JP2002517661A

JP2002517661A - 閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器での磁束形成

Info

Publication number: JP2002517661A
Application number: JP2000552397A
Authority: JP
Inventors: キング、デビッド・キュー; デ・グライス、クリスティー・エイチ; アードランド、ランダル・エス; ティリー、デニス・エル; ボイト、アーノルド・ダブリュ
Original assignee: ゼネラルダイナミクスオーティーエス（アエロスペース）インコーポレーテッド
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2002-06-18
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: DE69902589T2; IL139487A0; JP4294867B2; WO1999063221A3; EP1082540A2; EP1082540B1; AU4818699A; IL139487A; WO1999063221A2; DE69902589D1

Abstract

(57)【要約】特にデザインされた磁気分路器は、アノード領域、および／もしくは、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器の環状のガス配電領域を囲むように設けられている。この磁気分路器は、イオンの出口側端部に磁場を集中するように構成されているので、最大磁場強度の位置は、加速器の内方の磁極と外方の磁極とから下流に位置している。特にデザインされた分路器は、加速器の寿命と効率とを増すための集束効果を達成するように、最大磁場強度のラインの上流に磁力線の所望の曲率を生じる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、電子の閉じたドリフトを使用したイオン加速器で磁場を“形成する
”ためのシステム、即ち、特に、イオンの出口側端部の領域で、磁力線の輪郭と
、加速器の長手方向での磁場強度とを制御するためのシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】

ホール効果スラスター（ＨＥＴｓ）としても知られている、閉じた電子ドリフ
トを使用するイオン加速器は、プラズマ支援型製造と宇宙船の推進とのための方
向付けられたイオン源として使用されている。代表的な宇宙での使用は、（１）
ある高度もしくは傾きから他の高度もしくは傾きに宇宙船の軌道を変化すること
と、（２）大気抵抗の補償と、（３）推進力が、太陽風および月の移動のような
影響による軌道の位置の自然なドリフトを打ち消すために使用されている“自ら
の位置を保つこと”である。ＨＥＴｓは、環状のガス放電領域に推進ガスを供給
することによって推力を発生する。このような領域は、アノードを有する閉じた
端部と、ガスが放出される開いた端部とを備えている。自由電子は、カソードか
ら出口側端部の領域の中に導入される。これら電子は、長手方向の電場と結合し
て、ほぼ径方向に延びた磁場によって環状の放電領域内で周囲にドリフトするよ
うに誘導される。これら電子は、長手方向の電場によって外側に向かって加速さ
れるイオンを発生させるように、推進ガス原子と衝突する。かくして、反力が、
宇宙船を推進させるように発生される。

【０００３】磁束の強度の長手方向の傾斜度が、乱流振動の有無、イオン流とスラスターの
壁との間の相互作用、ビームの集束および／もしくはビームの発散などのような
、ＨＥＴｓの動作パラメータに重要な影響を与えることは、長く知られている。
このような効果は、長い間、研究されている。例えば、Ｍｏｒｏｚｏｖら“Ｐｌ
ａｓｍａＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＷｉｔｈＣｌｏｓｅｄＥｌｅｃｔｒｏ
ｎＤｒｉｆｔａｎｄＥｘｔｅｎｄｅｄＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＺｏ
ｎｅ”ＳｏｖｉｅｔＰｈｙｓｉｃｓ−ＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，
Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１，ｐｐ３８−４５（Ｊｕｌｙ１９７２）と、“Ｅｆｆ
ｅｃｔｏｆｔｈｅＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄｏｎａＣｌｏｓｅ
ｄＥｌｅｃｔｒｏｎＤｒｉｆｔ”ＳｏｖｉｅｔＰｈｙｓｉｃｓ−Ｔｅｃｈ
ｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．３，ｐｐ４８２−４８７（
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ１９７２）とに示されている。このＭｏｒｏｚｏｖ博士と
彼の同僚との業績は、アノードから加速器の出口側端部に向かって強くなる放射
状の磁場を提供する利益を確立しているものとして、一般に認められている。例
えば、Ｈ．Ｒ．Ｋａｕｆｍａｎの論文“ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｌｏｓ
ｅｄ−ＤｒｉｆｔＴｈｒｕｓｔｅｒｓ”ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．
２３，Ｎｏ．１，ｐｐ７８−８７（Ｊｕｌｙ１９８３）で、Ｍｏｒｏｚｏｖら
の業績を以下のように特徴付けており、同書のｐｐ８２−８３に記載されている
。

【０００４】かくして、長い加速チャンネルの効率は、チャンネルをより短くさせることに
より、排出面の近くに総磁場をほとんど集中させることによって改良される。他
の解釈、もしくは同等の概念は、長いチャンネルの上流部分で発生されたイオン
が、チャンネルの壁に衝突することなく、逃げる機会がほとんどないことである
。かくして、チャンネルの上流端部での磁場の集中は、電子効率を減らすイオン
の発生をさらに上流に、集中することを期待され得る。

【０００５】実験的な目的のために、Ｍｏｒｏｚｏｖらは、別々の電磁石のコイルへの電流
を制御することによって放射状の磁場のための異なる輪郭を達成した。所望の磁
力源（電磁石もしくは永久磁石）に対して、磁場の輪郭に影響を及ぼす他の方法
は、（加速器の出口側端部に透磁性部材を位置し、集中させるように）磁路中の
透磁性部材の物理的なパラメータを構成しており、アノードの近くのように、磁
力源と、比較的弱い磁場強度が望まれている領域との間に挿入され得る磁気の“
遮蔽”もしくは分流によって構成している。例えば、論文題目“Ｅｆｆｅｃｔ
ｏｆｔｈｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａＭａｇｎｅｔｉｃ
ＦｉｅｌｄｏｎｔｈｅＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｎＩｏｎＣ
ｕｒｒｅｎｔａｔｔｈｅＯｕｔｐｕｔｏｆａｎＡｃｃｅｌｅｒａｔ
ｏｒｗｉｔｈＣｌｏｓｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎＤｒｉｆｔ”Ｓｏｖ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｔｅｃｈ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．４（Ａｐｒｉｌ１
９８１）で、ＧａｖｒｙｕｓｈｉｎとＫｉｍとは、加速チャンネルの遮蔽の度合
いを変化させることによって磁場強度の長手方向の勾配を変更することを記して
いる。彼らの結論は、加速チャンネル中での磁場の特性が、イオンプラズマの流
れの発散に重要な影響力を有すると云うことである。

【０００６】ＨＥＴｓでの磁場強度の長手方向の勾配は重要であり、かつ、さらに上流の磁
場強度に比較されるように、出口面かこの近くに磁場を集中もしくは強めること
が望まれていることが、現在の論議であることは明らかでない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】

本発明は、閉じた電子ドリフト（ホール効果スラスター、即ちＨＥＴ）を使用
するイオン加速器で磁束を形成するための改良されたシステムを提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

