JP2897506B2 - 原子状酸素ビーム発生装置 - Google Patents

原子状酸素ビーム発生装置

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JP2897506B2 JP320592A JP320592A JP2897506B2 JP 2897506 B2 JP2897506 B2 JP 2897506B2 JP 320592 A JP320592 A JP 320592A JP 320592 A JP320592 A JP 320592A JP 2897506 B2 JP2897506 B2 JP 2897506B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、低地球周回軌道上の
宇宙環境において、宇宙飛行体の表面暴露部材が受ける
原子状酸素による衝撃をシミュレートするのに利用され
る原子状酸素ビームの発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】スペースシャトルや宇宙ステーションが
飛行する高度(低地球周回軌道)では、宇宙線や紫外線
の影響で酸素分子が解離され、わずかに存在する大気の
組成は原子状の酸素がその主成分を占めていることが知
られている。1981年から始まったスペースシャトル
の飛行実験により低地球周回軌道における宇宙飛行体の
表面暴露部材の劣化現象が顕著に認識されるようになっ
た。
【0003】宇宙飛行体の表面は高真空,紫外線,放射
線等による厳しい複合環境に曝されるが、軌道速度約8
km/sに対応するエネルギー(約5ev)で表面に入
射してくる化学反応性の高い原子状酸素の衝撃による表
面反応が表面部材劣化の主要原因と考えられている。ス
ペースシャトルの飛行高度での速度ベクトルに垂直な面
での原子状酸素の流束は約1019個/m・sに達して
いる。
【0004】このような背景から宇宙飛行体の表面部材
劣化現象の解析を行なうため、地上でこのような環境を
模擬するための原子状酸素ビーム発生装置の開発が熱望
されており、多くの機関で開発が進められている。
【0005】この原子状酸素ビーム発生装置に要求され
る基本事項は、ビームの成分が中性の原子状酸素である
こと、運度エネルギーが軌道速度約8km/sに対応す
る5eVであること、流束が低地球周回軌道上の値10
17〜1019個/m・s程度以上であることを満足する
ことである。
【0006】これまで開発されてきた原子状酸素ビーム
発生装置としては、超音速ノズル方式,イオンビーム方
式、さらにはCOレーザ推進方式などがある。
【0007】これらのうち、図2は、超音速ノズル方式
の原子状酸素ビーム発生装置の一例を示すものであっ
て、図に示す装置は、真空槽21の一方の側壁に、アー
ク放電ユニット22を備えたチャンバ23を設けてお
り、該チャンバ23内には酸素供給管24を介して酸素
ガスが供給されるようになっている。
【0008】前記アーク放電ユニット22の電極は、そ
れぞれアーク放電用電源25に接続され、該電極の周囲
には供給管26を介してアルゴンガスが供給されるよう
になっており、酸素供給管24からチャンバ23に送給
された酸素ガスは、アーク放電ユニット22における放
電によって解離され、アルゴンなどのキャリアガスによ
ってエネルギーを与えられた原子状酸素は前記チャンバ
23のノズル23aから噴出して真空槽21内のサンプ
ルホルダ27に固定された試料28の表面に照射され
る。
【0009】図3は、イオンビーム方式の原子状酸素ビ
ーム発生装置の一例を示すものであって、図に示す装置
は、逆L字状に屈曲した真空槽21の一端側にイオンガ
ン29、当該真空槽21の屈曲部分に質量分離マグネッ
ト30をそれぞれ設けると共に、前記真空槽21内部の
中心軸に沿って集束電極31,減速電極32,中性化器
33,偏向電極34およびサンプルホルダ27をそれぞ
れ配設したものであって、酸素供給管24を介して供給
された酸素ガスをイオンガン29によって酸素イオンと
なし、静電的に加速したのち中性化して原子状酸素ビー
ムとして前記サンプルホルダ27に固定した試料28に
照射するようになっている。
【0010】また、図4に示すCOレーザ推進方式の
原子状酸素ビーム発生装置は、真空槽21内に設置され
たノズル35に酸素ガスを供給する高速分子線バルブ3
6と、前記ノズル35内の酸素ガスにCOレーザを照
射するCOレーザ発振器37を備えており、酸素供給
管24を経て高速分子線バルブ36によりノズル35内
に供給された酸素ガスにCOレーザを照射して酸素ガ
スをブレークダウン(絶縁破壊)させ、そのときのブラ
ストウエーブ(爆発波)で酸素分子を原子状に解離させ
るとともに加速することによって、真空槽21内のサン
プルホルダ27に固定した試料28に照射するようにな
っている。
【0011】なお、COレーザのパルス光は、一般に
図5に実線で示すように、高いエネルギーピークP1と
幅の広い低いエネルギーピークP2とから構成されてお
り、当該COレーザ推進方式の装置においては、酸素
ガスの供給圧とレーザのエネルギーピークP1とを調節
することにより原子状酸素ビームの流束および運度エネ
