JP2003301768A - 高周波電子源特にニュートラライザー - Google Patents
高周波電子源特にニュートラライザーInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J3/02—Electron guns
- H01J3/025—Electron guns using a discharge in a gas or a vapour as electron source
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
- Discharge Lamp (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 電子放出源を含まず、そのため、加熱段階を
必要とせず、酸素及び水分に対する保護が必要となるい
かなる複雑で高価な構造コンポーネントを要しない高周
波電子源を提供することである。 【解決手段】 イオン化される気体用の少なくとも一の
気体入口（１４）と電子用の少なくとも一の引き出し開
口（１６）とを有する放電チャンバ（１１）を備えた高
周波電子源（１０）、特にイオン源ニュートラライザー
の形式のもの、特にイオンスラスタ用のものにおいて、
放電チャンバ（１１）は少なくとも一の電極（１２ａ）
と一のキーパー電極（１２ｂ）とによって少なくとも部
分的に囲繞され；電極間に高周波電界が付与されること
を特徴とする。
必要とせず、酸素及び水分に対する保護が必要となるい
かなる複雑で高価な構造コンポーネントを要しない高周
波電子源を提供することである。 【解決手段】 イオン化される気体用の少なくとも一の
気体入口（１４）と電子用の少なくとも一の引き出し開
口（１６）とを有する放電チャンバ（１１）を備えた高
周波電子源（１０）、特にイオン源ニュートラライザー
の形式のもの、特にイオンスラスタ用のものにおいて、
放電チャンバ（１１）は少なくとも一の電極（１２ａ）
と一のキーパー電極（１２ｂ）とによって少なくとも部
分的に囲繞され；電極間に高周波電界が付与されること
を特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波電子源、特
にイオン源ニュートラライザー、特に、イオン化される
ガス用の少なくとも一のガス入口と電子用の少なくとも
一の取り出し口とを有する放電チャンバを含むイオンス
ラスタ用のものに関するものである。
にイオン源ニュートラライザー、特に、イオン化される
ガス用の少なくとも一のガス入口と電子用の少なくとも
一の取り出し口とを有する放電チャンバを含むイオンス
ラスタ用のものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】加速された荷電粒子が必要となるあらゆ
る用途−例えば、表面処理の場合−において、イオンビ
ームを加速後に中性にしなければならない。航空宇宙技
術者（宇宙飛行士）は、衛星あるいは宇宙探査機が搬送
ロケットから分離後に、それを推進するための電気推進
ユニットを使用することが多くなっている。電子推進ユ
ニットは、特に静止通信衛星のステーション維持のため
に今日すでに使用されている。イオン推進ユニット及び
ＳＰＴプラズマユニットは主にこのために使用されてい
る。いずれのタイプも加速されたイオンを放射すること
によって推進力を得ている。しかしながら、衛星の帯電
を回避するためにイオンビームを中性にする必要があ
る。
る用途−例えば、表面処理の場合−において、イオンビ
ームを加速後に中性にしなければならない。航空宇宙技
術者（宇宙飛行士）は、衛星あるいは宇宙探査機が搬送
ロケットから分離後に、それを推進するための電気推進
ユニットを使用することが多くなっている。電子推進ユ
ニットは、特に静止通信衛星のステーション維持のため
に今日すでに使用されている。イオン推進ユニット及び
ＳＰＴプラズマユニットは主にこのために使用されてい
る。いずれのタイプも加速されたイオンを放射すること
によって推進力を得ている。しかしながら、衛星の帯電
を回避するためにイオンビームを中性にする必要があ
る。
【０００３】このために必要となる電子は電子源から供
給され、プラズマカップリングによってイオンビームと
結合する。
給され、プラズマカップリングによってイオンビームと
結合する。
【０００４】これまで、航空宇宙技術者はこれらの電気
推進ユニット（イオン推進ユニット及びＳＰＴプラズマ
ユニット）を中性にするために電子放出源を有するホロ
ー陰極プラズマブリッジニュートラライザーを使用して
きた。ニュートラライザーは、中央孔を有する陰極ディ
スクと同様に中央孔を有する陽極ディスクとによって流
れ方向において終端された陰極管を含む。バリウムを含
むアルカリ土類金属が透過できる多孔性材料から成る電
子放出源は陰極管内に配置される。陰極管と電子放出源
とを加熱するコイル状電気加熱要素が陰極管の外側に装
備されている。電子放出源に含まれるバリウムが電子を
放出する。陽極ディスクと陰極ディスクとの間の印加電
圧がこれらの電子を加速する。キセノンのような中性ガ
