JP2015076253A - 小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構 - Google Patents
小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】マイクロ波を導入するための同軸線路に使用されている誘電体の金属コンタミからの保護を限られたサイズの空間内で実現することが可能な小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構を提供する。【解決手段】誘電体保護機構１は、第一の同軸線路Ａ、プラズマ生成室内に配置されたアンテナ部Ｄ、第一の同軸線路Ａを介してマイクロ波電源から伝送されてくるマイクロ波をアンテナ部Ｄへ伝送する誘電体を有しない第二の同軸線路Ｃ、第一の同軸線路Ａと第二の同軸線路Ｃとの間に設けられ、プラズマ生成室から直接的に誘電体２５が見えないように遮蔽する遮蔽部材２１を備えた誘電体保護部Ｂを備えて構成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構に関し、さらに詳しくは、極めて厳しい小型・軽量化が求められる小型衛星等でミッション遂行のために必要な軌道制御を遂行するためのマイクロ波放電式イオンスラスタにおいて、マイクロ波を導入するための同軸線路に使用されている誘電体を金属コンタミからの保護とマイクロ波の高伝送効率化を限られたサイズの空間内で実現することが可能な小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構に関する。
イオンスラスタ（Ion Thruster）は、推進剤、例えば、キセノンガスを直流放電やマイクロ波放電によってプラズマ化し、プラズマ化した陽イオン（キセノンイオン）に電圧をかけて放出することにより推力を得る電気推進システムであり、人工衛星等の軌道制御や姿勢制御に利用されている。イオンスラスタの方式の１つであるマイクロ波放電式イオンスラスタについて以下に説明する。
マイクロ波放電式イオンスラスタ１００の概略構成を図３に示す。推進剤貯蔵タンク７にはキセノンガス等の推進剤が高圧で貯蔵されており、推進剤は配管９を介して一旦低圧タンク１０に送られ、さらに低圧タンク１０からスラスタバルブ１２を介してイオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａへ送られるようになっている。推進剤貯蔵タンク７と低圧タンク１０との間の配管９には圧力調整用の調圧バルブ８が配置され、また、スラスタバルブ１２の上流側には推進剤の流量を制御する流量制限器１１が配置されている。そして、配管９はイオン源３及び中和器５にそれぞれ連通されている。
一方、イオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａには同軸線路１４によってそれぞれマイクロ波電源１３と接続されており、マイクロ波電源１３で発生させたマイクロ波が同軸線路１４を介してプラズマ生成室３ａ，５ａへそれぞれ供給されて推進剤がプラズマ化される。
イオン源３には、プラズマ生成室３ａで生成されたイオンを加速するイオン加速部４が設けられており、このイオン加速部４はスクリーングリッド４ａと、アクセルグリッド４ｂを備えている。スクリーングリッド４ａはプラズマ生成室３ａ側に面して配置されており、このスクリーングリッド４ａは直径約０．５程度の開口（ホール）は多数穿設されたメッシュ状の部材である。また、スクリーングリッド４ａと隣接して配置された外側のアクセルグリッド４ｂは、スクリーングリッド４ａのホール径の半分程の孔径（直径０．２５ｍｍ程の開口（ホール））が多数穿設されたメッシュ状の部材である。そして、このスクリーングリッド４ａとアクセルグリッド４ｂのホール中心が合致するように相互に位置決めされて配置されている。スクリーングリッド４ａのホールサイズはアクセルグリッド４ｂのホールサイズよりも大きく形成されているが、これは開口面積比率を高めて多数のイオンを抽出し外部に加速・放出するためである。尚、アクセルグリッド４ｂの後方にもう１枚のグリッド（ディセルグリッド）を設ける場合もある。
そして、スクリーングリッド４ａには電源ユニット６からプラスの電圧を印加し、アクセルグリッド４ｂには電源ユニット６からマイナスの電圧を印加することにより、プラズマ化されたプラスのイオンがアクセルグリッド４ｂの静電力によって引き寄せられて加速され、イオンビームとして外部へ放出される。
