与 え る影 響 に 関す る考 察

平成28年 度(2016年 度)学 位 論 文(修 士)

RFカ ソー ド投 入 周 波 数 の 電 子 放 出 特 性 に 与 え る影 響 に 関す る考 察

平 成29年(2017年)1月30日

首都大学東京大学院

システムデザイン研究科 システムデザイン専攻 航空宇宙システム工学域 博士前期課程

15891536三 浦 唯 貴

指導教員 竹ケ原 春貴

第1章 序 論 1.1研 究 背 景

1.2過 去 の 研 究 と課 題 1.3研 究 目 的

＼

目次

11つ﹂︽﹂

第2章 ホ ー ル ス ラ ス タ お よ び 電 子 源 2.1ホ ー ル ス ラ ス タ

2.2電 子 源

2.2.1ホm一 カ ソ ・・一一一ド

2.2.2マ イ ク ロ 波 プ ラ ズ マ 電 子 源 2.2.3高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源

…7

…7

…8

…9

…10

…ll

＼

第3章 実 験 装 置

3.1真 空 環 境 模i擬装 置 「しん か い2000」

3.2高 周 波 電 力 供 給 系 3.2.1高 周 波 電 源

3.2.2マ ッチ ン グ ボ ッ ク ス 3.3直 流 電 力 供 給 系

3.4作 動 ガ ス 導 入 系 3.5高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源

…15

…15

…16

…16

…17

…21

…21

…22

＼

第4章RF/C投 入RF周 波 数 変 更 実 験 4.1実 験 構 成

4.1.1実 験 構 成

4.1.2イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ 回 路 の 構 成 4.2RF/Cの 作 動 条 件 と実 験 結 果 の 再 現 性

4.3投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHzを 用 い た 際 のRF/Cの 電 子 放 出 特 性 の 比 較 4.3.1タ ー ゲ ッ ト電 圧 に 対 す る 電 子 電 流 の 変 化

4.3.2RF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 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 4.4第4章 の ま と め

5556700345622222333333

第5章RF/Cの 電 子 放 出 特 性 に 与 え る投 入RF周 波 数 の 影 響 の 考 察

＼

5.1投 入RF周 波 数13.56MHz,27.12MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性

5.2投 入RF周 波 数6.78MHz,1356MHz,27.12MHzに お け るRFICの 電 子 放 出 特 性 5.3RF/Cの 電 子 放 出 特 性 に 与 え る 投 入RF周 波 数 の 影 響 の 原 理 の 考 察

5.4第5章 の ま と め

…39

…39

…41

…43

…45

第6章 結論 ^…47

謝辞 ^…49

第1章 序 論

1.1研 究 背 景

私 た ち 人 類 は 様 々 な 物 を 使 い,様 々 な 困 難 を 乗 り越 え,様 々 な 未 踏 の 地 へ と そ の 足 で 歩 み を 進 め て い る.山,海 大 陸,深 海,そ し て,宇 宙 へ と.

人 類 はWalterRobertDornberger,WernhervonBraunら に よ っ て 開 発 さ れ たV2ロ ケ ッ トを皮 切 り に 人 類 の 宇 宙 開 発 は進 ん で 行 く.現 在 ま で に 様 々 な 探 査 機,人 工 衛 星 が 打 ち 上 げ られ,人 類 の 歩 み は つ い に宇 宙 に 到 達 し た と言 え る ま で に な っ た.当 初 は 宇 宙 に 到 達 す る 目的 で あ っ た 状 況 か ら,今 で は 宇 宙 を 利 用 す る状 況 へ 変 化 して い る.通 信 衛星 や 気 象 衛 星 と い っ た 民 間 の 宇 宙 利 用 が 拡 大 し て い る.そ して,そ の 恩 恵 は 現 在 の 人 類 の 生 活 に は 必 要 不 可 欠 な も の とな っ て い る.今 後 も 人 類 の 歩 み は さ ら な る 果 て な き深 宇 宙 へ と進 ん で い く こ と は 自明 で あ る.私 た ち の 探 究 心 も ま た 果 て な き も の で あ る か ら.

ロ ケ ッ トや 人 工 衛 星 が 果 て な き宇 宙 空 間 を進 む た め に は,推 進 力 が 必 要 で あ る.人 工 衛 星 や ロ ケ ッ トは 進 行 方 向 逆 向 き に 物 質 を 噴 射 す る こ と で 反 作 用 と し て 必 要 な 推 力 を 得 て,そ の 推 力 に よ っ て 宇 宙 空 間 を 移 動 した り,必 要 な 姿 勢 制 御 を 行 う.そ の 推 進 力 はTsiolkowskiyに よ っ て 次 の よ うに 記 述 さ れ た[1'1】.

△y一 ラαln竺(1‑1) Mf

こ こ で,△Vは 速 度 変 化 量,Vexは 平 均 排 気 速 度,ル1iお よ び ルlfは そ れ ぞ れ 宇 宙 機 の 初 期 質 量 と終 期 質 量 を 表 す.重 力 加 速 度g,比 推 力1,pを 用 い て,こ の 式 を 変 形 す る と,

笠 一鴫)一 鴫)(1‑2)

と 表 せ る.こ こ で,砥 碕 は ロ ケ ッ トの 推 進 材 噴 射 前 後 の 質 量,ム γ は ロ ケ ッ トの 速 度 変 化 量, ッα は 噴 出 され る推 進 剤 の 速 度 を 表 し て お り,こ の 式 の 左 辺 は ロ ケ ッ トが 航 行 す る 際 の 噴 射 前 後 の 質 量 比 を 示 し て い る.あ る ム γ を 必 要 と した と き に推 進 材 の 速 度 ッα が 大 き い 方 が 最 終 的 な 質 量 砺 が 大 き く な る.つ ま り,ロ ケ ッ トの 輸 送 能 力 が 高 く な る こ と を示 して お り,高 い 輸 送 能 力 を 実 現 す る た め に は 推 進 剤 を よ り高 速 で 噴 射 す る こ と が 必 要 で あ る.化 学 推 進 の よ うな 空 気 力 学 的 加 速 に よ り推 力 を 得 る 方 法 で は,推 進 機 の 噴 射 単 位 面 積 あ た りの 推 力Fで あ る推 力 密 度 が 高 く,地 上 か ら の 打 ち 上 げ に お い て 適 し て い る.し か し,現 在 の ロ ケ ッ トに 見 られ る よ うな 化 学 推 進 機 の 排 気 速 度 は5000m/s,比 推 力500s程 度 で あ り,大 き な ペ イn‑一 ド比 を 達 成 す る こ と は 困 難 で あ る.比 推 力Is,は 単 位 時 間 あ た りに 消 費 す る 推 進 剤 質 量mあ た り に 得 られ る推 力Fで 定

Fv

ぬ

1ザ 函=マ(1"3)

そ ん な 化 学 推 進 機 に 代 わ る概 念 と して,電 気 エ ネ ル ギ ー で 推 進 剤 を 加 速 させ る 電 気 推 進 機 が 提 唱 され た.化 学 推 進 機 に 対 し て,電 気 推 進 機 は 数 千 か ら数 万 秒 の1,pを 達 成 で き る.そ の た め, 電 気 推 進 機 は推 進 剤 が 節 約 で き る た め,長 距 離 ・長 時 間 の 運 用 が 可 能 で あ り,燃 料 の ペ イ ロ ー ド を 抑 え る こ と で 観 測 機 器 な ど の 搭 載 ペ イ ロ ー ドが 増 や せ る こ と か ら高 い 輸 送 能 力 を も っ 推 進 機 と な っ て い る.

