JP2017123310A - プラズマ加速装置およびプラズマ加速方法 - Google Patents

Abstract

【課題】推力効率のよいプラズマ加速装置およびプラズマ加速方法を提供すること。
【解決手段】プラズマ加速装置は、プラズマ加速領域に電子を供給するカソード１１と、アノード１２と、カソードとアノードとの間に電圧を印加する電源１３と、カソードよりも外周側に配置され、推進剤をプラズマ加速領域に供給する供給口１４と、カソードから供給された電子がアノードに向かうことを抑制する第１の軸方向磁場をプラズマ加速領域の上流側領域に発生させる第１磁場発生体１５とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマ加速装置およびプラズマ加速方法に関する。

宇宙空間では、宇宙機が推進力を得るためにプラズマ加速装置が用いられる。プラズマ加速装置として、例えば、ホールスラスタが知られている。例えば、ホールスラスタは、加速チャネル（プラズマ加速領域）に電場と磁場とを発生させ、電場と磁場との相互作用を利用して推進剤をプラズマに変える（プラズマ化する）。ホールスラスタは、プラズマ中のイオンをホールスラスタの下流側にある空間に噴射することで、推進力を得る。

関連技術として、特許文献１は、ホール電流イオンソース装置を開示している。特許文献１のホール電流イオンソース装置は、例えば、電磁石およびスチールコアアセンブリを含む磁場発生装置を備えている。磁場発生装置がホールスラスタの中心軸上に配置されることにより、径方向磁場が形成されている。また、加速電場を形成するために、ホール電流イオンソース装置は、磁場発生装置に加え、アノードおよびカソードを更に備える。アノードは、加速チャネルの上流側に配置されている。一方、カソードは、加速チャネルの下流側に配置されている。

特表２００１−５１１５８０号公報

本願発明者は、推力効率の高いプラズマ加速装置およびプラズマ加速方法を求めていた。

本発明の目的は、推力効率の高いプラズマ加速装置およびプラズマ加速方法を提供することである。

以下に、「発明を実施するための形態」で使用される符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、「特許請求の範囲」の記載と「発明を実施するための形態」との対応関係を明確にするために付加されたものである。これらの符号は、「特許請求の範囲」に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いられるものではない。

いくつかの実施の形態におけるプラズマ加速装置は、
プラズマ加速領域（ＲＥＧ）の上流側領域（ＲＥＧ_ＵＰ）に電子を供給するカソード（１１）と、
アノード（１２）と、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する電源（１３）と、
前記カソードよりも外周側に配置され、プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤を前記プラズマ加速領域に供給する供給口（１４）と、
前記カソードから供給された前記電子が前記アノードに向かうことを抑制する第１の軸方向磁場を前記プラズマ加速領域の前記上流側領域に発生させる第１磁場発生体（１５）と
を備える。

前記プラズマ加速領域の前記上流側領域から前記プラズマ加速領域の下流側領域（ＲＥＧ_ＤＯＷＮ）に向かう方向を第１方向と定義し、前記第１方向と反対の方向を第２方向と定義するとき、
前記第１磁場発生体は、前記プラズマ加速領域の前記第２方向の側にある端（第１壁部１０１）よりも前記第２方向の側に配置されていてもよい。

前記第１磁場発生体は、前記カソードよりも外周側に配置されていてもよい。
前記供給口は、前記第１磁場発生体よりも外周側に配置されていてもよい。

前記供給口は、前記カソードよりも外周側に配置されていてもよい。
前記第１磁場発生体は、前記供給口よりも外周側に配置されていてもよい。

前記プラズマ加速装置は、前記第１磁場発生体の向きを変更する向き変更機構（１８）を更に備えていてもよい。

前記プラズマ加速装置は、前記プラズマ加速領域に第２の軸方向磁場を発生させる第２磁場発生体（１５_２〜１５_５）を更に備えていてもよい。
前記第２磁場発生体によって発生する前記第２の軸方向磁場の向きは、前記第１磁場発生体によって発生する前記第１の軸方向磁場の向きと異なっていてもよい。

前記プラズマ加速装置は、
前記プラズマ加速領域に接する第１壁部（１０１）と、
前記カソードから供給される前記電子が放出される電子放出口（１０４）であって、前記第１壁部に配置された前記電子放出口と
を更に備えていてもよい。

前記アノードは、前記第１壁部上に配置されていてもよい。

前記アノードは、前記供給口よりも外周側に配置されていてもよい。

前記プラズマ加速装置は、前記プラズマ加速領域に接する第１壁部（１０１）を更に備えていてもよい。前記アノードは、リング形状を有していてもよい。
前記第１壁部と前記アノードの下流側端面（１２１）との間の距離（Ｌ）は、前記アノードの内径（Ｒ）の１／３以下であってもよい。

いくつかの実施の形態におけるプラズマ加速方法は、プラズマ加速装置を用いる。
前記プラズマ加速装置は、
アノード（１２）と、
プラズマ加速領域（ＲＥＧ）に電子を供給するカソード（１１）と、
前記カソードから放出される前記電子の運動方向を第１方向と定義し、前記第１方向と反対の方向を第２方向と定義するとき、前記プラズマ加速領域よりも前記第２方向の側に配置された磁場発生体（１５）と
を備える。
前記プラズマ加速方法は、
前記磁場発生体を用いて、前記プラズマ加速領域に末広がり状磁場を発生させるステップと（ＳＴ１）、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加するステップと（ＳＴ２）、
前記カソードから供給される前記電子を前記末広がり状磁場中に供給する第１供給ステップと（ＳＴ３）、
プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤を前記プラズマ加速領域に供給する第２供給ステップと（ＳＴ４）、
前記プラズマ加速領域に発生したプラズマ中のイオンを前記アノードと前記末広がり状磁場中の前記電子とによって発生する電場を用いて加速させるステップと（ＳＴ７）、
前記イオンが前記末広がり状磁場中の前記電子と衝突することにより、前記イオンを中和するステップと（ＳＴ８）
を備える。

前記プラズマ加速方法は、
前記末広がり状磁場と、前記カソードと前記アノードとの間に発生した電場の相互作用により、ホール電流を発生させるステップと（ＳＴ５）、
前記プラズマ加速領域に供給される前記プラズマ化前の推進剤または前記プラズマ化後の推進剤と、前記ホール電流の電子とを衝突させることにより、前記プラズマ加速領域に前記プラズマを発生させるステップと（ＳＴ６）
を更に備えていてもよい。

推力効率の高いプラズマ加速装置およびプラズマ加速方法が提供される。

図１は、イオンスラスタ３ａの構成例を示す模式的な縦断面図である。 図２は、アニュラ型ホールスラスタ３ｂの構成例を示す模式的な縦断面図である。 図３は、シリンドリカル型ホールスラスタ３ｃの構成例を示す模式的な縦断面図である。 図４は、プラズマ加速装置１の基本構成を模式的に示す一部切欠き斜視図である。 図５は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図６は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図７は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図８は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図９は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図１０は、プラズマ加速装置１の構成例を模式的に示す図である。 図１１は、末広がり状磁場を説明するための図である。 図１２は、プラズマ加速方法の一例を示すフローチャートである。 図１３は、推進力の方向を変える第１の方法を説明するための模式図である。 図１４は、推進力の方向を変える第２の方法を説明するための模式図である。 図１５は、プラズマ加速装置１ｂの構成例を模式的に示す図である。 図１６は、プラズマ加速装置１ｃの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。 図１７は、プラズマ加速装置１ｄの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。 図１８は、プラズマ加速装置１ｅの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。 図１９は、プラズマ加速装置１ｆの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。 図２０は、プラズマ加速装置１ｇの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。 図２１は、宇宙機２の構成例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に関連づけて説明する。以下の実施の形態において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、同種の部材を区別するために、添え字を用いることがある。

実施の形態の説明を分かりやすくするため、図４を参照して、次の語句を定義する。以下の語句の定義は、本願明細書の全体および図面の全体を参酌することでより明確となる。
１）中心軸Ｃは、例えば、プラズマ加速装置１の中心を表す軸である。
２）座標系は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を持つ直交座標系である。Ｘ軸は、例えば、回転対称軸であり、中心軸Ｃに一致している。
３）「下流側」とは、例えば、Ｘ軸の正（＋）方向の側を指す。例えば、ガス供給口１４の下流側とは、ガス供給口１４から見てＸ軸の正方向の側という意味である。「上流側」は、下流側の反対の意である。
４）径方向は、例えば、中心軸Ｃ（Ｘ軸）上の任意の点から中心軸Ｃ（Ｘ軸）の外部にある任意の点に向かう方向であり、かつ、中心軸Ｃ（Ｘ軸）に垂直な方向である。

１．本願発明者によって認識された事項
プラズマ加速装置として、ホールスラスタの他にイオンスラスタが知られている。イオンスラスタおよびホールスラスタに関して、本願発明者は、次のような事項を認識した。

