A plasma beam irradiation facility was developed based on the applied-field magnetoplasmadynamic (AF-MPD) thruster concept for studying plasma-surface interactions. The AF-MPD thruster was chosen because it can produce a plasma beam with high plasma density in continuous-wave mode. Two types of AF-MPD thruster were developed and used in this study: a type I source with a wide thruster channel was used for a heat flux test with Ar or Xe gas, while a type II source with a narrow thruster channel was used for an ion flux test with H2 or He gas. The plasma initially showed the characteristics of abnormal glow discharges and then a transition to arc occurred when the plasma current exceeded a threshold value. It was found that a cathode made of thoriated tungsten significantly lowered the threshold current for the transition from abnormal glow to arc. The maximum heat flux provided by our facility was measured to be 7 MW m−2 using a custom-made heat flux sensor, while the maximum hydrogen ion flux was measured to be 1 × 1023 m−2 s−1 using a Langmuir probe. The electron temperature ranged between (4–5) eV, while the electron density at the plasma plume (downstream) ranged between (1–4) × 1018 m−3.
プラズマ・表面相互作用の研究のために、外部磁場印加型磁気プラズマダイナミック（AF-MPD）スラスタの概念に基づくプラズマビーム照射装置を開発した。AF-MPDスラスタは、連続波モードで高プラズマ密度のプラズマビームを生成できるため選択された。本研究では2種類のAF-MPDスラスタを開発し使用した：ArまたはXeガスを用いた熱流束試験用の広いチャネルを有するタイプIスラスタと、H2またはHeガスを用いたイオンフラックス試験用の狭いチャネルを有するタイプIIスラスタである。プラズマは当初、異常グロー放電の特性を示し、その後プラズマ電流が閾値を超えるとアーク放電への遷移が生じた。トリウム入りタングステン製の陰極が、異常グロー放電からアーク放電への遷移の閾値電流を大幅に低下させることが見出された。本装置によって提供される最大熱流束は、自作の熱流束センサーを用いて7 MW m−2と測定され、最大水素イオンフラックスはラングミュアプローブを用いて1 × 1023 m−2 s−1と測定された。電子温度は4〜5 eVの範囲であり、プラズマプルーム（下流）における電子密度は1〜4 × 1018 m−3の範囲であった。