JP2005032728A - 閉じた電子ドリフトプラズマ加速器 - Google Patents

Abstract

【課題】 活性ガスのイオン化効率を高める。
【解決手段】 閉じた電子ドリフトプラズマ加速器は、環状イオン化チャンバ(2)、イオン化チャンバ(2)と同軸上の加速チャンバ(3)、環状アノード(7)、中空カソード(8)、第1直流電圧源(82)、環状ガスマニフォールド(11)、磁気回路、および磁界発生器を含んでいる。同軸環状コイル(24)は、イオン化チャンバ(2)のキャビティ内部に配置され、陰極がアノード(7)に接続されている第2電圧源(85)の陽極に、イオン化チャンバ(2)の壁(52)の内側面の導電材(9)と共に接続されたバイアス導電被覆を設けられ、さらに他の磁界発生器と共に、同軸環状コイル(24)とアノード(7)との間に位置する磁界ゼロに対応した「X」ポイント(4)を伴う磁力線(27)を有する磁界を形成する、追加磁界発生器を構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、閉じた電子ドリフトを伴うプラズマ加速器に関し、その加速器は、特に、空間、および、例えば、イオンを用いて機械部品を処理する他の技術分野においても、安定したプラズマスラスタとして使用可能なプラズマイオン発生源を構成する。

イオン発生源は、イオンフラックスの静電加速の実行に役立つ、2ステージシステムにより構成されることが既に知られている。

こうしたイオン発生源の例は、特許文献１に説明されている。特許文献１においては、イオン発生源は、ガスマニフォールドを伴うカソードチャンバを含み、他方、中空アノードは、その壁を貫通して形成されたアウトレットオリフィスを経由してカソードチャンバへ接続される、アノードチャンバを形成する。静電システムは、カソードチャンバのアウトレットオリフィス内に配置された、電気絶縁された放出電極でイオンを抽出するのに役立つ。磁気システムは、カソードおよびアノードチャンバ内に、主に軸方向のインダクションベクトルを有する磁界を確立する。カソードチャンバガスマニフォールドはまた、中空アノードに接続した放電電極として使用される。中空アノードおよびカソードチャンバに対して電気絶縁された追加電極は、カソードチャンバのアウトレットオリフィス内にインストールされ、中空カソードの最大内径よりはるかに小さな直径のオリフィスを提供する。イオン化は、静電システムによりイオン抽出および加速が実行される際に、本質的に縦方向の磁界を有するアノードおよびカソードチャンバ内で行われる。こうしたイオン発生源は、低電流密度範囲(j_i＜1平方センチメートルあたり2ミリアンペア(mA/cm²))で動作し、それらは、その適用の限界でもある、高加速電圧(U＞1000ボルト(V))でのみ有効である。

イオン加速が電磁発生源に起因する発生源の中で、KCPUタイプのプラズマ加速器について言及することができると題された記事（例えば、非特許文献１で説明されているような)同軸で準定常のプラズマ加速器。

(後部)エッジフランジに固定され、フランジから絶縁しているKCPUは、アノードグループ、カソードグループ、およびインレットイオンユニットを含んでいる。アノードならびにカソードグループは、環状ディスク絶縁体により分離されている。アノードグループは、変遷フランジに固定された「かご型」の形に製造された筒状サポートアノードを含んでいる。アノードの周囲には、アノードの外部スペースにおける、ガスおよびプラズマの濃度の増加に貢献する、筒状誘電性スクリーンが追加的に設立されている。カソードグループは、アノードグループのかご型内にインストールされ、回転の楕円面を形成する、両端に固定された刃を有する2つの重畳銅製チューブを含んでいる。そのチューブの内部には、固定された128ポイントの、縦断面に8列を形成し、刃間に間隔を置いて挿入された、カソードの形を再現する円錐形電流源が存在する。イオンユニットは、アクティブガス源に接続された4つのインレットイオンチャンバにより構成され、システムの軸に関して対称なエッジフランジ内のオリフィスを経由してKCPUの加速チャンネルへ導入される。各チャンバは、ソリッドシリンダおよび先細ソリッドカソードの形のアノードを含んでいる。

KCPU加速器は、このように、2ステージシステムとして設計されている。加速器の第１ステージでは、反応性物質は、イオン化されて、下記式の速度まで予備加速される。

ここで、
ν_m＝自らの磁界を有するプラズマ加速器用の流動速度（下記式）である。

ここで、
θ＝一定の係数
m＝反応性物質の質量流動レート
c＝光速
I＝2つの同軸電極間のプラズマのボリュームを流れる電流。
プラズマの最終的加速は第2ステージで行われる。