（イオンスラスタ）
イオンスラスタについて述べる。図１は、イオンスラスタ３ａの構成例を示す模式的な縦断面図である。図１に示すように、イオンスラスタ３ａは、壁部３０、アノード３１と、電源３２と、グリッド電極３３と、中和器３４と、供給口３５と、噴出口面３６とを備える。図１の例では、グリッド電極３３は、第１グリッド電極（スクリーングリッド電極）３３１と、第２グリッド電極（アクセルグリッド電極）３３２と、第３グリッド電極（ディセルグリッド電極）３３３とで構成されている。簡単に言えば、イオンスラスタ３ａは、電場（静電場）を利用して、プラズマ化された推進剤のイオンを加速するように構成されている。図１の説明では、内壁３０１から第１グリッド電極３３１までの間の領域をプラズマ発生領域と呼ぶ。

イオンスラスタ３ａの作動原理は、大別すると、３つのステップに分けられる。１つ目のステップは、プラズマの発生に関する。図１に示すように、推進剤（例えば、キセノンガス）が供給口３５からプラズマ発生領域に供給される。アノード３１とプラズマ発生・放電用カソード（不図示）が電源３２からプラズマ発生用の電力の供給を受けているため、推進剤がアノード３１とプラズマ発生・放電用カソード間の放電によってプラズマ化される。その結果、プラズマ発生領域は、プラズマ化された推進剤を構成するイオン（陽イオンｉ）と電子（ｅ）によって満たされる。

２つ目のステップは、イオンの抽出に関する。図１の例では、第１グリッド電極３３１は、プラズマ発生領域内のプラズマに対して負の電位をとなるように電源に接続されている。第２グリッド電極３３２は、電源３２から負電圧の供給を受けている。第３グリッド電極３３３は、第２グリッド電極３３２の電位よりも高い正の電位になるように接続されている。その結果、プラズマ発生領域内のイオンが第２グリッド電極３３２に向けて加速される。３つのグリッド電極（３３１−３３３）の各々の孔を通過したイオンは、下流側に向かって運動する。つまり、プラズマ発生領域内のプラズマ中からイオンが抽出される。抽出されたイオンは、イオンビームＩ_ｂｅａｍとして、噴出口面３６から下流側に向けて噴射される。

３つ目のステップは、噴出口面３６から噴出されたイオンの中和に関する。上述のイオンの抽出によって、プラズマ発生領域内の電子数がプラズマ発生領域内のイオン数よりも多くなっている。その結果、イオンスラスタ３ａ（壁部３０）が負に帯電する。イオンスラスタ３ａの電気的中性を保つため、中和器３４が用いられる。中和器３４は、イオンスラスタの噴出口面３６よりも下流側に配置されており、電源３２から負電圧の供給を受けることで電子を放出する。イオンビームＩ_ｂｅａｍのイオンが中和器３４から放出された電子と結合することで、イオンビームＩ_ｂｅａｍが中和される。

イオンスラスタには、次のような課題がある。第１に、グリッド電極が消耗しやすい。その理由の一つは、次の通りである。プラズマ発生領域内の全てのイオンが３つのグリッド電極（３３１−３３３）の各々の孔を通過するとは限らない。一部のイオンは、いずれかのグリッド電極に衝突する。このことは、グリッド電極の消耗を招くだけではなく、イオンスラスタの寿命を縮める。第２に、イオンスラスタのサイズを変えることなく、イオンスラスタの推進力を上げることが難しい。このことは、次の理由に起因している。イオンスラスタの推進力は、図１のイオンビームＩ_ｂｅａｍの流れによって発生する電流（イオンビーム電流と呼ばれる。）に比例する。したがって、イオンスラスタのサイズが同じであるならば、イオンビーム電流が増えるほど、イオンスラスタの推進力も上がる。イオンビーム電流自体を増やすためには、プラズマを発生させるための推進剤の供給量が増えればよい。しかしながら、空間電荷制限則により、イオンビーム電流の大きさに上限があることが知られている。言い換えれば、イオンスラスタのサイズが同じであるならば、イオンスラスタの推進力に制限がある。

（アニュラ型ホールスラスタ）
ホールスラスタについて述べる。ホールスラスタには、いくつかの種類がある。ここでは、アニュラ型を例に挙げる。図２は、アニュラ型ホールスラスタ３ｂの構成例を示す模式的な縦断面図である。図２に示すように、アニュラ型ホールスラスタ３ｂは、加速チャネルを構成するための壁部３０と、アノード３１と、電源３２と、中和器３４と、供給口３５と、噴出口面３６と、磁場発生体３７とを備える。簡単に言えば、アニュラ型ホールスラスタ３ｂは、電場と磁場の相互作用を利用して推進剤をプラズマ化し、電子のドリフト電流（磁場に捕捉され、電場の影響を受けて運動する電子によって発生する電流）と磁場との相互作用を利用してプラズマ中のイオンを加速するように構成されている。

図２に示すアニュラ型ホールスラスタ３ｂは、次の点で、図１に示すイオンスラスタ３ａと異なる。１つ目は、推進剤をプラズマ化するために、電場と磁場の相互作用に起因するホール電流（電子のホール運動）を利用することである。ホール電流Ｊ_Ｈを発生させるため、互いに直交する軸方向電場Ｅ_ｘと径方向磁場Ｂ_ｒが与えられる。２つ目は、ホール電流Ｊ_Ｈによってプラズマ化された推進剤のイオンがローレンツ力によって加速されることである。ローレンツ力は、ホール電流Ｊ_Ｈと径方向磁場Ｂ_ｒとの相互作用の一つである。なお、このローレンツ力の大きさは電界によってイオンに作用する静電力に等しい。図２の例では、加速チャネルと呼ばれる領域で、ホール電流Ｊ_Ｈの発生およびイオンの加速が行われる。

ホール電流Ｊ_Ｈの発生に必要な径方向磁場Ｂ_ｒは、磁場発生体３７によって得られる。図２の例では、径方向磁場Ｂ_ｒは、壁部３０の中心軸Ｃから側壁３０２の方向の磁場である。図２の例では、磁場発生体３７の一部分は、中心軸Ｃを沿って配置されている。磁場発生体３７の他の部分は、円筒状の側壁３０２に沿って配置されている。

一方、ホール電流Ｊ_Ｈを発生させるために利用される軸方向電場Ｅ_ｘは、アノード３１および中和器３４によって得られる。図２の例では、アノード３１の一部分は、内周側内壁３０１_１に配置されている。アノード３１の他の部分は、外周側内壁３０１_２に配置されている。

アニュラ型ホールスラスタ３ｂの作動原理は、大別すると、４つのステップに分けられる。１つ目のステップは、ホール電流の発生に関する。図２に示すように、中和器３４から放出された電子は、軸方向電場Ｅ_ｘによって加速チャネルへ進入する。加速チャネルへ進入した電子は、径方向磁場Ｂ_ｒに捕捉され、Ｅ×Ｂドリフト運動を行う。その結果、加速チャネル内の電子は、中心軸Ｃの周りを回転する。電子の回転運動により、中心軸Ｃの周りにホール電流Ｊ_Ｈが発生する。

２つ目のステップは、推進剤のプラズマ化に関する。推進剤が供給口３５から加速チャネルに供給されると、推進剤がホール電流Ｊ_Ｈの電子と衝突することで、推進剤がプラズマ化される。その結果、加速チャネルは、プラズマ化された推進剤を構成するイオン（ｉ）と電子（ｅ）によって満たされる。

３つ目のステップは、イオンの加速に関する。プラズマ化された推進剤のイオンは、ローレンツ力を受けて、噴出口面３６に向けて加速される。その後、加速されたイオンは、イオンビームＩ_ｂｅａｍとして、噴出口面３６から下流側へ向けて噴射される。

４つ目のステップは、図１に示すイオンスラスタの場合と同様に、噴出口面３６から噴出されたイオンの中和に関する。アニュラ型ホールスラスタ３ｂにおいても、中和器３４によって、イオンビームＩ_ｂｅａｍが中和される。

上述のように、ホールスラスタは、グリッド電極を必要としない。したがって、ホールスラスタは、空間電荷制限則によるイオンビーム電流の制限を受けないという利点を持つ。その反面、ホールスラスタには、次のような課題がある。

第１に、イオンビームのエネルギー損失が発生する。その理由の一つは、加速チャネル内のプラズマの一部が側壁に衝突するためである。この衝突は、イオンビームのエネルギー損失だけではなく、側壁自体の劣化も引き起こす。

第２に、イオンビームは径方向に拡散しやすい。このことは、推進力の低下を招く。その理由としては、加速チャネル内の全てのイオンが軸方向運動量（Ｘ軸方向の運動量）を持つとは限らないからである。一部のイオンは、径方向運動量（径方向の運動量）を持っている。そのため、イオンビームが径方向に拡散しやすい。