“磁束バイパスケージ”と呼ばれる、特にデザインされた磁気分路器は、内部
の円筒形の壁と外部の円筒形の壁との両方で、スラスターのアノード領域、およ
び／もしくは、スラスターの環状のガス配電領域を囲むように設けられている。
この磁束バイパスケージの周側は、アノードの後ろに接続されている。最初は、
このケージは、スラスターのアノード領域ほぼ全てを囲んだ、内方の側壁と外方
の側壁とを有する頑丈な壁である、Ｕ形断面の回転体によって形成されていた。
この構造は、スラスターの出口側端部に隣接するセラミック性の絶縁体の腐食の
輪郭の測定によって確認されるように、磁場強度の軸の傾斜を急勾配にし、イオ
ンが下流に生じさせられた領域を移動する効果を有することが示されていた。し
かしながら、本発明の好ましい実施の形態においては、この磁束ケージは、内周
側と外周側とに大きな開口を有する。これら開口の領域は、“ケージ”という用
語から、外周側と内周側との両方の主要な部分を構成し得る。この磁束バイパス
ケージは、（アノードの後ろの）閉じた端部でのリングと出口側端部でのリング
とを接続する、周囲に離間された、長手方向に延びた側のバーに似ている。この
構成で、磁場の所望の輪郭は、要求されているよりもやや小さい全磁気保磁力に
到達され得る。さらに、電磁石は、より軽量のコアおよび構造的な支持も同様に
、より少ないアンペア回数も有し得、重量の減少は、スラスターそれ自身のため
の構造的な支持の要求を減らす。永久磁石を使用するシステムのために、より小
さく、より軽量の磁石が使用され得る。このケージデザインの他の特徴は、イオ
ン放電領域で、磁場ベクトルの形状を制御するデザインにするようにしたことで
ある。例えば、頑丈な壁の分路器は、放電領域の中心線に関して急勾配の角度で
等電位線を生じさせ得る。この結果は、イオンビームが“過度に集束され”得る
、即ち最大の効率のために望ましいというよりも中央のチャンネルの中心線に向
かって方向付けられた内方の側壁と外方の側壁とにイオンを有することである。
ケージでの大きな開口の領域は、スラスターのコアから熱を取り去るための大量
の熱分路器の必要性を減らすもしくは除去する、スラスターの放射冷却も可能に
する。本発明の他の態様において、ＨＥＴの出口側端部での磁極は、より高い効
率とより長い寿命とのために磁場形状をさらに向上させる、絶縁材料でコーティ
ングされている。同じことが、添付の図面と関連して見て取る場合、以下の詳細
な記述に関してより理解され得るので、本発明の先の態様と多くの付随した利点
とが、よりたやすく、正しく認識され得る。

【０００９】

【発明の実施の形態】

図１は、宇宙船の推進のために構成され得るような、本発明に関するタイプの
代表的なホール効果スラスター（ＨＥＴ）を示している。このＨＥＴ１０は、宇
宙船に装着されるブラケット１１によって支持されている。ＨＥＴのわずかの細
部は、電子を放出するカソード１２と、環状の放電チャンバ、即ち領域１６の出
口側端部１４と、外部の電磁石１８とが、この図に示されていることが、外部か
ら確認できる。以下でより詳細に記述されるように、推進力は、環状の放電領域
１６から、図１で右側に見られるように、見る人へと外側に向かって加速される
イオンによって達成される。

【００１０】より詳細には、図２の断面図に示されている。エンドレスな環状のイオン形成
、並びに、放電領域１６は、外方セラミックリング２０と内方セラミックリング
２２との間に形成されている。このようなセラミックは、電気的に絶縁性で、頑
強で、軽量で、耐腐食性がある。外方の強磁性極片２４と内方の強磁性極片２６
との間の放電領域内で、実質的に径方向の磁場を生じさせることが望ましい。図
示された実施の形態において、これは、内部の強磁性のコア３２を有するボビン
３０に巻かれた巻き線２８を備えた外方の電磁石１８によって達成される。加速
器の出口側端部で、前記コア３２は、外方の磁極片２４に磁気結合されている。
加速器の後部、即ち閉じた端部で、コア３２は、強磁性のセンターコア、即ちス
テム３６に磁気結合された強磁性のバックプレート３４に磁気結合されている。
そして、このステム３６は、内方の極２６に磁気結合されている。これら部材は
、外方の極２４から内方の極２６に連続的な磁路を形成し、かつ、磁束が、環状
の放電領域１６の出口側端部で多かれ少なかれ集中されるように構成されている
。付加された磁束が、センターコア３６の周りの巻き線３８を有する内方の電磁
石によって与えられ得る。

【００１１】構造的な支持が、一端で外方のセラミックリング２０と外方の極２４との間を
橋渡しする絶縁性で非磁性材の外方の構造部材３９と、他端のバックプレート３
４とにより果たされている。同様の内方の構造部材４０が、内方のリング２２と
バックプレート３４との間にほぼ延びている。皿型ばね４１は、スラスターフレ
ーム全体の熱膨張と熱収縮とを主として可能にするように、構造部材３９，４０
の後端部とバックプレート３４との間に介在されている。

【００１２】図２に概略的に示されているカソード１２は、外方セラミックリング２０と内
方セラミックリング２２との間に規定された、環状のガス放電領域１６の出口側
端部の上流に位置した、加速器のアノード４２に電気的に接続されている。カソ
ード１２とアノード４２との間の電位は、ＨＥＴ１０のバックプレート３４を通
して延びた１もしくは複数の伝導体のロッド４６によりアノードに電位が伝えら
れるようにした、電源並びに調整電子部品４４によって得られる。図示の実施の
形態において、このアノードは、導電体のそれぞれ内方および外方の壁４８およ
び５０と、これら内方と外方との壁の間の環状の突出部５２とを有する。この突
出部の先端側は、出口側リング２０，２２の上流側のエッジの近くで下流側に延
びている。

【００１３】前記アノードの後部は、１もしくは複数のガス配電チャンバ５４を有する。ガ
ス供給システム５６から、キセノンのような推進ガスが、１もしくは複数の供給
導管５８を通してチャンバ５４に送られる。放電領域に向かってアノードの突出
部５２の反対側に沿って外側に向かって流れるために、好ましくは、一連の小さ
な開口が、前方のガス配電チャンバと後方のガス配電チャンバとの間、並びに、
前方のチャンバと一連のほぼ径方向に延びたガス供給開口６０との間のバッフル
に形成されている。

【００１４】以下により詳細に記述されるように、本発明によれば、１つ以上の透磁性の部
材、即ち、特にデザインされたバイパス構成部材６１が設けられており、この部
材は、バイパス構成部材の内方と外方との壁を接続する、アノード４２の後部、
即ちウエブと同様に、内方のアノード壁４８の内側と外方のアノード壁５０の外
側との周側に設けられている。

【００１５】一般に、カソード１２からの電子は、カソードとアノード４２との間の電位差
によって放電領域１６へと引かれる。そして、これら電子は、推進ガスの原子に
衝突して、イオンと二次電子とを発生させる。これら二次電子は、アノードに向
かって連続して流れ、また、イオンは、宇宙船を加速するために使用され得る反
力を生じさせるように、放電領域からほぼ外方に指向されたビームとなって加速
される。

【００１６】外方の極２４と内方の極２６との間の磁場は、電子の挙動を制御することを含
む数々の重要な特性を有する。電子が、アノードに向かって引かれるのに従って
、電子は、サイクロトロン運動と、クロスフィールドドリフトと、時折の衝突に
よる偏向とを主として含む複雑な運動を実行する。これら電子は、壁もしくは好
ましくない粒子に衝突する衝突振動数ν_ｃよりも非常に大きい、いわゆるジャイ
ロ振動数ω_ｂ＝ｑＢ／ｍでらせん運動を実行するように、高磁化されるとみなさ
れる。ここでｑは電子電荷、Ｂは磁場強度、そして、ｍは電子の質量である。衝
突振動数ν_ｃに対するジャイロ振動数の比は、ホールパラメータβ＝ω_ｂ／ν_ｃと呼ばれている。このらせん運動に、互いに直交した電場と磁場との組合せから
生じるドリフトが重ねられる。このドリフトは、電場の方向に対して垂直で、か
つ磁場に対して垂直である。この電場は、長手方向に延び、また磁場は、径方向
に延びているので、ドリフトは、環状の放電領域１６内でほぼ周方向に誘導され
る。このドリフトによる電流は、ホール電流と呼ばれ、

【００１７】

【式１】によって与えられる。ここで、ｎ_ｅは電子密度、

【００１８】

【式２】は電場ベクトル、そして、

【００１９】

【式３】は磁場ベクトルである。

【００２０】

【式４】に対して垂直な電流は、ｊ_⊥＝ｑｎ_ｅ｛μ_ｅ／（β^２＋１）｝〔Ｅ_⊥＋｛１／（
ｑｎ_ｅ）｝∇_⊥ｐ_ｅ〕のように示され得る。ここで、μ_ｅはスカラー電子移動度
、ｐ_ｅは電子圧力である。前記垂直な電流に対するホール電流の比もまた、ｊ_ｈ／ｊ_⊥＝βのように示され得る。この装置のための電場は、磁場に対してほぼ垂
直である。これは、磁場に対して平行な方向、対、垂直な方向で異なる電子移動
度から生じている。平行な電子の動きは、衝突と電場の力とを除いて妨害されな
い。垂直な動きは、めったに起こらない衝突によって偏向されるサイクロトロン
軌道に制限される。結果として、垂直な移動度に対する平行な移動度の比は、１
／（β^２＋１）であり、β＝１００の場合には、磁場の方向での電位の変化を効
果的に少なくする。従って、磁場の方向を規定する曲線は、等電位線の輪郭に近
くなる。かくして、電場は、ホール加速器では磁場に対して有効的には垂直とな
る。