図1‑1に 化 学 推 進 機 と電 気 推 進 機 の 比 推 力 と推 力 密 度 の 関 係 を 示 す.上 記 で 述 べ た よ うに,化 学 推 進 は 高 推 力 密 度 ・低 比 推 力 で あ り,電 気 推 進 機 で あ る イ オ ン ス ラ ス タ は 低 推 力 密 度 ・高 比 推 力 が 特 徴 で あ る.深 宇 宙 探 査 とい っ た 長 時 間 作 動 が 必 要 な ミ ッ シ ョ ン に イ オ ン ス ラ ス タ は 適 し て い る こ と が わ か る.表1‑1に 電 気 推 進 機 の代 表 的 性 能 を 示 す.

N∈︑Z.遷.﹀帽oo⊆Φ∩一〇〇2=﹂■

106

105

104

103

102

101

1 102

O

Hall&MPDThruster

lonThruster

103104

Specificlmpulse,ノsρ,s

105

図1‑1化 学 推 進 機 と電 気 推 進 機 の 比 推 力 と推 力 密 度 の 関 係 【1"1]

表1‑1電 気 推 進 機 の 代 表 的 性 能

DCArcjet MPD Ha皿 Ion

Acceleratk)n P「㏄ess Power,kW Spec箇chnpulse,s Thrusteffrrciency,‑

Thrust‑t(トwerratio,niN.kW

Electrothermal

O.3〜30 350〜800 0.3〜0.4

100

Electromagnetic 1(〉‑100 1000〜6000 0.1〜0.5

20

ElectrostaticEk∋ctrostatiC

O.4〜50.5〜5 100(ト30003000‑

0.4〜0.60.7〜0.8 5030

近 年,衛 生 発 生 電 力 の 増 大 や 推 力 変 換 効 率 の 向 上 に よ る 大 推 力 化 に よ り,電 気 推 進 機 の 活 躍 の 場 は 大 幅 に 広 が っ て き て い る.地 球 近 傍 で の 大 型 構 造 物 の 建 造 や 月 や 火 星 の 有 人 探 査 に お い て は ミ ッ シ ョ ン 期 間 の 短 縮 要 求 か ら,大 推 力 か つ 高 い 比 推 力 を も っ た 推 進 機 が 必 要 と され て お り,ホ ー ル ス ラ ス タ やMPD(MagnetoPlasmaDynamic)Thruster,DCArcjetが 候 補 と して 挙 げ られ て い る.火 星 へ の 有 人 探 査 や 深 宇 宙 探 査 を 目的 と した 数 十kW級 の 大 型 電 気 推 進 機 の 開発 が 進 め られ て い る.日 本 に お い て も大 型 電 気 推 進 機 の 計 画 と して,宇 宙 太 陽 光 発 電 所 の 建 造 物 運 搬 に ホ ー ル ス ラ ス タ を用 い る 計 画 が 検 討 され て い る.そ の 計 画 で は,1.4N級 ホ ー ル ス ラ ス タ6機 の ク ラ ス タ化 に よ り8N級 ホ ー ル ス ラ ス タ シ ス テ ム を 実 現 す る こ と を計 画 し て い る[1"2].その 際,1.4N 級 ホ ー ル ス ラ ス タ用 の 電 子 源 と して115Aの 電 子 源 が 必 要 と され る.こ の よ うに,電 気 推 進 機 の 大 推 力 化 に伴 い,電 子 源 の 大 電 子 電 流 化 が 求 め られ て い る.

ホ ー ル ス ラ ス タ に お け る 電 子 源 の 役 割 と して,推 進 剤 の 電 離 や イ オ ン ビ ー ム の 中 和 を 担 っ て お り,ホ ー ル ス ラ ス タ の 作 動 に は 欠 か せ な い 機 器 とな っ て い る.現 在,ホ ー ル ス ラ ス タ に 用 い ら れ る 主 な 電 子 源 は ホ ロ ー カ ソ ー ド(HollowCathode:H/C)で あ る.ホn‑一 カ ソー ドは 低 ガ ス 流 量 ・ 低 電 力 で 大 電 子 電 流 が 得 られ る 特 徴 が あ り,100A級 の 電 子 電 流 の 研 究 も進 め られ て い る【1'3】【1'4].

しか し,欠 点 と して,プ ラ ズ マ 生 成 に 欠 か せ な い 熱 電 子 に 関 わ る イ ン サ ー トの 活 性 剤 の 枯 渇 に よ る 寿 命 制 限 な ど の 熱 電 子 放 出 源 に 起 因 す る課 題 を 抱 え て い る.近 年 で は,こ の 課 題 に 対 して, 代 替 の 化 合 物 陰 極 の 使 用 に よ る 消 耗 機 構 や 長 寿 命 化 に 関 す る 研 究 が 進 め られ て お り,多 く の 研 究 結 果 が 報 告 され て い る.一 方,本 研 究 で は ホ ロ ー カ ソ ー ドの 課 題 を 持 た な い 電 子 源 と し て,熱 電 子 源 に 依 存 しな い 高 周 波 放 電 を 用 い た 高 周 波 放 電 プ ラ ズ マ 電 子 源(RadioFrequencyPlasma Cathode=RF/C)の 研 究 開 発 を進 め て き た.RFカ ソ ー ドは,放 電 室 内 部 に挿 入 され た コ イ ル に 高 周 波 電 力 を 投 入 す る こ と で,放 電 室 内 部 に 誘 導 電 磁 場 を 発 生 させ,プ ラ ズ マ の 生 成 と維 持 を 行 う.

1.2.過 去 の 研 究 と課 題

現 状 のRFカ ソー ドで は,ホ ロー カ ソー ドと比 較 して,消 費 電 力 が 多 く,電 子 電 流 が 小 さ い こ と が 課 題 と な っ て い る.そ の た め,電 子 電 流 の 向 上 が 大 き な 目標 とな っ て い る.電 子 電 流 の 向 上 に 関 して,2013年 度 に 大 ガ ス 流 量 投 入 に お い て,従 来 の 作 動 モ ー ドと は 異 な る電 子 電 流 が 急 激 に 増 加 す る 作 動 モ ー ドが 存 在 す る こ とが 確 認 され た.こ の 大 電 子 電 流 作 動 モ ー ドをHighCurrent Mode(HCM)と 呼 称 して い る[1‑5].しか し,HCMは い くつ か の 条 件 が 重 な っ た 時 の み に 起 こ る 現

象 と考 え られ,現 在 再 現 が 困難 と な っ て い る.HCMの 作 動 条 件 を解 明 す る こ と で,任 意 にHCM 作 動 が 可 能 と な れ ば,H/Cに 劣 る 電 子 電 流 の 課 題 を 克 服 す る こ と も可 能 に な る は ず で あ る.ま た, 高 周 波 プ ラ ズ マ 源 の 研 究 に お い て,投 入RF電 力 の 周 波 数 が プ ラ ズ マ 密 度 に影 響 を 与 え る こ とが

プ ラ ズ マ に 流 れ る 高 周 波 電 流/i。d,1。apに対 す る 投 入RF周 波 数 依 存 性,図1‑3にRF周 波 数 に 対 す る 吸 収 電 力 の 誘 導 結 合 成 分li。d,およ び,容 量 結 合 成 分P。ap,図1‑4に プ ラ ズ マ 源 に100Wを 吸 収 さ せ る の に 必 要 なRF電 力 の 周 波 数 依 存 性 を 示 す[1̀6].