一方、プラスのイオンだけを放出していると人工衛星側がマイナスに帯電し、せっかく放出したプラスのイオンが人工衛星側に戻ってきてしまって推力にならなくなってしまうことから放出されるイオンビームと同量の電子によってイオンビームを電気的に中和し、イオンスラスタの帯電を防止するために中和器５が設けられている。そのため、中和器５にも推進剤を供給して電源ユニット６によってマイナスの電圧が印加されるようになっている。中和器５のプラズマ生成室５ａで生成されたプラスのイオンの一部は電子と一緒に放出されるが、残りのプラスのイオンはイオン源３のプラズマ生成室３ａから運ばれた電子と結合して再び中性のキセノンに戻り、さらにマイクロ波電源１３から供給されるマイクロ波によって再びプラズマ化されてリサイクルされる。
近年では、衛星について極めて厳しい小型・軽量化が求められており、特に小型衛星等でミッション遂行のために必要な軌道制御を遂行するためのイオンスラスタでは、例えば、特許文献１に示すように、各コンポーネントのさらなる小型化が要求されている。
マイクロ波放電式イオンスラスタは、プラズマ生成室に推進剤（例えば、キセノンガス）とマイクロ波を供給することによってプラズマを生成する。このマイクロ波はマイクロ波電源から同軸線路によりプラズマ生成室に導入されるが、マイクロ波によってプラズマ化されたキセノンイオンが金属製のプラズマ生成室の内壁に衝突する。この衝撃によって僅かに飛散した微細な金属粒が同軸線路で使用されている誘電体に付着することにより誘電体が金属コンタミ（contamination）を受けるとマイクロ波導入効率が低下するおそれがある。金属コンタミが進行すると、プラズマ生成に十分なマイクロ波を供給することができなくなり、スラスタの寿命を縮める要因となる。また、従来の大型サイズのマイクロ波放電式イオンスラスタにおいては、放電室のサイズが十分に大きく、同軸線路をプラズマ生成部から離して設計することができるので誘電体の金属コンタミの影響を十分に小さくすることが可能であった。しかし、極めて厳しい小型・軽量化が求められる小型のマイクロ波放電式イオンスラスタにおいては、極度な小型化のために同軸線路をプラズマ生成部から離して設計することは不可能であった。
同軸線路における誘電体の金属コンタミを防ぐ１つの方法としては、金属コンタミの発生箇所であるプラズマ生成部と誘電体の間に金属製の保護機構（例えば、金属コンタミを遮る板など）を設けることである。十分な空間があれば保護機構があってもマイクロ波伝搬効率を低下させることのない線路の設計も可能であるが、極めて限られた空間内にこのような保護機構を設置しようとするとマイクロ波の伝搬が阻害され、プラズマの生成性能、及び、イオンスラスタの性能が低下する要因となることから小型イオンスラスタにおいてはそのような機構を採用することは難しい。
一方で、小型衛星においては、極めて厳しい小型・軽量化が求められることから、一つの機器に複数の機能を持たせることによって機器の削減が図られている。そして、マイクロ波電源からマイクロ波の伝送効率を高めることができれば小型衛星における省電力化のみならず、さらなる小型・軽量化に資することになる。
そこで、本発明は、かかる従来の技術における問題点に鑑みなされたもので、極めて厳しい小型・軽量化が求められる小型衛星等でミッション遂行のために必要な軌道制御を遂行するためのマイクロ波放電式イオンスラスタにおいて、マイクロ波を導入するための同軸線路に使用されている誘電体の金属コンタミからの保護を限られたサイズの空間内で実現することが可能な小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構を提供することを目的とする。
また、本発明は、限られたサイズの空間内において小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構にさらにマイクロ波の高伝送効率化の機能を持たせることにより小型・軽量化に反することのない高性能な小型イオンスラスタを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明は、内部導体と外部導体の間に誘電体が配置された同軸線路を介して伝送されるマイクロ波をアンテナ部から放射することによって前記プラズマ生成室内に供給された推進剤をプラズマ化するに際して、前記誘電体を金属コンタミから保護する小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構において、前記同軸線路によって形成された第一の同軸線路と、前記プラズマ生成室内に配置されたアンテナ部と、前記第一の同軸線路を介して伝送されてくるマイクロ波を前記アンテナへ部伝送する誘電体を有しない第二の同軸線路と、前記第一の同軸線路と前記第二の同軸線路との間に設けられ、前記プラズマ生成室から直接的に前記誘電体が見えないように遮蔽する遮蔽部材を備えた誘電体保護部とを備えていることを特徴とする。
