JP4294867B2

JP4294867B2 - Magnetic flux formation in an ion accelerator using closed electron drift.

Info

Publication number: JP4294867B2
Application number: JP2000552397A
Authority: JP
Inventors: キング、デビッド・キュー; デ・グライス、クリスティー・エイチ; アードランド、ランダル・エス; ティリー、デニス・エル; ボイト、アーノルド・ダブリュ
Original assignee: エアロジェット−ジェネラル・コーポレーション
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: WO1999063221A2; DE69902589D1; IL139487A0; DE69902589T2; EP1082540A2; EP1082540B1; AU4818699A; IL139487A; WO1999063221A3; JP2002517661A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子の閉じたドリフトを使用したイオン加速器で磁場を“形成する”ためのシステム、即ち、特に、イオンの出口側端部の領域で、磁力線の輪郭と、加速器の長手方向での磁場強度とを制御するためのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホール効果スラスター（ＨＥＴｓ）としても知られている、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器は、プラズマ支援型製造と宇宙船の推進とのための方向付けられたイオン源として使用されている。代表的な宇宙での使用は、（１）ある高度もしくは傾きから他の高度もしくは傾きに宇宙船の軌道を変化することと、（２）大気抵抗の補償と、（３）推進力が、太陽風および月の移動のような影響による軌道の位置の自然なドリフトを打ち消すために使用されている“自らの位置を保つこと”である。ＨＥＴｓは、環状のガス放電領域に推進ガスを供給することによって推力を発生する。このような領域は、アノードを有する閉じた端部と、ガスが放出される開いた端部とを備えている。自由電子は、カソードから出口側端部の領域の中に導入される。これら電子は、長手方向の電場と結合して、ほぼ径方向に延びた磁場によって環状の放電領域内で周囲にドリフトするように誘導される。これら電子は、長手方向の電場によって外側に向かって加速されるイオンを発生させるように、推進ガス原子と衝突する。かくして、反力が、宇宙船を推進させるように発生される。
【０００３】
磁束の強度の長手方向の傾斜度が、乱流振動の有無、イオン流とスラスターの壁との間の相互作用、ビームの集束および／もしくはビームの発散などのような、ＨＥＴｓの動作パラメータに重要な影響を与えることは、長く知られている。このような効果は、長い間、研究されている。例えば、Ｍｏｒｏｚｏｖら“ＰｌａｓｍａＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＷｉｔｈＣｌｏｓｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎＤｒｉｆｔａｎｄＥｘｔｅｎｄｅｄＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＺｏｎｅ”ＳｏｖｉｅｔＰｈｙｓｉｃｓ−ＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１，ｐｐ３８−４５（Ｊｕｌｙ１９７２）と、“ＥｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄｏｎａＣｌｏｓｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎＤｒｉｆｔ”ＳｏｖｉｅｔＰｈｙｓｉｃｓ−ＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．３，ｐｐ４８２−４８７（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ１９７２）とに示されている。このＭｏｒｏｚｏｖ博士と彼の同僚との業績は、アノードから加速器の出口側端部に向かって強くなる放射状の磁場を提供する利益を確立しているものとして、一般に認められている。例えば、Ｈ．Ｒ．Ｋａｕｆｍａｎの論文“ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｌｏｓｅｄ−ＤｒｉｆｔＴｈｒｕｓｔｅｒｓ”ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１，ｐｐ７８−８７（Ｊｕｌｙ１９８３）で、Ｍｏｒｏｚｏｖらの業績を以下のように特徴付けており、同書のｐｐ８２−８３に記載されている。
【０００４】
かくして、長い加速チャンネルの効率は、チャンネルをより短くさせることにより、排出面の近くに総磁場をほとんど集中させることによって改良される。他の解釈、もしくは同等の概念は、長いチャンネルの上流部分で発生されたイオンが、チャンネルの壁に衝突することなく、逃げる機会がほとんどないことである。かくして、チャンネルの上流端部での磁場の集中は、電子効率を減らすイオンの発生をさらに上流に、集中することを期待され得る。
【０００５】
実験的な目的のために、Ｍｏｒｏｚｏｖらは、別々の電磁石のコイルへの電流を制御することによって放射状の磁場のための異なる輪郭を達成した。所望の磁力源（電磁石もしくは永久磁石）に対して、磁場の輪郭に影響を及ぼす他の方法は、（加速器の出口側端部に透磁性部材を位置し、集中させるように）磁路中の透磁性部材の物理的なパラメータを構成しており、アノードの近くのように、磁力源と、比較的弱い磁場強度が望まれている領域との間に挿入され得る磁気の“遮蔽”もしくは分流によって構成している。例えば、論文題目“ＥｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄｏｎｔｈｅＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｎＩｏｎＣｕｒｒｅｎｔａｔｔｈｅＯｕｔｐｕｔｏｆａｎＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｗｉｔｈＣｌｏｓｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎＤｒｉｆｔ”Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ．Ｔｅｃｈ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．４（Ａｐｒｉｌ１９８１）で、ＧａｖｒｙｕｓｈｉｎとＫｉｍとは、加速チャンネルの遮蔽の度合いを変化させることによって磁場強度の長手方向の勾配を変更することを記している。彼らの結論は、加速チャンネル中での磁場の特性が、イオンプラズマの流れの発散に重要な影響力を有すると云うことである。
【０００６】
ＨＥＴｓでの磁場強度の長手方向の勾配は重要であり、かつ、さらに上流の磁場強度に比較されるように、出口面かこの近くに磁場を集中もしくは強めることが望まれていることが、現在の論議であることは明らかでない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、閉じた電子ドリフト（ホール効果スラスター、即ちＨＥＴ）を使用するイオン加速器で磁束を形成するための改良されたシステムを提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
“磁束バイパスケージ”と呼ばれる、特にデザインされた磁気分路器は、内部の円筒形の壁と外部の円筒形の壁との両方で、スラスターのアノード領域、および／もしくは、スラスターの環状のガス配電領域を囲むように設けられている。この磁束バイパスケージの周側は、アノードの後ろに接続されている。最初は、このケージは、スラスターのアノード領域ほぼ全てを囲んだ、内方の側壁と外方の側壁とを有する頑丈な壁である、Ｕ形断面の回転体によって形成されていた。この構造は、スラスターの出口側端部に隣接するセラミック性の絶縁体の腐食の輪郭の測定によって確認されるように、磁場強度の軸の傾斜を急勾配にし、イオンが下流に生じさせられた領域を移動する効果を有することが示されていた。しかしながら、本発明の好ましい実施の形態においては、この磁束ケージは、内周側と外周側とに大きな開口を有する。これら開口の領域は、“ケージ”という用語から、外周側と内周側との両方の主要な部分を構成し得る。この磁束バイパスケージは、（アノードの後ろの）閉じた端部でのリングと出口側端部でのリングとを接続する、周囲に離間された、長手方向に延びた側のバーに似ている。この構成で、磁場の所望の輪郭は、要求されているよりもやや小さい全磁気保磁力に到達され得る。さらに、電磁石は、より軽量のコアおよび構造的な支持も同様に、より少ないアンペア回数も有し得、重量の減少は、スラスターそれ自身のための構造的な支持の要求を減らす。永久磁石を使用するシステムのために、より小さく、より軽量の磁石が使用され得る。このケージデザインの他の特徴は、イオン放電領域で、磁場ベクトルの形状を制御するデザインにするようにしたことである。例えば、頑丈な壁の分路器は、放電領域の中心線に関して急勾配の角度で等電位線を生じさせ得る。この結果は、イオンビームが“過度に集束され”得る、即ち最大の効率のために望ましいというよりも中央のチャンネルの中心線に向かって方向付けられた内方の側壁と外方の側壁とにイオンを有することである。ケージでの大きな開口の領域は、スラスターのコアから熱を取り去るための大量の熱分路器の必要性を減らすもしくは除去する、スラスターの放射冷却も可能にする。本発明の他の態様において、ＨＥＴの出口側端部での磁極は、より高い効率とより長い寿命とのために磁場形状をさらに向上させる、絶縁材料でコーティングされている。同じことが、添付の図面と関連して見て取る場合、以下の詳細な記述に関してより理解され得るので、本発明の先の態様と多くの付随した利点とが、よりたやすく、正しく認識され得る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、宇宙船の推進のために構成され得るような、本発明に関するタイプの代表的なホール効果スラスター（ＨＥＴ）を示している。このＨＥＴ１０は、宇宙船に装着されるブラケット１１によって支持されている。ＨＥＴのわずかの細部は、電子を放出するカソード１２と、環状の放電チャンバ、即ち領域１６の出口側端部１４と、外部の電磁石１８とが、この図に示されていることが、外部から確認できる。以下でより詳細に記述されるように、推進力は、環状の放電領域１６から、図１で右側に見られるように、見る人へと外側に向かって加速されるイオンによって達成される。
【００１０】
より詳細には、図２の断面図に示されている。エンドレスな環状のイオン形成、並びに、放電領域１６は、外方セラミックリング２０と内方セラミックリング２２との間に形成されている。このようなセラミックは、電気的に絶縁性で、頑強で、軽量で、耐腐食性がある。外方の強磁性極片２４と内方の強磁性極片２６との間の放電領域内で、実質的に径方向の磁場を生じさせることが望ましい。図示された実施の形態において、これは、内部の強磁性のコア３２を有するボビン３０に巻かれた巻き線２８を備えた外方の電磁石１８によって達成される。加速器の出口側端部で、前記コア３２は、外方の磁極片２４に磁気結合されている。加速器の後部、即ち閉じた端部で、コア３２は、強磁性のセンターコア、即ちステム３６に磁気結合された強磁性のバックプレート３４に磁気結合されている。そして、このステム３６は、内方の極２６に磁気結合されている。これら部材は、外方の極２４から内方の極２６に連続的な磁路を形成し、かつ、磁束が、環状の放電領域１６の出口側端部で多かれ少なかれ集中されるように構成されている。付加された磁束が、センターコア３６の周りの巻き線３８を有する内方の電磁石によって与えられ得る。
【００１１】
構造的な支持が、一端で外方のセラミックリング２０と外方の極２４との間を橋渡しする絶縁性で非磁性材の外方の構造部材３９と、他端のバックプレート３４とにより果たされている。同様の内方の構造部材４０が、内方のリング２２とバックプレート３４との間にほぼ延びている。皿型ばね４１は、スラスターフレーム全体の熱膨張と熱収縮とを主として可能にするように、構造部材３９，４０の後端部とバックプレート３４との間に介在されている。
【００１２】
図２に概略的に示されているカソード１２は、外方セラミックリング２０と内方セラミックリング２２との間に規定された、環状のガス放電領域１６の出口側端部の上流に位置した、加速器のアノード４２に電気的に接続されている。カソード１２とアノード４２との間の電位は、ＨＥＴ１０のバックプレート３４を通して延びた１もしくは複数の伝導体のロッド４６によりアノードに電位が伝えられるようにした、電源並びに調整電子部品４４によって得られる。図示の実施の形態において、このアノードは、導電体のそれぞれ内方および外方の壁４８および５０と、これら内方と外方との壁の間の環状の突出部５２とを有する。この突出部の先端側は、出口側リング２０，２２の上流側のエッジの近くで下流側に延びている。
【００１３】
前記アノードの後部は、１もしくは複数のガス配電チャンバ５４を有する。ガス供給システム５６から、キセノンのような推進ガスが、１もしくは複数の供給導管５８を通してチャンバ５４に送られる。放電領域に向かってアノードの突出部５２の反対側に沿って外側に向かって流れるために、好ましくは、一連の小さな開口が、前方のガス配電チャンバと後方のガス配電チャンバとの間、並びに、前方のチャンバと一連のほぼ径方向に延びたガス供給開口６０との間のバッフルに形成されている。
【００１４】
以下により詳細に記述されるように、本発明によれば、１つ以上の透磁性の部材、即ち、特にデザインされたバイパス構成部材６１が設けられており、この部材は、バイパス構成部材の内方と外方との壁を接続する、アノード４２の後部、即ちウエブと同様に、内方のアノード壁４８の内側と外方のアノード壁５０の外側との周側に設けられている。
【００１５】
一般に、カソード１２からの電子は、カソードとアノード４２との間の電位差によって放電領域１６へと引かれる。そして、これら電子は、推進ガスの原子に衝突して、イオンと二次電子とを発生させる。これら二次電子は、アノードに向かって連続して流れ、また、イオンは、宇宙船を加速するために使用され得る反力を生じさせるように、放電領域からほぼ外方に指向されたビームとなって加速される。
【００１６】
外方の極２４と内方の極２６との間の磁場は、電子の挙動を制御することを含む数々の重要な特性を有する。電子が、アノードに向かって引かれるのに従って、電子は、サイクロトロン運動と、クロスフィールドドリフトと、時折の衝突による偏向とを主として含む複雑な運動を実行する。これら電子は、壁もしくは好ましくない粒子に衝突する衝突振動数ν_ｃよりも非常に大きい、いわゆるジャイロ振動数ω_ｂ＝ｑＢ／ｍでらせん運動を実行するように、高磁化されるとみなされる。ここでｑは電子電荷、Ｂは磁場強度、そして、ｍは電子の質量である。衝突振動数ν_ｃに対するジャイロ振動数の比は、ホールパラメータβ＝ω_ｂ／ν_ｃと呼ばれている。このらせん運動に、互いに直交した電場と磁場との組合せから生じるドリフトが重ねられる。このドリフトは、電場の方向に対して垂直で、かつ磁場に対して垂直である。この電場は、長手方向に延び、また磁場は、径方向に延びているので、ドリフトは、環状の放電領域１６内でほぼ周方向に誘導される。このドリフトによる電流は、ホール電流と呼ばれ、
【００１７】
【式１】