スが陰極管を通過するとき、電子は中性ガス原子と衝突
してそれらをイオン化し、陽極ディスクにおける孔を通
って放電するプラズマを形成する。
推進ユニット（イオン推進ユニット及びＳＰＴプラズマ
ユニット）を中性にするために電子放出源を有するホロ
ー陰極プラズマブリッジニュートラライザーを使用して
きた。ニュートラライザーは、中央孔を有する陰極ディ
スクと同様に中央孔を有する陽極ディスクとによって流
れ方向において終端された陰極管を含む。バリウムを含
むアルカリ土類金属が透過できる多孔性材料から成る電
子放出源は陰極管内に配置される。陰極管と電子放出源
とを加熱するコイル状電気加熱要素が陰極管の外側に装
備されている。電子放出源に含まれるバリウムが電子を
放出する。陽極ディスクと陰極ディスクとの間の印加電
圧がこれらの電子を加速する。キセノンのような中性ガ
スが陰極管を通過するとき、電子は中性ガス原子と衝突
してそれらをイオン化し、陽極ディスクにおける孔を通
って放電するプラズマを形成する。
【０００５】この装置の欠点は、電子源に含まれるエミ
ッター（放出）材料が水を含み、高温で酸素と反応する
ことである。そのため、これが、衛星に設置中及び宇宙
へ発車前の作業中に、搬入前の格納能力を大きく制限す
る。このような複雑で寿命の短い電子源の他の欠点は、
エミッターが駆動前に数分間予備加熱が必要であること
である。
ッター（放出）材料が水を含み、高温で酸素と反応する
ことである。そのため、これが、衛星に設置中及び宇宙
へ発車前の作業中に、搬入前の格納能力を大きく制限す
る。このような複雑で寿命の短い電子源の他の欠点は、
エミッターが駆動前に数分間予備加熱が必要であること
である。
【０００６】誘電材料から成り高周波コイルで囲繞され
た壁を有するプラズマチャンバを含むイオン源ニュート
ラライザーも米国特許第５，１９８，１７８号明細書に
よって公知となっている。
た壁を有するプラズマチャンバを含むイオン源ニュート
ラライザーも米国特許第５，１９８，１７８号明細書に
よって公知となっている。
【０００７】このタイプの高周波電子源は、誘導によっ
て生成され、交番磁界によって維持されるプラズマを介
して電子を生成する。この磁場は、高周波電流が流れる
高周波コイルによって生成する。プラズマ中の電子は誘
導によって加速されて、プラズマ中の中性原子との衝突
によってイオン化が生じることができるほどの速度とな
る。イオン化の際に、一又は二以上の電子が中性原子か
ら離れ、作動ガス噴射において連続した電子流を生成す
る。
て生成され、交番磁界によって維持されるプラズマを介
して電子を生成する。この磁場は、高周波電流が流れる
高周波コイルによって生成する。プラズマ中の電子は誘
導によって加速されて、プラズマ中の中性原子との衝突
によってイオン化が生じることができるほどの速度とな
る。イオン化の際に、一又は二以上の電子が中性原子か
ら離れ、作動ガス噴射において連続した電子流を生成す
る。
【０００８】このタイプの電子源の欠点は、プラズマチ
ャンバのプラズマを維持するために要するエネルギーの
大部分が、プラズマからの高エネルギー電子がチャンバ
の壁に衝突することによって失われ、再び原子に戻って
しまうことである。この過程によって、これらの電子を
失うだけでなく、交番磁界を介して電子が得たエネルギ
ーの大部分も散逸する。また、プラズマチャンバ壁にお
ける高周波コイルはリング電流（渦電流）を誘導し、プ
ラズマに放電できないエネルギーの損失を生じる。
ャンバのプラズマを維持するために要するエネルギーの
大部分が、プラズマからの高エネルギー電子がチャンバ
の壁に衝突することによって失われ、再び原子に戻って
しまうことである。この過程によって、これらの電子を
失うだけでなく、交番磁界を介して電子が得たエネルギ
ーの大部分も散逸する。また、プラズマチャンバ壁にお
ける高周波コイルはリング電流（渦電流）を誘導し、プ
ラズマに放電できないエネルギーの損失を生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、電子
放出源（エミッタ）を含まず、そのため、加熱段階を必
要とせず、酸素及び水分に対する保護が必要となるいか
なる複雑で高価な構造コンポーネントを要しない高周波
電子源を提供することである。また、よりエネルギー効
率のよい電子源を提供することも意図している。
放出源（エミッタ）を含まず、そのため、加熱段階を必
要とせず、酸素及び水分に対する保護が必要となるいか
なる複雑で高価な構造コンポーネントを要しない高周波
電子源を提供することである。また、よりエネルギー効
率のよい電子源を提供することも意図している。
【００１０】この目的は、放電チャンバを少なくとも一
の電極と一のキーパー（保持）電極とによって少なくと
も部分的に囲繞することによって、かつ、電極間に高周
波電界を付与することによって実現される。
の電極と一のキーパー（保持）電極とによって少なくと
も部分的に囲繞することによって、かつ、電極間に高周
波電界を付与することによって実現される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明では、高周波電子
