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しげのぶひめい
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1 講演番号 :3N1 28 GHz ジャイロトロンを用いたミリ波大気放電実験〇田畑邦佳, 中村友祐, 小紫公也 ( 東京大学 ) 假家強, 南龍太郎 ( 筑波大学 ) 1

2 概要 1. 研究背景ーマイクロ波ロケット機体設計や軌道解析を行うには推力を正しく再現できるモデルが必要推進器内部での圧力上昇放電面背後の状態の詳細な調査が必要ミリ波放電プラズマにより吸い込んだ空気を加熱飛行方向ミリ波放電プラズマ高圧領域 2

3 概要 1. 研究背景ーマイクロ波ロケット機体設計や軌道解析を行うには推力を正しく再現できるモデルが必要推進器内部での圧力上昇放電面背後の状態の詳細な調査が必要ミリ波放電プラズマにより吸い込んだ空気を加熱 2. 実験筑波大学の大電力ミリ波発振器ジャイロトロンを用いてプラズマを生成. 放電面背後の中性粒子温度を測定 3. 結果 4. 結論中性粒子温度の非平衡性構造形成による非一様加熱を考慮した推力の見積りが必要なのではないか 3

4 マイクロ波ロケットによるコスト削減機体地上ヒーム基地ジャイロトロン QST 19 g 機体の打ち上げデモンストレーション空気吸い込み式搭載燃料不要比推力無限大地上にビーム基地パルスデトネーションエンジン 218/11/1 繰り返し使用簡素な機体構造建設費用償還可能安価な機体製造費第 62 回宇宙科学技術連合講演会 3N1 打ち上げコスト 1/1 4

5 ミリ波放電による圧力上昇を用いた推力生成プラズマの着火集光器 (1) プラズマ着火ミリ波ミリ波放電プラズマの進展電離波面の進展 (2) 推力生成膨張波 (3) (4) リード弁を通して吸気空気吸い込み 5

6 ミリ波放電による圧力上昇を用いた推力生成集光器 (1) プラズマ着火ミリ波ミリ波放電プラズマ背後の圧力上昇が推力に重要重粒子の並進温度に由来 (2) ミリ波放電プラズマの進展膨張波今までの見積り放電面背後で, 中性粒子の振動回転並進温度が熱平衡を保ちながら上昇することを仮定 (3) リード弁を通して吸気推力見積りに誤差 (4) 6

7 実在気体における様々なエネルギーモードミリ波エネルギーがどのように消費されるか電子と重粒子の衝突ミリ波エネルギー電子の並進エネルギー電離エネルギーミリ波放電プラズマ N + 2 N 2 N 2 N 2 種電子 e - 重粒子の電子励起エネルギー振動励起エネルギー回転励起エネルギー並進エネルギーミリ波エネルギープラズマの進展方向 7

8 予想するプラズマの温度モデルミリ波強度 S (W/m 2 ) が変化すると電離波面の進展速度 U (S) が変化プラズマにおける時間スケールが変化ミリ波強度大進展速度速時間スケール小電離波面の移動滞在時間が短い検査面放電が進む領域のこと粒子が動いているわけではない小遅大滞在時間が長い 8

9 予想するプラズマの温度モデルミリ波強度 S が変化すると電離波面の進展速度 U (S) が変化プラズマ領域におけるスケール時間が変化ミリ波強度大小電子温度 > 励起温度 > 振動温度 > 並進温度 ( 回転温度 ) 電子温度励起温度 > 振動温度 > 並進温度 ( 回転温度 ) 電子温度励起温度振動温度 > 並進温度 ( 回転温度 ) 電子温度励起温度振動温度並進温度 ( 回転温度 ) 4 温度 3 温度 2 温度 1 温度研究目的電子励起温度, 振動励起温度, 回転励起温度 ( 並進温度 ) を発光分光法により測定し, 温度モデルを検討する. 9

10 実験セットアップ発光分光法筑波大 28 GHz ジャイロトロン ICCD カメラ (istar scmos) 分光器 MS354i スリット幅 : 1 μm 露光時間 : 5 ms レンズ f: 2 mm 23 kw ミリ波の空間伝送レンズ f: 15 mm コルゲート導波管ミリ波強度.67 ~.46 GW/m 2 真空チャンバープラズマ集光器 1

