JP2500374B2

JP2500374B2 - 連続多段加速式同軸ガン

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Publication number: JP2500374B2
Application number: JP5318423A
Authority: JP
Inventors: 恵一平野
Original assignee: KAKU JUGO KAGAKU KENKYUSHOCHO
Current assignee: KAKU JUGO KAGAKU KENKYUSHOCHO
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPH07174876A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は核融合炉で自己点火状態
の実現は不可欠なプラズマの超高温加熱に用いる連続多
段加速式高エネルギー定常モード同軸ガンに関する。

【０００２】本発明を応用する技術分野は電磁流体工
学、気体力学、粒子ビーム工学、核融合発電、ロケット
推進工学等であり、超高温プラズマ生成器及び高性能な
宇宙ロケット推進器に応用でき、高効率で高エネルギー
ビームの発生可能な大出力が得られ電磁加速器として連
続多段加速式同軸ガンを提供するにある。

【０００３】本発明が適用できる具体的製品は磁場閉じ
込め型核融合実験装置及び炉、大量中性子発生器、高比
推力高効率電磁推進器、固体への大電流注入器、その他
大電力高エネルギーイオンビームが必要な装置等であ
る。

【０００４】

【従来の技術】同軸ガンは電磁加速器のうち最も簡単な
構造を持つもので、核融合研究用として超高プラズマの
生成に、また比推力の高い宇宙ロケット推進器等に応用
すべく、その研究・開発は高エネルギー化及び高効率化
を目標に1960年代初頭いらい多く国々で研究されてきて
おり、目標の達成は両分野の大きな発展を約束するもの
となっている。従来の同軸ガンの構造は二本の円筒電極
を同軸上に配した単純なもので、両極間には動径方向に
電流が貫流するよう電源が接続されており、注入された
中性ガスを電離しプラズマを生成すると共に自己場との
作用により駆動力が起生しプラズマが加速されるよう設
定されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この単純構造
の同軸ガンは下記の二つの問題点を抱えていることが指
摘されており、そのままでは目標の達成は困難である。

【０００６】（ａ）表皮効果によりプラズマ駆動電流は
ガンの入口・出口の両端部に集中する。この駆動電流の
集中により、電極が局所的に大きな焼損を受けるばかり
でなく、高エネルギーへのプラズマ加速も阻害されてし
まう。

【０００７】（ｂ）電磁力は超音速流に対してのみ加速
に有効に寄与し、亜音速流に対してはむしろ壁となり流
れを閉塞に導く作用をもつ。従って、ガン入口へ超音速
流を供給したときのみ滑らかに高エネルギーへの加速が
許される。同軸ガンへのプラズマ供給は注入した中性ガ
スの電離によっているが、電離過程のプラズマ流は常に
亜音速となることに注意すれば、従来の同軸ガンではエ
ネルギーの高い超音速状態への滑らかな加速は不可能と
結論される。

【０００８】上記（ｂ）の問題点は本発明者により初め
て指摘されたもので〔プラズマ・核融合学会誌69(1993)
684 ，同69(1993)806 〕、同軸ガン入口に超音速プラズ
マ流を滑らかに供給する特別な超音速イオン源の発明
（特願平４−343827号）により、問題はすでに解決され
ている。本発明は上述の問題点（ａ）を解決し、発明さ
れた超音速イオン源を用いて目標の同軸ガンを実現する
ことに関している。原理的に（ａ）は両端部に印加され
る起電力を選択的に小さくできれば解決するが、その最
初の提案例として栗木〔ながれ、７(1989)15〕のものを
挙げることができる。栗木は外部円筒電極をラバールノ
ズル状に整形し、入口と出口の電極間距離を中央部より
広げ両端部の起電力を弱めることを試みたが、実際的に
は両端部の電極間隔を十分広く設定することは困難であ
り、さしたる効果は確認されるに至っていない。

【０００９】両端部の起電力を大幅に確実に弱める方法
として、抵抗体を用いる方法が本発明者により発明（特
願平４−343828号）されているが、その欠陥として抵抗
体による電力損のため理論駆動効率が従来の単純配位と
同一値をとり、ほぼ65％に留まってしまうことが挙げら
れる。