によって与えられる。ここで、ｎ_ｅは電子密度、
【００１８】
【式２】

は電場ベクトル、そして、
【００１９】
【式３】

は磁場ベクトルである。
【００２０】
【式４】

に対して垂直な電流は、ｊ_⊥＝ｑｎ_ｅ｛μ_ｅ／（β^２＋１）｝〔Ｅ_⊥＋｛１／（ｑｎ_ｅ）｝∇_⊥ｐ_ｅ〕のように示され得る。ここで、μ_ｅはスカラー電子移動度、ｐ_ｅは電子圧力である。前記垂直な電流に対するホール電流の比もまた、ｊ_ｈ／ｊ_⊥＝βのように示され得る。この装置のための電場は、磁場に対してほぼ垂直である。これは、磁場に対して平行な方向、対、垂直な方向で異なる電子移動度から生じている。平行な電子の動きは、衝突と電場の力とを除いて妨害されない。垂直な動きは、めったに起こらない衝突によって偏向されるサイクロトロン軌道に制限される。結果として、垂直な移動度に対する平行な移動度の比は、１／（β^２＋１）であり、β＝１００の場合には、磁場の方向での電位の変化を効果的に少なくする。従って、磁場の方向を規定する曲線は、等電位線の輪郭に近くなる。かくして、電場は、ホール加速器では磁場に対して有効的には垂直となる。
【００２１】
他の重要な特性は、ドリフト速度方向での密度と磁場との一様性である。環状の加速器にとって、これは、方位角方向、即ち放電領域１６中でほぼ周方向である。中性の密度での変動は、電子密度の変化になる。ホール電流は、変化する密度の領域を通るのに従って、電子は、加速、並びに減速されて、磁場を横切る動きを増す。これは、ホールパラメータの効果的な飽和となる。ドリフト方向における磁場強度の変化は、同種の効果を有する。例えば、電子密度の５％の変化は、最大約２０に制限された効果的なホールパラメータになり得る。
【００２２】
磁場強度は、ラーモア半径としても知られている、電子のジャイロ半径の長さｒ_ｇ＝Ｖ_⊥／ω_ｂが、放電領域１６の径方向の幅ΔＲよりも小さくなるように調節される。ここで、Ｖ_⊥は、磁場に対して垂直な電子の速度成分である。イオンのジャイロ半径は、電子質量に対するイオン質量の比だけ、多数の要因によってより大きくなる。従って、イオンの曲率半径は、装置のディメンションに比較して大きく、イオンは、磁場によって比較的影響を受けないでアノードから離れるように加速される。
【００２３】
磁場は、粒子の加速に影響を及ぼす電位を形成する。凹（上流）および凸（下流）形状は、イオンビームをそれぞれ集束および非集束するレンズのような特性を有する。さらに詳しく言うと、イオンは、等電位線の正接に対して垂直な方向で加速される傾向にある。この線が、上流から下流に向かって凸である場合、イオンは、放電領域の中心に向かって加速され、集束する効果が生じる。このような集束する特性により、この磁気システムの特徴は、プラズマレンズと呼ばれている。
【００２４】
絶縁性リング２０，２２間の中央の磁場の大きさと、電場の強度との間で、関連性がある。電場は、中央のチャンネルの磁力線がＢ／Ｂ_ｍａｘ＝０．６の強度を有するアノードからある距離で始まる強度であると仮定される。これは、イオン形成の位置であると考えられ得る。例えば、Ｂｅｌａｎらは、“ＳｔａｔｉｏｎａｒｙＰｌａｓｍａＥｎｇｉｎｅｓ”，ＮＡＳＡＴｅｃｈｎｉｃａｌＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎＲｅｐｏｒｔＮｏ．ＴＴ−２１００２，Ｏｃｔｏｂｅｒ１９９１，ｐ２１０に示している。
【００２５】
本発明の一般的なアイディアは、イオン形成と放電とが、等電位線、即ち等電位曲線に近い、一定の磁力線、即ち磁力曲線に起因し、また、この曲線を移動し、形成することにより、イオン形成と加速位置と（そして、方向）が、操作され得ることである。例えば、磁束バイパス構成部材６１がなければ、図１および２に示されている一般的なデザインのスラスターは、異なるセンター磁極の形状と位置とにより動作された。外方の極に対して下流にセンター磁極を移動することによって、下流に移動された出口側のリング２０，２２の腐食の位置が見つけられた。これは、絶縁体の腐食位置が、磁力線を移動することによって移動され得るという仮定を確認した。磁極間の磁力線は、中心線と内方のリングへとイオンを向ける平均角度を有することを見い出し、外方の絶縁性リングの腐食の位置と比較して内方の絶縁性リングの腐食の位置によって証明された。中央のステム、即ちコア３６の周りに他の電磁コイルを付加することによって、磁場は、傾きをなくすように調節され得ることが、見い出された。これは、内方、並びに外方の絶縁体の腐食パターンが、センターコイルが使用された場合に、軸方向に均一に生じたことを示している、短期のテストによって確認された。全ての電磁石のために同じアンペア回数の総数を維持することによって、電磁石の電流の必要性は、同じ様に維持された。内方と外方との絶縁性リングの両方は、同じ長手方向の位置で腐食されるが、異なる比率が異なるスラスターの外形、材料、並びに動作パラメータのために要求され得るようなセンターコイルのアンペア回数の総数と外部のコイル（４つの全ての外部の電磁石）のアンペア回数の総数との比率７：３は、傾きをなくした。とにかく、発生された全磁束は、センターコイルが使用されていようとなかろうと、ほぼ同じ磁束であった。
【００２６】
重要なことに下流へ放電を移動するために、磁場の重要な操作が、要求されたことが見い出された。初期の計算は、Ｕ形状の断面の環状の強磁性体の帯６１をアノードの周りに付加することにより、磁束がアノード領域の周りおよび後ろで回転され得る、並びに内外方の周側を有することを示した。“磁束バイパス”という用語は、この特徴のために選択された。ピーク磁力線（Ｂ_ｍａｘ）が下流に移動され、また、イオン形成が生じると仮定された０．６のような強度の所望の割合での線の位置は、下流とＢ_ｍａｘ線の近くとの両方に移動されたことがまた、見い出された。磁束バイパスは、さらに下流にＢ_ｍａｘの位置を押すことに加えて、磁場強度の軸勾配を急にする。イオン形成および放電が、さらに下流でなされるので、スラスターは、これが磁極を通して腐食する以前の長い期間に渡って動作し得る。磁場の動作の正味結果は、２以上の要因によってスラスターの寿命を長くしたことである。
【００２７】
さらに詳しく言うと、テストは、中心線Ａから測定された４１ｍｍの中央のチャンネル半径と、出口側のリング間の１２ｍｍの径方向の幅ΔＲとを有する、図１および２に示されている一般的なデザインのＨＥＴに対してなされた。外部の傾斜した部分を含む絶縁性リング２０，２２の、これらの表面に沿った軸長は、１２ｍｍであり、各絶縁性リングの径方向の幅は、磁極片に隣接して配置された位置で６ｍｍであった。４つの外部のコイルとセンターコイルとのためのアンペア回数の比率は、露出された、内方の絶縁性リング２２の外方の長手方向側面に沿って測定されたような、約６９０ガウスの最大磁場強度を達成するために十分な電流で、上述されたように与えられた。電源と調整電子部品とが、カソード１２とアノード４２との間に３５０ボルトの電位と１．７ｋＷの電力とを与えた。キセノンガスが、５．４ｍｇ／ｓｅｃの流量で中空のアノードを通して供給された。磁場強度は、アノードの内方の壁４８と外方の壁５０とを囲んだ頑丈な円筒状のシートの内側壁および外側壁を有し、図２に示されているように絶縁性リング２０，２２の中に一部が突出した、磁気分路器６１がある場合とない場合とで、測定された。本発明によれば、分路器の後部は、この分路器の外側壁からこの分路器の内側壁に磁路の磁気抵抗を制御するためのリブの間に、大きな開口を有する径方向の複数のリブによって形成された。
【００２８】
図３のライン６３は、適所に磁束バイパス構成部材を有さない内方の絶縁性リングの上流側のエッジから測定されるような、磁場の形状を示している。図３のライン６５は、アノードの背後で一緒に接続された頑丈なシート状の内壁と外壁とを有する磁束バイパス構成部材が適用された場合の、磁場の輪郭を示している。図３に示されているように、磁束の勾配は、磁束バイパス構成部材の使用によって実質的に増加され、最大磁場強度の位置は、さらに下流に移動されている。
【００２９】
絶縁性リングの腐食は、テストの異なる段階で測定された。図４（放電チャンネル１６の中心線Ａ’から外側の、外方の絶縁性リング２０下流側の端部と、隣接した磁極片２４との拡大部分概略図）に関して、バイパス構成部材が使用されない場合の、腐食の輪郭は、放電領域１６中でライン６８のイオン形成上流に対応する、ライン６６によって示されている。上述されたタイプの磁束バイパス構成部材を加えることによって、腐食の輪郭が、磁束バイパスケージを有さないＨＥＴに対するよりもさらに下流に、図４のライン７０に移動される、上流のライン７２のイオン形成に対応する。
【００３０】
本発明の一態様によれば、バイパス分路器は、図５および７に示されているように、ケージを形成する分路器本体の（アノードの後ろの）内方接続部と、一方もしくは両方の側壁に大きな開口が形成されている。このケージ６１は、出口側端部で、開口したリング８０，８２が、それぞれセラミック性の絶縁性リングにはめ込まれているように、アノードのハウジング周りに取り付けられている。さらに詳しく言うと、図９に概略的に示されているように、外方の出口側端部のリング８０は、外方の絶縁体２０の内面にはめ込まれ、そして、内方の出口側端部のリング８２は、内方の絶縁体２２の内面にはめ込まれている。側方の開口８１は、ケージの周囲の領域の主要な部分よりも大きく囲み得る。図５および７に示されている実施の形態において、４つの薄い透磁性材のストリップ８４は、ケージの後部、即ち閉じた端部で外方の出口側端部のリングと似通ったリング８６とを接続する。これらストリップ８４は、内方の端部のリング８２と、ケージの反対の端部に対応するリング９０との間に延びた似通ったストリップ８８に径方向に配置されている。これらストリップは、ケージの開いた側を通り抜けるために、より磁束の余地があるように４つの外部の電磁石から４５°に配置され得る。図５および６の実施の形態において、外方のリングと内方のリングとの間の磁路はケージの閉じた端部でリング８６，９０の間に、アノードの後ろに延びた短い径方向のスポーク９２によって揃えられている。閉じた端部での大きな開口９４は、アノードの中に直接送るように、推力と電力線とを割り当てる。４つのストリップ８４と、４つのストリップ８８と、４つのリブ即ちスポーク９２とが示されているが、これら多数のストリップおよびスポークは、ケージによって規定された磁路の所望の磁気抵抗を達成するために、図６および８に示されているように、好ましくは一様に離間されて使用され得る。図７および８の実施の形態において、ケージの後部の磁気抵抗は、図５および６の実施の形態のリングに対応するよりも大きな半径のディメンションを有する後端部のリング８６，９０の間の環状のギャップ９５の幅によって制御される。それでも、内方および外方のリングは、ギャップを横切って磁気結合される。
【００３１】
開いたケージデザインに対する頑丈な壁のバイパスの１つの主要な利点は、アンペア回数の要求とスラスターの重量とを減少させることである。磁束バイパスを使用する一般的な閉じたドリフト加速器において、図１０に示されているような、３つの主要な磁路がある。第１の磁束路９６は、磁極２４，２６の間の径方向のギャップを横切る磁束線を示している。第２の磁路９８は、磁束バイパスケージ６１の内方のコーナーに内方の極２６を接続し、バイパスケージの外方のコーナーから外方の極２４に接続している。第３の磁路１００は、内方と外方との磁気体系から磁束バイパスの中央に接続している。開いたケージデザインを有する重量とアンペア回数とを減少させることは、磁路９６を横切って通過する全磁束の割合を増す磁路９８，１００の平均的な磁気抵抗を増すことによって達成される。アノードと中央のステムとを囲んだ頑丈な壁の遮蔽材と比較して、磁路１００を通す所定の磁束が、３０ないし４０％より少なく、磁路９８を通す所定の磁束が、１５ないし２５％より少ない。
【００３２】
図１１は、頑丈な磁束バイパス構成部材（ライン９９）と、開いたケージデザインのある型の磁束バイパス構成部材（ライン１０１）との放電領域１６の中央のチャンネルでの磁場強度を示している。これらデータは、次のパラメータを有する図１および２に示されているタイプの実験室用の加速器のデザインで実行されたガウスメータの測定結果を得られた。これらパラメータは、スラスターの中心線から測定された中央のチャンネルの半径６５ｍｍと、端部のリングの間の径方向の幅−Ｒ１８ｍｍと、表面に沿った絶縁性リングの軸長１５ｍｍと、磁極片に隣接して配置された位置での各絶縁性リングの径方向の幅８ｍｍと、３５０ボルトの電位を有する電源および調整電子部品の電力４ｋＷと、中空のアノードを通して供給されたキセノンガスの流量１２．８ｍｇ／ｓｅｃとを有する。図１１の横座標は、外方の絶縁性リング２０に沿った軸の距離である。ゼロは、絶縁体に沿って最も遠くの上流の点に取られている。各例において、絶縁体の腐食は、上流のエッジから約４．５ｍｍで始まった。開いたケージデザインのために、これは、最大の約０．８５、即ち０．８５Ｂ_ｍａｘの中央のチャンネルでの磁場強度に対応する。中央のチャンネルのＢ_ｍａｘ曲線の位置もまた、各例で磁極片の下流にある。これら測定結果は、多数のアンペア回数を与えられたために、全磁束の大きな割合が、磁極の間の径方向のギャップを横切って通過するので、磁場強度が、開いたケージデザインを有する中央のチャンネルで約１５％より高いと示している。要求された全磁束の減少は、最小質量が重要である宇宙への適用のために特に有利である。強磁性コンダクタと電磁コイルとの重量は、構造的な支持の要求に反対のように磁束容量の必要性によって動作される。かくして、全磁束の減少は、重要な重量を省くことによって生じる。
【００３３】
ケージデザインの他の特徴は、放電チャンネルで磁場ベクトルの形状を制御させるデザインにすることである。ケージバーの厚さと幅とを調節することによって、磁場の流線が内方および外方の絶縁体をなす角度は、増加もしくは減少され得る。例えば、図１２は、全面的に頑丈な側壁と、実質的に開いた後部のケージ（ライン１０３）および図５（ライン１０５）に示されているように、側方に開口を有するケージとのために、外方の絶縁性リング２０で達成される、角度の変化を示している。スラスターの物理的なパラメータは、図１１に関して、上述されたパラメータと同様であった。ｘ軸のディメンションは、外方の絶縁性リングに沿った距離である。ゼロは、絶縁体に沿って最も遠くの上流の点に取られている。この場合において、角度は、外方の絶縁性リングに沿って５０％程度減少される。磁力線が、軸の構成部材を有さない点は、ほぼ１ｍｍだけ下流に移動される。磁場の形状を調節することは、プラズマの力学と絶縁体の腐食と、特に、イオン流の集束と発散とを制御する。上述されたように、磁力線の形状は、等電位線の形状に強く影響を及ぼし、かくして、イオン形成の位置と加速方向とに影響を及ぼす。絶縁性リングに沿った適当な磁場ベクトルの角度が、壁から離れるようにイオンを向け得、腐食を減少させ得る。かくして、このパラメータを制御することは、スラスターの寿命を長くするように磁力線の形状を与える。この磁力線の形状はまた、出口側端部のリング８０，８２の形状を修正し、絶縁性リングの間の径方向の距離−Ｒを調節することによっても制御され得る。
【００３４】
磁力線の輪郭に影響を及ぼし、かくして、磁場ベクトルの角度とイオンビームの発散もしくは集束に影響を及ぼす他の要因がある。電位は、境界値によって設定され、傾斜度は、磁力線に沿う、および、横切る電子の動きによって制御される。電源は、アノードとカソードとの電位差を設定する。ホール加速器で、磁化されたプラズマのために、電位差は、磁力線に沿って小さくなる。小さな電位差は、磁力線の方向で電子の相対的な自由運動に対応する。磁力線が絶縁した面と交差する場合に、電位の傾斜度は、電子移動度によって左右される。磁力線を横切る電子移動度が低いので、高電位差は、アノードに向かって電子を押すように磁力線を横切って発達する。磁力線が、下流の磁力線の磁鉄極のように、伝導面と交差する場合に、これら磁力線での電位は、磁鉄極の電圧に近くなる。云いかえると、この磁鉄極は、磁力線と交差する境界電圧を設定する。効果的には、これら全磁力線は、共通の電位を得る。従って、磁鉄極は、絶縁されない面と直接交差する磁力線の領域の電位差を十分に与えない。本発明に関するタイプのスラスターの構造のある結果は、ほとんどのイオン加速がこの領域で生じるように、電場がＢ_ｍａｘ線の上流で最も強くなることである。下流の位置で、磁力線は、ほとんど加速しない、もしくは加速しない領域を生じるように、磁極と交差する。本発明によれば、この影響は、磁極の露出された面に絶縁性のコーティングを行うことによって減らされ得る。
【００３５】
絶縁された磁極片と絶縁されない磁極片との腐食の輪郭の比較は、絶縁体のコーティングが磁極片に行われている場合、腐食の位置がより好ましく、即ち、より下流にあることを示している。本発明による加速器のための最良の態様は、好ましくは１ないし１０ｍｍ程度、磁極面の下流にピークを有する中央のチャンネルの直径で磁場を使用することである。この極面は、様々な材料によって絶縁され得る。強磁性体の磁極に、プラズマ溶射されたニッケルコーティングを使用することは、約０．５ｍｍの厚さにプラズマ溶射された酸化アルミニウムコーティングの優れた密着性を効果的にする。絶縁性材料の別々のシートよりむしろコーティングは、宇宙船の推進への適用を高く望み得る、磁極片からの熱放射を改良する。
【００３６】
本発明の重要な態様を要約すると、改良された加速器の操作は、高いスラスト効率と同時に長い動作寿命とを達成するようになっている。動作と強度と軸の傾斜度と磁場の形状とを改良されるように制御されねばならない、磁場のほぼ３つの態様を有する。