11 実験セットアップ発光分光法筑波大 28 GHz ジャイロトロン ICCD カメラ (istar scmos) 分光器 MS354i スリット幅 : 1 μm 露光時間 : 5 ms プラズマのバルク領域レンズの測定 f: 2 mm 23 kw ミリ波の空間伝送レンズ f: 15 mm コルゲート導波管ミリ波強度.67 ~.46 GW/m 2 真空チャンバープラズマ集光器 11

12 Intensity /a.u. 電子励起温度の解析シュタルク広がり電子励起温度サハの平衡式 n+ ne 2g+ 2 mekbtexc ev i = exp 2 nn g n h kbtexc 電子数密度が必要 [ 1 5 ] 電子励起温度 H α バルマーラインのシュタルク広がりより計測. FWHM Exp. data Fitting data Wavelength /nm 23 FWHM = n e ~ /m -3 と求まった.

13 振動回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度測定波長域 : 解析に用いた発光 : nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K Measured. Calculated Wavelength /nm Residue 2

14 振動回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度測定波長域 : 解析に用いた発光 : nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K Measured. Calculated..5 Bremstruhlung radiation Wavelength /nm Residue 2

15 振動回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度測定波長域 : 解析に用いた発光 : nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K Measured. Calculated. N 2 Second positive system Wavelength /nm Residue 2

16 振動回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度測定波長域 : 解析に用いた発光 : nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル 3. S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K N 2 + First negative system Measured. Calculated Residue Wavelength /nm 16

17 振動回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度測定波長域 : 解析に用いた発光 : nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル 3. S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K CN Violet system Measured. Calculated Residue Wavelength /nm 17

18 実験結果, 考察 18

19 Measured temperature /K 計測された電子励起, 振動, 回転温度 Specific absorbed energy q /(J/kg) 小 Electron excitation temperature Vibrational temperature Rotational temperature Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) 比例定数 a 1. [ 1 7 ] 大ミリ波投入エネルギー q /(J/kg) S q = U S: ミリ波強度 (W/m 2 ) ρ: 中性粒子密度 (kg/m 3 ) U ioniz : 電離波面進展速度 (m/s) 比例定数 a が小さい低強度領域で q が増加. 19 ioniz ioniz ( ) ( S) U S = a S q = 1 a 比例定数

20 Measured temperature /K Specific absorbed energy q /(J/kg) 計測したミリ波強度領域における温度モデル 1 Electron excitation temperature Vibrational temperature Rotational temperature 2 温度モデル 1. [ 1 7 ] 温度モデル温度モデル? Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) 2

21 Measured temperature /K 計測したミリ波強度領域における温度モデル Specific absorbed energy q /(J/kg) 1 温度モデル 1 Electron excitation temperature Vibrational temperature Rotational temperature 1. [ 1 7 ] 2 温度モデル進展速度が速い領域で, 振動回転 ( 並進 ) モードのエネルギー緩和が進んでいない Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) 遅い速い進展速度ミリ波強度によって温度モデルが変化する. 今後, 推力見積りに複数温度モデルを反映する 21

22 計測結果の妥当性評価のためエネルギー収支を考える吸収したエネルギーの内訳エネルギー算出式参考値 [MJ/kg] 割合電離エネルギー % 電子の並進エネルギー.1.18 % 中性粒子の振動エネルギー 3 n e i e B e 2 n k T nk N B s,vib ( s,vib Ts,vib ) exp / 1 ミリ波強度.67 GW/m 2 の場合 T e = T exc と仮定 % 中性粒子の回転エネルギー中性粒子の並進エネルギー 3 N B gas 2 n k T nnkbtrot % % 22

23 計測結果の妥当性評価のためエネルギー収支を考える吸収したエネルギーの内訳エネルギー算出式参考値 [MJ/kg] 割合電離エネルギー % 電子の並進エネルギー.1.18 % 中性粒子の振動エネルギーミリ波強度.67 GW/m 2 の場合 ne i レーザー放電に比べ, 3 e B e 2 n k 電離効率は低い T nk N B s,vib ( s,vib Ts,vib ) exp / 1 T e = T exc と仮定 % 中性粒子の回転エネルギー中性粒子の並進エネルギー 3 N B gas 2 n k T nnkbtrot % % 23