第３に、アニュラ型ホールスラスタの場合、ホールスラスタの大型化が難しい。言い換えれば、ホールスラスタの構造上、推進力を大きくすることに限界がある。このことは、次の理由に基づく。所望のイオンビームを得るためには、加速チャネル内のプラズマ圧力（プラズマ化された推進剤の圧力）を適切な値に保つことが求められる。しかしながら、図２に示すグリッド幅Ｗの取り得る値は、グリッド間（磁場発生体３７と側壁３０２との間）にかかる磁場の強さに反比例するというラーマ半径による制限があることが分かっている。そのため、ホールスラスタのサイズに関して、設計の自由度が低い。

（シリンドリカル型ホールスラスタ）
ホールスラスタの種類には、アニュラ型の他に、シリンドリカル型がある。シリンドリカル型について述べる。図３は、シリンドリカル型ホールスラスタ３ｃの構成例を示す模式的な縦断面図である。構成および作動原理に関して、図３に示すシリンドリカル型ホールスラスタ３ｃは、図２に示すアニュラ型ホールスラスタ３ｂと類似している。両者の間の大きな相違点は、磁場の分布である。図２の例では、加速チャネル内に径方向磁場Ｂｒが発生する。これに対し、図３の例では、加速チャネル内にカスプ磁場のような形状の磁場が発生する。このような磁場を発生させるため、内周側内壁３０１_１に配置されている磁場発生体３７の形状が図３に示すものと異なっている。

アニュラ型ホールスラスタと比べると、シリンドリカル型ホールスラスタは、その構造上、（放電室の体積）／（放電室の表面積）が大きい。そのため、放電室の壁にイオンが衝突することによる壁面の損耗が発生しにくい。その反面、シリンドリカル型ホールスラスタには、イオンビームのエネルギー損失およびイオンビームの拡散に加え、次のような課題がある。中和器３４から放出された一部の電子は、軸方向電場Ｅ_ｘによって、アノード３１に向かう。その結果、当該電子の運動によって、チャネル内に放電電流が発生しやすい。放電電流は、スラスタの推力効率の低下を招く。

本願発明者は、以上の課題に着目し、推力効率の高いプラズマ加速装置について検討した。

２．第１の実施の形態
２．１．概要
（プラズマ加速装置の基本構成）
図４は、プラズマ加速装置１の基本構成を模式的に示す一部切欠き斜視図である。プラズマ加速装置１は、推進剤Ｇを使ってイオンビームを発生させ、そのイオンビームをプラズマ加速装置１の下流側に噴射することで推進力を得る。イオンを加速させると言う点においては、プラズマ加速装置１は、図１から図３の例と類似している。ただし、プラズマ加速装置１は、イオンビームを加速させるためのグリッドを必要とせず、また、必ずしも、磁場発生体を噴出口面よりも下流側に配置する必要もない。言い換えれば、プラズマ加速装置１の下流側にある解放された領域（空間）でイオンビームを発生させることが可能となる。

図４の例では、プラズマ加速装置１は、カソード１１と、アノード１２と、電源１３と、ガス供給口１４と、第１磁場発生体１５とを備える。カソード１１は、プラズマ加速領域ＲＥＧ（加速チャネルとも呼ばれる。）の上流側領域ＲＥＧ_ＵＰに電子を供給する。電源１３は、カソード１１とアノード１２との間に電圧を印加する。ガス供給口１４は、カソード１１よりも外周側（径方向の外側）に配置されており、推進剤Ｇをプラズマ加速領域ＲＥＧに供給する。第１磁場発生体１５は、プラズマ加速装置１の下流側に末広がり状磁場Ｂを発生させる。

図１から図３の例と比べると、図４の例では、カソード１１、ガス供給口１４および第１磁場発生体１５がプラズマ加速領域ＲＥＧよりも上流側に配置されている。よって、中和器としてのカソード１１がプラズマ加速装置１の下流側に設けられていない。なお、アノード１２は、プラズマ加速領域ＲＥＧに面している。

本願明細書では、説明を分かりやすくするため、プラズマ加速領域ＲＥＧが上流側領域ＲＥＧ_ＵＰと下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮとに分けられている。プラズマ加速領域ＲＥＧの詳細については、改めて述べる。

（プラズマ加速装置の作動原理）
図５から図９を参照して、プラズマ加速装置１の作動原理を説明する。なお、図５から図９の各々は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図（Ｘ−Ｙ平面に平行な面における断面図）である。

まず、第１磁場発生体１５によって発生する末広がり状磁場について、簡単に述べる。図５に示すように、軸方向磁場Ｂ_ｘ（Ｘ軸方向成分）は、上流側領域ＲＥＧ_ＵＰにおいては、Ｘ軸の負方向から正方向に向かうにつれて、単調に減少する。これに対し、径方向磁場Ｂ_ｒ（末広がり状磁場の径方向成分）は、上流側領域ＲＥＧ_ＵＰにおいては、Ｘ軸の負方向から正方向に向かうにつれて、単調に増加する。図５の説明では、末広がり状の磁場とは、軸方向（中心軸方向）に沿って配向した磁力線が下流側に向かうにつれて径方向に広がる（拡散する）磁場を言う。なお、カソード１１の近傍の点Ｐ_１では、径方向磁場Ｂ_ｒが無視できるほど小さいとみなすことができる。

１）図５に示すように、カソード１１から末広がり状磁場中Ｂに電子（ｅ）が供給されると、電子は次のように運動する。カソード１１から放出される電子は、径方向運動量よりも大きな軸方向運動量を持っている。そのため、多くの電子は、上流側領域ＲＥＧ_ＵＰの上流側から下流側の方向に運動する。また、一般的に、電子（ｅ）は、磁力線を横切って運動しにくい。このため、電子がアノード１２に向かうことが抑制される。その結果、電力消費が抑えられ、プラズマ加速装置の推力効率が向上する。

電力消費が抑えられる理由の一つは、電子がアノード１２に向かうことが抑制されるために、電子の循環が起こりにくいためである。もし電子の循環が起こった場合、アノード１２に向かう電子は、次のような振る舞いをするであろう。（ａ）アノード１２に向かう電子は、やがてアノード１２に流入する。（ｂ）アノード１２に流入した電子は、アノード１２とカソード１１との間の電気的経路を通って、カソード１１から放出される。（ｃ）カソード１１から放出された電子は、再びアノード１２に向かう。以後、上述の（ａ）から（ｃ）が繰り返される。上述の電子の循環は、カソード１１とアノード１２との間の電気的経路でジュール熱が発生する原因となり得る。ジュール熱の発生は、電力消費の原因となり、プラズマ加速装置の推力効率の低下を招く。

２）図６に示すように、カソード１１とアノード１２との間に電圧が印加されると、プラズマ加速領域ＲＥＧに電場Ｅが発生する。図６に示す電場Ｅの方向は、アノード１２からカソード１１へ向かう方向である。例えば、点Ｐ１の周囲における電場Ｅの方向は、アノード１２から中心軸Ｃへ向かう方向である。

カソード１１から放出された全ての電子が中心軸Ｃに平行に運動するとは限らない。一部の電子は、電場Ｅの影響により、末広がり状磁場Ｂを横切って径方向に運動する。径方向に移動した電子は、Ｅ×Ｂドリフト運動を行って、中心軸Ｃの周りを回転する。電子の回転運動により、中心軸Ｃの周り（φ方向）にホール電流Ｊ_Ｈが発生する。換言すれば、ホール電流Ｊ_Ｈは、末広がり状磁場Ｂの軸方向磁場と、カソード１１とアノード１２との間に発生した電場Ｅの相互作用により発生する。

３）図７に示すように、ガス供給口１４から推進剤（中性ガス）Ｇがプラズマ加速領域ＲＥＧに供給されると、次のような現象が起こる。ガス供給口１４からの推進剤Ｇは、ホール電流Ｊ_Ｈの発生源である電子と衝突する。その衝突によって、推進剤Ｇがプラズマ化する。換言すれば、推進剤とホール電流Ｊ_Ｈとの相互作用により、推進剤がプラズマ化される。プラズマ中の電子の一部は、アノード１２に流入する。アノード１２に流入した電子は、カソード１１へ流れ、再びカソード１１から放出される。

４）図８に示すように、推進剤Ｇのプラズマ化が進むと、次のような現象が起こる。第１に、プラズマ中の電子の一部がＥ×Ｂドリフト運動を行って、中心軸Ｃの周りを回転する。このため、ホール電流Ｊ_Ｈが強化される。その結果、プラズマの発生がさらに強化される。第２に、荷電粒子は、磁力線に沿って、磁力線の周りをらせん状に移動する。このため、プラズマ中のイオン（ｉ）は、磁力線に沿う方向に運動量成分を持つ。第３に、下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮにおける電子の存在により、下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮにある点Ｐ_２の周囲の電位は、低下する。以上のことから、図８に示すように、アノード１２から下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮの電子に向かう方向に電場Ｅが発生する。その結果、プラズマ中のイオンが電場Ｅの方向に加速する。このイオンの流れがイオンビームＩ_ｂｅａｍとなる。イオンビームＩ_ｂｅａｍは、下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮにおいて径方向に拡散しないように、プラズマ加速領域ＲＥＧの上流側から下流側の方向に流れる。