102

101

§IO・

翁

」 1σ1 10‑2

SS!‑!10000

一××××0000

1515====

膿㎜鷹脚VVVV

ddPハ塩塩﹄L‡‡

10‑3 100101102

f(MHz)

図1‑2誘 導 結 合 ・容 量 結 合 プ ラ ズ マ に 流 れ る 高 周 波 電 流Ii。d,1。apに対 す るRF周 波 数 依 存 性[1'6]

loo lO‑1 10"2 多10‑・

Ys1α ・

Pt lO‑5 10‑6 10'7 1α8

100 一 ・●‑V

m。=1.0×107/s

=50×107/s

101

f(MHz)

102

loo

IÒ1

ε 愚1σ ・

畠

10‑3

10"4 100

一●‑V m,=LO×107/s

=5 .0×107/s

lol

f(MHz) 102

図1‑3RF周 波 数 に 対 す る 吸 収 電 力 の 誘 導 結 合 成 分li。d,およ び,容 量 結 合 成 分P,ap[1"6]

102   巳101

β司oo

loo

10璽1 100101102

f(MHz)

図1‑4プ ラ ズ マ 源 に100Wを 吸 収 させ る の に 必 要 なRF電 力 の 周 波 数 依 存 性 【1'6]

図1‑2,1‑3,1‑4か ら,投 入RF周 波 数 を増 加 させ る と,生 成 され た 誘 導 結 合 プ ラ ズ マ,容 量 結 合 プ ラ ズ マ に 流 れ る 電 流 電 流 が 変 化 し,容 量 結 合 プ ラ ズ マ が 吸 収 電 力 に 大 き く寄 与 す る よ う に な る こ と が 報 告 さ れ た.ま た,必 要 なRF電 力 の 低 減 す る こ と も報 告 され た.本 研 究 で 用 い て い る RF/Cで も,2015年 度 に 投 入RF周 波 数13.56MHz,27.12MHzを 用 い た 比 較 が 行 わ れ て お り,周 波 数 の 高 い27.12MHzの 方 が 電 子 電 流 が 高 く,電 子 放 出性 能 が 優 れ て い る こ とが 確 認 され た[1'7】.

1.3.研 究 目的

本 研 究 で は,RFカ ソー ドの 電 子 電 流 値 の 向 上 を 目 的 と し,投 入RF周 波 数 が 電 子 放 出性 能 に 与 え る影 響 に着 目 した.高 周 波 プ ラ ズ マ 源 の 研 究 に お い て,上 記 の よ うに 投 入 され るRF電 力 の 周 波 数 が 与 え る 影 響 と し て,生 成 され る 高 周 波 プ ラ ズ マ の 状 態 や 高 周 波 プ ラ ズ マ に 任 意 の エ ネ ル ギ ー を 吸 収 させ る の に 必 要 なRF電 力 の 変 化 な ど が 報 告 され て い る.こ の こ と か ら,本 研 究 で は 研 究 開 発 して い るRFカ ソー ドに お い て も 高 周 波 プ ラ ズ マ を 用 い て い る こ と か ら,同 様 の 傾 向 が 得 られ る の か,そ して,電 子 電 流 値 の 向 上 させ る 上 で 投 入RF周 波 数 を 増 加 ・減 少 させ る べ き な

の か の 指 針 を 得 る こ と を 目的 と して い る.

本 研 究 で は,従 来 用 い て き た13.56MHzを 基 準 に,6.78MHz,27.12MHzの 上 下2種 類 を 加 え た 計 3種 類 のRF周 波 数 を 対 象 とす る.過 去 の研 究 に お い て,13.56MHzと27.12MHzに お け るRFカ ソ ー ドの 電 子 放 出 性 能 の 評 価 が 行 わ れ た .投 入RF電 力,ガ ス 流 量 が 同 条 件 に お い て,13.56MHzと 比 較 して27.12MHzで は 電 子 電 流 が 増 加 す る傾 向 や 必 要 な 電 力 が 低 減 で き る こ とが 明 らか に な っ た.本 研 究 で は,6.78MHzと13.56MHzに お け るRFカ ソー ドの 電 子 放 出 性 能 を 比 較 ・評 価 す る こ とで,6.78MHz,13.56MHz,27.12MHzの3種 類 の 投 入RF周 波 数 が 電 子 放 出性 能 に 与 え る影 響 の 総 合 的 な 評 価 を 行 う.そ して,RFカ ソ ー ドの 電 子 放 出 性 能 の 向 上 に 対 し て,投 入RF周 波 数 の 選 定 の 指 針 を 得 る.

参 考 文 献(第1章)

ーユ234567

栗 木 恭 一,荒 川 義 博(編),"電 気 推 進 ロ ケ ッ ト入 門"東 京 大 学 出 版 社,pp.18‑21,2003.

山 本 直 嗣,宮 坂 武 志,ト ニ ー ・シ ョ ー ン ヘ ル,横 田 茂,尾 崎 敏 之,大 須 賀 弘 行,田 原 弘 一,小 紫 広 也,小 泉 宏 之,船 木 一 幸,"Inspacepropulsionと し て の 大 型 ホ ー ル ス ラ ス タ の 検 討,"平 成23年 度 宇 宙 輸 送 シ ン ポ ジ ウ ム,STEP‑2011‑017,2012.

横 田 茂,片 岡 久 志,鵜 生 知 輝,佐 宗 章 弘,小 島 康 平,木 村 竜 也,"大 電 流 ホ ロ ー カ ソ ー ドの 開 発",平 成25年 度 宇 宙 輸 送 シ ン ポ ジ ウ ム,STEP‑2013‑Ol3,2014.

横 田 茂,小 島 康 平,木 村 竜 也,"100A級 大 電 流 ホ ロ ー カ ソ ー ド",平 成26年 度 宇 宙 輸 送 シ ン ポ ジ ウ ム,STEP‑2014‑060,2015.

JunSato,NatsumiTorii,SatoshiKasagami,ChisatoOta,JunichiroAoyagi,HarukiTakegaharaand HirokiWatanabe,"ExperimentalStudyonRadioFrequencyPlasmaCathodefbrHallEffect Thruster",SpacePropulsion2014,2014‑2969704.

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 ー一・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.

出 口公 統,"RFカ ソ ー ド電 子 放 出 性 能 の 周 波 数 依 存 特 性 お よ び ホ ー ル ス ラ ス タ と の 組 み 合 わ せ 評 価",2015年 度 首 都 大 学 東 京 大 学 院 修 士 論 文,2016.

第2章 ホ ー ル ス ラ ス タ お よ び 電 子 源

2,1ホ ー ル ス ラ ス タ[2"1][2'2】[2'3】

ホ ー ル ス ラ ス タ は 比 推 力1000秒 か ら2000秒 程 度 と化 学 推 進 機 に 比 べ 高 い 比 推 力 を も ち,50%

程 度 の 高 い 推 力 効 率,50mN/kWの 高 い 推 力 電 力 比 か ら,地 球 近 傍 に お け る軌 道 遷 移 へ の 適 用 が 期 待 され て い る.ホ ー ル ス ラ ス タ シ ス テ ム に は,図2‑1に 示 す よ うに 円 環 状 の 放 電 チ ャ ネ ル と 陽 極(Anode)を 有 して お り,チ ャ ネ ル 下 流 に 陰 極(Cathode)と な る 電 子 源 が 設 置 され て い る.放 電 チ ャ ネ ル の 半 径 方 向 に 外 部 磁 場 と軸 方 向 に 電 場 が 印 加 され,電 子 源 か ら 供 給 され る 電 子 が 磁 場 と電 場 の 相 互 作 用 に よ っ て 効 率 的 に 閉 じ込 め られ,推 進 剤 粒 子 と の 衝 突 電 離 を 行 い,プ ラ ズ マ を 生 成 す る.ま た,半 径 方 向 の 磁 場 に よ り電 子 は 周 方 向 にE×Bド リフ トす る.こ の 電 子 の ドリ フ トに よ っ て 生 じ る電 流 を ホ ー ル 電 流 と呼 ぶ.こ れ に よ り,電 子 の 軸 方 向 の 動 き は 妨 げ られ,軸 方 向 に 強 い 電 場 が 生 じ,イ オ ン は こ の 電 場 に加 速 され 下 流 へ 排 出 され る.そ の 反 作 用 と して ホ ー ル ス ラ ス タ は 推 力 を 得 る .ス ラス タが負 に帯 電 しな い よ うに,排 出 され たイ オ ン は電 子源 か

ら供 給 さ れ る 電 子 に よ り,P和 され る.

