JP2010519448A - 改良型プラズマ源 - Google Patents

Abstract

ＲＦアンテナ、印加磁場、プラズマ、及び同軸ガス閉込管を使用してガスをイオン化してプラズマを加熱するプラズマ源、特に、アンテナ、磁石幾何学的形状、及びプラズマの定常状態生成及び加熱に対する熱的解決法の改善に関する技術を提供する。本発明は、ＲＦカプラを含むＲＦベースの非グリッド式プラズマ源である。
【選択図】図１４

Description

本発明は、一般的に、ＲＦアンテナ、印加磁場、プラズマ、及び同軸ガス閉込管を使用してガスをイオン化してプラズマを加熱するプラズマ源に関する。用途は、プラズマ処理用途において材料をドープ及び試験するプラズマ生成、有毒ガス流の破壊、及びプラズマ衝撃による材料の殺菌を含む。宇宙用途は、これらのシステムをロケットエンジンに使用して特定の方向にイオン化粒子を放出することによって推力をもたらすことを含む。より具体的には、本発明は、アンテナ、磁石幾何学的形状、及びプラズマの定常状態生成及び加熱に対する熱的解決法の改善に関する。

これらの技術の最も広い実施を網羅する用途は、「可変比推力ロケット（ＶＡＳＩＭＲ）」である。ＶＡＳＩＭＲは、基本的に磁気閉込核融合研究の物理学及び技術を色濃く受け継ぐ電磁プラズマ加速器である。核融合業界の特殊用語において、それは、ドーナツ形ステラレータ又はトカマクと異なり磁場のトポロジーが開いているので「磁気ミラー」、開放磁気システム、又は「線形マシン」と呼ばれる。線形マシンは、潜在的な核融合デバイスとして１９７０年代に重点的に追い求められたが、軸線方向プラズマ閉込が弱いために、アメリカではトカマク及びステラレータのような閉じたトポロジーの磁気システムに押されて支持されなくなった。プラズマ閉込デバイスとしてのミラーマシンの弱点は、プラズマ推進機としてのＶＡＳＩＭＲの強みである。これらのシステム内のプラズマは、放射状に閉じ込められるが、ロケット推進をもたらすためにデバイスから軸線方向に流れ出るのは自由である。従って、開放端磁気閉込システムに関する従来技術の大部分は、ＶＡＳＩＭＲの技術を更に押し進めることに関連する可能性があると考えられる。

３つの連結した磁気段は、ＶＡＳＩＭＲにおいて特定の互いに関連する機能を実行する。第１の段は、推進剤ガスの主な注入及びそのイオン化を処理するものであり、「ＲＦブースタ」とも呼ばれる第２の段は、更にプラズマにエネルギを与えるように作用し、第３の段は、流体のエネルギを方向付けられた流れに変換する磁気ノズルである。ＶＡＳＩＭＲは、推進剤のイオン化がヘリコン型放電により行われる高周波（ＲＦ）駆動式デバイスである。プラズマイオンは、磁気閉込核融合研究で広範囲に使用されている公知の技術であるイオンサイクロトロン共振加熱（ＩＣＲＨ）により第２の段において更に加速される。

プラズマを一連のアンテナにより加速させてロケットエンジン内で推力を発生させることができることは、当業技術で公知である。米国特許第６、３３４、３０２号では、ガス流にエネルギを供給する２つのアンテナを使用する可変比推力磁気プラズマロケット（ＶＡＳＩＭＲ）が説明されている。最初に、ヘリコンアンテナをヘリコンプラズマ発生器の一部として使用し、高周波（ＲＦ）電力をガス流に与えてガス原子をイオン化状態に励起させる。

ヘリコンアンテナの下流側では、得られるプラズマは、「イオンサイクロトロン無線加熱（ＩＣＲＨ）」アンテナにより与えられた付加的なＲＦ電力を受け、プラズマ上にイオンサイクロトロン共振を励起する。アンテナによりプラズマに与えられた電力は、望ましい推力をもたらすためにイオンがその後に磁気ノズルを通して噴射される時に運動エネルギに変換される。

全体的なシステム効率は、推力に対するあらゆる両極性の寄与を無視すると、電力入力に対する排出運動エネルギの比として表すことができ、電力入力の一部は、ヘリコンプラズマ発生器へ向かい、一部は、ＩＣＲＨアンテナへ向かう。質量流量が小さくなるほど流速が高くなり、可変比推力制御技術を明らかにしている。

ＶＡＳＩＭＲロケットでは、中性ガスは、最初に、ＲＦ適合誘電特性を有する管に注入される。ガスが下流に流れると、ガスがヘリコンアンテナによりイオン化される時にプラズマが発生する。この段で、プラズマの温度は、約６０、０００ケルビンになる場合がある。プラズマが更に下流に流れる時に、イオンサイクロトロン共振加熱（ＩＣＲＨ）アンテナにより更に加熱され、そこで、それは、何百万ケルビンの温度に到達する可能性があると考えられる。エンジンの周囲の表面は、プラズマに作用する磁場により、直接接触高温プラズマから保護されている。しかし、かなりの熱は、依然としてプラズマからの放射を通じて高温プラズマと基本的に１５個のアンテナとの間で伝達される。

ヒートパイプは、熱除去の受動的デバイスである。プラズマに関連の極高温には、プラズマが磁場によって閉じ込められることが必要である。プラズマから周囲表面までの放射又は他の機構により伝達される熱は、周囲表面がその構造的一体性を維持すべきである場合には定常状態作動中に除去すべきである。

高温の位置から低温の位置に効率的に熱を伝達するためのヒートパイプの使用は、当業技術で公知である（米国特許第２、３５０、３４８号を参照されたい）。一般的に、ヒートパイプは、真空気密エンベロープ、芯構造体、及び作業流体から成る。ヒートパイプは、排気され、次に、ちょうど芯を飽和させるのに十分な少量の作業流体で埋め戻される。ヒートパイプ内側の雰囲気は、液体及び蒸気の平衡により設定される。熱が高温端（蒸発器）でヒートパイプに入ると、この平衡は覆され、若干高目の圧力の蒸気が発生する。この高目の圧力の蒸気は、低温端（凝縮器）に進み、温度が若干低いために、蒸気が凝縮してその蒸発の潜熱が放出される。凝縮流体は、次に、芯構造体に発生した毛管力によって蒸発器に押し戻される。

米国特許第６、３３４、３０２号 米国特許第２、３５０、３４８号

「軽イオンヘリコンプラズマ源のモデル化を用いた比較実験」、プラズマの物理学、第９巻、第１２号、５０９７頁（２００２年）

本発明者は、ヘリコン、特に、アンテナ及びイオン化チャンバ配管の熱管理が、ヒートパイプ、冷却剤流動、熱交換器、及び／又はＣＶＤダイヤモンドのようなＲＦ誘電損が低い熱伝導性材料の革新的な使用を通じて達成される従来技術を知らない。本発明者は、ガス密度及び流量、アンテナ設計、及びチョーク設計を含む磁場幾何学形状が、全て定常状態プラズマ源作動に向けて高温プラズマを下流に移動させるように最適化される従来技術を知っていない。

最適化ＲＦアンテナ、印加磁場、プラズマ、及び同軸ガス閉込管を使用してガスをイオン化してプラズマを加熱するプラズマ源、及び処分に向けて熱交換器又は放熱板まで軸線方向に熱を運ぶための手段を含む廃熱管理方法。
本発明を添付図面の図において制限的ではなく一例として示している。

本発明の実施形態による堆積熱伝導材料の単一の層を有する金属リング形式アンテナの断面図である。 本発明の実施形態による金属基板の交互層と熱伝導材料の層とを含むリング形式アンテナの断面図である。 本発明の実施形態による遠隔熱交換器に接続したアンテナの正面図である。 本発明の実施形態によるヘリコン又はＩＣＲＨアンテナの４ストラップ半捻りアンテナ幾何学的形状の正面図である。 本発明の実施形態による熱伝導材料製中実円筒管内に完全に組み込まれた４ストラップ半捻りアンテナの正面図である。 本発明の実施形態による各矩形断面金属ストラップの４つの表面の全てが熱伝導層で覆われている４ストラップ半捻りアンテナ幾何学的形状の断面図である。 本発明の実施形態によるＶＡＳＩＭＲヘリコンの断面図である。 本発明の実施形態により冷却剤がイオン化チャンバを取り囲む環状管の間で流れるＶＡＳＩＭＲヘリコンの断面図である。 本発明の実施形態によるイオン化チャンバを取り囲むヒートパイプの縦断面図である。 本発明の実施形態によるイオン化チャンバを取り囲むヒートパイプの軸線方向断面図である。 本発明の実施形態によるアンテナアームヒートパイプの軸線方向断面図である。 本発明の実施形態において下流側で高イオン化プラズマを生成するために用いる磁力線アラインメント及び磁場強度を示す図である。 本発明の実施形態によるＲＦ電力がその内側にあるプラズマに結合することを可能にするガス閉込管を含むイオン化チャンバを示す図である。 本発明の実施形態による一体化した第１及び第２の段を示す図である。 ヘリコン様ＲＦカプラを使用するイオン化チャンバの電磁シミュレーションを示す図である。 本発明の実施形態により全体的な回路内で耐えることができる電圧限界を有する扱いやすいコンデンサ設計を可能にするために同時にプラズマに結合された電力を高めて回路のインダクタンスを増大させるための巻き付けアンテナ幾何学的形状を示す図である。 本発明の実施形態によるプラズマ結合及びインダクタンスを高める巻き付けを有するマンドレルを示す図である。 高ＲＦ電圧の領域内での冷却流体接続を必要とすることなくＲＦカプラの冷却を可能にする再入可能な流体ループを示す図である。 プラズマとの効率的な電力結合に必要な電磁カプラ設計がカプラ巻線を冷却するための一体型ヒートパイプを含むＲＦカプラを含む本発明の実施形態を示す図である。 本発明のＶＸ−１００実施形態によるプラズマイオン流束と時間を示す図である。 本発明のＶＸ−１００実施形態の第１の段に結合したＲＦ電力の関数としてプラズマ流内の電子−イオン対を抽出するのに必要とされるエネルギ投資を示す図である。 本発明のＶＸ−１００実施形態の第２の段に行った試験のＲＦ結合効率結果を示す図である。

以下の説明では、説明の目的で、本発明を完全に理解することができるように多くの特定の詳細に対して説明する。しかし、本発明がこれらの特定の詳細がなくても実行することができることは明らかであろう。

