JP2000251832A - 測定方向可変式質量分析モニター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】衛星の姿勢が変更されても、衛星に取付けられ
た質量分析モニターで測定可能な測定方向可変式質量分
析モニターを提供する。 【解決手段】 衛星の進行中、何らかの原因で衛星の姿
勢が変更されたり、トラブルが発生して衛星の姿勢が変
わると、衛星内に備えられた姿勢監視器の衛星姿勢信号
発生器７からの信号が制御部６に入力され、制御部６は
その信号を受けて、制御器６に設けられた電子回路で演
算をし、開口部２が衛星の進行方向に向くように、架台
４をＡ方向回転、Ｂ方向角度調節、Ｃ方向上下動させ
る。このように常に開口部２に取込まれる中性ガス分子
１が、開口部２に垂直に入射する（衛星の進行方向に向
く）ように質量分析モニター３の姿勢が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定方向可変式質
量分析モニターに係わり、特に、地球を取巻く宇宙空間
に存在するガスを分析するために、人工衛星に搭載され
る質量分析モニターの測定方向の操作設定に関する。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星は軌道上に存在するガス分子と
衝突することによる表面材料のスパッタリングとか化学
反応によって表面材料が劣化され、これが人工衛星の寿
命に関係するので、その対策を立てるためにも人工衛星
に搭載するのに適したガス分析手段が求められている。
このため、地上で用いられる四重極型とか磁場型の質量
分析計が用いられていた。しかし磁場型は重いので人工
衛星に搭載するのに不利である。四重極型は磁場型に比
較すれば軽量化できるが、電源回路が複雑であり、信頼
性とか重量の点では決して人工衛星搭載に適したもので
はない。このため、ターゲットに軌道上ガスを衝突させ
て生じるスパッタリング現象によってガス分析を行うと
か、或はターゲットの化学変化を検出し、或は光散乱を
利用する等の方法が考案されているが、人工衛星を回収
しないと結果が分からないとか、或る程度の時間をかけ
ないと測定値が出てこないので、人工衛星打ち上げ直後
から継続的に軌道上ガスを分析するというようなことは
できない。

【０００３】このため、軽量、構造簡単で即時に測定結
果が得られる人工衛星搭載用のガス分析装置として、図
２に示すような質量分析モニターが考案されている。１
４は中性分子をイオン化するイオン化部で、図で左方が
宇宙空間に向って開口されている。イオン化部１４は地
上で用いられている質量分析計用の電子衝撃型イオン化
装置であるが、イオン化効率を上げるため、全体は細長
い筒状で、筒状のグリッド１１と、その外周に配置され
たフィラメント１２と更にその外側を囲むリペラ電極１
３よりなっており、グリッド１１に対してフィラメント
が数十ボルトの負電位にしてある。人工衛星は図で左方
に進行しており、イオン化部１４が左方に開口部２を有
しているので、地球に対し静止している中性ガス分子１
は人工衛星の速度でイオン化室に飛込んでくる。中性ガ
ス分子１はイオン化部１４で電子と衝突してイオン化さ
れるが、もとの速度(人工衛星に対する)はそのまま維持
しているので、そのまま図で右方つまり後方に配置され
たスリット１５を通過してイオンビームを形成する。ス
リット１５の更に後方に一対の偏向電極１６が配置され
ており、上述したイオンビームはこの電極間を通る間に
偏向され、イオンは質量に関係なく同じ速度であるか
ら、偏向電極１６による偏向量はイオンの質量に応じた
ものとなる。人工衛星の軌道上の酸素分子の検出を目的
とする場合は、酸素分子のイオンビームが偏向されて来
る位置にイオン検出器としてファラデーカップ１７が置
かれている。