Anode

Gas[

0⇔ _①^●e

oδs・:

〉

①︑B

≠

①

◎ 日ectron

①lon

㊤NeutralGas

Cathode 図2‑1ホ ー ル ス ラ ス タ の 概 念 図

ホ ー ル ス ラ ス タ か ら放 出 さ れ る イ オ ン に よ る イ オ ン ビ ー ム の 中 和 に は,電 子 源 か ら供 給 され る 電 子 に よ る 電 子 ビー ム が 必 要 で あ る.電 子 源 か ら放 出 さ れ る 電 子 は,イ オ ン ビー ム 電 流 と等 価 に な る よ うに 十 分 な 密 度,速 度 で 供 給 され な け れ ば な ら な い.つ ま り,安 定 な 推 力 を 得 る た め に は,式(2.1)に 示 す よ うに イ オ ン ビー ム 電 流 密 度/b、に,等 価 な 電 子 電 流 密 度1。を 供 給 す る こ と を 指 す[24].

∬bi=enilフi=eneVθ=1θ(2.1)

こ こで,Ib、 は イ オ ン ビ ー ム 電 流 密 度,1,は 電 子 電 流 密 度,eは 電 気 素 量,n,,neは そ れ ぞ れ イ オ ン 密 度 電 子 密 度,Vi,v,は そ れ ぞ れ イ オ ン,電 子 の 速 度 で あ る.イ オ ン ビ ー ム 電 流 密 度 が 増 す こ と は イ オ ン密 度,ま た は イ オ ン速 度,そ の 両 方 が 増 す こ と を意 味 し,イ オ ン ビ ー ム 電 流 密 度 の 増 加

に 対 応 し て 電 子 電 流 密 度 を 増 す 必 要 が あ る.電 子 電 流 密 度 の 増 加 に は,イ オ ン ビ ー ム と 同 様 に 電 子 密 度,ま た は 電 子 速 度,そ の 両 方 が 増 す 必 要 が あ る.電 子 速 度 を 増 加 させ る 場 合 に は,イ オ ン ビ ー ム と 電 子 源 の 電 位 差 で あ る 接 触 電 圧 を 大 き く す る 必 要 が あ り,中 和 に 必 要 な 電 力 の 増 加, ホ ー ル ス ラ ス タ 本 体 な ど の ス パ ッ タ リン グ 損 耗 の 促 進 と い っ た 問 題 へ と繋 が る.そ の た め,電 子 源 と して は,低 い 接 触 電 圧 で 高 い 電 子 電 流 密 度 を 供 給 で き る こ とが 求 め られ る.

2.2電 子 源

ホ ー ル ス ラ ス タ の 作 動 に は プ ラ ズ マ 生 成 と イ オ ン ビ ー ム の 中 和 に 必 要 な 電 子 を 供 給 す る 陰 極 と し て の 電 子 源 が 必 要 不 可 欠 で あ る.電 子 源 の イ オ ン ビ ー ム の 中 和 技 術 は 図2‑2に 示 す よ う に ThermionicEmitterA(ljacenttoBeam,ThermionicEmitterImmersedinBeam,お よ びElectron‑Gun Injector,そ し て,現 在 主 に 用 い ら れ るPlasma‑BridgeMethodが あ る[2"5].

ThermionicEmitterA(ljacenttoBeam,ThermionicEmitterImmersedinBeamは,繊 条 金 属 で あ る フ ィ ラ メ ン ト を 用 い た 熱 陰 極 か ら 熱 電 子 を イ オ ン ビ ー ム に 供 給 す る 方 法 で あ る.し か し,イ オ ン ス パ ッ タ リ ン グ 損 耗 に よ る フ ィ ラ メ ン トの 断 線 な ど の 寿 命 制 限 が さ れ る 【2'4].次に,Electron‑Gun Injectorは,電 子 銃 を 用 い て 適 当 な 速 度 で イ オ ン ビ ー ム に 電 子 を 打 ち 込 む 方 法 で あ る.し か し,イ オ ン ビ ー ム 電 流 密 度 が 増 す に つ れ,電 子 銃 か ら 電 子 を 打 ち 出 す 速 度 を 上 昇 さ せ る 必 要 が あ り, 電 子 銃 の 構 造 の 複 雑 化 や 大 電 力 化 が 必 要 と な り,適 さ な い.

最 後 に,現 在 主 流 で あ る の がPlasma‑BridgeMethodで あ る.Plasma‑BridgeMethodは,電 子 源 内 部 で 放 電 に よ り 生 成 さ れ た 電 子 が イ オ ン ビ ー ム と の 接 触 電 圧 に よ り 引 き 出 さ れ,イ オ ン ビ ー ム と の 間 に プ ラ ズ マ の 橋 を 形 成 す る.電 子 源 と イ オ ン ビ ー ム 間 に プ ラ ズ マ の 橋 を 形 成 す る こ と で, 低 い 接 触 電 圧 を 実 現 し,イ オ ン ビ ー ム 中 和 に 必 要 な 電 力 の 削 減 を 可 能 と し た.Plasma‑Bridge Methodを 用 い た 電 子 源 と し て,ホ ロ ー カ ソ ー ド,高 周 波 放 電 式 電 子 源,マ イ ク ロ 波 放 電 式 電 子 源 が 挙 げ ら れ る 四.

ThermionicEmitterAdjacenttoBeam の

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図2‑2イ オ ン ビ ー ム 中 和 技 術[2"5]

な

1灘 鴛

紬 磁

Plasma・BridgeMethod

2.2.1ホ ロ ー カ ソ ー ド[2"6][2'7][2"8]

ホ ロ ー カ ソ ー ド(HollowCathode:H/C)は,低 い 電 力 消 費 ガ ス 消 費 で 大 放 出 電 子 電 流 を 得 ら れ る と い う 特 徴 を も っ て い る.図2‑3にH/Cの 概 念 図 を 示 す.H/Cは,放 電 室 内 部 に 多 孔 質 タ ン グ ス テ ン に 酸 化 バ リ ウ ム や 酸 化 ス ト ロ ン チ ウ ム な ど の 活 性 剤 を 含 浸 さ せ た 熱 電 子 放 出 源 で あ る イ ン サ ー ト と 呼 ば れ る 陰 極 が あ り,イ ン サ ー トを 放 電 室 外 部 に 巻 か れ た ヒ ー タ ー で 加 熱 す る こ と で イ ン サ ー ト表 面 か ら 熱 電 子 が 放 出 さ れ る.こ の と き の 熱 電 子 放 出 の 電 流 密 度 は,リ チ ャ ー ド ソ ン ・ダ ッ シ ュ マ ン(Richardson‑Dushman)の 以 下 の 式 に よ っ て 求 め ら れ る.

Jf‑AfTf・exp(Φwf場)(2・2)

こ こ で,み は 電 流 密 度,み は 熱 電 子 放 出 定 数,乃 は 表 面 温 度,φ 呼は 仕 事 関 数,んは ボ ル ツ マ ン 定 数 を 表 す.こ の 熱 電 子 が 放 電 室 と外 部 に 設 置 さ れ た キ ー パ ー 電 極 の 問 に 形 成 され る 電 場 に よ っ て加 速 され,ガ ス 粒 子 と の 衝 突 電 離 に よ っ て プ ラ ズ マ を 生 成 す る.イ ンサ ー トの加 熱 は 点 火 時 の み 行 わ れ,一 一旦 プ ラ ズ マ が 点 火 され る と,プ ラ ズ マ 中 を 電 流 が 流 れ る こ と に よ る ジ ュ ー ル 熱 とイ

オ ン が イ ン サ ー ト表 面 に衝 突 す る こ と に よ っ て 加 熱 され,イ ン サ ー トの 温 度 が 維 持 され る.