概要
本発明のある一定の実施形態は、効率的なプラズマ流生成に備えるものである。このようなプラズマ流は、宇宙空間推進に適するものである。プラズマを生成するための全体的な電力利用に関する高効率は、ＶＡＳＩＭＲエンジンのような電気推進システムに対して望ましいものである。本発明のある一定の実施形態の別の特徴は、１つの領域でのプラズマ流の生成であり、プラズマ特性の更に別の修正のために異なる領域へのそのプラズマのその後の流入を備えている。本発明の実施形態による装置は、宇宙空間推進以外の様々な用途を有することができる。

本発明の実施形態による装置は、プラズマ流を抽出してその後それらのプラズマ流の空間分布及びエネルギ分布を調節するのに適する高周波（ＲＦ）ベースの非グリッド式プラズマ源を含む。このような装置は、全体的なプラズマ流束、イオン化分率、流動プラズマの空間分布又はエネルギ分布の制御に備えることができる。このような制御は、ＶＡＳＩＭＲに加えて多くの用途に有用である。本発明の様々な実施形態は、材料表面改質、材料試験、廃棄物分解、及び他の目的に使用することができる。

様々なガス種には、線放射損失と、基底状態の中性原子から直接に又は一連のエネルギレベル段階を通して電子が除去される時に固有に蓄えられるイオン化のエネルギとのために、イオン化するための最小量のエネルギが必要である。例えば、全ての励起チャンネルにわたって平均化した中立基底状態からアルゴンイオンを生成する最小エネルギは、ほぼ４０ｅＶである。しかし、更に独立した処理のための別々の段へのこれらのイオンの抽出及び流動の方が実質的に困難である。別々の段への抽出及び流動をもたらすＲＦプラズマ源に対しては、シングルエンドＲＰプラズマ源から４０ｅＶと１００ｅＶの間のエネルギが得られるようにイオンを抽出し、流動準中性プラズマ流を生成することができる。２つのプラズマ流を形成する両端からの同時抽出は、イオン生産の最小エネルギコスト値に近づくように構成することができる。代替的に、従来のグリッド抽出法を用いてイオンを抽出するのに必要とされるエネルギは、一般的に、１００ｅＶを遥かに超えるものであり、抽出電流密度は、グリッド自体とのイオン及びプラズマ相互作用により大幅に束縛される。非グリッド式構成には、これらのグリッド式抽出の制限はない。

独立型プラズマ発生器としてのヘリコンは、ネオン、窒素、アルゴン、及びキセノンのようなより重い推進剤、並びに水素、デューテリウム、及びヘリウムのようなより軽い推進剤を効率的にイオン化することができる。これらのガスの大部分の事前実験を「Ａｄ Ａｓｔｒａ」の研究所で行い、大成功であった。また、アンモニアのような化学混合物を含む更に別の実験が計画されている。

中性ガスは、新しい推進剤の適切な流動をイオン化チャンバに供給する推進剤注入アセンブリ（一般的に市販のプログラマブル質量流量コントローラ）によりシステム内に注入される。以下で説明するように有効にこの機能をもたらす際に考慮すべきである重要な考慮事項がある。

これらのシステムのガス流量は、ガスの種類及び使用中の電力に基づいて、数百立方センチメートル毎分（ＳＣＣＭ）から何千ものＳＣＣＭの範囲である可能性がある。これは、１ミリグラム／秒の数分の１からから数１０ミリグラム／秒の範囲に相当するものである。ガスは、容積（イオン化チャンバ）内に注入され、ガスは、初めは真空であり、イオン化前の数１０ｍｔｏｒｒからプラズマが確立された後の最大１ｔｏｒｒの範囲の定常状態の作動圧力を急速に達成する。宇宙での作動は、自然環境の実質的に「無限の」真空排気を利用することができ、一方、下流側圧力の蓄積には、地上環境での作動の調節が必要である。実験施設の真空チャンバの結果は、広範囲の真空条件にわたって予想挙動を表すように調節され、プラズマ及びガス圧の軸線方向分布がイオン化チャンバ及び磁場幾何学形状に強く依存すると共にプラズマ自体により影響されることを示している。放出が開始されると、磁場は、下流側でプラズマプラグを作成することによって間接的に入射ガスの捕捉を助ける。

宇宙用途に対しては、ＶＡＳＩＭＲの２００キロワットの実験的試作品であるＶＸ−２００は、宇宙用途に適格と認められるシステムの作動を検証するように想定されている。この初期設計から逸脱するサブシステム構成の変形が、用途に基づいて考えられており、現在考慮中である。

近年、最高水準の技術においては４つの基本的な前進があった。第１の前進は、高周波結合方法を用いた中性ガスの流入流れからの準中性プラズマ流の生成である。第２の前進は、流動準中性プラズマ及び抽出領域内のあらゆる付加的な中性ガスの更に別の処理のためのプラズマの抽出である。第３の前進は、イオン、電子、又は両方ともに影響するように選択的に調節される付加的なＲＦ加熱による抽出プラズマのエネルギ分布の任意的な調節である。第４は、プラズマ−表面相互作用による損傷が最小及び／又は制御可能である長パルス又は定常状態作動を可能にする様々な構成要素の熱管理である。

従来の磁化ＲＦ放出では、一般的に、中性材料がプラズマイオン化領域を迂回することを可能にするガスの再循環充填を用いるか、又は従来の磁化ＲＦ放出により、中性ガスにより周囲されたほぼ停滞したプラズマが生成される。しかし、プラズマ源は、異なる電力レベルで複数の及び／又は同時のＲＦ法を用いて新しい電磁作動領域を可能にする選択肢を可能にすることができる。このようなイオン源の第１の段は、ほぼあらゆるガス又は気化中性材料をイオン化することができる。第１の段階は、本発明の実施形態により、図１３に示すように、ヘリコン様ＲＦ源を使用することができる。図１３は、流入口１１９と、上流側マニホルド１１８と、流出口１１６と、ＲＦ電力がイオン化チャンバ１１５の内側のプラズマに結合することを可能にするガス閉込管１０８とを含むイオン化チャンバを示している。下流側のチョーク制限部１１７は、磁場増大中の領域内へのプラズマ流の注入を可能にし、同時にイオン化領域回りの中性粒子の流れを阻止するものである。中性粒子入射率及びＲＦ電力に基づいて、この構成は、プラズマ流への注入材料の最大１００％までの変換を可能にするものである。

磁場強度が非常に高い領域及び磁場強度が非常に高い領域を通じて誘導することができる流動プラズマ流の生成により、軽イオン種に対して又は重イオン種に対してさえもＩＣＨでプラズマ流のエネルギ含量及び分布を更に修正する固有の機能が可能である。本発明の実施形態により、更にイオンのためのＲＦカプラ１３０と磁石１２０とを含むヘリコン様第１の段１３２及びＩＣＨ第２の段１３１を図１４に示している。第１の段１３２及び第２の段１３１は、統合されている。この第２の段１３１は、重イオンの有効なＩＣＨによる加速を可能にする非常に高い磁場強度で任意的に作動させることができる。

従来のイオン源に対して、本発明の実施形態により、プラズマ源段階１３２への改良は、電磁ＲＦカプラ、プラズマ流を誘導しかつ含むために用いる静磁場、中性粒子入射システム、及び／又は熱管理システムの自己矛盾のない一体化を含むことができる。本発明の実施形態は、これらの特徴の様々な組合せを含むことができる。このような特徴は、本発明の実施形態が以前は取得不可能なレジームで作動することを可能にするものである。例えば、新しいレジームは、流入中性ガス又は粒子の最大１００％までをイオン化することによって、安定した完全流動プラズマ流を効率的に発生させることができる。このような総合設計により可能になる別の新規な特徴は、プラズマ生成領域とプラズマ流が下流側で更に利用される領域の間の磁力線に沿ったプラズマ衝撃の制御の提供である。このような制御は、電力効率及びイオン化効率をＲＦ結合システムの電磁性能に関連して最適化することを可能にすることができる。このような特徴は、静的磁気遮蔽を用いてこれらの構造的構成要素に対するイオン衝撃を制御することによってプラズマ源内のプラズマに面する構造的構成要素の寿命を最大にすることを可能にすることができる。更に、このような特徴は、プラズマ源を製造するのに使用した構造的材料の浸食によるプラズマ流への不純物の導入を最小にすることができる。

本発明の実施形態によるイオン化処理に対しては、ヘリコン様システムは、ＲＦ電界の集中パターンが軸線方向に不均一な領域において生成される第１の段に使用することができる。このような構成は、軸線方向かつ中央部の近くに局在化する高電界の領域を自己矛盾なく作成することができる。この電力により、主として電子衝撃イオン化及び励起処理を通じて中性ガスをイオン化する電子が加熱される。消費電力は、電界の二乗に比例しており、波収束領域においては軸線の近くの波の減衰になる。プラズマ出力を最大にすると同時にガス収量を最小にするために、磁場幾何学形状は、下流側端部（プラズマ出口）で多少反直観的に強化することができる。この収束磁場領域内にＲＦ電力を集中させると、イオン化の大部分は、プラズマ生成が所望される下流部で行われる。このような磁場幾何学形状は、ガスを閉じ込める幾何学的捕捉を形成すると同時に締り嵌め式中実壁部を磁場によりプラズマから保護することも可能にし、ガスは、磁場により影響されず、影響を受けた場合はイオン化されずに下流側に逃げることができる。中性ガスの幾何学的な捕捉は、宇宙で遭遇するような高真空条件が存在する時に特にプラズマの開始中に有用である可能性がある。

本発明の実施形態による電磁シミュレーションを図１５に示している。ＲＦ電界が、流入ガス流とのプラズマ内の加熱電子の相互作用を自己矛盾なく最大化しながら同時にＲＦ結合システムを最適化するようにどのようにして自然発生プラズマに入るかを示している。右の流入ガス１３４は、図１５の左側の上で下流側チョーク領域に集中するためにプラズマを伝播している高ＲＦ電界の領域を通って図１５の左側の下流側チョーク領域に集中する。磁場強度は、チョーク領域１３３内で増大して、電子中立の衝突イオン化に向けて望ましい位置でプラズマ内の電子を加熱するためにＲＦカプラ１００と矛盾しないようにプラズマ１０１誘電特性を修正する。生成されるプラズマは、自己矛盾のないプラズマ誘電体及びＲＦカプラ１００設計に従って総結合ＲＦ電力及び空間堆積プロフィールと合致したままであるべきである。カプラ１００は、チョーク領域１３３下で下流側でＲＦ電界に集中させるように設計する。これらのＲＦ電界は、プラズマ１０１生産を担う。チョーク領域内で流動プラズマを形成する中立プラズマ流の最適かつ制御したイオン化は、ＲＦカプラ１００設計を磁場変動（チョーク領域１３３内での磁場強度の増大）及びセラミック製構成要素及びチョーク構成要素の構造のための支持と適合させることによって取得する。

