開放端磁場における低温プラズマジェットに関する研究 吉田和行*1), 長原洋1), 根津篤2), 松浦治明2)， 赤塚洋1),2) 1)東京工業大学大学院 創造エネルギー専攻 2)東京工業大学 原子炉工学研究所 * E-mail: yoshida.k.ae@m.titech.ac.jp, Phone: 03 – 5734 - 3379, Fax: 03 – 5734 - 3379 イントロダクション 実験装置 電流：300[A] 磁場：0.16[T] 2.0 m 2つの油拡散エゼクタポンプ ＋メカニカルブースタポンプ ＋油回転真空ポンプ ポンプ速度 : 16000 [l/sec] 到達圧力 : ~10-4 [Torr] 放電条件 直流アーク電流 : 120[A] 直流アーク電圧 : 25[V] 作動ガス : He 開放端磁場でのプラズマ膨張の応用と関連研究 80 mm 100 mm 60 mm マテリアルプロセス プラズマ推進 宇宙科学と核融合研究 (電位形成に注目) 薄膜堆積とイオン注入 1.2 m 人口衛星や宇宙探査機 Plasma Generator 開放端磁場で電気二重層の存在が確認されている[1] 電気二重層はオーロラの発生機構に関連[2] ミラー磁場における開放端磁場での電位形成が閉じ込め性能に影響する[3] しかし，開放端磁場における低温プラズマの研究は少ない 目的 開放端磁場でのヘリウムイオン加速を測定し，加速を確認する 開放端磁場でのヘリウムイオン加速と電位形成の機構を検討する 1.2 mm マッハプローブで測定 軸上の測定（para-perpマッハプローブ[4]） イオンの加速機構モデル 軸上の実験，計算結果 5 mm 仮定 B* A* B A モデルは加速領域で実験結果を表現している 二流体 (イオンと電子) 準中性 (ni=ne) 熱平衡 (Ti=Te) 準一次元 定常状態 イオン イオンは 電場 2) プラズマ流断面積の増加 で加速される 連続の式 (a) 加速領域ではプラズマは準中性 再結合係数[5] Perpendicular 電極 電場 残留中性粒子 との衝突 このモデルでは加速領域後は表現できない 運動方程式 Parallel 電極 Acceleration zone (b) Parallel 電極 電子温度，電子密度，プラズマ電位 これらの現象は衝撃波で起こると考えられる エネルギー方程式 ポリﾄロープ変化 T0/Ti=(n0/ni)γ-1 ( = 5/3) 状態方程式 Parallel と perpendicular 電極 暗部の発生 (c) (d) イオンマッハ数 電子 二次元のプラズマ流構造は？ ボルツマンの関係式 二次元プラズマ流の測定 二次元プラズマ流の測定 まとめ 7 mm 軸上をpara-perpマッハプローブで測定し，開放端磁場でイオンが加速されていることが確認された． モデルと実験結果との比較から 8 mm マグネット ＜4方向マッハプローブ[6]＞ 互いに90度ずつ角度を変えた4つの電極を持つ マッハ数＋流れ方向を測定 開放端磁場でイオンが 1) 電場 と 2) プラズマ流断面積の増加で加速される 加速領域ではプラズマは準中性 モデルは加速領域後は表現できない 電極D 20 mm マグネット 電極A C 40 プローブ r A 4方向マッハプローブで二次元プラズマ流を測定 B D Dの電極で通常のラングミュアプローブと同様にプラズマ電位を測定 予想通り軸上ではr 方向の速度はなく，正しく測定できている マッハ数増加と電位降下の位置が対応しており，電場がイオン加速に寄与している z 軸方向マッハ数 -60 -40 マッハ数が増加する場所で電位降下がある 今後の予定 ＜実験結果＞ 軸(z)－半径(r )方向マッハ数ベクトル線図 円周方向の流れの測定 二次元一流体モデルの数値計算 参考文献 電場がイオン加速に寄与していることがわかる C. Charles and R. Boswell, Appl. Phys. Lett. 82, 1356 (2003). H. Alfvén, Tellus 10, 104 (1958). K. Sato, J. Plasma Fusion Res. 68, 562 (1992). A. Ando et al., J. Plasma Fusion Res 81 451 (2005). T. Fujimoto, J. Phys. Soc. Jpn. 54 2905 (1985). A. Ando and S. Kado, J. Plasma Fusion Res 83 167 (2007). 予想通り軸上ではr 方向の速度はなく，正しく測定できている プラズマ電位