田原 弘一

大気開放熱プラズマＣＶＤ法によるYSZ膜の生成の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

ECRプラズマスパッタリングによるカーボンナイトライド成膜研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

窒化チタン反応性溶射用電磁加速プラズマの状態に関する研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

負帯電材料のプラズマ流による緩和現象の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

ホール型イオンエンジンの性能とプラズマ特性の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

Plasma jets have been successfully used as heat sources of thermal plasma spraying process. However, since the plasma jet is accelerated to supersonic under a low pressure environment, the plasma jets can be used as low temperature plasmas with high chemical reactivity due to supersonic adiabatic expansion and frozen flow. From this viewpoint, nitriding of titanium plates using supersonic expanding nitrogen plasma jets under a low pressure environment was carried out in our previous study. As a result, it was proved that the plasma jets had enough reactivity to form a hard and thick titanium nitride layer on the surface of a titanium plate by only a few minutes of plasma jet irradiation at 30 Pa chamber pressure. In this study in order to develop a practical low temperature and high rate nitriding process, nitriding of nitriding steel, carbon steel and stainless steel using this process was carried out and wear resistance of these nitrided samples was investigated. Consequently, surface hardening was obviously promoted on the condition that hydrogen/nitrogen mixture gas were used as working gas in the cases of all substrates. Especially, hard layers with over 1000 Hv in hardness were formed without any surface damages on the surfaces of the samples by only 5 min of operation in the cases of nitriding steel and stainless steel. Besides, according to the results of wear testing, wear resistance of these steels was dramatically improved.

準定常ＭＰＤ推進機の噴出プラズマ流の状態が静電探針法により調べられた。速度ベクトルの方向と大きさ、電子温度、電子数密度の空間分布が測定され検討された。発散ノズルの下流延長線の内側と外側では特性が異なり、内側は中心軸に近づくにつれて温度・密度は極度に大きくなり延長線付近では小さくなるが、外側では延長線に近づくにつれて大きくなった。延長戦の内側は陰極ジェットの影響が強く、外側は通常の熱プラズマの膨張加速に近いと推測される。（担当部分：主な実験研究）

低電力ホール型イオンエンジンの基本作動特性が調べられた。印加される半径方向磁場は放電チャンネル出口付近で最大になるように最適化され、放電チャンネル材料には２次電子放出係数の大きいボロンナイトライドが用いられた。推進剤ガスにキセノンを用い、その質量流量、加速電圧（放電電圧）を広範にとり、放電電流と推力が測定され、比推力、推進効率、推力/電力比など基本推進性能を取得することができた。 （担当部分：主な実験研究）

窒化用アンモニア、窒素水素混合ガスプラズマジェット噴流の診断。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

低電力ホール型イオンエンジンの推力性能とプラズマ状態の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

超音速プラズマジェットによるアルミニウム材の窒化の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

低電力ホール型イオンエンジンの性能とプラズマ特性の取得。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

準定常電磁プラズマ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)

宇宙飛翔体の負電位帯電のプラズマ流による緩和現象の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

電子サイクロトロン共鳴プラズマによるITOスパッタリング成膜。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

窒化チタン反応性溶射電磁加速プラズマ流の特性の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

ホール型イオンエンジンの作動性能とプラズマ状態の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

宇宙飛翔体帯電のプラズマ流による緩和現象の地上実験。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

カーボンナイトライド成膜用ECRプラズマスパッタリングの診断。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

(担当部分：作動実験、取りまとめ)

In a space plasma simulator, a segmented ion collector in series with negatively charged condensers were exposed to argon plasma flow in order to understand phenomena of spacecraft negative charging and its mitigation by plasma flow, The time variations of neutralization current and ion sheath shape were measured. The mitigation process was expected to depend on plasma velocity and plasma number density, i.e., ion velocity and ion flux, and their dependence intensively changed with the attack angle of plasma flow to the negatively charged surface. In cases that a negatively-charged insulating surface disappears from a plasma source with a high plasma velocity, i.e., at wake condition, electrical breakdown fears occurring by a large difference in mitigation time between the absolute charging of the spacecraft conductive main body and the local charging of the insulating surface, as predicted from equivalent electrical circuits between a spacecraft and the space plasma around it.