【００３７】
この長い寿命は、図１３で要約された磁場の重要な特性を移動することによって得られ、これは、出口側のリングの間の放電領域の中央のチャンネルで磁力線に沿った磁場強度を示している。磁場の計算は、ＥｎｇｉｎｅｅｒＭｅｃｈａｎｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＥＭＡＧのようなデザインツールを自動化された通常のコンピュータで実行される。これは、測定された磁場にほぼ一致する有限要素解である。これら計算は、図１１に参照される、記述された物理的および動作上のスラスターのパラメータを使用する。
【００３８】
図１３で参照符号を付けられたポイント１，２，３の順を追って、磁気システムのための中央のチャンネルでの最大磁場強度Ｂ_ｍａｘは、磁束バイパスなし（ポイント１）、頑丈な磁束バイパス（ポイント２）、ケージ磁束バイパス（ポイント３）である。これらポイントは、磁束バイパスなしに代表される図１４と、頑丈な側壁を有する磁束バイパス構成部材に代表される図１５と、側壁に開口を有する磁束バイパス構成部材に代表される図１６とのための２次元の磁場の計算で特定の磁束線を示している。
【００３９】
磁束バイパスケージを使用すると、磁場のピークは、下流にシフトされる。磁束バイパスケージなしの場合、Ｂ_ｍａｘは、磁極の軸の中間点近くに生じる。ポイント２，３において、最大磁場強度は、軸の範囲が、図１３で点線１０７の間にある、磁極の下流に生じることを示している。
【００４０】
次に、図１１に関して記述された基本型の腐食パターンに基づいて、本発明による改良されたスラスターのためにイオンを生じるほぼ正確な位置である、図１３で参照符号を付けられたポイント４，５，６を０．８５Ｂ_ｍａｘの代表的な位置であるとみなされている。これらポイントは、図１４（バイパスなし）、図１５（頑丈な側壁を有するバイパスケージ）、図１６（開いた側壁を有するバイパスケージ）でそれぞれポイント４，５，６によって示されているような特定の２次元の磁力線に対応する。さらに、磁束バイパスケージを使用することによって、０．８５Ｂ_ｍａｘの位置が、磁束バイパスケージがない場合に比較して下流にシフトされる。この装置のために、０．８５Ｂ_ｍａｘを通り抜ける磁束線は、放電の腐食性部分の開始、即ち、絶縁体の腐食の最も上流の位置に、対応するように実験的に決定される。従って、この磁場強度の位置を移動することは、放電の腐食性部分の位置を変化することを示している。中央のチャンネルと、ポイント４，５の軸の位置とを比較して、頑丈な磁束バイパスケージ（図１５）を使用することによって、放電の腐食性部分が、下流に移動され得ることを示している。ポイント５の軸の位置は、磁束バイパスケージの軸の位置を変化させることによって調節され得る。下流にバイパスを移動することは、ある割合で下流にポイント２，５を移動する。図１６に関して、このほぼ同じ効果は、磁束バイパスケージ（開いた側壁）を保持し、さらに下流にケージを移動することは、さらに下流にポイント３，６を移動する。しかしながら、ポイント３，６の位置は、磁束バイパス差の磁力線の形状と角度とのために頑丈な側壁のバイパスとは異なる。
【００４１】
磁力線の形状、即ち輪郭は、プラズマレンズの集束に影響を及ぼす。この集束は、効率に主な影響を有する。図１４（バイパスなし）で、参照符号４を付けられた磁力線は、ほぼ８０ｍｍの曲率半径を有する。これは、０．８５Ｂ_ｍａｘの位置にある。図１５に代表される、頑丈な側壁の磁束バイパスが使用される場合、曲率半径は、参照符号５を付けられた磁力線（０．８５Ｂ_ｍａｘ）でほぼ２０ｍｍである。図１６に代表される、側壁に開口を有する磁束バイパスケージで、磁力線６（０．８５Ｂ_ｍａｘ）の曲率半径は、ほぼ４０ｍｍである。図１６で磁力線６は、腐食されていない絶縁体から腐食された絶縁体を分けるコーナーに効果的に適する位置で、絶縁体の壁と交差することも示している。
【００４２】
変化する開口の領域の磁束バイパスケージを使用して、磁気レンズの集束特性は、腐食性のコーナーの重要な再配置なしで変化され得る。（アノードの後ろの）ケージの後部で径方向のスポークの断面領域の集合体を調節することは、アノード領域をバイパスする磁束量を変化させ、図１６で参照符号６を付けられた磁力線の曲率に影響を及ぼす。
【００４３】
この加速器の十分に下流でのイオン電流、対、イオン位置の分布を測定することによって、推進のための煙柱の発散の度合いが、決定され得る。図１５に示されるようなプラズマレンズの特性を有する加速器のために、３５０Ｖの放電のために図１６のレンズの特性のためよりも高い発散を見い出している。かくして、図１６で、磁気レンズの長い焦点距離は、発散角度の観点から改良された煙柱の特性を有する。
【００４４】
中央のチャンネルでのピーク磁場強度はまた、アノード領域をバイパスする磁束量によって影響を及ぼされる。図１３の曲線は、１０００アンペア回数の保磁力の中央のチャンネルの磁場強度を代表している。主要な磁気回路中で、磁場が、透過性材を飽和しないと仮定すると、各場合の最大磁場強度は、保磁力にほぼ比例する。ポイント１に等しくなるようにポイント２の強度を増すと、頑丈な分路器の輪郭のための保磁力は、磁場のポイント１／ポイント２の比、即ち４２％の比で増加されなければならない。磁束バイパスケージは、ポイント１のような同じピーク磁場に到達するように保磁力に２０％だけ増加を必要とする。宇宙船のスラスターとして使用される加速器のアンペア回数の回数の減少は、磁気システムの重量での有益な減少を有し得る。
【００４５】
ケージデザインはまた、熱の観点から都合が良い。アノードと中央のステムとを囲んだ以外では別々である遮蔽材の欠点の１つは、これら遮蔽材がアノードの放射冷却を抑制することである。放射冷却は、宇宙船への熱伝導を減らし、その磁束容量を増加する冷却器温度で動作するように中央のステムを割り当てる。ケージタイプの磁束バイパスのための減少されるアンペア回数の要求は、コイルに散在されたオーム電源を減らす。これら熱の散在における減少と、放射冷却における増加とは、スラスターのコアから離れる熱を伝導するための熱分路器の必要性を減らす。
【００４６】
現在までの実験、並びに計算に基づいて、磁束バイパスケージと、絶縁性リングおよび磁極面に相対的に位置することとが最適な物理特性を特定することは、困難である。それでも、いくつかの好ましい関係は、最大磁場強度（Ｂ_ｍａｘ）の位置決めと、磁場強度の勾配（０．８５Ｂ_ｍａｘ線の主要な位置）と、所望の最大磁場強度に到達するための要求された全保磁力と、増加された効率のための集束を達成するための磁力線の曲率とを有する、磁場形状の所望の態様を達成するために観察されている。図９に関して、１つの重要なパラメータは、内方の磁極片２６の上流のエッジで径方向のラインと、バイパスケージの隣接したコーナーに極片の内方の上流のコーナーからのラインとの間の角度θである。最も好都合な結果は、θがほぼ４５°の場合に達成されており、また、所望の結果は、２０°と８０°との範囲内でθを測定、並びに、計算される。この角度が大きすぎると、磁極からのバイパスケージの離間は、磁束の十分なバイパスに到達せず、θが２０°よりも小さい場合、磁場強度は、全保磁力が所望の強度に到達するように要求されるポイントに中央のチャンネルで減らされる。
【００４７】
他の重要な態様は、ケージの外方の側壁にケージの内方の側壁の結合の磁気抵抗であり、これは、内方および外方の側壁を接続する磁性材によって調節され得る。一般に、最良の結果は、ケージの後端部の開いた領域が、全領域のほぼ９７％である、即ち、ほんの僅かの薄い径方向のスポークが、ケージの外方の側壁にケージの内方の側壁を接続するために使用される場合に、測定されている。同じ効果は、ギャップ９５が非常に狭い場合に、図６に従う実施の形態によって達成され得る。いずれにしても、ケージの後端部の少なくとも主要な部分、かつ、好ましくは９０％より多くの部分は、内方および外方のケージの側壁の間に開けられていることが、信頼される。
【００４８】
他の態様は、ケージの側壁中での開いた領域の量である。現在までの最良の結果は、側壁の開口が周囲の領域の主要な部分を囲んだ場合、開口を通り抜ける磁束を許容し、要求された全保磁力を減らすことを達成されている。
【００４９】
バイパスケージの効果を集束、非集束することに関して、最良の結果は、０．８５Ｂ_ｍａｘ線の曲率半径が４０ｍｍである場合、図１１に関して記述された基本型を達成されている。これは、磁極面（図９を参照）の間の距離−Ｒ_ｐの約０．８５に対応する。過度な集束と小さい効率とは、曲率半径２０ｍｍに測定され、また、不充分な集束（大きな発散）は、８０ｍｍの曲率半径に測定される。現在までに役立つ情報に基づいて、好ましい範囲は、３０ｍｍ（０．９−Ｒ_ｐ）ないし５０ｍｍ（１．５−Ｒ_ｐ）である。特定された曲率半径を有する磁力線に到達された集束の度合いは、Ｂ_ｍａｘ線が磁極の下流の位置に押される、高い効率に到達する。
【００５０】
発明の好ましい実施の形態が、図示および記述されるうちに、様々な変化は、本発明の精神および範囲から逸脱しないでなされ得ることが認識され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に関連した代表的なタイプの閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器のやや概略的な上部および出口側端部の斜視図である。
【図２】図２は、図１の２−２線に沿ったやや概略的な長手方向の断面図である。
【図３】図３は、本発明に関連したタイプの加速器で磁場の輪郭に磁束バイパス構成部材の効果を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明に関連したタイプの加速器のイオン出口側端部の、拡大部分概略断面図である。
【図５】図５は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で使用するための、本発明による、磁束バイパスケージの第１の実施の形態の上部および後部の斜視図である。
【図６】図６は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で使用するための、本発明による、磁束バイパスケージの第２の実施の形態の上部および後部の斜視図である。
【図７】図７は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で使用するための、本発明による、磁束バイパスケージの第３の実施の形態の上部および後部の斜視図である。
【図８】図８は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で使用するための、本発明による、磁束バイパスケージの第４の実施の形態の上部および後部の斜視図である。
【図９】図９は、本発明による磁束バイパスケージを有する加速器の非常に概略的な部分断面図である。
【図１０】図１０は、磁力線と磁路とを示す、本発明に関するタイプの加速器の概略的な部分断面図である。
【図１１】図１１は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で、磁場強度と輪郭とに異なるバイパス構成部材の効果を示すグラフである。
【図１２】図１２は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で、異なるバイパス構成部材のための磁場のベクトルの角度を示すグラフである。
【図１３】図１３は、閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器で、磁場強度と輪郭とに異なるバイパス構成部材の効果を示すグラフである。
【図１４】図１４は、磁力線および磁路と電場線および電路とを示す、本発明に関するタイプの加速器の概略的で、断片的な断面図である。
【図１５】図１５は、磁力線および磁路と電場線および電路とを示す、本発明に関するタイプの加速器の概略的で、断片的な断面図である。
【図１６】図１６は、磁力線および磁路と電場線および電路とを示す、本発明に関するタイプの加速器の概略的で、断片的な断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a system for "forming" a magnetic field with an ion accelerator using closed drift of electrons, i.e., in the region of the exit end of the ion, in the field lines and in the longitudinal direction of the accelerator. The present invention relates to a system for controlling magnetic field strength.
[0002]
[Prior art]
Ion accelerators using closed electron drift, also known as Hall effect thrusters (HETs), are used as directed ion sources for plasma assisted manufacturing and spacecraft propulsion. Typical uses in space are (1) changing the orbit of a spacecraft from one altitude or tilt to another altitude or tilt, (2) compensation for atmospheric resistance, and (3) propulsive power is solar wind And “keep your own position” which is used to counteract the natural drift of the orbital position due to effects such as lunar movement. HETs generate thrust by supplying a propellant gas to the annular gas discharge region. Such a region has a closed end with an anode and an open end from which gas is released. Free electrons are introduced into the region from the cathode to the outlet end. These electrons are coupled to the longitudinal electric field and are induced to drift around in the annular discharge region by a substantially radially extending magnetic field. These electrons collide with the propelling gas atoms so as to generate ions that are accelerated outward by a longitudinal electric field. Thus, a reaction force is generated to propel the spacecraft.
[0003]
Longitudinal gradient of magnetic flux intensity is important for operating parameters of HETs such as presence of turbulent oscillation, interaction between ion flow and thruster wall, beam focusing and / or beam divergence It has been known for a long time. Such effects have been studied for a long time. For example, Morozov et al. “Plasma Accelerator With Closed Electron Drift and Extended Acceleration Zone” Soviet Physics-Technical Physics, Vol. 17, no. 1, pp38-45 (Jully 1972) and “Effect of the Magnetic Field on a Closed Electron Drift”, Soviet Physics-Technical Physics, Vol. 17, no. 3, pp 482-487 (September 1972). The work of Dr. Morozov and his colleagues is generally accepted as establishing the benefit of providing a radial magnetic field that increases from the anode toward the exit end of the accelerator. For example, H.M. R. Kaufman's paper “Technology of Closed-Drift Throwers”, AIAA Journal, Vol. 23, no. 1, pp 78-87 (Jully 1983) characterizes the work of Morozov et al. As described in pp 82-83 of the same book.
