固定されている．図６−２および6‑3における時間軸のｒ＝０は電流が流れ始める時刻を示す．

電流が流れ始めてから銅細線が気化した後，銅蒸気の絶縁破壊によって放電チャネルが形成される．ここまでに約５１ﾙｓを要する．放電チャネル形成後電磁力によってプラズマが加速され，！＝２４１ﾙsで飛翻体に衝突していることがわかる．衝突時の速度は約１０ｋm/ｓである．プラズマは加速初期から非常に高速で移動するので，この区間における加速管の損傷はほとんど見られない．衝突後，一時的に速度が０近くに低下するので，加速管のアブレーションが激しく起こって発光強度が大きくなる．同時に，発光が前後に膨張し始めておりプラズマの体積が増大する様子が認められる．細線設置位置において発光が残っているのは，気化した細線の一部が加速されずに取り残されていることを示す．

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図６−６細線を密着して設置した場合の動作プラズマからの発光のフレーミング写真

フレーム間隔２００ｕｓ，露光時間２０肌Ｓ

として機能しているように見える．飛朔体の射出時刻を考えると，発光の先端に飛邦体があると考えられる．この場合の飛朔体の加速は電磁力による通常のレールガンとは異なり，

むしろ高温プラズマの圧力を利用する電熱ガン[55,56,57]の動作に近い．飛朔体が銃口から出ると加速管内の圧力がさがるので，停滞していたプラズマ(発光強度の強い部分)が右方向へ動き出す．

図６−５ではプラズマ源の銅細線は邦＝−５ｃｍの位置にある．この場合，僅かにプラズマ電流の分裂が見られるものの，主部は電磁力によって加速されていることがわかる．プラズマ電流の銃口への到達時刻と飛測･体の銃口脱出時刻はほぼ一致する．射出速度は１１２０ m/ｓであった．

図６−７(a)および(b)はそれぞれ細線を飛翻体に密着させた場合およびPISPを用いた場合のショット後のｘ＝０付近におけるレール表層の断面写真である．細線を密着させた場合は，レール内部から噴き出すようにな損･傷を受けており，相当なエネルギーが注入されたと考えられる．加速管表面から噴出する蒸気の量が電磁力によって前方へ押しやられる量と同程度かそれ以上であれば，その場で放電を維持すると考えることができる．一旦ある場所へのエネルギー供給量が放電維持条件を満たすような閑値を超えると，放電は停滞す

る．一方，ＰISPを用いた場合は放電が停滞することはなく，相当に加速初期における壁への熱負荷が低減されていると考えられる．

プラズマ衝突法をもっと効果的に利用するためには，衝突するまでの時間にプラズマの運動量を増加して飛朔体に与える速度を大きくする必要がある．プラズマ源に電流が流れ始める時刻をｚ＝０，衝突する時刻を/cとして衝突する直前のプラズマの運動量は，（3‑2）

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7５

(7)

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(a）細線を飛湖体に密着させた場合

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(b）細線を離して設置した場合（PＩＳＰ法）

図６−７動作後のレール表層断面写真

Bｏｕｎｄａｒｙ

(6‑1）

となる．図６−３における衝突時の値を用いてた＝２４１ﾙs，ｖｐ＝１０ｋm/ｓとすると，衝突時のプラズマの質量は０．０２ｍｇとなる．この値はプラズマ源として設置した銅細線の約２５％であり，残りは取り残されていることになる．非弾性衝突であるとすると，３０ｍｇの飛翻体は約７ｍ/ｓの速度を得ることになる．このように，実際には細線溶断によってプラズマを生成する場合，細線が気化する際に膨張する，あるいは不均一性のためにプラズマの一部だけが加速されるといったことが起こるため，さほど運動量を大きくできない．この方法を用いて加速初期のアブレーションを低減するには限界がある．

６３孔による粒子の排出

６．３．１プラズマ排出孔の概念

プラズマ排出孔(SpoutHole)[84,85,86]とは，加速管から外部へ通じるように設けた孔のことである．この孔の上をプラズマが通過するとき，プラズマ中の粒子が一部この孔から排出されることを期待し，プラズマの質量増加を抑制するのがねらいである．図６−８に概念を示す．排出孔のアイデアはすでに他の研究グループによって実証されており，排出