【０００４】上記の質量分析モニターでは、細長いイオ
ン化室で中性ガス分子１をイオン化し、スリット１５で
ビーム状にして偏向電極１６で偏向させる構造である
が、人工衛星の向きが軌道接線方向から相当外れても
（３０°程度）測定可能なガス分析装置として、図３に
示すような質量分析モニターが考案されている。人工衛
星は図で左方に進行しており、図の装置がその人工衛星
に搭載されている。鎖線Ａ−Ａから下側は回路部分で、
回路基板上に構成され、他の電気的装置と共に衛星の本
体１８内に収納されている。鎖線Ａ−Ａから上側が装置
の主要部で、これは衛星の本体１８の表面に露出して取
付けられ、この部分を囲む器壁のような物は不要である
が、製作状の便宜から、図のような前端が開放された外
筒３０内に各部を取付け、この外筒３０を人工衛星本体
の外面に、筒軸を人工衛星の進行方向に向けて取り付け
られている。外筒３０は人工衛星本体１８と電気的に導
通しており、図の回路で、外筒３０に接続してある個所
は回路上の接地個所である。人工衛星は図で左方に進行
しているので、宇宙空間のガス分子は図で左方から上記
外筒３０内に飛び込んでくる。図３で２４はイオン化部
で、左方から飛び込んできた宇宙空間ガスの分子をイオ
ン化する。イオン化部２４は電子衝撃型であり、イオン
化されたガス分子は入射時のままの速度を保持して、イ
オン化部２４を通過する。イオン化部２４の右側、人工
衛星の進行方向に対して後方に、エネルギー分析部３３
が配置されている。エネルギー分析部３３はグリッド電
極２１とイオン検出器２７とから構成されている。グリ
ッド電極２１は衛星本体に対して正電位にしてあり、こ
の正電位は可変であって、人工衛星本体１８側の直流電
源によって制御されている。グリッド電極２１は正電位
であるので、その電位に応じて左方から来るイオンのう
ち運動のエネルギーがあるレベル以下のものは、グリッ
ド電極２１で反射されてグリッド２１を通過できず、そ
のレベル以上のエネルギーのイオンだけがグリッド２１
を通過して、イオン検出器２７に入射できる。つまり、
グリッド電極２１はイオンのエネルギーに関してハイパ
スフィルターとなっており、グリッド電極２１の印加電
圧を変えることで、透過イオンのエネルギーを変えるこ
とができる。イオン検出器２７はイオンが入射するイオ
ン捕捉電極板で、入射したイオンの電荷を吸収すると共
に、入射イオンによって電極板から放出される2次電子
も回収し得るように周壁を設けたカップ状にしてある。
つまりイオン検出器２７はファラデーカッブである。イ
オン検出器２７はイオンが一個入射すると一個のパルス
を出力するから、このパルスをプリアンプ３１を介して
データ処理装置３２に送り、一定時間計数する。人工衛
星では図のガス分析装置の中心線を衛星の進行方向に正
確に向けることは困難である。中性分子が入射してくる
外筒３０の開口部２の径から、イオン検出器２７の開口
径まで、分子或はイオンの通過空間の断面積が同じで、
かつ中心線方向の装置長さに対して比較的大きいので、
分子の入射方向が中心線に対して多少傾いても、ガス分
析が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の質量分析モニタ
ーは以上のように構成され、装置の電気回路部分は他の
電気的装置と共に衛星の本体１８内に収納されている
が、質量分析モニターの主要部は衛星の本体１８の表面
に露出して取付けられ固定されている。この部分を囲む
器壁のような物は不要であるが、製作上及び取扱い上の
便宜から、前端が開放された外筒３０内に各部を取付
け、この外筒３０を人工衛星本体の外面に、筒軸を人工
衛星の進行方向に向けて取り付けられている。人工衛星
は図で左方に進行しているので、宇宙空間のガス分子は
図で左方から外筒３０内に飛び込んでくる。しかし人工
衛星の向きが軌道接線方向から相当外れ、測定方向が変
化した場合（３０°程度以上）や、質量分析モニターの
取り付け場所の制約などにより、指定の方向に質量分析
モニターの中心軸を向けることができず、測定不能にな
るという問題がある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、人工衛星の向きが軌道接線方向から相
当外れ、測定方向が変化（３０°程度以上）しても測定
可能であり、また、質量分析モニターの取り付け場所の
制約を受けない、質量分析モニターを提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の測定方向可変式質量分析モニターは、人工
衛星に搭載され、人工衛星の進行方向に向かって開口し
ている中性分子イオン化部と、同イオン化部の後方に配
置されたエネルギー分析部とイオン検出器とからなる質
量分析モニターにおいて、前記人工衛星の衛星姿勢信号
により質量分析モニターの中性分子イオン化部の開口部
を人工衛星の進行方向に向けるために、質量分析モニタ
ーを搭載している架台を水平方向に回転する手段と、架
台の角度を垂直方向に変える手段と、架台を上下動する
手段とを有する制御機構を備えるものである。