本発明の実施形態は、以前に可能であるものよりも遥かに高い磁場を含む広範囲な磁場強度を有する静磁場の領域へのプラズマ流の注入を可能にすることができる。本発明の特徴を欠くプラズマ源は、生成されるプラズマの不安定性及び／又は制御されない点のために、強磁場で作動する時には制限される可能性がある。本発明による方法及び装置は、非常に高い静磁場強度を用いて非常に高い収量で停滞又は流動プラズマとの安定した作動に備えることができる。強磁場強度は、重イオンに対してさえ、プラズマ内のイオンとＲＦ波とのイオンサイクロトロン（ＩＣＨ）による相互作用に基づいて第２のＲＦ法を用いた第２の段内のイオンエネルギ分布の効率的な修正を可能にするものである。安定した高密度かつ高プラズマ流束条件は、本発明の実施形態によるプラズマ源で１テスラを十分に超えて実験的に明らかにされたものであり、かつ遥かに高い磁場での作動が可能である。超電導磁石コイルを使用する本発明の実施形態に対して強磁場の非常に高い全体的な電力効率が可能である。超電導磁石コイル及び／又は従来の磁石及び／又は永久磁石高い透磁性を有する材料及び／又はその組合せを用いた本発明の実施形態も、システムの全体的な設計要件により可能である。

全体的な電力効率は、全ての用途においてエネルギ保存に有用であり、特に宇宙用途において有用である。この効率には、ＲＦ電力を生成するのに必要とされる技術が含まれるべきである。本発明の実施形態によるイオン化段階により、他のヘリコン様放出において一般的に使用されるＦＭ周波数及び産業のための１３．５６ＭＨｚの周波数を十分に下回る周波数領域におけるＲＦ電力を使用が可能である。１３．５６ＭＨｚを遥かに下回る周波数を使用することができることによって、ＤＣをＲＦ電力に変換する際に非常に効率的である半導体又は他の増幅器の使用が可能である。本発明の実施形態が低周波数化で作動させることができる点は、中性供給原料をイオン化し、かつ望ましいプラズマ特性を生成するのに必要とされる総消費電力量を最小にするのに有用である。図１３に示すものに類似したチョーク領域形状を有する本発明の実施形態は、低周波数の使用を可能にするものである。このようなチョーク領域形状を有する本発明の実施形態では、静磁場及びプラズマ密度は、電磁波が図１５に示すように装置の中央部の近くで集中することを可能にするように軸線方向に変化する。このような実施形態のＲＦカプラ設計及びガス注入システムの調節により、空間的電力堆積及びデバイス内でのその後のプラズマ生成にわたって制御が可能である。

本発明の実施形態により、別々にかつ相乗作用で様々な構成要素の設計を最適化することによって、以前のプラズマ源技術では可能でない前進が可能である。これらの特徴により、電磁結合構成、静磁場幾何学形状、構造的構成要素、ガス注入システム、及び／又は熱管理システムの最適化及び一体化が可能である。本発明の特定の実施形態の特徴をまとめて以下で詳述する。第１の特徴は、基本的な電磁設計に関する。第２の特徴は、電磁設計、静磁場幾何学形状、構造的構成要素、及びガス注入のいずれかの間での相乗効果を利用する一体化である。第３の特徴は、長パルス又は定常状態作動を改善する適合熱管理の一体化をもたらす。

電磁設計
本発明の実施形態による電磁波幾何学形状に対しては、低周波は、典型的には、それらの波の吸収により自己矛盾なく生成されるプラズマの存在がなければ発射構造体から遠くまで伝播するものではない。プラズマ誘電特性は、結合ＲＦ電力に関して非線形であり、結合ＲＦ電力は、カプラが効率的に機能するのに必要とされるプラズマ誘電体の形状に影響する。プラズマの磁化により、誘電特性が更に複雑化して、比較的簡単な誘電体による通信又は他の用途と比較して強い非対称性が導入される。プラズマ応答は、ＲＦ電力結合に依存する完全誘電体テンソルにより表さなければならない。従って、本発明の実施形態によるＲＦ結合設計は、従来の通信、レーダー、又は簡単な誘電加熱用途において使用されるアンテナよりも複雑なものである。より正確には、本発明の実施形態によるＲＦカプラは、結合システムによって生成された自己矛盾のないプラズマ状態が存在して初めてアンテナのような機能を実行する。更に、プラズマは、一般的に、短絡させなければカプラの通電構成要素と接触することができない。非放射状近接場の効果は、プラズマ開始、及びエバネセント間隙にわたるＲＦ電力の効率的な結合において極めて重要な役割を果たす。変圧器に使用するものにより類似した巻線技術により、電力がプラズマに結合する際にＦカプラの性能を大幅に高めることができる。この性能は、ＲＦ回路内の有効プラズマ抵抗型負荷の影響を受ける。アンテナの配線により、アンテナを共振させるために使用する全体的な回路のインダクタンスが修正される。従って、本発明の実施形態によるＲＦ結合システムは、変圧器、誘導回路要素、及びアンテナのある一定の特性を共有するものである。静磁場の自己矛盾のない生成プラズマの形状も、電磁波の結合及び発射構造体の所要の形状を判断する役割を果たす。ＲＦ結合システムは、時には類似により及び簡素化のために「アンテナ」と呼ぶことができるが、プラズマによる実際の一体化ＲＦ結合処理は、一般的なアンテナ用途により示す処理よりも遥かに複雑である。

図１６は、望ましい最終プラズマ状態が得られるように最適化された幾何学形状のＲＦ導体１０２の付加的な巻き付けを含むプラズマ結合の電磁設計を示している。この実施形態では、アンテナ１００は、プラズマ負荷抵抗及び回路のインダクタンスを増大させるために電気絶縁構造体１２７回りに螺旋模様で巻き付けた少なく数ＲＦ表皮深さの厚みである高伝導材料１０２層である。インダクタンスを増大させると、インダクタンスを増大させない場合に適切であるものよりも小さいコンデンサ及び／又は低い周波数の使用が可能であり、一方、プラズマ結合を高めることなく回路の効率を低減する付加的な損失の多い誘導子が不要である。このような実施形態は、任意的な熱伝導電気絶縁スリーブ（図示せず）を有する熱伝導路が長パルス又は定常状態作動を必要する用途において放熱板に余熱を伝達することも可能にする。周波数、巻線の螺旋ピッチの方向、及び静磁場の方向は、ＲＦ電力が主として結合するのがプラズマ内の正電荷粒子か又は負電荷粒子かを判断するのを助ける。カプラの形状は、どれだけのＲＦ電力がプラズマ内の異なる帯電種により吸収されるかを制御するのを助けることができる。

本発明の別の実施形態は、図１７に示すように、チャンネル１３５を有する電気絶縁巻線マンドレル１２７を含むＲＦカプラを含む。上述のマンドレル１２７は、低周波での使用に向けてコンデンサ要件を最小にし、プラズマ１０１結合を最大化し、表面導電率が高い導体及び／又はＬｉｔｚワイヤを使用することによって導体の抵抗損失を最小にするように調節することができる。使用する導体の余分な長さにより、導体自体のジュール抵抗損失が増大する。この実施形態では、導体は、電気絶縁マンドレルのチャンネル内に巻かれる。導体は、中空又は中実配管又は他の形式の導体とすることができる。ワイヤストランド生成に十分に低い周波数でＬｉｔｚワイヤを使用して導体の表皮深さでのＲＦ消散からの抵抗損失を最小にすることができる。この実施形態では、導電冷却を用いてパルス又は定常状態作動の熱要件を管理する。周波数、巻線の螺旋ピッチの方向、及び静磁場の方向は、ＲＦ電力が主として結合するのがプラズマ内の正電荷粒子か又は負電荷粒子かを判断するのを助ける。カプラの形状は、どれだけのＲＦ電力がプラズマ内の異なる帯電種により吸収されるかを制御するのを助けることができる。

（ヘリコン）ＲＦアンテナは、イオン化チャンバに電磁波を発射する基本的なプラズマ源をもたらす。これらの電磁波は、背景ガスと相互作用してイオン化カスケードを生成する。プラズマが形成されると、電磁波は、プラズマ内の電子と主として結合し、電子が、主として電子衝撃によりガスをイオン化すると、高密度（１立方メートル当たり１０²⁰の粒子）かつ低温（５ｅｖの電子温度及び室温のイオン）のプラズマが生成される。波パワーは、一般的にｅｖ／電子−イオン対で測定する「イオン化のコスト」が作動的に許容でき、かつシステムの全体的な電力収支に不当な税金を課さないように自然発生プラズマにより効率的に吸収されるべきである。作動は、イオン化チャンバ及び他のシステム構成要素の壁部からの廃棄エネルギの除去により抑制することができる。本出願人の研究の結果によれば、２００ｅｖ／ｅ−ｉ対を超えるイオン化経費は、宇宙のロケット用途には全体的に低い効率になるが、多くの地上の用途に対しては問題のないものと考えられる。アルゴンによる本発明の設計及び実験結果によれば、１００ｅｖ／ｅ−ｉ対よりも小さいイオン化経費をもたらすことができる。イオン化経費は、電力が高くなるほど高まる。

ヘリコン波は、アンテナからイオン化チャンバの軸線に向けて半径方向に内方にかつ下流側に伝播する。ヘリコン波が伝播すると、プラズマにより吸収される（主として電子に対する減衰）。電磁波吸収は、局所的なガス／プラズマ圧力の影響を受ける可能性があるので、用途に基づいて、下流側で望ましいプラズマを同時に供給しながら波動エネルギが容易に吸収されるように最適な状態が確実にヘリコンアンテナの下流側で存在するように適応させることが重要である。

ＲＦサブシステムは、ＲＦ送信機、インピーダンス整合回路、伝送線、及びＲＦアンテナを含む。半導体及び管ベースのＲＦ技術を実験施設においてかつ地上用途に用いる。全ての半導体技術は、ＶＸ−２００、すなわち、ＶＡＳＩＭＲの初飛行様バージョンに用いる。これらに対してはここで順次説明する。

ＲＦ送信機は、中庸な電圧（数百５ボルト）の入力ＤＣ電力をアンテナによりプラズマに供給されるＲＦ電力に変換する。ＲＦシステムの基本的な構築ブロックは、最大１キロワットまでの電力が可能である「金属酸化物珪素電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）」モジュールである。これらのユニットは、ＡＭラジオ市場及び他の用途に向けて商業的に製造されたものである。これらのユニットは、まとめて駆動するので、併せて所要のＲＦ電力を確実に生成するサブモジュール単位に一体化する。２つのこのようなモジュールは、それぞれヘリコン段及びイオンサイクロトロン段を駆動する。ＲＦ送信機は、２つの異なる周波数で作動してそれぞれヘリコン段及びＲＦブースタ段に電力を供給する。

