JP6000325B2 - イオンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載のイオンエンジンに関する。

イオンエンジンには、そのイオン源として高周波プラズマ発生装置が用いられており、イオン化室へ供給する作動流体（これは燃料と呼ばれることもあり、補助流体と呼ばれることもある）を交流電磁場によってイオン化し、そしてそのイオンを、イオン化室の開放端に備えられている抽出グリッドアセンブリの静電場の中で加速することによって推力を発生させている。イオン化はイオン化室の中で行われ、イオン化室にはこれを囲繞するコイルが備えられている。このコイルには高周波交流電流が流される。この交流電流によって、イオン化室の中に、このイオン化室の軸心方向の磁場が発生する。この磁場が時間的に変化することによって、イオン化室の中に円形交流電場が誘起される。

この円形交流電場によって自由電子が加速され、加速された自由電子のうちには、最終的に電子衝撃イオン化に必要なだけのエネルギを獲得するものがある。これによって燃料の原子がイオン化される。このイオン化により生成されたイオンの一部は抽出グリッドアセンブリにおいて加速され、一部はイオン化室の壁面において電子と再結合する。また、このイオン化により放出された自由電子の一部はイオン化室の電場の中で加速されてイオン化に必要なだけのエネルギを獲得し、一部はイオン化室の壁面に衝突してそこで再結合する。

基本的に、イオン源で発生させたイオン流は、所定のエネルギを作用させるための手段として様々な処理に利用可能であるが、イオンエンジンにおいては、そのイオンを加速して反作用の原理により推力を得るために利用されている。

従来のイオンエンジンでは、抽出グリッドアセンブリに到達するイオンは僅かであり、発生させたイオンの大部分はイオン化室の壁面で再結合していた。そして、抽出グリッドアセンブリに到達したイオンだけが加速のために利用されていた。これまで、イオン化のために供給される全電力のうち、実際に利用されるイオンのエネルギに転換される電力は約５％〜約２０％でしかなかった。供給される全電力のうちの残りの部分は、その殆どが、イオン化室の壁面においてイオンが再結合をすることによって、熱エネルギ及び放射エネルギに変換されていた。イオンを発生させるためには、最小イオン化エネルギＷｉが必要とされる。壁面において再結合が発生するとき、このエネルギＷｉが熱エネルギ及び放射エネルギの形で放出されるが、そのような形で放出されたエネルギはもはや他の原子をイオン化するために利用されることはなく、抽出グリッドアセンブリでの加速に利用されることもない。そのため、この壁面再結合が、高周波イオン化における最大の損失要因を成していた。

従って本発明の目的は、イオンエンジンにおいて、イオン化室の壁面におけるイオン及び／または電子の再結合により生じる損失を大幅に低減することにある。

上記目的は、請求項１に記載のイオンエンジンにより達成される。

本発明に係るイオンエンジンは、イオン化室を囲繞し噴出口を有するハウジングと、前記イオン化室の中に作動流体を供給するための作動流体供給配管と、前記噴出口の近傍領域に配設されたグリッドアセンブリとを備える。該グリッドアセンブリは、前記噴出口に近い側に配設された正電位印加グリッドと、前記噴出口から遠い側に配設された負電位印加グリッドとから成り、前記イオン化室の中で生成されるイオンを加速して、前記ハウジングの軸心と平行な方向へイオン流として噴出させるように構成されている。本発明に係るイオンエンジンは更に、少なくとも１つの電気コイルアセンブリを備え、該コイルアセンブリは前記イオン化室の少なくとも一部領域を囲繞している。本発明に係るイオンエンジンは更に、前記コイルアセンブリに接続された高周波交流電流源を備え、該高周波交流電流源は前記コイルアセンブリの少なくとも１つのコイルに高周波交流電流を供給するように構成されている。本発明に係るイオンエンジンは更に、前記コイルアセンブリに接続された更なる電流源を備えており、該更なる電流源は、直流電流を前記コイルアセンブリの少なくとも１つのコイルに供給するように構成されている。また、前記高周波交流電流源から供給される交流電流に、前記更なる電流源から供給される電流を重ね合わせることにより、前記イオン化室の中に電子の磁気封じ込め現象を発生させるようにしてある。前記直流電流は調節可能である。本発明に係るイオンエンジンは更に、前記イオン化室から流出するイオン流の流量に応じて前記直流電流を調節する調節機構を備えている。

磁場の中を運動する荷電粒子に対しては下式で表されるローレンツ力Ｆが作用する。
Ｆ＝ｑ（ｖ×ｂ）
上式において、ｑは荷電粒子の電荷、ｖは荷電粒子の運動速度、Ｂは磁場の磁束密度である。高周波交流磁場に重ね合わせられる直流磁場成分、ないしは、高周波交流電磁場に重ね合わせられる低周波交流電磁場成分が、コイルに囲繞された空間（即ちイオン化室の中）を運動する荷電粒子（即ち電子及びイオン）に作用することによって、それら荷電粒子は磁場の中で円形経路または螺旋形経路を取って運動するようになる。電子がこのように磁場の中で円形経路運動または螺旋形経路運動を行うようになると、その結果として、壁面へ向かう電子の運動が減少する（いわゆる「封じ込め現象」である）。また、イオン化室の内部から壁面や抽出グリッドアセンブリへと向かう電子の運動とイオンの運動とはアンバイポーラに発生するため、壁面へ向かう電子の運動が減少するのに伴って壁面へ向かうイオンの流束も減少する。このようにして、本発明に係るイオンエンジンによれば、荷電粒子が壁面に衝突する確率が顕著に低下し、ひいては、イオン及び／または電子が壁面において再結合する確率が顕著に低下する。一方、イオンのうち、その運動方向が意図した方向（イオンエンジンの場合であれば、軸心方向に平行な、抽出グリッドアセンブリへ向かう方向）であるイオンは、磁場の磁力線に平行な方向に運動しているため、重ね合わせられた直流磁場ないし低周波交流磁場のためにその方向への運動が阻害されることはない。

コイルアセンブリを流れる高周波交流電流に重ね合わせる直流電流ないし低周波交流電流の大きさは、イオン化室の中に所望の強度の磁場を維持することができる大きさに選択するようにする。イオン源の中のガス、即ち、イオン化室の中のガスは、プラズマ状態にある。プラズマに非一様磁場を作用させると、プラズマは磁場強度が低下する方向へ流動しようとする（この現象は勾配ドリフトと呼ばれている）。コイルアセンブリの形状及び寸法を適宜設計することによって、この勾配ドリフトを利用して、プラズマを形成している荷電粒子を意図する方向へ、即ち抽出グリッドアセンブリへ向かう方向へ、より強力に運動させることができる。

このように本発明によれば、イオンエンジンのイオン化室における壁面損失を低減することができ、しかも、従来のイオンエンジンの基本的構成を変更することなく、その壁面損失を低減することが可能である。更に、本発明を用いることによって、イオン化室の中のプラズマ密度分布を制御することも可能となる。また、本発明を用いると共に、イオン化室及びコイルアセンブリを適宜の設計とすることによって、壁面損失を最小限にすることが可能となる。更に、本発明に係るイオンエンジンによれば、イオン化室及びコイルアセンブリを適宜の設計とすることによって、イオン化室の中のプラズマの一様性を最適化することが可能となる。更に、本発明を用いることによって、イオン化室の中の所望の領域のプラズマ密度を上昇させることも可能である。

従属請求項は、本発明に係るイオンエンジンの特に好適で有用な構成例の特徴を主題としたものである。

好ましい１つの構成例では、前記噴出口及び前記抽出グリッドアセンブリに近接した位置に配設され、前記イオンエンジンから噴出するイオン流に電子を注入することによって該イオン流を電気的に中和する電子インジェクタが備えられており、該電子インジェクタは、好ましくは中空形状のカソードから成るものである。

本発明に係るイオン源の１つの構成例では、前記イオン化室を囲繞するマグネットアセンブリを備えている。

本発明の特に好ましい１つの構成例では、前記コイルアセンブリが高周波コイルを備えており、該高周波コイルに前記高周波交流電流源が接続されており、それによって該高周波コイルに前記高周波交流電流が供給されるようにしてあり、更に、直流電流源により生成される直流電流が、前記高周波コイルに直接的に供給されるようにしてある。

この構成例に関しては、更に、前記高周波コイルへの前記直流電流の供給箇所が、前記高周波コイルへの前記高周波交流電流の供給箇所と異なる箇所であるようにすることが好ましい。

別構成例として、前記直流電流が、前記高周波コイルと並列に配設された直流コイルに供給されるようにしてもよい。

以下に添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明すると共に、その細部の構成例と更なる利点とについても説明する。

本発明に係るイオンエンジンの模式的縦断面図である。 図１のイオンエンジンのイオン源として用いられる第１の実施の形態に係るプラズマ発生装置の電流供給回路の回路図である。 図１のイオンエンジンのイオン源として用いられる第２の実施の形態に係るプラズマ発生装置の電流供給回路の回路図である。 図１のイオンエンジンのイオン源として用いられる第３の実施の形態に係るプラズマ発生装置の電流供給回路の回路図である。 図１のイオンエンジンのイオン源として用いられる第４の実施の形態に係るプラズマ発生装置の電流供給回路の回路図である。 図１のイオンエンジンのイオン源として用いられる第５の実施の形態に係るプラズマ発生装置の電流供給回路の回路図である。 外部コイルを備えたプラズマ発生装置のコイルアセンブリの模式的回路図である。 内部コイルを備えたプラズマ発生装置のコイルアセンブリの模式的回路図である。 プラズマ源としてのプラズマ発生装置の模式図である。 プラズマ化学処理のためのプラズマ源としてのプラズマ発生装置の模式図である。 本発明に係るイオンエンジンのイオン源として用いられるプラズマ発生装置におけるコイル電流、誘導磁束、及び電場の時間的な変化を示したグラフである。 直流電流を重ね合わせたコイル電流を示したグラフである。 コイル電流に直流電流成分を重ね合わせたときの誘導磁束を示したグラフである。

図１はプラズマ発生装置を備えたイオンエンジン１の模式的縦断面図であり、プラズマ発生装置はイオン源２として構成されている。イオン源２は非導電性材料から成るハウジング２０を備えており、このハウジング２０はハウジング壁体２２を有する。

ハウジング２０はカップ形状であり、図１で見て右側の端部に開口を有しており、この開口は噴出口２１を画成している。ハウジング２０の横断面形状は、縦方向の軸心Ｘを中心とした略々多角形ないし回転対称の形状である。ハウジング２０の全体のうち、噴出口２１の近傍部分は、直径の大きなハウジング第１円筒形部分２３を形成している。軸心Ｘの延在方向に関して噴出口２１と反対側の端部に、軸心Ｘに対して垂直に延展するハウジング底壁部分２４を備えている。このハウジング底壁部分２４の外径寸法は、ハウジング第１円筒形部分２３の外径寸法より小さい。ハウジング底壁部分２４に接続するようにしてハウジング第２円筒形部分２５が形成されており、このハウジング第２円筒形部分２５の外径寸法も、ハウジング第１円筒形部分２３の外径寸法より小さい。ハウジング第１円筒形部分２３とハウジング第２円筒形部分２５とは、ハウジング円錐台形部分２６を介して相互に接続している。ハウジング２０の縦断面形状は図示例のものに限られず、その他の形状であってもよく、例えばハウジング２０の形状は、円錐形、円柱形、それに楕円半球形状などの、様々な形状とすることができる。

ハウジング底壁部分２４の中央に、即ち軸心Ｘ上に、中央開口２７が形成されている。この中央開口２７を貫通して、ハウジング底壁部分２４の外部から内部へ、パイプ３が軸心方向に延在している。このパイプ３はイオン源２のハウジング２０内で開口している。また、このパイプ３は、イオン源２の外部において作動流体の供給源（不図示）に接続されており、作動流体が（不図示の）供給装置を介して、このパイプ３を通ってイオン源２の中に供給される。従ってこのパイプ３は、イオン源２へ作動流体を供給するための作動流体供給配管３０を構成するものである。

イオン源２のハウジング２０は、そのハウジング第１円筒形部分２３が、電気コイルアセンブリ４の巻線４０で囲繞されている。

以上に説明した構成のイオン源２のハウジング２０の中に、イオン化室５が画成されている。また、ハウジング２０の噴出口２１の正面に、抽出グリッドアセンブリ６が備えられており、この抽出グリッドアセンブリ６は、噴出口２１に近い側に配設された正電位印加グリッド６０と、噴出口２１から遠い側に配設された負電位印加グリッド６２とを備えている。後に更に詳細に説明するように、イオン源２の作動時には、この抽出グリッドアセンブリ６がイオンを軸心Ｘと平行な方向へ（図１において右方へ）、イオン流８として噴出させる。

イオン源２のハウジング２０の外部に電子インジェクタ７が備えられており、この電子インジェクタ７は噴出口２１及び抽出グリッドアセンブリ６に近接した位置に配設されている。電子インジェクタ７は、中空形状のカソードとして構成されており、作動流体リザーバに接続されている。イオン源２から噴出するイオン流８に、この電子インジェクタ７が電子を注入することによって、イオン流８を電気的に中和する。

イオン源２の作動時には、キセノンガスなどの作動流体が作動流体供給配管３０を介してこのイオン源２のイオン化室５の中に供給される。また、コイルアセンブリ４の高周波コイルに高周波交流電圧が印加され、それによってイオン化室５の中にプラズマが生成され、即ち、電子が原子に衝突することによりイオンが生成される。生成されたイオンはコイルアセンブリ４から作用する交流電界のために、縦方向の軸心Ｘに平行な方向に、そして噴出口２１へ向かう方向へ移動し、そして抽出グリッドアセンブリ６で加速されて、高速のイオン流８の形でイオン源２から噴出する。そしてそれによって、その噴出するイオンの反力としての推力がイオン源２に作用する。

イオン源２のハウジング２０の中の（従ってイオン化室５の中の）ガスは、プラズマ状態になっている。プラズマには、非一様磁場の作用下では磁場強度が低下する方向へ移動しようとする性質があり、この現象は「勾配ドリフト」と呼ばれている。コイルアセンブリ４のコイルの形状寸法を適切に形成することによって、プラズマ中の荷電粒子を、この勾配ドリフトを利用して噴出口２１へ向かう方向へ（従って抽出グリッドアセンブリ６へ向かう方向へ）強力に誘導することができる。

この誘導のために、コイルアセンブリ４の高周波コイルに高周波交流電流を流すようにしている。それに加えて更に、このイオン源では、その高周波コイルと、高周波電流源としての高周波電流発生手段とで構成される共振回路に、直流電流を供給するようにしている。供給する直流電流の大きさは、供給する直流電流を発生する直流電流源に装備された制御装置により制御される。また、この直流電流源を含む回路は、適当なフィルタによって高周波成分から遮断されるようにしてある。ここでいう適当なフィルタは、少なくとも１つのコイルと少なくとも１つのキャパシタとから成る回路網などによって構成することができる。別構成例として、交流電流に加えて直流電流成分を併せて供給することのできる電流発生手段を使用するようにしてもよい。

図２に示した回路図の回路は、同図では参照符号「Ｓ」を付した電気コイルアセンブリ４と、高周波交流電流源ＡＣと、直流電流源ＤＣとを含んでいる。この回路は更に、２つの回路網Ｎ１及びＮ２を含んでおり、それら回路網は、コイル巻線４０の入力端子と出力端子とに接続されている。コイルアセンブリＳのコイルを流れる電流Ｉは、高周波交流電流源ＡＣが発生させる周期的にその流れ方向が交代する交流電流成分と、直流電流源ＤＣが発生させる直流電流成分または緩変化電流成分とを含んでいる。交流電流源ＡＣは、交流電流成分を供給することのできる電流発生手段から成る。また、直流電流源ＤＣは、変調機能を有する構成とされており、コイルを流れる電流Ｉのうちの定電流成分または緩変化電流成分を発生させるものである。回路網Ｎ１及びＮ２は、直流電圧成分が交流電流源ＡＣに作用するのを防止し、且つ、交流電圧成分が直流電流源ＤＣに作用するのを防止する、遮断機能を提供している。この機能を提供するためには、それら回路網Ｎ１及びＮ２に、適宜のＲ回路、Ｃ回路、ないしはＬ回路を用いればよい。

図２に示した回路の代わりに図３に示した回路を用いることもでき、図３の回路では、定電流または緩変化電流を、コイルの巻線の全体にではなく、コイルの巻線のうちの一巻き分または数巻き分だけに、即ち、コイルの巻線の全体のうちの一部分だけに供給するようにしたものであり、電流を供給する部分は、コイルの一巻き分のうちの一部であってもよい。

図４に示した更に別の実施の形態は、コイル電流を生成するための増幅回路ＡＭＰを備えており、この増幅回路ＡＭＰは、周期的信号（電流Ｉのうちの交流電流成分）を生成するための交流電流発生手段（交流電流源ＡＣ）と、電流Ｉのうちの定電流成分または緩変化電流成分を生成するための直流電流発生手段（直流電流源ＤＣ）とによって制御されている。この増幅回路ＡＭＰは、いわゆるＡ級増幅回路としてもよく、ＡＢ級増幅回路としてもよい。

図５に更に別の実施の形態を示した。この実施の形態では、直流電流成分と交流電流成分とを分離していない電流発生手段ＡＣＤＣによって、コイルアセンブリＳのコイルを制御している。尚、直流電流成分の大きさは、制御可能または調節可能であるようにしておくことが好ましい。

図６に示した更に別の実施の形態では、コイルアセンブリＳが、高周波交流電流源に接続されたコイルＳ１に加えて更に別のコイルＳ２を備えており、この別のコイルＳ２に直流電流源ＤＣから直流電流または緩変化電流を供給するようにしている。更にこの実施の形態では、コイルＳ２の入力端子と出力端子とに、回路網Ｎ１及びＮ２が備えられており、それら回路網によって、交流電流回路のコイルＳ１によって誘起される電流から直流電流源ＤＣを防護している。交流電流回路に組込むコイルの個数は、１個ではなく２個以上としてもよい。同様に、直流電流回路に組込むコイルの個数も、１個ではなく２個以上としてもよい。

コイルアセンブリＳにおいて、高周波交流電流に、直流電流または緩変化電流（より周波数の低い交流電流）を重ね合わせるには、図７に模式図で示したように、イオン源１’を、１個または２個以上のコイルを外部コイルとして備えたイオン源として構成するとよい。ただし、図８に示したように、イオン源１”を、１個または２個以上のコイルを内部コイルとして備えた構成のものとしてもよい。図７に示した実施の形態のイオン源１’は２個のコイルＳ１及びＳ２を備えている。コイルＳ１にはタップ端子Ａ１が設けられており、重ね合わせる電流をこのタップ端子Ａ１に供給することによって、このコイルＳ１の一部分にその電流を流すことができる。図７には、コイルアセンブリＳに加えて、更に、抽出グリッドアセンブリＧも示されている。

図７Ｂに示した実施の形態は、図７Ａに示した２個のコイルＳ１及びＳ２に加えて更に第３のコイルＳ３を備えている。この図７Ｂに模式図で示した実施の形態のイオン源１”にも、抽出グリッドアセンブリＧが備えられている。

図７Ａ及び図７Ｂに模式的に示した夫々のプラズマ発生装置は、抽出グリッドアセンブリを備えたイオンエンジンに用いることも可能であり、その場合には、イオン化室に近い方の第１グリッドＧ１に正電位を印加し、第２グリッドＧ２に負電位を印加する。また、それらプラズマ発生装置は、抽出グリッドアセンブリを備えた電子源に用いることも可能であり、その場合には、イオン化室に近い方の第１グリッドＧ１に負電位を印加し、第２グリッドＧ２に正電位を印加する。また、それらプラズマ発生装置は、抽出グリッドアセンブリを備えていない電子源、即ち、プラズマブリッジを介して放出を行うようにした電子源に用いることも可能である。更に、それらプラズマ発生装置は、基本的に、イオン化室の中に基板Ｔを載置するような用い方をすることも可能である。

更に、図示したプラズマ発生装置は、作動ガスＡを供給して、そこから、イオンと、電子と、中性粒子とから成る混合体Ｃ（即ちプラズマ）を流出させるようにしたプラズマ源に用いることも可能であり、これを図８Ａに模式図で示した。また、その混合体Ｃの流出部に、プラズマブリッジが形成されるようにしてもよい。また、そのプラズマがより高圧で噴出するようにして、プラズマジェットが形成されるようにしてもよい。

また、図８Ｂに模式図で示したように、複数種類の作動ガスＡ、Ｂ、…、Ｎを供給するようにしたプラズマ発生装置とすることもできる。このようなプラズマ発生装置では、そのイオン化室の中でプラズマ化学反応を起こさせて、所望の反応生成物Ｒを得ることができる。その反応生成物Ｒを、プラズマ発生装置の適当な部位Ｙから取出せるようにすることもでき、或いは、そのプラズマ源の中に載置した基板Ｔに対して、その反応生成物Ｒを直接的に作用させるようにすることもできる。

図９〜図１１に示したのは、電流Ｉ（ｔ）、磁束密度Ｂ（ｔ）、それに誘起される電界強度Ｅ（ｔ）の、夫々の時間的な変化のグラフであり、それらは正弦関数状に変化している。ただしこのグラフにおいてそれらが正弦関数状に変化しているのは、１つの具体例を提示したものであって、その他の任意の周期関数状の変化をするものとすることも可能である。

図９に示したのは、コイルアセンブリ４の交流コイルを流れる電流Ｉ（ｔ）の時間的な変化、それによって誘起される誘導磁束Ｂ（ｔ）の時間的な変化、それに、プラズマ発生装置に作用する電界強度Ｅ（ｔ）の時間的な変化である。同図において、電流Ｉ（ｔ）の変化は実線で、磁束密度Ｂ（ｔ）の変化は点線で、そして、電界強度Ｅ（ｔ）の変化は破線で示されている。この図９に示したのは、直流電流を重ね合わせていないときのそれらの変化である。

図１０に、コイルを流れる３通りの電流の時間的な変化を示した。それら３通りの電流は、高周波交流電流Ｉ（ｔ）＝Ｉ_０ｓｉｎ（ωｔ）と、この高周波交流電流に定電流値の直流電流成分Ｉ_１を重ね合わせた電流と、この高周波交流電流に高電流値の直流電流成分Ｉ_２を重ね合わせた電流である。直流電流成分Ｉ_１ないしＩ_２を重ね合わせることによって、前者では、高周波交流電流の時間的挙動の曲線が正方向電流領域の方へ移動しており、後者では、高周波交流電流の時間的挙動の曲線が完全に正方向電流領域の中へ移動している。直流電流成分の代わりに、緩変化電流成分を、即ち、高周波交流電流Ｉ（ｔ）より周波数の低い低周波直流電流成分を重ね合わせるようにしてもよい。直流電流成分ないし緩変化電流成分は、コイルの全体に供給するようにしてもよく、或いは、コイルの巻線の一部分のみに供給するようにしてもよい。

図１１に示したのは、図１０に具体例として示した電流の３通りの変化により発生する３通りの磁束の変化である。図から明らかなように、直流電流成分Ｉ_１が重ね合わせられたことによって、交流磁束Ｂ（ｔ）＝Ｂ_０ｓｉｎ（ωｔ）の時間的な変化が正方向磁束領域の方へ定磁束Ｂ_１の分だけ平行移動している。また同様に、具体例として示した３通りの変化のうちの３番目のもので平行移動が発生しており、それによって、交流磁束の時間的な変化が完全に正方向磁束領域の中へ移動している。この移動は、より大きな直流電流成分Ｉ_２が重ね合わせられたために、それに対応したより大きな定磁束Ｂ_２が交流磁場（交流磁束）Ｂ（ｔ）＝Ｂ_０ｓｉｎ（ωｔ）に重ね合わせられたことによるものである。即ち、定電流成分の重ね合わせによって、その分、磁束が増大しているのである。図１０及び図１１のグラフから分かるように、重ね合わせるために供給する直流電流の大きさを適宜選択することによって、正方向磁束が発生している期間に対する負方向磁束が発生している期間の長さの比に影響を及ぼすことができ、それによって、磁束方向の正負反転を抑制することができる。同様に、周期的な磁束密度の変化の振幅と比べて、より大きな磁束密度を発生させることも可能になる。更に、その発生させる磁束密度の大きさを、プラズマの状態（ＥＣＲ及びＩＣＲの共鳴周波数）に適合するように、意図的に調節することも可能である。尚、直流電流が重ね合わせられることによって、定磁束が重ね合わせられるが、誘起される電界Ｅ（ｔ）の大きさは、それによって影響を受けることはない。

従って本発明の要点は、例えば電子源、プラズマ源、イオン源、それにイオンエンジンなどのプラズマ発生装置において、そのプラズマ発生装置のコイルアセンブリ４の高周波コイルに流す交流電流に対して電流の重ね合わせを行うことにある。それによってイオン化室の中に電子の磁気封じ込め現象を発生させ、もって壁面損失を低減する。このイオン化室の中の電子の磁気封じ込め現象は、その発生を時間的に制御することも可能である。更に、このイオン化室の中の電子の磁気封じ込め現象を発生させることで、イオン化室の中のプラズマ密度分布を制御ないし調節することも可能である。更にその場合には、この電子の磁気封じ込め現象の発生を時間的に制御することによって、プラズマ密度分布を時間の関数として制御することも可能である。

コイルアセンブリ４の高周波交流コイルに高周波交流電流及び直流電流を供給する方式は、直接的な供給方式として、それら高周波交流電流及び直流電流を同一のコイルに供給するようにしてもよく、そのような供給方式が好ましいことがある。高周波交流コイルは単層コイルとして構成してもよく、多層コイルとして構成してもよい。また、高周波交流コイルは、中央タップ端子あるいは部分タップ端子を備えた構成として、その高周波交流コイルの両端の端子を共に接地して用いる構成としてもよく、その場合には、そのタップ端子の両側の巻線部分の巻回方向を互いに逆方向とするのもよい。またその場合に、直流電流をタップ端子から高周波交流コイルに供給するようにして、高周波交流コイルの巻線の一部にだけ直流電流が流れるようにするのもよい。

別構成例として、直流電流を高周波交流コイルに供給せずに、コイルアセンブリの構成を、高周波交流コイルとは別のコイルを適宜の方式で高周波交流コイルと並列に設けた構成とし、直流電流をその別のコイル（直流コイル）に供給するようにしてもよい。また、その場合の直流コイルの巻線の巻数は、高周波交流コイルの巻線の巻数と同数としてもよく、より少ない巻数としてもよく、より多い巻数としてもよい。或いはまた、高周波交流コイルに１箇所または数箇所の給電箇所を付設して、１つまたは複数の直流電流源から直流電流を供給するようにしてもよい。そして、複数の直流電流源から直流電流を供給する場合には、それら直流電流源が、その高周波交流コイルに、ないしはその高周波交流コイルの個々の巻線に、互いに同じ大きさの電流を供給するようにしてもよく、或いは、互いに異なる大きさの電流を供給するようにしてもよい。

コイルアセンブリの全体としての構成は、高周波交流電流の供給量と直流電流の供給量とが互いに影響を及ぼすことのない構成とすることが好ましい。高周波交流電流の供給量はＰＬＬ位相制御によって調節されるようにするとよい。その場合に、高周波交流コイルは、直列共振回路に組込むようにしてもよく、並列共振回路に組込むようにしてもよい。

高周波交流コイル及び／または直流コイルは、プラズマ発生装置のハウジング２０の外部に配設するようにしてもよく、内部に配設するようにしてもよい。プラズマ発生装置のハウジングの形状は、円筒形状としてもよく、円錐形状としてもよく、その他の形状としてもよい。

磁場の強度分布を最適なものとする上で、コイルの形状は必ずしも円筒形である必要はなく、その他の様々な形状とすることも可能である。例えば、その巻線ピッチを不等ピッチとしてもよい。また、その巻線は互いに異なる距離で配置してもよい。更に、例えば、その巻線形状を不整形状としてもよい。コイルにより生成する磁場は、リング磁場（カスプ磁場）とすることもでき、マルチポーラ磁場とすることもできる。また、高周波交流コイルの巻線の途中に複数の給電箇所を付設することによって、様々な強度分布を有する磁場を生成することができる。

生成する磁場を最適化するためには、直流電流の供給量を制御可能ないし調節可能にしておくのがよく、例えばイオン源またはイオンエンジンの場合には、流出ないし噴出するイオン流の流量に応じて直流電流の供給量が制御ないし調節されるようにするとよく、イオンエンジンの場合には、イオン流の流量は推力に比例するものである。

特許請求の範囲、明細書、及び図面に使用した参照符号は、本発明の理解を容易にすることを目的としたものであり、本発明の保護範囲を限定するものではない。

１ イオンエンジン
２ イオン源
３ パイプ
４ 電気コイルアセンブリ
５ イオン化室
６ 抽出グリッドアセンブリ
７ 電子インジェクタ
８ イオン流
２０ ハウジング
２１ 噴出口
２２ ハウジング壁体
２３ ハウジング第１円筒形部分
２４ ハウジング底壁部分
２５ ハウジング第２円筒形部分
２６ ハウジング円錐台形部分
２７ 中央開口
２８ 断熱部
３０ 作動流体供給配管
４０ 巻線
６０ 正電位印加グリッド
６２ 負電位印加グリッド

Claims (7)

1. イオンエンジンにおいて、
   イオン化室（５）を囲繞し噴出口（２１）を有するハウジング（２０）を備え、
   前記イオン化室（５）の中に作動流体を供給するための作動流体供給配管（３０）を備え、
   前記噴出口（２１）の近傍領域に配設されたグリッドアセンブリ（６）を備え、該グリッドアセンブリ（６）は、前記噴出口（２１）に近い側に配設された正電位印加グリッド（６０）と、前記噴出口（２１）から遠い側に配設された負電位印加グリッド（６２）とから成り、前記イオン化室（５）の中で生成されるイオンを加速して、前記ハウジングの軸心（Ｘ）と平行な方向へイオン流（８）として噴出させるように構成されており、
   少なくとも１つの電気コイルアセンブリ（４）を備え、該コイルアセンブリは前記イオン化室（５）の少なくとも一部領域を囲繞しており、
   前記コイルアセンブリ（４）に接続された高周波交流電流源（ＡＣ）を備え、該高周波交流電流源（ＡＣ）は前記コイルアセンブリ（４）の少なくとも１つのコイルに高周波交流電流を供給するように構成されており、
   前記コイルアセンブリ（４）に接続された更なる電流源（ＤＣ）を備えており、該更なる電流源は、直流電流を前記コイルアセンブリ（４）の少なくとも１つのコイルに供給するように構成されており、
   前記高周波交流電流源（ＡＣ）から供給される交流電流に、前記更なる電流源（ＤＣ）から供給される電流を重ね合わせることにより、前記イオン化室の中に電子の磁気封じ込め現象を発生させるようにしてあり、
   前記直流電流は調節可能であり、
   前記イオン化室（５）から流出するイオン流の流量に応じて前記直流電流を調節する調節機構を備えている、
   ことを特徴とするイオンエンジン。
2. 前記噴出口及び前記抽出グリッドアセンブリに近接した位置に配設され、前記イオンエンジンから噴出するイオン流（８）に電子を注入することによって該イオン流（８）を電気的に中和する電子インジェクタ（７）を備えたことを特徴とする請求項１記載のイオンエンジン。
3. 前記電子インジェクタ（７）は中空形状のカソードから成ることを特徴とする請求項２記載のイオンエンジン。
4. 前記イオン化室（５）を囲繞するマグネットアセンブリを備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のイオンエンジン。
5. 前記コイルアセンブリ（４）は高周波コイルを備えており、該高周波コイルに前記高周波交流電流源が接続されており、それによって該高周波コイルに前記高周波交流電流が供給されるようにしてあり、
   更に、直流電流源により生成される直流電流が、前記高周波コイルに直接的に供給されるようにしてある、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のイオンエンジン。
6. 前記高周波コイルへの前記直流電流の供給箇所は、前記高周波コイルへの前記高周波交流電流の供給箇所と異なる箇所であることを特徴とする請求項５記載のイオンエンジン。
7. 前記コイルアセンブリ（４）は高周波コイルを備えており、該高周波コイルに前記高周波交流電流源が接続されており、それによって該高周波コイルに前記高周波交流電流が供給されるようにしてあり、
   前記直流電流は、前記高周波コイルと並列に配設された直流コイルに供給されるようにしてある、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のイオンエンジン。

Images