源は冷アーク放電工程を利用する。この工程では、電子
を供給するプラズマは、電極間の高周波電界によって放
電チャンバに生成された容量性高周波放電によって生成
する。本発明の目的では、電極用として、放電チャンバ
を囲繞し、キャビティを形成することは必要とされな
い。それらは、放電チャンバにおいてプラズマを点火し
維持するために適切であるに過ぎない。
源は冷アーク放電工程を利用する。この工程では、電子
を供給するプラズマは、電極間の高周波電界によって放
電チャンバに生成された容量性高周波放電によって生成
する。本発明の目的では、電極用として、放電チャンバ
を囲繞し、キャビティを形成することは必要とされな
い。それらは、放電チャンバにおいてプラズマを点火し
維持するために適切であるに過ぎない。
【００１２】高周波電子源の放電は、例えば、電子源を
通過する質量流量（マスフロー）を迅速に増大すること
によって生じさせてもよい急峻な圧力の変化によって点
火できる。これによって、パッシェン曲線における点火
電圧が最小となり、気体が流れ始める。次いで、加速さ
れた電子は中性粒子からのさらなる電子に衝突し、それ
らをイオン化する。このイオン化状態が必要な電子を供
給するプラズマを生成する。
通過する質量流量（マスフロー）を迅速に増大すること
によって生じさせてもよい急峻な圧力の変化によって点
火できる。これによって、パッシェン曲線における点火
電圧が最小となり、気体が流れ始める。次いで、加速さ
れた電子は中性粒子からのさらなる電子に衝突し、それ
らをイオン化する。このイオン化状態が必要な電子を供
給するプラズマを生成する。
【００１３】高周波電子源の利点は単純な構造を有する
ことである。すなわち、加熱装置、エレクトロニクスあ
るいは電子放出源を必要としないことである。それによ
って、収納制限及び組立て及び作動中の環境条件の制限
が除去される。例えば、高周波電子源の耐用年数を減じ
ることなしに、製造後、通常の環境条件の下で有用性試
験を実施することが可能である。キセノンのような不活
性ガス、又は、酸素及び残留水分を除去するために特別
に精製する（純度を高める）必要のない他の適切な気体
を用いることも可能です。予備加熱段階及び活性化（ア
クティブ）段階の排除によって、イオンスラスタを中性
化するときに直ちにスラストが提供できるように、電子
を迅速に使用可能となる。
ことである。すなわち、加熱装置、エレクトロニクスあ
るいは電子放出源を必要としないことである。それによ
って、収納制限及び組立て及び作動中の環境条件の制限
が除去される。例えば、高周波電子源の耐用年数を減じ
ることなしに、製造後、通常の環境条件の下で有用性試
験を実施することが可能である。キセノンのような不活
性ガス、又は、酸素及び残留水分を除去するために特別
に精製する（純度を高める）必要のない他の適切な気体
を用いることも可能です。予備加熱段階及び活性化（ア
クティブ）段階の排除によって、イオンスラスタを中性
化するときに直ちにスラストが提供できるように、電子
を迅速に使用可能となる。
【００１４】高周波電子源の比較的低い周波数作動が可
能なために、エレクトロニクスにおいて高電気効率レベ
ルを得ることが可能となる。また、本発明による高周波
電子源は非常にエネルギー効率が高い。
能なために、エレクトロニクスにおいて高電気効率レベ
ルを得ることが可能となる。また、本発明による高周波
電子源は非常にエネルギー効率が高い。
【００１５】放電チャンバはプラズマチャンバで囲繞さ
れているのが好ましい。これによって生じ得る気体損失
が激減する。特に、電極はプラズマチャンバを形成する
ように設計されている。
れているのが好ましい。これによって生じ得る気体損失
が激減する。特に、電極はプラズマチャンバを形成する
ように設計されている。
【００１６】電極がプラズマチャンバを形成するなら
ば、それはホロー陰極（中空電極）として構成されてい
るのが好ましい。プラズマを囲繞する最適なジオメトリ
を形成することに加えて、このタイプのジオメトリは、
高周波電界をプラズマに容量的な組み込みを支持する。
ば、それはホロー陰極（中空電極）として構成されてい
るのが好ましい。プラズマを囲繞する最適なジオメトリ
を形成することに加えて、このタイプのジオメトリは、
高周波電界をプラズマに容量的な組み込みを支持する。
【００１７】高周波電界は、電子引出し方向に対してい
かなる角度を有してもよい；しかしながら、高周波電界
は引き出し方向に平行であるのが好ましい。他の好適な
実施形態では、電界は引き出し方向に対して直交してい
てもよい。
かなる角度を有してもよい；しかしながら、高周波電界
は引き出し方向に平行であるのが好ましい。他の好適な
実施形態では、電界は引き出し方向に対して直交してい
てもよい。
【００１８】共振効果を利用する必要がないので、広範
囲の放電周波数を選択可能であり、それによって、それ
らを要求に効果的に合わせることが可能となる。しかし
ながら、高周波電界の周波数は100kHzから50MHzの間で
あることが好ましい。
