田原 弘一

A quasisteady magnetoplasmadynamic arcjet with applied magnetic fields was studied to clarify the influence of axial magnetic fields on the thruster performance and the discharge feature. Pulsed axial magnetic fields were applied by a few-turn coil, which was connected with a pulse-forming network independent of the main discharge circuit. An increase in axial-field intensity raised the discharge voltages at constant discharge currents below the limiting current with H-2, the mixture of N-2 + 2H(2) simulating fully decomposed hydrazine, and Ar. The thrust characteristics for H-2 and the mixture of N-2 + 2H(2) showed that there was the optimum axial-field intensity with which the maximum thrust was achieved for each gas, although at low discharge current levels for H-2 and Ar the thrusts increased a with axial-field intensity. The discharges for all gases were inclined to occur more upstream with an increase in axial-field intensity. It was inferred that these effects of axial magnetic fields on the thruster performance and the arc feature were due to the rotating motion of -J(r) x B-z, i.e., swirl acceleration and enhanced thermalization.

準定常電磁プラズマ加速アークジェット発生装置を用いてセラミックス溶射が行われた。生成されたセラミックス膜は、中心軸上ではビッカース硬度 1200 以上であったが、半径方向外側に向かうにつれて減少し、半径 15 mm では Hv 800 程度になった。溶射条件を最適化すれば高硬度の厚膜が得られることが期待された。（担当部分：主な実験研究）

地球低高度軌道上を飛翔する人工衛星の表面材料に高分子材料があり、高速酸素イオンの衝突による劣化が問題視されている。本研究では、３種類の高分子材料に電子サイクロトロン共鳴イオン源を用いて酸素イオンを高速衝突させ、それら表面の劣化状態を調べた。照射前後の高分子材料表面の分析により、構成官能基の脱離や増減が激しく起こることがわかった。（担当部分：主な実験研究）

30-cm-class long plasmas were generated using 2.45-GHz microwave slot antennas on a rectangular waveguide with a T-shaped ridge for the development of high performance ion sources or for plasma reactors for large-area material processing. The microwave coupling efficiencies above 85% were achieved for Ar, N2, and O2 over large flow rate ranges. From the electric fields on the inner wall E side of the waveguide, standing waves with the maximum electric field strength of about 30 kV/m were expected to be excited in the waveguide, depending on the location of the T-shaped ridge. The plasma density for Ar was in the order of 10(17) m-3 and for N2 and O2 10(16) m-3 in a discharge chamber in front of the slot antennas. The electron temperature for Ar ranged from 3 to 4 eV and for N2 and O2 from 3 to 8 eV. The spatial profiles of the ion saturation current for Ar were almost flat in the discharge chamber although the profiles for N2 and O2, with large flow rates or near the antennas, were slightly rough.

Nitrogen discharges in a 10-kW-class water-cooler arcjet engine were studied by means of spectroscopic diagnostics. The atomic excitation temperature and electron density in the constrictor increased from 15,000 to 18,000 K and from 1 x 10(15) to 2 x 10(16) cm-3, respectively, with input power levels of 7-11 kW. An increase in the mass flow rate raised the electron density because of enhanced thermal pinch effect of the arc column. In the expansion nozzle, the pressure and electron density decreased drastically downstream, and therefore the plasma was expected to be in high non-equilibrium. The N2+ vibrational temperature reached about 6,000 K at the nozzle exit, and the N2+ rotational temperature decreased gradually resulting in a range of 1,000-2,500 K.

For applications of quasi-steady magneto-plasma-dynamic (MPD) arcjets to material processing, an MPD arcjet with a cathode covered with ceramic materials was developed. In 100-shot operations at 5-10 kA, the ablation rates of the ceramic covers ranged from 2.5 to 5.0 mg/shot. The front velocities of ablated Al atoms inferred with a streak camera were much higher than velocities of 200-500 m/s for conventional plasma torches for material processing. This is effective for deposition of rigid films adhering strongly to substrate surfaces. The SEM photographs showed that a dense uniform film was deposited near the center of the substrate. From the XPS spectra, the peak area ratio of Ti/Al for the coating film almost equaled that for the cross section, and the valence numbers of Al and Ti did not change.

A 2.45-GHz-microwave plasma source with a resonant cavity was studied for material processing under medium to atmospheric pressures. Stable plasmas, with electron temperature and density of 1 to 5 eV and beyond the plasma cutoff density, respectively, were efficiently sustained in an ambient pressure of 10(-2)-10 kPa with hydrogen, helium, nitrogen, argon and a mixture of H-2 + 2H-2 (vol. rate). The operational characteristics of coupling efficiency and cavity length depended on gas species. From electric fields measured on the cavity inner wall, the electromagnetic field pattern of TM011 resonance mode was expected to be excited in the cavity over a wide range of operational conditions. In addition, operation of a plasmajet generator, into which the plasma source was modified, diamond film synthesis and surface modification due to atomic oxygen were demonstrated.

Ring-cusped magnetic-field ion sources using 2.45-GHz-microwave resonant cavities were studied to develop high-performance compact ion sources for economically assisting material processings. The minimum flow rate required to sustain discharge was 10 sccm for weak-B-field off-resonance discharge in the TM011-mode-excitation cylindrical cavity, 6 sccm for weak-B-field discharge in the reentrant coaxial cavity, in which a stronger electric field was generated compared with that in the cylindrical cavity, and 3 sccm for electron cyclotron resonance (ECR) discharge in the cylindrical cavity. As a result of ion beam extraction, the highest mass utilization efficiency of 18.7% was achieved for ECR discharge.