H/Cは こ の よ うな 原 理 で 低 電 力 ・低 ガ ス 流 量 で 大 放 出 電 子 電 流 を 得 られ る が,同 時 に 以 下 の 問 題 を 抱 え て い る.

(1)イ ン サ ー トは 酸 化 物 で あ り,酸 素 や 水 等 との 反 応 に よ り劣 化 し て し ま うた め,厳 重 な 管 理 が 必 要 と さ れ,さ ら に推 進 剤 の 純 度 と種 類 も 制 限 され る.

(2)作 動 前 に イ ン サ ー トの 加 熱 が 必 要 な た め 即 時 点 火 が 困 難 で あ り,作 動 ・停 止 の 温 度 サ イ クル に よ り ヒ ー タ ー が 断 線 し,シ ス テ ム ダ ウ ン を招 く.

(3)作 動 と と も に イ ン サ ー トに 含 浸 され て い る活 性 剤 が 消 費 され て い く た め,活 性 剤 の 枯 渇 に よ り寿 命 が 制 限 され る,

(4)作 動 と も に 活 性 剤 が 含 浸 して い る物 質 と活 性 剤 が 反 応 し,化 合 物 が イ ン サ ー ト表 面 に 堆 積 して い く.こ の た め,熱 電 子 放 出 面 積 が 減 少 し,性 能 低 下 が 生 じ る.

近 年 で は,課 題(1)(4)の 解 決 の た め に,酸 化 物 陰 極 の 代 わ り と して,CeB6やLaB6な ど の 化 合 物 陰 極 を 用 い る 研 究 が 進 め られ て い る[2'9]12"lo].

こ の よ うに,H/Cは 低 電 力 ・低 ガ ス 流 量 で 大 放 出 電 子 電 流 を得 られ,多 くの 実 機 搭 載 実 績 が あ る が,い くつ か の 課 題 の た め に そ の 信 頼 性 が 懸 念 さ れ て お り,解 決 の た め に 多 く の 研 究 が 進 め られ て い る.

Or而ce

⇒Gas

HeaterlnsertKeeper

図2‑3ホ ロ ー カ ソ ー ド の 概 念 図

●1ヨectron Φlon

㊤NeutralGas

2.2.2マ イ ク ロ波 プ ラ ズ マ 電 子 源 【2'111

マ イ ク ロ波 放 電 に よ るECRプ ラ ズ マ を 用 い た 電 子 源 で あ る.図2‑4に マ イ ク ロ 波 プ ラ ズ マ 電 子 源 の 概 念 図 を 示 す.ア ン テ ナ で 導 入 さ れ る マ イ ク ロ波 の 振 動 電 場 と永 久 磁 石 の 磁 場 に よ り電 子 サ イ ク トロ ン 共 鳴 を 起 こ す.こ れ に よ り電 子 とガ ス 粒 子 の 衝 突 電 離 が 起 き,プ ラ ズ マ が 生 成 され る.プ ラ ズ マ 中 の 電 子 は オ リ フ ィ ス か ら放 出 され,放 出 し た 電 子 と等 量 の イ オ ン は 放 電 室 内 部 の 金 属 部 分 で 捕 集 し,プ ラ ズ マ の 電 気 的 中 性 を 保 つ.

Antenna Microwave

⇒

Ga

Or而ce

YokePermanentMagnet

図2‑4マ イ ク ロ 波 プ ラ ズ マ 電 子 源 の 概 念 図

●Electron Φlon eNeutralGas

マ イ ク ロ波 プ ラ ズ マ 電 子 源 は,H/Cの 問 題 の 原 因 と な る熱 電 子 放 出 の た め の 含 浸 材 や ヒ ー タ ー を使 用 しな い た め,こ れ ら に 関 係 す る 諸 問 題 を 伴 わ な い.し か し,マ イ ク ロ波 プ ラ ズ マ 電 子 源 に も い くつ か の 間 題 が あ る.イ オ ン衝 撃 に よ りプ ラ ズ マ に接 す る 壁 面 が ス パ ッ タ リ ン グ 損 耗 を 受 け て 消 耗 す る.マ イ ク ロ 波 周 波 数 が プ ラ ズ マ 角 振 動 数 と一 致 す る と,マ イ ク ロ波 を 反 射 す る カ ッ トオ フ 現 象 が 起 こ る.こ の カ ッ トオ フ 現 象 の た め に イ オ ン 密 度 に 制 限 が あ り,電 子 放 出 量 に 限 界 が あ る.

2.2.3高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源

高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源(RadioFrequencyPlasmaCathode:RF/C)は 高 周 波 放 電 を用 い て プ ラ ズ マ を 生 成 す る 電 子 源 で あ る.高 周 波 プ ラ ズ マ に は 容 量 結 合 プ ラ ズ マ と誘 導 結 合 プ ラ ズ マ の2種 類 が あ る.容 量 結 合 プ ラ ズ マ(CapacitivelyCoupledPlasma:CCP)は,高 周 波 電 極 と設 置 電 極 の2極

問 に お い て 高 周 波 電 場 の 時 間 変 化 に よ り加 速 され た 電 子 と 中性 粒 子 との 衝 突 電 離 に よ っ て プ ラ ズ マ が 生 成 され る.誘 導 結 合 プ ラ ズ マ(lnductivelyCoupledPlasma:ICP)は,高 周 波 電 流 を ア ン テ ナ コ イ ル に 流 す こ とで 発 生 す る誘 導 電 場 に よ り加 速 され た 電 子 と 中 性 粒 子 との 衝 突 電 離 に よ っ て プ ラ ズ マ の 生 成 ・維 持 を 行 う.本 研 究 に 用 い たRF/Cは 主 に 誘 導 結 合 プ ラ ズ マ の 生 成 を 意 図 し た 設 計 と な っ て い る が,金 属 製 放 電 室 と コイ ル の 容 量 結 合 プ ラ ズ マ の 生 成 も発 生 す る と 考 え ら れ る.現 在,本 研 究 で 用 い たRF/Cで は,容 量 結 合 プ ラ ズ マ,誘 導 結 合 プ ラ ズ マ ど ち らが 支 配 的 に 生 成 され て い る の か,ど うよ うな 分 布 で あ る の か な ど明 らか で は な い.

本 研 究 で 用 い たRF/Cの 概 念 図 を 図2‑5に 示 す.ア ン テ ナ コイ ル に 高 周 波 電 流 を 流 す と,軸 方 向 に 高 周 波 磁 場 が 生 じて,磁 場 の 時 間 変 化 が 周 方 向 に 誘 導 電 場 を発 生 させ る.こ の 誘 導 電 場 に よ り電 子 は加 速 ・減 速 を 繰 り返 し,中 性 粒 子 と の 衝 突 電 離 を 起 こ しプ ラ ズ マ の 生 成 ・維 持 を 行 う.

ま た,高 周 波 電 流 に よ り変 動 す る 高 周 波 電 場 と な る ア ン テ ナ コ イ ル と接 地 電 位 と な る放 電 室 壁 面 に お い て 高 周 波 電 場 の 時 間 変 動 に よ っ て 加 速 され た 電 子 が 中性 粒 子 と衝 突 電 離 を 起 こす こ と で プ ラ ズ マ が 生 成 され る.生 成 され た プ ラ ズ マ の 電 子 は 下 流 の オ リ フ ィ ス か ら放 出 され,イ オ ン は イ オ ン コ レ ク タ の役 割 を 担 う金 属 製 放 電 室 に よ り捕 集 され る.

RF/Cの 利 点 と して 以 下 の こ と が 挙 げ られ る.

(1)H/Cに 比 べ て 構 造 が 簡 素 で あ る.

(2)電 子 源 の 即 時 点 火 が 可 能 で あ る.

(3)プ ラ ズ マ 生 成 の た め の 電 源 が 高 周 波 電 源1台 で 済 む.