５）図９に示すように、プラズマ化された推進剤のイオンが電場Ｅの方向に加速する。その結果、イオンは下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮの電子と結合する。つまり、イオンビームＩ_ｂｅａｍのイオンが中和される。なお、電子と結合したイオンは、中性粒子である。プラズマ加速装置１は、イオンビームＩ_ｂｅａｍの流れと反対の方向に推進力を得る。

以上述べたように、プラズマ加速装置が図４に示す構成をとるので、プラズマ加速装置の下流側にある領域（空間）でイオンビームが発生する。その結果、プラズマ加速装置の推力効率が向上する。

推力効率が向上するという主な理由は、次の通りである。１つ目は、イオンビームが壁面と衝突しないか、または、その衝突の頻度が少ないことにある。そのため、イオンビームのエネルギー損失が抑制される。特に、プラズマ加速領域ＲＥＧを囲む壁面（例えば、円筒状の壁面）を設けない場合、イオンビームのエネルギー損失が抑制されるという効果が大きい。

２つ目は、プラズマ加速装置の構造上、空間電荷制限則によるイオンビーム電流の制限がないことである。これに加え、グリッド幅によるイオンビーム電流の制限もない。したがって、イオンビーム電流の増加を図りやすい。また、グリッド電極が不要なので、グリッドの損耗が抑制され、グリッド面積によって推力の上限が抑制されない。そのため、プラズマ加速装置のサイズの大型化が容易となる。

３つ目は、イオンビームが径方向に発散しにくいためである。図９に示すように、電場の方向がアノード１２から下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮの電子に向う方向である。そのため、イオンビームが中心軸に向かって集束しやすい。

２．２．プラズマ加速装置の構成例
図１０は、プラズマ加速装置１の構成例を模式的に示す図である。ここで、図１０の（Ａ）は、プラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。図１０の（Ｂ）は、図１０の（Ａ）に示すＸ_１−Ｘ_１における矢視図（Ｘ軸の正方向から負方向に見た背面図）である。

図１０に示すように、プラズマ加速装置１は、カソード１１と、アノード１２と、電源１３と、ガス供給口１４と、第１磁場発生体１５とに加え、筐体（ハウジング）１０と、推進剤タンク１６とを更に備える。図１０に示すように、プラズマ加速装置１がコントローラ１７を備えていてもよい。

（筐体）
筐体１０は、絶縁部材（例えば、絶縁性セラミックス）で形成されている。図１０の例では、筐体１０の外観の形状は、円筒形状（本願明細書では、円筒形状は、略円筒形状を含む。）である。詳細には、筐体１０は、プラズマ加速領域ＲＥＧに接する第１壁部１０１と、側壁部１０２と、第１壁部１０１に対向する第２壁部１０３と、電子放出口１０４とを含む。電子放出口１０４は、カソード１１から供給される電子が放出される電子放出口であって、第１壁部１０１に配置されている。図１０の例では、電子放出口１０４は、カソード１１を設置するために、第１壁部１０１の中央（具体的には、後述の内周側壁部１０１_２の中央）に設けられた開口部である。なお、図１０の例では、電源１３の一部が筐体１０から露出しているが、電源１３の全体が筐体１０に収納されていてもよい。このことは、推進剤タンク１６についても同様である。

以下の説明では、第１壁部１０１が２つの壁部に分けて呼ばれることがある。一つは、外周側壁部１０１_１と呼ばれ、ガス供給口１４よりも外周側にある部分である。もう一つは、内周側壁部１０１_２と呼ばれ、ガス供給口１４と電子放出口１０４との間にある部分である内周側壁部１０１_２は、単に絶縁壁と呼ばれることがある。なお、第１壁部１０１は、中心軸Ｃに垂直な壁面を有する壁部である（本願明細書では、垂直は、略垂直を含む）。外周側壁部１０１_１は、中心軸Ｃに垂直な壁面を有する。外周側壁部１０１_１と同様に、内周側壁部１０１_２は、中心軸Ｃに垂直な壁面を有する。図１０の（Ａ）に示す例では、内周側壁部１０１_２の下流側端面（プラズマ加速領域ＲＥＧに接する面）は、外周側壁部１０１_１の下流側端面（プラズマ加速領域ＲＥＧに接する面）よりも上流側に配置されている。代替的に、内周側壁部１０１_２の下流側端面が外周側壁部１０１_１の下流側端面と一致していてもよい。

（カソード）
カソード１１は、電子の放出源としての役割だけではなく、中和器の役割も備えている。カソード１１は、例えば、ホローカソードである。代替的に、カソード１１は、フィラメントカソードであってもよいし、高周波放電を適用した電子源であってもよい。カソード１１は、電源１３から電圧（電力）の供給を受け、カソード電極１１１からの電子が孔部１１２を通過して末広がり状磁場中に放出されるように構成されていればよい。図１０の例では、カソード１１は、カソード電極１１１と、孔部１１２とを備えている。カソード１１は、電源１３に接続されている。さらに、カソード１１は、アノード１２に間接的かつ電気的に接続されている。

カソード１１の配置は、次の通りである。図１０の例では、カソード１１は、アノード１２（具体的には、アノード１２の下流側端面１２１）よりも上流側に配置され、かつ内周側壁部１０１_２の中央（電子放出口１０４）に配置されている。詳細には、カソード１１の孔部１１２は、縦断面視で、アノード１２の下流側端面１２１よりも上流側に配置されている。また、カソード１１の孔部１１２の第１方向（Ｘ軸の正方向）に沿った位置は、電子放出口１０４の第１方向に沿った位置と一致している。更に、カソード１１の先端部分（孔部１１２）の第１方向に沿った位置が内周側壁部１０１_２（具体的には、内周側壁部１０１_２のプラズマ加速領域ＲＥＧに接する面）の第１方向に沿った位置と一致している。なお、孔部１１２の位置は、図１０の例に限定されない。例えば、カソード１１の孔部１１２は、縦断面視で、ガス供給口１４よりも上流側に配置されていてもよい。また、図１０の例では、カソード１１が中心軸Ｃ上に配置されているとも言える。

なお、上述の図４から図９はカソード１１が電源１３から負電圧の供給を受けている場合を示しているが、図４から図９はカソード１１が電子の供給源であることを模式的に表しているのに過ぎない。

（アノード）
アノード１２は、導電体で形成されており、電場をプラズマ加速領域ＲＥＧに発生させる役割をもつ。アノード１２は、下流側端面１２１と、上流側端面１２２とを備える。上流側端面１２２は、下流側端面１２１と反対の面である。アノード１２は、背面視で（Ｘ軸の正方向から負方向に見て）、リング形状（本願明細書では、リング形状は、略リング形状を含む。）を有する。アノード１２は、電源１３に接続されている。なお、アノード１２の周方向に沿って、アノード１２が一定間隔で分断されていてもよい。

アノード１２の配置は、次の通りである。図１０の（Ａ）に示す例では、アノード１２は、第１壁部１０１上に設けられている。上述したように、内周側壁部１０１_２の下流側端面が外周側壁部１０１_１の下流側端面よりも上流側に配置されているので、アノード１２は、ガス供給口１４よりも下流側に位置することとなる。詳細には、ガス供給口１４から放出される推進剤の一部がアノード１２の上流側端面１２２の一部に当るように、上流側端面１２２の一部が、外周側壁部１０１_１上に配置されている。したがって、図１０の（Ａ）に示す例では、アノード１２の全体がカソード１１よりも下流側に位置している。

図１０の（Ａ）に示す例では、第１壁部１０１（具体的には、内周側壁部１０１_２）とアノード１２の下流側端面１２１との間の距離Ｌは、例えば、アノード１２の内径Ｒの１／３以下である（Ｌ≦Ｒ／３）。望ましくは、距離Ｌは、例えば、アノード１２の内径Ｒの１／５以下である（Ｌ≦Ｒ／５）。距離Ｌがアノード１２の内径Ｒの１／３以下であるため、プラズマがアノード１２に衝突する可能性が低減される。

なお、アノード１２は、次のように配置されていてもよい。図１０の例では、アノード１２の配置が外周側壁部１０１_１の一方の端に片寄っているが、外周側壁部１０１_１の中央にアノード１２が配置されていてもよい。つまり、アノード１２の上流側端面１２２の全体が外周側壁部１０１_１に接していてもよい。この場合、アノード１２の全体が、ガス供給口１４よりも外周側に配置されている。図１０の例では、アノード１２が外周側壁部１０１_１の上に直接配置されているが、例えば、両者の間に薄いスペーサーが配置されていてもよい。代替的または付加的に、アノード１２が内周側壁部１０１_２上に配置されていてもよい。