空洞共振器を用いたマイクロ波プラズマ源を用いて、プラズマ化学気相蒸着法によりダイヤモンド薄膜の合成を試みた。メタンガスの分量やマイクロ波源の作動条件により、生成される薄膜の特性が大きく変わり、最適条件を決定することができた。（担当部分：主な実験研究）

直流アークジェット発生装置内部の流れ場が準一次元流体モデルを用いて数値計算された。中心軸上のアーク柱領域とその周りのコールドガス領域に分け、解離・電離反応が考慮された。アルゴンと窒素ガスの計算結果は実験結果と定性的によく一致した。（担当部分：主な数値計算）

惑星間航行用エンジンとして直流アークジェットエンジンの作動特性が調べられた。放電電流、作動ガス種・流量を変化させ投入電力 3-10 kW のもと推力が測定され、推進効率、比推力が評価され議論された。（担当部分：主な実験研究）

電磁加速プラズマエンジンの診断測定と数値計算の実施。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

電磁加速プラズマジェットの材料加工への応用の検討。 (担当部分：作動実験、取りまとめ)

アークジェットエンジンの光学的計測と数値計算の実施。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

材料加工用として空洞共振器を用いたマイクロ波プラズマ源の作動特性が調べられた。マイクロ波投入電力、作動ガス種・流量を変化させた場合のマイクロ波整合特性、マイクロ波共振特性が明らかにされた。（担当部分：主な実験研究）

外部磁場をもつ準定常電磁プラズマジェットエンジンの性能特性と内部のプラズマ状態が調べられた。外部磁場の形状と強さを変化させ、推力測定とプラズマ物理量測定が行われた。その結果、性能とプラズマ構造は外部磁場の特性に大きく依存していることがわかった。（担当部分：主な実験研究）

空洞共振器器型マイクロ波イオン源の性能特性の取得。 (担当部分：作動実験、取りまとめ)

10ｋＷ水冷式アークジェットエンジンの実験と数値計算。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

外部磁場印加型プラズマエンジンの性能特性と放電状態の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

電磁プラズマジェットエンジンの宇宙用エンジンとしての可能性が評価された。剛体振り子法による推進性能の測定、各種プラズマ診断法を駆使した、放電電流分布、電子密度、イオン数密度の測定がなされ、それらの結果より将来の惑星探査への適応性が議論された。（担当部分：主な実験研究）

Masanori Sasaki, Hirokazu Tahara, Yoichi Kagaya and Takao Yoshikawa 電磁加速プラズマエンジンの性能とプラズマ加速過程の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

マイクロ波空洞共振器をプラズマジェットとイオン源の基礎研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

Hirokazu Tahara, Masao Abuku, Toshiaki Yasui, Ken-ichi Onoe and Takao Yoshikawa マイクロ波空洞共振器をもつプラズマジェットとイオン源の開発。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

Experimental researches on the operational performance and the arc structure of a quasisteady magnetoplasmadynamic (MPD) arcjet was made to develop a high-performanceaccelerator in space. The results showed that the current pattern, which depended strongly on gas species and discharge current levels, influenced the thruster performance. It was found that the plasma produced in the discharge chamber was compressed radially and that 50% on the input power was consumed in the cathode region. From the plasma potential distribution, a positive voltage slope and mass starvation were found to be present near the anode surface beyond the predicted critical current level.

電気加速プラズマジェットエンジンの作動特性が測定され、宇宙用エンジンとして利用可能か評価された。広範な作動条件のもと、放電電圧、推進力が測定され、推進効率（電気エネルギーから運動エネルギーへの変換効率（電力変換効率））と比推力が見積もられ議論された。（担当部分：主な実験研究）

高度10kmから600kmの地球低高度軌道上を飛しょうする宇宙機は8km/sの高速で衝突する原子状の酸素のため,その表面が劣化する.しかし,その反応機構はいまだに解明されておらず,表面変化に関するデータも乏しいのが現状である.そのため,原子酸棄流による劣化過程をシミュレートする地上実験設備が切望されている.筆者らは,空洞共振器を用いたマイクロ波加熱型プラズマジェットを原子酸素発生源として利用し,供試体への照射実験,およびその表面分析を行った.本稿では,その興味深い結果を紹介し,マイクロ波加熱型原子酸素源の実用化のための今後の開発指針を述べる.

マイクロ波加熱型プラズマジェットエンジンの作動特性が調べられた。マイクロ波投入電力と推進剤ガス流量を変化させ推力がターゲット法により測定された。その結果、本エンジンは宇宙用エンジンとしての性能を十分満たしていることが明らかになった。（担当部分：主な実験研究）

セルフ磁場加速プラズマエンジンの放電過程の解明研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

電気推進ロケットエンジンの一種である準定常電磁プラズマ加速（Magneto-Plasma-Dynamic: MPD）推進機の作動特性と内部の放電状態、プラズマ加速機構が実験的に調べられた。推進剤ガス種を変えて推進性能とプラズマ物理量分布が測定され、それらの相関関係が明らかにされた。（担当部分：主な実験研究）

The plasma properties in the discharge chamber of a quasi-steady MPD thruster have been investigated to understand acceleration mechanism and to design an optimum electrode configuration. The results measured by a magnetic probe show that the current pattern depends strongly on the propellant species (Ar, H₂ and NH₃) and the parameter JJ²/m (current squared over mass flow rate). It is found that the plasma produced in the discharge chamber is compressed radially and 50% on the input power is consumed in the cathode region for H₂ at higher currents. From floating potential and number density measurements, the positive voltage slope and propellant starvation near the anode surface are found to occur beyond the predicted critical value of JJ²/m. With improved straight-diverging anode, satisfactory arc operation without anode erosion has been demonstrated somewhat beyond the predicted Critical Current.