上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の誘電体保護機構において、前記誘電体保護部及び前記アンテナ部の特性インピーダンスを前記第一の同軸線路及び前記第二の同軸線路の特性インピーダンスと異ならせると共に、前記第二の同軸線路の長さを調整することにより、前記第一の同軸線路を介して伝送されて前記誘電体保護部によって反射されるマイクロ波と、前記誘電体保護部を透過して前記アンテナ部によって反射されてさらに前記誘電体保護部を透過するマイクロ波によって前記誘電体保護部を共振させることにより前記アンテナ部に強い電場を生じさせることを特徴とする。
上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構を備えたことを特徴とするイオンスラスタを提供する。
本発明に係る小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構によれば、同軸線路内に誘電体保護部を設けることにより、限られたサイズの空間内で誘電体を金属コンタミから保護することができるので、長期にわたりプラズマ生成に十分なマイクロ波を供給することができると共に、イオンスラスタの寿命をこれまでよりも伸ばすことができるという効果がある。
また、本発明に係る小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構によれば、第二の同軸線路の長さを適宜に調整することにより誘電体保護部を共振させてアンテナ部に強い電場を生じさせることができるのでマイクロ波電源が低出力であってもプラズマ化に必要なマイクロ波を供給することができるという効果がある。従って、イオンスラスタの小型化、ひいては衛星等の小型化に貢献することができるという効果がある。
以下、本発明に係る小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る誘電体保護機構を示す構成図である。尚、従来のイオンスラスタと同様の構造部分については図３と同じ符号で示しその説明は省略する。
小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構（以下、単に「誘電体保護機構」という。）１は、先端側がプラズマ生成室３ａ，５ａ内に位置するようにして配置されたアンテナ２０と、アンテナ２０の後端（図１の左端）に同軸に接続された導電性に優れた導体２２ａと、導体２２ａと同軸にして導体２２ａの後端に接続された遮蔽部材２１と、さらに、遮蔽部材２１と同軸にして遮蔽部材２１に接続された導電性に優れた導体２２ｂと、導体２２ａ、２２ｂ及び遮蔽部材２１の周囲に配置され外被導体２４と、導体２２ｂと外被導体２４との間に充填された誘電体２５を備えて構成されている。
アンテナ２０は、イオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａ内に供給された推進剤をマイクロ波電源１３によって発生させたマイクロ波を放射して推進剤をプラズマ化する。アンテナ２０は、筒状又は柱状のチタンやステンレス等の金属材料によって形成されている。一方、プラズマ生成室３ａ，５ａは、モリブデン、チタン等の金属材料によって形成されている。尚、アンテナ２０はアンテナ部Ｄを構成する。
遮蔽部材２１と同軸に接続された導体２２ｂは、誘電体２５を挟んで周囲に外被導体２４が配置されており、導体２２ｂ、誘電体２５及び外被導体２４によって第一の同軸線路Ａを形成している。誘電体２５は、例えば、テフロン（登録商標）等のフッ化樹脂や合成樹脂によって形成されている。
アンテナ２０の後端に接続された導体２２ａは、所定の空間２３ａを隔てて周囲に外被導体２４が配置されており、導体２２ａ、空間２３ａ及び外被導体２４によって第二の同軸線路Ｃを形成している。
遮蔽部材２１は、外被導体２４の内部に形成された空間２３ｂ内に配置され、導体２２ａ，２２ｂとそれぞれ同軸に接続されている。そして、遮蔽部材２１は、プラズマ生成室３ａ，５ａから直接的に第二の同軸線路Ｂの誘電体２５が見えないような大きさ及び形状に形成され、プラズマ生成室３ａ，５ａにおけるプラズマ化の際に発生する微細な金属粒が第二の同軸線路Ｂの誘電体２５に至らないように遮蔽する。そのため、空間２３ｂは、空間２３ａよりも相対的に大きな径を備えて形成されている。尚、遮蔽部材２１は、例えば、銅などの金属材料によって形成されている。