（電源）
電源１３は、例えば、燃料電池である。いわば、電源１３は、プラズマ加速装置１への電力の供給源である。電源１３は、電圧源および／または電流源によって構成されていてもよい。図１０の例では、電源１３は、カソード１１に負電圧を供給（印加）し、アノード１２に正電圧を供給するように構成されている。この他、電源１３は、コントローラ１７に電力を供給し、電流を第１磁場発生体１５に供給してもよい。

（ガス供給口）
ガス供給口１４は、ガス流路１４１を介してガス配管１６１に接続されている。ここで、ガス流路１４１は、推進剤タンク１６から供給される推進剤Ｇが流れる流路であって、ガス供給口１４から上流側に延伸している。図１０の例では、背面視で（Ｘ軸の正方向から負方向に見て）、ガス供給口１４は、リング形状を有する。また、図１０の（Ａ）に示す例では、ガス供給口１４は、中心軸Ｃに対して垂直な面である。

ガス供給口１４の配置は、次の通りである。図１０の例では、ガス供給口１４は、第１磁場発生体１５よりも下流側に配置されている。ガス供給口１４は、カソード１１よりも外周側に配置されている。図１０に示す例では、ガス供給口１４の全体が、外周側壁部１０１_１の下流側端面の位置で、アノード１２の上流側端面１２２によって覆われている。代替的に、ガス供給口１４の一部が、外周側壁部１０１_１の下流側端面の位置で、アノード１２の上流側端面１２２によって覆われていてもよい。なお、ガス供給口１４の配置は、次のように表現されてもよい。プラズマ加速領域ＲＥＧの上流側領域ＲＥＧ_ＵＰからプラズマ加速領域ＲＥＧの下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮに向かう方向を第１方向と定義する。代替的に、カソード１１から放出される電子の運動方向を第１方向と定義してもよい。第１方向という表現を用いた場合、ガス供給口１４は、第１磁場発生体１５よりも第１方向の側に配置されている。

（推進剤）
推進剤Ｇは、プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤である。以下の説明では、推進剤Ｇがプラズマ化前の推進剤である場合を例に挙げる。推進剤Ｇがプラズマ化後の推進剤である場合については、後述する。推進剤Ｇは、例えば、希ガスである。具体的には、推進剤Ｇは、例えば、キセノンガスである。代替的に、推進剤Ｇは、アルゴンガスであってもよいし、クリプトンガスであってもよい。推進剤Ｇは、電子がイオンから電離しやすいガスであればよい。例えば、水素ガスは希ガスではないが、水素ガスは電離しやすい性質を持つ。したがって、水素ガスを推進剤として利用してもよい。

（第１磁場発生体）
第１磁場発生体１５は、例えば、電磁コイルである。代替的に、第１磁場発生体１５は、永久磁石であってもよい。第１磁場発生体１５として、リング形状（背面視）の電磁コイルを用いる場合、電磁コイルに投入する電力を変えることで、磁場の強度を調整することが可能となる。更には、末広がり状磁場の発生のオン／オフを制御することも可能となる。一方、第１磁場発生体１５として永久磁石を用いる場合、末広がり状磁場を発生させるために電力を必要としない。以下の説明では、断りがない限り、第１磁場発生体１５が電磁コイルである場合を例に挙げる。この場合、第１磁場発生体１５は、次のように説明される。第１磁場発生体１５自体は、コイルで形成されている。図１０の例では、カソード１１は、第１磁場発生体１５（コイル）の内周側に配置される。第１磁場発生体１５は、電源１３から電流が供給されている期間、末広がり状磁場Ｂを発生させる。末広がり状磁場Ｂについては、改めて説明する。

第１磁場発生体１５の配置は、次の通りである。第１磁場発生体１５は、ガス供給口１４よりも上流側に配置されている。第１磁場発生体１５は、次のように表現されてもよい。第１磁場発生体１５は、第１壁部１０１（具体的には、内周側壁部１０１_２）よりも上流側に配置されている。つまり、第１方向と反対の方向を第２方向と定義するとき、第１磁場発生体１５は、プラズマ加速領域ＲＥＧの第２方向の側にある端よりも第２方向の側に配置されている。

なお、図１０の（Ａ）に示す例では、第１磁場発生体１５は、プラズマ加速領域ＲＥＧよりも上流側にある筐体１０の内部に配置されており、プラズマ加速領域ＲＥＧを囲むように配置されていない。

（推進剤タンク）
推進剤タンク１６は、推進剤Ｇを収容するタンクである。推進剤タンク１６は、ガス配管１６１に接続されている。ガス配管１６１は、ガス流路１４１に接続されている。推進剤タンク１６には、例えば、バルブ（図示しない）が接続されている。バルブが駆動されることにより、ガス配管１６１に推進剤Ｇが供給される。

（コントローラ）
コントローラ１７は、例えば、マイクロコンピュータおよびメモリで構成されている。コントローラ１７は、プラズマ加速装置１の全体の動作を制御する役割を持つ。図１０の例では、コントローラ１７の制御対象は、大別して、２つである。１つ目は、電源１３の制御である。コントローラ１７は、電源１３（電圧源）のオン／オフを制御することにより、カソード１１とアノード１２との間に電圧を印加するタイミング（期間）を制御する。更に、コントローラ１７は、電源１３（電流源）のオン／オフを制御することにより、第１磁場発生体１５へ電流を供給するタイミングを制御する。２つ目は、推進剤タンク１６のバルブの制御である。イオンビームの発生期間に、コントローラ１７は、推進剤タンク１６のバルブを制御することで、推進剤Ｇをガス配管１６１に供給する。なお、コントローラ１７は、プラズマ加速装置１の外部（例えば、宇宙機の機体）に設けられていてもよい。

２．３．末広がり状磁場
以下に、末広がり状磁場について述べる。図１１は、末広がり状磁場を説明するための図である。説明を分かりやすくするために、第１磁場発生体１５の一方の側がＮ極１５１であり、他方の側がＳ極１５２であるとする。図１１の例では、内周側壁部１０１_２の下流側端面１０１Ｂ（単に、第１壁部の後面１０１Ｂとも呼ぶ）の側がＮ極１５１となるように、第１磁場発生体１５に電流が流れている。周知の通り、第１磁場発生体１５によって発生した末広がり状磁場の磁力線は、Ｎ極１５１から出て、ループを描くようにＳ極１５２へ戻る。

図１１の例では、末広がり状磁場Ｂは、中心軸Ｃ（Ｘ軸）に関して回転対称性を持つ。更に、図１１の例では、末広がり状磁場Ｂの回転対称軸Ｃ１は、中心軸Ｃに一致している。末広がり状磁場Ｂの成分は、２つの成分に分解される。１つは、軸方向成分（Ｂ_ｘ）である。軸方向成分は、中心軸Ｃに平行な成分であって、軸方向磁場Ｂ_ｘ（第１の軸方向磁場）とも呼ばれる。もう１つは、径方向成分（Ｂ_ｒ）である。径方向成分は、中心軸Ｃに垂直な成分であって、径方向磁場Ｂ_ｒ（第１の径方向磁場）とも呼ばれる。

磁力線Φ_Ｂ１の形状を説明するために、磁力線Φ_Ｂ１上の３点を考える。１つ目の点Ｐ_Ａは、第１壁部の後面１０１Ｂの近傍にある。１つ目の点Ｐ_Ａでは、軸方向磁場Ｂ_ｘは、径方向磁場Ｂ_ｒよりも非常に大きい。なお、点Ｐ_Ａでは、径方向磁場Ｂ_ｒを無視してもよい。この場合、軸方向磁場のみが存在するとみなしてもよい。２つ目の点Ｐ_Ｂは、１つ目の点Ｐ_Ａよりも下流にある。２つ目の点Ｐ_Ｂでは、軸方向磁場Ｂ_ｘは、１つ目の点Ｐ_Ａにおける軸方向磁場Ｂ_ｘよりも小さい。径方向磁場Ｂ_ｒは、１つ目の点Ｐ_Ａにおける径方向磁場Ｂ_ｒよりも大きい。３つ目の点Ｐ_Ｃは、磁力線Φ_Ｂ１の変曲点である。３つ目の点Ｐ_Ｃでは、軸方向磁場Ｂ_ｘは、ゼロである。径方向磁場Ｂ_ｒは、２つ目の点Ｐ_Ｂにおける径方向磁場Ｂ_ｒよりも大きい。

以上をまとめると、末広がり状磁場は、次のように表現されてもよい。図１１に示すように、末広がり状磁場Ｂは、軸回転対称磁場である。第１壁部の後面１０１Ｂよりも下流側において、末広がり状磁場Ｂは、変曲点を持つ。軸方向磁場Ｂ_ｘは、単調に減少し、変曲点で最小値のゼロをとる。一方、径方向磁場Ｂ_ｒは、軸方向磁場Ｂ_ｘが変曲点でゼロをとるまで、単調に増加する。

