田原 弘一

超音速反応性プラズマジェットによる窒化チタン溶射の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

大気圧熱プラズマＣＶＤ法による酸化チタン成膜の光電特性の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

テフロン放電室パルスプラズマエンジンの性能測定と数値計算。(担当部分：数値計算、取りまとめ)

円形断面ホール型イオンエンジンの噴流プラズマ診断。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

アノードレイヤー型ホールエンジンの推力・プラズマ特性の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

In this study, in order to obtain some useful information for development of easy columnar structure metal oxide film synthesis process, metal oxide layers were synthesized on mild steel substrate and zirconium substrate by thermal plasma irradiation in open air and investigated by X-ray diffraction and optical microscope. Consequently, 20 μm thick columnar structure iron oxide layer was constructed on the mild steel substrate by only 5 minutes deposition. Besides, in the case of zirconium substrate, result from the X-ray diffraction, it was proved that the zirconium oxide film had the same component as the conventional film deposited under a low pressure environment. From these results, this process was found to have a high potential for rapid columnar structure metal oxide film synthesis process.

This chapter reveals that in magneto-plasma-dynamic (MPD) arc jet generators, plasma is accelerated by electromagnetic body forces. Two types of MPD arc jet generator are developed for applications to mullite, zirconia, titanium-nitride, and silicon-nitride sprayings. The MPD spray process could successfully form dense, uniform and hard ceramic coatings. In titanium nitride reactive spraying, plasma diagnostic measurement and flow field calculation are also carried out. A large amount of N and N+ is expected to be exhausted with a high velocity from the MPD generator. Both the electron and the electron number density are kept high at a substrate position compared with those for conventional low-pressure thermal sprayings. Chemically active plasma with excited particles of N+, Ti, Ti+ and Ti 2+ was considered to contribute to better titanium nitride coatings. The coating characteristics showed that the MPD arc jet generator had high potentials for material spraying. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nitriding of metals and reactive spraying for nitride ceramics are planned using a 10-kW-class direct-current nitrogen or H2/N 2-mixture arc plasma jet generator with a supersonic expansion nozzle in a low pressure environment. The H-atom electronic excitation temperature and the N2 molecule-rotational excitation temperature intensively decreased downstream in the nozzle although the NH molecule-rotational excitation temperature did not show an axial decrease. As approaching the titanium plate for nitriding, the thermodynamical nonequilibrium plasma came to be a temperature-equilibrium one. Both the electron number density near the plate and the heat flux into the plate increased with H2 mole fraction for mixtures gases. In cases with H2/N2-mixtures, a radical of NH with a radially wide distribution is considered to contribute to the better nitriding as a chemically active and non heating process. Numerical simulation was carried out to examine interactions between injected ceramic particles and the nitrogen plasma flow. When plasma was accelerated to supersonic flow through the nozzle, ceramic particles were smoothly accelerated by the aerodynamic drag force and heated in the highly-reactive plasma flow. The calculated results showed that the supersonic plasma jet in thennodynamical and chemical nonequilibrium state might have some potentials for material processing, even for spraying, because of its high reactivity.

Carbon nitride films were deposited by reactive sputtering process and by pulsed laser ablation process with substrate bias. The atomic composition ratio of N/C and sp³ bonding ratio increased with substrate bias voltage up to 100 V. The maximum atomic composition ratio of N/C was 0.35 for reactive sputtering and 0.24 for laser ablation. However, the hardness of the films is high for reactive sputtering, and low for pulsed laser ablation. From the FE-SEM and TEM observation, the morphology of the films had dense structure by reactive sputtering and nano-size columnar structure with uneven surface by pulsed laser ablation.

In this study, diamond deposition on traversing substrate was carried out in order to get useful information for utilizing combustion flame method. In the case of stationary substrate, diamond particles were obtained on the condition that C2H2/O-2 flow ratio was from 1.00 to 1.15, while no particles could be obtained in oxygen rich environment. However, in the case of traversing substrate, dense diamond belt was deposited without oxidizing of the diamond particles due to oxidative flame. From these results, it was proved that large area deposition by substrate traversing was available even in the case of combustion flame CVD. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Spectroscopic and electrostatic probe measurements were made to examine plasma characteristics under nitriding for a 10-kW-class direct-current arc plasma jet generator with a supersonic expansion nozzle in a low pressure environment. Heat fluxes into the plate from the plasma were also evaluated. Ammonia and mixtures of nitrogen and hydrogen were used as a working gas. The H-atom electronic excitation temperature and the N(2) molecule-rotational excitation temperature intensively decreased downstream in the nozzle although the NH molecule-rotational excitation temperature did not show an axial decrease. As approaching the titanium plate, the thermodynamical non-equilibrium plasma came to be a temperature-equilibrium one. Both the electron number density near the plate and the heat flux increased with H(2) mole fraction for mixtures gases. In cases with mixtures of N(2) and H(2), a radical of NH with a radially wide distribution was considered to contribute to the better nitriding as a chemically active and non-heating process. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