およそ500キロアンペア(kA)の放電電流、およびおよそ10キロボルト(kV)の放電電圧を有するKCPUでは、0.2 m.cのプラズマフラックスは、およそ1キロ電子ボルト(keV)のエネルギーを有する水素イオンを取得する。KCPU加速器は、大きいエネルギーの粒子の流れを生成可能にするハイパワーを有している。その加速器内には、実際にパワーおよびエネルギーの上限が全く存在しないことに気づかなければならない。

このタイプのプラズマ加速器は、プラズマが起磁力密度（下記式）により加速される電磁気型である。

ここで、
c＝光速
j＝電流密度
H＝プラズマのボリュームを流れる電流Iに特有の磁界。
KCPU内の磁界は、プラズマのボリューム(同軸電極の存在に起因する)を通して流れる電流により形成されて、特有の磁界を構成する。このタイプの加速器は、ハイパワーのみで動作可能となる。この理由で、これは、現在のところ、例えば宇宙空間用エンジンとして用いられる可能性がないと考えられている。

特許文献２は、反応性物質がイオン化される条件および同軸チャンネルのボリューム全体での磁界の構成に関し、かなりの改良が提供された閉じた電子ドリフトを有するプラズマ加速器を開示している。こうしたプラズマ加速器は、イオン化あるいは静止チャンバと、イオン化ならびに加速のための開放アウトレット同軸チャンネルを備えた放電チャンバとを含んでいる。中空ガス放電カソードは、同軸チャンネルの開放アウトレットの傍に配置されている。環状アノードは、同軸チャンネルへのインレットに配置されている。環状ガスマニフォールドは、同軸チャンネルへのアクセスを塞ぐことなく、静止チャンバ内にインストールされる。放電および静止チャンバは、１組の磁極、磁気回路、および磁界発生器を含む、加速器の磁気システムの要素により形成されている。磁極は、環状チャンネルの開放アウトレットの傍にある、加速器の一端を形成する。磁極の一方は外側に、他方は内側にあり、その結果、それらは放出チャンバの内側および外側を画成している。静止チャンバの傍の、加速器の他端は、磁極に接続される磁気回路の一部により形成される。チャンバの周囲に均等に配列された中央筒状マンドレルおよび二次サポート要素は、加速器両端の相互接続に役立つ。第１の磁界発生器は静止チャンバと加速チャンバの周囲の外部磁極との間に配置され、さらに第２の磁界発生器は内部磁極近傍の中央筒状マンドレルに配置され、さらに第３の磁界発生器も環状アノードが配置されたゾーン内の中央筒状マンドレルに配列され、結果的に静止チャンバのより近傍にある。

したがって、イオン化あるいは静止チャンバが存在するので、活性ガスがイオン化されるゾーンは加速ゾーンと一致していない。これは環状ガスマニフォールドが、アノードの正面で活性ガスを直接注入するという事実に起因している。３つの発生器の磁気システムにより、チャンネルからのアウトレットでの最大インダクションにより特徴付けられる勾配を有する環状チャンネル内に、準ラジアル磁界が形成されることを確実にする。磁力線は、アウトレットゾーン内の環状チャンネルの対称軸に対して垂直に方向付けられ、さらに、これらの磁力線は、アノード近傍にあるチャンネルのゾーン内でわずかに傾斜している。活性ガスのイオン化は、環状チャンネルに到達する前に、確実にアノードに接近する。これにより、プラズマエンジンの効率を、60%から70%の範囲まで増加させ、イオンビームの拡散角を10%から15%の範囲に減少させることが可能となる。
国際特許公開第WO 01/93293号明細書 フランス特許第FR 2 693 770号明細書 ソ連科学アカデミー（USSR Academy of Sciences）, プラズマフィジックス（Plasma Physics）、第16巻、第2版、エム サイエンス（M.「Science」） 1990年2月のジャーナルで発行された、エー・ユー・ボロチコ（A. U. Volochko）他による「サポート電極を有する2ステージ同軸準定常プラズマ加速器(KCPU)の研究(Study of the two-stage coaxial quasi-steady plasma accelerator (KCPU) with support electrodes)」

それにもかかわらず、こうした加速器では、静止ゾーン内の活性ガスがイオン化される程度はさほど大きくなく、これは実験により確認されている。

本発明の目的は、従来技術のプラズマ加速器の欠点を改善することであり、特に、活性ガスのイオン化効率を高めることである。

本発明の目的はまた、高い回収率でさまざまな反応性物質の使用を可能にし、さらにイオンビームの拡散角をかなり減少させ、さらにイオンの加速過程に関連する雑音レベルを減少させ、さらに壁での電流損失を抑えながら回収率を増加させ、さらに異常なイオンおよび電子浸食の強度を減少させることにより寿命を増加させ、さらに流速(フラックス)および特定インパルスに関する動作範囲を拡大させようとすることである。