電源と負荷の間のインピーダンス整合は、ＲＦ電力をプラズマと効率的に結合するのに必要である。これは、適切な静電容量及びインダクタンスを有する可能な中間整合回路を備えた調節済み伝送線により達成される。完全な整合は、プラズマ開始及び／又は他の過渡期を通じて実際的ではないと考えられるので、送信機モジュール及び関係がある回路は、電源に反射される電力がかなりのものである場合がある短い（ミリ秒）不整合状態に耐えるのに十分に堅牢なものでなければならない。更に、不整合状態が他の故障又は異状な状態のために持続する場合、送信機システムは、ハードウエアの損傷なく自動作動停止が可能であるべきである。これらの特徴は、最新のＲＦ技術で達成可能である。

伝送線、典型的には、接地外側ジャケット又はストリップ線路において被覆された絶縁高圧同軸中心導体は、ＲＦ電力をアンテナに供給する。線路損失を最小にするために、伝送線は、ＲＦシステムをプラズマにできるだけ近づけて、できるだけ短いものとすべきである。整合処理を助けるインピーダンス特性も組み込むべきである。

ヘリコンアンテナは、プラズマを開始する電力を伝達してプラズマを加熱し、プラズマは、イオン化チャンバ内のガスを更にイオン化する。このプラズマは、次に、望ましい用途に使用することができる。ＶＡＳＩＭＲシステム又は、付加的なプラズマ加熱を必要とするあらゆる用途においては、プラズマは、下流側にイオンサイクロトロン共振アンテナへ移動する。

イオンサイクロトロン共振アンテナは、「ＲＦブースタ」としても公知であるＶＡＳＩＭＲの第２の段の心線である。アンテナは、イオンサイクロトロン波を流動プラズマ上に発射する。イオンサイクロトロン波は、制御核融合研究で使用する公知のプラズマ加熱機構であるイオンのサイクロトロン運動と共振することによって減衰する。イオンサイクロトロン波の発射は、プラズマイオンのサイクロトロン固有振動数が波振動数を超える領域で行い、従って、イオンサイクロトロン波は、プラズマの表面では減衰しないが、半径方向に内方に貫入し、並びに下流側に伝播して低磁場の領域に至り、そこで、波振動数は、正確にイオンサイクロトロン周波数を整合する。この軸線方向位置は、低温共振と呼び、かつイオンサイクロトロン波は、この点を超えるとプラズマとエネルギを結合することができる。しかし、実際には、実際の共振は、プラズマ流速により引き起こされるドップラー効果のために低温共振とは多少異なるものである。

このような加熱を必要とするシステムの第２のプラズマ加熱段の波動エネルギの一部は、プラズマ電子にも供給される。イオンと電子の間の波動エネルギの分割は、アンテナ長、捩れ、及びストラップ数のようなアンテナ設計の特徴により駆動される。電子に与えられるＲＦ電力は、ＶＡＳＩＭＲのロケット性能の本発明者の計算においては有用であると考えられないが、電子加熱は、電子温度、及び従ってイオン及び電子が同じ割合でシステムを出るという物理学上の要件により本来確立される「両極性」電界を増大させることによって、確かに有用な推力をもたらすことができる。従って、ロケット性能の計算結果は、控え目な推定値と考えられる。

本発明のＶＡＳＩＭＲ構成の１つの独特な態様は、システムを通過する単一のイオン通過によるＲＦエネルギの供給である。これは、典型的なイオンサイクロトロン加熱と対照的なものであり、イオンサイクロトロン加熱は、複数のイオン通過が磁気井戸内で跳ね返るためにアンテナ磁場での複数のイオン通過に依存するものである。本発明のＶＡＳＩＭＲのＲＦブースタには、このような捕捉は不要であるので、本発明のＶＡＳＩＭＲのＲＦブースタは、単一のイオン通過における十分な波動エネルギ吸収を明らかにしたものであり、従って、磁気構造体のかなりの簡単化になる。

ヘリコンアンテナ捩れ、長さ、及び直径は、ＡＡＲＣのプラズマモデル、並びに物理学実証実験からの実験結果から直接に得られる設計パラメータである。アンテナの効率的な作動は、磁場幾何学形状及びプラズマ密度にも依存する。

プラズマチャンバの断熱内面上までの電位プラズマ衝撃及び侵蝕に関連するアンテナの設置に関して重要な考慮事項がある。この影響は、プラズマシース整流に関連の高電圧によって生成される。これらの影響を低減するために本発明の実施形態により実施することができる設計及びアンテナアセンブリに関するいくつかの簡単な対策がある。これらには、独立電圧機能を増大する小さい物理的分離を設けて誘電体上にアンテナを取り付けることがある。更に、アンテナ共振回路は、シース電圧問題を大いに低減することができる「浮動接地」で設計することができる。他の対策には、アンテナストラップ上へ直接のエレクトロン衝撃を低減するためのファラデーシールドの使用がある。

中実の金属製アンテナを有することに関する問題は、ＲＦが外面の近くだけに伝えられ、局所的に非常に高い電流密度が発生し、アンテナ断面の残りが浪費されることである。本発明の実施形態により、ＬＩＴＺワイヤ織り（矩形のマイクロワイヤ束）は、ＩＣＲＨアンテナ、及び恐らく将来的にはヘリコンアンテナにおいて用いることができるが、ヘリコンの周波数は、一般的にＬＩＴＺワイヤには高すぎると考えられる。ＬＩＴＺワイヤ織りは、ＲＦ電流が通電材料の断面にわたって振り分けることができるように内面から外面までワイヤの経路を定めるべきである。それによってアンテナ内のＲＦ電力の浪費量が減り、ジュール当たりのイオン数が増加する。窒化アルミニウムのような熱伝導性絶縁体を用いてＬＩＴＺワイヤパックから離れて熱を伝えることができる。

ＩＣＲＨアンテナ捩れ及びストラップ数及びプラズマへの近接度は、設計成功の重要な考慮事項である。アンテナ負荷は、プラズマ及びプラズマへの近接度により見られるアンテナ全電流に強く依存する。アンテナ電流は、導体の表面上だけに流れるので、本発明の実施形態により負荷を最大にする１つの方法は、電気絶縁体基質に組み込まれた非常に薄いアンテナストラップの放射状の層状部によるものである。「ＡＤ Ａｓｔｒａ Ｒｏｃｋｅｔ Ｃｏｍｐａｎｙ」は、ヒューストンでの物理学実証実験でこれらの設計の実験バージョンの試験を開始している。アルゴンによる初期実験では、有望な結果が得られている。一般的に、ストラップの数が多いほど、プラズマ負荷が大きい。

また、ストラップの捩れを増大させることによって、イオンに結合するエネルギを増大させることができる（負荷の代償として）。プラズマへの近接度も、プラズマ負荷を増大させるが、プラズマ衝撃及び加熱によりアンテナ構造体の損傷が増大する可能性がある。これらの物理学上の考慮事項は、システムのエンジニアリングに重要な役割を果たすので、設計選択時に慎重に評価される。設計チームは、全てのこれらのパラメータの設計最適化を実行する際にＡＡＲＣプラズマモデル及び物理学実証実験からの実験結果をかなり利用している。

統合電磁及びプラズマ流れ設計
結合デバイスにより励起されるＲＦ波形とこの波形からのＲＦ電力の吸収によって生成されるプラズマとの相乗効果を利用することによって、プラズマ源の高性能及び高効率をもたらすことができる。統合された化手法は、ＲＦカプラが望ましい用途の要件、特に、ＶＡＳＩＭＲ用途に関する要件を満たしながら他の制約事項に適合したままであるようにＲＦカプラを設計するために用いる。プラズマの誘電応答は、生成されるプラズマに依存し、これは、従って、効率的に励起することができる波形に影響を与える。プラズマの開始は、ＲＦ結合システムが、自然発生したプラズマが目標とする構成に進化することができるまで不完全な過渡状態中に比較的少量の電力を結合することができるか否かに依存する。この構成は、デバイス幾何学形状、静磁場状態、及びＲＦ結合構造の電磁設計によっても影響を受ける。最終プラズマ電磁結合状態は、用途の特定の必要性に合うように調節することができる。

流入中性ガス流をイオン化してその流れを強磁場の領域に誘導するのに使用する第１の段を含む統合実施形態を図１３に示している。磁力線は、構造的構成要素とのイオン表面の相互作用を最小にするように方向付けられている。チョーク領域での磁場は、流入中性流のほぼ完全なイオン化で１テスラを超えることができる。ＲＦカプラ設計は、ＲＦ電力結合効率を最適化するために磁場幾何学形状、並びにセラミック製構造チョーク設計と統合されている。本発明の実施形態によるプラズマ源は、１つ又はそれよりも多くのＲＦ結合システム、磁場、ガス注入システム、及び真空気密ガス閉込管を含むことができる。本発明の実施形態によるプラズマ源は、流体冷却型ＲＦカプラ（ヘリコンアンテナ）を含むことができる。本発明の実施形態によるプラズマ源は、プラズマ流内のイオンを加速する第２の段を含むことができる。

アンテナ性能の重要な要素は、全体的なヘリコン幾何学形状である。ヘリコン構成の反直観的な利点は、磁場増大中の領域においてヘリコンアンテナの下流側で高温プラズマの多くを生成するという点である。アンテナの下流側での磁場強化により、プラズマ及びガスが通らなければならない狭い難所が作り出される。この領域のＲＦ波の特性も変化する。大部分の物理学者は、ピンチ効果により高温プラズマが上流側に押しやられると予想するであろうが、そうではなく、レンズに似たように、プラズマ生成を下流側に集め、そこで、両極性ポテンシャル及びガス圧によりプラズマが押しやられて磁気チョークを通過する。この効果は、高流量、高電力、及び高効率ヘリコンの特徴である。これは、ヘリコンの設計を後押しする重要な要素である。ガス密度及び流量、アンテナ設計、及び磁場幾何学形状は、全て、高温プラズマを下流に移動させるように最適化される。用途に基づいて、最適の磁気ピンチ形状に対しては、難所での磁場強度とヘリコンでの磁場強度との比は、通常、２よりも大きく、典型的には４又は５である。

本発明の実施形態による統合プラズマ源は、図１３に示すように、図１５に示すようなＲＦ電界波形を生成し、供給のための中性ガス１３４の上流側での注入から離れて下流側にプラズマ生成１３３の領域を位置決めすることができる。プラズマ生成を下流側に移動させることは、図１３に示す上流側の表面をプラズマ１０１衝撃から保護するのを助け、従って、プラズマ源の性能が高める。

