JP2015097209A - イオンエンジン - Google Patents
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Abstract
Description
F=q(v×b)
上式において、qは荷電粒子の電荷、vは荷電粒子の運動速度、Bは磁場の磁束密度である。高周波交流磁場に重ね合わせられる直流磁場成分、ないしは、高周波交流電磁場に重ね合わせられる低周波交流電磁場成分が、コイルに囲繞された空間(即ちイオン化室の中)を運動する荷電粒子(即ち電子及びイオン)に作用することによって、それら荷電粒子は磁場の中で円形経路または螺旋形経路を取って運動するようになる。電子がこのように磁場の中で円形経路運動または螺旋形経路運動を行うようになると、その結果として、壁面へ向かう電子の運動が減少する(いわゆる「封じ込め現象」である)。また、イオン化室の内部から壁面や抽出グリッドアセンブリへと向かう電子の運動とイオンの運動とはアンバイポーラに発生するため、壁面へ向かう電子の運動が減少するのに伴って壁面へ向かうイオンの流束も減少する。このようにして、本発明に係るプラズマ発生装置によれば、荷電粒子が壁面に衝突する確率が顕著に低下し、ひいては、イオン及び/または電子が壁面において再結合する確率が顕著に低下する。一方、イオンのうち、その運動方向が意図した方向(イオンエンジンの場合であれば、軸心方向に平行な、抽出グリッドアセンブリへ向かう方向)であるイオンは、磁場の磁力線に平行な方向に運動しているため、重ね合わせられた直流磁場ないし低周波交流磁場のためにその方向への運動が阻害されることはない。
に、本発明に係るプラズマ発生装置によれば、イオン化室及びコイルアセンブリを適宜の設計とすることによって、イオン化室の中のプラズマの一様性を最適化することが可能となる。更に、本発明を用いることによって、イオン化室の中の所望の領域のプラズマ密度を上昇させることも可能である。尚、本発明を用いることによって、電子源から出力させる電子流を増大させることも可能である。
流電磁場をプラズマに作用させるようにしてもよい。
この中央開口27を貫通して、ハウジング底壁部分24の外部から内部へ、パイプ3が軸心方向に延在している。このパイプ3はイオン源2のハウジング20内で開口している。また、このパイプ3は、イオン源2の外部において作動流体の供給源(不図示)に接続されており、作動流体が(不図示の)供給装置を介して、このパイプ3を通ってイオン源2の中に供給される。従ってこのパイプ3は、イオン源2へ作動流体を供給するための作動流体供給配管30を構成するものである。
2 イオン源
3 パイプ
4 電気コイルアセンブリ
5 イオン化室
6 抽出グリッドアセンブリ
7 電子インジェクタ
8 イオン流
20 ハウジング
21 噴出口
22 ハウジング壁体
23 ハウジング第1円筒形部分
24 ハウジング底壁部分
25 ハウジング第2円筒形部分
26 ハウジング円錐台形部分
27 中央開口
28 断熱部
30 作動流体供給配管
40 巻線
60 正電位印加グリッド
62 負電位印加グリッド
F=q(v×b)
上式において、qは荷電粒子の電荷、vは荷電粒子の運動速度、Bは磁場の磁束密度である。高周波交流磁場に重ね合わせられる直流磁場成分、ないしは、高周波交流電磁場に重ね合わせられる低周波交流電磁場成分が、コイルに囲繞された空間(即ちイオン化室の中)を運動する荷電粒子(即ち電子及びイオン)に作用することによって、それら荷電粒子は磁場の中で円形経路または螺旋形経路を取って運動するようになる。電子がこのように磁場の中で円形経路運動または螺旋形経路運動を行うようになると、その結果として、壁面へ向かう電子の運動が減少する(いわゆる「封じ込め現象」である)。また、イオン化室の内部から壁面や抽出グリッドアセンブリへと向かう電子の運動とイオンの運動とはアンバイポーラに発生するため、壁面へ向かう電子の運動が減少するのに伴って壁面へ向かうイオンの流束も減少する。このようにして、本発明に係るイオンエンジンによれば、荷電粒子が壁面に衝突する確率が顕著に低下し、ひいては、イオン及び/または電子が壁面において再結合する確率が顕著に低下する。一方、イオンのうち、その運動方向が意図した方向(イオンエンジンの場合であれば、軸心方向に平行な、抽出グリッドアセンブリへ向かう方向)であるイオンは、磁場の磁力線に平行な方向に運動しているため、重ね合わせられた直流磁場ないし低周波交流磁場のためにその方向への運動が阻害されることはない。
2 イオン源
3 パイプ
4 電気コイルアセンブリ
5 イオン化室
6 抽出グリッドアセンブリ
