マイクロ波放電式中和器の大電流化およびプラズマ物理現象の解明

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マイクロ波放電式イオンエンジンは、「はやぶさ」小惑星探査機において推力8mNであったが「はやぶさ2」では10mNへと高出力化された。一方で「はやぶさ」での中和器劣化に示されるように中和器プラズマの解明が課題である。本研究は、イオンエンジンの適用範囲拡大のためにさらなる高出力化を目標とする。そのための中和器電子電流の増強及び、今後の性能向上と劣化メカニズム解明の知見となる内部のイオン速度場および密度計測を目的とする。初めに内部を光学的に観測可能な可視化中和器を開発した。可視化中和器は「はやぶさ2」実機相当の中和器と比較して電圧値が2％以下の誤差であることが確認された。続いてプルーム上を2次元的にレーザー誘起蛍光法で計測しイオン速度分布関数(IVDF)と密度の空間分布を明らかにした。プルームのイオン電流割合は5%と限定的であったことから、耐久性に関わるイオンエネルギーは放電室内壁近傍のシース内で与えられるものが主であり、下流のプラズマ構造の変化は最上流の内壁のイオン衝撃に大きく影響しないことが示唆された。続いて内部のアンテナ直上では3つのピークを持つIVDFが計測された。イオンの振動と多峰性IVDFの関係性について調査するため、アノード電流振動と放射スペクトルを計測し両計測とも180kHzを基本波が確認された。本結果をイオン振動モデルに適用したところ、計測された多峰性IVDFにR2=0.82で整合した。続いて性能向上した中和器の計測では、プルーム上で2倍、内部で40%の密度増加を確認し、高密度プラズマが性能向上に寄与したと示された。以上を要するに、本研究ではマイクロ波放電型イオンスラスタμ10 の最大推力向上を目的として、中和器のイオン速度場・密度場を初めて網羅的に明らかにした。性能向上モデルにおける差異を解明し、寿命律速要因の解明に重要な定量的知見を初めてもたらした。