これらの目的は、以下を含む、閉じた電子ドリフト加速器により達成される。この閉じた電子ドリフト加速器は、
a) 電気導電材内で内部表面をカバーされ、電気絶縁材の壁により画成される環状イオン化チャンバと、
b) 下流方向に開かれたアウトレットを有し、イオン化チャンバと連通する上流インレットを有する、イオン化チャンバと同軸上にある絶縁材の環状加速チャンネルにより形成される加速チャンバと、
c) 加速チャンネルの上流インレットの近傍のイオン化チャンバの下流末端に配置される環状アノードと、
d) 加速チャンネルの下流アウトレット近傍、およびその外側に配置される中空カソードと、
e) 陰極をカソードに、そして陽極をアノードに接続される第1の直流電圧源と、
f) イオン化チャンバの上流部分を構成する末端壁の近傍に配置される環状ガスマニフォールドと、
g) 少なくとも中央筒状マンドレル、加速チャンネルの開放下流アウトレットを画成する内部および外部磁極、およびイオン化チャンバの上流末端を形成する後部末端壁を含む磁気回路と、
h) 少なくとも外部磁極とイオン化チャンバとの間の加速チャンバの周囲に配置される第1の磁界発生器、内部磁極とイオン化チャンバの傍に位置する加速チャンネルへの上流インレットとの間の中央筒状マンドレルの周囲に配置される第2の磁界発生器、および第2の磁界発生器とイオン化チャンバの上流末端との間の中央筒状マンドレルの周囲に配置される第3の磁界発生器を含む、磁界発生器手段と
を備える。

上記加速器は、イオン化チャンバのキャビティの内部に配置され、さらに陰極がアノードに接続されている第2の電圧源の陽極に、イオン化チャンバの壁の内部表面の導電材と共に接続された、バイアス導電被覆が設けられ、さらに他の磁界発生器と共に、同軸環状コイルとアノードとの間に位置する磁界ゼロに対応する「X」ポイントを含む磁力線を有する磁界を形成する、第4の磁界発生器を構成する同軸環状コイルをさらに含むことを特徴とする。

磁界発生器手段は、環状ガスマニフォールド近傍に配置される第5の磁界発生器を含んでいるのが有利である。

磁気回路は、イオン化および加速チャンバの周囲に分配され、後部磁気末端壁を外部磁極に接続する、二次的強磁性サポート要素をさらに含んでもよい。

この場合、磁界発生器手段は、前記二次的強磁性サポート要素の周囲に配置される部品を含む、第6の磁界発生器をさらに含むことが好ましい。

磁界発生器手段は、電磁コイルを含んでいてもよいが、それらはまた、少なくとも部分的に永久磁石を含んでいてもよい。

イオン化チャンバは、半径方向の大きさが絶縁材の加速チャンネルのものより大きくなっている。

特定の特性に従って、同軸環状コイルおよびそのバイアス導電被覆は、イオン化チャンバにしっかり接続された固定要素を用いて取り付けられる。

環状アノードは、加速チャンネルの壁に対する半径方向のクリアランスを伴って取り付けられるのが好ましい。

環状アノードは、第2の直流電圧源を経由する以外、機械あるいは電気的に、環状ガスマニフォールド、もしくは、イオン化チャンバの壁の内部部分の電気導電材に接続されることなく、第1の直流源の陽極へ電気フィードライン経由で直接接続される。

一例として、第2の電圧源は、アノードに対して数10ボルトの大きさを有する同軸環状コイルの導電被覆へ、正電圧を印加する。

第2の電圧源は、環状イオン化チャンバの壁の内部表面の電気導電材に、アノードに対しておよそ20Vから40Vの大きさを有する電位を印加するのが好ましい。

磁界発生器手段は、磁界ゼロに対応する「X」ポイントを有する磁力線の電位がアノードの電位に近くなるよう適合されている。

有利な実施例では、第2の磁界発生器は、異なる直径の第1および第2のゾーンを提供し、アノード近傍に位置する第1のゾーンは、イオン化チャンバ近傍に位置する第2のゾーンの直径より大きな直径を有している。

特定の実施例では、同軸環状コイルの導電被覆とイオン化チャンバの壁との間の距離は、およそ20ミリメートル(mm)以上である。

プラズマ加速器は、衛星、あるいは他の宇宙船用の電気反応スラスタを構成するプラズマスペースエンジンに適用されてもよい。

また、本発明のプラズマ加速器は、機械部品のイオン処理のためのイオン源として適用されてもよい。

したがって、本発明のプラズマ加速器は、電流を流されたコイルがイオン化チャンバの静止ゾーンに挿入されるので、低レベルの雑音で良好に局在される磁束を提供し、他の磁界源のそれと組み合わせて、磁界ゼロのＸポイントを有する分離あるいは分離線と呼ばれる磁力線を含む特定の構成を生成する磁界を伝達する。これらの特性により、プラズマ加速器の加速チャンネルは、磁力線の等電位化の現象を利用して、良好に形成されたイオン電流を受けることが可能であり、その結果、加速電位差を生成する。磁界ゼロのXポイントのゾーンは、分離線に沿って形成されたイオンに対するトラップを表す。