【００２１】他の重要な特性は、ドリフト速度方向での密度と磁場との一様性である。環状
の加速器にとって、これは、方位角方向、即ち放電領域１６中でほぼ周方向であ
る。中性の密度での変動は、電子密度の変化になる。ホール電流は、変化する密
度の領域を通るのに従って、電子は、加速、並びに減速されて、磁場を横切る動
きを増す。これは、ホールパラメータの効果的な飽和となる。ドリフト方向にお
ける磁場強度の変化は、同種の効果を有する。例えば、電子密度の５％の変化は
、最大約２０に制限された効果的なホールパラメータになり得る。

【００２２】磁場強度は、ラーモア半径としても知られている、電子のジャイロ半径の長さ
ｒ_ｇ＝Ｖ_⊥／ω_ｂが、放電領域１６の径方向の幅ΔＲよりも小さくなるように調
節される。ここで、Ｖ_⊥は、磁場に対して垂直な電子の速度成分である。イオン
のジャイロ半径は、電子質量に対するイオン質量の比だけ、多数の要因によって
より大きくなる。従って、イオンの曲率半径は、装置のディメンションに比較し
て大きく、イオンは、磁場によって比較的影響を受けないでアノードから離れる
ように加速される。

【００２３】磁場は、粒子の加速に影響を及ぼす電位を形成する。凹（上流）および凸（下
流）形状は、イオンビームをそれぞれ集束および非集束するレンズのような特性
を有する。さらに詳しく言うと、イオンは、等電位線の正接に対して垂直な方向
で加速される傾向にある。この線が、上流から下流に向かって凸である場合、イ
オンは、放電領域の中心に向かって加速され、集束する効果が生じる。このよう
な集束する特性により、この磁気システムの特徴は、プラズマレンズと呼ばれて
いる。

【００２４】絶縁性リング２０，２２間の中央の磁場の大きさと、電場の強度との間で、関
連性がある。電場は、中央のチャンネルの磁力線がＢ／Ｂ_ｍａｘ＝０．６の強度
を有するアノードからある距離で始まる強度であると仮定される。これは、イオ
ン形成の位置であると考えられ得る。例えば、Ｂｅｌａｎらは、“Ｓｔａｔｉｏ
ｎａｒｙＰｌａｓｍａＥｎｇｉｎｅｓ”，ＮＡＳＡＴｅｃｈｎｉｃａｌ
ＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎＲｅｐｏｒｔＮｏ．ＴＴ−２１００２，Ｏｃｔｏｂ
ｅｒ１９９１，ｐ２１０に示している。

【００２５】本発明の一般的なアイディアは、イオン形成と放電とが、等電位線、即ち等電
位曲線に近い、一定の磁力線、即ち磁力曲線に起因し、また、この曲線を移動し
、形成することにより、イオン形成と加速位置と（そして、方向）が、操作され
得ることである。例えば、磁束バイパス構成部材６１がなければ、図１および２
に示されている一般的なデザインのスラスターは、異なるセンター磁極の形状と
位置とにより動作された。外方の極に対して下流にセンター磁極を移動すること
によって、下流に移動された出口側のリング２０，２２の腐食の位置が見つけら
れた。これは、絶縁体の腐食位置が、磁力線を移動することによって移動され得
るという仮定を確認した。磁極間の磁力線は、中心線と内方のリングへとイオン
を向ける平均角度を有することを見い出し、外方の絶縁性リングの腐食の位置と
比較して内方の絶縁性リングの腐食の位置によって証明された。中央のステム、
即ちコア３６の周りに他の電磁コイルを付加することによって、磁場は、傾きを
なくすように調節され得ることが、見い出された。これは、内方、並びに外方の
絶縁体の腐食パターンが、センターコイルが使用された場合に、軸方向に均一に
生じたことを示している、短期のテストによって確認された。全ての電磁石のた
めに同じアンペア回数の総数を維持することによって、電磁石の電流の必要性は
、同じ様に維持された。内方と外方との絶縁性リングの両方は、同じ長手方向の
位置で腐食されるが、異なる比率が異なるスラスターの外形、材料、並びに動作
パラメータのために要求され得るようなセンターコイルのアンペア回数の総数と
外部のコイル（４つの全ての外部の電磁石）のアンペア回数の総数との比率７：
３は、傾きをなくした。とにかく、発生された全磁束は、センターコイルが使用
されていようとなかろうと、ほぼ同じ磁束であった。

【００２６】重要なことに下流へ放電を移動するために、磁場の重要な操作が、要求された
ことが見い出された。初期の計算は、Ｕ形状の断面の環状の強磁性体の帯６１を
アノードの周りに付加することにより、磁束がアノード領域の周りおよび後ろで
回転され得る、並びに内外方の周側を有することを示した。“磁束バイパス”と
いう用語は、この特徴のために選択された。ピーク磁力線（Ｂ_ｍａｘ）が下流に
移動され、また、イオン形成が生じると仮定された０．６のような強度の所望の
割合での線の位置は、下流とＢ_ｍａｘ線の近くとの両方に移動されたことがまた
、見い出された。磁束バイパスは、さらに下流にＢ_ｍａｘの位置を押すことに加
えて、磁場強度の軸勾配を急にする。イオン形成および放電が、さらに下流でな
されるので、スラスターは、これが磁極を通して腐食する以前の長い期間に渡っ
て動作し得る。磁場の動作の正味結果は、２以上の要因によってスラスターの寿
命を長くしたことである。

【００２７】さらに詳しく言うと、テストは、中心線Ａから測定された４１ｍｍの中央のチ
ャンネル半径と、出口側のリング間の１２ｍｍの径方向の幅ΔＲとを有する、図
１および２に示されている一般的なデザインのＨＥＴに対してなされた。外部の
傾斜した部分を含む絶縁性リング２０，２２の、これらの表面に沿った軸長は、
１２ｍｍであり、各絶縁性リングの径方向の幅は、磁極片に隣接して配置された
位置で６ｍｍであった。４つの外部のコイルとセンターコイルとのためのアンペ
ア回数の比率は、露出された、内方の絶縁性リング２２の外方の長手方向側面に
沿って測定されたような、約６９０ガウスの最大磁場強度を達成するために十分
な電流で、上述されたように与えられた。電源と調整電子部品とが、カソード１
２とアノード４２との間に３５０ボルトの電位と１．７ｋＷの電力とを与えた。
キセノンガスが、５．４ｍｇ／ｓｅｃの流量で中空のアノードを通して供給され
た。磁場強度は、アノードの内方の壁４８と外方の壁５０とを囲んだ頑丈な円筒
状のシートの内側壁および外側壁を有し、図２に示されているように絶縁性リン
グ２０，２２の中に一部が突出した、磁気分路器６１がある場合とない場合とで
、測定された。本発明によれば、分路器の後部は、この分路器の外側壁からこの
分路器の内側壁に磁路の磁気抵抗を制御するためのリブの間に、大きな開口を有
する径方向の複数のリブによって形成された。

【００２８】図３のライン６３は、適所に磁束バイパス構成部材を有さない内方の絶縁性リ
ングの上流側のエッジから測定されるような、磁場の形状を示している。図３の
ライン６５は、アノードの背後で一緒に接続された頑丈なシート状の内壁と外壁
とを有する磁束バイパス構成部材が適用された場合の、磁場の輪郭を示している
。図３に示されているように、磁束の勾配は、磁束バイパス構成部材の使用によ
って実質的に増加され、最大磁場強度の位置は、さらに下流に移動されている。