（電子の流路）
電子の流路という言葉を用いて、第１磁場発生体を表現することができる。図１１を参照して、電子の流路について述べる。説明を簡単にするため、図１１に示すように、Ｘ−Ｙ面において、回転対称軸Ｃ_１の近傍に２つの磁力線があると仮定する。２つの磁力線のうちの一方は、上述の磁力線Φ_Ｂ１である。他方は、回転対称軸Ｃ_１に関して磁力線Φ_Ｂ１に対称な磁力線Φ_Ｂ２である。図１１に示すように、カソード１１から放出された電子のうちの大部分は、磁力線Φ_Ｂ１および磁力線Φ_Ｂ２によって囲まれた領域ＣＨを通過する。この領域ＣＨを電子の流路と呼ぶ。

電子の流路という言葉を用いれば、第１磁場発生体１５は、次のように表現される。第１磁場発生体１５は、末広がり状磁場Ｂによって形成される電子の流路をプラズマ加速領域に形成する。電子の流路は、電子放出口１０４からプラズマ加速領域の下流側へ向かって伸びている。

（プラズマ加速領域）
プラズマ加速領域ＲＥＧは、上流側領域ＲＥＧ_ＵＰと下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮとに分けられると述べた。図４から図１１の例では、上流側領域ＲＥＧ_ＵＰの距離（Ｘ軸方向）は、例えば、電子の流路の長さ（例えば、Ｘ軸方向において、３０ｃｍ以上、１００ｃｍ以下）である。しかしながら、上流側領域ＲＥＧ_ＵＰおよび下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮの区別は、説明を分かりやすくするためのものにすぎない。なお、上流側領域ＲＥＧ_ＵＰは、プラズマ加速領域ＲＥＧのうちで、軸方向磁場Ｂ_ｘが径方向磁場Ｂ_ｒよりも大きな領域であると定義されてもよい。下流側領域ＲＥＧ_ＤＯＷＮは、プラズマ加速領域ＲＥＧのうちで、軸方向磁場Ｂ_ｘが径方向磁場Ｂ_ｒよりも小さな領域であると定義されてもよい。

２．４．プラズマ加速方法
プラズマ加速器を用いるプラズマ加速方法について述べる。図１２は、プラズマ加速方法の一例を示すフローチャートである。図１２の例では、プラズマ加速方法は、ステップＳＴ１からＳＴ８で構成される。以下の説明では、例えば、図４も参照されたい。

１）ステップＳＴ１：
第１磁場発生体１５がプラズマ加速領域ＲＥＧに末広がり状磁場Ｂを発生させる。
２）ステップＳＴ２：
電源１３によって、カソード１１と前記アノードとの間に電圧が印加される。
３）ステップＳＴ３：
カソード１１から供給される電子が末広がり状磁場中Ｂに供給される。
４）ステップＳＴ４：
推進剤Ｇがガス供給口１４からプラズマ加速領域ＲＥＧに供給される。
５）ステップＳＴ５：
末広がり状磁場Ｂと、カソードとアノードとの間に発生した電場の相互作用により、ホール電流が発生する。
６）ステップＳＴ６：
プラズマ加速領域ＲＥＧに供給される推進剤Ｇがホール電流の電子と衝突することにより、プラズマ加速領域ＲＥＧにプラズマが発生する。
７）ステップＳＴ７：
プラズマ加速領域ＲＥＧに発生したプラズマ中のイオンが、アノード１２と末広がり状磁場Ｂ中の電子とによって形成される電場を用いて加速する。
８）ステップＳＴ８：
加速されたイオンが末広がり状磁場中Ｂの電子と衝突することにより、イオンが中和される。

上述の説明では、推進剤がプラズマ化前の推進剤である場合について述べた。推進剤がプラズマ化後の推進剤である場合、ステップＳＴ５およびステップＳＴ６は、実行されなくてもよい。推進剤がプラズマ化後の推進剤である場合、プラズマ化後の推進剤がガス供給口からプラズマ加速領域に供給される。この場合、例えば、公知のプラズマ発生装置をプラズマ加速装置の上流側に設け、当該プラズマ発生装置によって発生したプラズマがガス供給口からプラズマ加速領域に供給されればよい。

上述の説明では、磁場発生体から出た磁力線は、プラズマ加速領域を通って磁場発生体に戻る。言い換えれば、プラズマ加速領域における末広がり状磁場は、Ｘ軸の正方向の軸方向成分を持っている。末広がり状磁場の方向は、逆でもよい。つまり、プラズマ加速領域における末広がり状磁場は、Ｘ軸の負方向の軸方向成分を持っていてもよい。

第１の実施の形態によれば、グリッド電極が不要であり、グリッドの損耗をなくすことができる。また、第１の実施の形態によれば、末広がり形状のノズル部を省略することが可能となる。更に、イオンビームが径方向に発散しにくい。そのため、イオンビームのエネルギー損失が抑制され、プラズマ加速装置の推力効率が向上する。

３．第２の実施の形態
３．１．概要
第２の実施の形態は、プラズマ加速装置の推進力の方向を変える方法に関する。以下に、推進力の方向を変える２つの方法を例示する。

第１の方法は、所望する推進力の方向に応じて、磁場発生体自体の向きを変える方法である。磁場発生体の向きが変われば、磁場発生体の向きに応じて、末広がり状磁場の発生位置が変わる。末広がり状磁場の発生位置が変われば、末広がり状磁場の発生位置に応じて、得られる推進力の方向も変わる。

第２の方法は、末広がり状磁場の発生位置を変えるために、複数の磁場発生体を用いる方法である。末広がり状磁場の発生位置が変わるという点において、第２の方法は、第１の方法と同じである。ただし、第２の方法の場合、複数の磁場発生体の各々に、対応する末広がり状磁場の発生位置が割り当てられている。複数の磁場発生体は、それぞれ異なる位置にあるが、各磁場発生体の位置は、固定されている。

（第１の方法）
第１の方法について説明する。図１３は、推進力の方向を変える第１の方法を説明するための模式図である。図１３に示すように、例えば、Ｘ軸に対して斜め方向の推進力Ｆを得たい場合がある。図１３の例では、推進力Ｆは、負のＸ軸成分Ｆ_ｘと、負のＹ軸成分Ｆ_ｙを持っている。Ｘ軸成分Ｆ_ｘの大きさは、例えば、負のＹ軸成分Ｆ_ｙの大きさと同じである。図１３に示す推進力Ｆを得たい場合、推進力Ｆと反対の方向に末広がり状磁場Ｂを形成すればよい。換言すれば、所望の推進力Ｆが得られるように、末広がり状磁場の回転対称軸を設定すればよい。

図１３に示す回転対称軸Ｃ_２は、新たに設定された回転対称軸である。図１３の例では、回転対称軸Ｃ_２は、初期の回転対称軸Ｃ_１から原点Ｏの周りに４５度回転している（Ｘ軸からＹ軸の方向）。ここで、原点Ｏは、例えば、中心軸Ｃと第１壁部の後面１０１Ｂとの交点である。したがって、第１磁場発生体１５によって発生する末広がり状磁場Ｂも原点Ｏの周りに４５度回転している。第１の方法では、回転対称軸Ｃ２を持つ末広がり状磁場Ｂが発生するように、第１磁場発生体１５の向きが変えられる。

図１３の例では、プラズマ加速装置１ａは、第１の実施の形態におけるプラズマ加速装置１の構成要素に加え、向き変更機構１８を更に備える。向き変更機構１８は、第１磁場発生体１５の向きを変えることができるように、例えば、モータ、複数種類の歯車によって構成されている。向き変更機構１８は、回転対称軸Ｃ_２を持つ末広がり状磁場Ｂが発生するように、第１磁場発生体１５の角度を変える。図１３の例では、向き変更機構１８は、第１磁場発生体１５を初期位置（２点鎖線を参照）から４５度回転させる（Ｘ軸の正方向からＹ軸の負方向）。

向き変更機構１８によって、第１磁場発生体１５の向きを変えることにより、第１磁場発生体１５によって発生する末広がり状磁場Ｂが原点Ｏの周りに４５度回転する。図１１の説明で述べたように、図１３に示す末広がり状磁場Ｂも、軸方向磁場Ｂ_ｘ（第２の軸方向磁場）と、径方向磁場Ｂ_ｒ（第２の径方向磁場）とに分解される。また、第１磁場発生体１５の向きの変化に伴い、プラズマ加速領域ＲＥＧも、原点Ｏの周りに４５度回転する。

カソード１１から放出された電子は、図１３に示す末広がり状磁場Ｂに供給される。その結果、プラズマ加速領域ＲＥＧでイオンビームが発生することに変わりはない。なお、カソード１１の角度が第１磁場発生体１５と一緒に変えられてもよい。即ち、向き変更機構１８が、カソード１１の向きと、第１磁場発生体１５の向きとの両方を変更してもよい。

（第２の方法）
第２の方法について説明する。上述の第１の方法の場合、所望する推進力の方向に応じて、磁場発生体自体の向きが変わる。そのため、プラズマ加速装置の構造の制約を受けるかもしれない。その場合、第２の方法が有効である。