他の特徴および本発明の利点は、例として与えられた以下の特定の実施例についての記述、および添付図面を参照することで明らかとなる。

図3は、本発明に従うプラズマ加速器の一例を示している。

このような閉じた電子ドリフトプラズマ加速器は、導体材料9でカバーされた内部表面を有する電気絶縁材料で作られた壁52で画成された第1チャンバ2を含んでいる。この第1チャンバ2は、イオン化チャンバあるいは静止チャンバを構成する。

加速チャンバと呼ばれる第２チャンバ３は、下流方向に開かれたアウトレット55を伴う、電気絶縁材の環状加速チャンネル53を含んでいる。加速チャンネル53の上流部分54は、加速チャンバ3と同軸上に存在するイオン化チャンバ2のキャビティと連絡している。

中空ガス放電カソード8は、そのアウトレット55近傍の加速チャンネル53の外部に位置している。参照符号81は、カソードを第1直流(DC)電圧源82(図2)の陰極へ電気接続する線を示している。参照符号88は、中空カソード8へのガスの供給を示している。

環状アノード7は、加速チャンバ3を構成する加速チャンネル53の上流インレット54近傍の、イオン化チャンバ2の下流末端に位置している。

図2に示されるように、カソード8およびアノード7は、それぞれ直流電圧源82の陰極および陽極に接続され、結果的に電気供給回路を形成する。アノード7は、それ自体、イオン化チャンバ2の壁の導体料9から絶縁されている。

環状ガスマニフォールド11は、加速チャンネル53へのインレット54を塞ぐことなく、イオン化チャンバ2のキャビティ内に配置されている。ガスマニフォールドは、イオン化チャンバ2の上流末端に配置されている。カソード8およびガスマニフォールド11は、それぞれ管路88、110により、独立した、あるいは共通のイオン化されるガスの発生源に接続されている。管路110により環状ガスマニフォールド11内に導入されたガスは、マニフォールド11の周囲に分布したオリフィス111を通って、静止チャンバ2内に配送される。

イオン化あるいは静止チャンバ2は、半径方向でのサイズが加速チャンバ3よりも大きく、さらにそれは、加速チャンネル53のインレット54へと開口する下流部分521において、いかなる先細り円錐形の断面を呈していてもよい。

環状アノード7は、それ自体、先細り円錐形となっていてもよい。

閉じた電子ドリフトプラズマ加速器は、磁気回路および磁界発生器を含んでいる。

磁気回路は、中央筒状マンドレル60、加速チャンネル53の下流開放アウトレット55を画成する内部ならびに外部磁極61、62、およびイオン化チャンバ2の上流末端を形成する後部壁63を含んでいる。

磁気回路はまた、イオン化および加速チャンバ2、3の周囲のシリンダーの発生器管路に沿って一様に分配され得る二次強磁性サポート要素64を含み、それは後部磁壁63を外部前面磁極62に接続するのに役立つ。これらの二次強磁性サポート要素64は、図3に示されるように個々のロッドの形であってもよいが、それらは、イオン化および加速チャンバ2、3を囲む筒状ケージを形成するよう、等しく良好に一体化させることも可能であろう。

磁気回路の内部磁極61および後端壁63が、中央筒状マンドレル60を備えた単一ユニットの形で製造可能であることに気づくべきである。

磁界発生器手段は、外部磁極62とイオン化チャンバ2との間の加速チャンバ3の周囲に配置された、第1磁気発生器21を含んでいる。この第1磁界発生器21は、シールド電磁コイルを含んでいてもよい。

第2磁界発生器22は、イオン化チャンバ2の傍に位置する内部磁極61と加速チャンネル53の上流インレット54との間の中央筒状マンドレル60の周囲に配置される。図3を参照して説明された例では、この第2磁界発生器22は、同様に電磁コイルを含んでいる。

第3発生器23は、中央筒状マンドレル60の周りの第2磁界発生器22と静止チャンバ2へのインレットとの間に配置される。異なる直径を有する2つのゾーンが存在することが好ましい。加速チャンネル53により囲まれ、アノード7の近傍ゾーンを含む、この発生器の1つの部分231の直径は、静止チャンバ2のゾーン内に配置された発生器の他の部分232の直径より大きい。第2磁界発生器23の、これらの異なる部分231、232の直径比は、数４の方法で選択される。

ここで、
r_δ＝対称軸から静止チャンバの壁までの距離、そして、
r_k＝チャンネルの対称軸から外部チャンネルの外部壁までの距離。

このアイデアにより、静止チャンバ2から加速チャンネル53へのイオン化プラズマの入力を定義する、磁力線の形状を最適する(すなわち、磁力線が静止チャンバの壁から確実に離される)。

