静電浮遊炉:ELF (Electrostatic Levitaion Furnace)

静電浮遊炉とは，帯電させた試料をクーロン力により浮遊させる装置であり，『レーザを用いたスペースデブリの除去』の研究において，スペースデブリの熱的孤立環境を擬似的に再現するために，本装置を使用しています．

静電浮遊炉はFig.1に示すように，チャンバー，制御用コンピュータ，高速度カメラ，高速高圧アンプから構成されます．静電浮遊においては，試料を安定して浮遊させるには，試料の位置に応じてクーロン力を変化させる高速フィードバック制御系が必要であるため，静電浮遊炉はFig.2のようなフィードバック系となります．

Fig.2で浮遊している試料にLED光を照射し，高速度カメラによってその影を撮影します．撮影した画像はコンピュータに取り込まれ，高速画像処理によって試料の位置を取得します．その位置を用いて，比例制御(P制御)もしくは比例・積分・微分制御(PID制御)によって上下電極に印加する電圧を算出します．その後，電圧をデジタル・アナログ変換し，高速高圧アンプで±30kVのレンジに昇圧した後，上下電極に電圧を印加し，試料の位置を制御し，Fig.3のように試料が浮遊することとなります．なお，位置・時間分解能はそれぞれ20μm，1msecとなっています．

チャンバーには，水平方向に15個の覗き窓，水平方向と11°の角度をなす平面上に2個の覗き窓，上下電極と同軸上に鉛直方向からの覗き窓が1つ設置されており，試料の状態の観察等に用いることができます．2022年4月時点では，本静電浮遊炉において，半径1mmのアルミニウム球，半径0.5mmのチタン球を安定して浮遊させることが可能です．

A Electrostatic Levitation Furnace (ELF) is a system levitating an electrically charged sample by Coulomb force. This system is used in the research of  "Space Debris Removal by Laser Ablation" in order to simulate the thermal isolation environment of space debris.

The ELF consists of a chamber, a control computer, a high-speed camera and a high-voltage amplifer as shown in Fig.1. In electrostatic levitation, a high-speed feedback control system is required in order to keep the sample position stable by changing the Coulomb force according to the sample position.

In Fig.2, the floating sample is illuminated with LED light, and its shadow is photographed by a high-speed camera. The captured image is transferred to a control computer, and sample position is obtained by high-speed image processing. Using the sample position, the voltage to be applied to the upper and lower electrodes is calculated by P control or PID control. The calculated voltage is D/A converted and boosted to the ±30kV range by a high-voltage amplifier. Finally, the volatage is applied to the upper and lower electrodes to control the sample position, resulting in levitating sample  stably as shown in Fig. 3. The position and time resolutions are 20 μm and 1 msec, respectively.

The chamber is equipped with some viewing windows to observe the state of the sample, etc. There are 15 horizontal viewing windows, two windows on a plane at an angle of 11° to the horizontal direction, and one vertical viewing window coaxial to the upper and lower electrode.

As of April 2022, the ELF is able to levitate two kinds of target stably,an Aluminum sphere (1 mm radius) and a titanium sphere (0.5 mm radius).

Fig.1 静電浮遊炉 全景 (ELF panoramic view)

Fig.2 静電浮遊炉 システム図 (ELF system)

Fig.3 安定浮遊状態の半径1mm アルミニウム球 (1 mm radius Aluminum spheres levitating stably)