【００１０】すなわち、従来の同軸ガンでは、表皮効果
によりガンの入口・出口の両端部への極度なプラズマの
駆動電流の集中が現われ、電極の焼損をもたらすばかり
でなく効率的なプラズマ加速も妨げられてしまう欠点が
あった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、連続的・多段
的にプラズマを加速することにより電流集中を防止して
加速効率を改善し、ビームエネルギーの大幅な向上を達
成すると共に、電流集中に伴う電極の局所的な焼損を解
消し、プラズマの純化を図り、長寿命で安定な運転が可
能な同軸ガン型加速器の実現を目的とするものである。

【００１２】本発明は、超音速プラズマを発生させる複
数個の同軸円筒状通路の各端部中心に設けた陰極と、各
通路の出口側に絶縁壁を介して設けた陽極と、前記陰極
と陽極との間に設けた超音速プラズマ生成用イオン源電
源と、前記陽極より外方に延在して設けた絶縁壁プラズ
マガイドとを具備して成る超音速イオン源Ａにおいて、
その出口側に絶縁壁プラズマガイドを介して同軸に接続
した内部電極給電フランジＢと、これに引続いて同軸に
接続した多段プラズマ加速管Ｃと、内部電極給電フラン
ジに設けられたスロット或は集電板を介して多段プラズ
マ加速管の多段に絶縁集積した電極との間にそれぞれ接
続した加速段数と同数で互い絶縁された独立の素子で構
成される主プラズマ駆動電源Ｄとより成り、前記多段プ
ラズマ加速管は同軸通路を形成する電極を輪切りにして
電極間に絶縁板を介挿し多段に絶縁集積体とした多段電
極より成り、各段の加速用電極に主プラズマ駆動電源Ｄ
の構成素子を接続し、多段加速反磁性電流層を形成し、
超音速イオン源で発生した超音速プラズマ流を更に多段
プラズマ加速管の同軸通路で高エネルギーに連続して多
段加速させるように構成したことを特徴とする連続多段
加速式同軸ガンにある。

【作用】

【００１３】本発明の基本着想は、表皮効果による両端
部への電流集中を防ぐことにあり、従来の一対の同軸円
筒電極に代わり、一対の薄い同軸円環電極からなる素子
を互いに絶縁して多数積み重ねたスタックを用いて電流
分散を図ることにある。これは、従来の同軸ガンの内外
二本の円筒電極対を輪切りにして多数の薄い円環状電極
とし、互い絶縁したうえで内外の対応する一対の電極素
子を積み重ねてスタックとし、各素子にそれぞれ独立し
たプラズマ駆動電源を接続し、駆動電流値が全素子で同
一となるよう各電源電圧を調整することで実現できる。
いま、各電極素子でプラズマが順次加速されてゆくこと
に注目すれば、本発明は連続的に滑らかにプラズマを多
段加速することにより問題を解決したものと言える。

【００１４】

【実施例】以下図面について、本発明の連続多段加速式
同軸ガンの実施の具体例について詳述する。図１におい
て、本発明の連続多段加速式同軸ガンは主として、超音
速イオン源Ａと、この出力側に接続された多段プラズマ
加速管Ｃと、両者を結合する内部電極給電フランジＢ
と、主プラズマ駆動電源Ｄとの主要構成要素より成る。
本発明の超音速イオン源Ａは、１は陰極、２は陽極を示
し、陰極１と陽極２との間にイオン源電源３を接続す
る。４はガス導入弁、５はアーク拘束壁、６はアーク駆
動電流、７は絶縁壁プラズマガイドを示す。ガス導入弁
４より注入された注入ガス流８は矢印の如く左右に分か
れて、陰極１，１に至り、ここで電離されてイオン源出
力プラズマ流９となり矢印の如く多段プラズマ加速管Ｃ
の領域に進行する。超高速イオン源Ａの出口端には絶縁
壁プラズマガイド７が設けられて、生成したプラズマを
絶縁してガイドするよう構成される。この絶縁壁プラズ
マガイド７の作用は内部電極給電フランジに起生する磁
場の作用により発生したプラズマが陽極２の方に吸引さ
れエネルギーロスとならないために必要である。多段プ
ラズマ加速管Ｃにおいては、多段プラズマ加速管を構成
する電極素子13の数と同数の電気的に独立な（準）定常
なプラズマを発生する主プラズマ駆動電源が設けられ、
各電源は加速に有効な方位角方向磁場成分以外の誤差成
分が極力発生しないよう対称的に内部電極給電フランジ
Ｂの外部集電板15及び内部集電板17を通して対応する電
極素子13及び21の各電極素子に結合される。