図１４は、推進力の方向を変える第２の方法を説明するための模式図である。図１４の例では、プラズマ加速装置１ｂは、第１磁場発生体１５_１に加え、第２磁場発生体１５_２を更に備える。第２磁場発生体１５_２は、図１４に示す末広がり状磁場Ｂが発生するように、第１磁場発生体１５_１のよりも上流側に配置されている。ただし、第１磁場発生体１５_１の位置も、第２磁場発生体１５_２の位置も、固定されている。例えば、図１４に示す末広がり状磁場Ｂを得たい場合、第１磁場発生体１５_１への電流の供給が停止され、第２磁場発生体１５_２へ電流が供給される。その結果、図１４に示す末広がり状磁場Ｂが得られる。また、第２磁場発生体１５_２によって発生する第２の軸方向磁場の向きは、第１磁場発生体１５_１によって発生する第１の軸方向磁場の向きと異なっている。代替的に、第１磁場発生体１５_１および第２磁場発生体１５_２の両方に電流が供給されてもよい。

３．２．第２の方法を適用したプラズマ加速装置
以下に、第２の方法を適用したプラズマ加速装置の構成例について述べる。図１５は、プラズマ加速装置１ｂの構成例を模式的に示す図である。ここで、図１５の（Ａ）は、プラズマ加速装置１ｂの模式的な縦断面図である。図１５の（Ｂ）は、図１５の（Ａ）に示すＸ_２−Ｘ_２における矢視図である。

図１５に示すプラズマ加速装置１ｂは、図１０に示す構成要素と同じ構成要素を備えている。ただし、次の点で、プラズマ加速装置１ｂは、図１０に示すプラズマ加速装置１と異なる。１つ目は、複数の磁場発生体が設けられていることである。２つ目は、複数の磁場発生体の各々に電源が設けられていることである。以下に順を追って説明する。

（磁場発生体）
図１５の例では、プラズマ加速装置１ｂは、第１磁場発生体１５_１および第２磁場発生体１５_２に加え、第３磁場発生体１５_３、第４磁場発生体１５_４、および第５磁場発生体１５_５を備える。第１から第５磁場発生体１５_１−１５_５の各々の構成は、図１０に示す第１磁場発生体１５の構成と同じであってもよい。なお、第２から第５磁場発生体１５_２−１５_５を一つの磁場発生体（第２の磁場発生体）とみなしてもよい。

図１５の（Ａ）に示すように、第１磁場発生体１５_１の位置は、図１０に示す第１磁場発生体１５の位置と同じである。第２から第５磁場発生体１５_２−１５_５の各々の配置は、次の通りである。図１５の（Ａ）に示すように、第２から第５磁場発生体１５_２−１５_５は、第１磁場発生体１５_１よりも上流側にそれぞれ配置されている。図１５の（Ｂ）に示すように、プラズマ加速装置１ｂをＸ軸の正方向から負方向に見ると、第２から第５磁場発生体１５_２−１５_５が周方向（φ方向）に等間隔で配置されている。このことは、次のように言い換えてもよい。Ｘ軸の正方向から負方向にプラズマ加速装置１ａを見ると、筐体１０の内部の領域が周方向に（φ方向）４つに分割されている。一つの領域に１個の磁場発生体が配置されるように、第２から第５磁場発生体１５_２−１５_５の各々は、分割された４つの領域のうちの対応する領域に配置されている。

図１５は、第２磁場発生体１５_２が作動している場合を示している。この場合、作動対象外の磁場発生体は、作動を停止している。所望する推進力の方向に応じて、例えば、第２磁場発生体１５_２および第３磁場発生体１５_３の両方が作動してもよい。代替的に、第１磁場発生体１５_１と、第２から第５磁場発生体１５_２−１５_５のうちの少なくとも一つとが作動していてもよい。

（電源）
図１５の例では、プラズマ加速装置１ｂは、第１電源１３_１、第２電源１３_２、第３電源１３_３、第４電源１３_４、および第５電源１３_５を備える。第１から第５電源１３_１−１３_５は、第１から第５磁場発生体１５_１−１５_５にそれぞれ電流を供給する。例えば、第２磁場発生体１５_２が作動対象である場合、第２電源１３_２が第２磁場発生体１５_２に電流を供給する。このとき、作動対象外の電源は、電流の供給を停止している。

例えば、第２磁場発生体１５_２が作動対象である場合、プラズマ加速装置１ｂの動作は、次のように動作する。コントローラ１７は、電流の供給を開始する指示を第２電源１３_２に与える。第２電源１３_２は、コントローラ１７の指示を受けて、第２磁場発生体１５_２に電流を供給する。その結果、第２磁場発生体１５_２によって、図１５に示す末広がり状磁場Ｂが発生する。

なお、プラズマ加速装置１ｂは、次のように構成されていてもよい。例えば、電源の個数は、一個であってもよい。この場合、例えば、スイッチが新たに設けられる。一個の電源（例えば、１５_１）は、第１から第５磁場発生体１５_１−１５_５の各々と電気的に接続される。したがって、この場合、５つの電気的経路がある（例えば、一つは、電源と第１磁場発生体１５_１との間の電気的経路である。）。スイッチは、コントローラ１７の指示を受けて、５つの電気的経路のうちから対象の電気的経路を選択する。例えば、作動対象の磁場発生体が第２磁場発生体１５_２である場合、スイッチは、電源と第２磁場発生体１５_２との間の電気的経路を選択すればよい。

第１磁場発生体１５_１以外の磁場発生体の個数は、３個でもよいし、６個でもよいし、８個でもよい。図１５の場合と同様に、３個、６個または８個の磁場発生体が周方向に等間隔で配置されればよい。推進力の方向を精度よく制御することができる。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果と同じ効果が得られるだけではなく、次の効果も得ることができる。磁場発生体自体の向きを変える第１の方法、または、複数の磁場発生体を用いる第２の方法により、プラズマ加速装置の推進力の方向を変えることができる。取り分け、プラズマ加速装置が宇宙機に適用される場合、推進力の方向を変えるためのジンバル機構が不要である。

４．第３の実施の形態
第３の実施の形態は、アノードの配置に関する。上述の第１の実施の形態では、アノードが外周側壁部に配置されている。アノードは、次のように配置されてもよい。図１６は、プラズマ加速装置１ｃの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図１６の例では、アノード１２が内周側壁部１０１_２に配置されている。言い換えれば、アノード１２は、カソード１１よりも外周側にあり、ガス供給口１４よりも内周側にある。

第３の実施の形態は、第１の実施の形態の効果または第２の実施の形態の効果と同じ効果をもたらすだけではなく、次のような効果も期待される。第１の実施の形態と比較すると、図１６に示すアノード１２の直径（内径）は、図４に示すアノード１２の直径（内径）よりも小さい。そのため、電磁力学によれば、電場の強さは、２点間の距離（Δｒ）と、当該２点間の電位差（ΔＶ）とによって決まる（｜ΔＶ／Δｒ｜）。第１の実施の形態と比較すると、アノード１２に供給される電圧が同じであるならば、アノード１２の近傍の電界は増大する。その結果、より大きなホール電流を発生させることが可能となる。

なお、アノード１２は、次のように配置されていてもよい。図１６の例では、アノード１２の配置が内周側壁部１０１_２の一方の端に片寄っているが、内周側壁部１０１_２の中央にアノード１２が配置されていてもよい。図１６の例では、アノード１２が内周側壁部１０１_２の上に直接配置されているが、例えば、両者の間に薄いスペーサーが配置されていてもよい。また、アノード１２が内周側壁部１０１_２の上に加え、外周側壁部１０１_１の上に設けられていてもよい。

５．第４の実施の形態
第４の実施の形態は、第１磁場発生体の配置およびアノードの配置に関する。上述の第１の実施の形態では、カソードが第１磁場発生体（コイル）の内周側に配置される。電磁コイルとしての第１磁場発生体は、次のように配置されていてもよい。図１７は、プラズマ加速装置１ｄの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図１７の例では、第１磁場発生体１５は、カソード１１よりも上流側に配置されている。アノード１２の直径（内径）が図１０に示すアノードの直径（内径）よりも大きい。更に、ガス供給口１４からＸ軸の正方向に離れた位置で、ガス供給口１４は、アノード１２の上流側端面１２２の一部によって覆われていない。第４の実施の形態も、第１の実施の形態の効果、第２の実施の形態の効果または第３の実施の形態の効果と同じ効果をもたらす。

なお、第１磁場発生体１５がカソード１１よりも上流側に配置され、アノード１２が図４に示すように配置されていてもよい。これとは逆に、第１磁場発生体１５が図４に示すように配置され、アノード１２の直径（内径）が図１０に示すアノードの直径（内径）よりも大きくてもよい。