7６

(8)

孔によってプラズマの膨張・分裂を遅れさせたという報告がある[84]、この排出孔を適当な形状で適所に設置することによって，長距離加速でも電機子分裂のない安定した加速を実現できる可能性がある．このためには，排出孔を通過することによって，プラズマの構造にどのような変化が起きるのかということを調べておく必要がある．

本節では，排出孔を設置した場合と設置しない場合においてプラズマ電機子中の密度分

､布を調べ，密度分布の情報から排出孔がプラズマにどのように作用するのかについて;検討した．密度分布計測には，一回のショットで加速方向の分布を一度に獲得できることから，

He‑Neレーザを用いたMach‑Zehnder干渉法[91,92]で行った[90］

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(A）

(B）

(Ｃ）

図6‑8プラズマ排出孔の概念

(A）通過前，（B）通過中，プラズマの一部が孔から出る (c)通過後，プラズマはコンパクトになる．

６．３．２実験装置および方法

図６−９に計測部分のレールガン装置の￨断面図を示す.測定に使用したレールガンは５０ｃｍの永久磁石を用いた磁場バイアスレールガン(ARGPM50)である．本実験では，プラズマの挙動の再現性が良い加速初期の５〜１０ｃｍの部分の挙動を調べるため，図６−１Oのように銃口から１０ｃｍの部分を使用した．飛朔体は銃口から８ｃｍの位置に置かれ，排出孔は飛邦体から４．５ｃｍに設けられている．排出孔の直径および長さは３ｍｍ｡および４０ｍｍである．干渉計測用の窓は，絶縁壁を一部切り取り５ｍｍ×５ｍｍの石英ガラスを取り付けることによってレーザ光が加速管を貫通するようにした．また,B‑dotプローブを干渉計測用の窓と同じ位置に設け，電流分布の変化を観察した．動作雰囲気は０．１Torr，飛測体の質量は２５ｍｇと

した．レーザ干渉計測についての詳細は付録1.1.2に譲る．

7７

(9)

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図６−９レールガンの断面および測定系

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図６−１１および6‑12に排出孔を設置しない場合および設置した場合のレールガンの典型的な加速動作を示す．通常，排出孔を設けない場合はｘ＝２０〜３０ｃｍ付近でプラズマの分裂が見られる．＃1660ではすでにＸ＝２５ｃｍの位置のプローブに電流の分裂が見られる．一

7８

４．５ｃｍ

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実験結果および考察

３．悪

図６−１０レーザ干渉計測におけるレールガンの詳細設定

６．

( １）レールガンの動特性

(10)

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図６−１１排出孔なしの場合の加速動作

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（２）レーザ干渉法を用いたプラズマの電子密度分布測定

図６−１３および６−１４に排出孔を設置しない場合および設置した場合の動作を示す．それぞれ上から順に電流，B‑dotプローブ信号，ＰＩＮフォトダイオードによって検出される干渉信号である．プラズマが観測窓を通過するとき，電流は約16ｋＡである．B‑dotプローブ信号の２９０１ﾙsに見られる負の信号は，プラズマが銃口に到達して電流が減少し始めることによって生じる．干渉信号の２１８ILS付近に見られる負のスパイクは飛朔体がレーザ光を遮断したことを示す．ｖｌとｖ２で囲まれる範囲は計測システムの機械的な振動で生じる振幅で，

レーザ光の強度に変化がなければ干渉信号はこの範囲内で振動する．しかしながら，プラズマからの発光や，レーザ光がプラズマを通過する際に減衰，偏光等が生じるため，この範囲を上下に超えることがある．ｖ３は測定光を遮断した場合のＰＩＮフォトダイオードの出力であり，信号の大きさがｖ３以下になることはない．

図６−１１において干渉信号は501ﾙs付近からゆっくりと上下に振れ始める．飛翻体の通過直前までに干渉信号はｌ周期分以上振動しており，直前で電子密度は約９×l0l7cm‑3に達することがわかる．しかしながら，B‑dotプローブの信号から電流飛翻体前方に洩れたプラズマにはほとんど電流が流れていないと思われる．飛翻体の通過直後にみられる大きな膨らみは，プラズマからの発光が重畳されたものである．図6‑11(b)は干渉信号波形内の斜線部方，ｘ＝１０ｃｍの位置に排出孔を設けた場合は，２５ｃｍ以降も分裂が生じていないことがわかる．排出孔を通過して数１０ｃｍは効果が持続することがわかる．