ルギーを調整するようになっている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記超
音速ノズル方式の原子状酸素ビーム発生装置にあっては
イオン化を行なわないためビームの流束を大きく取れる
ものの原子状酸素ビームの衝突速度を実際の低地球周回
軌道上の宇宙環境と同じにするにはノズル温度を数千度
にする必要があり、またノズル前後の圧力比を10
10にする必要があって真空排気装置系にも非常に困
難を伴う。
【0013】また、イオンビーム方式にあっては、酸素
イオンの中性化が困難で空間電荷によりビームが発散す
るために流束を低地球周回軌道上の宇宙環境と同程度に
まで大きくすることが困難である。
【0014】さらに、COレーザ推進方式の装置にあ
ってはCOレーザ発振器は非常に大型になりレーザの
容量も大きくする必要がある。
【0015】そして、これらの各装置を現有の装置に取
り付けて低地球周回軌道の環境をシミュレートした試験
を行なうには大規模な設計変更とスペースが必要という
問題点があり、これら問題点の解決がこのような原子状
酸素ビーム発生装置における課題となっていた。
【0016】
【発明の目的】この発明は、従来の原子状酸素ビーム発
生装置における上記課題に着目してなされたものであっ
て、酸素ガスを効率よく原子状酸素に解離することがで
きると共に、原子状酸素ビームの流束や運動エネルギー
の調整範囲が広くて種々の条件でのシミュレートが可能
で、しかも比較的安価でコンパクトな原子状酸素ビーム
発生装置を提供することを目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる原子状
酸素ビーム発生装置は、真空槽内に設置されたノズルの
端部に酸素ガスを供給する高速分子線バルブと、レーザ
パルス光を発するYAGレーザ発振器と、前記YAGレ
ーザ発振器より発せられたレーザパルス光を前記ノズル
の端部に集光させて該端部に供給された酸素ガスに照射
する集光装置と、同じく前記ノズルの端部に供給された
酸素ガスにパルス光を照射するXeアークフラッシュラ
ンプを具備してなる構成としたものであって、原子状酸
素ビーム発生装置における上記構成を前述した課題を解
決するための手段としたことを特徴としている。
【0018】
【作用】この発明に係わる原子状酸素ビーム発生装置に
おける原子状酸素ビーム発生のメカニズムについては、
COレーザ推進方式と基本的に同じであるが、この発
明においては酸素ガスの解離およひ解離した原子状酸素
の加速のためのエネルギーをYAGレーザとXeアーク
フラッシュランプのパルス光との両者で供給するように
なっており図5に示したCOレーザのエネルギーピー
クP1に相当するエネルギーをYAGレーザによって、
またCOレーザのエネルギーピークP2に相当するエ
ネルギーをXeアークフラッシュランプのパルス光によ
って、それぞれ独立して別系統より供給するようにして
いる。
【0019】したがって、YAGレーザとXeアークフ
ラッシュランプのパルス光のそれぞれのエネルギーピー
ク(図5におけるP1およびP2に相当)のタイミング
や強度比の調整が自由であり、これらを酸素ガス供給の
圧力やタイミングに合わせて調節することによって酸素
ガスの解離効率が向上するとともに原子状酸素の流束お
よび運動エネルギーの調整が任意となる。また、YAG
レーザ発振器およびXeアークフラッシュランプは、基
本的に小型で安価なものであるので大型化やコストアッ
プ要因となることはない。
【0020】
【実施例】図1は、この発明に係わる原子状酸素ビーム
発生装置の一実施例を示すものであって、図に示す原子
状酸素ビーム発生装置1は、真空槽2の図中左端側内部
にノズル3が設置してあり、当該ノズル3の図中左側端
部3aには酸素導入管4を介して高速分子線バルブ5が
接続されていて、該高速分子線バルブ5からの酸素ガス
が前記ノズル3の端部3aに供給されるようになってい
る。
【0021】前記真空槽2の外部左方には、YAGレー
ザ発振器6が設けてあると共に、該YAGレーザ発振器
6と前記真空槽2との中間位置には集光装置である赤外
線用顕微鏡レンズ7が配置してあって、前記YAGレー
ザ発振器6から発せられたレーザパルス光を絞って、前
記ノズル3の端部3aに集光させ、当該レーザパルス光
を前記ノズル端部3aに供給されて来る酸素ガスに照射
するようになっている。
【0022】また、前記真空槽2の図中右端側上部に
は、窓2aが設けてあり、真空槽2の外部右方に配設さ
れたXeアークフラッシュランプ8から発せられたパル
ス光が、前記ノズル3の図中右方向に円錐状に開口する
ノズル口3bを通って当該ノズル3の端部3aに斜め上
方から入射し、ノズル端部3aに供給されて来る酸素ガ
スに照射するようになっている。
【0023】さらに、真空槽2の内部には、前記YAG
レーザ発振器6,赤外線用顕微鏡レンズ7およびノズル
3を結ぶ光軸上に、試料9を固定するためのサンプルホ
ルダ10が設置してある。
【0024】上記構成を有する原子状酸素ビーム発生装
置1を起動させると、YAGレーザ発振器6より発せら
れたレーザパルス光は、矢印Aで示すように赤外線用顕
微鏡レンズ7に入射し、数μmから数10μmの径に絞