【０００８】本発明の測定方向可変式質量分析モニター
は上記のように構成されており、人工衛星の向きが軌道
接線方向から相当外れ測定方向が変化しても、また質量
分析モニターの取り付け場所の制約を受けることのない
ように、質量分析モニターを搭載している架台を水平方
向に回転する手段と、架台の角度を垂直方向に変える手
段と、架台を上下動する手段とを有する制御機構を備え
おり、衛星姿勢信号によって、衛星の進行方向に質量分
析モニターの中心軸を向けることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の測定方向可変式質量分析
モニターの一実施例を図１を参照しながら説明する。図
１は、本発明の測定方向可変式質量分析モニターの衛星
外表面に装着される主要部の外観を示し、（ａ）は平面
図を、（ｂ）は側面図を示す。本発明の装置は、中性ガ
ス分子１を取込むための開口部２を有した質量分析モニ
ター３と、その質量分析モニター３を搭載する架台４
と、架台４を水平のＡ方向に回転させたり、架台４を垂
直のＢ方向に角度調節したり、架台４をＣ方向に上下動
したりするシャフト５と、開口部２が衛星の進行方向に
向くように、シャフト５をＡ方向回転、Ｂ方向角度調
節、Ｃ方向上下動させる制御部６と、衛星姿勢信号発生
器７とから構成されている。

【００１０】質量分析モニター３は、人工衛星の進行方
向に向かって開口部２を有した中性分子イオン化部と、
同イオン化部の後方に配置されたエネルギー分析部とイ
オン検出器とからなる。内部の構成は図２、図３に示す
ものと同様である。架台４は、上面に質量分析モニター
３を搭載し、下方に駆動軸としてシャフト５を設けた円
盤上の台で、シャフト５を介して機械的に制御部６に連
結されている。制御部６は、架台４をシャフト５の軸を
中心にして、水平のＡ方向に回転する機構と、架台４を
シャフト５の下部を中心にして垂直のＢ方向に角度調整
する機構と、架台４をシャフト５を介して上下のＣ方向
に動かす機構と、衛星姿勢信号発生器７からの信号を受
けて、開口部２が衛星の進行方向に向くようにさせるた
めの演算を行う電気回路が設けられている。

【００１１】衛星の外表面には、開口部２を有する質量
分析モニター３と架台４とシャフト５と制御部６の機械
的な駆動部が装着され、一方、質量分析モニター３内の
イオン化部の電源や、エネルギー分析部の電源及びイオ
ン検出信号の電気的なデータ処理回路や、架台４を駆動
する制御部６の電気回路は、衛星の内部に設けられてい
る。