[0004]
Thus, the efficiency of a long acceleration channel is improved by making the total magnetic field almost concentrated near the exit surface by making the channel shorter. Another interpretation, or equivalent concept, is that ions generated in the upstream portion of a long channel have little chance of escaping without hitting the channel walls. Thus, the concentration of the magnetic field at the upstream end of the channel can be expected to concentrate the generation of ions further reducing the electron efficiency further upstream.
[0005]
For experimental purposes, Morozov et al. Achieved different profiles for radial magnetic fields by controlling the current to separate electromagnet coils. Another way to influence the contour of the magnetic field for the desired magnetic source (electromagnet or permanent magnet) is to place the magnetically permeable member at the exit end of the accelerator and concentrate it in the magnetic path. It constitutes the physical parameters of the magnetically permeable member and can be inserted between the magnetic source and the region where a relatively weak magnetic field strength is desired, such as near the anode, It is composed by. For example, the title “Effect of the Characteristics of a Magnetic Field on the Parameters of the Ion Current of the Accelerator with Closed Electron.” Phys. Tech. Phys. , Vol. 26, no. 4 (April 1981), Gavryushin and Kim describe changing the longitudinal gradient of the magnetic field strength by changing the degree of shielding of the acceleration channel. Their conclusion is that the properties of the magnetic field in the acceleration channel have an important influence on the divergence of the ion plasma flow.
[0006]
The longitudinal gradient of the magnetic field strength at HETs is important, and it is currently desirable to concentrate or strengthen the magnetic field at or near the exit surface as compared to the upstream magnetic field strength. It is not clear that this is an argument.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides an improved system for creating magnetic flux in an ion accelerator using closed electron drift (Hall Effect Thruster, or HET).
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A specially designed magnetic shunt, referred to as a “flux bypass cage”, is the thruster anode region and / or the thruster annular gas, both on the inner and outer cylindrical walls. It is provided so as to surround the power distribution area. The circumferential side of the magnetic flux bypass cage is connected behind the anode. Initially, the cage was formed by a U-shaped rotating body, which was a sturdy wall with an inner side wall and an outer side wall that encircled almost the entire anode area of the thruster. This structure resulted in a steep slope of the magnetic field strength axis, causing ions to be generated downstream, as confirmed by measurement of the corrosion profile of the ceramic insulator adjacent to the outlet end of the thruster. It has been shown to have the effect of moving the region. However, in a preferred embodiment of the present invention, the magnetic flux cage has large openings on the inner peripheral side and the outer peripheral side. These open areas can constitute, from the term “cage”, the major parts of both the outer and inner circumferences. This flux bypass cage resembles a circumferentially spaced, longitudinally extending bar connecting the ring at the closed end (behind the anode) and the ring at the outlet end. . With this configuration, the desired contour of the magnetic field can reach a total magnetic coercivity that is slightly less than required. In addition, the electromagnet can have a lower amperage as well as a lighter core and structural support, and the weight reduction reduces the structural support requirements for the thruster itself. For systems that use permanent magnets, smaller and lighter magnets can be used. Another feature of this cage design is that it is designed to control the shape of the magnetic field vector in the ion discharge region. For example, a rugged wall shunt can produce equipotential lines at a steep angle with respect to the centerline of the discharge region. The result is that the ion beam can be “over-focused”, i.e., on the inner and outer sidewalls directed towards the centerline of the central channel rather than desirable for maximum efficiency. Having ions. The large opening area in the cage also allows for radiant cooling of the thruster, reducing or eliminating the need for large heat shunts to remove heat from the thruster core. In another aspect of the invention, the magnetic pole at the outlet end of the HET is coated with an insulating material that further improves the magnetic field shape for higher efficiency and longer life. The foregoing aspects and many of the attendant advantages of the present invention can be more readily and correctly appreciated as the same can be better understood with regard to the following detailed description when viewed in conjunction with the accompanying drawings.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a representative Hall Effect Thruster (HET) of the type related to the present invention, which can be configured for spacecraft propulsion. The HET 10 is supported by a bracket 11 attached to the spacecraft. The slight details of the HET are that the cathode 12 emitting electrons, the annular discharge chamber, ie the exit end 14 of the region 16, and the external electromagnet 18 are shown in this figure from the outside. I can confirm. As described in more detail below, propulsion is achieved by ions that are accelerated outwardly from the annular discharge region 16 to the viewer, as seen on the right in FIG.
[0010]
More details are shown in the cross-sectional view of FIG. An endless annular ion formation and discharge region 16 is formed between the outer ceramic ring 20 and the inner ceramic ring 22. Such ceramics are electrically insulating, robust, lightweight and corrosion resistant. It is desirable to generate a substantially radial magnetic field in the discharge region between the outer ferromagnetic pole piece 24 and the inner ferromagnetic pole piece 26. In the illustrated embodiment, this is accomplished by an outer electromagnet 18 with a winding 28 wound around a bobbin 30 having an inner ferromagnetic core 32. The core 32 is magnetically coupled to the outer pole piece 24 at the exit end of the accelerator. At the rear, or closed end, of the accelerator, the core 32 is magnetically coupled to a ferromagnetic center core, ie, a ferromagnetic back plate 34 that is magnetically coupled to a stem 36. The stem 36 is magnetically coupled to the inner pole 26. These members are configured such that a continuous magnetic path is formed from the outer pole 24 to the inner pole 26 and the magnetic flux is more or less concentrated at the outlet end of the annular discharge region 16. ing. The added magnetic flux can be provided by an inner electromagnet having a winding 38 around the center core 36.
[0011]
Structural support is provided by an insulating, non-magnetic outer structural member 39 that bridges the outer ceramic ring 20 and the outer pole 24 at one end and a back plate 34 at the other end. It has been done. A similar inner structural member 40 extends substantially between the inner ring 22 and the back plate 34. The disc spring 41 is interposed between the rear ends of the

