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* * * * このラバール型や、ここに示す発散型の磁気ノズルにおいても、比熱比γiの値によってプラズマ流のマッハ数変化は大きく異なることが予想される。 それでは、実際にプラズマのγiはどのような値にどのようにいるのか? * * 一般に、比熱比dγは系の自由度をfとすると、この式のように表されます。 自由度1ならγ=3、自由度3ならγ=5/3といったように、自由度が増すにつれてγは徐々に1に近づき、 Γ=1近傍では、断熱変化というより等温変化に近づいていく。 では、プラズマ中の比熱比について考えてみると、プラズマ中では電離などが原因で自由度が増大していると考えられる。 よって、実際の比熱比の値を知ることは、マッハ数の評価にとって重要であると言える。 しかし、比熱比の値を実験的に求めた研究例はほとんどない。 そこで、ラバール型磁気ノズルを用いてイオン比熱比 γi の値を求めることを目的として実験を行った。 * * * γiの評価に入る前に、各パラメータの計測結果を説明する。 まず、外部磁場ですが、このようなものを印加しました。下流側で磁気ラバールノズルを形成している。 このときに、軸上のJup/Jdown、密度、イオン温度、電子温度を計測した。 さきほど説明した方法より求めたイオンマッハ数も、ここに載せてある。 ここで注目すべき点が2つある。 まずひとつが、下流側で亜音速から超音速に加速していることである。これはラバールノズル通過する流体の特徴をよく表している。 そしてもうひとつが、マッハ数が急激に下がっている領域があることである。 密度、イオン温度をみると、この領域において急激に上昇していることから、この領域で衝撃波が発生していると考えられる。 また、この領域においても電子温度はほとんど変化していないので、γeが1であるということがいえる。 * * 一般に、圧縮性流体がラバールノズルを通過する際には、マッハ数は1以下から1以上へ、すなわち、亜音速から超音速へ加速されることが知られている。 この図は、理論式より求めたマッハ数を表しているが、ノズルスロート前後でマッハ数が上昇している様子がわかる。 また、特に出口部のマッハ数変化には、比熱比γが大きく影響しているのがわかる。 * 次に、放電開始後0.3msecの場合についても同様の比較を行った。 これをみると、2や2.5の辺りで一致しており、時間によってγiが変化している。 そこで、他の時間においても同様にγiを求め、γiの時間変化を調べた。 * それでは、γiの評価についてですが、計測から求めたマッハ数と、等エントロピー1次元流の理論値を比較することによってγiを評価している。 衝撃波領域では流体モデルは適用できないので、下流側のみで比較を行っている。 これは、MPDの放電後1msecのデータであり、γiの値を1、1.2、5/3、2、3としたときをのせてある。 これをみると、γiが1や1.2のときに良く一致している。 * * このグラフはその結果である。 γi は放電開始後、徐々に1に近づく。 早い時間の方がγiが高い値となっているが、ここで考えられるのが密度の違いである。 放電開始直後には立ち上がり時間があるため、後半のプラズマよりも密度が低いと考えられる。 そこで、密度を低くした条件で同様の実験を行った。 * このグラフはその結果である。 γi は放電開始後、徐々に1に近づく。 早い時間の方がγiが高い値となっているが、ここで考えられるのが密度の違いである。 放電開始直後には立ち上がり時間があるため、後半のプラズマよりも密度が低いと考えられる。 そこで、密度を低くした条件で同様の実験を行った。 * * * * * * * * * * * * * * * * * * Schematic of flow pattern near MPDA exit Small Laval nozzle near the exit of MPDA Magnetic field line in vacuum TOHOKU UNIV. Laval Nozzle Coil B0 to convert the high ion thermal energy into a flow energy, leading to a higher Mach number flow TOHOKU UNIV. Characteristics in a Laval Nozzle Improvement of Acceleration Performance The thermal energy is converted to the flow energy by passing through the
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