効率と安定性のトレードオフ限界を超える超小型直流放電の実現とイオン推進機への応用

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近年、超小型衛星の打ち上げ数が激増しており、大規模コンステレーションや深宇宙探査にも使われ始めている。このような高度なミッションには高い増速量と高い比推力（燃費に相当）を有する推進機が不可欠であり、その筆頭格はイオン推進機である。しかし、小型化すると表面積割合の増加から性能の劣化が避けられず、特に元来小さい電子源（中和器）はなおさらである。本研究では、中和器側の抜本改善策として、上部電極をグラフェンとし低電圧作動が可能で推進剤が不要な高電流密度平面型電子源を利用することで比推力を大幅に向上させる。また、電子透過性の高い保護膜を付けることでプラズマ耐性を高め、イオン源用の電子源としても利用する。この電子源と金属陰極との併用によりこれまで安定しなかった高電流密度モードを実現させ、イオン源の効率を大幅に引き上げる。効率と安定性のトレードオフ限界を克服することで、従来とは根本的に異なる新しい直流放電型イオン源を創出することを目的とする。2022年度は、電子源のイオン衝撃耐性向上として、プラズマ耐性のある保護膜（六方晶窒化ホウ素: h-BN）をGOS型電子源へ適用するため、CVDを利用した保護膜プロセスの最適化により、欠陥の無い保護膜付き電子源の作製を行った。一方、電子源の保護膜作製と並行し、まずはフィラメント電子源を利用したイオン源作製を進め、最適な磁場配置および電位構造の設計指針を構築した。それに基づき、作製した超小型イオン推進機の放電実験でプラズマ診断によりポテンシャル構造の把握を行うとともにイオンビーム引き出し実験を行った。