structural members

39 and 40 and the back plate 34 so as to mainly allow thermal expansion and contraction of the entire thruster frame.
[0012]
The cathode 12 schematically shown in FIG. 2 is located upstream of the outlet end of the annular gas discharge region 16 defined between the outer ceramic ring 20 and the inner ceramic ring 22. It is electrically connected to the accelerator anode 42. The potential between the cathode 12 and the anode 42 is obtained by a power supply and conditioning electronics 44 that allow the potential to be transmitted to the anode by one or more conductive rods 46 extending through the back plate 34 of the HET 10. In the illustrated embodiment, the anode has inner and

outer walls

48 and 50, respectively, of conductors and an annular protrusion 52 between the inner and outer walls. The front end side of the protruding portion extends downstream near the upstream edge of the outlet side rings 20 and 22.
[0013]
The rear of the anode has one or more gas distribution chambers 54. From the gas supply system 56, a propellant gas such as xenon is sent to the chamber 54 through one or more supply conduits 58. In order to flow outward along the opposite side of the anode projection 52 towards the discharge region, preferably a series of small openings are provided between the front gas distribution chamber and the rear gas distribution chamber, as well as A baffle is formed between the front chamber and a series of generally radially extending gas supply openings 60.
[0014]
As will be described in more detail below, according to the present invention, one or more magnetically permeable members are provided, i.e., specifically designed bypass components 61, which are included in the bypass components. Similar to the rear part of the anode 42, that is, the web, which connects the outer wall and the outer wall, it is provided on the inner side of the inner anode wall 48 and the outer side of the outer anode wall 50.
[0015]
In general, electrons from the cathode 12 are attracted to the discharge region 16 by the potential difference between the cathode and the anode 42. And these electrons collide with the atom of a propulsion gas, and generate | occur | produce an ion and a secondary electron. These secondary electrons flow continuously towards the anode, and the ions and beams directed substantially outward from the discharge region to produce a reaction force that can be used to accelerate the spacecraft. It will be accelerated.
[0016]
The magnetic field between the outer pole 24 and the inner pole 26 has a number of important characteristics including controlling the behavior of the electrons. As electrons are attracted toward the anode, they perform complex motions that primarily include cyclotron motion, cross-field drift, and deflection due to occasional collisions. These electrons have a collision frequency ν that collides with walls or unwanted particles. _c Is much larger than the so-called gyro frequency ω _b It is considered highly magnetized to perform a helical motion at = qB / m. Where q is the electronic charge, B is the magnetic field strength, and m is the electron mass. Impact frequency ν _c The ratio of the gyro frequency to the Hall parameter β = ω _b / Ν _c is called. This spiral motion is superimposed on the drift resulting from the combination of electric and magnetic fields orthogonal to each other. This drift is perpendicular to the direction of the electric field and perpendicular to the magnetic field. Since this electric field extends in the longitudinal direction and the magnetic field extends in the radial direction, drift is induced substantially in the circumferential direction within the annular discharge region 16. The current due to this drift is called the Hall current,
[0017]
[Formula 1]

Given by. Where n _e Is the electron density,
[0018]
[Formula 2]

Is the electric field vector and
[0019]
[Formula 3]

Is a magnetic field vector.
[0020]
[Formula 4]

The current perpendicular to _⊥ = Qn _e {Μ _e / (Β ² +1)} [E _⊥ + {1 / (qn _e )} ∇ _⊥ p _e ] Can be indicated as follows. Where μ _e Is scalar electron mobility, p _e Is the electron pressure. The ratio of the Hall current to the vertical current is also j _h / J _⊥ = Β can be shown. The electric field for this device is approximately perpendicular to the magnetic field. This arises from different electron mobilities in the direction parallel to the magnetic field and in the direction perpendicular to it. Parallel electron motion is not disturbed except for collisions and electric field forces. Vertical motion is limited to cyclotron orbits that are deflected by rarely occurring collisions. As a result, the ratio of parallel mobility to vertical mobility is 1 / (β ² +1) and β = 100, the change in potential in the direction of the magnetic field is effectively reduced. Therefore, the curve defining the direction of the magnetic field is close to the contour of the equipotential line. Thus, the electric field is effectively perpendicular to the magnetic field at the Hall accelerator.
[0021]
Another important characteristic is the uniformity of density and magnetic field in the direction of drift velocity. For an annular accelerator, this is the azimuthal direction, i.e. substantially circumferential in the discharge region 16. Variation in neutral density results in a change in electron density. As the hole current passes through a region of varying density, the electrons are accelerated as well as decelerated to increase movement across the magnetic field. This is an effective saturation of the Hall parameter. Changes in magnetic field strength in the drift direction have the same kind of effect. For example, a 5% change in electron density can be an effective Hall parameter limited to a maximum of about 20.
[0022]
The magnetic field strength is the length r of the gyro radius of the electron, also known as the Larmor radius. _g = V _⊥ / Ω _b Is adjusted to be smaller than the radial width ΔR of the discharge region 16. Where V _⊥ Is the velocity component of electrons perpendicular to the magnetic field. The gyro radius of an ion becomes larger due to a number of factors, by the ratio of the ion mass to the electron mass. Thus, the radius of curvature of the ions is large compared to the dimensions of the device, and the ions are accelerated away from the anode, relatively unaffected by the magnetic field.
[0023]
The magnetic field creates a potential that affects particle acceleration. The concave (upstream) and convex (downstream) shapes have lens-like characteristics that focus and unfocus the ion beam, respectively. More specifically, ions tend to be accelerated in a direction perpendicular to the tangent of equipotential lines. If this line is convex from upstream to downstream, the ions are accelerated toward the center of the discharge region and have the effect of focusing. Due to such focusing characteristics, the feature of this magnetic system is called a plasma lens.
[0024]
There is a relationship between the magnitude of the central magnetic field between the insulating

rings

20 and 22 and the strength of the electric field. In the electric field, the magnetic field lines in the center channel are B / B _max It is assumed that the intensity starts at a distance from the anode having an intensity of 0.6. This can be considered the position of ion formation. For example, Belan et al., “Stationary Plasma Engines”, NASA Technical Translation Report No. TT-21002, October 1991, p210.
[0025]
The general idea of the present invention is that the ion formation and discharge is caused by a constant magnetic field line, i.e. a magnetic force curve, close to the equipotential line, i.e. the equipotential curve, and by moving and forming this curve. , Ion formation and acceleration position (and direction) can be manipulated. For example, without the flux bypass component 61, the general design thrusters shown in FIGS. 1 and 2 were operated with different center pole shapes and positions. By moving the center pole downstream relative to the outer pole, the location of corrosion of the exit-side rings 20 and 22 moved downstream was found. This confirmed the assumption that the corrosion location of the insulator could be moved by moving the magnetic field lines. The magnetic field lines between the magnetic poles are found to have an average angle that directs ions to the center line and the inner ring, and the position of the inner insulating ring corrosion compared to the position of the outer insulating ring corrosion. Proved by. It has been found that by adding another electromagnetic coil around the central stem or core 36, the magnetic field can be adjusted to eliminate the tilt. This was confirmed by a short-term test showing that the corrosion pattern of the inner as well as the outer insulator occurred uniformly in the axial direction when the center coil was used. By maintaining the same total number of amperages for all electromagnets, the electromagnet current requirement was maintained in the same way. Center coil amperes such that both the inner and outer insulative rings are eroded at the same longitudinal location but different ratios may be required for different thruster profiles, materials, and operating parameters The ratio 7: 3 between the total number of times and the total number of amperes of the external coils (all four external electromagnets) eliminated the slope. In any case, the total magnetic flux generated was almost the same, whether or not a center coil was used.
[0026]
Significantly, it has been found that significant manipulation of the magnetic field was required to move the discharge downstream. Initial calculations show that by adding a U-shaped cross-section annular ferromagnetic band 61 around the anode, the magnetic flux can be rotated around and behind the anode region and have inner and outer perimeters showed that. The term “flux bypass” was chosen for this feature. Peak field line (B _max ) Is moved downstream, and the position of the line at the desired rate of intensity, such as 0.6, where ion formation is assumed to occur is _max It was also found that it was moved both near the line. The magnetic flux bypass is further downstream B _max In addition to pushing the position, the axial gradient of the magnetic field strength is made steep. Since ion formation and discharge is done further downstream, the thruster can operate for a long period before it corrodes through the pole. The net result of the magnetic field operation is that the life of the thruster is increased by two or more factors.
[0027]
More specifically, the test is shown in FIGS. 1 and 2 with a central channel radius of 41 mm measured from the centerline A and a radial width ΔR of 12 mm between the rings on the exit side. It was made for a classic design HET. The axial lengths along the surfaces of the insulating