静止チャンバ2のキャビティ内には、線86を経由してアノード7(図2参照)に対するコイル24のターンの被覆28の電位の定義に役立つ直流電圧源85(図2)へ接続されたバイアス被覆28内に位置する同軸中央環状コイル24がインストールされており、電圧源85自体は、線84により、電圧源82の陽極およびアノード7に接続されている。同軸ターン24は、静止チャンバ2にしっかりと接続され、磁気回路から隔離された固定要素により取り付けられてもよい。したがって、ターン24は、第4磁界発生器を表している。静止チャンバ2の大きさは、中央ターン24の被覆28から静止チャンバ2の壁までの距離が、およそ16ラーモア半径（Larmor radii）を構成する方法のような要件に応じて選択される。電子の温度値が与えられる場合、事実上、ガスの原子をイオン化する電子温度は15電子ボルト(eV)から20eVの範囲にあり、分離管路上の磁界の値はおよそ１００エルステッド(Oe)であり、したがって、中央ターン24の被覆28から静止チャンバ2の壁までの距離bは、b≧20mmから25mmとなるべきである。

最終的に、磁力線に対して最適な構成を得るために、第1および第2追加磁界発生器25、26を導入することは可能である。第1追加磁界発生器25が、環状多岐管11の近傍の静止チャンバ2内に位置し、チャンバの端壁から磁力線を遠ざけておくために、後部縁付近に磁界を形成するのに役立つことに気づくべきである。その位置は、以下の関係により、磁気回路の端壁63の位置によって定義される。

Ｌ＝Ｌｐｐ-Δ
ここで、
Lpp＝加速チャンネル53から磁気回路の後端壁63までの距離であり、そして、
Δ＝後端壁63から磁界発生器25までの絶縁を提供する絶縁体の厚さ。Δ＝2mmから3mmである。

第2追加磁界発生器26は、外部要素の全てを表しており、その各々は、二次サポート要素64の周囲に配置される。他の磁界発生器と同様に、この発生器は、必要に応じてゼロゾーンを受けるよう、アノード7のゾーン内の磁界ゼロ、セクション付近のH＝100エルステッドパーセンチメートル(Oe/cm)の所与の勾配、およびアノード7付近での磁力線の凸状形を位置決めすることに役立つ。発生器26は、エンジンの周囲の単一環状コイルとして製造可能であり、磁気回路の外部サポート64はそれ自体が環状となることに気づくべきである。

プラズマ加速器の磁気システムの構造は、磁極61、62に対する内径、電流と共に中央ターン24の対応する配置、および磁気発生器21〜26を適切に選択することにより、磁界に対して必要な構成を作成可能なものにする(図1および図4参照)。

この構成は、アノード7が位置決めされるゾーン内の磁界に対するゼロ値、約90°に等しい分離線27(図2)のブランチ間の角度、およびこれらの分離線27がおよそ45°の角度でチャンネルの壁を貫通して、静止チャンバ2の壁に接触することなく中央ターン24を囲むアノード7のゾーン内で合うという事実により特徴付けられる。アノード7の近傍では、分離線27の方向は、45°の角度を有する磁界を生成し、それにより、チャンネルの壁からの流動を分離するという条件が満たされ、その磁界を、アノード7が環状チャンネル53からのアウトレットでその最大値となるよう位置決めされているゾーン内のゼロ値からの所与の磁界勾配(少なくとも100Oe/cm)を伴う放出チャンバ3の領域中央上に焦点合わせする。

全ての磁界発生器21〜26は、それらがプラズマ加速器の活性温度より高いまま残るキュリー点を有するならば、電磁コイルあるいは永久磁石を用いて製造可能である。電磁コイルと永久磁石の組み合わせを用いることが可能である。発生器が電磁コイルを用いて製造されている実施例が選択されるなら、それらは単一方向における異なる電源を用いて、あるいは単一電源(直列のコイル)を用いて作動されてもよい。この場合、磁界が確実に所望の形状を有するよう、慎重に各コイル内のターンの数を選択する必要がある。

環状アノード7は、磁界ゼロゾーンに配置され、インレットを加速チャンネル53に直接接合する。しかしながら、この場合、イオン衝撃法により加速チャンバ3の絶縁壁の材料を再スプレー可能であり、その後、アノード7の表面に非導電フィルムが形成されることになる。この理由で、環状アノード7の活性表面を維持するために、加速チャンネル3の壁に対して半径方向のクリアランスΔを伴ってそれを配置するほうがよい。このクリアランスの値は、条件を最適化するよう選択されるべきである。第一に、クリアランスをあまりに大きくして、フラックスの保全を擾乱し、イオン衝撃によるアノード7の浸食を引き起こしてはならない。第二に、クリアランスをあまりに小さくして、加速チャンネルに対面しているアノードの表面を通る電流の通路を妨げるべきではない。クリアランスΔは、リジッドスペーサを用い、アノードの機械的接続により調整可能である。これらのスペーサが導電性である場合、アノードは、電気フィードラインにより、電源の陽極に電気的に接続される。