流動中のプラズマ流のイオンサイクロトロン共振加熱に適するヘリコン様第１の段１３２及び第２のＲＦシステム１３１を含む本発明の実施形態による統合プラズマ源を図１４に示している。イオン種のエネルギ分布は、プラズマ源の両方の段を通過した後にプラズマの要件を満たすようにこの部位で調節することができる。尚、ＶＡＳＩＭＲ形式の用途に向けて最適化した本発明の実施形態に対しては、ＩＣＨカプラ巻線１３０の螺旋性は、波の分極化によりヘリコン様周波数で第１の段１３２内の電子が加熱されるがＩＣＨ周波数で主として第２の段１３１内のイオンが加熱されるように構成されるように、第１の段に示すヘリコン様カプラと反対であることが好ましい。磁石システムにより達成される静磁場の方向により、ＶＡＳＩＭＲに関連の条件での最適性能に向けてアンテナの相対的なピッチが決まる。

これらのシステムは、プラズマを生成、閉込、誘導、及び加速するのにＤＣ磁場に依存する。宇宙用途又は最小の電力消費量を必要とするあらゆる用途に対しては、この磁場は、一群の超電導電磁石によって生成される。超電導電磁石は、世界中で限られた数の会社が商業的に製造することができる。

ＶＡＳＩＭＲ磁石には、４つのサブアセンブリ、すなわち、（１）第１の段の磁石、（２）チョークコイル、（３）ＩＣＲＨ又はブースタ磁石、及び（４）ノズル磁石がある。これらの空間関連のシステムの設計には、管理可能な重量パッケージ内での熱的及び構造的問題の慎重な評価が必要である。地上用途は、それほど制限されたものではないと考えられ、水冷式とすることができるが、それでも経済的に実行可能な場合は、高度の宇宙関連の解決法を用いることができる。

ヘリコン磁石は、イオン化チャンバ壁部との最小プラズマ相互作用をもたらすように設計した磁石コイルの統合アセンブリである。小径化した熱遮蔽部を超電導電磁石設計に対して３００°Ｋ障壁として使用することによって、クライオスタットは、極低温熱管理システムを通じて磁石の極低温を処理することができる。ヘリコン磁場は、一般的に１テスラ未満であり、従って、磁石は、かなり長くかつ薄いとすることができる。２個の磁石は、チョーク磁石で結合した時、ヘリコンアンテナの近くに所要の磁場プロフィールを生成する。超電導電磁石では、一般的に、熱伝導率が低い壁体によりシステムの他の部分に取り付けることが必要である。

チョーク磁石は、システム内で最高の磁場を生成する短い環状構造体であり、用途に基づいて１テスラ又はそれよりも多くの磁場を生成することができる。この磁場には、（１）高位置の磁気ミラーによりＩＣＲＨからヘリコンプラズマを分離し、（２）ＲＦ吸収に向けて適切な密度でＩＣＲＨアンテナの内側に嵌めるようにプラズマ柱の狭小化を行うという２つの目的がある。チョーク磁石は、ＲＦブースタ磁石と協働して、イオンサイクロトロン波が吸収される磁気ビーチをもたらす。

ブースタ磁石は、強磁場でかなり平坦な軸線方向磁場プロフィールを生成するより長いソレノイド構造体である。ブースタ磁石は、ＩＣＲＨアンテナを封入するものであり、ヘリコン熱源により達成される加熱を超える付加的な加熱を必要とする用途に向けて流動中のプラズマ内のＲＦ波の十分な吸収を行うように設計される。

遷移コイルも、特定の用途に向けてプラズマ排出を調節するのに必要である場合がある。ＶＡＳＩＭＲの場合、遷移は、（１）効率的にイオンの垂直運動を軸線方向運動、及び従って有用な推力に変換し、かつ（２）ロケットに装着されたままである磁場の部分からプラズマ（及び磁場）の有効分離を可能にするのに十分な磁場の膨張をもたらす磁場を適切に成形するように磁気ノズルにより行われる。分離という題目に関してかなりの実験的研究が現在行われている。本発明者のモデルは、様々な近似値、条件、及び磁石形状でノズル性能を予測することができる。ノズル磁石は、適切な磁場成形を行う単一ユニットとして又は個別リングのアセンブリとして設計することができる。

プラズマ源設計を後押しする付加的な重要な要素は、システムの構成要素に接する磁場のアラインメントである。このアラインメントにより、プラズマ源構成要素の表面に対するプラズマ衝撃による加熱及び侵蝕が最小にされる。

幾何学形状の最適化を特定のガスに対して行う。ヘリコンアンテナでの磁場強度をイオン化チャンバのサイズと適合させる。ＶＡＳＩＭＲエンジン内での異なる燃料の使用を可能にする１つの選択肢は、イオン化チャンバを異なるガスのために寸法決めしたものと交換し、次に、新しいチャンバを適合するように磁場の幾何学形状を変え、次に、新しいガスに合わせて最適化するように全体的な磁場幾何学形状を調節することである。好ましい実施形態は、エンジン全体を特殊ガスに対して最適化しているが、異なるガスを使用するようにカートリッジ変更及び磁場調節が可能である。

下流側に高温プラズマを移動させることによって、ガス注入板／蓋をヘリコンアンテナに近づけることができ、使用する材料に対して柔軟性を得ることができる。高密度ガスは、イオンがガス注入板に衝突することを阻止する。ガス注入板を移動させると磁石が短くなり、宇宙用途に対してはエンジン全体の長さ及び重量が低減される。ガス注入板の位置の調節により、用途及びガス注入を使用する方法に基づいて、システムを通るガス流の特性を変えることができる。

イオン化の割合を高めるために非イオンガスをヘリコン内に保つ中実チョークは、用途の要件に基づいてセラミック、金属、又は他の材料で製造することができる。

ヘリコンアンテナ捩れ、長さ、及び直径は、ＡＡＲＣプラズマモデル、並びに物理学実証実験からの実験結果に直接に基づいた設計パラメータである。アンテナの効率的な作動も、磁場幾何学形状及びプラズマ密度に依存する。

推進剤枯渇の可能性は、比較的高温のプラズマが比較的低温の供給原料ガスから作り出されることによって引き起こされると考えられている。この状態は、低温ガスと比較されるプラズマのより高速の移送速度により容易にされる。一部の用途に対してこの影響を低減するために、推進剤を現在使用中の上流側軸線方向注入点から自力で流動させるのではなく、推進剤を必要とする位置に直接に推進剤を「強制給送」することができる。適切なガス注入により、イオン化経費を低減し、従って、一部の作動領域に対して効率を増大させることができる。

図１を参照すると、ガス又はプラズマ流１０１は、アンテナ１００中央部を通過する。ガス又はプラズマ流１０１に作用する磁石（図示せず）との作用のために、真空状態１０３が、ガス又はプラズマ流１０１とアンテナ１００の間に存在する。この真空状態１０３は、ターゲットガス１３４及びプラズマ１０１からの大部分の伝導及び対流を防止するものである。セラミック管又は誘電体管又はヒートパイプ（いずれも図示せず）は、真空状態１０３の空間の一部を占有する可能性があるが、本発明に不可欠なものではない。本発明の実施形態により、熱伝導材料１０４の層を金属リング１０２の表面に設置してアンテナ１００を形成する。より具体的には、アンテナを形成する方法は、まずアンテナの金属基板を形成して化学気相堆積法を用いて金属基板上にダイヤモンド層を積層するものであるとすることができる。他の熱伝導材料１０４には、水晶、窒化アルミニウム、上述の材料の組合せ、及び他の熱伝導性材料がある。金属基板１０２は、銅、銀、又は類似した又は優れた熱的性質及び電気的性質を有する一部の元素又は合金とすることができる。金属基板は、電気メッキにより熱伝導材料に結合させることができる。ストラップ電圧が低いので、ストラップは、非常に薄いとすることができる。ストラップを流れる電流は、できるだけプラズマに近いことが望ましい。

図７を参照すると、本発明の実施形態によるヘリコン全体の断面図が示されている。ヘリコンは、推進剤ガスの主な注入及びそのイオン化を処理するものである。真空容器１２１は、宇宙状態を模擬して絶縁真空状態を作成するものである。ヘリコン端板１２６は、ガス閉込管１２７の前端でガスを閉じ込める。ヘリコン端板支持体及び断熱ロッド１２４は、ヘリコンミラー板１２６の構造的支持及び断熱を提供する。推進剤供給管１２９は、ガスをガス閉込管１２７内に供給する。接地外側ジャケット内の被覆された同軸ＲＦ導体１２５は、ＲＦ電力をアンテナ１００に供給する。アンテナは、ターゲットガスに電力を誘導してプラズマを作成する。ヘリコン磁場コイル１２０は、ガス閉込管１２７中央部内に高温プラズマを保つ。熱ジャケット１２８は、熱を磁石１２０から遠ざけておくものであり、極低温とすることができる。金属チョーク１２３は、チョーク磁場コイル１２２によって生成するイオン化ガスを磁気チョークに通す。磁気チョークは、下流側にプラズマを生成するプラズマレンズとして機能し、この領域内でのＲＦ波の堆積を修正する。

図８をここで参照すると、本発明の実施形態によるヘリコン全体の断面図が示されている。この実施形態は、イオン化チャンバ１１５回りに環状管１０８を更に含むことによって図７のものと異なっている。ＲＦ適合冷却液は、流入口１１９から環状管１０８の間の空間を軸線方向に通って熱交換器への流出口１１６へ流れる。

統合熱管理
ＶＡＳＩＭＲは、熱を様々な温度範囲で除去すべきであるので設計者に対して熱に関する課題を呈する。サブシステムは、３つの異なる温度範囲、すなわち、高、中間、及び極低温を包含すると想定されている。

ＲＦ結合構造体の構成と熱管理とは、様々な能動的手段及び／又は受動的手段により達成することができる。ＲＦ回路によって生成される廃熱は、ＲＦの良好な導体である材料を使用することによって最小にすることができる。Ｌｉｔｚワイヤの改善したＲＦ導電率を利用するのに十分低い周波数に対しては、Ｌｉｔｚワイヤの断面にわたってＲＦ電流を振り分けることにより、ＲＦカプラのジュール加熱を最小にするためにＬｉｔｚワイヤの複数の巻き付けを使用して非常に高い効率をもたらすことができる。カプラの巻き付けによりアンテナのインダクタンスが決まり、第２の段の共振回路設計の残りの制御が可能である。

システムを取り囲む空気によるような対流冷却は、本発明のある一定の実施形態による一部のプラズマ源に対して可能な冷却選択肢である。しかし、このような従来の冷却は、一部の用途に対しては必ずしも適合又は利用可能なものではない。本発明の実施形態によるプラズマ源は、長パルス又は定常状態作動中にプラズマ源構成要素を能動的及び／又は受動的に冷却する代替解決法を含むことができる。