図６−１２排出孔を設けた場合の加速動作排出孔位置:ｘ＝１０ｃｍ

7９

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２３８ＩＬＳ付近から密度の変化に起因する細かい振動が見られる．いったん２５５ｕｓ付近で振動は停止するが，再び振動がはじまりその周期は徐々に短くなる．その後２８４usで再び振動の周期が長くなる．この振動はプラズマ内における密度変化を暗示している．密度分布のピーク付近では密度勾配が小さいので干渉信号はゆっくり振動し，その両側では急な

密度勾配によって速く振動するはずである．したがって，２５５Mｓ付近が電子密度のピークであると考えることができる．しかしながら，プラズマ前部では振動が観測されなかった．

図6‑14排出孔を設けた場合の動作

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（b）干渉信号の拡大 (図(a)におけるハッチング部分）

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（b)干渉信号の拡大 (図(a)におけるハッチング部分）

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(a)上から順に電流，Ｂ−ｄＯｔプローーブ，干渉信号（a)上から順に電流，Ｂ−ｄｏｔプローブ，干渉信号

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(12)

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これは，プラズマ密度が大きいためレーザ光が透過できなくなったことと，電子密度の急勾配に起因するレーザ光の偏光によって干渉パターンがおびただしく乱されたことが原因であると考えられる．

一方，排出孔を設けた場合は，飛朔体が排出孔を通過するまではほとんど排出孔がない場合とほとんど同様である．この場合にも飛翻体の前方にプラズマが洩れているが，飛翻体直前における電子密度は５×1017cm‑3程度とわずかに小さい．しかし，干渉信号の拡大波形波は明らかに異なる．この場合，細かい振動は見られず，ゆっくりとした振動が２５３ILS から始まっている.＃1807ではプラズマ後部において密度減少に伴う細かい振動が見られないが，これはレーザ光の偏光によると考えられる．プラズマの後部において相当に大きな密度勾配があると考えられる．干渉信号を電子密度分布に変換すると図６−１５の様になる．

無損失理論速度はｒ＝２２０１Aｓにおいて約700ｍ/ｓであることを利用して，プラズマ主部(飛翻体から電子密度が急激に立ち上がる部分まで)の長さを求めると，＃1804および#1807そ

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図6‑15排出孔の有無による電子密度分布の比較

(13)

れぞれの場合で４．３ｃｍ，２２ｃｍとなる．排出孔を通過したばかりのプラズマは非常にコンパクトであることがわかる．

このように，排出孔はプラズマの瞥肉を削ぎ落とす役割がある．長距離で加速する場合は複数個の排出孔を適所に設けることによって，電流分裂のないスムーズな加速を実現で

きる可能性がある．

６．４加速管構成材料の耐熱化

６．４．１セラミック壁を用いた飛翻体加速実験

（１）実験装置および方法

耐熱材料の熱負荷試験では，入力がわかっている熱源に材料を晒して損傷を評価するのであるが，レールガンにおいては加速管と熱源であるプラズマの相互作用は動的であり，

静的な評価はあまり意味がない．しかもレールガンのプラズマは高エネルギー密度であり通常では実現しがたい条件である．したがって，実際に加速管に組み込んで飛朔体の加速実験をするのがよい．

レールガンは永久磁石を用いた磁場バイアスレールガンを用いた.セラミック(SiO2:45%，

MgO：17％，Ａｌ203：１６％)をポリカーボネートと同型に加工して加速管に組み込んである．

絶縁壁にポリカーボネートを用いた場合とセラミックを用いた場合について，射出速度，

加速管壁(レール)のエロージョン，およびプラズマ電機子の振舞などについて比較した．

レール材は何れの場合も銅を用いた．動作雰囲気は０．１Ｔｏｒｒである．飛翻体は２５ｍｇのバルサ材である．電源はPFN型の４段で，電流は20±１ｋＡ，パルス幅は500ｕｓである．加速管に使用した材料の特性は付録２に示す．

