Plasma is the fourth state of matter consisting of the charged ions and electrons, resulting in variety of the linear/non-linear phenomena in nature and terrestrial plasma devices. In term of fluid dynamics, the Lorentz force can be used as body forces; the plasma can be a controllable fluid being different from a gaseous fluid. Understanding and control of their dynamics are crucial issues to develop plasma devices and reactors as described below. PDPL investigates their dynamics via laboratory experiments, involving the following topics.

• Temporal and spatial structural formations of plasmas

• Plasma source development

• Electron thermodynamics

• Waves, particle transport, momentum and energy transport in plasmas

• Energy distribution of ions and electrons

• Fundamental experiments in a magnetic nozzle

プラズマは正負イオンと電子の荷電粒子から構成される物質の第４の状態であり，自然界やプラズマ利用装置において様々な線形/非線形現象を引き起こします．流体力学の観点では，ローレンツ力が外力として印加可能であるため，通常のガス等と比較して制御性の良い流体として取り扱うことが可能となります．このプラズマのダイナミクスの理解と制御は，下記に示すようなプラズマデバイスやプラズマ装置を開発する上で最重要ファクターとなります．PDPLではプラズマダイナミクスの解明と制御に関して室内実験を用いて下記の例に示すような研究を行っています．

• プラズマの時空間構造形成

• プラズマ発生源の開発

• 電子の熱力学特性

• 波動，粒子輸送，運動量/エネルギー輸送

• 荷電粒子のエネルギー分布関数

• 磁気ノズルに関する基礎実験

代表的な研究成果

[1] Physical Review Letters, 110, 195003 (2013)

[2] Physical Review Letters, 114, 195001 (2015)

[3] Physical Review Letters, 116, 135001 (2016)

[4] Physical Review Letters, 118, 225002 (2017)

[5] Physical Review Letters, 120, 045001 (2018)

[6] Physical Review Letters, 125, 165001 (2020)

[7] Scientific Reports, 12, 20137 (2022)

[8] Physical Review Research, 5, L022029 (2023)

Magnetic nozzle electrodeless plasma thruster is one of the candidates for a high-power space propulsion device. It consists of a radiofrequency (rf) plasma source and a magnetic nozzle; the propellant (typically rare gases such as argon and krypton) is ionized by the rf electromagnetic fields and transported along the magnetic fields toward the source exit. Since the magnetic fields downstream of the source are divergent and resemble a nozzle structure (hence called a magnetic nozzle), providing spontaneous plasma acceleration and momentum conversion processes. By ejecting the plasma flow from the system, the force can be applied to the thruster structure including the magnetic nozzle according to a momentum conservation law or a law of action-reaction forces, which propels a spacecraft in space. Since the dynamic transport of the plasma in the magnetic nozzle directly affects the thruster performance, the research involves fundamental physics in addition to performance improvement of the thruster. 

高密度高周波プラズマ源と磁気ノズルから構成されるプラズマ推進機で，大電力宇宙推進エンジンとして期待されています．燃料ガスはプラズマ発生部で電離され，磁力線に沿ってプラズマ発生部出口に輸送されます．磁力線は下流域で発散しノズル構造に似た形状 (磁気ノズル)が形成されており，この領域で自発的なプラズマ加速機構や運動量変換過程が起こります．ここで加速されたプラズマ流を磁気ノズルから切り離して宇宙空間へと放出することで，磁気ノズルを含む推進機構造に反力が働き，スラスタ(推進機)として作動することが可能となります．磁気ノズルやプラズマ発生部でのプラズマダイナミクスは，推進性能に直結する物理現象なため，本研究では基礎的な物理現象の理解と推進機性能の向上を並行して行っています．2011年の高橋(当時岩手大所属)とオーストラリア国立大，サリー大の共同研究では推進効率が1%以下でしたが，近年の本研究室の実験では推進効率３０％程度が室内実験で得られるようになり，性能改善や周辺機器開発も進めています．

代表的な研究成果

[1] Reviews of Modern Plasma Physics, 3, 3 (2019)

[2] Scientific Reports, 11, 2768 (2021)

[3] Scientific Reports, 12, 18618 (2022)