加速チャンネル53を離れるイオンフラックスを中和するよう、いかなるタイプのガス放電中空カソード8もインストール可能である。加えて、カソード8は、エンジンの側面上、そうでなければ、中央マンドレル内側のバリアント内のいずれかに配置され、外部に向けられていてもよい。

本発明のプラズマ加速器は以下のように動作する。所望の形状の磁界は、磁気システムの他の要素と関連する磁界発生器21〜26により取得される。例えばキセノンなどの不活性ガスを、予め加熱されたカソード8、および環状ガスマニフォールド11へ分配した後、電圧が加速器要素に印加され、その後、第1および第2チャンバ3、2内で放電が開始される。

システムの原理は、図1および図2の図に示されている。

静止ステージ2は、等電位壁9(SBと呼ばれる)、その電流を担持する環状ターン24、および磁界ゼロのゾーン内の電位を測定し、このステージでのカソードとして機能するアノード7を含んでいる。流体給送は、このステージ2の後部面に到達する。加速ステージ3の構成は従来通りである。このステージは、誘電性チャンネル53、および発生器からのアウトレットにあるカソード8を含んでいる。

静止ステージ2の特別な特徴は、静止カソードを構成するアノード7である。それは、分離管路27と静止ボリュームの等電位壁9(SB)との間に放電を提供する。第2の特別な特徴は、その電流と共に、形成されるイオンに対して分離ラインおよびトラップを生成する環状導体を形成する「中央ターン」24である。

第一ステージの要素に印加される電圧は以下の通りである。
Umix=U_SB=U_A+δ_SB
Usep＝U_A
ここで、
U_A＝アノード7の電位
U_sep＝分離ライン27の電位
Umix＝ミキシン(mixyne) 28(中央回転24のバイアス表面)の電位
U_SB＝壁9の電位
δ_SB＝約２０Ｖ〜約３０Ｖ

付加される電位上の磁力線の等電位化により、電位がアノード7により固定される分離ライン27は、形成されたイオンが蓄積するポテンシャル井戸の底部を表す。それらは発振し、ミキシン(mixyne) 28の近傍、あるいは、等電位壁9(SB)の近傍の、いずれかのバリア上に落ちる。発振の境界間の距離が「X」ポイント4に向かって増加するので、チャンネル53に向かうイオンは、横方向の速度を失い、縦方向の速度を取得し(横方向断熱不変式、Vⁱ _⊥h＝定数の保存による。ここで、h＝発振の境界間の距離)、加速チャンネル53のインレット54に向かう。チャンネル53の内側では、磁気構成は、イオンを方向付ける磁界を提供するのに役立つ。加えて、分離ライン27上の磁界Hの値は、下記式のようになるべきである。

ここで、
ne＝放電時の電子の密度
k＝ボルツマン定数
Te＝電子温度。

さらに、可能な拡散を考慮に入れると、ミキシン(mixyne) 28と分離ライン21との間の距離h_m-c、および分離ライン27とバッファ壁との間の距離h_c-cbは、8xρ_e、すなわち8電子半径、より大きい必要がある。したがって、
h_M−C＝θ_MCρ_e θ_MC≧8
h_C−Cb＝θ_C−Cbρ_e θ_C−Cb≧8

静止ステージ2において低エネルギー(5eVから15eV)で完全にイオン化されたプラズマを生成する能力により、実際に1つのエネルギーしか有しない加速チャンネル53内にイオン化フラックスを取得可能となり、その結果、それは良好に焦点合わせをされ、壁から距離を置いて離れることが可能となる。

加速ステージ3は、従来の方法で動作する。磁界は、そのアウトレットに向かって増加し、アウトレット平面で最大となる。磁界の勾配は、100Oe/cmである。磁力線は、アノード7に向かう凸形状である。それは、イオンを移動させる電場である。電子は交差した電界および磁界におけるアジマス方向に移動する。

アノード7に向かって凸状で、加速チャンネル53の中央へイオを集中させる電場を作成する可能性は、磁力線を等電位化することとリンクされる。このプロセスは、閉回路電子ドリフトを有するプラズマ加速器に関して、電子の運動方程式が以下の通りであるという事実とリンクされる。

0＝▽Pe+eE+1/c[VeH]; E=-gradΦ
ここで、
▽Pe＝電子圧力勾配
e＝電子の電荷
E＝磁界の大きさ
Ve＝電子速度
H＝磁界の大きさ
Φ＝電場の電位。