【００１５】図１及び図２に示す超高速イオン源Ａのガ
ス導入弁４を通して注入された中性ガスより成る注入ガ
ス流８は、周辺部に配置されている複数個の熱アークジ
ェット部に導かれ、イオン源電源３により維持されてい
るアーク放電により電離されプラズマ化される。また、
このプラズマはアーク拘束壁５による熱ピンチ効果によ
る強調作用により効率的に加熱されると共に加速され音
速に至り、さらに拡がりノズルを構成している陽極部２
を通過してプラズマ流９は超音速流となり、絶縁壁プラ
ズマガイド７を通して内部電極給電フランジＢに設定さ
れている絶縁壁５及び絶縁壁プラズマガイド７で覆われ
たプラズマ膨張箱18に放出される。なお、プラズマ膨張
箱18の役割は、複数個の熱アークジェット源から放出さ
れる超音速プラズマ流９を膨張させ、均一化して多段プ
ラズマ加速管Ｃに供給することにある。また、絶縁壁プ
ラズマガイド７は内外の集電板15，17の張り出しのため
形成される方位角方向磁場成分がプラズマ流９に与える
影響を消去する役割を担うものである。

【００１６】図１に示した本発明の同軸ガンは、外部加
速磁場が不要で簡単な構造を持つ電磁波加速器である同
軸ガンにより、高エネルギー・大電力プラズマビームを
効率よく生成する方法に関しており、プラズマの加速を
妨げる生成過程を加速過程から明確に分離し、さらに電
磁力が加速に最も有効に作用するよう多段プラズマ加速
器系を構成することにあり、下記の諸特徴を具備するよ
う構成するものである。

【００１７】本発明の超音速イオン源Ａは、陰極１と陽
極２との間にアーク駆動用イオン源電源３を接続し、陰
極１と陽極２の間にアーク駆動電流６を流すと、陰極１
より陽極２の中心孔に向けて電子流が発生し、これがガ
ス導入弁４より送られる注入ガス流８を電離し、イオン
源出力流としてプラズマ流９を生成し、且つ強力にオー
ム加熱する。この強力な加熱により、プラズマ流はアー
ク拘束壁５を通過中に音速に至るまで増速され、陽極２
の中心孔入口に注入される。陽極中心孔は下流に向けて
拡大ノズルを形成しており、そのため音速で供給された
プラズマ流は自己圧力で超音速に加速され、加速の反作
用で電子流の陽極２への吸収を促し、超音速流を減速に
導く陽極中心孔内での更なる加熱を防止し、効率よく超
音速プラズマ流９を生成する。

【００１８】超音速プラズマ流９の生成の第一歩は注入
ガス流８の電離にあるが、既に述べたとおりイオン源の
入口付近の電離されたばかりの初期のプラズマ流９は亜
音速であり、前述のとおりプラズマへの熱入力のみがプ
ラズマ加速に有効となる。図１は拡がりノズル状をした
アーク拘束壁５を持つ陽極２と陰極１間のアーク放電に
より熱エネルギーが注入されてプラズマ流が加速され、
超音速プラズマ流９を生成するものである。アーク拘束
壁５は大きな軸電流を持つアーク柱を絞り込み、プラズ
マの安定化と共にエネルギー注入効率の向上を計るため
に設置されるものである。なおアーク拘束壁５中を貫流
するアーク駆動電流は軸に沿っているため、その電磁力
はアーク柱を絞り込む動径方向のみに作用しプラズマ加
速には関係しない。