In order to develop an easy and rapid elements-doped diamond film synthesis process, as a basic study, rapid diamond film deposition using combustion flame CVD and nitriding of the diamonds using supersonic expanding nitrogen plasma jets were carried out. The supersonic expanding plasma jets can be used as low-temperature plasma jets with high chemical reactivity due to supersonic adiabatic expansion and frozen flow. Actually, nitriding of titanium, steel and aluminum using these plasma jets were successfully carried out in our previous study. Consequently, by varying deposition conditions during diamond deposition, diamond particles could be deposited densely during only 20 min of deposition though it was difficult to deposit diamond particles densely under constant deposition conditions. Besides, though no nitride was produced in the case of pure nitrogen plasma jets, the color of diamonds varied from transparent to black during the operation and carbon nitride could be investigated in the plasma jets-irradiated diamonds using XRD in the case of hydrogen/nitrogen plasma jets. From these results, using hydrogen/nitrogen mixture plasma jets, nitrogen-doped diamonds could be produced by means of these techniques and the process was found to have high potential for elements-doped diamond synthesis. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

高度な宇宙飛翔体の運用において、導電性の「ひも」（テザー）を宇宙空間に伸展させ電子を収集することが必要である。本研究では、導電性テザーの作動特性の取得、および数値計算による電子収集過程の解明と収集電流値の見積もりが行われた。プラズマ粒子法を用いた数値計算より、テザー前面には無衝突衝撃波が形成され、それにトラップされたイオンに引き付けられた電子がテザーに収集されることがわかった。見積もられた電流値は理論最大電流値とほぼ一致した。（担当部分：主な実験研究）

汎用の電子放出機器として使用されているホローカソードは、宇宙用機器としても有用である。本研究では、プラズマ中でのホローカソードの電子放出特性が調べられた。長時間運転、耐久作動試験と共に数値計算による電流見積りが行われた。ホローカソードの作動特性には、拡散作動モードとスポット作動モードの2つがあり、後者の作動の場合放出電子電流が大きく宇宙における安定作動に有益であることがわかった。（担当部分：主な実験研究）

電磁加速プラズマジェットを利用した材料溶射が研究された。各種の金属パウダー、セラミックスパウダーの導入による厚膜溶射、金属パウダーと各種の作動ガスプラズマとの化学反応による反応性厚膜溶射が検討され例が示された。

ホール型イオンエンジンのプラズマ生成・イオン加速過程を明らかにし推進性能を予測するために、簡易1次元流れ場の計算モデルが構築された。この計算コードを用いて、既存のホール型エンジンの加速チャンネル長さとその内部の磁束密度の違いによる特性の相違が調べられた。効率よい電離・加速を実現するためには、磁力線をチャンネル出口付近に集中させ、電離と加速をチャンネル出口付近で一気に行わせる磁場構造が望ましいことがわかった。（担当部分：数値計算、全体の取りまとめ）

本研究では、地上模擬実験により、宇宙飛翔体表面の絶縁材料上における放電現象と、周辺プラズマがその放電特性に与える影響が調べられた。陽極酸化アルミニウム表面で発生するアーク放電の特性を測定した結果、アーク電流のピーク値とアーク放電時に流れる全電荷量は初期印加電圧、周辺中性粒子密度の増加とともに大きくなることがわかった。（担当部分：主な実験研究）

棒状の単結晶シリコンと窒素プラズマを用いて、窒化珪素の成膜が行われた。溶射条件を最適化することにより、ビッカース硬度1300以上の高硬度かつ高速成膜に成功した。これまでのPVD法、CVD法を数倍上回る成膜性能が得られた。（担当部分：主な実験研究）

本研究では、HVOF溶射における、投入する溶射粉体の条件、ノズルサイズ、燃焼ガスの条件を入力すれば、直ちに基材直前での粉体の速度・温度が出力される簡易計算コードを開発した。燃焼ガスは等エントロピー圧縮性流体として取り扱い、ノズル内部は準１次元流れ、ノズル外部は２次元不足膨張流れを仮定した。ニッケル・クロム系合金の溶射を計算したところ、その結果はこれまでの溶射結果、経験則とほぼ一致し本計算コードが利用できることがわかった。（担当部分：主な数値計算）

大気熱プラズマＣＶＤ法による光触媒酸化チタン皮膜の実用化を目的として、酸化チタン皮膜へのアモルファス相導入による皮膜の高強度化を図った。その結果、成膜距離を大きくすることにより、皮膜の結晶化度は減少し皮膜中へのアモルファス相の導入が可能であり、皮膜強度も向上することがわかった。（担当部分：実験研究、全体の取りまとめ）

外部磁気ノズルをもつ電磁プラズマエンジン噴出流の特性の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

パルスプラズマエンジンの放電室の長さと材質の性能特性への影響。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

宇宙プラズマ環境中での宇宙飛翔体の表面放電現象の地上模擬実験。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

ホール型イオンエンジン性能に与える加速チャンネル材質の影響。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

1kWアノードレイヤー型ホールイオンエンジンの性能特性の取得。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

円形断面をもつ低電力ホール型イオンエンジンの性能特性の取得。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

レーザーアブレーションエンジンの性能に及ぼすノズル形状の影響。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

低電力アークジェットエンジンの噴出流の状態に関する研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

宇宙プラズマからのベアテザーの電子収集の地上実験。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

ホール型イオンエンジン流れ場の１次元数値計算による性能予測。(担当部分：数値計算、取りまとめ)

低電力ホール型イオンエンジンの磁場と加速チャネルの最適化。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

宇宙プラズマ環境下の飛翔体表面上でのアーキング現象の数値計算。(担当部分：数値計算、取りまとめ)

電磁加速プラズマによる窒化シリコン照射に関する研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)