rings

20 and 22 including the outer inclined portions are 12 mm, and the radial width of each insulating ring is a position arranged adjacent to the pole piece. It was 6 mm. The amperage ratio for the four outer and center coils is a maximum of about 690 gauss as measured along the outer longitudinal side of the exposed inner insulating ring 22. Given as described above with sufficient current to achieve magnetic field strength. A power source and conditioning electronics provided a potential of 350 volts and a power of 1.7 kW between the cathode 12 and the anode 42. Xenon gas was fed through the hollow anode at a flow rate of 5.4 mg / sec. The magnetic field strength has a rigid cylindrical sheet inner and outer walls surrounding the anode inner wall 48 and outer wall 50, as shown in FIG. , 22 with a portion protruding in the magnetic shunt 61 and with or without the magnetic shunt 61. According to the invention, the rear part of the shunt is a radial having a large opening between the outer wall of the shunt and the rib for controlling the magnetic resistance of the magnetic path from the inner wall of the shunt Formed by a plurality of ribs.
[0028]
Line 63 of FIG. 3 shows the shape of the magnetic field as measured from the upstream edge of the inner insulating ring without the magnetic flux bypass component in place. Line 65 of FIG. 3 shows the contour of the magnetic field when a flux bypass component having a rugged sheet-like inner and outer wall connected together behind the anode is applied. As shown in FIG. 3, the flux gradient is substantially increased by the use of a flux bypass component, and the position of the maximum magnetic field strength has been moved further downstream.
[0029]
Insulation ring corrosion was measured at different stages of the test. With reference to FIG. 4 (enlarged partial schematic view of the outer insulating ring 20 downstream from the center line A ′ of the discharge channel 16 and the adjacent pole piece 24), no bypass component is used. The corrosion profile is shown by line 66 in the discharge region 16 corresponding to the ion formation upstream of line 68. By adding a flux bypass component of the type described above, the corrosion profile is moved to line 70 of FIG. 4 further downstream than for HET without a flux bypass cage. Corresponds to formation.
[0030]
According to one aspect of the invention, a bypass shunt is provided with an inner connection (behind the anode) of the shunt body forming the cage, as shown in FIGS. Large openings are formed in both side walls. The cage 61 is attached around the anode housing so that the

open rings

80 and 82 are respectively fitted into the ceramic insulating rings at the outlet end. More specifically, as shown schematically in FIG. 9, the outer outlet end ring 80 is fitted into the inner surface of the outer insulator 20 and the inner outlet end. The part ring 82 is fitted into the inner surface of the inner insulator 22. The lateral openings 81 can enclose larger than the main part of the area around the cage. In the embodiment shown in FIGS. 5 and 7, four thin permeable strips 84 are formed at the back of the cage, ie, ring 86 similar to the ring at the outer outlet end at the closed end. Connect. The strips 84 are arranged radially in a similar strip 88 extending between the ring 82 at the inner end and the ring 90 corresponding to the opposite end of the cage. These strips can be placed 45 ° from the four external electromagnets to allow more flux to pass through the open side of the cage. In the embodiment of FIGS. 5 and 6, the magnetic path between the outer and inner rings is a short radial direction extending behind the anode between the

rings

86, 90 at the closed end of the cage. The spokes 92 are aligned. A large opening 94 at the closed end allocates thrust and power lines to send directly into the anode. Although four strips 84, four strips 88, and four ribs or spokes 92 are shown, these multiple strips and spokes are intended to achieve the desired reluctance of the magnetic path defined by the cage. In addition, as shown in FIGS. 6 and 8, they can preferably be used evenly spaced. In the embodiment of FIGS. 7 and 8, the rear magnetoresistance of the cage is between the rear end rings 86, 90 having a larger radial dimension than that corresponding to the ring of the embodiment of FIGS. It is controlled by the width of the annular gap 95. Nevertheless, the inner and outer rings are magnetically coupled across the gap.
[0031]
One major advantage of a rugged wall bypass over an open cage design is to reduce amperage requirements and thruster weight. In a typical closed drift accelerator using flux bypass, there are three main magnetic paths, as shown in FIG. The first magnetic flux path 96 shows magnetic flux lines that cross the radial gap between the

magnetic poles

24 and 26. The second magnetic path 98 connects the inner pole 26 to the inner corner of the magnetic flux bypass cage 61, and connects to the outer pole 24 from the outer corner of the bypass cage. The third magnetic path 100 is connected from the inner and outer magnetic systems to the center of the magnetic flux bypass. Reducing the weight and amperage with an open cage design is accomplished by increasing the average reluctance of the

magnetic paths

98, 100, which increases the proportion of the total magnetic flux that passes across the magnetic path 96. Compared to a rugged wall shield that surrounds the anode and central stem, the predetermined flux through the magnetic path 100 is less than 30-40% and the predetermined flux through the magnetic path 98 is 15-25. %Fewer.
[0032]
FIG. 11 shows the magnetic field strength in the central channel of the discharge region 16 of a robust flux bypass component (line 99) and a type of flux bypass component (line 101) with an open cage design. These data were obtained from Gaussmeter measurements performed on a laboratory accelerator design of the type shown in FIGS. 1 and 2 having the following parameters: These parameters are: the central channel radius 65 mm measured from the centerline of the thruster, the radial width between end rings -R 18 mm, the axial length of the insulating ring 15 mm along the surface, the pole pieces 8 mm in the radial direction of each insulating ring at a position located adjacent to the power supply, 4 kW of power and conditioning electronics having a potential of 350 volts, and a flow rate of xenon gas supplied through a hollow anode of 12 8 mg / sec. The abscissa in FIG. 11 is the axial distance along the outer insulating ring 20. Zero is taken at the farthest upstream point along the insulator. In each case, the corrosion of the insulator began about 4.5 mm from the upstream edge. For an open cage design, this is a maximum of about 0.85, ie 0.85B _max Corresponds to the magnetic field strength in the center channel. B in the center channel _max The position of the curve is also downstream of the pole piece in each example. These measurements were given a large number of amperages, so that a large percentage of the total flux passes across the radial gap between the poles so that the magnetic field strength is a central channel with an open cage design. It is higher than about 15%. The required reduction in total magnetic flux is particularly advantageous for space applications where minimum mass is important. The weight of the ferromagnetic conductor and electromagnetic coil is driven by the need for magnetic flux capacity as opposed to structural support requirements. Thus, the reduction in total magnetic flux occurs by omitting significant weight.
[0033]
Another feature of the cage design is a design that allows the discharge channel to control the shape of the magnetic field vector. By adjusting the thickness and width of the cage bar, the angle at which the magnetic field streamlines form the inner and outer insulators can be increased or decreased. For example, FIG. 12 shows a generally rigid sidewall and a substantially open rear cage (line 103) and a cage with lateral openings as shown in FIG. 5 (line 105). Thus, the change in angle achieved with the outer insulating ring 20 is shown. Thruster physical parameters were similar to those described above with respect to FIG. The x-axis dimension is the distance along the outer insulating ring. Zero is taken at the farthest upstream point along the insulator. In this case, the angle is reduced by about 50% along the outer insulating ring. The point where the magnetic field lines do not have a shaft component is moved approximately 1 mm downstream. Adjusting the shape of the magnetic field controls the plasma dynamics and insulator erosion, and in particular the focusing and divergence of the ion flow. As described above, the shape of the magnetic field lines strongly influences the shape of the equipotential lines, thus affecting the position of ion formation and the acceleration direction. An appropriate magnetic field vector angle along the insulating ring can direct the ions away from the wall and reduce corrosion. Thus, controlling this parameter gives the shape of the magnetic field lines to extend the life of the thruster. The shape of the magnetic field lines can also be controlled by modifying the shape of the

rings

80, 82 at the outlet end and adjusting the radial distance -R between the insulating rings.
[0034]
There are other factors that affect the contours of the magnetic field lines, thus affecting the angle of the magnetic field vector and the divergence or focusing of the ion beam. The potential is set by the boundary value, and the slope is controlled by the movement of electrons along and across the magnetic field lines. The power supply sets the potential difference between the anode and the cathode. Due to the magnetized plasma at the Hall accelerator, the potential difference decreases along the magnetic field lines. A small potential difference corresponds to the relative free movement of electrons in the direction of the magnetic field lines. When the magnetic field lines intersect the insulated surface, the gradient of the potential depends on the electron mobility. Because the electron mobility across the field lines is low, a high potential difference develops across the field lines to push the electrons towards the anode. When the magnetic field lines intersect the conduction surface like the magnetic iron pole of the downstream magnetic field lines, the potential at these magnetic field lines is close to the voltage of the magnetic iron pole. In other words, this magnetic pole sets a boundary voltage that intersects the magnetic field lines. Effectively, all these field lines get a common potential. Therefore, the magnetic iron pole does not give a sufficient potential difference in the region of the lines of magnetic force that directly intersect the non-insulated surface. One consequence of the type of thruster structure related to the present invention is that the electric field is B B so that most ion acceleration occurs in this region. _max It will be the strongest upstream of the line. At the downstream position, the magnetic field lines intersect the magnetic poles so as to produce a region that hardly or does not accelerate. According to the present invention, this effect can be reduced by applying an insulative coating to the exposed surface of the pole.
[0035]
A comparison of the corrosion profile between insulated and non-insulated pole pieces shows that the location of the corrosion is more favorable, i.e., more downstream, when the insulator coating is applied to the pole piece. Yes. The best mode for an accelerator according to the present invention is to use a magnetic field with a diameter of the central channel, preferably about 1 to 10 mm, with a peak downstream of the pole face. This pole face can be insulated by various materials. The use of a plasma sprayed nickel coating on the ferromagnetic magnetic pole effectively makes the excellent adhesion of the plasma sprayed aluminum oxide coating to a thickness of about 0.5 mm. Rather than a separate sheet of insulating material, the coating improves the heat radiation from the pole pieces, which can be highly desired for spacecraft propulsion applications.
[0036]
To summarize the important aspects of the present invention, the improved accelerator operation is designed to achieve a high operating efficiency and a long operating life. It has almost three aspects of the magnetic field that must be controlled to improve operation, strength, axial tilt and magnetic field shape.
[0037]
This long lifetime is obtained by shifting the important properties of the magnetic field summarized in FIG. 13, which shows the magnetic field strength along the field lines in the central channel of the discharge region between the rings on the exit side. Yes. The calculation of the magnetic field is carried out on a conventional computer that is automated with a design tool such as EMAG by the Engineer Mechanical Research Center Corporation. This is a finite element solution that approximately matches the measured magnetic field. These calculations use the described physical and operational thruster parameters referenced in FIG.
[0038]
Following the sequence of

points

1, 2, 3 labeled in FIG. 13, the maximum magnetic field strength B in the central channel for the magnetic system. _max Are no flux bypass (point 1), robust flux bypass (point 2), cage flux bypass (point 3). These points are for FIG. 14 typified without flux bypass, FIG. 15 typified by a flux bypass component with rugged sidewalls, and FIG. 16 typified by a flux bypass component with openings in the sidewalls. Specific magnetic flux lines are shown in the calculation of the two-dimensional magnetic field.
[0039]
Using a flux bypass cage, the magnetic field peak is shifted downstream. B without flux bypass cage _max Occurs near the midpoint of the pole axis. At points 2 and 3, the maximum magnetic field strength indicates that the axis range occurs downstream of the magnetic pole, which is between dotted lines 107 in FIG.
[0040]
Next, based on the basic type of corrosion pattern described with respect to FIG. 11, points 4, denoted by reference numeral 4 in FIG. 13, are approximately accurate locations for generating ions for the improved thruster according to the present invention. 5,6 is 0.85B _max Is considered a representative position. These points are identified as shown by