【００１９】同軸ガン型の電磁加速器では、加速領域の
幾何学的形状を同軸円筒とするのが自然な形状となるか
ら、最も合理的な超音速イオン源Ａの配位は、図２に示
したような有極放電型プラズマジェットを複数個同軸円
筒状に束ねたものにするのが好ましい。図２は複数個の
熱駆動型アークジェットを同軸円筒状に束ねて設けた場
合を示すもので、ガス導入弁４よりのガス流８を複数の
通路に分割して、陰極１と陽極２との対を同軸円筒状に
複数対設け、有極放電型としてアーク駆動電流６を電源
３より陽極２へ流して、分岐したそれぞれのガス流８を
電離し、超音速に加速する超音速イオン源Ａを設け、超
音速プラズマ流９を得るようにしたものである。

【００２０】本発明の連続多段加速式同軸ガンにおいて
は、超音速イオン源Ａの出口側の絶縁壁プラズマガイド
７の外側に内部電極給電フランジＢと多段プラズマ加速
管Ｃとを取付け、これに主プラズマ駆動電源Ｄを接続
し、内部電極給電フランジＢの外部集電板15と、多段プ
ラズマ加速管Ｃの円環状電極素子13との間を主プラズマ
駆動電源Ｄでそれぞれの外部集電板15と電極素子13とを
接続し、各電極素子13は交互に絶縁板14をはさんだ円環
状電極の積層体として各外部集電板15よりそれぞれ給電
するよう構成する。

【００２１】図３は内部電極給電フランジＢの一例を示
すもので、図３（Ａ），図３（Ｂ）はその縦断面及びそ
のＡ−Ａ断面を示す図であり、外部集電板15は内部電極
給電棒16を介して内部集電板17に接続される。内部集電
板17の各端子は、内部集電導線20により内部電極素子21
の各電極素子に接続する。

【００２２】図４は多段プラズマ加速管Ｃの断面図及び
側面図であって、外部電極素子13と内部電極素子21との
関係を示す。図１より明らかなように、主プラズマ駆動
電源Ｄは、内部電極給フランジＢと多段プラズマ加速管
Ｃとを接続し、多段プラズマ加速をするよう構成したも
のである。内部電極給フランジＢにおいては、外部集電
板15より内部電極棒16を介して内部集電板17に接続せら
れる。外部集電板15は主プラズマ電源Ｄのバラスト抵抗
10、コンデンサ11、サイリスタ12を介して多段プラズマ
加速管Ｃの電極素子13の各端子13Ａ，13Ｂ，----に接続
される。一方、内部集電板17は内部配線20により多段プ
ラズマ加速管Ｃの内部電極素子21の各端子21Ａ，21Ｂ，
----に接続し、円環状電極素子を絶縁物を介して積層し
て多段プラズマ駆動電流を構成し、多段プラズマ加速が
できるように構成する。電極素子13の各端子13Ａ，13Ｂ
の間は絶縁板14で絶縁し、外部電極素子13が多段に絶縁
して積層体を構成して配置せられ、内部電極素子21の各
端子21Ａ，21Ｂ，----の間も絶縁板22により多段に絶縁
して配置せられる。外部電極素子13の端子13Ａ，13Ｂ，
----と内部電極素子21の各端子21Ａ，21Ｂ，----とそれ
ぞれの電極素子とが対応して接続されるように構成す
る。

【００２３】本発明の目的はとする絶縁破壊に悩まされ
ることが無い電磁加速は論理的には大電流イオンビーム
を安定して引き出せる最も合理的な方式であるが、上記
のように従来の実績では確かに大電流は引き出せるもの
のビームの収束性が悪くエネルギー効率が低いため、基
本的な絶縁破壊の問題を抱えている静電加速器系に比べ
ても魅力は乏しいとされてきた。しかし一方、この実績
は不満足な収束性と低いエネルギー効率が理論値どうり
に改善されれば、大電流が引き出し得る理想的な電磁加
速器開発が可能なことを示唆するものと解釈できる。

【００２４】本発明の目的とするエネルギー効率が高く
収束性の良いビームを生成するには、流れに乱れの誘発
がない滑らかな加速が不可欠となる。駆動力が気体力の
みの不活性気体の加速の場合、滑らかな加速過程はユゴ
ニオの方程式で記述され、流れが貯気槽での静止状態か
ら高い運動エネルギーをもつ超音速プラズマ流に至るに
は、ダクト断面積が流れに沿って縮小し拡大するラバー
ルノズルの形成が不可欠なことである。