囲の放電周波数を選択可能であり、それによって、それ
らを要求に効果的に合わせることが可能となる。しかし
ながら、高周波電界の周波数は100kHzから50MHzの間で
あることが好ましい。
【００１９】高周波電界を生成するために、高周波発生
器（ＨＦ発生器）は電極とキーパー電極との間に挿入さ
れるのが好都合であり−無線周波数発生器（ＲＦ発生
器）はこのために特に好都合である−電極の結合はマッ
チングネットワークを介して確立される。特に、マッチ
ングネットワークはトロイダル鉄心変圧器である。この
タイプの設計によって、高周波電界の電界強度を放電条
件に対して最適に調節することが可能となる。
器（ＨＦ発生器）は電極とキーパー電極との間に挿入さ
れるのが好都合であり−無線周波数発生器（ＲＦ発生
器）はこのために特に好都合である−電極の結合はマッ
チングネットワークを介して確立される。特に、マッチ
ングネットワークはトロイダル鉄心変圧器である。この
タイプの設計によって、高周波電界の電界強度を放電条
件に対して最適に調節することが可能となる。
【００２０】プラズマチャンバを電極とする構成のシス
テムを用いる際に、キーパー電極をＨＦ発生器の出力に
結合すること、及び、電極をフレーム電位に設定するこ
とが好都合であることが好都合であることがわかった。
テムを用いる際に、キーパー電極をＨＦ発生器の出力に
結合すること、及び、電極をフレーム電位に設定するこ
とが好都合であることが好都合であることがわかった。
【００２１】環境からの静電遮蔽のため、電極とキーパ
ー電極とを遮蔽（シールド）電極で囲繞することは好都
合である。
ー電極とを遮蔽（シールド）電極で囲繞することは好都
合である。
【００２２】他の好適な実施形態では、電極をＨＦ発生
器のアクティブ出力に接続し、キーパー電極をフレーム
電位に設定する。この場合、遮蔽電極を備える必要はな
い。
器のアクティブ出力に接続し、キーパー電極をフレーム
電位に設定する。この場合、遮蔽電極を備える必要はな
い。
【００２３】高周波電子源の効率を増大するために、高
周波電界の印加に加えて、直流電圧を電極間に印加して
もよい。これによって、プラズマ電子が電子源にか出る
ことが容易になる。
周波電界の印加に加えて、直流電圧を電極間に印加して
もよい。これによって、プラズマ電子が電子源にか出る
ことが容易になる。
【００２４】しかしながら、他の実施形態では、直流電
圧は補助電極間に印加してもよい。このため、補助電極
を放電チャンバのまわりに集めてもよい。
圧は補助電極間に印加してもよい。このため、補助電極
を放電チャンバのまわりに集めてもよい。
【００２５】電極は、このタイプの電子源及び設置領域
の条件に合うような適当な材料で成ってもよい。しかし
ながら、電極は、チタン、モリブデン、タングステン、
鋼鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、あるいはタンタル
のような金属材料から成るのが好ましい。可能な非金属
材料には、特に、グラファイト、炭素化合物、導電性セ
ラミックスが含まれる。
の条件に合うような適当な材料で成ってもよい。しかし
ながら、電極は、チタン、モリブデン、タングステン、
鋼鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、あるいはタンタル
のような金属材料から成るのが好ましい。可能な非金属
材料には、特に、グラファイト、炭素化合物、導電性セ
ラミックスが含まれる。
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明を、２つの図面に示した２
つの実施形態をもとに以下で詳細に説明する。それによ
って、さらなる詳細、特徴及び利点が明らかとなる。
つの実施形態をもとに以下で詳細に説明する。それによ
って、さらなる詳細、特徴及び利点が明らかとなる。
【００２７】図１に、ホロー電極として構成されたプラ
ズマチャンバを形成し、放電チャンバ１１を囲繞する電
極１２ａを含む高周波電子源を示す。放電チャンバは円
形断面を有し、一の側にイオン化される作動気体例え
ば、キセノンのための気体入口１４を有する。電子を含
むプラズマを放電するための引き出し開口１６は、プラ
ズマチャンバの反対端に同軸に備える。プラズマチャン
バとして構成された電極１２ａは、キーパー電極１２ｂ
によって部分的に囲繞されている。キーパー電極はさら
に遮蔽電極１３によって囲繞されている。キーパー電極
１２ｂと遮蔽電極１３とは、プラズマチャンバにおい
て、引き出し開口１６に対して同軸に配置された開口を
有し、プラズマ及び電子を放電するのが可能となる。気
体入口１４は遮蔽電極１３を通過し、遮蔽電極がプラズ
マチャンバ１２ａを完全に囲繞することが可能となって
いる。電気的絶縁のために、気体入口１４は絶縁体１５
によって電極１２ａ、１３から電気的に絶縁されてい
る。
ズマチャンバを形成し、放電チャンバ１１を囲繞する電
極１２ａを含む高周波電子源を示す。放電チャンバは円
形断面を有し、一の側にイオン化される作動気体例え
ば、キセノンのための気体入口１４を有する。電子を含