(4)作 動 ガ ス の 純 度,種 類 に 制 限 が な い.

問 題 点 と し て 高 周 波 電 力 の 伝 達 調 整 の た め に イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッチ ン グ 回 路 搭 載 の 整 合 器 が 必 要 な こ と,現 状 で は 通 常 作 動 時 の 電 子 電 流 がH/Cよ り低 い こ とが 挙 げ られ る.し か し,2013年 度 の 実 験 に よ っ て 従 来 行 っ て き た 作 動 と は 異 な る 電 子 電 流 が 急 激 に 増 加 す る 作 動 モ ー ドが 存 在 す る こ と を確 認 され た.こ の 大 電 子 電 流 作 動 モ ・一一・ドをHighCurrentMode(HCM)と 呼 称 して い る[2‑12].今後,HCMの 解 明 と安 定 作 動 を 含 め,RF/Cの 最 大 電 子 電 流 の 向 上 と必 要 電 力 の 低 下 が 課 題 と言 え る.

DischargeVesse1 (lonCojlector)

⇒Gas

lnductionCoil

Orifice

嘗

①lon eNeutralGas

図2‑5高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源 の 概 念 図

こ こ で,本 研 究 に 用 い たRF/Cの プ ラ ズ マ 生 成 時 の 等 価 回 路 を 図2‑6に 示 す.高 周 波 電 流 を1RF, プ ラ ズ マ 中 の 渦 電 流 をIpと して,高 周 波 電 源 出 カ イ ン ピー ダ ン スZo,マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス 内 の 直 列 バ リ コ ンC、,並 列 バ リ コ ンCp,ブ ロ ッ キ ン グ キ ャパ シ タCB,ア ンテ ナ コイ ル 側 は ア ン テ ナ の イ ン ダ ク タ ン スL、,抵 抗R、 で 表 され,誘 導 結 合 プ ラ ズ マ 側 は プ ラ ズ マ 中 の ジ ュ ー ル 加 熱 を表 す プ ラ ズ マ 抵 抗Rp,電 子 の 慣 性 に よ る イ ン ダ ク タ ン スLp,プ ラ ズ マ の 形 状 に よ っ て 決 ま る イ ン ダ ク タ ン スLgで 表 され,容 量 結 合 プ ラ ズ マ は プ ラ ズ マ 抵 抗Rp,放 電 室 壁 面 ・コ イ ル 表 面 に で き る シ ー ス 容 量 をc ,hで 表 され る.ア ン テ ナ コイ ル は 高 周 波 電 流 が 流 れ る と,巻 線 間 の 相 互 イ ン ダ ク タ ン スMを 介 して2次 回 路 の プ ラ ズ マ と結 合 す る.誘 導 結 合 プ ラ ズ マ の 回 路 素 子 は 以 下 の 式 で 表 され る[2'13}.半径R,長 さ1の 円 筒 形 の プ ラ ズ マ を 考 え る.σpは プ ラ ズ マ の 導 電 率,δpは 表 皮 効 果 に よ る 電 流 の 流 れ る表 皮 深 さ,vは ジ ュL・一一・一ル 加 熱 と統 計 加 熱 に 関 す る衝 突 頻 度 の 和,μoは 透 磁 率,s は ア ンテ ナ コイ ル とプ ラ ズ マ コイ ル の 巻 き 数 の 積 を表 す.

πR

弗 詔σノへ(2・3)

舜(2・4)

μoπR2L 8=1

M一 μ・πR2s l

(25)

(2.6)

RF

Generator 〜

MatchingBox 一

C C

Capacitively‑coupledInductively‑coupled PlasmaAntennaPlasma

← 一 → レ<i‑一 一 一一一 弓レ 〈1‑一一一 一 一 》

M

五 一一 →/(＼蚕

F

Csh五 ・乙P

PR

図2‑6RF/Cプ ラ ズ マ 生 成 時 の 等 価 回 路

参 考 文献

‑∩∠34︽ゾ10弓189

10.

ll.

12.

13.

栗 木 恭 一,荒 川 義 博(編),"電 気 推 進 ロ ケ ッ ト入 門",東 京 大 学 出 版 会,pp.141‑155,2003.

DanM.GoebelandIraKatz,"FundamentalsofElectricPropulsion:IonandHallThruster",JPL SpaceScienceandTechnologySeries,pp.337‑341,2008.

荒 川 義 博,國 中 均,中 山 宜 典,西 山 和 孝,"イ オ ン エ ン ジ ン に よ る 動 力 航 行",コ ロ ナ 社,

pp.8‑12,2003.

荒 川 義 博,國 中 均,中 山 宜 典,西 山 和 孝,"イ オ ン エ ン ジ ン に よ る 動 力 航 行",コ ロ ナ 社,

pp.80‑95,2003.

RobertG.Jahn,"PhysisofElectricPropulsion",McGraw‑Hill,pp.165‑173,1968.

栗 木 恭 一,荒 川 義 博(編),"電 気 推 進 ロ ケ ッ ト入 門",東 京 大 学 出 版 会,pp.113‑114,2003.

荒 川 義 博,國 中 均,中 山 宜 典,西 山 和 孝,"イ オ ン エ ン ジ ン に よ る 動 力 航 行",コ ロ ナ 社, pp.83‑84,2006.

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DanM.Goebel,RonM.WatkinsandKristinaK.Jameson,"LaB6HollowCathodeforIonandHall Thrusters",JournalofPropulsionandPower,23(2007),pp.552‑558.

DustinJ.Wamer,RichardD.BranamandWilliamA.HargusJr.,"IgnitionandPlume

CharacteristicsofLow‑CurrentCeriumandLanthanumHexaborideHollowCathodes",Journalof PropulsionandPower,26(2010),pp.130‑134.

荒 川 義 博,國 中 均,中 山 宜 典,西 山 和 孝,"イ オ ン エ ン ジ ン に よ る 動 力 航 行",コ ロ ナ 社, pp.29‑32,85‑88,2006.

JunSato,NatsumiTorii,SatoshiKasagami,ChisatoOta,JunichiroAoyagi,HarukiTakegaharaand HirokiWatanabe,"ExperimentalStudyonRadioFrequencyPlasmaCathodeforHallEffect Thruster",SpacePropulsion2014,2014‑2969704.

堀 勝,佐 藤i久 明,"プ ラ ズ マ/プ ロ セ ス の 原 理",丸 善 株 式 会 社,pp.367‑380,2010.

第3章 実験装 置

3.1真 空 環 境 模 擬i装置 「しん か い2000」

本 研 究 で は真 空 環 境 を 模 擬iす る た め に,首 都 大 学 東 京 竹 ヶ原 研 究 室 が 所 有 す る 「し ん か い2000」

と呼 ば れ る 真 空 環 境 模 擬i装置(真 空 槽)を 使 用 し,実 験 を 行 っ た.本 研 究 のRF/C投 入RF周 波 数 変 更 実 験 に 用 い た 真 空 槽 「しん か い2000」 の 概 要 を 図3‑1に 示 す.

0.9m

A

◎

Pirani ColdCath G,

1,2m

F

GateValv

◎ ^㍑

▼ ▼

▲ ▲

コ===

垂TMP1垂TMP2

τ 「

「7

▲ ▲

▼▲

○

PlranlGauge   ColdCathodeGauge

PiraniGaugeRP

図3‑1真 空 槽 「し ん か い2000」 の 概 要

真 空 槽 は 直 径0.9m,長 さ1.2mの 円 筒 形 状 で あ る.低 真 空 排 気 に はn・ 一 タ リー ポ ン プ(Rotary Pump:RP)を 用 い,高 真 空 排 気 に は タ ー ボ 分 子 ポ ン プ(TurboMolecularPump:TMP)を2台 用 い た.