【００２５】一方、本発明の目的とする電磁加速による
滑らかな加速が実現する条件解明には、気体力に加え電
磁力が作用している滑らかなプラズマ流の物理像の把握
が重要となる。いまＺ軸方向（同軸方向）に飛行する断
面積一定な滑らかなプラズマビームを想定し、粒子、運
動量及びエネルギーの三つの保存則を用いれば、下記の
等価ダクト断面積Ａx を持つユゴニオの方程式が導か
れ、滑らかな加速の実現には気体の場合と同様のＡx に
対する条件が賦課されることが示される。

【数１】

【００２６】ここでＭはマッハ数、ｖ₁はイオンの軸方
向速度、Ｔはプラズマ温度、ＥHallはホール電場、ｊiz
は軸方向イオン電流密度、ＷH はプラズマへの正味熱入
力を表している。ホール電場ＥHallは電磁力

【外１】 × のＺ軸方向成分により生成するため常に正値を取ること
に注意すれば、式 (1)は電磁力の流れに沿ってＡx を押
し広げ、熱入力は絞り込む作用を持つことを示してい
る。また式 (1)はＡx のラバールノズル形成を要請して
いることから、流れの滑らかな加速のためには、亜音速
状態（Ｍ＜１）ではＡx の絞り込みが必要で、超音速状
態（Ｍ＞１）ではＡx の拡張が必要となってくる。これ
は亜音速状態ではＡx を押し広げる電磁力はプラズマ加
速ｄｖ₁／ｄｚの負方向へ寄与する。つまり電磁力はむ
しろ加速を妨害すると言う一見奇妙な結果が結論される
ことになる。この奇妙な挙動はプラズマの圧縮性に起因
する流れの自己調整運動の結果であるが、十分な熱入力
（プラズマ加熱）がなければ電磁力によりプラズマ流は
閉塞を来してしまうことを意味し、滑らかな流れを実現
するためには極めて重要であるにも関わらず従来の設計
では全く考慮されていない。事実、電離と加速が同様に
進行することを期待し、作業流体として中性ガスを注入
するのみの従来の単純な方式では、電離により生成され
た電子のエネルギーは中性ガスのそれを大幅に凌駕して
いるため、生成された初期プラズマ流は常に亜音速とな
り、十分に大きな熱入力がないかぎり電磁力により流れ
は常に閉塞することになる。プラズマへの熱入力はジュ
ール加熱により注入されるが、従来方式による初期プラ
ズマ流では電離、輻射及び電子の熱伝導等による熱損失
が大きいため熱入力が不十分であり、流れは必ず閉塞状
態に陥ってしまう。即ちこれは流れの加速のために印加
した電磁力はむしろ流れの抑止作用をもつことを意味
し、従来方式の致命的な欠陥と結論できる。

【００２７】滑らかな流れを想定したモデルでの流れの
閉塞は、実際的には流れが継続的に加速器入口付近に蓄
積することを意味するものではなく、系は閉塞後の挙動
に支配されることになるので初歩的な考察を試みる。閉
塞による流速の減少は密度の増大と共に熱エネルギーの
蓄積を促すため、プラズマ圧の増加をもたらし、プラズ
マ圧が駆動電流による磁気圧を凌駕した時、プラズマは
下流へ放出され閉塞状態が解消するため、局所的な蓄積
は発生することはない。但し、下流への流れの放出はプ
ラズマ圧の低下を招くため、流れは再び閉塞状態に陥っ
てしまうことになり、閉塞・放出のサイクルが繰り返さ
れる。つまり巨視的には流れは時間的、空間的な構造を
形成して維持されることになる。非平衡状態を扱う近代
熱力学ではこのような構造を散逸構造と称しているが、
散逸構造を形成している系のエントロピー生成率は滑ら
かな熱力学的分枝上の系よりも大きいため、駆動効率の
低下は必然的となる。またそのような系は巨視的には一
種の秩序を有するものの、その形成には不安定性が大き
く関与することから、微視的には予測が不可能な乱流状
態にあることを意味し、滑らかな流れでの収束性の保証
を無効にすることは言うまでもない。先に述べた速度ク
ランプを含む同軸ガンの理論値からの大きなへだたり
も、流れの閉塞による散逸構造の形成で理解される。