むプラズマを放電するための引き出し開口１６は、プラ
ズマチャンバの反対端に同軸に備える。プラズマチャン
バとして構成された電極１２ａは、キーパー電極１２ｂ
によって部分的に囲繞されている。キーパー電極はさら
に遮蔽電極１３によって囲繞されている。キーパー電極
１２ｂと遮蔽電極１３とは、プラズマチャンバにおい
て、引き出し開口１６に対して同軸に配置された開口を
有し、プラズマ及び電子を放電するのが可能となる。気
体入口１４は遮蔽電極１３を通過し、遮蔽電極がプラズ
マチャンバ１２ａを完全に囲繞することが可能となって
いる。電気的絶縁のために、気体入口１４は絶縁体１５
によって電極１２ａ、１３から電気的に絶縁されてい
る。
【００２８】導電性領域、特にプラズマチャンバとして
構成された電極１２ａは、電子の静電的閉じ込めを保証
するという主要な機能を遂行することに加えて、所定の
条件に合致しなければならない。それらはプラズマに抵
抗して、過大な質の劣化なしに必要な作動時間を残さな
ければならないだけでなく、高周波電界が付与されるこ
と、及び、プラズマが維持されることを防止しなければ
ならない。作動中、イオンは電極１２ａに衝突し、浸食
を生じる。高周波電子源の温度は300℃と400℃との間の
範囲でもよい。
構成された電極１２ａは、電子の静電的閉じ込めを保証
するという主要な機能を遂行することに加えて、所定の
条件に合致しなければならない。それらはプラズマに抵
抗して、過大な質の劣化なしに必要な作動時間を残さな
ければならないだけでなく、高周波電界が付与されるこ
と、及び、プラズマが維持されることを防止しなければ
ならない。作動中、イオンは電極１２ａに衝突し、浸食
を生じる。高周波電子源の温度は300℃と400℃との間の
範囲でもよい。
【００２９】航空宇宙技術への応用の場合、高周波電子
源に比較的厳しい要求が課される。従って、高周波電子
源を航空宇宙技術でのイオン推進ユニット用のニュート
ラライザーとして使用するために、現在8,000時間から1
5,000時間の作動時間が保証されなければならない。ま
た、高周波電子源は高真空中で作動する。このため、材
料はその中からガスが出てくるのを避けるために低蒸気
圧を有しなければならない。また、高周波電子源は、こ
のタイプの高周波電子源を有する装備を宇宙へ輸送する
ときに、発射負荷に耐えなければならない。この点で
は、導電性領域特に電極１２ａがチタン、モリブデン、
タングステン、鋼鉄、アルミニウム、タンタル、グラフ
ァイト、導電性セラミックあるいは炭素化合物材料から
成る等のそれらの要件に特に合致する多くの金属及び非
金属材料がある。
源に比較的厳しい要求が課される。従って、高周波電子
源を航空宇宙技術でのイオン推進ユニット用のニュート
ラライザーとして使用するために、現在8,000時間から1
5,000時間の作動時間が保証されなければならない。ま
た、高周波電子源は高真空中で作動する。このため、材
料はその中からガスが出てくるのを避けるために低蒸気
圧を有しなければならない。また、高周波電子源は、こ
のタイプの高周波電子源を有する装備を宇宙へ輸送する
ときに、発射負荷に耐えなければならない。この点で
は、導電性領域特に電極１２ａがチタン、モリブデン、
タングステン、鋼鉄、アルミニウム、タンタル、グラフ
ァイト、導電性セラミックあるいは炭素化合物材料から
成る等のそれらの要件に特に合致する多くの金属及び非
金属材料がある。
【００３０】プラズマを生成するために例えば、１ＭＨ
ｚの周波数の高周波電界を生成するために、電極１２ａ
及びキーパー電極１２ｂは、トロイダル鉄心変圧器２１
によってフィードライン２１ａ，２１ｂを介して電極１
２ａ，１２ｂに接続された無線周波発生器２２によって
アクティブにする。フィードライン２１ａ及びプラズマ
チャンバ１２ａはフレーム電位に設定し、フィードライ
ン２１ｂつまりプラズマチャンバ１２ｂは、無線周波数
回路のアクティブ出力に接続する。共振効果を利用しな
いので、広範囲の放電周波数が選択可能であり、１ＭＨ
ｚに加えて１００ｋＨｚから５０ＭＨｚの間の値に設定
することが可能となる。高周波電界に加えて、直流電圧
もフィードライン２１ｂを介してキーパー電極１２ｂに
印加する。これによって、電子が放電プラズマを出やす
くなり、電子源の効率が改善する。異なる電極間の電気
的絶縁を保証するために、フィードライン２１ａ，２１
ｂはそれぞれ、遮蔽電極１３及びキーパー電極１２ｂか
ら追加絶縁体１７によって遮蔽されている。
ｚの周波数の高周波電界を生成するために、電極１２ａ
及びキーパー電極１２ｂは、トロイダル鉄心変圧器２１
によってフィードライン２１ａ，２１ｂを介して電極１
２ａ，１２ｂに接続された無線周波発生器２２によって
アクティブにする。フィードライン２１ａ及びプラズマ
チャンバ１２ａはフレーム電位に設定し、フィードライ
ン２１ｂつまりプラズマチャンバ１２ｂは、無線周波数
回路のアクティブ出力に接続する。共振効果を利用しな
いので、広範囲の放電周波数が選択可能であり、１ＭＨ
ｚに加えて１００ｋＨｚから５０ＭＨｚの間の値に設定
することが可能となる。高周波電界に加えて、直流電圧