本発明の一実施形態では、金属アンテナは、単に化学気相堆積（ＣＶＤ）技術を用いてダイヤモンド膜層で少なくとも１つの表面を被覆する。従って、アンテナの金属部分は、熱を迅速にダイヤモンド層に通すことができるのでそれを保護することができる。水晶又は窒化アルミニウムのような他の材料を使用することもできるが、ダイヤモンドは、ガス流に供給中のＲＦエネルギに対する極めて高い熱伝導率及び透過性を含む固有の物理特性の組合せのために望ましいものである。アンテナから出る熱は、あらゆる形式の熱交換器を通じて遠隔処理することができる。

更に別の実施形態では、アンテナは、代替幾何学形状を有することができる。アンテナ全体は、ダイヤモンド又は他のＲＦ適合セラミックで製造した中空円筒内に組み込むことができ、アンテナは、様々な数のストラップ及び捩れを有することができ、アンテナは、ＬＩＴＺワイヤ織りで製造することができ、ストラップ自体は、矩形又は代替断面を有することができ、ストラップ上のあらゆる数の表面を熱伝導層で覆うことができる。

本発明の別の実施形態では、アンテナ１００は、熱伝導絶縁体１０４の層と交替する複数の金属基板層１０２を含むことができる。基板１０２及び熱導体１０４の厚みは、必要に応じて変えて、最適レベルの熱伝達及びガス流１３４へのエネルギの供給をもたらすことができる。電気絶縁層１０４を通る電圧は低いので、電気絶縁層１０４を非常に薄くすることができる。

更に別の実施形態では、アンテナは、代替幾何学形状を有することができる。アンテナ全体は、ダイヤモンド又は他のＲＦ適合セラミックで製造した中空円筒内に組み込むことができ、アンテナは、様々な数のストラップ及び捩れを有することができ、アンテナは、ＬＩＴＺワイヤ織りで製造することができ、ストラップ自体は、矩形又は代替断面を有することができ、ストラップ上のあらゆる数の表面を熱伝導層で覆うことができる。

熱伝導性電気絶縁材料１２７を通じた伝導冷却を用いた統合熱管理解決法を含む本発明の実施形態によるプラズマ源１００を図１６に示している。このような実施形態は、第１又は第２の段において流体冷却ループを使用せずに長パルス又は定常状態作動を必要とする用途に使用することができる。代替的な実施形態は、電気絶縁ガス閉込管１２７上に形成したＲＦ導体１０２の厚膜、システムから熱交換器に半径方向に廃熱を伝えるために適合材料１２７と熱結合した外側層を含むガス又はプラズマを加熱するＲＦアンテナを含むことができる。

ＲＦカプラの巻き付けに使用するマンドレル１３５の伝導冷却を用いた統合熱管理解決法を含む本発明の実施形態によるプラズマ源を図１７に示している。低い十分な周波数が得られるようにＬｉｔｚワイヤを使用して伝導のジュール加熱を最小にすることができ、従って、システムの熱性能が高める。このようなＬｉｔｚワイヤ実施形態を使用して、一般的に本発明の実施形態による２段プラズマ源の第２の段においてはパルス時間を延ばすことができる。外部熱交換器に廃熱を除去するＲＦ導体（例えばＬｉｔｚワイヤ）を支持する受動巻き付け及び熱管理構造体１３５を含み、プラズマ流内でのイオン加速のためのＲＦカプラを含む本発明の実施形態によるプラズマ源を図１７に示す。更に別の電気絶縁スリーブは、外部熱交換器への熱伝達に向けて半径方向の経路を追加するためにこの支持構造体と熱的に連通しているとすることができる。

「軽イオンヘリコンプラズマ源のモデル化を用いた比較実験」、プラズマの物理学、第９巻、第１２号、５０９７頁（２００２年）という名称の論文に示めされているように、ＲＦアンテナは、典型的には、主ガスチャンバの役目もする絶縁スリーブ内に統合された螺旋状熱伝導ストラップである。アンテナ導体は、能動的又は受動的に冷却してプラズマチャンバ自体からの抵抗性（Ｉ２Ｒ）電力損失及び熱逆浸透を除去することができる。回路抵抗損失が温度に依存するので、アンテナストラップをできるだけ低温に保つことが非常に望ましい。ＲＦ電力をプラズマに結合させる重要な性能パラメータは、「アンテナ負荷」と呼ばれる。その意味において、プラズマは、共振回路への望ましい抵抗性負荷を表している。

構造的支持及び導体冷却が他の方法で行われる場合、アンテナストラップは、不要に肉厚である必要はない。むしろ、電流は、本発明の実施形態では、ＲＦから導体面の１つの表皮深さ内にのみ伝播するので、伝導ストラップは、絶縁体基板上に文字通り「塗布する」ことができる。これらは、一般的に、絶縁体基板上に堆積する非常に薄い伝導ストラップを伴っている。本発明の実施形態により、プラズマの近くでアンテナ電流を最大にするために複数の層も考慮している。現時点では、窒化アルミニウムが、金を潜在的導体材料とする時の絶縁体基板の問題のない候補のように見える。アセンブリは、伝導熱伝達により受動的に冷却されるか、又は流動液体又はガスにより能動的に冷却することができる。材料問題は、これらの設計で極めて重要であり、その理由は、それらの作動温度が、Ｉ２Ｒ損失、並びにいわゆる損失正接、すなわち、材料自体により吸収されるＲＦ電力（最終的には同じく廃熱として終わる）の尺度に影響を与える可能性があるからである。

ＲＦ供給部１３６とＲＦ接地点１３８での再入可能な流体冷却ループとを含む統合熱管理解決法を含む本発明の実施形態によるプラズマ源１００を図１８に示している。上述の再入可能な冷却ループは、ループに入る冷却流体１４０、流体ループバック１３７、及び再流入部１３９を含む。この実施形態による熱的解決法は、ＲＦカプラ１００がＶＡＳＩＭＲ又は他の用途の高電力要件で長パルス又は定常状態が得られるように作動することを可能にするものである。本発明の実施形態によるプラズマ源は、熱交換器と流体連通している中空流体充填ＲＦカプラ１００を含み、上述の流体が循環して上述の熱交換器に廃熱を伝達する。この実施形態は、カプラの長パルス又は定常状態作動を可能にすることができる流体連通冷却解決法でプラズマとのＲＦ結合の強化が得られるように導体の２つの巻線を一体化するものである。

上述したようなアンテナは、他の熱源に対する付加的な熱防護が必要である場合がある。熱防護は、プラズマに入るＲＦエネルギと、熱防護構成要素のＲＦ損失とを最小にするように適合したものでなければならない。アンテナは、磁場によりイオン化プラズマから隔離することができるが、熱は、それでもアンテナへ放射される。時には、ヘリコン部位において、低温中性原子により高温イオンに電子を与えられる。得られる高温中性子は磁場による影響を受けないので、半径方向に進み、近くの構造体上にエネルギを堆積し、近くの構造体を加熱し、従って、浪費しなければ推進に使用されたと思われるエネルギを浪費する可能性がある。それに反して、ＶＡＳＩＭＲのＩＣＲＨアンテナは、何百万度ケルビンまでもプラズマを加熱することができるが、一般的に、この部位のプラズマは、完全にイオン化されるので、電子を提供する中性子が極めて少ないと共に、磁場から逃げる中性子が極めて少ない。ＲＦに対して適度に透過特性を有する管は、中性ガスを閉じ込めるためにプラズマ流とアンテナの間で同軸状に位置決めされ、放射熱の一部をアンテナから遠ざけることができる。別の可能な熱防護手段は、ヒートパイプの使用を伴っている。この場合、アンテナは、流体充填管内に埋め込まれており、流体が、アンテナからの熱を伝える。信号が接地によって逃げないように、ヒートパイプ内のアンテナを電気絶縁体内に埋め込むべきである。アンテナの熱防護手段は、アンテナからターゲットガス及びプラズマに進むＲＦエネルギを透過すべきである。

本発明の実施形態によるＲＦカプラを図１９に示しており、ＲＦカプラは、ＲＦ電気接続部（接地端１４４及び高電圧端１４５）、両方のＲＦ接続部を通じて熱を伝達することができる受動ヒートパイプシステム（第１のヒートパイプカプラストラップ１４１、第２のヒートパイプカプラストラップ１４２、及び凝縮器１４３）を含み、上述のヒートパイプは、廃熱を熱交換器に伝達する。このような熱的解決法は、冷却ループ経路にわたる高電圧接続が不要であり、ＲＦカプラ１００から支持放熱板又は熱交換器（図示せず）に戻す熱伝達をもたらす。

ＶＸ−１００として公知である本発明の一実施形態からの実験結果を図２０ａ及び図２０ｂに示している。この実施形態は、有効増幅器電源により制限されるＲＦ電力最大３０ｋＷまでの第１段イオン源、及びプラズマ流のイオン加熱の効果を試験する低電力第２段を使用したものである。アルゴンガスの中性供給原料をこれらの試験に向けてイオン化した。本発明のこの実施形態では、１テスラを超える磁場強度の高い第２段は、低ＲＦ電力で第２段の加熱効率を試験するために実行したものである。

イオン飽和電流を引き出す流出プラズマ流にわたって位置決めした１０個のプローブ（図示せず）のアレイを使用してＶＸ−１００実施形態のプラズマ流束を測定した。最大電力では、イオン流束は、１０²¹イオン／秒を超え、図２０ａに示すように注入中性ガスの１００％をイオン化すると推定された。図２０ｂは、第１段のＲＦ電力範囲に対してプラズマ流内の抽出イオン電子対当たりのエネルギコストを示している。本発明のこの実施形態に対しては、性能は、第１段の電力が高いほど高まる。この作動に対しては、７０ＧＨｚ密度干渉計は、診断法の基本的な遮断制限のために、プラズマ源出口のプラズマ流のプラズマ密度を確実に測定することができない。しかし、この干渉計周波数の遮断は、１０¹⁹ｍ^-3を超える第２の段出口でのプラズマ密度を示している。

本発明のＶＸ−１００実施形態のこれらの実験において、アルゴンイオンに対してプラズマ流との効率的なＩＣＨ結合も明らかにされた。効率の測定は、プラズマ負荷及び回路効率を隔離するためにプラズマ有り及びプラズマなしでの第２の段のＱ測定を用いて行った。結果を図２１に記載しており、周波数走査に関するアンテナ結合効率の測定値及び検査結果をプロットしている。また、図２１では、本発明のこの実施形態に対して第２段によるイオンエネルギブースト効率η_Bの計算結果を示している。このＶＸ−１００実施形態は、ＶＡＳＩＭＲエンジンに有用な７０％の設計目標を超える第２段システムの全体的効率を明らかにしている。この実施形態の第２段の計算は、電力を電子ではなくイオン内に優先して誘導することができることを示している。