【００２９】絶縁性リングの腐食は、テストの異なる段階で測定された。図４（放電チャン
ネル１６の中心線Ａ’から外側の、外方の絶縁性リング２０下流側の端部と、隣
接した磁極片２４との拡大部分概略図）に関して、バイパス構成部材が使用され
ない場合の、腐食の輪郭は、放電領域１６中でライン６８のイオン形成上流に対
応する、ライン６６によって示されている。上述されたタイプの磁束バイパス構
成部材を加えることによって、腐食の輪郭が、磁束バイパスケージを有さないＨ
ＥＴに対するよりもさらに下流に、図４のライン７０に移動される、上流のライ
ン７２のイオン形成に対応する。

【００３０】本発明の一態様によれば、バイパス分路器は、図５および７に示されているよ
うに、ケージを形成する分路器本体の（アノードの後ろの）内方接続部と、一方
もしくは両方の側壁に大きな開口が形成されている。このケージ６１は、出口側
端部で、開口したリング８０，８２が、それぞれセラミック性の絶縁性リングに
はめ込まれているように、アノードのハウジング周りに取り付けられている。さ
らに詳しく言うと、図９に概略的に示されているように、外方の出口側端部のリ
ング８０は、外方の絶縁体２０の内面にはめ込まれ、そして、内方の出口側端部
のリング８２は、内方の絶縁体２２の内面にはめ込まれている。側方の開口８１
は、ケージの周囲の領域の主要な部分よりも大きく囲み得る。図５および７に示
されている実施の形態において、４つの薄い透磁性材のストリップ８４は、ケー
ジの後部、即ち閉じた端部で外方の出口側端部のリングと似通ったリング８６と
を接続する。これらストリップ８４は、内方の端部のリング８２と、ケージの反
対の端部に対応するリング９０との間に延びた似通ったストリップ８８に径方向
に配置されている。これらストリップは、ケージの開いた側を通り抜けるために
、より磁束の余地があるように４つの外部の電磁石から４５°に配置され得る。
図５および６の実施の形態において、外方のリングと内方のリングとの間の磁路
はケージの閉じた端部でリング８６，９０の間に、アノードの後ろに延びた短い
径方向のスポーク９２によって揃えられている。閉じた端部での大きな開口９４
は、アノードの中に直接送るように、推力と電力線とを割り当てる。４つのスト
リップ８４と、４つのストリップ８８と、４つのリブ即ちスポーク９２とが示さ
れているが、これら多数のストリップおよびスポークは、ケージによって規定さ
れた磁路の所望の磁気抵抗を達成するために、図６および８に示されているよう
に、好ましくは一様に離間されて使用され得る。図７および８の実施の形態にお
いて、ケージの後部の磁気抵抗は、図５および６の実施の形態のリングに対応す
るよりも大きな半径のディメンションを有する後端部のリング８６，９０の間の
環状のギャップ９５の幅によって制御される。それでも、内方および外方のリン
グは、ギャップを横切って磁気結合される。

【００３１】開いたケージデザインに対する頑丈な壁のバイパスの１つの主要な利点は、ア
ンペア回数の要求とスラスターの重量とを減少させることである。磁束バイパス
を使用する一般的な閉じたドリフト加速器において、図１０に示されているよう
な、３つの主要な磁路がある。第１の磁束路９６は、磁極２４，２６の間の径方
向のギャップを横切る磁束線を示している。第２の磁路９８は、磁束バイパスケ
ージ６１の内方のコーナーに内方の極２６を接続し、バイパスケージの外方のコ
ーナーから外方の極２４に接続している。第３の磁路１００は、内方と外方との
磁気体系から磁束バイパスの中央に接続している。開いたケージデザインを有す
る重量とアンペア回数とを減少させることは、磁路９６を横切って通過する全磁
束の割合を増す磁路９８，１００の平均的な磁気抵抗を増すことによって達成さ
れる。アノードと中央のステムとを囲んだ頑丈な壁の遮蔽材と比較して、磁路１
００を通す所定の磁束が、３０ないし４０％より少なく、磁路９８を通す所定の
磁束が、１５ないし２５％より少ない。

【００３２】図１１は、頑丈な磁束バイパス構成部材（ライン９９）と、開いたケージデザ
インのある型の磁束バイパス構成部材（ライン１０１）との放電領域１６の中央
のチャンネルでの磁場強度を示している。これらデータは、次のパラメータを有
する図１および２に示されているタイプの実験室用の加速器のデザインで実行さ
れたガウスメータの測定結果を得られた。これらパラメータは、スラスターの中
心線から測定された中央のチャンネルの半径６５ｍｍと、端部のリングの間の径
方向の幅−Ｒ１８ｍｍと、表面に沿った絶縁性リングの軸長１５ｍｍと、磁極片
に隣接して配置された位置での各絶縁性リングの径方向の幅８ｍｍと、３５０ボ
ルトの電位を有する電源および調整電子部品の電力４ｋＷと、中空のアノードを
通して供給されたキセノンガスの流量１２．８ｍｇ／ｓｅｃとを有する。図１１
の横座標は、外方の絶縁性リング２０に沿った軸の距離である。ゼロは、絶縁体
に沿って最も遠くの上流の点に取られている。各例において、絶縁体の腐食は、
上流のエッジから約４．５ｍｍで始まった。開いたケージデザインのために、こ
れは、最大の約０．８５、即ち０．８５Ｂ_ｍａｘの中央のチャンネルでの磁場強
度に対応する。中央のチャンネルのＢ_ｍａｘ曲線の位置もまた、各例で磁極片の
下流にある。これら測定結果は、多数のアンペア回数を与えられたために、全磁
束の大きな割合が、磁極の間の径方向のギャップを横切って通過するので、磁場
強度が、開いたケージデザインを有する中央のチャンネルで約１５％より高いと
示している。要求された全磁束の減少は、最小質量が重要である宇宙への適用の
ために特に有利である。強磁性コンダクタと電磁コイルとの重量は、構造的な支
持の要求に反対のように磁束容量の必要性によって動作される。かくして、全磁
束の減少は、重要な重量を省くことによって生じる。

【００３３】ケージデザインの他の特徴は、放電チャンネルで磁場ベクトルの形状を制御さ
せるデザインにすることである。ケージバーの厚さと幅とを調節することによっ
て、磁場の流線が内方および外方の絶縁体をなす角度は、増加もしくは減少され
得る。例えば、図１２は、全面的に頑丈な側壁と、実質的に開いた後部のケージ
（ライン１０３）および図５（ライン１０５）に示されているように、側方に開
口を有するケージとのために、外方の絶縁性リング２０で達成される、角度の変
化を示している。スラスターの物理的なパラメータは、図１１に関して、上述さ
れたパラメータと同様であった。ｘ軸のディメンションは、外方の絶縁性リング
に沿った距離である。ゼロは、絶縁体に沿って最も遠くの上流の点に取られてい
る。この場合において、角度は、外方の絶縁性リングに沿って５０％程度減少さ
れる。磁力線が、軸の構成部材を有さない点は、ほぼ１ｍｍだけ下流に移動され
る。磁場の形状を調節することは、プラズマの力学と絶縁体の腐食と、特に、イ
オン流の集束と発散とを制御する。上述されたように、磁力線の形状は、等電位
線の形状に強く影響を及ぼし、かくして、イオン形成の位置と加速方向とに影響
を及ぼす。絶縁性リングに沿った適当な磁場ベクトルの角度が、壁から離れるよ
うにイオンを向け得、腐食を減少させ得る。かくして、このパラメータを制御す
ることは、スラスターの寿命を長くするように磁力線の形状を与える。この磁力
線の形状はまた、出口側端部のリング８０，８２の形状を修正し、絶縁性リング
の間の径方向の距離−Ｒを調節することによっても制御され得る。