材料加工プロセスにおいては作動ガス流やプラズマガス流が平板基材に照射される。基材近傍のガス流の挙動はプロセスそのものに大きな影響を与えることが容易に予想される。本研究では希薄流が平板に衝突する現象を直接モンテカルロ法により数値計算した。基板温度の影響と基板へのガス粒子の付着確率の影響が調べられ、それらがガス流の基板前の挙動に影響を与えることがわかった。ガス流と基板の特性の相関関係が明らかになった。 （担当部分：数値計算、全体の取りまとめ）

大気圧下において熱プラズマアシストＣＶＤ法によるTiO2の成膜を行った。プラズマトーチを改良しノズルを大きくすることにより、発生プラズマが半径方向、軸方向に大きく広がり、活性なガスとチタンの粒子からの発光によりそれらの存在が確認された。この条件の改善により、密着力の高い緻密な膜生成に成功した。（担当部分：実験研究、全体の取りまとめ）

An electromagnetic acceleration plasma arcjet generator, which is called Magneto-Plasma-Dynamics (MPD) arcjet generator, has a coaxial electrode structure similar to those of conventional thermal arcjet generators. However, their acceleration mechanisms are different ; that is, in MPD arcjet generator, plasma is accelerated by the electromagnetic interaction between the discharge current and the magnetic field induced by it in MW-class input power operations during the discharge, although in thermal arcjet generators the working gas is accelerated aerodynamically through a straight or convergent-divergent nozzle. As a result, the MPD arcjet generator can produce higher-velocity, higher-temperature, higher-energy-density, and larger-area plasma than those of other conventional plasma torches can. These MPD plasma properties are effective for various material processes. This paper deals with a development of MPD arcjet generator for titanium nitride (TiN) reactive coatings. The MPD arcjet generator is equipped with a titanium cathode, and its working gas is nitrogen. The coatings were deposited onto steel substrate. The phase structure and the composition of the coatings were analyzed by means of scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD), and their Vickers hardnesses were measured. In addition, titanium particles that were generated by MPD arcjet generator ablation process were observed by means of SEM and electron probe micro analysis (EPMA). These analyses showed that the MPD spray process could successfully form dense and uniform titanium nitride coatings. The properties of the titanium nitride coatings were highly sensitive to the titanium cathode diameter and discharge current.

Deposition method of ITO thin films with large area was developed. It utilized sheet shaped electron cyclotron resonance (ECR) plasma. It is composed of slot antennas on a rectangular waveguide, permanent magnets around the slots and a target within the discharge chamber. Microwaves of 2.45 GHz are radiated from the slots and generated plasma along the waveguide. With Ar sputtering, ITO thin films were deposited with thickness uniformity of ± 4.4% within 120 mm and deposition rate of 2.75 nm/min. Its resistivity was about 4 × 10^-4 Ωcm, and its transparency was above 70% at 550 nm without glass substrate.

電磁加速プラズマ噴流のプラズマ診断測定。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

低電力ホール型イオンエンジンの作動特性の取得。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

低圧環境下アンモニア・窒素水素混合プラズマジェットの診断測定。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