ここで、イオン化チャンバ壁部に堆積される廃熱を除去する概念を示す。イオン化チャンバに送信されるＲＦ電力のかなりの割合は、プラズマの放射又は対流の形態でチャンバ壁部に堆積される。この熱は、材料温度を構造的一体性を維持するほど十分に低く保ち、かつガス閉込管（通常、セラミック）の損失正接を低く保つために除去すべきである。アンテナ１００をできるだけイオン化チャンバに近く設置すべきであるので、ガス閉込管の厚みは、事実上約１ｃｍに限定される。アンテナの長さに対して管に沿って軸線方向に熱を伝達することができると考えられる唯一の材料は、ダイヤモンドである。本発明の実施形態は、より実際的な解決法、すなわち、壁部が能動的に冷却されるイオン化チャンバである。図８に示すように、流体は、チャンバ回りの環状領域内に均一に流れを振り分けるために流入口１１９を通ってイオン化チャンバ１１５の上流側端部でマニホルド１１８に流れ込む。環状領域は、小さい間隙（２、３ミリメートル）を間に設けて同軸状に配向したＲＦに適合する誘電特性を有する２つの管１０８から成る。セラミック管１０８の厚みは、材料の強度、流体の圧力、及び内管１０８に対する熱負荷により支配される。

これらの管（一般的にセラミック）は、作動温度、熱伝導率、及び強度での低い損失正接を有することに基づいて選ばなければならない。流体は、次に、下流側マニホルド１１７に流れ込み、流出口１１６を通じてヘリコン部位を出て熱を除去する。

高電力ヘリコンアンテナ及び熱制御システムのこの革新的な組合せは、定常状態で達成不可能であったプラズマ質量流れ収量及び密度を可能にするものである。

流体は、ヘリコンアンテナとプラズマの間を進まなければならないので、流体は、損失正接も作動温度で低いものでなければならない。管の厚みを低減するために、流体は、蒸気圧及び粘性も作動温度で低いものでなければならない。シリコン油がこれらの要件を満たすことができるが、他の流体を使用することもでき、一部のヒートパイプ概念は可能であると考えられることが見出されている。

様々なアンテナ特性は、ＶＡＳＩＭＲとの使用に向けて試験された。ヘリコンアンテナの最適幾何学形状は、例えば、ガス流が中央部を通過する半捻り二重螺旋であると考えられる。電気絶縁アンテナを直列に接続することによって、付加的なプラズマ結合を必要に応じて取得することができる。初期のＩＣＲＨアンテナは、ガス流軸線に沿って互いから離間した一連の短い円筒管を一般的に含むものであったが、ヘリカルアンテナでは、多くの用途に対して最適ＩＣＲＨ性能が得られる。アンテナは、大きなものである必要はないが、使用周波数の良好な導体で形成すべきである。これらのアンテナは、アンテナを通るＲＦ電流により消散する熱及び他の可能な熱源のために、定常状態作動が得られるように冷却すべきである。流体ループ冷却法及びヒートパイプ冷却法のいずれも、用途に基づいて達成可能である。

図２を参照すると、ガス流又はプラズマ流１０１及び真空状態１０３は、同じくアンテナ１００の内側にある。本発明の実施形態により、複数の交互の金属１０２層及び熱伝導材料１０４層により、アンテナが形成される。機能的に、熱は、熱伝導材料層１０４を通じて金属層１０２（ＲＦエネルギを流れ１０１に供給）から伝導される。

図３を参照すると、本発明の実施形態により、熱は、金属層１０２から熱伝導材料層１０４を通じてアンテナ支持体１０５に伝導される。熱は、アンテナ部を通じて遠隔熱交換器１０６に供給される。

図４を参照すると、本発明の実施形態によるアンテナ１００の１つの可能な幾何学形状が示されている。４つのストラップ１０７は、支持を供給している２つの末端リング１０９を接続するように示されている。ストラップ１０７又は末端リング１０９の各表面は、熱伝導層で覆うことができる。使用するストラップ数を増すほど、結果的に電気負荷が増大する。

図５を参照すると、本発明の実施形態によるアンテナ１００の別の可能な幾何学形状が示されている。４つのストラップ１０７は、ダイヤモンド、水晶、又は別の熱伝導絶縁体で製造された中空円筒表面１０８に組み込まれている。ストラップの幾何学形状は、図４に示す幾何学形状と類似のものである。アンテナ１００は、一般的に、ガス又はプラズマが中央部を通ることを可能にする管形状である。単にストラップ上の薄いコーティングではなく熱伝導材料がストラップ間の間隙を埋める管を有することは、処理する熱負荷が大きいほど熱伝導材料が多いことを意味する。次に、熱の伝導をアンテナアームから迅速に行うことができるほど、アンテナが低温に保たれる。１つの製造方法は、誘電体管にエッチングすると共に誘電体管上に銅をスパッタリングして単層を作成するというものである。別の方法は、アンテナ金属基板を形成して化学気相堆積技術を用いて金属基板上にダイヤモンド層を積層するものというものである。複数の直径の管を製造することが可能であると考えられ、これは、それらを一方を他方の中に入れ子状に入れ、それらを電気メッキしてそれらを共に接合して単一の多層管を作成することを可能にする。

図６を参照すると、本発明の実施形態によるアンテナ断面図が示されており、４つのストラップ１０７の各々は、熱伝導管１０８内に埋め込んだ金属層１０２及び熱伝導層１０４で構成されている。図６は、全ての４つの側が熱伝導層１０４で覆われている矩形断面のストラップを示している。他の本発明の実施形態は、選択した表面上で熱伝導層１０４だけで覆ったストラップ１０７を含むことができる。本発明の実施形態により、熱伝導層１０４及び熱伝導管１０８は、同じ材料又は異なる材料とすることができる。例えば、一実施形態では、熱伝導層１０４は、ＣＶＤダイヤモンドから作られ、管１０８は、水晶から作られる。熱伝導層１０４及び熱伝導管１０８のいずれも、アンテナ１０２から熱交換器（図示せず）に伝熱する。

図９は、イオン化チャンバを取り囲むヒートパイプの縦断面図である。プラズマ１０１は、熱交換器１０６の近くの凝縮器端部にあるヒートパイプに接近している。プラズマ１０１は、アンテナ１０２を通過するまで、ヒートパイプの内壁部１１３の近くを流れる。アンテナ１０２は、芯１１２内に組み込まれている。アンテナは、信号が接地により逃げないように絶縁すべきである。任意的に、アンテナは、伝達する更に別の機能に対しては、誘電体コーティングを通る伝導により熱を伝達する付加的な機能が得られるようにＣＶＤダイヤモンド又は他の誘電体の層で被覆することができる。ＩＣＲＨアンテナ１０２の下流側で、プラズマ１０１は、その最高温度に到達し、ヒートパイプの蒸発器端部に放熱する。プラズマからの熱により、芯１１２内の液体作業流体が蒸発して蒸気として真空気密エンベロープ１１１に引き込まれる。

作業流体は、ヒートパイプの凝縮器端部での比較的低い圧力に引き込まれ、そこで、作業流体は、再度、液体１１０に凝縮して芯１１２を入る。矢印は、ヒートパイプ内の作業流体の流れを示している。作業流体は、アンテナを通じて伝達されるＲＦエネルギを透過すべきであるので、アンモニア及び窒素が適切な選択である。

図１０は、芯１１２内に埋め込んだＩＣＲＨアンテナ１０２の軸線方向断面図を示している。図１０に示すアンテナは、簡単なリング型アンテナであるが、他の形状を使用することもできる。同じか又は類似のヒートパイプ内でヘリコンアンテナを冷却することも可能であると考えられる。

本発明の別の実施形態では、アンテナは、熱交換器に熱を伝えるヒートパイプを含む。この場合、アンテナは、中空断面を有し、芯を内側に有する流体充填管を含み、作業流体は、アンテナから熱交換器に熱を伝える。プラズマからの熱により、芯１１２内の液体作業流体が蒸発して蒸気として真空気密中空内部１１１に引き込まれる。蒸気作業流体は、ヒートパイプの凝縮器端部での比較的低い圧力に引き込まれ、そこで、蒸気作業流体は、再度、液体に凝縮して芯を入る。図１１は、ヒートパイプとして機能することができるアンテナアーム１０７（ヘリコン又はＩＣＲＨアンテナからのような）の軸線方向断面図を示しており、上述のアンテナアームは、芯１１２と、上述のアンテナアーム１０７を通じて熱交換器に軸線方向に熱を伝える作業流体とを収容する中空内部１１４を有する。廃熱は、芯１１２内の液体作業流体にアンテナアーム１０７によって伝達され、作業流体は、蒸発してアンテナアーム１０７の中空内部１１４を通じて軸線方向に熱交換器まで流れ、そこで、上述の作業流体は凝縮する。凝縮作業流体は、次に、毛細管作用により反対方向に軸線方向に流動して芯１１２を通り、サイクルが完了する。この実施形態は、実行するのに実際的なものであり、その理由は、伝播がアンテナの表面でのみ行われ、内部構成要素により妨害されないので、芯及び作業流体は、ＲＦ適合品でなくてもよいからである。多くのアンテナ幾何学形状を用いることができる。

本発明の実施形態は、多くの場合にＶＡＳＩＭＲエンジンの関連で説明したが、本発明は、遥かに広い潜在的用途を有し、プラズマの効率的な生成が望ましいあらゆる状況で有用とすることができることを認めるべきである。

以上の明細書では、本発明の実施形態を実施毎に変化する場合がある多くの特定の詳細に関連して説明した。従って、本発明の内容及び本出願人が意図する本発明を唯一かつ独占的に示すものは、あらゆるその後の補正を含み、請求項が出される特定の形式にある本出願から出される請求項の組である。このような特許請求の範囲に含まれる用語に対して本明細書で明示的に定めたあらゆる定義は、特許請求の範囲において用いるそのような用語の意味を支配するものとする。従って、特許請求の範囲に明示的に記載されていないいかなる制限、要素、特性、特徴、利点、又は属性も、あらゆる点でこのような特許請求の範囲を制限すべきではない。従って、本明細書及び図面は、制限的な意味ではなく例示的に考えるものとする。

１２０ 磁石
１３０ ＲＦカプラ
１３１ ＩＣＨ第２の段
１３２ ヘリコン様第１の段

Claims (85)