【００３４】磁力線の輪郭に影響を及ぼし、かくして、磁場ベクトルの角度とイオンビーム
の発散もしくは集束に影響を及ぼす他の要因がある。電位は、境界値によって設
定され、傾斜度は、磁力線に沿う、および、横切る電子の動きによって制御され
る。電源は、アノードとカソードとの電位差を設定する。ホール加速器で、磁化
されたプラズマのために、電位差は、磁力線に沿って小さくなる。小さな電位差
は、磁力線の方向で電子の相対的な自由運動に対応する。磁力線が絶縁した面と
交差する場合に、電位の傾斜度は、電子移動度によって左右される。磁力線を横
切る電子移動度が低いので、高電位差は、アノードに向かって電子を押すように
磁力線を横切って発達する。磁力線が、下流の磁力線の磁鉄極のように、伝導面
と交差する場合に、これら磁力線での電位は、磁鉄極の電圧に近くなる。云いか
えると、この磁鉄極は、磁力線と交差する境界電圧を設定する。効果的には、こ
れら全磁力線は、共通の電位を得る。従って、磁鉄極は、絶縁されない面と直接
交差する磁力線の領域の電位差を十分に与えない。本発明に関するタイプのスラ
スターの構造のある結果は、ほとんどのイオン加速がこの領域で生じるように、
電場がＢ_ｍａｘ線の上流で最も強くなることである。下流の位置で、磁力線は、
ほとんど加速しない、もしくは加速しない領域を生じるように、磁極と交差する
。本発明によれば、この影響は、磁極の露出された面に絶縁性のコーティングを
行うことによって減らされ得る。

【００３５】絶縁された磁極片と絶縁されない磁極片との腐食の輪郭の比較は、絶縁体のコ
ーティングが磁極片に行われている場合、腐食の位置がより好ましく、即ち、よ
り下流にあることを示している。本発明による加速器のための最良の態様は、好
ましくは１ないし１０ｍｍ程度、磁極面の下流にピークを有する中央のチャンネ
ルの直径で磁場を使用することである。この極面は、様々な材料によって絶縁さ
れ得る。強磁性体の磁極に、プラズマ溶射されたニッケルコーティングを使用す
ることは、約０．５ｍｍの厚さにプラズマ溶射された酸化アルミニウムコーティ
ングの優れた密着性を効果的にする。絶縁性材料の別々のシートよりむしろコー
ティングは、宇宙船の推進への適用を高く望み得る、磁極片からの熱放射を改良
する。

【００３６】本発明の重要な態様を要約すると、改良された加速器の操作は、高いスラスト
効率と同時に長い動作寿命とを達成するようになっている。動作と強度と軸の傾
斜度と磁場の形状とを改良されるように制御されねばならない、磁場のほぼ３つ
の態様を有する。

【００３７】この長い寿命は、図１３で要約された磁場の重要な特性を移動することによっ
て得られ、これは、出口側のリングの間の放電領域の中央のチャンネルで磁力線
に沿った磁場強度を示している。磁場の計算は、ＥｎｇｉｎｅｅｒＭｅｃｈａ
ｎｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＥ
ＭＡＧのようなデザインツールを自動化された通常のコンピュータで実行される
。これは、測定された磁場にほぼ一致する有限要素解である。これら計算は、図
１１に参照される、記述された物理的および動作上のスラスターのパラメータを
使用する。

【００３８】図１３で参照符号を付けられたポイント１，２，３の順を追って、磁気システ
ムのための中央のチャンネルでの最大磁場強度Ｂ_ｍａｘは、磁束バイパスなし（
ポイント１）、頑丈な磁束バイパス（ポイント２）、ケージ磁束バイパス（ポイ
ント３）である。これらポイントは、磁束バイパスなしに代表される図１４と、
頑丈な側壁を有する磁束バイパス構成部材に代表される図１５と、側壁に開口を
有する磁束バイパス構成部材に代表される図１６とのための２次元の磁場の計算
で特定の磁束線を示している。

【００３９】磁束バイパスケージを使用すると、磁場のピークは、下流にシフトされる。磁
束バイパスケージなしの場合、Ｂ_ｍａｘは、磁極の軸の中間点近くに生じる。ポ
イント２，３において、最大磁場強度は、軸の範囲が、図１３で点線１０７の間
にある、磁極の下流に生じることを示している。

【００４０】次に、図１１に関して記述された基本型の腐食パターンに基づいて、本発明に
よる改良されたスラスターのためにイオンを生じるほぼ正確な位置である、図１
３で参照符号を付けられたポイント４，５，６を０．８５Ｂ_ｍａｘの代表的な位
置であるとみなされている。これらポイントは、図１４（バイパスなし）、図１
５（頑丈な側壁を有するバイパスケージ）、図１６（開いた側壁を有するバイパ
スケージ）でそれぞれポイント４，５，６によって示されているような特定の２
次元の磁力線に対応する。さらに、磁束バイパスケージを使用することによって
、０．８５Ｂ_ｍａｘの位置が、磁束バイパスケージがない場合に比較して下流に
シフトされる。この装置のために、０．８５Ｂ_ｍａｘを通り抜ける磁束線は、放
電の腐食性部分の開始、即ち、絶縁体の腐食の最も上流の位置に、対応するよう
に実験的に決定される。従って、この磁場強度の位置を移動することは、放電の
腐食性部分の位置を変化することを示している。中央のチャンネルと、ポイント
４，５の軸の位置とを比較して、頑丈な磁束バイパスケージ（図１５）を使用す
ることによって、放電の腐食性部分が、下流に移動され得ることを示している。
ポイント５の軸の位置は、磁束バイパスケージの軸の位置を変化させることによ
って調節され得る。下流にバイパスを移動することは、ある割合で下流にポイン
ト２，５を移動する。図１６に関して、このほぼ同じ効果は、磁束バイパスケー
ジ（開いた側壁）を保持し、さらに下流にケージを移動することは、さらに下流
にポイント３，６を移動する。しかしながら、ポイント３，６の位置は、磁束バ
イパス差の磁力線の形状と角度とのために頑丈な側壁のバイパスとは異なる。

【００４１】磁力線の形状、即ち輪郭は、プラズマレンズの集束に影響を及ぼす。この集束
は、効率に主な影響を有する。図１４（バイパスなし）で、参照符号４を付けら
れた磁力線は、ほぼ８０ｍｍの曲率半径を有する。これは、０．８５Ｂ_ｍａｘの
位置にある。図１５に代表される、頑丈な側壁の磁束バイパスが使用される場合
、曲率半径は、参照符号５を付けられた磁力線（０．８５Ｂ_ｍａｘ）でほぼ２０
ｍｍである。図１６に代表される、側壁に開口を有する磁束バイパスケージで、
磁力線６（０．８５Ｂ_ｍａｘ）の曲率半径は、ほぼ４０ｍｍである。図１６で磁
力線６は、腐食されていない絶縁体から腐食された絶縁体を分けるコーナーに効
果的に適する位置で、絶縁体の壁と交差することも示している。

【００４２】変化する開口の領域の磁束バイパスケージを使用して、磁気レンズの集束特性
は、腐食性のコーナーの重要な再配置なしで変化され得る。（アノードの後ろの
）ケージの後部で径方向のスポークの断面領域の集合体を調節することは、アノ
ード領域をバイパスする磁束量を変化させ、図１６で参照符号６を付けられた磁
力線の曲率に影響を及ぼす。

【００４３】この加速器の十分に下流でのイオン電流、対、イオン位置の分布を測定するこ
とによって、推進のための煙柱の発散の度合いが、決定され得る。図１５に示さ
れるようなプラズマレンズの特性を有する加速器のために、３５０Ｖの放電のた
めに図１６のレンズの特性のためよりも高い発散を見い出している。かくして、
図１６で、磁気レンズの長い焦点距離は、発散角度の観点から改良された煙柱の
特性を有する。

【００４４】中央のチャンネルでのピーク磁場強度はまた、アノード領域をバイパスする磁
束量によって影響を及ぼされる。図１３の曲線は、１０００アンペア回数の保磁
力の中央のチャンネルの磁場強度を代表している。主要な磁気回路中で、磁場が
、透過性材を飽和しないと仮定すると、各場合の最大磁場強度は、保磁力にほぼ
比例する。ポイント１に等しくなるようにポイント２の強度を増すと、頑丈な分
路器の輪郭のための保磁力は、磁場のポイント１／ポイント２の比、即ち４２％
の比で増加されなければならない。磁束バイパスケージは、ポイント１のような
同じピーク磁場に到達するように保磁力に２０％だけ増加を必要とする。宇宙船
のスラスターとして使用される加速器のアンペア回数の回数の減少は、磁気シス
テムの重量での有益な減少を有し得る。

