誘導結合プラズマのイオンエンジン用電子源への適用研究

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長時間作動への障壁となるホローカソード特有の欠点を持たない,高い推進効率のイオンエンジンの構築を目指して,ホローカソードと同等の電子放出能力を持つ誘導結合プラズマ電子源の開発およびイオンエンジンへの適用可能性の検討を目的とし,以下の研究を今年度は実施した.電気的中性を保つために放出された電子と等量のイオンを電子源内部で捕集する金属電極の表面積が電子放出性能に与える影響を評価した.この結果,イオンを捕集する表面積の増大が放出電子電流の増大に寄与することを確認し,また,表面積の増大による放出電子電流の増大には限界が存在することを確認した.これにより,前年度の電子放出孔の直径変更実験により示唆された「電子放出孔における電子飽和電流およびイオン捕集電極におけるイオン飽和電流のいずれか小さい方の飽和電流により,電子源が放出し得る電子電流が制限される」という仮説が立証された.以上の実験で得られた結果および前年度に得られた高周波を伝送するコイル形状の設計指針を踏まえ,電子放出孔,イオン捕集電極およびコイル形状の最適化を実施した評価モデルを設計・製作した.電子源を評価する手法として一般的な二極管構成によりこの評価モデルを実験的に評価した結果,ガス消費の面での大幅な改善は得られなかったが,消費電力の大幅な低減が確認された.1Aの電子電流を放出するために従来の試作電子源では54Wの高周波電力が必要であったのに対し,今年度製作した評価モデルでは30Wの高周波電力で1Aの電子電流を放出することが可能となった.この結果は電子源の消費電力の半減を意味するものであり,2年間の実験的研究によって得られた設計指針の有益性が確認された.今後は,ホローカソードとの寿命を含めた性能比較およびイオンエンジンに組み込んだ際の作動特性評価を行い,イオンエンジン用電子源として誘導結合プラズマ電子源の適用性を高める必要がある.