（３）実験結果

図６−１６および６−１７に加速管の絶縁壁にそれぞれポリカーボネート(PC)およびセラミック(CR)を使用した場合の典型的なプラズマの振舞を示す.また,図6‑18にそれぞれのB‑dot プローブ信号にデコンボリュージョン演算を施して求めた電流分布幅の時間推移を示す.２本の線はそれぞれプラズマ電機子の先端および後端を表す.２本の線の垂直方向の差はそれぞれの時刻におけるプラズマ電機子の長さとなる．ｘ＝５ｃｍまでの加速初期では，電流分布幅はほとんど両者で差がないが，１０ｃｍ以降，時間にして3001ﾙs以降ではセラミックを用いた場合に幅が狭くなっていることがわかる．300ｕｓ以降は平均25％の短縮率である．

しかしながら，プラズマ先端の変位には顕著な差が見られなかった．加速管との接触面積が異なるので粘性抵抗の影響が加速動作に現れると考えられるが，この比較ではその差が確認できない．

8２

(14)

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図6‑16カーボネート壁の場合の加速動作図6‑17セラミック壁の場合の加速動作

3０

1０ 2５

2０

（３）ＳＥＭによるレール表面の観察一

ポリカーボネートおよびセラミックを用いたそれぞれの場合について熱負荷を評価するために，ショット後の加速管表面を電子走査顕微鏡(ScanningElectronMicroscopy：SEM）

を用いて撮影した．物質それぞれに熱的損傷の様子が異なるので，共通に用いたレール材 (銅)の陰極表面を比較した．図６−１９に#1778および#１７６８においてレール上で異なる場所 (ｘ＝０，５，１０ｍｍ)の表面写真を示す．左がポリカーボネート壁の場合，右がセラミック壁の場合である．ｘ＝０において明らかに異なるのは，セラミック壁の場合，直径〜５０ｕｍの孔が多く見られることである．このような孔は，粘性の大きな流体が沸騰している場合に

8３

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Ｔｉｍｅ(usec）

図6‑18プラズマ電流分布の時間推移

(15)

よく見られる．レール内部まで熱が侵入し，内部から蒸発が起こっていると考えられる．５ｍｍにおいても同様の孔が見られ，広い範囲にわたって熱負荷が大きいいことがわかる．一方，ポリカーボネート壁の場合は，損傷しているものの孔は全く見られない．以上述べたように〆セラミック等の熱的に優れた特性を持つ材料を絶縁壁に用いた場合，加速管への熱負荷が大きくなるということが強く示唆される結果となった．熱負荷に関する考察は次

節で行う．

ｘ二０ｍｍ

階』

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露旦軍亜

ｘ＝５ｍｍ

ｘ＝１０ｍｍ

ポリカーボネート壁の場合セラミック壁の場合

図６−１９動作後のレール表面

8４

(16)

６．４．２熱負荷に関する考察

（１）方法

５章にて述べた熱負荷解析コードを用いて，銅とセラミック組み合わせで加速管を構成した場合について計算した．同じ電流波形を用いて銅とポリカーボネートを組み合わせた場合についても計算し，両者を比較した．

絶縁壁にセラミックを用いた場合，アブレーションによる気化粒子数の計算は(5‑15)式

に代えて

Wce＝血,皇竺2α(ＸＩ−Ｘ,)ｄｒ

碗Cｅ

(6‑2）

を用いる．Ｅ冊"，腕はそれぞれセラミックの気化潜熱および気化粒子の質量である．実験に用いたセラミックは複数の成分から成るが，簡単のために気化粒子を全てSiO2のみであるとみなしてその後の過程を考える．この計算で用いたセラミックに関する物理定数を付録２に示す．

（２）シミュレーション結果

絶縁壁材料としてポリカーボネートおよびセラミックを用いた場合のプラズマ電機子の代表的なパラメータの時間推移を調べた。その結果を図6‑20に示す。左列上から順に電流，

圧力，温度，右列上からプラズマ質量，飛翻体(プラズマ先端)速度，及びプラズマの位置の時間変化を表す。一連のグラフにおいて実線がポリカーボネートを用いた場合，点線がセラミックを用いた場合の解析結果である。

電流波形は同じである．プラズマ源である細線に電流が流れ始めると，細線は溶融を経て気化する際に瞬時圧力を発生する。気化したガスが後方に拡散して体積が増加すると圧力は一旦小さくなり，その後電磁力と釣り合いながら電流の増加に伴って大きくなる。