【００２８】本発明の超音速プラズマ生成理論は上で考
察した従来の技術の欠陥である流れの閉塞による散逸構
造の形成を排除するよう系を設定することと超音速イオ
ン源Ａの次に内部電極給電フランジＢを介して多段プラ
ズマ加速管Ｃを設け、これを主プラズマ駆動電源Ｄで絶
縁板でそれぞれ絶縁して電極を多段の積層体構造とする
ことにより、多段のプラズマ駆動電流層を形成し多段プ
ラズマ加速をすることに関している。閉塞の要因は系へ
の中性ガス注入直後の熱入力の不足にあることから、本
発明はまず第一段目に熱入力のみにより流れを電離し、
超音速に加速する超音速プラズマイオン源Ａを設け、そ
の流れを確実に第二段目の電磁加速器である多段プラズ
マ加速管Ｃへ導く二段階加速方式の採用に基礎を置いて
いる。この系はイオン源とビーム加速系が直接結合して
いる静電加速器系と同じ構成を持っており、超音速プラ
ズマ生成器はイオン源と見なせるため以下超音速イオン
源と呼ぶことにする。

【００２９】多段プラズマ加速管Ｃの動作原理は、 (1)ビームの駆動力として物理的に許される静電力、電
磁力及び気体力の３つの力のうち、電磁力の利用が最も
合理的であり、原理的には静電力利用型に比べて1000倍
も凌駕する高い出力密度が引き出せる。

【００３０】(2)電磁力は亜音速プラズマ流の閉塞作用
をもつ。しかし、この困難は超音速プラズマを加速器に
供給する超音速イオン源Ａの採用で解決される。

【００３１】(3)上述の超音速イオン源Ａは、ガスを導
入しプラズマ化する電離過程で流れが常に亜音速となる
ことに対処するもので、静電型でのイオン源と同様の役
割を持っており、それは熱アークジェットを素子として
構成できる。

【００３２】多段プラズマ加速管Ｃでは、電流を貫流す
る薄い電極素子にも表皮効果が現われる。スタックを構
成する素子数Ｎが多数でＮ≫１の時、入口から数えてｈ
番目の素子に現われる電流層の特性厚さＬ_jは

【数２】で算定できる。但し、β_kは入口に入射されるビームの
初期速度ν₀及び出口からの出射速度ν_kで定まる定数
でβ_k＝（ν₀／ν_k）（１−ν₀／ν_k）で定義され
ている。またＬ_j0は従来の単純配位での電流層厚さであ
り、ηをプラズマの抵効率とすればＬ_j0＝η／〔μ
₀（ν_k−ν₀）〕で与えられる。従って、いま仮に電
極近傍を含めたプラズマ駆動電流路の平均的な電子温度
を１ｅＶとすれば、水素プラズマビームを１ｋｅＶで噴
出させる場合にはＬ_j0〜1.5 mmとなり電流集中の発生が
うかがえる。式 (1)のＬ_jは入口付近のｈ＜Ｎ／２の場
合では負となるが、それは電流集中が素子の入口に形成
されることを意味し、またｈ＞Ｎ／２の場合での正値が
出口に形成されることを意味している。また、中心付近
の素子を除きＬ_j〜Ｌ_j0となっているが、これはスタッ
ク化により個々の電極素子での電流集中の緩和はないこ
とを示している。但し、電磁加速器の全駆動電流を一定
に固定した場合、従来のものは２層の電流層で駆動電流
を支えるのに対し、本発明のスタック方式ではＮ個の電
流層で支えており、電流密度は大幅に低減し平均的に電
流集中が緩和され、電極は損傷を免れる。電流密度の低
減はまた駆動効率の改善を意味しており、簡単のために
全ての電流層の構造は同一と仮定すれば、Ｎ層のスタッ
クの駆動効率