【００１２】次に本装置の動作について説明する。人工
衛星の軌道空間に存在するガスは地球大気圏の宇宙空間
への延長部分と見なし得るもので、地球に対して静止し
たガス圏となっている。このため人工衛星はこのガス圏
内のガスに対して衛星速度で進行しており、人工衛星か
ら見るとき、軌道上のガスは衛星速度に加速された分子
流として観測されることになる。このようなガス分子が
質量分析モニター３の開口部２から内部のイオン化部に
取込まれる。本発明ではイオンの加速手段なしに一定速
度に加速されたイオンビームが得られる。地上ではイオ
ンビームは中性分子をイオン化した後電界で加速するの
で、質量によってイオン速度は異なっており、このため
電界だけでは質量分析ができないが、本発明の場合、得
られるイオンビームはイオン質量に関せず全て同一であ
るので、イオンの持っている運動のエネルギーはイオン
質量に比例している。したがってエネルギー分析器によ
ってイオン質量を弁別することができる。衛星の進行
中、何らかの原因で衛星の姿勢が変更されたり、トラブ
ルが発生して衛星の姿勢が変わると、衛星内に備えられ
た姿勢監視器の衛星姿勢信号発生器７からの信号が制御
部６に入力され、制御部６はその信号を受けて、制御器
６に設けられた電子回路で演算をし、開口部２が衛星の
進行方向に向くように、架台４をＡ方向回転、Ｂ方向角
度調節、Ｃ方向上下動させる。このように常に開口部２
に取込まれる中性ガス分子１が、開口部２に垂直に入射
する（衛星の進行方向に向く）ように質量分析モニター
３の姿勢が制御される。

【００１３】上記の実施例では質量分析モニター３とし
て１台を架台４に装着した場合について説明したが、質
量分析モニター３として、測定感度が異なるもの（低感
度、中感度、高感度のもの等）を数台、架台に取り付け
ると、低感度域から高感度域の幅広い測定が取得可能と
なる。

【００１４】

【発明の効果】本発明の測定方向可変式質量分析モニタ
ーは上記のように構成されており、質量分析モニターを
搭載している架台を水平方向に回転したり、架台の角度
を垂直方向に変えたり、架台を上下に動かしたりするこ
とができるので、衛星の向きが軌道接線方向から相当外
れ測定方向が変化しても、衛星姿勢信号により架台を駆
動する制御部で、常に衛星の進行方向に質量分析モニタ
ーの中心軸を向けることができる。したがって、衛星の
故障による姿勢の乱れに影響されない。また、質量分析
モニターの取り付け場所の制約を受けることがない。さ
らに感度の異なる質量分析モニターを取り付ければ広範
囲の測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の測定方向可変式質量分析モニターの
一実施例を示す図である。

【図２】 従来の質量分析モニターを示す図である。

【図３】 従来の他の質量分析モニターを示す図であ
る。

【符号の説明】

１…中性ガス分子 ２…開口部 ３…質量分析モニター ４…架台 ５…シャフト ６…制御部 ７…衛星姿勢信号発生器 Ａ…回転 Ｂ…角度調整 Ｃ…上下動 １１…グリッド １２…フィラメ
ント １３…リペラ電極 １４…イオン化
部 １５…スリット １６…偏向電極 １７…ファラデーカップ １８…人工衛星
本体 ２１…グリッド電極 ２２…フィラメ
ント ２３…リペラ電極 ２４…イオン化
部 ２７…イオン検出部 ２９…イオン化
チャンバ ３０…外筒 ３１…プリアン
プ ３２…データ処理装置 ３３…エネルギ
ー分析部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】人工衛星に搭載され、人工衛星の進行方向
   に向かって開口している中性分子イオン化部と、同イオ
   ン化部の後方に配置されたエネルギー分析部とイオン検
   出器とからなる質量分析モニターにおいて、前記人工衛
   星の衛星姿勢信号により質量分析モニターの中性分子イ
   オン化部の開口部を人工衛星の進行方向に向けるため
   に、質量分析モニターを搭載している架台を水平方向に
   回転する手段と、架台の角度を垂直方向に変える手段
   と、架台を上下動する手段とを有する制御機構を備える
   ことを特徴とする測定方向可変式質量分析モニター。