1. ＲＦカプラ、
   を含むことを特徴とする、ＲＦベースの非グリッド式プラズマ源。
2. 流動するプラズマ流れの抽出、及びそれらの流れの空間及びエネルギ分布の調節に適することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ源。
3. 付加的なＲＦ加熱を用いて抽出プラズマのエネルギ分布を調節する段階、
   を含むことを特徴とする、プラズマ源を作動させる方法。
4. 前記エネルギ分布は、イオンに影響するように選択的に調節されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記エネルギ分布は、電子に影響するように選択的に調節されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. ２つの流れを形成するためのプラズマ源の両端からの同時抽出を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
7. 全プラズマ流束を制御する段階を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
8. イオン化分率を制御する段階を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
9. 空間分布を制御する段階を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
10. 流動するプラズマの前記エネルギ分布を制御する段階を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
11. 材料表面改質の段階を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
12. 前記エネルギ分布は、材料試験に向けて選択的に調節されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
13. 前記エネルギ分布は、廃棄物分解に向けて選択的に調節されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
14. 流入口と、上流側マニホルドと、流出口と、ＲＦ電力がチャンバ内側のプラズマに結合することを可能にする適度にＲＦ透過性のガス閉込管とを含むイオン化チャンバを含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ源。
15. 下流側にチョーク制限部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ源。
16. プラズマ流れは、より高い磁場強度の領域を通して誘導することができることを特徴とする請求項１５に記載のプラズマ源。
17. 第１の段及び第２の段を含むことを特徴とする請求項１６に記載のプラズマ源。
18. ＩＣＨを用いて前記プラズマ流れのエネルギの含量及び分布を修正するための手段を含むことを特徴とする請求項１７に記載のプラズマ源。
19. 前記エネルギ含量及び分布は、軽イオン種に対して修正されることを特徴とする請求項１８に記載のプラズマ源。
20. 前記エネルギ含量及び分布は、重イオン種に対して修正されることを特徴とする請求項１８に記載のプラズマ源。
21. ヘリコン様第１の段と、
    ＩＣＨ第２の段と、
    ＲＦカプラと、
    磁石と、
    を含むことを特徴とするプラズマ源。
22. 前記第１の段及び第２の段は、統合されていることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
23. 前記カプラは、半捻り二重螺旋幾何学形状を有することを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
24. 前記第２の段は、高い磁場強度で作用することを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
25. プラズマ生成の領域とプラズマ流れが更に下流側で利用される領域との間の磁力線に沿ったプラズマ衝撃の制御のための手段を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
26. 前記ＲＦカプラの電磁性能に関連した電力及びイオン化の効率の最適化のための手段を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載のプラズマ源。
27. 静的磁気遮蔽を用いてこれらの構造的構成要素に対するイオン衝撃を制御するための手段を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載のプラズマ源。
28. 前記第１の段は、ヘリコン様システムを含み、
    ＲＦ電界の集中パターンが、軸線方向不均一性を有する領域に生成される、
    ことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
29. 前記第１の段は、軸線方向かつ中心近くに局在化した高電界の領域を自己矛盾なく作成することを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
30. 磁場幾何学形状が、前記第１の段の下流側で強化されることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
31. ＲＦ電界が、プラズマ内の加熱電子の流入ガス流との相互作用を自己矛盾なく最大化しながらＲＦ結合を同時に最適化する方法で自然発生プラズマに入ることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
32. 磁場強度がより高いチョーク領域を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
33. 前記カプラは、前記チョーク領域下で下流に前記ＲＦ電界を集中させるように設計されることを特徴とする請求項３２に記載のプラズマ源。
34. 中立流れの最適かつ制御されたイオン化が、前記ＲＦカプラの設計を磁場幾何学形状と適合させることによって前記チョーク領域に流動するプラズマを形成することを特徴とする請求項３２に記載のプラズマ源。
35. 前記磁石は、超電導磁石コイルを含むことを特徴とする請求項３２に記載のプラズマ源。
36. 前記磁石は、従来の磁石コイルを含むことを特徴とする請求項３２に記載のプラズマ源。
37. 前記磁石は、永久磁石を含むことを特徴とする請求項３２に記載のプラズマ源。
38. １３．５６Ｍｈｚ未満の周波数で作用するイオン化段を含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
39. プラズマ内のイオンとＲＦ波の間のイオンサイクロトロン共振相互作用に基づく第２のＲＦ技術を用いて前記第２の段においてイオンエネルギ分布を修正するための手段を含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
40. ＤＣ電力をＲＦ電力に変換する半導体増幅器を含むことを特徴とする請求項３８に記載のプラズマ源。
41. 前記ＲＦカプラは、電気絶縁構造体の回りに螺旋模様で巻き付けられた伝導性の高い材料の層を含むアームを含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
42. 前記ＲＦカプラは、望ましい最終プラズマ状態に対して最適化された幾何学形状のＲＦ導体の付加的な巻き付けを含むアームを含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
43. 前記ＲＦカプラのアームの螺旋ピッチの方向、ＲＦ作動周波数、及び前記磁石によって発生した静磁場の方向が、ＲＦ電力が主としてプラズマ内の正電荷粒子に結合するように最適化されることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
44. 第２のＲＦカプラを含み、前記ＲＦカプラのアームの螺旋ピッチの方向は、該第２のＲＦカプラのアームの螺旋ピッチの方向と反対であることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
45. チャンネルを有する電気絶縁巻線マンドレル１２７、
    を含むことを特徴とするＲＦカプラ。
46. 前記ＲＦカプラのアームが、高導電率導体を含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
47. 前記ＲＦカプラのアームが、Ｌｉｔｚワイヤを含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
48. 前記ＲＦカプラのアームの導体が、電気絶縁マンドレルのチャンネル内に巻かれることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
49. 前記ＲＦカプラのアームは、中空配管を含むことを特徴とする請求項４８に記載のプラズマ源。
50. 前記ＲＦカプラのアームは、Ｌｉｔｚワイヤを含むことを特徴とする請求項４８に記載のプラズマ源。
51. ＲＦ送信機と、インピーダンス整合回路と、伝送線とを含むＲＦサブシステムを含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
52. １キロワットの電力まで可能な「金属酸化物珪素電界効果トランジスタ」モジュールを含むＲＦサブシステムを更に含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
53. 「金属酸化物珪素電界効果トランジスタ」モジュールは、異なる周波数で前記第１の段及び前記第２の段を駆動することを特徴とする請求項５２に記載のプラズマ源。
54. 調節済み伝送線及び中間整合回路を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
55. 前記調節済み伝送線は、整合処理を助けるインピーダンス特性を有する接地外側ジャケットに覆われた絶縁高圧同軸中心導体を含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
56. 異常なＲＦ結合条件の発生時の自動停止のための手段を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
57. ＲＦエネルギが、単一のイオン通過で送出されることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
58. 前記カプラは、小さい物理的分離を有して誘電体上に取り付けられることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
59. 前記カプラは、浮動接地を有することを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
60. 前記カプラは、ファラデーシールドを有することを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
61. 前記カプラは、ワイヤを内面から外面までルーティングするＬｉｔｚワイヤ織布を含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
62. 前記カプラは、電気絶縁体基質に埋め込まれた非常に薄いアンテナストラップの放射状の層状部を含むことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ源。
63. ＲＦ結合システムと、
    磁場と、
    ガス注入システムと、
    真空気密ＲＦ透過性ガス閉込管と、
    を含むことを特徴とするプラズマ源。
64. 前記ＲＦ結合システムは、流体冷却式ＲＦカプラを含むことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
65. プラズマ流れ内のイオンを加速するための第２の段を更に含むことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
66. 前記ＲＦ結合システムは、ＲＦカプラを含み、
    前記ＲＦカプラでの磁場強度に対する磁場強度の比が２よりも大きいチョーク点、
    を更に含むことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
67. 前記ＲＦカプラでの前記磁場強度に対する前記チョーク点での前記磁場強度の前記比は、約４又は５よりも大きいことを特徴とする請求項６６に記載のプラズマ源。
68. 前記磁場は、（１）第１の段の磁石、（２）チョークコイル、（３）ＩＣＲＨ又はブースタ磁石、及び（４）ノズル磁石である４つのサブアセンブリを含む磁石によって形成されることを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
69. イオン化チャンバを更に含み、
    ヘリコンアンテナでの前記磁場の強度が、前記イオン化チャンバのサイズに合わせられる、
    ことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
70. 前記イオン化チャンバは、モジュール式であり、かつ異なるガスに対して寸法決めされたイオン化チャンバと交換可能であり、
    前記磁場の幾何学形状は、前記新しいイオン化チャンバに対して調節することができる、
    ことを特徴とする請求項６９に記載のプラズマ源。
71. セラミックで作られた中実チョークを更に含むことを特徴とする請求項６６に記載のプラズマ源。
72. 金属で作られた中実チョークを更に含むことを特徴とする請求項６６に記載のプラズマ源。
73. 下流側に直接推進剤を強制給送するための手段を更に含むことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
74. 前記イオン化チャンバと、該イオン化チャンバ回りに位置決めされた環状管と、該イオン化チャンバと該環状管の間の空間と流体連通している流入口と、該イオン化チャンバと該環状管の間の該空間と流体連通している熱交換器と、該流入口から該イオン化チャンバと該環状管の間の該空間を軸線方向に通って該熱交換器まで流れるＲＦ適合冷却流体とを含む流体冷却回路を更に含むことを特徴とする請求項６９に記載のプラズマ源。
75. 前記冷却流体は、適切なヒートパイプ作業流体であり、
    前記イオン化チャンバと前記環状管の間の前記空間に取り付けられてヒートパイプを形成するヒートパイプ芯、
    を更に含むことを特徴とする請求項７４に記載のプラズマ源。
76. ａ．真空気密である中空内部と、
    ｂ．熱を移送することができる流体と、
    を含むＲＦカプラを含み、
    前記流体は、前記中空内部を通して循環し、熱交換器に廃熱を移送する、
    ことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
77. 前記カプラは、導体の２つの巻線を含むことを特徴とする請求項７６に記載のプラズマ源。
78. 熱伝導層を含むストラップを含むＲＦカプラを含むことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
79. 熱伝導中空円筒表面に埋め込まれたストラップを含むＲＦカプラを含むことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
80. 前記中空円筒表面は、ダイヤモンドを含むことを特徴とする請求項７９に記載のプラズマ源。
81. 前記中空円筒表面は、水晶を含むことを特徴とする請求項７９に記載のプラズマ源。
82. 前記ストラップの表面が、ダイヤモンドコーティングを有することを特徴とする請求項８１に記載のプラズマ源。
83. セラミック放熱板を更に含み、
    前記ＲＰ結合システムは、前記セラミック放熱板と熱的に連通した銀アンテナを含む、
    ことを特徴とする請求項６３に記載のプラズマ源。
84. ＲＦカプラを製造する方法であって、
    誘電体管をエッチングする段階と、
    その上に銅をスパッタリングして層を作成する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
85. 前記誘電体管を入れ子状に嵌めることを可能にする直径の付加的な誘電体管を製造する付加的な段階と、
    前記誘電体管を電気メッキして単一の多層管を作成する付加的な段階と、
    を含むことを特徴とする請求項８３に記載の製造する方法。

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