������ QCM ������������������������  
��� �������� �������� ������� ��� 
Abstract� 
Key words�
�Shizuoka University ��ISAS /JAXA  
������ QCM ������������������������  
��� �������� �������� ������� ��� 
 Measurements of Differential Sputtering Yields  Using Multi Channel Quartz Crystal Microbalance 
Taichiro NISHIMURA*, Hiroyuki KOIZUMI **, Hitoshi KUNINAKA ** and Yoshiki Yamagiwa  
Abstract�Life time assessment of an ion engine needs  sputtering characteristics on grid 
material.  Sputter yield on molybdenum due to xenon ion impingement was measured by a 
conventional weight loss technique using a miniature ion engine. New multiple Quartz 
crystal Microbalance (QCM) system, positioned in hemispherical on the target plane, 
revealed the differential sputtering yields. The resulted sputtering yields agreed with the 
data given by the other conventional methods. 
Key words�Ion engine, Ion optics, Grid life time, Sputtering, QCM 
 1. ���� 
�������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
�������������������������������� 
�������������������������������������������������
����������������������weight loss ����������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
����������������������������������������������QCM�
���������������������������������������� QCM �������
������������������������������������QCM �����������
��������������������QCM ���������������������������
��������������������������������������������������
53イオン加速グリッド耐久認定用数値解析 JIEDI（JAXA Ion Engine Development Initiatives）ツールの研究開発ワークショップ論文集
This document is provided by J AXA.
�����C-C �������������������������������������������
����������������Multiple QCM System������������������������
�������������������������� 
 2. ���� 
2.1. ���� 
�������������������������������������������1�[1]����
��������������������������������������������������
���������������������Multiple QCM System��������������������
���1 m ×��1.4 m �����������������������1×10-3  � 7×10-3  Pa ������
������������������ 
Ion Source
Target
Ion Beam
Turbo-molecular Pump 
Rotary Pump 
Ion Gauge 
Xe Gas Flow meter
Ion Source
Target
Ion Beam
Turbo-molecular Pump 
Rotary Pump 
Ion Gauge 
Xe Gas Flow meter
(a)� ����������� � � � � � � � � � � � � � � � � (b)� ����� 
� 1� ���� 
 2.1.1. ���������� 
���������������� 20 mm ���������������������������� 10 
mm ���������������������������������������������40 mm�
�� 1 mm������ 100 mm �����������������������������������
������������ 100 mm��������������������������3  mm�W����
�������������� 100 mm ������������������������ 1000 eV ����
������������������������� 0.4 sccm���������� 10 W�������� 
1000 V������� -300 V������ 5 mA�����������������������������
54宇宙航空研究開発機構研究開発報告 JAXA–RR–09–004
This document is provided by J AXA.
Ion Beam
Ion Beam cylinder
Probe path
Ion Beam
Ion Beam cylinder
Probe path 
� 2� �������� 
00.020.040.060.080.10.120.14
-10-50510Probe Position [cm]
Current Density [mA/cm 2]
� 3� �������1000 eV�����100 mm� 
 2.1.2. ��� 
������������������������QCM���4 ����QCM ������������
��������������������������������������������������
���������� QCM ��������[2]�������� QCM ��������� [Hz/min] ���
������ [ng/min] ����������������QCM �������������� 
×= −Δμπ2
028     (1) 
����0F � QCM ���������r �QCM ������5[mm]�����μ ���P ������
���������������������������QCM ��������� 1 [Hz] ���1.07 [ng] �
����������� 
(a)� QCM ��� � � � � � � � (b)� QCM ��� 
� 4� ������� QCM � 
������������Multiple QCM System ����QCM �������������������
������� 100 mm ���������������������������������� 20 ~ 80 
deg ����������������� 5(a)����������������������� QCM ���
��������������������������������������������������
������������������������������QCM ����� 5(b)���������QCM
�������������� 5(c)������������ QCM �������4 mm ���������
55イオン加速グリッド耐久認定用数値解析 JIEDI（JAXA Ion Engine Development Initiatives）ツールの研究開発ワークショップ論文集
This document is provided by J AXA.