６．第５の実施の形態
第５の実施の形態は、第１磁場発生体に永久磁石を適用する場合に関する。図１８は、プラズマ加速装置１ｅの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図１８の例では、永久磁石として、リング磁石１５ａが用いられている。リング磁石１５ａのＮ極側が第１壁部１０１に面している。カソード１１は、リング磁石１５ａの内周側に配置されている。第５の実施の形態も、第１の実施の形態の効果、第２の実施の形態の効果または第３の実施の形態の効果と同じ効果をもたらす。なお、第５の実施形態を図１５に示す第２の実施の形態（複数の磁場発生体を用いる方法）と組み合わせる場合、リング磁石１５ａ以外の磁場発生体（１５_２−１５_５）は、磁場の発生のオン／オフを制御可能な電磁コイルであることが望ましい。また、図１８の例では、リング磁石１５ａがガス供給口１４よりも内周側に設けられているが、リング磁石１５ａがガス供給口１４よりも外周側に設けられていてもよい。

７．第６の実施の形態
第６の実施の形態は、第５の実施の形態で述べた永久磁石の配置に関する。永久磁石は、次のように配置されてもよい。図１９は、プラズマ加速装置１ｆの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図１９の例では、永久磁石として、円柱型磁石１５ｂが用いられている。円柱型磁石１５ｂは、カソード１１よりも上流側に配置されている。円柱型磁石１５ｂのＮ極側が第１壁部１０１に面している。第６の実施の形態も、第１の実施の形態の効果、第２の実施の形態の効果または第３の実施の形態の効果と同じ効果をもたらす。なお、第６の実施形態を図１５に示す第２の実施の形態（複数の磁場発生体を用いる方法）と組み合わせる場合、円柱型磁石１５ｂ以外の磁場発生体（１５_２−１５_５）は、磁場の発生のオン／オフを制御可能な電磁コイルであることが望ましい。

８．第７の実施の形態
第７の実施の形態は、第１磁場発生体の配置に関する。第１の実施の形態では、第１磁場発生体がガス供給口よりも内周側に配置されている。電磁コイルとしての第１磁場発生体は、次のように配置されていてもよい。図２０は、プラズマ加速装置１ｇの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図２０の例では、ガス供給口１４がカソード１１よりも外周側に配置され、第１磁場発生体１５がガス供給口１４よりも外周側に配置されている。言い換えれば、カソード１１およびガス供給口１４が第１磁場発生体１５の内周側に配置されている。そのため、図２０に示す第１磁場発生体１５の直径（内径）は、図４に示す第１磁場発生体１５の直径（内径）よりも大きい。また、図２０の例では、第１磁場発生体１５の直径（内径）は、アノード１２の直径（内径）よりも大きい。第１磁場発生体１５の直径（内径）がアノード１２の直径（内径）より大きい場合、第１磁場発生体１５の一部がプラズマ加速領域ＲＥＧの一部を囲んでいてもよい。代替的に、第１磁場発生体１５の直径（内径）が、アノード１２の直径（内径）と同じであってもよい。第７の実施の形態も、第１の実施の形態の効果、第２の実施の形態の効果または第３の実施の形態の効果と同じ効果をもたらす。

９．第８の実施の形態
第８の実施の形態は、プラズマ加速装置の適用例に関する。上述の第１から第７の実施の形態で述べたプラズマ加速装置は、宇宙機に適用することができる。図２１は、宇宙機２の構成例を示す模式図である。図２１の例では、宇宙機２は、プラズマ加速装置１（１ａから１ｇのいずれでもよい）と、機体２０と、第１太陽電池２３_１と、第２太陽電池２３_２とを備える。プラズマ加速装置１は、機体２０の後面２２に取り付けられている。第１太陽電池２３_１は、機体２０の第１側面２１_１に取り付けられている。第２太陽電池２３_２は、機体２０の第２側面２１_２に取り付けられている。プラズマ加速装置１がイオンビームを噴射することによって、宇宙機２の軌道や宇宙機２の姿勢が変わる。なお、２つ以上のプラズマ加速装置１が機体２０の後面２２に取り付けられていてもよい。

以上、全ての実施の形態について説明した。本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、本発明に種々の変更を加えることができる。技術的な矛盾が生じない限り、全ての実施の形態を好適に組み合わせることができる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ：プラズマ加速装置、２：宇宙機、１０：筐体、１１：カソード、１２：アノード、１３：電源、１４：ガス供給口、１５、１５_１−１５_５：磁場発生体、１５ａ：リング磁石、１５ｂ：円柱型磁石、１６：推進剤タンク、１７：コントローラ、１８：向き変更機構、１０１：第１壁部、１０１Ｂ：後面、１０２：側壁部、１０３：第２壁部、１０４：電子放出口、１１１：カソード電極、１１２：孔部、１３、１３_１−１３_５：電源、１４１：ガス流路、１６１：ガス配管、１０１_１：外周側壁部、１０１_２：内周側壁部、Ｂ：末広がり状磁場、Ｃ：中心軸、Ｃ１、Ｃ２：回転対称軸、Ｇ：推進剤、Ｉ_ｂｅａｍ：イオンビーム、Ｊ_Ｈ：ホール電流、ＲＥＧ：プラズマ加速領域、ＲＥＧ_ＵＰ：上流側領域、ＲＥＧ_ＤＯＷＮ：下流側領域

Claims (12)

1. プラズマ加速領域の上流側領域に電子を供給するカソードと、
   アノードと、
   前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、
   前記カソードよりも外周側に配置され、プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤を前記プラズマ加速領域に供給する供給口と、
   前記カソードから供給された前記電子が前記アノードに向かうことを抑制する第１の軸方向磁場を前記プラズマ加速領域の前記上流側領域に発生させる第１磁場発生体と
   を備えるプラズマ加速装置。
2. 前記プラズマ加速領域の前記上流側領域から前記プラズマ加速領域の下流側領域に向かう方向を第１方向と定義し、前記第１方向と反対の方向を第２方向と定義するとき、
   前記第１磁場発生体は、前記プラズマ加速領域の前記第２方向の側にある端よりも前記第２方向の側に配置されている
   請求項１に記載のプラズマ加速装置。
3. 前記第１磁場発生体は、前記カソードよりも外周側に配置され、
   前記供給口は、前記第１磁場発生体よりも外周側に配置されている
   請求項１または２に記載のプラズマ加速装置。
4. 前記供給口は、前記カソードよりも外周側に配置され
   前記第１磁場発生体は、前記供給口よりも外周側に配置されている
   請求項１または２に記載のプラズマ加速装置。
5. 前記第１磁場発生体の向きを変更する向き変更機構を更に備える
   請求項１から４のいずれか一に記載のプラズマ加速装置。
6. 前記プラズマ加速領域に第２の軸方向磁場を発生させる第２磁場発生体を更に備え、
   前記第２磁場発生体によって発生する前記第２の軸方向磁場の向きは、前記第１磁場発生体によって発生する前記第１の軸方向磁場の向きと異なる
   請求項１から５のいずれか一に記載のプラズマ加速装置。
7. 前記プラズマ加速領域に接する第１壁部と、
   前記カソードから供給される前記電子が放出される電子放出口であって、前記第１壁部に配置された前記電子放出口と
   を更に備える
   請求項１から６のいずれか一に記載のプラズマ加速装置。
8. 前記アノードは、前記第１壁部上に配置されている
   請求項７に記載のプラズマ加速装置。
9. 前記アノードは、前記供給口よりも外周側に配置されている
   請求項１から８のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置。
10. 前記プラズマ加速領域に接する第１壁部を更に備え、
    前記アノードは、リング形状を有し、
    前記第１壁部と前記アノードの下流側端面との間の距離は、前記アノードの内径の１／３以下である
    請求項１から６のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置。
11. プラズマ加速装置を用いるプラズマ加速方法であって、
    前記プラズマ加速装置は、
    アノードと、
    プラズマ加速領域に電子を供給するカソードと、
    前記カソードから放出される前記電子の運動方向を第１方向と定義し、前記第１方向と反対の方向を第２方向と定義するとき、前記プラズマ加速領域よりも前記第２方向の側に配置された磁場発生体と
    を備え、
    前記プラズマ加速方法は、
    前記磁場発生体を用いて、前記プラズマ加速領域に末広がり状磁場を発生させるステップと、
    前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加するステップと、
    前記カソードから供給される前記電子を前記末広がり状磁場中に供給する第１供給ステップと、
    プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤を前記プラズマ加速領域に供給する第２供給ステップと、
    前記プラズマ加速領域に発生したプラズマ中のイオンを前記アノードと前記末広がり状磁場中の前記電子とによって発生する電場を用いて加速させるステップと、
    前記イオンが前記末広がり状磁場中の前記電子と衝突することにより、前記イオンを中和するステップと
    を備える
    プラズマ加速方法。
12. 前記末広がり状磁場と、前記カソードと前記アノードとの間に発生した電場の相互作用により、ホール電流を発生させるステップと、
    前記プラズマ加速領域に供給される前記プラズマ化前の推進剤または前記プラズマ化後の推進剤と、前記ホール電流の電子とを衝突させることにより、前記プラズマ加速領域に前記プラズマを発生させるステップと
    を更に備える
    請求項１１に記載のプラズマ加速方法。

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