【００４５】ケージデザインはまた、熱の観点から都合が良い。アノードと中央のステムと
を囲んだ以外では別々である遮蔽材の欠点の１つは、これら遮蔽材がアノードの
放射冷却を抑制することである。放射冷却は、宇宙船への熱伝導を減らし、その
磁束容量を増加する冷却器温度で動作するように中央のステムを割り当てる。ケ
ージタイプの磁束バイパスのための減少されるアンペア回数の要求は、コイルに
散在されたオーム電源を減らす。これら熱の散在における減少と、放射冷却にお
ける増加とは、スラスターのコアから離れる熱を伝導するための熱分路器の必要
性を減らす。

【００４６】現在までの実験、並びに計算に基づいて、磁束バイパスケージと、絶縁性リン
グおよび磁極面に相対的に位置することとが最適な物理特性を特定することは、
困難である。それでも、いくつかの好ましい関係は、最大磁場強度（Ｂ_ｍａｘ）
の位置決めと、磁場強度の勾配（０．８５Ｂ_ｍａｘ線の主要な位置）と、所望の
最大磁場強度に到達するための要求された全保磁力と、増加された効率のための
集束を達成するための磁力線の曲率とを有する、磁場形状の所望の態様を達成す
るために観察されている。図９に関して、１つの重要なパラメータは、内方の磁
極片２６の上流のエッジで径方向のラインと、バイパスケージの隣接したコーナ
ーに極片の内方の上流のコーナーからのラインとの間の角度θである。最も好都
合な結果は、θがほぼ４５°の場合に達成されており、また、所望の結果は、２
０°と８０°との範囲内でθを測定、並びに、計算される。この角度が大きすぎ
ると、磁極からのバイパスケージの離間は、磁束の十分なバイパスに到達せず、
θが２０°よりも小さい場合、磁場強度は、全保磁力が所望の強度に到達するよ
うに要求されるポイントに中央のチャンネルで減らされる。

【００４７】他の重要な態様は、ケージの外方の側壁にケージの内方の側壁の結合の磁気抵
抗であり、これは、内方および外方の側壁を接続する磁性材によって調節され得
る。一般に、最良の結果は、ケージの後端部の開いた領域が、全領域のほぼ９７
％である、即ち、ほんの僅かの薄い径方向のスポークが、ケージの外方の側壁に
ケージの内方の側壁を接続するために使用される場合に、測定されている。同じ
効果は、ギャップ９５が非常に狭い場合に、図６に従う実施の形態によって達成
され得る。いずれにしても、ケージの後端部の少なくとも主要な部分、かつ、好
ましくは９０％より多くの部分は、内方および外方のケージの側壁の間に開けら
れていることが、信頼される。

【００４８】他の態様は、ケージの側壁中での開いた領域の量である。現在までの最良の結
果は、側壁の開口が周囲の領域の主要な部分を囲んだ場合、開口を通り抜ける磁
束を許容し、要求された全保磁力を減らすことを達成されている。

【００４９】バイパスケージの効果を集束、非集束することに関して、最良の結果は、０．
８５Ｂ_ｍａｘ線の曲率半径が４０ｍｍである場合、図１１に関して記述された基
本型を達成されている。これは、磁極面（図９を参照）の間の距離−Ｒ_ｐの約０
．８５に対応する。過度な集束と小さい効率とは、曲率半径２０ｍｍに測定され
、また、不充分な集束（大きな発散）は、８０ｍｍの曲率半径に測定される。現
在までに役立つ情報に基づいて、好ましい範囲は、３０ｍｍ（０．９−Ｒ_ｐ）な
いし５０ｍｍ（１．５−Ｒ_ｐ）である。特定された曲率半径を有する磁力線に到
達された集束の度合いは、Ｂ_ｍａｘ線が磁極の下流の位置に押される、高い効率
に到達する。

【００５０】発明の好ましい実施の形態が、図示および記述されるうちに、様々な変化は、
本発明の精神および範囲から逸脱しないでなされ得ることが認識され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に関連した代表的なタイプの閉じた電子ドリフトを使用するイ
オン加速器のやや概略的な上部および出口側端部の斜視図である。

【図２】図２は、図１の２−２線に沿ったやや概略的な長手方向の断面図である。

【図３】図３は、本発明に関連したタイプの加速器で磁場の輪郭に磁束バイパス構成部
材の効果を示すグラフである。

【図４】図４は、本発明に関連したタイプの加速器のイオン出口側端部の、拡大部分概
略断面図である。

【図５】図５は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で使用するための、本発
明による、磁束バイパスケージの第１の実施の形態の上部および後部の斜視図で
ある。

【図６】図６は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で使用するための、本発
明による、磁束バイパスケージの第２の実施の形態の上部および後部の斜視図で
ある。

【図７】図７は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で使用するための、本発
明による、磁束バイパスケージの第３の実施の形態の上部および後部の斜視図で
ある。

【図８】図８は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で使用するための、本発
明による、磁束バイパスケージの第４の実施の形態の上部および後部の斜視図で
ある。

【図９】図９は、本発明による磁束バイパスケージを有する加速器の非常に概略的な部
分断面図である。

【図１０】図１０は、磁力線と磁路とを示す、本発明に関するタイプの加速器の概略的な
部分断面図である。

【図１１】図１１は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で、磁場強度と輪郭と
に異なるバイパス構成部材の効果を示すグラフである。

【図１２】図１２は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で、異なるバイパス構
成部材のための磁場のベクトルの角度を示すグラフである。

【図１３】図１３は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で、磁場強度と輪郭と
に異なるバイパス構成部材の効果を示すグラフである。

【図１４】図１４は、磁力線および磁路と電場線および電路とを示す、本発明に関するタ
イプの加速器の概略的で、断片的な断面図である。

【図１５】図１５は、磁力線および磁路と電場線および電路とを示す、本発明に関するタ
イプの加速器の概略的で、断片的な断面図である。

【図１６】図１６は、磁力線および磁路と電場線および電路とを示す、本発明に関するタ
イプの加速器の概略的で、断片的な断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号０９／１９１，７４９ (32)優先日平成10年11月13日(1998．11．13) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者デ・グライス、クリスティー・エイチアメリカ合衆国、ワシントン州 98004 ベルビュー、ワンハンドレッドアンドフィフティーンス・アベニュー・ノースイースト・ナンバー225、3471 (72)発明者アードランド、ランダル・エスアメリカ合衆国、ワシントン州 98034 カークランド、ワンハンドレッドアンドトウェンティセカンド・アベニュー・ノースイースト 14274 (72)発明者ティリー、デニス・エルアメリカ合衆国、ワシントン州 98052 レッドモンド、ノースイースト・101・コート 17747 (72)発明者ボイト、アーノルド・ダブリュアメリカ合衆国、ワシントン州 98006 ベルビュー、サウスイースト・フォーティーエイス・ドライブ 15211