磁力線27に沿ってこの方程式を統合すると、以下の公式が得られる。
Φ*（γ）＝Φ（χ）-KT_e/e・In n_e/n_e（γ）
ここで、
Φ*(γ) ＝熱化電位と呼ばれる、磁力線に沿う電位の恒常値
Φ(χ) ＝電位
T_e＝電子温度
k＝ボルツマン定数
n_e＝放電における電子の密度
n_e(γ)＝磁界(正規化値)内の所与の力線上の電子密度の特性。

上の式は、T_e→0、あるいはn_e＝n_e(γ)ならば、磁力線は等しい電位となることを示している。これらの条件が満たされるなら、電位の等ポテンシャルの所望される形状を得るための、アノード7に向かって凸形となる磁力線を生成するには十分である。したがって、高い動作性能を有するプラズマ加速器を作成するためには、以下の条件を満たすことが必要となる。

第一に、アノード近傍のイオンフラックスの密度を確実に一定にし、(さらに、その結果、中性粒子密度が一定となる)、それにより、プロセス上の成分VPeの影響を軽減させる必要があり、さらに、第二に、磁力線の形状を、アノード7に向かって確実に強凸形とする必要がある。これを達成するために、イオン速度が遅いイオン化ゾーン内で、イオンが確実に必要な集束をすることが非常に重要である。

このように、加速器は、2ステージシステムとして動作する。静止ステージ2では、1つの問題が解決されるのみである。物質はできるだけ完全にイオン化されるが、イオンエネルギーは非常に低い場合がある。イオン化ゾーンのボリュームは、限界が全くなく、実際には、反応性物質の完全なイオン化を達成し、いかなる中性物質が加速チャンネル53に入ることも防止可能である。その結果、加速ゾーンでイオン化される中性物質の量は減少され、動作範囲は、流速および特定のインパルスの双方で増加する。

静止チャンバ2内の磁界に対して要求されるプロフィール、および磁界に対する理想的な構成に近いチャンネルは、実験的に達成されている。イオンビームの分岐は、およそ±10°、あるいは±3°の値にまで減少され、回収率は65%から70%まで増加しており、さらに、重要なもう1点は、エンジンの動作範囲が、推力および特定のインパルスの双方に関して拡大されていることである。

加速された反応性物質のイオン化の程度を増加させることに起因する本発明の技術的利点は、実験結果によって確認されている。活性ガスは、同一方向の電流を担持する2個のコイルによって作成された4極システム内の既存の装置のものより、かなり大きな程度までイオン化が可能である。こうした状況の下で、磁界ゼロゾーンは、コイル間で形成され、磁気バリアによって囲まれる。カソードが前記ゾーン内に入れられ、さらにコイルに正電位が印加されるとき放電が点火され、プラズマは分離ラインを囲む空間の全体を満たす。本発明に従うこのシステムでは、およそ30ワット(W)(U_p≦200V、J_p≦160mA)の電源、およびキセノンを用いて、以下の特性が得られた。

M＝1秒あたり2ミリグラム(mg)

なお、上記式は、下記式のいずれをも満たす場合である。

ここで、M＝反応性物質の流速
n_e=電子密度
T_e＝電子温度
ε_i ＝平均イオンエネルギー

このデータは、低パワーにおける安定した放電では、高い電子温度および大きな電子密度を得ることが可能であったので、使用される活性ガスのタイプに拘わらず、固有である。

高回収率および以下の特性を有する様々な反応性物質の使用が可能である。
a) さらに低価格(Kr、Ar、N₂)、
b) 惑星の大気中に含まれる(CO₂、CH₄、NH₃)、そして、
c) 金属蒸気 (軽金属Na、Mg、Kから重金属Hg、Pb、Brまで) により構成される。

本発明の2ステージプラズマ加速器の基本概念を示す図である。 加速器を動作させるために、電気回路がそこに関連づけられているのを示す、本発明のプラズマ加速器の一例の縦軸半断面の概略図である。 本発明のプラズマ加速器の一例の縦軸断面図である。 本発明のプラズマ加速器の一例で得られる磁界の形状を示す図である。

Claims (19)

