JP3982565B2 - ホール効果プラズマ加速器 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は時として閉電子ドリフト加速器として知られたホール効果プラズマ加速器に関する。本発明は、衛星又は他のスペースクラフトの反動推進エンジンとして使用されるかかる加速器の設計を検討している時に生じた。しかしながら、本発明はまた他の用途、例えば、真空中でワークピースをプラズマエッチング及び機械加工するようになった加速器に適用できる。
発明の背景
在来のホール効果加速器は、該加速器の軸線の周りに円周方向に延び且つ閉鎖端から開放端まで軸線方向に延びる環状加速チャンネルを有する。陽極は、通常は、チャンネルの閉鎖端に置かれ、陰極はチャンネルの外側でその開放端に近接して位置決めされる。推進剤、例えば、キセノンガスをチャンネルに導入するための手段が設けられ、これは、しばしば陽極自体に或いは陽極に近接して形成された通路を通してなされる。磁気装置がチャンネルを横切って半径方向に磁界を作り、これにより、陰極から放出された電子をチャンネルの周りに円周方向に移動させる。陰極から放出された電子のいくらかがチャンネルの中へ通り、陽極に向かって引かれる。半径方向磁界は電子を円周方向に偏向し、その結果、電子が陽極に向かって徐々にドリフトするにつれて、半径方向磁界は螺旋軌道に移動してエネルギーを蓄積する。陽極に近い領域では、電子は推進剤の原子と衝突してイオン化を引き起こす。その結果正に荷電したイオンは磁界によってチャンネルの開放端に向かって加速され、イオンはチャンネルから大きな速度で放出され、それによって所望のスラストを生じさせる。イオンが電子よりも大変大きい質量を有しているので、イオンは磁界によって容易には影響されず、従って、イオンの加速方向は円周方向ではなく主として軸線方向であり、イオンがチャンネルの中へ通らない、陰極からの電子によって中和される。
本明細書において、用語「上流」及び「下流」は便宜上チャンネル内でのイオンの移動に関して方向を説明するのに使用される。
普通、チャンネルの両側に、一方がチャンネルに関して半径方向内方に、他方がチャンネルに関して半径方向外方にある極を構成する磁性材料のヨークを有する電磁石を使用して、所要の半径方向磁界がチャンネルを横切って加えられていた。一例はヨーロッパ特許明細書第463,408号に示され、該特許明細書は、環状チャンネルの中間を通り、単一の磁化コイルを支える単一の円筒部分と、加速チャンネルの外側のまわりに間隔を隔てられ、自身のコイルを支える多数の内ガム円筒部材とを有する磁性ヨークを示す。内側円筒部材と外側円筒部材は単一の磁化ヨークを形成するように磁性ハックプレートにボルト留めされる。他の同様な構成はヨーロッパ特許明細書第541,309号に示されている。
チャンネル内の磁界の良好な分配を達成することが重要であり、コイル及び磁性本体の種々の構成がこの目的のために過去に提案されてきたことは周知である。例えば、ロシア特許明細書第2,022,167号は16個のコイル及び磁気遮蔽までの構成を記載する。
チャンネル内の磁界の最適な分配を達成するかかる試みは、加速器が衛星推進エンジンとしての用途に設計されるとき、加速器の重量及び複雑さを最小に保つ必要性と矛盾することがある。ロシア特許明細書第2,022,167号で認識され、考慮する必要のある重要な要因は、チャンネルの内側の温度が大変高く、コイルをかかる高温から隔絶して損傷を防止する必要があることである。
発明の概要
第1の側面によれば、本発明は、閉鎖端及び開放端を有する実質的に環状の加速チャンネルと、チャンネルの閉鎖端の背後に位置決めされ、チャンネルの軸線と同じ方向に延びる軸線を有する磁界源とを有するホール効果プラズマ加速器を提供する。
第2の側面によれば、本発明は、閉鎖端及び開放端を有する実質的に環状の加速チャンネルと、チャンネルの閉鎖端の背後に位置決めされ、チャンネルの軸線のまわりに延びる磁界源とを有するホール効果プラズマ加速器を提供する。
本発明を使用することによって、単一のコイル又は永久磁石のような単一の磁界源を使用するより簡単で重くない構造によって加速チャンネルの内側の磁界の分配を最適にしたホール効果プラズマ加速器を提供することが可能である。そのようにして出来たより簡単な設計は比較的小さい加速器に特に適しているものと考えられ、これにより、磁界源を加速チャンネルから離して位置決めさせ、それによってチャンネルから伝達される熱から生ずるコイルの加熱作用を減少させる。加速チャンネルの背後の磁界源の位置は又作動中磁界源の冷却を改善することができ、それによって過剰な熱による損傷の機会を更に減少させる。事実上、加速器の外壁と整列させることは相当な熱の利点を提供する。