温度変化はプラズマに混入する粒子数に依存する．ポリカーボネートと銅の組み合わせでは比較的低温でポリカーボネート表面の気化が始まるので，プラズマ内に混入する粒子は水素および炭素などの軽い粒子である．一方，セラミックと銅の組み合わせではセラミ

ックよりもむしろ銅レールからの粒子供給が多い．質量変化に注目すると，ポリカーボネートとセラミックでは質量増加がさほど変わらないように見えるが，含有粒子の相対比が異なるので全粒子数に換算するとその差は大きい．速度は主にプラズマ質量に僅かに依存するだけなので，速度変化を見ても両者の違いはほとんど見られない．しかしながら，プラズマの長さに注目すると，セラミックを用いることによって長さは１/２以下に抑えられていることがわかる．セラミックを用いた場合，２００１ﾙs以降はプラズマ質量に変化がみられない．つまり加速管における気化がゼロになったことを示す．

8５

(17)

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図６−２０レールガンプラズマの動特性左列上から順に電流，プラズマ圧力，プラズマ温度，

右列上から順にプラズマ質量，速度，プラズマの位置

実線は絶縁壁にポリカーボネートを用いた場合，点線はセラミックを用いた場合

図６−２１プラズマからの輯射

10000

Ｔｉｍｅｔ胸 ^{Ｔｉｍｅｔ鯛}

図6‑22プラズマへの注入電力

(18)

セラミックを用いた場合

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１階、 1５０

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０２５５０７５ Depthfromsurfaced（lJlm）

ポリカーボネートを用いた場合セラミックを用いた場合

（b)レール(銅)側

図６−２３プラズマ通過直後の加速管壁内温度分布

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ポリカーボネートを用いた場合

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(19)

図６−２１および6‑22にそれぞれプラズマ単位面積当たりから放出される頼射エネルギーおよびプラズマへ供給される電力を示す．轄射は温度の４乗に比例するので，セラミック壁を用いた場合の方が温度が高い分頼射も大きい．レールガンプラズマは電離度が0.5%程度と非常に小さく導電率に対する中性粒子の影響が大きい．プラズマの抵抗は温度よりもむしろ断面積の影響を受けるので，セラミック壁を用いた場合が大きくなる．したがって，

セラミック壁を用いた方が注入電力も大きくなる．

絶縁壁にポリカーボネートを用いた場合およびセラミックを用いた場合についての絶縁壁およびレール内部の温度分布を図6‑23に示す．縦軸が加速管上の位置，横軸は加速管表面からの深さを示す．ポリカーボネート壁の場合は，飛翻体を設置したｘ＝０周辺の熱負荷が極端に大きいことがわかる．絶縁壁側では，熱の侵入速度が遅く熱が表面に蓄積されるので，表面の損傷が激しい．ポリカーボネート壁は全区間で沸点に達しており，プラズマに粒子を供給する．一方，レール側ではｘ＝０周辺で沸点に達しているが，それ以外では融点にも達しておらず，エロージョンが極めて局所的である．

一方，絶縁壁をセラミックにした場合，レール表面上の広範囲にわたって融点を超えており，実験結果と傾向が同じである．

６．５まとめ

本章では，レールガンにおけるプラズマ制御の意義とその方針を述べた．本論文ではプラズマを制御するための方法を幾つか提案または実証しているが，ここではそのうち３つの方法について述べた．

まず，プラズマ衝突法なる単純レールガンの加速初期の振舞を改善する方法について述べた．プラズマの運動量は大きくないので軽量ペレットを加速する際にのみ有効である．

理論的にはプラズマ源の質量を増加することによって衝突時のプラズマの運動量を増加することが可能である．しかしながら，実際には細線溶断によってプラズマを生成する場合，

細線が気化する際に膨張する，あるいは不均一性のためにプラズマの一部だけが加速されるといったことが起こるため，さほど運動量を大きくできない．この方法を用いて加速初期のアブレーションを低減するには限界がある．

次に，プラズマ排出孔の効果について述べた．レーザ干渉法によって加速方向の電子密度分布を測定した結果，排出孔を通過したプラズマは非常にコンパクトであることがわかった．プラズマの一部の粒子が孔から排出されていることによると考えられる.加速管に孔を設けるだけの単純なアイデアであるが非常に有効であることが示された．この孔を加速管に沿って適所に設けることができれば，電流分裂のないスムーズな加速が実現できる可