上述したように、誘電体保護機構１は、導体２２ｂ、誘電体２５及び外被導体２４によって構成される第一の同軸線路Ａと、空間２３ｂ、遮蔽部材２１及び外被導体２４によって構成される誘電体保護部Ｂと、導体２２ａ、空間２３ａ及び外被導体２４によって構成される第二の同軸線路Ｃと、アンテナ２０によって構成されるアンテナ部Ｄとにより区分されている。尚、第一の同軸線路Ａは、図３に示した同軸線路１４の一部または全部に相当する。そして、空間２３ｂ内に配設された遮蔽部材２１によって、プラズマ生成室３ａ，５ａ内へのマイクロ波の放射に伴って発生した微細な金属粒が空間２３ａ，２３ｂを通じて第一の同軸線路Ａの誘電体２５に付着することを防止する。この結果、誘電体２５の金属コンタミが防止されるのでマイクロ波導入効率を低下させることがない。
一方、発明者らは、上述した誘電体保護機構１において、第二の同軸線路Ｃの長さを適宜調整することにより、第一の同軸線路Ａを介して伝送されて誘電体保護部Ｂによって反射されるマイクロ波と、誘電体保護部Ｂを透過してアンテナ部Ｄによって反射されてさらに誘電体保護部Ｂを透過するマイクロ波によって誘電体保護部Ｂを共振させることによりアンテナ２０に強い電場を生じさせることを見出した。すなわち、銅などの金属材料によって形成された遮蔽部材２１で囲まれた誘電体保護部Ｂをいわゆる共振器として利用するように構成することにより、アンテナ２０に強い電場を生じさせることができるのでマイクロ波の伝送効率を高めることができることを見出した。以下に説明する。
図３に示す構成において、マイクロ波電源１３によって発生させた、例えば４．２５ＧＨｚのマイクロ波は、同軸線路１４を介して図１に示す第一の同軸線路Ａの導体２２ｂに印加される。印加されたマイクロ波は、第一の同軸線路Ａから誘電体保護部Ｂへ進行するが、第一の同軸線路Ａの特性インピーダンスと誘電体保護部Ｂの特性インピーダンスを異ならせることにより、その一部は透過して下流（アンテナ２０側）へ進む透過波となり、他の一部は反射して上流（マイクロ波電源１３側）に返戻されて反射波となる。尚、特性インピーダンスの差が大きいほど反射は大きくなる。
イオン源３にプラズマが生成されていない状況においては、第二の同軸線路Ｃの特性インピーダンスとアンテナ部Ｄの特性インピーダンスを異ならせることにより透過波はアンテナ部Ｄで反射して逆方向、即ち上流方向へ進行する。この上流方向に進行したマイクロ波は第二の同軸線路Ｃから誘電体保護部Ｂへ進む際、第二の同軸線路Ｃの特性インピーダンスと誘電体保護部Ｂの特性インピーダンスが異なっていることにより一部が再度透過（透過波）し、他の一部は反射（反射波）する。この場合、反射波と透過波の振動位相が近ければ近いほど振幅が大きくなりアンテナ２０に強い電場が生じることとなる。つまり、誘電体保護部Ｂにおいて共振が発生する。そして、強い電場（共振）を生じさせるほどプラズマが効率的に生成されることとなる。この強い電場（共振）を生させるためには、第二の同軸線路Ｃの長さを調整することによって得ることができる。従って、任意の構造の誘電体保護部Ｂに対して、共振が得られるように第二の同軸線路Ｃの長さ（ｌｖ）を定めればマイクロ波の伝送効率をより高めることが可能となる。
ここで、図２は第二の同軸線路Ｃの長さを変化させたときの電場変化を電磁波数値計算により計算した特性図である。横軸は第二の同軸線路Ｃの長さ（ｌｖ；単位はｍｍ）、左側の縦軸は電流モード（Ａ２）、右側の縦軸は電場の強さ（Ｅ２ ａｖｅ）である。尚、第一の同軸線路Ａと第二の同軸線路の特性インピーダンスはそれぞれ５０Ωであり、誘電体保護部の特性インピーダンスは非５０Ωである。図３から明らかなように、第二の同軸線路部Ｃの長さ（ｌｖ）を変化させていくと、２．０ｍｍと３７．５ｍｍの２カ所で共振点Ａ１，Ａ２が得られている。この二つの共振点のうち、共振点Ａ１は短すぎるので共振点Ａ２が実用値となる。尚、プラズマ負荷状態ではマイクロ波の反射状態が異なるため適宜微調整が必要となる。
［実施形態の効果］
本実施形態に係る本発明に係る小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構によれば、マイクロ波の供給経路を第一の同軸線路Ａ、誘電体保護部Ｂ、第二の同軸線路Ｃ及びアンテナ部Ｄの４つの区分によって構成し、誘電体保護部Ｂによって金属コンタミから誘電体２５を保護することとしたので、限られたサイズの空間内で誘電体２５を金属コンタミから保護することが可能になり、長期にわたってプラズマ生成に十分なマイクロ波を供給することができ、しかもイオンスラスタの寿命をこれまでよりも伸ばすことができるという効果がある。