実質的に環状の加速チャンネルの形状は円形横断面に限定されず、細長い多角形又は不規則な形態を有してもよい。磁界源（要件に応じて永久磁石でも良いし、あるいは電磁石でもよい）はチャンネルの軸線と同じ方向に延びる軸線を有し、即ち磁界源の軸線の少なくとも成分はチャンネルの軸線の方向に延びる。磁界源の軸線はチャンネルの軸線と平行でなくてもよい。
加速器は好ましくはチャンネルの半径方向内方に及び外方に磁極を構成する第1磁性本体を含む。この第1磁性本体は特定の適応に応じて、磁界源を実質的に又は部分的に包囲してもよいし或いは単に磁界源に接近していてもよい。例えば、コイルが実質的に包囲されないもっと開放の構造体が、コイルの冷却が重要である場合に好まれる。
第1磁性本体は、好ましくは形態が略円筒形であり、或いは、使用される加速チャンネルの形状に適したような他の適当な形態のもので、それぞれチャンネルの内側、外側の、チャンネルの開放端に近いそれぞれの極から、チャンネルの閉鎖端の背後の位置まで延びる２つの主内壁及び外壁を含む。チャンネルの閉鎖端の背後の第1磁性本体の連結部は、これらの壁の間の空間を，磁界の要件及び特定な適用における加熱レベルの減少の要件に応じて、より完全な程度又はより少ない程度まで包囲する。この連結部は好ましくは、おそらく、内壁及び又は外壁（又はその延長部）と協同して、チャンネルの軸線と同一軸線の環状空間を構成する。この環状空間は磁界源を収容し、好ましい構成では、その外壁は主外壁の上流延長部によって構成され、磁界源は熱源から合理的にできるだけ遠くに置かれ、また熱放射に利用できる表面積を最大にする。連結部の実際の形状は使用される磁界源の形態で決まり、単一の又は多数の真っ直ぐな部分又は湾曲部分からなる。
本発明の好ましい特徴は、第1磁性本体と磁性的に別体で、且つ第1磁性本体内に包囲された第2磁性本体を含む。この第2磁性本体は好ましくは形状がＵ形横断面の円のものであり、その結果、そのＵ形状はチャンネルの閉鎖端を包囲し、それによって陽極の領域における磁界を減少させる遮蔽体として作用する。
【図面の簡単な説明】
今、本発明の２つの実施形態を図面を参照して例示として説明する。
図１は本発明の第1実施形態の軸線方向断面図を示し、軸線の一方の側に断面の一方の半分だけを示し、軸線の他方の側の他方の半分は虚像である。
図２は本発明の第２の好ましい実施形態を、図１の断面形態と等しい断面形態で示し、且つ磁界の線を図示する。
図３はセラミック加速チャンネルを、内部構造の特徴を表すために除去して、軸線を通る半裁の斜視図で第2の実施形態を示す。
発明を実施するための最良の態様
図1を参照すると、加速器は一般的には、軸線Ｘ−Ｘに対して対称である。加速器は閉鎖上流端（図１に示すように下端）から開放下流端まで延びるセラミックインサート１ａによって構成された環状加速チャンネル１を有する。チャンネルの上流端には、実質的に円形の陽極２及びコレクター３が置かれ、コレクターは推進ガス、典型的にはキセノンを陽極２の近くでチャンネルに供給する。陰極４がチャンネルの外側で下流端に近接して設けられ、そして陰極には電源５によって負の電位が供給される。第1磁性本体６が加速チャンネル１の開放下流端を除くすべてを包囲し、そして、環状チャンネルに関して半径方向外部の主円筒外壁７を有する。この壁７は半径方向内方に延びた極片７ａと関連する。磁性本体６はまたチャンネルに関して半径方向内部の第2の主円筒内壁８を有し、そして半径方向外方に延びた極片８ａと関連する。連結部９が加速チャンネル１の閉鎖端の後の磁性本体の一端で２つの壁を互いに接合する。
第2の中空環状磁性本体１０はＵ形断面のものである。この磁性本体はチャンネル１の閉鎖端を包囲し、且つそれ自体は第1磁性本体６で完全に包囲される。軸線Ｘ−Ｘと一致した物理的な磁気軸線を有する電磁コイルの形態の磁界源１１がチャンネル１の閉鎖端の背後（即ちチャンネルの軸線方向上流）に置かれ、そして第1磁性本体６で包囲されている。変形構造では、コイル１１の代わりに、均等な磁気効果の環状永久磁石を使用してもよい。第2磁性本体１０は支持体１４によって第1磁性本体６に対して支持されている。支持体１４は非磁性材料、即ち磁界に影響を及ぼさない、別の言い方をすれば、一に近い相対透過性を有する材料で作られる。これは、支持体がチャンネル１内の磁界の分布をゆがめないことを保証する。