��������������������������������������������������
QCMInner coverOuter cover
QCMInner coverOuter cover
(a) QCM� � � � � � � � � �  (b) ������ � � � � � � � � � (c) ����� 
� 5� QCM ����������� 
 2.2. ���� 
� �����������������������������������Weight Loss ��������
�������������Multiple QCM System ��������������������������
��������������������������������� 500�750�1000�1500 eV ����
���������������������������������������������QCM ��
����������������������������������� 
� 1� ������ 
��������� Xe 
����� 0.4sccm 
������� Mo 
������� -30V 
 2.2.1. ������� 
�������������������������������������������������������������������������������aN �����������������iN �
����������������Y � [atoms/ion] ������� 
a)1(γ+
==     (2) 
� ����aM ��bM ����������������� TI ���������������������
������������������������������������� MMo ����������
��������������������������������������������������
56宇宙航空研究開発機構研究開発報告 JAXA–RR–09–004
This document is provided by J AXA.
��������� �������������������������������  
 2.2.2. ��������� 
���������������������QCM ���������������������������������  ���������������n(�)��������������������� in ��
� QCM �����sr �������������������y(�)� [atoms/ion/steradian] ������� 
( )( )( )L
e� iM�m
srnn �y �i
i+==    (3) 
����S � QCM ������L ���������� QCM ����������� ii ��������
������������� �  = 20 ~ 80 deg ��������QCM ������������������������������������������������� ���������� m(�)�����
��������������������������������������������������� 
 3. ������� 
3.1. ��������� 
�������������������������������������������������
�����������������������[3][4][5][6]��������� 
1.E+021.E+031.E+04Ion Energy [eV]
Sputter Yields [atoms/ion]   
Present StudyZoerb
TartzKolasinski
Yamamura&Tawara
� 6� ����� 
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
���������������������������������������������������
���������������������������������� 
57イオン加速グリッド耐久認定用数値解析 JIEDI（JAXA Ion Engine Development Initiatives）ツールの研究開発ワークショップ論文集
This document is provided by J AXA.
3.2. ��������� 
Multiple QCM System ��������������������������������������
��� 500 eV �����������������[3][7]������������������������
����������������������������������������������� QCM
���������������������� 
00.10.20.3
Diff. Sputter Yield [atoms/ion/steradian]
1500eV
1000eV
00.10.2
Diff. Sputter Yield [atoms/ion/steradian]
Present Study
Shutthanandan
� 7� �������� � � � � � � � � � � 8� 500eV ������������������� 
���������������������������������� 40 ~ 50 deg ���������
��������������������������� Multiple QCM System ������������
�������������������������� Shutthanandan ����������������
��������������������������������� 
 4. ���� 
�������������������������� Multiple QCM System ������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
������������������Multiple QCM System ������������������ 
�������������������������������������������������
��������������������������� C-C �������������������� 
[1]� Koizumi, H., Kuninaka, H., “Antenna Design Method and Performance Improvement of a Micro-Ion 
Engine Using Microwave Discharge”, 26th International Symposium on Space Technology and Science, 
ISTS 2008-b-29, 2008. [2]� ��������, ”������� ���QCM �������� �����”, JX-PSPC-211868, 2007. 
[3]� Kirk A. Zoerb, John D. Williams, Desiree D. Williams, and Azer P. Yalin ”Differential Sputtering 
�=30� �=30� 
�=60� �=60� 
Ion beam Ion beam 
58宇宙航空研究開発機構研究開発報告 JAXA–RR–09–004
This document is provided by J AXA.
Yields of Refractory Metals by Xenon, Krypton, and Argon Ion Bombardment at Normal and Oblique 
Incidences”, IEPC-2005-293, 2005. 
[4]� Tartz, M., Neumann, H., Fritsche, B., Leiter, H., and Esch, J., “Investigation of Sputter Behavior of 
Ion Thruster Grid Materials,” 40th Joint Propulsion Conference, AIAA - 2004-4114, 2004. 
[5]� Kolasinki, R.D., “Oblique Angle Sputtering Yield Measurements for Ion Thruster Grid Materials”, 41st 
Joint Propulsion Conference, AIAA -2005-3526, 2005. 
[6]� Yamamura, Y., Tawara, H., “Energy Dependence of Ion-induced Sputtering Yields from Monatomic 
Solid at Normal Incidence,” Atomic Data and Nuclear Tables, Vol.62, No.2, pp.149-253, 1996. 
[7]� Shutthanan, V., Ray, P., Shivaparan, N., Smith, R., Thevuthasan, T., and Manteniek, M., “On the 
Measurement of Low-energy Sputtering Yield Using Rutherford Backscattering Spectrometry”, 25th 
International Electric Propulsion Conference, IEPC paper 97-069. 
59イオン加速グリッド耐久認定用数値解析 JIEDI（JAXA Ion Engine Development Initiatives）ツールの研究開発ワークショップ論文集
This document is provided by J AXA.