本実施形態に係る本発明に係る小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構によれば、マイクロ波の供給経路を第一の同軸線路Ａ、誘電体保護部Ｂ、第二の同軸線路Ｃ及びアンテナ部Ｄの４つの区分によって構成し、誘電体保護部Ｂによって金属コンタミから誘電体２５を保護することとしたので、限られたサイズの空間内で誘電体２５を金属コンタミから保護することが可能になり、長期にわたってプラズマ生成に十分なマイクロ波を供給することができ、しかもイオンスラスタの寿命をこれまでよりも伸ばすことができるという効果がある。
また、本実施形態に係る小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構によれば、第二の同軸線路Ｃの長さを適宜に調整することにより誘電体保護部Ｂを共振させてアンテナ部Ｄに強い電場を生じさせることができるので、マイクロ波電源の出力が低い場合であってもプラズマ化に必要なマイクロ波を供給することが可能となるという効果がある。この結果、イオンスラスタの小型化、ひいては衛星等の小型化に貢献することができるという効果がある。
１ 誘電体保護機構
３ イオン源
３ａ，５ａ プラズマ生成室
４ イオン加速部
４ａ スクリーングリッド
４ｂ アクセルグリッド
５ 中和器
６ 電源ユニット
７ 推進剤貯蔵タンク
８ 調圧バルブ
９ 配管
１０ 低圧タンク
１１ 流量制限器
１２ スラスタバルブ
１３ マイクロ波電源
２０ アンテナ
２１ 遮蔽部材
２２ａ，２２ｂ 導体
２３ａ，２３ｂ 空間
２４ 外被導体
２５ 誘電体
Ａ 第一の同軸線路
Ｂ 誘電体保護部
Ｃ 第二の同軸線路
Ｄ アンテナ部
３ イオン源
３ａ，５ａ プラズマ生成室
４ イオン加速部
４ａ スクリーングリッド
４ｂ アクセルグリッド
５ 中和器
６ 電源ユニット
７ 推進剤貯蔵タンク
８ 調圧バルブ
９ 配管
１０ 低圧タンク
１１ 流量制限器
１２ スラスタバルブ
１３ マイクロ波電源
２０ アンテナ
２１ 遮蔽部材
２２ａ，２２ｂ 導体
２３ａ，２３ｂ 空間
２４ 外被導体
２５ 誘電体
Ａ 第一の同軸線路
Ｂ 誘電体保護部
Ｃ 第二の同軸線路
Ｄ アンテナ部
Claims (3)
- 内部導体と外部導体の間に誘電体が配置された同軸線路を介して伝送されるマイクロ波をアンテナ部から放射することによって前記プラズマ生成室内に供給された推進剤をプラズマ化するに際して、前記誘電体を金属コンタミから保護する小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構において、
前記同軸線路によって形成された第一の同軸線路と、
前記プラズマ生成室内に配置されたアンテナ部と、
前記第一の同軸線路を介して伝送されてくるマイクロ波を前記アンテナ部へ伝送する誘電体を有しない第二の同軸線路と、
前記第一の同軸線路と前記第二の同軸線路との間に設けられ、前記プラズマ生成室から直接的に前記誘電体が見えないように遮蔽する遮蔽部材を備えた誘電体保護部と、
を備えていることを特徴とする小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構。 - 請求項１に記載の誘電体保護機構において、
前記誘電体保護部及び前記アンテナ部の特性インピーダンスを前記第一の同軸線路及び前記第二の同軸線路の特性インピーダンスと異ならせると共に、前記第二の同軸線路の長さを調整することにより、前記第一の同軸線路を介して伝送されて前記誘電体保護部によって反射されるマイクロ波と、前記誘電体保護部を透過して前記アンテナ部によって反射されてさらに前記誘電体保護部を透過するマイクロ波によって前記誘電体保護部を共振させることにより前記アンテナ部に強い電場を生じさせることを特徴とする小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構。 - 請求項１又は２に記載の小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構を備えたことを特徴とするイオンスラスタ。
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