表3‑1に 各 ポ ン プ の 性 能 を 示 す.真 空 計 は ピ ラ ニ 真 空 計(PiraniGauge)+コ ー ル ドカ ソ ー ド真 空 計 (ColdCathodeGauge)(図3‑1のP‑1)と ピ ラ ニ 真 空 計(PiraniGauge)(図3‑1のP‑2)が 装 備 さ れ て い る.

ま た,し ん か い2000に お け る キ セ ノ ンXe流 量 と 真 空 度 の 関 係 を 図3‑2に 示 す.

表3‑1真 空 槽 「し ん か い2000」 の ポ ン プ 性 能

Pumpingspeed L/s

Ultimatepressure Pa

Powerconsumption kW

RotaryPump Turbomolecularpump Turbomolecularpump

RP TMPl TMP2

18 2000 2000

6.7×10‑2

1.0×10‑7

1.0×10'7

2,2 1.2 1.2

16

￡UltimatePressure:8.78×10'4Pa●

急 烹2 蟹8・

壽

菱4・

藷

00.2G.20.30.4

Xen◎nP>璽assFlowRa￡e.m.撚9/s

図3‑2し ん か い2000に お け る キ セ ノ ン 流 量 と 真 空 度 の 関 係

3.2高 周 波 電 力 供 給 系 3.2.1高 周 波 電 源

本 研 究 で は,プ ラ ズ マ 生 成 に 高 周 波 を 用 い る.高 周 波 電 源(RadioFrequencyGenerator:RFG)か

ら 高 周 波 が 出 力 さ れ,イ ン ピ ー ダ ン ス 整 合 器(MatchingBox:MB)を 通 し て 電 子 源 に 導 入 さ れ る.

本 研 究 に 用 い たRFGの 仕 様 を 表3‑2に,外 観 を 図3‑3,3‑4示 す.

表3‑2高 周 波 電 源 の 仕 様

Company Model Frequency OutputPower RegulatjonMode

RFGl THAMWAY Tl61‑5727HAM 6.78MHz 0‑500W CW

RFG2 IonTech RF‑5S 1356MHz 0‑500W CW

』 磧

図3‑3RF周 波 数6.78MHz用RF電 源 の 外 観

《 レ

会▼▼

ム▼

    げ

繍

図3‑4RF周 波 数13.56MHz用RF電 源 の 外 観

3.2.2マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス[3‑1][3璽2】

本 研 究 で 用 い た マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス は,THAMWAY製RF周 波 数6.78MHz用RF電 源 の 付 属 品 で あ る(図3‑5).RF周 波 数6.78MHz,1356MHzの 実 験 毎 に マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス 内 の 直 列 可 変 コ ン デ ン サC、,並 列 可 変 コ ン デ ン サCpを 取 り替 え る こ と で イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ 回 路 を 構 築 し た.本 研 究 の 実 験 の た め に 構 築 し た マ ッ チ ン グ 回 路 は 次 章 の 図4‑2に 示 す.

融 聾ゆ

、驚欝麟 岬聴"

」レ憾

㌦簸 骸

麟̀》

;1.

ll・

ll囎 轍 雛

沸彦♪, がげが か

「二γン〃!ノ ノノ",♂ ぎダ卿幡

繍 ■ 蘇 ∵

娼

驚 ㌔.蓼馬 薩

唱

ら

繕

図3‑5マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス の 内 部

イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ とは,RF電 力 を 負 荷 へ と伝 送 す る 際 にRF電 源 の 内 部 イ ン ピー ダ ン ス(川 カ イ ン ピ ー ダ ン ス)に 負 荷 イ ン ピー ダ ン ス(入 力 イ ン ピー ダ ン ス)を 合 わ せ る こ と を 言 う.電 力 を 消 費 す る負 荷 と な る 電 子 源 の イ ン ピ ー ダ ン ス が 電 源 の 内 部 イ ン ピ ー ダ ン ス と 致 しな い 場 合,反 射 波 が 発 生 し,効 率 的 に負 荷 で 電 力 が 消 費 され ず 損 失 が 発 生 す る.ま た,入 射 波 と反 射 波 が 合 わ さ り電 圧 ・電 流 波 形 が 変 化 し,電 源 な どの 機 器 の 耐 電 圧 ・耐 電 流 を越 え,故 障 を 招 く こ と

も あ る.

こ こ で,電 源 の 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス に 負 荷 の 入 力 イ ン ピー ダ ン ス を 合 わ せ る 妥 当 性 を 示 す.

高 周 波 電 源 の 内 部 イ ン ピー ダ ン ス をZo,出 力 電 圧 をVo,負 荷 の イ ン ピー ダ ン ス をZL,回 路 を 流 れ る 高 周 波 電 流 を1RFと す る.図3‑6に 負 荷 イ ン ピ ー ダ ン スZLを 有 す る 高 周 波 回 路 を 示 す.

RF Generator

ろろ

→

Load

一

図3‑6負 荷 イ ン ピー ダ ン スZLを 有 す る 高 周 波 回 路

こ の と き,負 荷 で 消 費 され る 電 力 耽 は,以 下 の 式 で 表 され る.

呪一 ろ画 歳1‑(轟 一 歳 ゾ

(3.1) ZL

消 費 電 力 耽 が 最 大 と な る 条 件 は,式(3.1)の 分 母 が 最 小 の とき で あ る か ら,

d(Z・+Z・)2

ZL ‑1一 室 一 〇 dZ、Zぞ

(3.2)

した が っ て,ZL=Zoの と き 負 荷 で 消 費 され る 電 力 は 最 大 とな る.こ の よ うに 電 源 の 内 部 イ ン ピ ー ダ ン ス に 負 荷 の イ ン ピ ー ダ ン ス を 一 致 させ る こ と で

,電 源 か ら供 給 され る 高 周 波 電 力 が 効 率 的 に 負 荷 で 消 費 され る こ とが 示 され る.

し か し,負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス 自体 が 電 源 の 内 部 イ ン ピー ダ ン ス と 一 致 す る こ と は な い.そ の た め,負 荷 と電 源 の 問 に マ ッチ ン グ 回 路 を 挿 入 し,電 源 の 出 力 イ ン ピー ダ ン ス とマ ッチ ン グ 回 路 と負 荷 を 合 わ せ た 入 カ イ ン ピ ー ダ ン ス が 一 致 す る よ う に,マ ッチ ン グ 回 路 の 回 路 素 子 の 容 量 を 調 整 す る こ とで イ ン ピー ダ ン ス マ ッ チ ン グ を 行 う.こ の マ ッチ ン グ 回 路 に お い て 純 抵 抗 は 電 力 を 消 費 して し ま うた め に 使 用 で き な い.そ の た め,イ ン ダ ク タ や キ ャ パ シ タ を用 い る.本 研 究 で は,可 変 コ ン デ ンサ(バ リ コ ン)を 直 列 に1個,並 列 に1個 ず つ 配 置 した マ ッ チ ン グ 回 路 を 搭 載 し た マ ッチ ン グ ボ ッ ク ス を 使 用 した.図3‑7に 本 研 究 で 使 用 した マ ッチ ン グ 回 路 の 概 略 図 を 示 す.マ ッチ ン グ 回 路 の 直 列 バ リ コ ン をC、,並 列 バ リ コ ン をCpと し,残 りの 記 号 は 図3‑6と 同 様 で あ る.

MatchingBox 一

RF Generator

Cs

ろ

CpZL F 〜

rator

Load

図3‑7本 研 究 で 用 い た マ ッチ ン グ 回 路 の 概 略 図

こ こ で,こ の マ ッチ ン グ 回 路 に お け る イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッチ ン グ を説 明 す る.電 源 内 部 イ ン ピ ー ダ ン ス は50Ω で 設 計 され て い る の で,Zo=50Ω,負 荷 抵 抗 をRL,負 荷 リア ク タ ン ス をXL とす る.マ ッチ ン グ 回 路 と負 荷 の 入 力 イ ン ピー ダ ン スZi。は 次 の よ うな 流 れ で 求 め られ る.