もフィードライン２１ｂを介してキーパー電極１２ｂに
印加する。これによって、電子が放電プラズマを出やす
くなり、電子源の効率が改善する。異なる電極間の電気
的絶縁を保証するために、フィードライン２１ａ，２１
ｂはそれぞれ、遮蔽電極１３及びキーパー電極１２ｂか
ら追加絶縁体１７によって遮蔽されている。
【００３１】プラズマを点火するために、作動気体キセ
ノンは気体入口１４を通って放電チャンバ１０へ入って
いく。高周波電界は、プラズマチャンバとして構成され
た電極１２ａとキーパー電極１２ｂとの間に存在する。
この電界は放電チャンバ１１に容量的に組み込まれてい
る。作動気体において熱平衡にある少数の自由電子は加
速され、高周波電界から十分なエネルギーの存在下での
衝突によって作動気体をイオン化する。次いで、このイ
オン化によって、このプロセスに参加する第２の電子が
生成される。しかしながら、放電チャンバ１１内のプラ
ズマは熱平衡にはない。というのは、高周波電界のエネ
ルギーのほとんど全てがプラズマ電子に吸収されるから
である。電子は、質量がイオンの質量より低いのでイオ
ンより多くのエネルギーを得る。結果として、電子温度
はイオン及び中性粒子の温度より100倍高い。
ノンは気体入口１４を通って放電チャンバ１０へ入って
いく。高周波電界は、プラズマチャンバとして構成され
た電極１２ａとキーパー電極１２ｂとの間に存在する。
この電界は放電チャンバ１１に容量的に組み込まれてい
る。作動気体において熱平衡にある少数の自由電子は加
速され、高周波電界から十分なエネルギーの存在下での
衝突によって作動気体をイオン化する。次いで、このイ
オン化によって、このプロセスに参加する第２の電子が
生成される。しかしながら、放電チャンバ１１内のプラ
ズマは熱平衡にはない。というのは、高周波電界のエネ
ルギーのほとんど全てがプラズマ電子に吸収されるから
である。電子は、質量がイオンの質量より低いのでイオ
ンより多くのエネルギーを得る。結果として、電子温度
はイオン及び中性粒子の温度より100倍高い。
【００３２】キセノンガスジェットは引き出し開口１６
を通って外に出る。この実施形態では、それは超音波ガ
ス３０（斜線）として示した。ガスジェット３０は高周
波プラズマを外へ運ぶ。それは、推進ユニットを点火す
るための電子源として、又は、電子をイオンビームに結
合するためのブリッジとして使用してもよい。気体入口
を介した新しい作動気体の連続供給によって、イオン化
される気体を連続的に充填し、それによって、たとえプ
ラズマの一部が除去されてもシステムは平衡を維持す
る。
を通って外に出る。この実施形態では、それは超音波ガ
ス３０（斜線）として示した。ガスジェット３０は高周
波プラズマを外へ運ぶ。それは、推進ユニットを点火す
るための電子源として、又は、電子をイオンビームに結
合するためのブリッジとして使用してもよい。気体入口
を介した新しい作動気体の連続供給によって、イオン化
される気体を連続的に充填し、それによって、たとえプ
ラズマの一部が除去されてもシステムは平衡を維持す
る。
【００３３】図２は、間に交番電界が印加される電極１
２ａと電極１２ｂとを有する高周波電子源１０を示す。
交番電界は、プラズマジェット３０によって放電される
電子の引き出し方向に対して直交して位置する。放電チ
ャンバは、誘電体放電チャンバ１９によって電極１２
ａ、１２ｂに対して仕切られ、電気的に絶縁されてい
る。引き出しを支えるために、電源２３に生成された直
流電圧が、互いに電気的絶縁されている補助電極１８
ａ、１８ｂの間に印加される。
２ａと電極１２ｂとを有する高周波電子源１０を示す。
交番電界は、プラズマジェット３０によって放電される
電子の引き出し方向に対して直交して位置する。放電チ
ャンバは、誘電体放電チャンバ１９によって電極１２
ａ、１２ｂに対して仕切られ、電気的に絶縁されてい
る。引き出しを支えるために、電源２３に生成された直
流電圧が、互いに電気的絶縁されている補助電極１８
ａ、１８ｂの間に印加される。
【図１】 本発明による高周波電子源であって、ホロー
陰極及び遮蔽電極で構成されたプラズマチャンバを有す
る実施形態の概略構成図である。
陰極及び遮蔽電極で構成されたプラズマチャンバを有す
る実施形態の概略構成図である。
【図２】 電極に対して電気的絶縁されたプラズマチャ
ンバを有する実施形態の概略構成図である。
ンバを有する実施形態の概略構成図である。
１０ 高周波電子源
１１ 放電チャンバ
１２ａ 電極
１２ｂ キーパー電極
１３ 遮蔽電極
１４ 気体入口
１６ 引き出し開口
１８ａ，１８ｂ 補助電極
２１ トロイダル鉄心変圧器
２２ 高周波発生器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ホルスト・ローブ
ドイツ・Ｄ−35390・ギーゼン・ガルテン
シュトラーセ・18
(72)発明者 ハンス・ユルゲン・ライター
ドイツ・Ｄ−85356・フライシング・トゥ
ッヒンガー・シュトラーセ・54
(72)発明者 ハンス−ペーター・ハルマン
ドイツ・Ｄ−35435・ヴェッテンベルク・
アン・デア・ゼーミューレ・15