Active removal and remediation of space debris are emergent technologies to sustain space activity around the Earth. Here utilizing a bi-directional plasma thruster is proposed to remediate or remove debris from Earth orbit, where the debris are decelerated by continuously exerting a force to debris by the plasma beam and zero net force exerted to the thruster is maintained by ejecting the plasma to the opposite side. A laboratory experiment in PDPL demonstrates the bi-directional plasma ejection from a radiofrequency plasma thruster having upstream and downstream open source exits, which can be operated with abundant argon propellant and with no electrode exposed to the plasmas, providing the long-life time even for a high electric power operation. The plasma ejection from the thruster is obviously controlled by the magnetic field configuration, by which the acceleration, deceleration, and debris removal modes can be switched by changing the magnetic field configuration. 

ロケットや衛星の残骸であるスペースデブリの除去や軌道修正は，地球周辺環境を維持するための喫緊の課題となっています．PDPLでは，プラズマスラスタからの双方向プラズマ噴射を用いた非接触スペースデブリ除去法に関する研究を行っています．プラズマ流をデブリに照射し周回速度を減少させることで高度を下げ，大気圏へと突入させる方式ですが，片方向へのプラズマ噴射では，推進機がデブリとは逆方向へと進んでしまい，減速力を与え続けることが困難です．そこで，１台のスラスタから両方向へとプラズマ流を噴射し，正味推力をゼロとした状態でデブリを減速することが可能な原理実証実験に成功しています．また，磁場構造によってスラスタの上流・下流へと噴射可能なプラズマの量を制御可能であることを発見し，推進機による衛星の加速モード・減速モード，および正味推力がゼロとなるデブリ除去モードをスイッチ可能であることが示されています．無電極かつ資源が豊富なアルゴンでの作動が可能なため，小型～大型のデブリ除去が可能になると考え，研究開発を進めています．

またプラズマ推進機に限らず，非接触で物体へと力を与える方式についても検討を進め，基礎実験を開始しています．

代表的な研究成果

[1] Scientific Reports, 8, 14417 (2018)

[2] PCT/JP2024/16245 スペースデブリ除去装置およびスペースデブリ除去方法 

New concept of small electric propulsion device utilizing sputtering is investigated and developed in PDPL. In typical electric propulsion devices, a neutralizer is required to maintain their charge neutrality when ejecting ions to be accelerated  by applied electric fields. Sputtering is the ejection of the energized materials by ions impinging the target surface. The concept of the sputtering electric propulsion is the thrust generation by the sputtered material ejection from the system. As the ejected particles are typically neutrals, the system does not require the neutralizer, leading to a small electric propulsion device. It still requires gaseous propellant to sustain the plasma for the sputtering; the high pressure gas tank prevent the device from being compact. Operation with water propellant for high density storage (no high pressure tank) is demonstrated and the R&D is ongoing. Other types of the small electric propulsion devices are also investigated.

スパッタリング現象を用いた新概念電気推進機の開発を行っています．イオンを加速するタイプの電気推進機では，宇宙機の帯電を防止するために中和器と呼ばれる電子源が必要となります．スパッタリングは，高エネルギーイオンの衝突によってターゲット材料 (例えば Cu等) から原子が放出される現象であり，1-10eV程度のエネルギーを有していることが知られています．本研究は，スパッタリングによる材料放出によって推力を発生するコンセプトです．放出される粒子は電気的に中性のため，推進機の作動時に中和器を必要とせず，システムの簡素化・小型化が可能となります．一方で，スパッタリング用のプラズマを維持するためにはガス燃料が必要であり，アルゴン等を使用した際には高圧タンク等を搭載する必要があり小型化が困難になります．そこで現在，貯蔵が容易な水を原料としたスパッタリング式推進機の開発を行っています．また，他の方式の小型推進機に関しても海外機関との連携も含めて研究を進めています．

代表的な研究成果

[1] Applied Physics Letters, 118, 154101 (2021)

[2] AIP Advances, 11, 105115 (2021)

[3] Acta Astronautica, 204, 370 (2023)

New concept of a Hall thruster is proposed and experimentally investigated as the collaboration with JAXA.  When operating the Hall thruster with chemically reactive propellant (e.g., oxygen, nitrogen, water, iodine, methane, ammonia, etc...), it is difficult to operate an electron-emitting hollow cathode. Here utilization of an inductively-coupled plasma is proposed to be used for the cathode, where the proposed configuration is new and the electrons in the rf plasma source are used to maintain the Hall thruster discharge and to neutralized the accelerated ions. 