負 荷 の イ ン ピー ダ ン ス に マ ッチ ン グ 回 路 の 直 列 バ リ コ ン が 直 列 に 接 続 され て い る の で, lZ

i=ZL一 ノ ωC、

一(RL+ノx乙)一 ノ

ω≒(3・3)

一唾 一 ω≒)

とな り,並 列 バ リ コ ン が 並 列 に 接 続 され て い る の で, Y・n=z+ノ1 ωc・

1

瞭 一 ω と)帆

RL

2+ノ

R￡+殴)

‑X 1 L+

ωC、 +ωC

ω訂 ρ

(3.4)

Rそ+(XL

と な る.ア ド ミ タ ン ス は イ ン ピー ダ ン ス の 逆 数 で あ る か ら,入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス と 出 力 イ ン ピ

y・=可=言11 δ=o・02 (3.5)

考.=ろ よ り,イ ン ピー ダ ン ス マ ッチ ン グ の 条 件 は

RL =0.02

唾 ω げ

‑X 1

L+ ωCs

+ωC=O

Rそ+〔XL‑di)2P

(3.6)

(3.7)

を 満 た す と き で あ る.し た が っ て,こ の 条 件 を 満 た す よ う に マ ッ チ ン グ 回 路 の 直 列 バ リ コ ンc、, 並 列 バ リ コ ンCpの 容 量 を 調 整 す る こ と で イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ が 行 わ れ る.

ま た,直 列 ・並 列 バ リ コ ン 容 量 か ら負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス を 求 め る こ と が で き る.イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ 時 に は}Y,n・=IYoが 成 り 立 っ の で,式(3.3),(3.4)よ り,

・02‑1+ノ lO ωC・

ZL一 プ ωC、

11 +ノ(3・8)ZL=

002一 ノωCpωC,

一

α 。29舞+ノ 〔 ωCp+10.022+ω2C2ωCPs〕

と な り,負 荷 イ ン ピ ー ダ ン ス の レ ジ ス タ ン ス 成 分,リ ア ク タ ン ス 成 分 が 直 列 ・並 列 バ リ コ ンC、 ・ Cpに よ っ て 求 め ら れ る.

3.3直 流 電 力 供 給 系

本 研 究 の 実 験 で 用 い た 直 流 電 源 の 仕 様 を表3‑3,外 観 を 図3‑8に 示 す.使 用 し た 直 流 電 源 は,出 力 が 一一定 電 圧 で あ る 直 流 安 定 化 電 源 で あ る.本 実 験 に お い て は,電 子 源 か ら電 子 を 引 き 出 す た め に タ ー ゲ ッ ト電 極 に 直 流 電 圧 を 印 加 す る 役 割 を 担 っ た.

表3‑3直 流 電 源 の 仕 様

Company Model OutputPower RegulationMode DischargePowerSupPly Takasago HXO600‑25G 0‑600V/0‑25A CV

雍 ^..聚

曾

職 α

声

門ノ︑︑r㌦≧

細

図3‑8直 流 電 源 の 外 観 図

3.4作 動 ガ ス 導 入 系

本 研 究 で は,高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源 の 作 動 ガ ス と し て キ セ ノ ン を 用 い た.キ セ ノ ン は 高 圧 タ ン ク か ら レ ギ ュ レ ー タ ー(Regulator)を 通 り 減 圧 さ れ,ガ ス 流 量 調 整 器(MassFlowController:

MFC)で 流 量 を 調 整 し,電 子 源 に 供 給 さ れ る.表3‑4に 本 研 究 に 用 い た ガ ス 流 量 調 整 器 の 仕 様 を 示 す.キ セ ノ ン を 用 い た 場 合 は,原 子 量131.29g/mplの 単 原 子 分 子 の た め,lsccm=0.0977mg/sと

な る.

表3‑4ガ ス 流 量 調 整 器 の 仕 様

Company Model CalibrationGas FullScale Accuracy

MFC Aera FC‑260J Xe 10。Osccm ±0.lsccm

5.4高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源

本 研 究 で 用 い たInnerCoi1方 式 の 高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源(RF/CInnerCoi1)の 概 要 図 を 図3‑9に 示 す.放 電 室 は 内径58mm,長 さ70mmで あ り,材 質 は イ オ ン コ レ ク タ の 役 割 を 担 うた め に金 属 の SUS316Lを 用 い た.内 部 コ イ ル に は 耐 ス パ ッタ 性 に優 れ た タ ン グ ス テ ン を 用 い て,4タ ー ン 巻 か れ て い る.直 径1.7mmの 穴 の 空 い た厚 さ1.Ommの タ ン グ ス テ ン製 の オ リ フ ィ ス プ レー トか ら放 電 室 内 部 で 生 成 さ れ た プ ラ ズ マ の 電 子 が 外 部 に 放 出 され る.

DischargeVessel(SUS316L) 1nductionCo

/

lnsulatorCover(SUS3 1nsulator(Alumina)

OrificePlate

/

図3‑9RF/CInnerCoil概 要 図 と ア イ ソ メ 図

参 考 文 献(第3章)

1.末 松 安 晴,"電 磁 気 学",共 立 出 版 株 式 会 社,pp.223‑229,1997.

2.鈴 木 茂 夫,"わ か り や す い 高 周 波 技 術 入 門",日 刊 工 業 新 聞 社,pp.34‑56,96‑ll8,2010.

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第4章RF/C投 入RF周 波 数 変 更 実 験

4.1実 験 構 成

本 研 究 で は,投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHzそ れ ぞ れ を 用 い た 際 の 高 周 波 プ ラ ズ マ 電 子 源 (RF/C)の 電 子 放 出 性 能 を 取 得 す る た め に,図4‑1に 示 す 実 験 構 成 ダ イ オ ー ドコ ン フ ィ グ レー シ ョ ン を 用 い た.こ の ダ イ オ ー ドコ ン フ ィ グ レー シ ョ ン は,一 般 的 な 電 子 源 の 評 価 法 と して 定 着 して お り,ホ ロ ー カ ソー ドや マ イ ク ロ 波 放 電 式 電 子 源 の 評 価 に 用 い られ る.電 子 源 で あ るRF/C に 対 して,電 気 推 進 機 か ら放 出 され る イ オ ン ビー ム を 模 擬 した タ ー ゲ ッ ト電 極 が 下 流 に 設 置 さ れ て い る.こ の タ ー ゲ ッ ト電 極 に 直 流 電 圧 を 印 加 す る こ とで,電 子 源 か ら電 子 を 引 き 出 し,イ オ

ン ビー ム に 対 す る 接 触 電 圧 で の 電 子 電 流 を 取 得 で き る 実 験 と な っ て い る.

4.1.1実 験 構 成

本 実 験 で は,図4‑1に 示 す 実 験 構 成 に お い て,投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHzを 用 い た 両 実 験 を 行 い,実 験 構 成 の 違 い は マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス 内 の マ ッ チ ン グ 回 路 の み と な る よ うに し, 実 験 構 成 の 違 い に よ るRF/Cの 電 子 放 出 性 能 へ の 影 響 を な く した.マ ッチ ン グ 回 路 に つ い て は 次 項 に お い て 述 べ る.本 実 験 構 成 で は,高 周 波 電 源 か ら高 周 波 電 力 を マ ッチ ン グ ボ ッ ク ス を 通 し

Target

↑m。

Xenon Tank

1。。。詳 ↑PRF

Ma1ヒching Box

←ち

RF'cV Generator

*LPF:Low.PassFilter6・78・13・56MHz

*MFC:MassFlowController

V

0.1Ω 0.1Ω

ら→

DCPS 600V■25A