Claims (14)
- 【請求項１】 イオン化される気体用の少なくとも一の
気体入口（１４）と電子用の少なくとも一の引き出し開
口（１６）とを有する放電チャンバ（１１）を備えた高
周波電子源（１０）、特にイオン源ニュートラライザー
の形のもので特にイオンスラスタ用のものにおいて、 放電チャンバ（１１）は少なくとも一の電極（１２ａ）
と一のキーパー電極（１２ｂ）とによって少なくとも部
分的に囲繞され；電極間に高周波電界が付与される高周
波電子源。 - 【請求項２】 放電チャンバ（１１）がプラズマチャン
バに囲繞されている請求項１に記載の高周波電子源。 - 【請求項３】 プラズマチャンバは電極（１２ａ，１２
ｂ）として構成されている請求項２に記載の高周波電子
源。 - 【請求項４】 電極（１２ａ）はホロー陰極として構成
されている請求項３に記載の高周波電子源。 - 【請求項５】 高周波電界が電子引き出し方向に平行に
付与される請求項１から４のいずれか一項に記載の高周
波電子源。 - 【請求項６】 高周波電界が電子引き出し方向に直交し
て付与される請求項１から５のいずれか一項に記載の高
周波電子源。 - 【請求項７】 高周波電界が１００ｋＨｚから５０ＭＨ
ｚの間の周波数を有する請求項１から６のいずれか一項
に記載の高周波電子源。 - 【請求項８】 マッチングネットワーク特にトロイダル
鉄心変圧器（２１）を有する高周波発生器、特に無線周
波数発生器（２２）が、高周波電界を生成する請求項１
から７のいずれか一項に記載の高周波電子源。 - 【請求項９】 キーパー電極（１２ｂ）は高周波発生器
（２２）のアクティブ出力に接続され、電極（１２ａ）
はフレーム電位を有する請求項３から８のいずれか一項
に記載の高周波電子源。 - 【請求項１０】 キーパー電極（１２ｂ）は遮蔽電極
（１３）によって囲繞されている請求項９に記載の高周
波電子源。 - 【請求項１１】 電極（１２ａ）は高周波発生器（２
１）のアクティブ出力に接続され、キーパー電極（１２
ｂ）はフレーム電位を有する請求項３から８のいずれか
一項に記載の高周波電子源。 - 【請求項１２】 高周波電界に加えて、直流電圧を電極
（１２ａ）とキーパー電極（１２ｂ）との間に印加され
る請求項１から１１のいずれか一項に記載の高周波電子
源。 - 【請求項１３】 間に直流電圧を印加される補助電極
（１８ａ，１８ｂ）が放電チャンバ（１１）上に設置さ
れている請求項１から１２のいずれか一項に記載の高周
波電子源。 - 【請求項１４】 電極（１２ａ）及び／又はキーパー電
極（１２ｂ）及び／又は補助電極（１８ａ，１８ｂ）
が、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、鋼
鉄から成る群から選択された金属材料、又は、グラファ
イト、炭素化合物材料、セラミックから成る群から選択
された非金属材料から成る請求項１から１３のいずれか
一項に記載の高周波電子源。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10215660A DE10215660B4 (de) | 2002-04-09 | 2002-04-09 | Hochfrequenz-Elektronenquelle, insbesondere Neutralisator |
| DE10215660.3 | 2002-04-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003301768A true JP2003301768A (ja) | 2003-10-24 |
| JP4409846B2 JP4409846B2 (ja) | 2010-02-03 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003103276A Expired - Fee Related JP4409846B2 (ja) | 2002-04-09 | 2003-04-07 | 高周波電子源 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1353352B1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009085206A (ja) * | 2007-09-13 | 2009-04-23 | Tokyo Metropolitan Univ | 荷電粒子放出装置およびイオンエンジン |
| JP2010539373A (ja) * | 2007-09-14 | 2010-12-16 | ターレス エレクトロン デバイス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 高電圧絶縁装置および、当該高電圧絶縁装置を備えたイオン加速装置 |