能性があることを示した．

また，加速管構成材料に関する実験および考察を行った．セラミックを加工して加速管に絶縁壁として組み込み，飛翻体加速実験を行った．セラミックを用いた場合，ポリカー

8８

(20)

ボネート絶縁壁の場合に比べてプラズマがコンパクトになった．また，耐熱材を用いることによって損傷が減少すると思われたが，逆にレール面上では損傷が激しくなった．５章で示した熱解析コードを用いて絶縁壁にポリカーボネートおよびセラミックを用いた場合それぞれについてシミュレーションを行い，材料の特性がプラズマの挙動に与える影響を調べた．セラミック壁の場合，予想通り加速管から噴出する粒子数が減り，実験結果同様にプラズマがコンパクトになった．しかしながら，増加粒子数が少ないためにプラズマの温度が上昇し，加速管全体の熱負荷が増加することがわかった．

加速管材料が熱的に優れた特性を有しても，プラズマの温度が上昇して熱負荷が増加するので，加速管の損傷を完全に回避することは不可能であると思われる．ただし，耐熱材の使用することによって壁から出てくる粒子数が減少するので，プラズマの制御という観点からは非常に効果がある．

8９

(21)

フ章レールガン動作の駆動電流波形依存性

レールガンの駆動電源についてはコンデンサバンク，単極発電機[21,47]，コンパルセータ[48]等が利用されており，駆動電流の最大値はレールガンの寸法および飛翻体の質量に応じて数kA〜数MＡと非常に幅広い.電流波形に関しても電源の構成によって様々である．

しかしながら，レールガン動作の電流波形への依存性を系統的に調べた研究はほとんどない．電流波形とレールガンプラズマの挙動の関係を明らかにすることができれば，電源回路によってプラズマの挙動を積極的に制御することも可能である．

本章では，まず駆動電流の立ち上がりにおける電流上昇率を変化して，立ち上がりがレールガンの動作に及ぼす影響を調べた。駆動電流波形の立ち上がり部分を変化するために，

銅細線の溶断を利用した開放スイッチ[50]を用いた。また，５章で示したシミュレーションコードと，減衰電流の模擬波形を用いて加速後半における電流の減衰率とプラズマの挙動について考察した．

７．１レールガン動作の電流立ち上がり依存性[94］

７．１．１実験装置および方法

図７−１に実験装置の概略を示す。装置は大きく分けてレールガン本体と駆動電源との２つの部分からなる。レールガンは永久磁石磁場バイアスレールガン(ARGPM50)を用いた．飛翻体は質量２５ｍｇの木製である。雰囲気圧力は0.lTorr以下とした。

初期プラズマ源となる銅細線はレール間を短絡し，かつ飛朔体に接するように配置した。

細線の直径は０．０４ｍｍである。プラズマの一部は銃尾方向に拡散して銃尾領域においてレール間を短絡する可能性があるので,これを防ぐために細線を設置した位置から銃尾側に４ cm離れたところに絶縁物で栓をした。なお，飛翻体の初速度は０である。

電源部は、コンデンサとインダクタの組み合わせによるパルス成形網と，レールガンに供給する電流の立ち上がりを変化するための開放スイッチ(OS)からなる。開放スイッチでは，銅細線の液化・気化時の抵抗率の変化を利用して電流を遮断し，設定する銅細線の本数および開放スイッチとレールガンの間に設けたスパークギャップスイッチ(SG)の間隙によって電流の立ち上がりを調節する[50]・図7‑2にギャップ間隙を０．５mm一定として，銅細線の本数を０，７，１５とした場合の電流波形を示す。銅細線の直径は0.15mmである。ここでは最大値の５０%値ム0に達するまでの時間r5oを用いて，ISO/'５０を電流の立ち上がりと定義する｡銅細線の本数を０，７，１５とした場合の電流の立ち上がりは,それぞれ(2.1±0.1)×108,

(5.7±０．４)×１０８，（7.5±0.5)×１０８Ａ/ｓである。測定器は３章の実験で用いた機器と同じなの

で，記述を省略する．

9０

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