られてノズル3の端部3aに集光される。
【0025】一方、Xeアークフラッシュランプ8から
発せられたパルス光は、矢印Bに示すように、真空槽2
の窓2aを通過して斜め上方から前記ノズル3の端部3
aに入射する。
【0026】この状態で、酸素導入管4を経て高速分子
線バルブ5から前記ノズル3の端部3aに供給された酸
素ガスは、YAGレーザ発振器6からのレーザパルス光
とXeアークフラッシュランプ8からのパルス光との両
者のエネルギーによってブレークダウンされ、原子状酸
素に解離すると共に加速され、原子状酸素ビームとなっ
て、矢印Cに示す方向に試料ホルダ10に固定された解
析用試料9に照射される。
【0027】このとき、YAGレーザ発振器6およびX
eアークフラッシュランプ8は、それぞれ個別に制御す
ることができるようになっており、YAGレーザパルス
光とXeアークパルス光のエネルギーピークのタイミン
グや強度比を酸素ガス供給の圧力やタイミングに合わせ
て調整することによって、シミュレートしようとする条
件に合致する流束と運動エネルギーとを任意に選択する
ことができる。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、この発明に係わる
原子状酸素ビーム発生装置は、酸素ガスを供給する高速
分子線バルブや集光装置と共にYAGレーザ発振器およ
びXeアークフラッシュランプを備えており、酸素ガス
を解離して原子状酸素となし、これを加速して原子状酸
素ビームとするためのエネルギーをYAGレーザパルス
光およびXeアークパルス光の両者によって付与するよ
うにしているので、高速分子線バルブより供給された酸
素ガスを効率よく原子状酸素に解離することができると
共に、原子状酸素ビームの流束や運動エネルギーの柔軟
な調整が可能で、希望するシミュレート条件に合致した
流束,運動エネルギーを有する原子状酸素ビームを容易
に得ることができるといる優れた効果をもたらすもので
ある。また、本発明に係わる原子状酸素ビーム発生装置
は、小型で安価なYAGレーザ発振器とXeアークフラ
ッシュランプを用いているため、比較的安価でコンパク
トに他の試験機への取付けが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係わる原子状酸素ビーム発生装置の
一実施例の構造を示す概略図である。
【図2】従来の原子状酸素ビーム発生装置のうちの超音
速ノズル方式の装置を示す概略図である。
【図3】従来の原子状酸素ビーム発生装置のうちのイオ
ンビーム方式の装置を示す概略図である。
【図4】従来の原子状酸素ビーム発生装置のうちのCO
レーザ推進方式の装置を示す概略図である。
【図5】COレーザパルスのエネルギー分布を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
1 原子状酸素ビーム発生装置 2 真空槽 3 ノズル 3a 端部 5 高速分子線バルブ 6 YAGレーザ発振器 7 赤外線用顕微鏡レンズ(集光装置) 8 Xeアークフラッシュランプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−2586(JP,A) 特開 昭63−72100(JP,A) 特開 平3−122000(JP,A) 特開 平6−119998(JP,A) 特許2861796(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05H 3/00 - 3/06 B01J 19/12 B64G 1/00 - 9/00 G21K 1/00 - 7/00 JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空槽内に設置されたノズルの端部に酸
    素ガスを供給する高速分子線バルブと、 レーザパルス光を発するYAGレーザ発振器と、 前記YAGレーザ発振器より発せられたレーザパルス光
    を前記ノズルの端部に集光させて該端部に供給された酸
    素ガスに照射する集光装置と、 同じく前記ノズルの端部に供給された酸素ガスにパルス
    光を照射するXeアークフラッシュランプを具備してな
    ることを特徴とする原子状酸素ビーム発生装置。
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JPH05190295A JPH05190295A (ja) 1993-07-30
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102085920B (zh) * 2009-12-04 2013-06-19 北京卫星环境工程研究所 低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102085920B (zh) * 2009-12-04 2013-06-19 北京卫星环境工程研究所 低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟系统

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