窒化チタン反応性溶射用電磁加速プラズマ発生装置の開発。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

鉄鋼材窒化への超音速プラズマジェットの応用に関する研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

Plasma jets have been successfully used as heat sources of thermal plasma spraying process. However, since the plasma jets is accelerated to supersonic under a low pressure environment, the plasma jets can be used low temperature plasmas with high chemical reactivity due to supersonic adiabatic expansion and frozen flow. From this viewpoint, nitriding of titanium plate using supersonic expanding nitrogen plasma jets at 30 Pa in chamber pressure was carried out in our previous study. As a result, it was proved that the plasma jets had enough reactivity to form a hard and thick titanium nitride layer on the surface of a titanium plate by only a few minutes nitriding. In this study in order to develop a practical low temperature and high rate nitriding process, nitriding of nitriding steel, carbon steel and stainless steel using this process were carried out and wear resistance of these nitrided samples were investigated. Consequently, though surface hardening was hardly occurred in the case of pure nitrogen plasma jets, surface hardening was obviously promoted by addition of hydrogen to nitrogen plasma jets. Especially, hard layers with over 1000 HV in hardness were formed on the surfaces of the samples by only 5 minutes operation in the cases of nitriding steel and stainless steel. Besides, according to the results of wear testing, wear mass loss of nitrided samples were much lower than those of non-nitrided samples in any cases. From these results, this process was found to have a high potential in the case of nitriding of steel.

準定常ＭＰＤ推進機における陰極先端部、中心軸上に形成される、陰極ジェットが研究された。陰極ジェットの形成は推力発生過程に密接に関係すると推測され重要である。２種類の陰極ジェットを特別に計測できる推進機を開発し、推進性能、陰極先端の圧力、放電電流分布、プラズマ物理量が測定された。その結果、水素ガスを用いた場合、陰極先端にて磁場によるピンチ力が非常に強く働き、推力成分・ポンピング力が大きく発生することが推測された。（担当部分：実験研究、全体の取りまとめ）

宇宙航行用準定常電磁プラズマ加速アークジェットエンジンのプラズマ加速過程を明らかにするために、２種類の推進機（電磁加速プラズマチャンネル推進機と陰極ジェット発生用推進機）のプラズマ排出速度が測定され、電磁加速推力発生理論と比較検討された。その結果、プラズマチャンネル推進機のプラズマ排出速度は、理論推力から予想される理論値より小さくなったが、陰極ジェット発生用推進機のそれは逆に高くなった。この原因はポンピング力の有無によって説明できた。さらに推進剤に水素ガスを用いた場合の排出速度が非常に高く、ポンピング力が陰極先端で極度に働くことが推測された。（担当部分：実験研究、全体の取りまとめ）

大気圧雰囲気下で熱プラズマＣＶＤ法によりZrO2皮膜の成膜が行われた。プラズマ源として直流アークジェット発生装置が用いられた。プラズマジェットが乱流の状態では層流の状態よりも成膜速度が高く、50 um/min以上のこれまでの蒸着成膜法の数十倍の高速成膜が達成された。（担当部分：実験研究、全体の取りまとめ）

実用的な成膜プロセスとして1 kV以下の低エネルギー、100℃程度の低基板温度の状態で、イオンビーム支援真空蒸着法にて窒化炭素薄膜の合成を行った。生成される薄膜が薄く母材の硬度の影響を受けるため、全体硬度測定にナノインデンターを用いた。その結果、これまでの一般的な薄膜に比べて非常に高硬度が記録され、窒素イオンの打ち込みが効果的に働いていると推測される。（担当部分：実験研究、全体の取りまとめ）

Electromagnetic acceleration plasma generators, which are called magneto-plasma-dynamic (MPD) arcjet generators, can produce higher-velocity, higher-temperature and higher-density plasmas than those of conventional thermal plasma torches, because MPD arcjet plasma is efficiently accelerated by electromagnetic body forces in MW-class input power operation. These properties are effective for deposition of rigid films adhering strongly to substrate surfaces. In this study, we developed a reactive spray process of titanium nitride film deposition using MPD arcjet generators. The MPD arcjet generators had titanium cathodes, and their working gas was nitrogen. The phase structure and the composition of the titanium nitride films were analyzed by means of X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy, and the Vickers hardness of the titanium nitride films was also measured. XRD analysis showed that TiN ratio was highly sensitive to the cathode diameter and the discharge current. The Vickers hardness reached about 1000 at the substrate center.

宇宙機高分子材料の荷電粒子衝突による劣化と帯電現象の研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

超音速プラズマによる鉄鋼材の窒化に関する研究。(担当部分：作動実験、取りまとめ)

窒化チタン溶射用電磁加速プラズマ発生装置の開発研究。(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推力性能と熱特性の取得。 (担当部分：作動実験、取りまとめ)