points

4, 5 and 6 in FIG. 14 (no bypass), FIG. 15 (bypass cage with rugged side walls), and FIG. 16 (bypass cage with open side walls), respectively. Corresponds to the two-dimensional magnetic field lines. In addition, by using a flux bypass cage, 0.85B _max Is shifted downstream as compared to the case without the flux bypass cage. 0.85B for this device _max Is determined experimentally to correspond to the beginning of the corrosive part of the discharge, i.e. the position upstream of the corrosion of the insulator. Therefore, moving the position of the magnetic field strength indicates changing the position of the corrosive portion of the discharge. Comparing the central channel with the position of the axes of

points

4 and 5 shows that by using a rugged flux bypass cage (FIG. 15), the corrosive part of the discharge can be moved downstream. Yes. The position of the axis of point 5 can be adjusted by changing the position of the axis of the flux bypass cage. Moving the bypass downstream moves points 2 and 5 downstream at a rate. With respect to FIG. 16, this approximately the same effect holds the flux bypass cage (open sidewall) and moving the cage further downstream moves points 3 and 6 further downstream. However, the location of points 3 and 6 differs from the rigid side wall bypass due to the shape and angle of the magnetic field lines of the flux bypass differential.
[0041]
The shape, or contour, of the magnetic field lines affects the focusing of the plasma lens. This focusing has a major impact on efficiency. In FIG. 14 (without bypass), the magnetic field lines labeled 4 have a radius of curvature of approximately 80 mm. This is 0.85B _max In the position. When a rugged sidewall flux bypass, represented in FIG. 15, is used, the radius of curvature is the field line (0.85B) labeled 5. _max ) Is approximately 20 mm. A magnetic flux bypass cage represented by FIG. _max ) Is approximately 40 mm. FIG. 16 also shows that the magnetic field lines 6 intersect the insulator wall at a location that is effectively suitable for the corner separating the corroded insulator from the non-corroded insulator.
[0042]
Using a flux bypass cage in the region of the changing aperture, the focusing characteristics of the magnetic lens can be changed without significant relocation of corrosive corners. Adjusting the radial spoke cross-sectional area assembly at the rear of the cage (behind the anode) changes the amount of magnetic flux bypassing the anode area, and the curvature of the magnetic field lines labeled 6 in FIG. Affects.
[0043]
By measuring the distribution of ion current, pair, and ion position well downstream of this accelerator, the degree of smoke column divergence for propulsion can be determined. For the accelerator with plasma lens characteristics as shown in FIG. 15, a higher divergence is found for the 350 V discharge than for the lens characteristics of FIG. Thus, in FIG. 16, the long focal length of the magnetic lens has improved smoke column characteristics in terms of divergence angle.
[0044]
The peak magnetic field strength in the central channel is also affected by the amount of magnetic flux that bypasses the anode region. The curve in FIG. 13 represents the magnetic field strength of the central channel with a coercivity of 1000 amperes. Assuming that the magnetic field does not saturate the permeable material in the main magnetic circuit, the maximum magnetic field strength in each case is approximately proportional to the coercivity. Increasing the strength of point 2 to be equal to point 1, the coercivity for the rugged shunt profile must be increased by the ratio of point 1 / point 2 of the magnetic field, ie 42%. . The flux bypass cage requires a 20% increase in coercivity to reach the same peak magnetic field as point 1. A reduction in the number of amperes of an accelerator used as a spacecraft thruster can have a beneficial reduction in the weight of the magnetic system.
[0045]
The cage design is also convenient from a thermal point of view. One drawback of shielding materials that are separate except that they surround the anode and the central stem is that they inhibit radiative cooling of the anode. Radiant cooling assigns a central stem to operate at cooler temperatures that reduce heat transfer to the spacecraft and increase its magnetic flux capacity. The reduced amperage requirement for cage-type flux bypass reduces the ohmic power scattered in the coil. These reductions in heat dissipation and radiative cooling reduce the need for heat shunts to conduct heat away from the thruster core.
[0046]
Based on experiments and calculations to date, it is difficult to identify the physical properties that are optimally positioned relative to the flux bypass cage and the insulating ring and pole face. Nevertheless, some preferred relationships are the maximum field strength (B _max ) Positioning and magnetic field strength gradient (0.85B) _max The desired magnetic field shape with the required total coercivity to reach the desired maximum magnetic field strength and the curvature of the magnetic field lines to achieve focusing for increased efficiency. Has been observed to achieve this aspect. With respect to FIG. 9, one important parameter is the distance between the radial line at the upstream edge of the inner pole piece 26 and the line from the inner upstream corner of the pole piece to the adjacent corner of the bypass cage. Is the angle θ. The most favorable results have been achieved when θ is approximately 45 °, and the desired results are measured and calculated within the range of 20 ° and 80 °. If this angle is too large, the separation of the bypass cage from the magnetic pole will not reach a sufficient bypass of the magnetic flux, and if θ is less than 20 °, the magnetic field strength will cause the total coercivity to reach the desired strength. Reduced in the center channel to the required point.
[0047]
Another important aspect is the reluctance of the coupling of the inner side wall of the cage to the outer side wall of the cage, which can be adjusted by the magnetic material connecting the inner and outer side walls. In general, the best results are that the open area at the rear end of the cage is approximately 97% of the total area, i.e., only a few thin radial spokes are inward of the cage on the outer sidewall of the cage. Measured when used to connect the side walls. The same effect can be achieved with the embodiment according to FIG. 6 when the gap 95 is very narrow. In any case, it is trusted that at least a major portion of the rear end of the cage, and preferably more than 90%, is opened between the inner and outer cage sidewalls. .
[0048]
Another aspect is the amount of open area in the sidewall of the cage. The best results to date have been achieved when the side wall opening surrounds a major portion of the surrounding area, allowing magnetic flux through the opening and reducing the required total coercivity.
[0049]
For focusing and defocusing the effect of the bypass cage, the best result is 0.85B _max If the radius of curvature of the line is 40 mm, the basic form described with respect to FIG. 11 is achieved. This is the distance −R between the pole faces (see FIG. 9) _p Of about 0.85. Excessive focusing and small efficiency are measured at a radius of curvature of 20 mm, and insufficient focusing (large divergence) is measured at a radius of curvature of 80 mm. Based on useful information to date, the preferred range is 30 mm (0.9-R _p ) To 50mm (1.5-R _p ). The degree of focusing reached at the magnetic field lines with the specified radius of curvature is B _max A high efficiency is reached where the wire is pushed to a position downstream of the pole.
[0050]
While the preferred embodiment of the invention has been illustrated and described, it will be appreciated that various changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a somewhat schematic top and exit end perspective view of an ion accelerator using a typical type of closed electron drift in connection with the present invention.
FIG. 2 is a slightly schematic longitudinal sectional view taken along line 2-2 of FIG.
FIG. 3 is a graph illustrating the effect of a magnetic flux bypass component on the magnetic field profile in an accelerator of the type associated with the present invention.
FIG. 4 is an enlarged partial schematic cross-sectional view of an ion exit side end of an accelerator of the type associated with the present invention.
FIG. 5 is a top and rear perspective view of a first embodiment of a flux bypass cage according to the present invention for use in an ion accelerator using closed electron drift.
FIG. 6 is a top and rear perspective view of a second embodiment of a flux bypass cage according to the present invention for use with an ion accelerator using closed electron drift.
FIG. 7 is a top and rear perspective view of a third embodiment of a flux bypass cage according to the present invention for use in an ion accelerator using closed electron drift.
FIG. 8 is a top and rear perspective view of a fourth embodiment of a flux bypass cage according to the present invention for use with an ion accelerator using closed electron drift.
FIG. 9 is a very schematic partial cross-sectional view of an accelerator having a magnetic flux bypass cage according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic partial cross-sectional view of an accelerator of the type relating to the present invention showing magnetic field lines and magnetic paths.
FIG. 11 is a graph showing the effect of different bypass components on magnetic field strength and contour in an ion accelerator using closed electron drift.
FIG. 12 is a graph showing the vector angle of a magnetic field for different bypass components in an ion accelerator using closed electron drift.
FIG. 13 is a graph showing the effect of different bypass components on magnetic field strength and contour in an ion accelerator using closed electron drift.
FIG. 14 is a schematic, fragmentary cross-sectional view of an accelerator of the type relating to the present invention showing magnetic field lines and magnetic paths and electric field lines and electric circuits.
FIG. 15 is a schematic, fragmentary cross-sectional view of an accelerator of the type relating to the present invention showing magnetic field lines and magnetic paths and electric field lines and electric circuits.
FIG. 16 is a schematic, fragmentary cross-sectional view of an accelerator of the type relating to the present invention showing magnetic field lines and magnetic paths and electric field lines and electric circuits.

Claims

An ion accelerator that uses a closed electron drift having an annular gas discharge region that includes an outlet end that discharges gas through an outlet end that defines a downstream direction,
An inner magnetic pole located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end, and surrounded by the gas discharge region;
An outer magnetic pole located outside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and surrounding the gas discharge region;
A magnetic field source for generating a substantially radially extending magnetic field between the inner and outer poles near an outlet end of the gas discharge region;
An anode located upstream of the outlet end of the gas discharge region;
A gas source for supplying an ionizable gas to the gas discharge region for a downstream flow toward the outlet side end;
An electron source for supplying free electrons for introduction towards the outlet end of the gas discharge region in a substantially upstream direction;
Ionizable from the gas source to produce ions that are accelerated downstream by the electric field to produce a propulsive reaction force by creating an electric field that extends downstream from the anode through the outlet end An electric field source that interacts a gas and free electrons from the electron source;
A magnetic flux bypass component for forming a magnetic field in the region of the outlet side end of the gas discharge region,
An inner ring located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and downstream of the magnetically permeable material surrounded by the gas discharge region;
An inner ring upstream of the magnetically permeable material located inside the annular gas discharge region at a predetermined distance upstream from the downstream inner ring, and surrounded by the gas discharge region;
An inner permeable material that magnetically couples the downstream inner ring and the upstream inner ring;
An outer ring located downstream of the annular gas discharge region adjacent to the outlet end and downstream of the magnetically permeable material surrounding the discharge region;
An outer ring upstream of the magnetically permeable material surrounding the annular gas discharge region at a position upstream from the downstream outer ring;
An outer permeable material for magnetically coupling the downstream outer ring and the upstream outer ring;
From the downstream inner ring to the upstream inner ring through the inner magnetic permeability material, through the upstream magnetic permeability material to the upstream outer ring, and to the outer magnetic permeability Forming a continuous magnetic path through the material to the downstream outer ring so that at least one of the magnetic materials controls the shape of the magnetic field near the exit end of the gas discharge region. An accelerator having an opening for adjusting a magnetic resistance, and comprising an upstream magnetic permeable material for coupling the upstream inner ring and the upstream outer ring.

The inner rings have the same diameter and are aligned from the downstream to the upstream to define the inner periphery of the magnetic flux bypass component, and the outer rings have the same diameter and the upstream from the downstream. The accelerator according to claim 1, wherein the accelerator is aligned to define an outer peripheral side of the bypass component.

The downstream inner ring has a downstream edge, and an angle defined by a line connecting the downstream edge and the inner magnetic pole is an annular gas discharge region intersecting the inner magnetic pole. The accelerator of claim 1, wherein the accelerator is between 20 ° and 80 ° relative to the radius.

The accelerator according to claim 3, wherein the angle is about 45 °.

It said opening is formed in a magnetically permeable material of the upstream accelerator of claim 1.

The accelerator according to claim 5, wherein the opening formed in the upstream permeable material is larger than 90% of a region between the upstream rings.

The accelerator according to claim 5, wherein the upstream magnetic permeable material joins the upstream rings at a position upstream of the anode.