1. a) 電気導電材(9)で内部表面をカバーされた、電気絶縁材の壁(52)により画成される環状イオン化チャンバ(2)と、
   b) 下流方向に開かれたアウトレット(55)を有し、イオン化チャンバ(2)と連通する上流インレット(54)を有する、イオン化チャンバ(2)と同軸上にある絶縁材の環状加速チャンネル(53)により形成される加速チャンバ(3)と、
   c) 加速チャンネル(53)の上流インレット(54)の近傍のイオン化チャンバ(2)の下流末端に配置される環状アノード(7)と、
   d) 加速チャンネル(53)の下流アウトレット(55)の近傍、およびその外部に配置される中空カソード(8)と、
   e) 陰極をカソード(8)に、そして陽極をアノード(7)に接続される第１直流電圧源(82)と、
   f) イオン化チャンバ(2)の上流部分を構成する末端壁の近傍に配置される環状ガスマニフォールド(11)と、
   g) 少なくとも中央筒状マンドレル(60)、加速チャンネル(53)の下流アウトレット(55)を画成する内部および外部磁極(61、62)、およびイオン化チャンバ(2)の上流末端を形成する後部末端壁(63)を含む磁気回路と、
   h) 少なくとも、外部磁極(62)とイオン化チャンバ(2)との間の加速チャンバ(3)の周囲に配置される第１磁界発生器(21)、内部磁極(61)とイオン化チャンバ(2)の傍に位置する加速チャンネル(53)への上流インレット(54)との間の中央筒状マンドレル(60)の周囲に配置される第２磁界発生器(22)、および第２磁界発生器(22)とイオン化チャンバ(2)の上流末端との間の中央筒状マンドレル(60)の周囲に配置される第３磁界発生器(23)を含む、磁界発生器手段と
   を備えた閉じた電子ドリフトプラズマ加速器であって、
   加速器は、イオン化チャンバ(2)のキャビティ内側に配置され、さらに陰極がアノード(7)に接続されている第２電圧源(85)の陽極に、イオン化チャンバ(2)の壁(52)の内側面の導電材(9)と共に接続された、バイアス導電被覆(28)を提供され、さらに他の磁界発生器と共に、同軸環状コイル(24)とアノード(7)との間に位置する磁界ゼロに対応した「X」ポイント(4)を含む磁力線(27)を有する磁界を形成する、第４磁界発生器を構成する同軸環状コイルをさらに含むことを特徴とする閉じた電子ドリフトプラズマ加速器。
2. 磁界発生器手段が、環状ガスマニフォールド(11)の近傍に配置される第５磁界発生器(25)を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ加速器。
3. 磁気回路が、イオン化および加速チャンバ(2、3)の周囲に配置され、後部磁気末端壁(63)と外部磁極(62)とを接続する、二次的強磁性サポート要素(64)をさらに含むことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のプラズマ加速器。
4. 磁界発生器手段が、前記二次的強磁性サポート要素(64)の周囲に配置される部品を含む、第６磁界発生器(26)をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ加速器。
5. 磁界発生器手段が、電磁コイルを含むことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
6. 磁界発生器手段が、少なくとも一部分に永久磁石を含むことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
7. 第１磁界発生器(21)がシールドされていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
8. イオン化チャンバ(2)が、絶縁材の加速チャンネル(53)よりも大きな半径方向の大きさを有することを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
9. 同軸環状コイル(24)、およびそのバイアス導電被覆(28)が、イオン化チャンバ(2)にしっかりと接続された固定要素(29)を用いて取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
10. 環状アノード(7)が、加速チャンネル(53)の壁に対する半径クリアランスで取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項９の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
11. 環状アノード(7)が、第２直流電圧源(85)を経由する以外、機械あるいは電気的に、環状ガスマニフォールド(11)、もしくは、イオン化チャンバ(2)の壁(52)の内部部分の電気導電材(9)に接続されることなく、第１直流電圧源(82)の陽極へ電気フィードライン(83)経由で直接接続されることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
12. カソード(8)が、中空ガス放電カソードであるという特徴を有する、請求項１から請求項１１の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
13. 第２電圧源(85)が、アノード(7)に対して数十ボルトの大きさを有する正の電圧を、同軸環状コイル(24)の導電被覆(28)に印加することを特徴とする請求項１から請求項１２の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
14. 第２電圧源(85)が、環状イオン化チャンバ(2)の壁(52)の内側面の電気導電材(9)に、アノードに対しておよそ20Vから40Vの大きさを有する電位を印加することを特徴とする請求項１から請求項１３の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
15. 磁界発生器手段が、磁界ゼロに対応する「X」ポイントを有する磁力線の電位がアノード(7)の電位に近くなるよう適合されていることを特徴とする請求項１から請求項１４の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
16. 第２磁界発生器(23)が、異なる直径の第1および第2ゾーン(231、232)を提供し、アノード(7)近傍に位置する第1ゾーン(231)は、イオン化チャンバ(2)近傍に位置する第2ゾーン(232)の直径より大きな直径となっていることを特徴とする請求項１から請求項１５の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
17. 同軸環状コイル(24)の導電被覆(28)とイオン化チャンバ(2)の壁との間の距離が、およそ20ミリメートル(mm)以上であることを特徴とする請求項１から請求項１６の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
18. 衛星用の電気反応スラスタを構成するプラズマスペースエンジンに適用されることを特徴とする請求項１から請求項１７の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
19. 機械部品のイオン処理のためのイオン源として適用されることを特徴とする請求項１から請求項１７の何れか一項に記載のプラズマ加速器。
    

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