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下流方向を規定した、出口側端部を通してガスを放電する、
この出口側端部を含む環状のガス放電領域を有する閉じた電子ドリフトを使用す
るイオン加速器であって、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側に位置し、このガス放電
領域に囲まれた内方の磁極と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側に位置し、このガス放電
領域を囲んだ外方の磁極と、前記ガス放電領域の出口側端部の付近で、前記内方の極と外方の極との間にほ
ぼ径方向に延びる磁場を生じさせるための磁場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の上流に位置したアノードと、前記出口側端部に向かう下流方向への流れのために、前記ガス放電領域にイオ
ン化可能なガスを供給するためのガス源と、ほぼ上流方向で、前記ガス放電領域の出口側端部に向かう導入のために、自由
電子を供給するための電子源と、前記出口側端部を通して下流方向にアノードから延びる電場を生じさせること
によって、推進の反力を生じさせるために電場によって下流方向に加速されるイ
オンを生じさせるように、前記ガス源からのイオン化可能なガスと前記電子源か
らの自由電子とを相互に作用させる電場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の領域中に磁場を形成するための磁束バイパス
構成部材とを具備し、この構成部材は、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側に位置し、このガス放電
領域に囲まれた透磁性材の下流の内方のリングと、前記下流の内方のリングから上流に所定の距離の位置での前記環状のガス放電
領域の内側に位置し、このガス放電領域に囲まれた透磁性材の上流の内方のリン
グと、前記下流の内方のリングと上流の内方のリングとを磁気結合させる内方の透磁
性材と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側に位置し、この放電領域
を囲んだ透磁性材の下流の外方のリングと、前記下流の外方のリングから上流に所定の距離の位置での前記環状のガス放電
領域を囲んだ透磁性材の上流の外方のリングと、前記下流の外方のリングと上流の外方のリングとを磁気結合させる外方の透磁
性材と、前記下流の内方のリングから、前記内方の透磁性材を通して上流の内方のリン
グに、また、前記上流の透磁性材を通して上流の外方のリングに、そして、前記
外方の透磁性材を通して下流の外方のリングへの連続した磁路を形成し、前記磁
性材の少なくとも１つが、前記ガス放電領域の出口側端部の付近での磁場の形状
を制御するように磁路の磁気抵抗を調節するための開口を有し、前記上流の内方
のリングと上流の外方のリングとを結合させる上流の透磁性材とを備えている、
加速器。
【請求項２】前記両内方のリングは、同じ直径で、下流から上流方向にア
ラインメントされて前記磁束バイパス構成部材の内周側を規定し、また、前記両
外方のリングは、同じ直径で、上流から下流にアラインメントされて前記バイパ
ス構成部材の外周側を規定した、請求項１に記載の加速器。
【請求項３】前記下流の内方のリングは、下流のエッジを有し、この下流
のエッジと内方の磁極とを結ぶラインによって規定された角度は、前記内方の磁
極を交差する環状のガス放電領域の半径に対して２０°と８０°との間にある、
請求項１に記載の加速器。
【請求項４】前記角度は、約４５°である、請求項３に記載の加速器。
【請求項５】前記開口は、前記上流の透磁性材に形成されており、前記両
上流のリングの間の領域の主要な部分を構成している、請求項１に記載の加速器
。
【請求項６】前記上流の透磁性材に形成された前記開口は、前記両上流の
リングの間の領域の９０％より大きい、請求項５に記載の加速器。
【請求項７】前記上流の透磁性材は、前記アノードの上流の位置で前記両
上流のリングを結合している、請求項５に記載の加速器。
【請求項８】前記上流の透磁性材は、前記両上流のリングの間に延びた狭
い径方向のリブによって形成されている、請求項５に記載の加速器。
【請求項９】前記両上流のリングは、狭い環状のギャップを横切って磁気
結合されている、請求項１に記載の加速器。
【請求項１０】前記両開口は、前記内方の透磁性材に形成されている、請
求項１に記載の加速器。
【請求項１１】前記両開口は、前記外方の透磁性材に形成されている、請
求項１に記載の加速器。
【請求項１２】前記内方の透磁性材と外方の透磁性材と上流の透磁性材と
の各々は、中に開口を有し、それぞれの場合には、これら開口は、それぞれの透
磁性材に囲まれた領域の主要な部分を構成している、請求項１に記載の加速器。
【請求項１３】前記内方の透磁性材は、前記両内方のリングを結合した透
磁性材の互いに周方向に離間した複数のストリップを有し、前記外方の透磁性材
は、前記両外方のリングを結合した透磁性材の周方向に離間した複数のストリッ
プを有する、請求項１に記載の加速器。
【請求項１４】最大強度の磁力線は、前記磁場源が内方と外方との磁極の
下流に位置したことによって生じさせられ、また、前記最大強度の磁力線の上流
で、最大磁場強度の０．８５の値を有する磁力線は、約４０ｍｍの曲率半径を有
するように磁束バイパス構成部材が構成、並びに相対的に配置されている、請求
項１に記載の加速器。
【請求項１５】前記曲率半径は、前記内方の磁極と外方の磁極との間の距
離の約０．８５である、請求項１４に記載の加速器。
【請求項１６】前記放電領域から離れた、前記両磁極の両面に形成された
絶縁材のコーティングを有する、請求項１に記載の加速器。
【請求項１７】前記コーティングは、プラズマ溶射されたニッケルの上に
プラズマ溶射された酸化アルミニウムを有する、請求項１６に記載の加速器。
【請求項１８】下流方向を規定した、出口側端部を通してガスを放電する
、この出口側端部を含む環状のガス放電領域を有する閉じた電子ドリフトを使用
するイオン加速器であって、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側に位置し、この環状のガ
ス放電領域に囲まれた内方の磁極と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側に位置し、この環状のガ
ス放電領域を囲んだ外方の磁極と、前記ガス放電領域の出口側端部の付近で、前記内方および外方の極の間にほぼ
径方向に延びる磁場を生じさせるための磁場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の上流に位置したアノードと、前記出口側端部に向かう下流方向への流れのために、前記ガス放電領域にイオ
ン化可能なガスを供給するためのガス源と、ほぼ上流方向で、前記ガス放電領域の出口側端部に向かう導入のために、自由
電子を供給するための電子源と、前記出口側端部を通して下流方向にアノードから延びる電場を生じさせること
によって、推進の反力を生じさせるために電場によって下流方向に加速されるイ
オンを生じさせるように、前記ガス源からのイオン化可能なガスと前記電子源か
らの自由電子とを相互に作用させる電場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の領域中に磁場を形成するための磁束バイパス
構成部材とを具備し、この構成部材は、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側に位置し、このガス放電
領域に囲まれた透磁性材の下流の内方のリングと、前記下流の内方のリングから上流に所定の距離の位置での前記環状のガス放電
領域の内側に位置し、このガス放電領域に囲まれた透磁性材の上流の内方のリン
グと、前記両内方のリングを磁気結合させる内方の透磁性材と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側に位置し、この放電領域
を囲んだ透磁性材の下流の外方のリングと、前記下流の外方のリングから上流に所定の距離の位置での前記環状のガス放電
領域を囲んだ透磁性材の上流の外方のリングと、前記両外方のリングを磁気結合させる外方の透磁性材と、前記下流の内方のリングから、前記内方の透磁性材を通して上流の内方のリン
グに、また、前記上流の透磁性材を通して上流の外方のリングに、そして、前記
外方の透磁性材を通して下流の外方のリングへの連続した磁路を形成し、最大磁
場強度の磁力線は、前記内方の磁極と外方の磁極との下流に位置し、最大磁場強
度の磁力線から上流方向で、最大磁場強度の０．８５の値を有する磁力線の曲率
半径は、前記内方の磁極と外方の磁極との間の距離の０．９と１．５との係数の
間の曲率半径を有するように前記磁束バイパス構成部材が構成、並びに配置され
、前記両上流のリングを結合させる上流の透磁性材とを備えている、加速器。
【請求項１９】前記曲率半径は、前記内方の磁極と外方の磁極との間の距
離の約０．８５である、請求項１６に記載の加速器。
【請求項２０】前記曲率半径は、３０ｍｍと５０ｍｍとの間にある、請求
項１６に記載の加速器。
【請求項２１】前記曲率半径は、約４０ｍｍである、請求項１６に記載の
加速器。
【請求項２２】前記放電領域から離れた、前記両磁極の両面に形成された
絶縁材のコーティングを有する、請求項１８に記載の加速器。
【請求項２３】前記コーティングは、プラズマ溶射されたニッケルの上に
プラズマ溶射された酸化アルミニウムを有する、請求項２２に記載の加速器。
【請求項２４】下流方向を規定した、出口側端部を通してガスを放電する
、この出口側端部を含む環状のガス放電領域を有する閉じた電子ドリフトを使用
