[P-CG18] 宇宙・惑星探査の将来計画および関連する機器開発の展望

[PCG18-02] 宇宙プラズマ測定用小型イオン・電子エネルギー分析器の開発

*正木 和馬¹、斎藤 義文² (1.東京大学、2.宇宙航空研究開発機構)

キーワード：プラズマ、静電分析器、エネルギー分析器

本研究では人工衛星や観測ロケットに搭載して低エネルギー荷電粒子を測定するための小型イオン・電子エネルギー分析器を開発し、そのプロトモデルの性能評価を行った。本機器は90度円筒型の静電分析器であり、数eV～数10keV程度の低エネルギー荷電粒子を「その場」観測するためのものである。分析器本体の材料にはピーク樹脂プラスチックを部分的にメタライズしたものを用い、なおかつ半径2cmほどの大きさであるため、小型・軽量であることが大きな特徴である。そのため、超小型衛星に搭載することが可能であり、複数の分析器を組み合わせて搭載することで様々な方向からの荷電粒子を検出することも可能となる。本分析器は複数の円筒型静電分析器が同心円状に重なった形状をしている。イオンと電子を隣り合う円筒型静電分析器で交互に観測し、エネルギー分析されたイオン、電子を分析器ごとに個別に検出することを目標としている。目下の課題は分析器の角度特性がイオン・電子の入射方向に依らないようにし、宇宙空間で分析器が正常に機能するようにすることである。
これまでの研究では実験とコンピュータによるシミュレーションを通し、分析器のプロトモデルの性能評価を行った。実験では分析器のプロトモデルを真空チャンバー中のジンバル上に設置し、2keVの窒素イオンビームを照射しながらジンバルを様々な方向に回転させることで、分析器の角度特性を調査した。また、太陽紫外光を模擬した紫外線照射実験も行い、紫外線に対する分析器の感度も調査した。シミュレーションでは実験と同様に分析器の角度特性を計算し、実際の実験データとの比較を行った。また、分析器の改良案を考え、新たな形の分析器の開発も進めた。
実験・シミュレーションの結果から、分析器のプロトモデルではイオン・電子の入射水平角方向に対して検出感度に偏りが生じていることがわかった。また、5つある円筒型静電分析器のうち2つがエネルギー分析器として機能しておらず、改善が必要であることがわかった。さらに、検討中ではあるが、少し工夫をすれば機器を通過した粒子の位置検出を行わずとも、イオン・電子の信号を分離できる可能性があることもわかってきた。紫外線照射実験では分析器の紫外線除去性能が悪いため、改善が必要であることがわかった。
これまでの研究の結果を踏まえ、分析器のプロトモデルを改良して新たな形の機器を考案した。プロトモデルとは円筒型静電分析器の形状を変え、横幅を広くとることで水平方向の感度の偏りを解消し、機能していなかった２つの円筒型静電分析器を利用できるようにした。ただし、改良型の機器は未だシミュレーションで性能を確認した段階であり、試作・実験には至っていないため今後の開発が必要である。また、紫外線除去に関しては改善案を模索しているところである。位置検出を行わずイオン・電子を分離する手法の確立と合わせて今後の課題である。また、新たな形の小型分析器の設計も行っているため、今後試作・試験を行いたいと考えている。