現在の電気推進機の主流方式であるホールスラスタでは，推進剤を化学的に反応性のあるガス種に変更した際に，性能の低下に加えて，電子放出源であるホローカソード等の安定運用が困難であるという課題に直面しています．誘導結合性プラズマを活用した新しいタイプのホールスラスタの研究開発を，JAXAの方と共同で進めています．2023に実施した共同実験で，100eVを超えるイオンビーム発生までは確認し，物理研究と高性能化に向けた開発を両輪で行いたいと考えています．

代表的な研究成果

[1] Journal of Electric propulsion, 3, 18 (2024)

Plasmas contain the charged ions and chemically active neutrals (called radicals), which have provided great innovations in semiconductor manufacturing and in material development over the last several decades, e.g., the etching, sputtering, chemical vapor deposition, ion beam source, etc... R&D in PDPL involves the development of industrial plasma processing devices in collaboration with industrial companies and AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology). PDPL welcome collaboration from industries and might be able to design and test plasma sources based on specifications from customers. 

プラズマ中には電荷をもつイオンと化学的活性種であるラジカルが含まれており，これらの粒子種は半導体製造工程や材料開発において，ドライエッチングによる微細加工，スパッタリングによる薄膜形成，プラズマ支援CVDによる薄膜形成，イオンビーム加工装置等，多くのイノベーションを創出してきました．PDPLでは，国内企業や産総研との共同研究で，産業応用プラズマ装置の研究開発を行っています．共同研究開発等にご興味お持ち頂ける方は，ご連絡頂ければ幸いです．

代表的な研究成果

[1] Vacuum, 171, 109000 (2020)

[2] AIP Advances, 11, 025013 (2021)

Plasma physics has historically been progressed for a thermonuclear fusion reactor. The magnetically confined plasma is extremely heated by injecting high energy beams and radiofrequency power to generate the fusion reactions. PDPL investigates the dynamic behavior of the ion beams extracted from the beam source in collaboration with NIFS (National Institute for Fusion Science). Furthermore, the application of the positive/negative beam technologies to the new electric propulsion devices is investigated in PDPL.

プラズマ物理学は歴史的に制御熱核融合に関する研究とともに進展してきました．磁場閉じ込め核融合プラズマは，高エネルギービームや高周波電力による加熱で高温状態を維持し核融合反応を誘起します．PDPLでは，核融合科学研究所と連携してビーム源から引き出されるイオンビームの動的挙動に関する研究や，正負イオン源技術の新応用展開に関する研究を行っています．

代表的な研究成果

[1] New Journal of Physics, 21, 093043 (2019)

[2] Japanese Journal of Applied Physics, 59, SHHA01 (2020)

Operations of the plasma sources and reactors require not only the source but also peripheral components such as a radiofrequency generator, an impedance matching box, a gas controller system, an operation software, etc. R&D in PDPL involves their developments, where some of the components are now in practical use, e.g., a high-speed frequency-tunable rf generator, a pulsed power supply for High Power Impulse Magnetron Sputtering, and a pulsed gas feeding system for plasma etching. 

プラズマ源やプラズマ利用装置を使用するためには，プラズマ源だけではなく高周波電源やインピーダンス整合器，ガス制御系，ソフトウェアなどの周辺機器の開発も必要です．PDPLでは，工学的な観点からこれらも総合的に研究開発を実施しています．特に高速・安定インピーダンス整合を可能とした高周波システムや，大電力インパルスマグネトロンスパッタリング(HiPIMS)用の小型パルス電源，パルスガスバルブを用いたガス制御系等は，国内企業が販売している装置にも搭載されています．共同研究開発や電源の導入等にご興味お持ち頂ける方は，ご連絡頂ければ幸いです．

代表的な研究成果

[1] Frontiers in Physics, 7, 227 (2020)

Lab members are always discussing about new topics, so we will add them when we start to work on it!

研究室内では，新しいトピックスに関する議論も進めています (雑談)．実際に実験を開始したら随時更新します．