するイオン加速器であって、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側に位置し、この環状のガ
ス放電領域に囲まれた内方の磁極と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側に位置し、この環状のガ
ス放電領域を囲んだ外方の磁極と、前記ガス放電領域の出口側端部の付近で、前記内方および外方の極の間にほぼ
径方向に延びる磁場を生じさせるための磁場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の上流に位置したアノードと、前記出口側端部に向かう下流方向への流れのために、前記ガス放電領域にイオ
ン化可能なガスを供給するためのガス源と、ほぼ上流方向で、前記ガス放電領域の出口側端部に向かう導入のために、自由
電子を供給するための電子源と、前記出口側端部を通して下流方向にアノードから延びる電場を生じさせること
によって、推進の反力を生じさせるために電場によって下流方向に加速されるイ
オンを生じさせるように、前記ガス源からのイオン化可能なガスと前記電子源か
らの自由電子とを相互に作用させる電場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の領域中に磁場を形成するための磁束バイパス
構成部材とを具備し、この構成部材は、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側に位置し、このガス放電
領域に囲まれた透磁性材の下流の内方のリングと、前記下流の内方のリングから上流に所定の距離の位置での前記環状のガス放電
領域の内側に位置し、このガス放電領域に囲まれた透磁性材の上流の内方のリン
グと、前記両内方のリングを磁気結合させる内方の透磁性材と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側に位置し、この放電領域
を囲んだ透磁性材の下流の外方のリングと、前記下流の外方のリングから上流に所定の距離の位置での前記環状のガス放電
領域を囲んだ透磁性材の上流の外方のリングと、前記両外方のリングを磁気結合させる外方の透磁性材と、前記下流の内方のリングから、前記内方の透磁性材を通して上流の内方のリン
グに、また、前記上流の透磁性材を通して上流の外方のリングに、そして、前記
外方の透磁性材を通して外方のリングへの連続した磁路を形成し、最大磁場強度
の磁力線は、前記内方の磁極と外方の磁極との下流に位置し、前記放電領域から
離れた両磁極の両面は、絶縁材のコーティングを有するように、前記磁束バイパ
ス構成部材が構成、並びに配置され、前記両上流のリングを結合させる上流の透
磁性材とを備えている、加速器。
【請求項２５】前記放電領域から離れた、前記両磁極の両面に形成された
絶縁材のコーティングを有する、請求項２４に記載の加速器。
【請求項２６】前記コーティングは、プラズマ溶射されたニッケルの上に
プラズマ溶射された酸化アルミニウムを有する、請求項２５に記載の加速器。
【請求項２７】閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器のための磁束
形成部材であって、この加速器は、下流方向を規定した、出口側端部を通してガスを放電する、この出口側端部を
有する環状のガス放電領域と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側の位置し、この環状のガ
ス放電領域に囲まれた内方の磁極と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側の位置し、この環状のガ
ス放電領域を囲んだ外方の磁極と、前記ガス放電領域の出口側端部の付近で、前記内方および外方の極の間にほぼ
径方向に延びる磁場を生じさせるための磁場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の上流に位置したアノードと、前記出口側端部に向かう下流方向への流れのために、前記ガス放電領域にイオ
ン化可能なガスを供給するためのガス源と、ほぼ上流方向で、前記ガス放電領域の出口側端部に向かう導入のために、自由
電子を供給するための電子源と、前記出口側端部を通して下流方向にアノードから延びる電場を生じさせること
によって、推進の反力を生じさせるために電場によって下流方向に加速されるイ
オンを生じさせるように、前記ガス源からのイオン化可能なガスと前記電子源か
らの自由電子とを相互に作用させる電場源とを具備し、前記磁束形成部材は、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側に位置し、この環状のガ
ス放電領域のよって囲まれた透磁性材の下流の内方のリングと、前記下流の内方のリングから上流に所定の距離の位置で、前記環状のガス放電
領域の内側に位置し、この環状のガス放電領域に囲まれた透磁性材の上流の内方
のリングと、前記下流の内方のリングと上流の内方のリングとを磁気結合させる内方の透磁
性材と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側に位置し、この環状の放
電領域を囲んだ透磁性材の下流の外方のリングと、前記下流の外方のリングから上流に所定の距離の位置で、前記環状のガス放電
領域の外側に位置し、この環状のガス放電領域を囲んだ透磁性材の上流の外方の
リングと、前記下流の外方のリングと上流の外方のリングとを磁気結合させる外方の透磁
性材と、前記下流の内方のリングから、前記内方の透磁性材を通して上流の内方のリン
グに、また、前記上流の透磁性材を通して上流の外方のリングに、そして、前記
外方の透磁性材を通して下流の外方のリングへの連続した磁路を形成し、前記磁
性材の少なくとも１つが、前記加速器のガス放電領域の出口側端部の付近での磁
場の形状を制御するように磁路の磁気抵抗を調節するための開口を有し、前記上
流の内方のリングと上流の外方のリングとを結合させる上流の透磁性材とを備え
ている磁束形成部材。
【請求項２８】閉じた電子ドリフトを使用する加速器でほぼ径方向に磁場
を形成する方法において、この加速器は、下流方向を規定した、出口側端部を通してガスを放電する、この出口側端部を
有する環状のガス放電領域と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の内側に位置し、この環状のガ
ス放電領域に囲まれた内方の磁極と、前記出口側端部に隣接した環状のガス放電領域の外側に位置し、この環状のガ
ス放電領域を囲んだ外方の磁極と、前記ガス放電領域の出口側端部の付近で、前記内方の極と外方の極との間にほ
ぼ径方向に延びる磁場を生じさせるための磁場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の上流に位置したアノードと、前記出口側端部に向かう下流方向への流れのために、前記ガス放電領域にイオ
ン化可能なガスを供給するためのガス源と、ほぼ上流方向に前記ガス放電領域の出口側端部に向かう導入のために、自由電
子を供給する電子源と、前記出口側端部を通して下流方向にアノードから延びる電場を生じさせること
によって、推進の反力を生じさせるために電場によって下流方向に加速されるイ
オンを生じさせるように、前記ガス源からのイオン化可能なガスと前記電子源か
らの自由電子とを相互に作用させる電場源とを具備し、この方法は、最大磁場強度が、前記内方の磁極と外方の磁極との下流に位置し、最大磁場強
度の磁力線から上流方向で、最大磁場強度の０．８５の値を有する磁力線の曲率
が、この内方の磁極と外方の磁極との間の距離の０．９と１．５との係数の間の
曲率半径を有するように磁路の磁気抵抗が選択され、この内方の磁極に隣接した
位置から、前記アノードの上流の位置に対して上流に、このアノードの外方の位
置に対して外方に向かって、前記外方の磁極に隣接した位置に対して下流に、前
記磁路に沿って前記磁場源によって設けられた磁束をそらす工程を具備する方法
。
【請求項２９】閉じた電子ドリフトを使用する加速器でほぼ径方向に磁場
を形成する方法であって、この加速器は、下流方向を規定した、出口側端部を通してガスを放電する、この出口側端部を
有する環状のガス放電領域と、前記出口側端部に隣接した前記環状のガス放電領域の内側に位置し、この環状
のガス放電領域に囲まれた内方の磁極と、前記出口側端部に隣接した前記環状のガス放電領域の外側に位置し、この環状
のガス放電領域を囲んだ外方の磁極と、前記ガス放電領域の出口側端部の付近で、前記内方の極と外方の極との間にほ
ぼ径方向に延びる磁場を生じさせるための磁場源と、前記ガス放電領域の出口側端部の上流に位置したアノードと、前記出口側端部に向かう下流方向への流れのために、前記ガス放電領域にイオ
ン化可能なガスを供給するためのガス源と、ほぼ上流方向に前記ガス放電領域の出口側端部に向かう導入のために、自由電
子を供給する電子源と、前記出口側端部を通して下流方向にアノードから延びる電場を生じさせること
によって、推進の反力を生じさせるために電場によって下流方向に加速されるイ
オンを生じさせるように、前記ガス源からのイオン化可能なガスと前記電子源か
らの自由電子とを相互に作用させる電場源とを具備し、この方法は、最大磁場強度が、前記内方の磁極と外方の磁極との下流に位置し、最大磁場強
度の磁力線から上流方向で、最大磁場強度の０．８５の値を有する磁力線の曲率
が、３０ｍｍと５０ｍｍとの間の曲率半径を有するように磁路の磁気抵抗が選択
され、この内方の磁極に隣接した位置から、前記アノードの上流の位置に対して
上流に、このアノードの外方の位置に対して外方に向かって、外方の磁極に隣接
した位置に対して下流に、磁路に沿って前記磁場源によって設けられた磁束をそ
らす工程を具備する方法。