| CN108882495A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-11-23 | 鲍铭 | 一种高频交流电场约束等离子体产生中子的方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| DE102007036592B4 (de) * | 2007-08-02 | 2014-07-10 | Astrium Gmbh | Hochfrequenzgenerator für Ionen- und Elektronenquellen |
| CN102767497B (zh) * | 2012-05-22 | 2014-06-18 | 北京卫星环境工程研究所 | 基于空间原子氧的无燃料航天器推进系统及推进方法 |
| CN102797656B (zh) * | 2012-08-03 | 2014-08-13 | 北京卫星环境工程研究所 | 吸气式螺旋波电推进装置 |
| CN106672267B (zh) * | 2015-11-10 | 2018-11-27 | 北京卫星环境工程研究所 | 基于空间原子氧与物质相互作用的推进系统与方法 |
| CN106941066B (zh) * | 2017-03-22 | 2018-07-06 | 中山市博顿光电科技有限公司 | 一种电离效果稳定的射频离子源中和器 |
| GB2573570A (en) * | 2018-05-11 | 2019-11-13 | Univ Southampton | Hollow cathode apparatus |
| CN111734593B (zh) * | 2020-06-24 | 2023-01-31 | 电子科技大学 | 一种基于冷阴极的离子中和器 |
| CN114302548B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-07-25 | 中山市博顿光电科技有限公司 | 射频电离装置、射频中和器及其控制方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| DE2804393A1 (de) * | 1978-02-02 | 1979-08-09 | Christiansen Jens | Verfahren zur erzeugung hoher gepulster ionen- und elektronenstroeme |
| FR2480552A1 (fr) * | 1980-04-10 | 1981-10-16 | Anvar | Generateur de plasma |
| US4684848A (en) * | 1983-09-26 | 1987-08-04 | Kaufman & Robinson, Inc. | Broad-beam electron source |
| JP2531134B2 (ja) * | 1986-02-12 | 1996-09-04 | 株式会社日立製作所 | プラズマ処理装置 |
| US4954751A (en) * | 1986-03-12 | 1990-09-04 | Kaufman Harold R | Radio frequency hollow cathode |
| GB8905073D0 (en) * | 1989-03-06 | 1989-04-19 | Nordiko Ltd | Ion gun |
| US5003226A (en) * | 1989-11-16 | 1991-03-26 | Avco Research Laboratories | Plasma cathode |
| EP1006557B1 (en) * | 1996-02-09 | 2007-01-31 | Ulvac, Inc. | Apparatus for generating magnetically neutral line discharge type plasma |
| JP3967050B2 (ja) * | 1999-10-25 | 2007-08-29 | 三菱電機株式会社 | プラズマ発生装置 |
| US6291940B1 (en) * | 2000-06-09 | 2001-09-18 | Applied Materials, Inc. | Blanker array for a multipixel electron source |
-
2002
- 2002-04-09 DE DE10215660A patent/DE10215660B4/de not_active Expired - Fee Related
-
2003
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- 2003-04-02 EP EP03007602A patent/EP1353352B1/de not_active Expired - Lifetime
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- 2003-04-09 US US10/410,674 patent/US6870321B2/en not_active Expired - Lifetime
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