極片７ａ及び８ａは加速チャンネル１の開放端に近い領域を半径方向に横切って最適な磁界を作り、第2磁性本体１０は陽極２の領域における磁界を減少させ又は除去するのに役立つ。チャンネルからの熱の放散は第1壁７に設けられたスロット１２によって助長される。
図２及び３において、明瞭にするために、図１と同様な特徴に、同じ参照番号が与えられているが、図１の細部のいくらかは簡単にするために省かれている。図２及び３は、図２において、磁界線１３を含む本発明の第２の好ましい実施形態を示す。これらの線１３は加速チャンネル１を横切って作られた磁界の半径方向の性質を示す。図２において、磁界１３の線が磁性本体６及び１０の内側を通り、互いに接近し過ぎていて明瞭に示せない場合には磁界の線は省かれる。図２及び３の実施形態では、コイルが図１のものよりも加速チャンネルからより遠くに離れていることに気づくであろう。
第1磁性本体６の外壁７はチャンネル１の閉鎖端の背後に延びる部分７ｂを有する。これは部分９ａ，９ｂ，９ｃからなる連結部９によって内壁８に連結される。部分９ａは部分９ｂに出会う前に環状チャンネル１の軸線に関して半径方向内方に延び、部分９ｂはチャンネルの閉鎖端に向かって下流に軸線方向に延び、かくして磁気コイル１１のためのキャビティを構成する。外壁７と内壁８との間の連結は、部分９ｂからチャンネル１の閉鎖端の背後に位置する内壁８の端まで延びる連結部の部分９ｃによって完成される。部分９ｂは９ａよりも実質的に長く、部分９ｃがコイルの直径を増すので、その表面積は大きく、これは熱の放散を助ける。

Claims (7)

1. 閉鎖端及び開放端を有し、加速器の垂直な中心軸線を取り囲む実質的に環状の加速チャンネルと、
   チャンネル内でチャンネルの閉鎖端に置かれた陽極と、
   チャンネルから間隔を隔てられ、チャンネルの閉鎖端の外側を包囲し、チャンネルの両側に反対の極性の磁極を構成するためにチャンネルの両側でチャンネルの開放端に向かって上方に延びる第１磁性本体と、
   第１磁性本体によって形成され、かつチャンネルの閉鎖端の底部と第１磁性本体の底部との間に位置するキャビティと、
   チャンネルを半径方向に横切って延びる磁界を形成するために、第１磁性本体とともに磁気回路を作るための、キャビティ内に位置した磁界源と、を有する閉電子ドリフトホール効果プラズマ加速器。
2. 閉鎖端及び開放端を有し、加速器の垂直な中心軸線を取り囲む実質的に環状の加速チャンネルと、
   チャンネル内でチャンネルの閉鎖端に置かれた陽極と、
   チャンネルから間隔を隔てられ、チャンネルの底との間にキャビティを形成するために、チャンネルの閉鎖端の外側を包囲し、チャンネルの両側に反対の極性の磁極を構成するためにチャンネルの両側でチャンネルの開放端に向かって上方に延びる第１磁性本体と、
   チャンネルを半径方向に横切って延びる磁界を形成するために、第１磁性本体とともに磁気回路を作るための、キャビティ内に位置した磁界源と、
   チャンネルから物理的に分離され、チャンネルと第１磁性本体との間に位置し、チャンネルの閉鎖端の外側を包囲し、陽極を、磁界源によって発生される磁界から遮蔽するために、チャンネルの両側で、チャンネル内の陽極の位置を通り越した箇所までチャンネルの開放端に向かって上方に延びる第２磁性本体と、を有する閉電子ドリフトホール効果プラズマ加速器。
3. 磁界源は加速器の垂直中心線と同じ方向に延びる磁気軸線を有する、請求の範囲１又は２に記載の加速器。
4. 磁界源は加速器の垂直中心線のまわりに延びる磁気軸線を有する、請求の範囲１又は２に記載の加速器。
5. 磁界源は単一の電磁石である、請求の範囲１又は２に記載の加速器。
6. 磁界源は単一の永久磁石である、請求の範囲１又は２に記載の加速器。
7. 第１磁性本体は、チャンネルと同心で、チャンネルの両側に配置された２つの円筒壁と、チャンネルの閉鎖端の背後で２つの円筒壁を連結する連結部材とからなり、チャンネルの閉鎖端の背後に磁界源を受け入れるためのキャビティが形成される、請求の範囲１又は２に記載の加速器。

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