The accelerator according to claim 5, wherein the upstream magnetic permeable material is formed by a radial rib extending between the upstream rings.

Wherein both the upstream rings are magnetically coupled across a gap ring-shaped accelerator of claim 1.

The accelerator according to claim 1, wherein the openings are formed in the inner magnetic permeable material.

The accelerator according to claim 1, wherein the openings are formed in the outer magnetic permeable material.

Each of the magnetically permeable material and upstream of magnetically permeable material magnetically permeable material and outside of the inner will have a opening in the accelerator of claim 1.

The inner magnetic permeable material has a plurality of strips of the magnetic permeable material joined to the inner rings and spaced apart from each other in the circumferential direction, and the outer magnetic permeable material includes the outer rings. The accelerator according to claim 1, comprising a plurality of circumferentially spaced strips of magnetically permeable material joined together.

The maximum strength magnetic field lines are generated by the fact that the magnetic field source is located downstream of the inner and outer magnetic poles, and the magnetic field lines 0.85 times the maximum magnetic field strength upstream of the maximum strength magnetic field lines. It is the magnetic flux bypass component to have a radius of curvature of about 40mm and is configured, accelerator of claim 1.

The accelerator of claim 14, wherein the radius of curvature is about 0.85 times the distance between the inner and outer magnetic poles.

The accelerator according to claim 1, further comprising a coating of an insulating material formed on both surfaces of the magnetic poles away from the discharge region.

The accelerator of claim 16, wherein the coating comprises plasma sprayed aluminum oxide on plasma sprayed nickel.

The accelerator of claim 16, wherein the radius of curvature is approximately 0.85 times the distance between the inner and outer magnetic poles.

The accelerator according to claim 16, wherein the radius of curvature is between 30 mm and 50 mm.

The accelerator according to claim 16, wherein the radius of curvature is about 40 mm.

An ion accelerator that uses a closed electron drift having an annular gas discharge region that includes an outlet end that discharges gas through an outlet end that defines a downstream direction,
An inner magnetic pole located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end, and surrounded by the annular gas discharge region;
An outer magnetic pole located outside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and surrounding the annular gas discharge region;
A magnetic field source for generating a substantially radially extending magnetic field between the inner and outer poles near an outlet end of the gas discharge region;
An anode located upstream of the outlet end of the gas discharge region;
A gas source for supplying an ionizable gas to the gas discharge region for a downstream flow toward the outlet side end;
An electron source for supplying free electrons for introduction towards the outlet end of the gas discharge region in a substantially upstream direction;
Ionizable from the gas source to produce ions that are accelerated downstream by the electric field to produce a propulsive reaction force by creating an electric field that extends downstream from the anode through the outlet end An electric field source that interacts a gas and free electrons from the electron source;
A magnetic flux bypass component for forming a magnetic field in the region of the outlet side end of the gas discharge region,
An inner ring located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and downstream of the magnetically permeable material surrounded by the gas discharge region;
An inner ring located upstream of the annular gas discharge region at an upstream position from the downstream inner ring, and upstream of the magnetically permeable material surrounded by the gas discharge region;
An inner permeable material for magnetically coupling the inner rings;
An outer ring located downstream of the annular gas discharge region adjacent to the outlet end and downstream of the magnetically permeable material surrounding the discharge region;
An outer ring upstream of the magnetically permeable material surrounding the annular gas discharge region at a predetermined distance upstream from the downstream outer ring;
An outer permeable material for magnetically coupling the outer rings;
From the downstream inner ring to the upstream inner ring through the inner magnetic permeability material, through the upstream magnetic permeability material to the upstream outer ring, and to the outer magnetic permeability A continuous magnetic path is formed through the material to the downstream outer ring, and the magnetic field lines with the maximum magnetic field strength are located downstream of the inner magnetic pole and the outer magnetic pole, and upstream from the magnetic field lines with the maximum magnetic field strength. Thus, the magnetic flux is such that the radius of curvature of the magnetic field lines 0.85 times the maximum magnetic field strength is 0.9 to 1.5 times the radius of curvature between the inner magnetic pole and the outer magnetic pole. An accelerator comprising: a bypass component; and an upstream magnetic permeable material that couples and arranges the upstream rings.

The accelerator according to claim 21, further comprising a coating of an insulating material formed on both surfaces of the magnetic poles away from the discharge region.

23. The accelerator of claim 22, wherein the coating comprises plasma sprayed aluminum oxide on plasma sprayed nickel.

An ion accelerator that uses a closed electron drift having an annular gas discharge region that includes an outlet end that discharges gas through an outlet end that defines a downstream direction,
An inner magnetic pole located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end, and surrounded by the annular gas discharge region;
An outer magnetic pole located outside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and surrounding the annular gas discharge region;
A magnetic field source for generating a substantially radially extending magnetic field between the inner and outer poles near an outlet end of the gas discharge region;
An anode located upstream of the outlet end of the gas discharge region;
A gas source for supplying an ionizable gas to the gas discharge region for a downstream flow toward the outlet side end;
An electron source for supplying free electrons for introduction towards the outlet end of the gas discharge region in a substantially upstream direction;
Ionizable from the gas source to produce ions that are accelerated downstream by the electric field to produce a propulsive reaction force by creating an electric field that extends downstream from the anode through the outlet end An electric field source that interacts a gas and free electrons from the electron source;
A magnetic flux bypass component for forming a magnetic field in the region of the outlet side end of the gas discharge region,
An inner ring located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and downstream of the magnetically permeable material surrounded by the gas discharge region;
An inner ring located upstream of the annular gas discharge region at an upstream position from the downstream inner ring, and upstream of the magnetically permeable material surrounded by the gas discharge region;
An inner permeable material for magnetically coupling the inner rings;
An outer ring located downstream of the annular gas discharge region adjacent to the outlet end and downstream of the magnetically permeable material surrounding the discharge region;
An outer ring upstream of the magnetically permeable material surrounding the annular gas discharge region at a predetermined distance upstream from the downstream outer ring;
An outer permeable material for magnetically coupling the outer rings;
From the downstream inner ring to the upstream inner ring through the inner magnetic permeability material, through the upstream magnetic permeability material to the upstream outer ring, and to the outer magnetic permeability A continuous magnetic path through the material to the outer ring is formed, and the magnetic field lines with the maximum magnetic field strength are located downstream of the inner magnetic pole and the outer magnetic pole, and both sides of both magnetic poles away from the discharge region. , Wherein the magnetic flux bypass component is configured and arranged to have a coating of insulating material, and includes an upstream magnetic permeable material that couples the upstream rings.

25. The accelerator of claim 24, having an insulation coating formed on both sides of the magnetic poles away from the discharge area.

26. The accelerator of claim 25, wherein the coating comprises plasma sprayed aluminum oxide on plasma sprayed nickel.

A magnetic flux forming member for an ion accelerator using closed electron drift, the accelerator comprising:
An annular gas discharge region having an outlet end that discharges gas through the outlet end defining a downstream direction;
An inner magnetic pole located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end, and surrounded by the annular gas discharge region,
An outer magnetic pole located outside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and surrounding the annular gas discharge region;
A magnetic field source for generating a substantially radially extending magnetic field between the inner and outer poles near an outlet end of the gas discharge region;
An anode located upstream of the outlet end of the gas discharge region;
A gas source for supplying an ionizable gas to the gas discharge region for a downstream flow toward the outlet side end;
An electron source for supplying free electrons for introduction towards the outlet end of the gas discharge region in a substantially upstream direction;
Ionizable from the gas source to produce ions that are accelerated downstream by the electric field to produce a propulsive reaction force by creating an electric field that extends downstream from the anode through the outlet end And an electric field source that causes free electrons from the electron source to interact with each other.
An inner ring downstream of the magnetically permeable material located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and surrounded by the annular gas discharge region;
An inner ring upstream of the magnetically permeable material located inside the annular gas discharge region at an upstream position from the downstream inner ring, and surrounded by the annular gas discharge region;
An inner permeable material that magnetically couples the downstream inner ring and the upstream inner ring;
An outer ring located downstream of the annular gas discharge region adjacent to the outlet end and downstream of the magnetically permeable material surrounding the annular discharge region;
An outer ring on the upstream side of the magnetically permeable material located outside the annular gas discharge region at a predetermined distance upstream from the downstream outer ring and surrounding the annular gas discharge region;
An outer permeable material for magnetically coupling the downstream outer ring and the upstream outer ring;
From the downstream inner ring to the upstream inner ring through the inner magnetic permeability material, through the upstream magnetic permeability material to the upstream outer ring, and to the outer magnetic permeability Forming a continuous magnetic path through the material to the downstream outer ring, wherein at least one of the magnetic materials controls the shape of the magnetic field in the vicinity of the exit end of the gas discharge region of the accelerator. A magnetic flux forming member having an opening for adjusting a magnetic resistance of a path, and comprising an upstream permeable material for coupling the upstream inner ring and the upstream outer ring.

In a method of creating a magnetic field in a substantially radial direction with an accelerator that uses closed electron drift, the accelerator comprises:
An annular gas discharge region having an outlet end that discharges gas through the outlet end defining a downstream direction;
An inner magnetic pole located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end, and surrounded by the annular gas discharge region;
An outer magnetic pole located outside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and surrounding the annular gas discharge region;
A magnetic field source for generating a substantially radially extending magnetic field between the inner and outer poles near an outlet end of the gas discharge region;
An anode located upstream of the outlet end of the gas discharge region;
A gas source for supplying an ionizable gas to the gas discharge region for a downstream flow toward the outlet side end;
An electron source for supplying free electrons for introduction toward the outlet side end of the gas discharge region in a substantially upstream direction;
Ionizable from the gas source to produce ions that are accelerated downstream by the electric field to produce a propulsive reaction force by creating an electric field that extends downstream from the anode through the outlet end And an electric field source for interacting free electrons from the electron source with free electrons,
The maximum magnetic field strength is located downstream of the inner magnetic pole and the outer magnetic pole, and the curvature of the magnetic field line that is 0.85 times the maximum magnetic field strength in the upstream direction from the magnetic field line of the maximum magnetic field strength is The reluctance of the magnetic path is selected to have a radius of curvature 0.9 to 1.5 times the distance between the magnetic pole and the outer magnetic pole, and from a position adjacent to the inner magnetic pole, By the magnetic field source along the magnetic path, upstream from the upstream position, outward from the outer position of the anode, downstream from the position adjacent to the outer magnetic pole. A method comprising the step of diverting the provided magnetic flux.

A method of forming a magnetic field substantially radially with an accelerator using closed electron drift, the accelerator comprising:
An annular gas discharge region having an outlet end that discharges gas through the outlet end defining a downstream direction;
An inner magnetic pole located inside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end, and surrounded by the annular gas discharge region;
An outer magnetic pole located outside the annular gas discharge region adjacent to the outlet side end and surrounding the annular gas discharge region;
A magnetic field source for generating a substantially radially extending magnetic field between the inner and outer poles near an outlet end of the gas discharge region;
An anode located upstream of the outlet end of the gas discharge region;
A gas source for supplying an ionizable gas to the gas discharge region for a downstream flow toward the outlet side end;
An electron source for supplying free electrons for introduction toward the outlet side end of the gas discharge region in a substantially upstream direction;
Ionizable from the gas source to produce ions that are accelerated downstream by the electric field to produce a propulsive reaction force by creating an electric field that extends downstream from the anode through the outlet end And an electric field source for interacting free electrons from the electron source with free electrons,
The maximum magnetic field strength is located downstream of the inner magnetic pole and the outer magnetic pole, and the curvature of the magnetic field lines 0.85 times the maximum magnetic field strength is 30 mm and 50 mm in the upstream direction from the magnetic field lines of the maximum magnetic field strength. The magnetoresistance of the magnetic path is selected to have a radius of curvature between and from the position adjacent to the inner pole, upstream to the position upstream of the anode and to the position outside the anode. A method of diverting the magnetic flux provided by the magnetic field source along a magnetic path downstream from a position adjacent to the outer magnetic pole.