【外２】は従来構造の駆動効率

【外３】で表わすことが可能で下記の数式が導ける。

【数３】

【００３３】ビームエネルギー100 ｋｅＶを引き出す重
水素ビーム源、及び化学燃料の約100 倍の比推力45,000
ｓ（ビームエネルギー１ｋｅＶ）を有する軽水素ロケっ
トはそれぞれ核融合研究及びロケっト推進の分野で目標
の仕様であるが、本発明を用いての輪郭を描いてみる。
ガンからの射出エネルギーＶ_kとスタック素子数Ｎとの
関係は、

【数４】で与えられ、ｊ_iはイオンビーム等価電流密度、Ｌは素
子の厚さ、また＜ｊ_r＞は素子を貫流するプラズマ駆動
電流の許容平均値を表わしている。電磁加速器では静電
加速器のように空間電荷制限に患わされることがないた
め、ここではｊ_iを大型の静電型ビーム装置の1000倍程
度としｊ_i＝200 Ａ／cm²を採用する。式(1)によれば
Ｌ_jは薄い。従って、Ｌも薄いほうが望ましく、Ｌ＝５
mmとした。またアーク放電のデータを参照し、＜ｊ_r＞
＝２Ａ／mm²を仮定する。これらの基礎データを基に、
式 (2)， (3)を用いて上記目標仕様のスタック素子数、
及び駆動効率の見積りを下記に示したが、連続多段加速
式とすることで本発明の連続多段加速式同軸ガンは高効
率で出力密度の高いコンパクトな加速器に仕上がること
が結論できる。

【数５】

【００３４】更に本発明では、このようなプラズマジェ
ットで得られる超音速プラズマ流９を滑らかに電磁加速
器の入口まで導くために、図１，図２に図示した絶縁壁
プラズマガイド７を設けている。超音速プラズマ流９が
多段プラズマ加速管Ｃの入口まで到達するには、加速領
域から外部に漏れだしているプラズマ加速磁場を横切る
必要があり、そのため運動方向と磁場方向の双方に垂直
な方向に起電力が発生することになる。いまこの起電力
が流れの外側にある構造材等の導体を通して短絡する
時、短絡電流と磁場の作用で流れの抑止力が現れ、イオ
ン源から加速管への滑らかな輸送は阻止されてしまうこ
とになる。絶縁壁プラズマガイド７はそのような短絡を
阻止し、イオン源から加速器までの滑らかなプラズマ輸
送を保証するためのものである。

【００３５】本発明の超音速イオン源束の同軸ガンへの
実施例を図１に示している。図１において、同軸に配位
した陰極１より陽極２への複数の注入ガス流８，８を電
離し、絶縁壁プラズマガイド７により、前記プラズマイ
オン流が多段プラズマ加速管Ｃの内側を支える構造材と
短絡しないようにプラズマイオン流を絶縁して送り出
す。19は高エネルギープラズマ流で、滑らかなプラズマ
輸送ができるようにすることが必要である。このためこ
の高エネルギープラズマ流19は内部電極素子21とその外
側を取囲く外部電極素子13間で同軸ガン型電磁加速器で
ある多段プラズマ加速管Ｃが同軸円筒形超音速イオン源
Ａに直結して形成され、超音速プラズマ流９はここで更
に電磁加速され、高エネルギープラズマ流19ができるの
である。23は同軸ガン型電磁加速式多段プラズマ加速管
Ｃの内部電極給電棒16とプラズマ９との間を絶縁する絶
縁壁である。この場合、絶縁壁プラズマガイド23は内部
電極素子21と外部電極素子13との間を流れる電流による
方位角方向の磁場と超音速イオン源Ａからの軸方向プラ
ズマ流により起生する動径方向の起電力が、同軸ガン終
端部の内部電極給電フランジＢを通して短絡されること
を防いでおり、その役割は重要である。

【００３６】

【発明の効果】本発明は核融合研究で常用されている静
電加速方式のビーム加熱器に比べ、10³〜10⁴倍の格段
に高い出力密度のイオンビームを高効率で生成する基本
原理に関するもので、本発明の実施により収束性の良い
大電力ビームが大幅に安価で入手可能となるため、次に
列記した多数の実施効果があり、その実用性は高い。