24 計測結果の妥当性評価のためエネルギー収支を考える吸収したエネルギーの内訳エネルギー算出式参考値 [MJ/kg] 割合電離エネルギー % 電子の並進エネルギー.1.18 % 中性粒子の振動エネルギー ne i ミリ波のエネルギーが 3放電開始後速やかに 2 n k T ミリ波強度.67 GW/m 2 の場合 e B e 中性粒子のエネルギーに変換される T e = T exc と仮定. nk N B s,vib ( s,vib Ts,vib ) exp / % 中性粒子の回転エネルギー中性粒子の並進エネルギー 3 N B gas 2 n k T nnkbtrot 全体の 97 % % % 24

25 Specific absorbed energy and specific enthalpy increase /(J/kg) ミリ波エネルギーは空間的に非一様に吸収される [ 1 7 ] Specific absorbed energy q Specific enthalpy increase Δh Milimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) 投入されたエネルギーと, プラズマ中の比エンタルピー増加量の比較空間的に一様に加熱されるとして求まる進展速度から計算される吸収エネルギー q < 空間的に発光の強い領域の温度を用いて求まる分光結果から求まった温度を用いて算出した比エンタルピー増加量構造の形成 25

1 ストリーマ構造 a) 1 mm c) b) 1 mm 1 mm k E k E k E 1 mm k E d) λ/4 構造ストリーマ構造 c) k E d.1.1 櫛状構造拡散構造 k E

26 Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) ミリ波放電において観測されているプラズマ構造 a) c) 1 mm b) d) 1 a) 1 mm k E 1 mm k E b 1 1 ストリーマ構造 a) 1 mm c) b) 1 mm 1 mm k E k E k E 1 mm k E d) λ/4 構造ストリーマ構造 c) k E d.1.1 櫛状構造拡散構造 k E c) 1 12 Ambient pressure /kpa 様々な雰囲気圧力, ミリ波強度に対して得られたプラズマ構造 1 mm 1 mm 218/11/1 第 62 回宇宙科学技術連合講演会 1 mm 3N mm k E d) 1 mm 拡散構造 k E k E k E 1 mm k E 櫛状構造 k E 今後, 非一様加熱が推力に与える影響を考察する.

構造によってプラズマの空間占有率は変化する 1 Plasma space occupancy.8.6.4.

5 Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) (a) (b) E 1 mm

27 構造によってプラズマの空間占有率は変化する 1 Plasma space occupancy (a) 構造の遷移領域 (b) Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) (a) (b) E 1 mm 1 mm k プラズマの長露光自発光画像 k E 自発光写真の 2 次元画像解析から求まるプラズマの空間占有率プラズマ構造の違いを考慮した推力解析が必要. 27

28 結論筑波大 28 GHz, 35 kw ジャイロトロンを用いたミリ波大気放電実験を行い, 放電面背後における中性粒子温度を測定した. 放電面背後では, 進展速度の速い領域で振動回転 ( 並進 ) モードのエネルギー緩和が進んでいないため, 熱平衡を仮定しない解析により推力を見積もる必要がある. さらに, プラズマが構造を持つため, 空間占有率が低い場合には空間的非一様性を考慮した推力の計算が必要である. 28

29 ご清聴ありがとうございました. 29

Microsoft PowerPoint - matsuzawa

Microsoft PowerPoint - matsuzawa 第 12 回若手科学者によるプラズマ研究会 29 年 3 月 16-18 日原子力機構那珂核融合研究所磁場反転配位プラズマにおける中性粒子数密度計測松澤芳樹, 田邨尚郎, 山本直樹, 高尾昂平, 日吉まゆ, 浅井朋彦, 高橋努日大理工磁場反転配位 (FRC) プラズマコンパクトトーラス (CT) 小型で閉じ込め効率が良い磁場反転配位 (Field-Reversed Configuration: