JP4409846B2 - 高周波電子源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電子源、特にイオン源ニュートラライザー、特に、イオン化されるガス用の少なくとも一のガス入口と電子用の少なくとも一の取り出し口とを有する放電チャンバを含むイオンスラスタ用のものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加速された荷電粒子が必要となるあらゆる用途−例えば、表面処理の場合−において、イオンビームを加速後に中性にしなければならない。航空宇宙技術者（宇宙飛行士）は、衛星あるいは宇宙探査機が搬送ロケットから分離後に、それを推進するための電気推進ユニットを使用することが多くなっている。電子推進ユニットは、特に静止通信衛星のステーション維持のために今日すでに使用されている。イオン推進ユニット及びＳＰＴプラズマユニットは主にこのために使用されている。いずれのタイプも加速されたイオンを放射することによって推進力を得ている。しかしながら、衛星の帯電を回避するためにイオンビームを中性にする必要がある。
【０００３】
このために必要となる電子は電子源から供給され、プラズマカップリングによってイオンビームと結合する。
【０００４】
これまで、航空宇宙技術者はこれらの電気推進ユニット（イオン推進ユニット及びＳＰＴプラズマユニット）を中性にするために電子放出源を有するホロー陰極プラズマブリッジニュートラライザーを使用してきた。ニュートラライザーは、中央孔を有する陰極ディスクと同様に中央孔を有する陽極ディスクとによって流れ方向において終端された陰極管を含む。バリウムを含むアルカリ土類金属が透過できる多孔性材料から成る電子放出源は陰極管内に配置される。陰極管と電子放出源とを加熱するコイル状電気加熱要素が陰極管の外側に装備されている。電子放出源に含まれるバリウムが電子を放出する。陽極ディスクと陰極ディスクとの間の印加電圧がこれらの電子を加速する。キセノンのような中性ガスが陰極管を通過するとき、電子は中性ガス原子と衝突してそれらをイオン化し、陽極ディスクにおける孔を通って放電するプラズマを形成する。
【０００５】
この装置の欠点は、電子源に含まれるエミッター（放出）材料が水を含み、高温で酸素と反応することである。そのため、これが、衛星に設置中及び宇宙へ発車前の作業中に、搬入前の格納能力を大きく制限する。このような複雑で寿命の短い電子源の他の欠点は、エミッターが駆動前に数分間予備加熱が必要であることである。
【０００６】
誘電材料から成り高周波コイルで囲繞された壁を有するプラズマチャンバを含むイオン源ニュートラライザーも米国特許第５，１９８，１７８号明細書によって公知となっている。
【０００７】
このタイプの高周波電子源は、誘導によって生成され、交番磁界によって維持されるプラズマを介して電子を生成する。この磁場は、高周波電流が流れる高周波コイルによって生成する。プラズマ中の電子は誘導によって加速されて、プラズマ中の中性原子との衝突によってイオン化が生じることができるほどの速度となる。イオン化の際に、一又は二以上の電子が中性原子から離れ、作動ガス噴射において連続した電子流を生成する。
【０００８】
このタイプの電子源の欠点は、プラズマチャンバのプラズマを維持するために要するエネルギーの大部分が、プラズマからの高エネルギー電子がチャンバの壁に衝突することによって失われ、再び原子に戻ってしまうことである。この過程によって、これらの電子を失うだけでなく、交番磁界を介して電子が得たエネルギーの大部分も散逸する。また、プラズマチャンバ壁における高周波コイルはリング電流（渦電流）を誘導し、プラズマに放電できないエネルギーの損失を生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電子放出源（エミッタ）を含まず、そのため、加熱段階を必要とせず、酸素及び水分に対する保護が必要となるいかなる複雑で高価な構造コンポーネントを要しない高周波電子源を提供することである。また、よりエネルギー効率のよい電子源を提供することも意図している。
【００１０】
この目的は、放電チャンバを少なくとも一の電極と一のキーパー（保持）電極とによって少なくとも部分的に囲繞することによって、かつ、電極間に高周波電界を付与することによって実現される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、高周波電子源は冷アーク放電工程を利用する。この工程では、電子を供給するプラズマは、電極間の高周波電界によって放電チャンバに生成された容量性高周波放電によって生成する。本発明の目的では、電極が放電チャンバを囲繞してキャビティを形成することは必要とされない。それらは、放電チャンバにおいてプラズマを点火し維持するために適切であるに過ぎない。
【００１２】
高周波電子源の放電は、例えば、電子源を通過する質量流量（マスフロー）を迅速に増大することによって生じさせてもよい急峻な圧力の変化によって点火できる。これによって、パッシェン曲線における点火電圧が最小となり、気体が流れ始める。次いで、加速された電子は中性粒子からのさらなる電子に衝突し、それらをイオン化する。このイオン化状態が必要な電子を供給するプラズマを生成する。
【００１３】
高周波電子源の利点は単純な構造を有することである。すなわち、加熱装置、エレクトロニクスあるいは電子放出源を必要としないことである。それによって、収納制限及び組立て及び作動中の環境条件の制限が除去される。例えば、高周波電子源の耐用年数を減じることなしに、製造後、通常の環境条件の下で有用性試験を実施することが可能である。キセノンのような不活性ガス、又は、酸素及び残留水分を除去するために特別に精製する（純度を高める）必要のない他の適切な気体を用いることも可能です。予備加熱段階及び活性化（アクティブ）段階の排除によって、イオンスラスタを中性化するときに直ちにスラストが提供できるように、電子を迅速に使用可能となる。
【００１４】
高周波電子源の比較的低い周波数作動が可能なために、エレクトロニクスにおいて高電気効率レベルを得ることが可能となる。また、本発明による高周波電子源は非常にエネルギー効率が高い。
【００１５】
放電チャンバはプラズマチャンバで囲繞されているのが好ましい。これによって生じ得る気体損失が激減する。特に、電極はプラズマチャンバを形成するように設計されている。
【００１６】
電極がプラズマチャンバを形成するならば、それはホロー陰極（中空電極）として構成されているのが好ましい。プラズマを囲繞する最適なジオメトリを形成することに加えて、このタイプのジオメトリは、高周波電界をプラズマに容量的な組み込みを支持する。
【００１７】
高周波電界は、電子引出し方向に対していかなる角度を有してもよい；しかしながら、高周波電界は引き出し方向に平行であるのが好ましい。他の好適な実施形態では、電界は引き出し方向に対して直交していてもよい。
【００１８】
共振効果を利用する必要がないので、広範囲の放電周波数を選択可能であり、それによって、それらを要求に効果的に合わせることが可能となる。しかしながら、高周波電界の周波数は100kHzから50MHzの間であることが好ましい。
【００１９】
高周波電界を生成するために、高周波発生器（ＨＦ発生器）は電極とキーパー電極との間に挿入されるのが好都合であり−無線周波数発生器（ＲＦ発生器）はこのために特に好都合である−電極の結合はマッチングネットワークを介して確立される。特に、マッチングネットワークはトロイダル鉄心変圧器である。このタイプの設計によって、高周波電界の電界強度を放電条件に対して最適に調節することが可能となる。
【００２０】
プラズマチャンバを電極とする構成のシステムを用いる際に、キーパー電極をＨＦ発生器の出力に結合すること、及び、電極をフレーム電位に設定することが好都合であることが好都合であることがわかった。
【００２１】
環境からの静電遮蔽のため、電極とキーパー電極とを遮蔽（シールド）電極で囲繞することは好都合である。
【００２２】
他の好適な実施形態では、電極をＨＦ発生器のアクティブ出力に接続し、キーパー電極をフレーム電位に設定する。この場合、遮蔽電極を備える必要はない。
【００２３】
高周波電子源の効率を増大するために、高周波電界の印加に加えて、直流電圧を電極間に印加してもよい。これによって、プラズマ電子が電子源にか出ることが容易になる。
【００２４】
しかしながら、他の実施形態では、直流電圧は補助電極間に印加してもよい。このため、補助電極を放電チャンバのまわりに集めてもよい。
【００２５】
電極は、このタイプの電子源及び設置領域の条件に合うような適当な材料で成ってもよい。しかしながら、電極は、チタン、モリブデン、タングステン、鋼鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、あるいはタンタルのような金属材料から成るのが好ましい。可能な非金属材料には、特に、グラファイト、炭素化合物、導電性セラミックスが含まれる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明を、２つの図面に示した２つの実施形態をもとに以下で詳細に説明する。それによって、さらなる詳細、特徴及び利点が明らかとなる。
【００２７】
図１に、ホロー電極として構成されたプラズマチャンバを形成し、放電チャンバ１１を囲繞する電極１２ａを含む高周波電子源を示す。放電チャンバは円形断面を有し、一の側にイオン化される作動気体例えば、キセノンのための気体入口１４を有する。電子を含むプラズマを放電するための引き出し開口１６は、プラズマチャンバの反対端に同軸に備える。プラズマチャンバとして構成された電極１２ａは、キーパー電極１２ｂによって部分的に囲繞されている。キーパー電極はさらに遮蔽電極１３によって囲繞されている。キーパー電極１２ｂと遮蔽電極１３とは、プラズマチャンバにおいて、引き出し開口１６に対して同軸に配置された開口を有し、プラズマ及び電子を放電するのが可能となる。気体入口１４は遮蔽電極１３を通過し、遮蔽電極がプラズマチャンバ１２ａを完全に囲繞することが可能となっている。電気的絶縁のために、気体入口１４は絶縁体１５によって電極１２ａ、１３から電気的に絶縁されている。
【００２８】
導電性領域、特にプラズマチャンバとして構成された電極１２ａは、電子の静電的閉じ込めを保証するという主要な機能を遂行することに加えて、所定の条件に合致しなければならない。それらはプラズマに抵抗して、過大な質の劣化なしに必要な作動時間を残さなければならないだけでなく、高周波電界が付与されること、及び、プラズマが維持されることを防止しなければならない。作動中、イオンは電極１２ａに衝突し、浸食を生じる。高周波電子源の温度は300℃と400℃との間の範囲でもよい。
【００２９】
航空宇宙技術への応用の場合、高周波電子源に比較的厳しい要求が課される。従って、高周波電子源を航空宇宙技術でのイオン推進ユニット用のニュートラライザーとして使用するために、現在8,000時間から15,000時間の作動時間が保証されなければならない。また、高周波電子源は高真空中で作動する。このため、材料はその中からガスが出てくるのを避けるために低蒸気圧を有しなければならない。また、高周波電子源は、このタイプの高周波電子源を有する装備を宇宙へ輸送するときに、発射負荷に耐えなければならない。この点では、導電性領域特に電極１２ａがチタン、モリブデン、タングステン、鋼鉄、アルミニウム、タンタル、グラファイト、導電性セラミックあるいは炭素化合物材料から成る等のそれらの要件に特に合致する多くの金属及び非金属材料がある。
【００３０】
プラズマを生成するために例えば、１ＭＨｚの周波数の高周波電界を生成するために、電極１２ａ及びキーパー電極１２ｂは、トロイダル鉄心変圧器２１によってフィードライン２１ａ，２１ｂを介して電極１２ａ，１２ｂに接続された無線周波発生器２２によってアクティブにする。フィードライン２１ａ及びプラズマチャンバ１２ａはフレーム電位に設定し、フィードライン２１ｂつまりプラズマチャンバ１２ｂは、無線周波数回路のアクティブ出力に接続する。共振効果を利用しないので、広範囲の放電周波数が選択可能であり、１ＭＨｚに加えて１００ｋＨｚから５０ＭＨｚの間の値に設定することが可能となる。高周波電界に加えて、直流電圧もフィードライン２１ｂを介してキーパー電極１２ｂに印加する。これによって、電子が放電プラズマを出やすくなり、電子源の効率が改善する。異なる電極間の電気的絶縁を保証するために、フィードライン２１ａ，２１ｂはそれぞれ、遮蔽電極１３及びキーパー電極１２ｂから追加絶縁体１７によって遮蔽されている。
【００３１】
プラズマを点火するために、作動気体キセノンは気体入口１４を通って放電チャンバ１０へ入っていく。高周波電界は、プラズマチャンバとして構成された電極１２ａとキーパー電極１２ｂとの間に存在する。この電界は放電チャンバ１１に容量的に組み込まれている。作動気体において熱平衡にある少数の自由電子は加速され、高周波電界から十分なエネルギーの存在下での衝突によって作動気体をイオン化する。次いで、このイオン化によって、このプロセスに参加する第２の電子が生成される。しかしながら、放電チャンバ１１内のプラズマは熱平衡にはない。というのは、高周波電界のエネルギーのほとんど全てがプラズマ電子に吸収されるからである。電子は、質量がイオンの質量より低いのでイオンより多くのエネルギーを得る。結果として、電子温度はイオン及び中性粒子の温度より100倍高い。
【００３２】
キセノンガスジェットは引き出し開口１６を通って外に出る。この実施形態では、それは超音波ガス３０（斜線）として示した。ガスジェット３０は高周波プラズマを外へ運ぶ。それは、推進ユニットを点火するための電子源として、又は、電子をイオンビームに結合するためのブリッジとして使用してもよい。気体入口を介した新しい作動気体の連続供給によって、イオン化される気体を連続的に充填し、それによって、たとえプラズマの一部が除去されてもシステムは平衡を維持する。
【００３３】
図２は、間に交番電界が印加される電極１２ａと電極１２ｂとを有する高周波電子源１０を示す。交番電界は、プラズマジェット３０によって放電される電子の引き出し方向に対して直交して位置する。放電チャンバは、誘電体放電チャンバ１９によって電極１２ａ、１２ｂに対して仕切られ、電気的に絶縁されている。引き出しを支えるために、電源２３に生成された直流電圧が、互いに電気的絶縁されている補助電極１８ａ、１８ｂの間に印加される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による高周波電子源であって、ホロー陰極及び遮蔽電極で構成されたプラズマチャンバを有する実施形態の概略構成図である。
【図２】 電極に対して電気的絶縁されたプラズマチャンバを有する実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
１０ 高周波電子源
１１ 放電チャンバ
１２ａ 電極
１２ｂ キーパー電極
１３ 遮蔽電極
１４ 気体入口
１６ 引き出し開口
１８ａ，１８ｂ 補助電極
２１ トロイダル鉄心変圧器
２２ 高周波発生器

Claims (14)

1. イオン化される気体用の少なくとも一の気体入口（１４）と電子用の少なくとも一の引き出し開口（１６）とを有する放電チャンバ（１１）を備えた高周波電子源（１０）において、放電チャンバ（１１）は少なくとも一の電極（１２ａ）と一のキーパー電極（１２ｂ）とによって少なくとも部分的に囲繞され、これによって電極間に高周波電界が付与され、該高周波電界は放電チャンバ（１１）に容量性結合される高周波電子源。
2. 放電チャンバ（１１）がプラズマチャンバに囲繞されている請求項１に記載の高周波電子源。
3. プラズマチャンバは電極（１２ａ，１２ｂ）として構成されている請求項２に記載の高周波電子源。
4. 電極（１２ａ）はホロー陰極として構成されている請求項３に記載の高周波電子源。
5. 高周波電界が電子引き出し方向に平行に付与される請求項１から４のいずれか一項に記載の高周波電子源。
6. 高周波電界が電子引き出し方向に直交して付与される請求項１から４のいずれか一項に記載の高周波電子源。
7. 高周波電界が１００ｋＨｚから５０ＭＨｚの間の周波数を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の高周波電子源。
8. マッチングネットワーク（２１）を有する高周波発生器（２２）が、高周波電界を生成する請求項１から７のいずれか一項に記載の高周波電子源。
9. キーパー電極（１２ｂ）は高周波発生器（２２）のアクティブ出力に接続され、電極（１２ａ）はフレーム電位を有する請求項３から８のいずれか一項に記載の高周波電源。
10. キーパー電極（１２ｂ）は遮蔽電極（１３）によって囲繞されている請求項９に記載の高周波電子源。
11. 電極（１２ａ）は高周波発生器（２１）のアクティブ出力に接続され、キーパー電極（１２ｂ）はフレーム電位を有する請求項３から８のいずれか一項に記載の高周波電源。
12. 高周波電界に加えて、直流電圧を電極（１２ａ）とキーパー電極（１２ｂ）との間に印加される請求項１から１１のいずれか一項に記載の高周波電子源。
13. 間に直流電圧を印加される補助電極（１８ａ，１８ｂ）が放電チャンバ（１１）上に設置されている請求項１から１２のいずれか一項に記載の高周波電子源。
14. 電極（１２ａ）及び／又はキーパー電極（１２ｂ）及び／又は補助電極（１８ａ，１８ｂ）が、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、鋼鉄から成る群から選択された金属材料、又は、グラファイト、炭素化合物材料、セラミックから成る群から選択された非金属材料から成る請求項１から１３のいずれか一項に記載の高周波電子源。

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