【００３７】：安価な大電力ビームを実現することに
より高温プラズマを容易に入手し得ることになり、核融
合研究を加速する。：磁場閉じこめ型の核融合炉に供するプラズマ加熱器
が大幅に安価に製造できるので、商用炉の経済性が向上
する。：大粒子束中性子源の建設が可能となる。：軽イオンビームによる慣性核融合炉実現の要となっ
ているビームの収束性が向上する。：水素を推進剤とし比推力及びエネルギー効率の高い
電磁推進器が実現され、ミッション速度の大幅な向上が
可能となる。：安価で安定した個体への高エネルギーイオン注入器
が実現できる。

【００３８】本発明は大電力高エネルギーイオンビーム
発生装置、磁場閉じこめ型核融合実験装置及び同実験
炉、超大電力パルス軽イオンビーム圧縮型慣性核融合実
験装置及び同実験炉、大粒子束中性子発生装置、高比推
力高効率電磁推進器、大電流イオン注入器の製作に当
り、安価で安定した運転が可能な収束性の良い大電力イ
オンビーム発生用連続多段加速式同軸ガンの利用を可能
とする。

【００３９】本発明は単数または複数個の熱駆動型アー
クジェットにより生成される超音速プラズマ流をイオン
源とする多段連続電磁加速式同軸ガンで超音速プラズマ
流を多段プラズマ加速管の入射口へ誘導するに際し漏れ
加速磁場により誘起する抑止力を絶縁物（絶縁壁プラズ
マガイド７、絶縁壁23）等を配置して消去する特別な構
造を有すること及び超音速プラズマ流を更に多段に電磁
加速することにより、高エネルギープラズマ流を生成で
きる工業上大なる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の連続多段加速式同軸ガンの原理
説明用模式図である。

【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は本発明において、
使用する超音速イオン源の原理を示す縦断面図及び横断
図である。

【図３】図３（Ａ），（Ｂ）は本発明において、使用す
る内部電極給電フランジの縦断面断面図及び横断側面図
である。

【図４】図４（Ａ），（Ｂ）は本発明において、使用す
る多段プラズマ加速管の縦断面断面図及び横断側面図で
ある。

【符号の説明】

Ａ超音速イオン源Ｂ内部電極給電フランジＣ多段プラズマ加速管Ｄ主プラズマ駆動電源１陰極２陽極３イオン源電源４ガス導入弁５アーク拘束壁６アーク駆動電流７絶縁壁プラズマガイド８注入ガス流９超音速プラズマ流１０パラスト抵抗１１コンデンサ１２サイリスタ１３電極素子１４絶縁板１５外部集電板１６内部電極給電棒１７内部集電板１８プラズマ膨張箱１９高エネルギープラズマ流２０内部配線２１内部電極素子２２絶縁板２３絶縁壁

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超音速プラズマを発生させる複数個の同
軸円筒状通路の各端部中心に設けた陰極と、各通路の出
口側に絶縁壁を介して設けた陽極と、前記陰極と陽極と
の間に設けた超音速プラズマ生成用イオン源電源と、前
記陽極より外方に延在して設けた絶縁壁プラズマガイド
とを具備して成る超音速イオン源Ａにおいて、その出口
側に絶縁壁プラズマガイドを介して同軸に接続した内部
電極給電フランジＢと、これに引続いて同軸に接続した
多段プラズマ加速管Ｃと、内部電極給電フランジに設け
られたスロット或は集電板を介して多段プラズマ加速管
の多段に絶縁集積した電極との間にそれぞれ接続した加
速段数と同数で互い絶縁された独立の素子で構成される
主プラズマ駆動電源Ｄとより成り、前記多段プラズマ加
速管は同軸通路を形成する電極を輪切りにして電極間に
絶縁板を介挿し多段に絶縁集積体とした多段電極より成
り、各段の加速用電極に主プラズマ駆動電源Ｄの構成素
子を接続し、多段加速反磁性電流層を形成し、超音速イ
オン源で発生した超音速プラズマ流を更に多段プラズマ
加速管の同軸通路で高エネルギーに連続して多段加速さ
せるように構成したことを特徴とする連続多段加速式同
軸ガン。