7 電子インジェクタ
8 イオン流
20 ハウジング
21 噴出口
22 ハウジング壁体
23 ハウジング第1円筒形部分
24 ハウジング底壁部分
25 ハウジング第2円筒形部分
26 ハウジング円錐台形部分
27 中央開口
28 断熱部
30 作動流体供給配管
40 巻線
60 正電位印加グリッド
62 負電位印加グリッド
Claims (15)
- −イオン化室(5)を囲繞するハウジング(20)を備え、
−前記イオン化室(5)の中に開口した少なくとも1本の作動流体供給配管(30)を備え、前記イオン化室(5)は少なくとも1つの出口開口(21)を有しており、
−少なくとも1つの電気コイルアセンブリ(4)を備え、該コイルアセンブリは前記イオン化室(5)の少なくとも一部領域を囲繞しており、
−前記コイルアセンブリ(4)は高周波交流電流源(AC)に電気接続されており、該高周波交流電流源(AC)は前記コイルアセンブリ(4)の少なくとも1つのコイルに高周波交流電流を供給するように構成されている、
プラズマ発生装置において、
更なる電流源(DC)を備えており、該電流源は、直流電流または前記高周波交流電流源(AC)から供給される電流の周波数より低い周波数の交流電流を、前記コイルアセンブリ(4)の少なくとも1つのコイルに供給するように構成されている、
ことを特徴とするプラズマ発生装置。 - 該プラズマ発生装置はプラズマ源として構成されていることを特徴とする請求項1記載のプラズマ発生装置。
- 該プラズマ発生装置は電子源として構成されていることを特徴とする請求項1記載のプラズマ発生装置。
- 該プラズマ発生装置はイオン源として構成されていることを特徴とする請求項1記載のプラズマ発生装置。
- 前記出口開口(21)の近傍領域に、前記イオン化室(5)の中で生成される電子のための加速機構が備えられていることを特徴とする請求項3記載のプラズマ発生装置。
- 前記出口開口(21)の近傍領域に、前記イオン化室(5)の中で生成されるイオンのための加速機構(6)が備えられていることを特徴とする請求項4記載のプラズマ発生装置。
- 前記加速機構(6)は、正電位印加グリッド(60)と、前記イオン化室(5)から流出するイオンの流出方向における前記正電位印加グリッド(60)の後方に配設された負電位印加グリッド(62)とを備えていることを特徴とする請求項6記載のプラズマ発生装置。
- 前記イオン源はイオンエンジンを構成していることを特徴とする請求項7記載のプラズマ発生装置。
- 前記イオン化室(5)から流出するイオン流における下流側に電子インジェクタ(7)が備えられており、該電子インジェクタ(7)は、前記イオン流へ向けられ、前記イオン流を中和するように調整されており、該電子インジェクタ(7)は、好ましくは中空形状のカソードから成ることを特徴とする請求項6,7,または8記載のプラズマ発生装置。
- 前記イオン化室(5)を囲繞するマグネットアセンブリを備えていることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項記載のプラズマ発生装置。
- −前記コイルアセンブリ(4)は高周波コイルを備えており、該高周波コイルに高周波交流電圧源が接続されており、それによって該高周波コイルに高周波交流電流が供給され
るようにしてあり、
−更に、直流電圧源により生成される直流電流が、前記高周波コイルに直接的に供給されるようにしてある、
ことを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項記載のプラズマ発生装置。 - 前記高周波コイルへの前記直流電流の供給箇所は、前記高周波コイルへの前記高周波交流電流の供給箇所と異なる箇所であることを特徴とする請求項11記載のプラズマ発生装置。
- 前記直流電流は、前記高周波コイルと並列に配設された直流コイルに供給されることを特徴とする請求項1乃至12の何れか1項記載のプラズマ発生装置。
- −前記直流電流は調節可能であり、
−前記イオン化室(5)から流出するイオン流の流量に応じて前記直流電流を調節する調節機構を備えている、
ことを特徴とする請求項13記載のプラズマ発生装置。 - 例えばイオン源などのプラズマ発生装置の制御方法であって、当該プラズマ発生装置で生成されるプラズマに高周波交流電場または高周波交流電磁場を作用させて当該プラズマの運動を誘起するようにしたプラズマ発生装置の制御方法において、
高周波交流電磁場に加えて更に直流電磁場をプラズマに作用させることを特徴とするプラズマ発生装置の制御方法。
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