微小電極間エレクトロスプレー現象解明による超小型宇宙推進機の多用途化

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用途に応じて推力レベルが可変となる超小型宇宙推進機の候補としてエレクトロスプレー推進機があるが、推力密度が小さく、かつ、イオンビームがバラつく不安定性の課題がある。この克服の鍵は、高速なイオンを排出するエミッタ電極の高密度実装と、その状況におけるエレクトロスプレー現象の解明にある。本研究では1-100μmの2桁にもわたる微小電極間エレクトロスプレー現象の学術基盤を構築し、高密度実装下においても安定したビーム引き出しが可能な条件の同定を目指す。2022年度は、前年度に引き続き1, 10, 100μmの各スケールにおけるエレクトロスプレーイオン源の作製を行った。研究代表者らが世界に先駆け実現した4桁高い実装密度の1μmスケールイオン源では電界放出電子源（FEA: Field Emitter Array）の作製プロセスを利用し、二重エミッタ電極構造のプロセス構築を行った。10μmスケールイオン源では厚膜レジストSU-8を利用することでボトムアップ的に1桁スケールの大きいイオン源を作製しイオン引き出し実験を行った。その結果、想定通り従来比２桁増程度の電流密度が得られた。また、100μmスケールイオン源を利用し、到達するイオンビームの飛行時間差から質量電荷比を求めるTOF（Time of Flight）計測系の精度改善とともに、精密分析天秤を利用した推力の直接計測を行う計測系の構築を進め、数μNレベルでの計測が可能な測定系を実現した。さらに、米国Sandia国立研究所が開発した古典分子動力学（MD: Molecular Dynamics）計算オープンソースLAMMPSを利用して、液滴ナノクラスター状態のイオン液体に電場が印加された際のイオン抽出過程、特に引き出されるイオンビームの角度／速度分布、イオン種を把握した。