JP6029114B2 - Electric propulsion device - Google Patents

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Description

本発明は、宇宙空間において推進力を発生する電気推進装置に関し、特に静電加速型の1つであるホールスラスタ(Hall Effect Thruster)を用いた電気推進装置に関する。   The present invention relates to an electric propulsion device that generates a propulsive force in outer space, and more particularly to an electric propulsion device that uses a Hall Effect Thruster that is one of electrostatic acceleration types.

近年、宇宙空間において推進力を発生する電気推進装置の分野では、太陽発電衛星などの大型宇宙構造物建設用の宇宙輸送機、月や地球近傍での軌道間輸送、或いは有人惑星探査を目的とした軌道間輸送システムへの展開を念頭にした大型電気推進装置の研究開発が進められている。ホールスラスタ、イオンエンジンなどの静電加速型の電気推進ロケットは、プラズマ生成やイオンビームの中和用に電子を発生させる電子源を必要としており、この電子源の性能も電気推進システムの性能や寿命に大きく影響する。   In recent years, in the field of electric propulsion devices that generate propulsive force in outer space, the purpose of space transport aircraft for construction of large space structures such as solar power generation satellites, inter-orbital transportation near the moon and the earth, or manned planetary exploration Research and development of large-scale electric propulsion devices with the development of the inter-orbit transport system in mind is underway. Electrostatic acceleration rockets such as Hall thrusters and ion engines require an electron source that generates electrons for plasma generation and ion beam neutralization. It greatly affects the service life.

下記に例示した特許文献1には、このようなイオンエンジンを用いた電気推進装置が開示されており、特許文献2及び非特許文献1には、ホールスラスタを用いた電気推進装置の構成が開示されている。   Patent Document 1 exemplified below discloses an electric propulsion apparatus using such an ion engine, and Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose the configuration of an electric propulsion apparatus using a Hall thruster. Has been.

イオンエンジンは、静電界を用いて生成したプラズマからイオンを抽出し加速するため、高噴出速度(高比推力3000〜10000秒)すなわち低燃費を特徴とする一方、空間電荷制限則のため、単位面積当たりの推力の基準となるイオンビーム密度が制限されてしまう。これに対しホールスラスタは、比推力1500〜2000秒において50%を超える推進効率が得られ、さらにイオン加速領域が電気的に準中性に保たれるため空間電荷制限則の影響を受けず、高い推力密度が得られる。このようなことからホールスラスタは、推力、比推力、推進効率などで示される性能のバランスに優れており、小型化が可能であり、今後の主推進装置として最も注目を集めている。   The ion engine extracts ions from plasma generated using an electrostatic field and accelerates them. Therefore, the ion engine is characterized by high ejection speed (high specific thrust 3000-10000 seconds), that is, low fuel consumption. The ion beam density, which is a reference for thrust per area, is limited. In contrast, the Hall thruster has a propulsive efficiency exceeding 50% in a specific thrust of 1500 to 2000 seconds, and the ion acceleration region is kept electrically quasi-neutral and is not affected by the space charge restriction law. High thrust density can be obtained. For these reasons, the Hall thruster has an excellent balance of performance expressed by thrust, specific thrust, propulsion efficiency, etc., and can be miniaturized, and is attracting the most attention as a future main propulsion device.

特許第4925132号Japanese Patent No. 4925132 特許第5295423号Japanese Patent No. 5295423

Semenkin,A., Kochergin, A., Garkusha, V., Chislov, G. and Rusakov, A. : RHETT/EPDM Flight Anode Layer Thruster Development, IEPC Paper 97−106,1997Semenkin, A., Kochergin, A., Garkusha, V., Chislov, G. and Rusakov, A.: RHETT / EPDM Flight Anode Layer Thruster Development, IEPC Paper 97-106, 1997 Yamamoto, N., Komurasaki, K. and Arakawa, Y. : Discharge Current Oscillation in Hall Thrusters , Journal of Propulsion and Power, 21 (2005), pp. 870-876Yamamoto, N .; , Komurasaki, K. et al. and Arakawa, Y .: Discarge Current Oscillation in Hall Thrusters, Journal of Propulsion and Power, 21 (2005), pp. 870-876 横田茂、安井伸輔、熊倉賢、小柴公也、荒川義博:アノードレイヤ型ホールスラスタ内部のシース構造と放電電流の数値解析、 日本航空宇宙学会論文集、 54 (2006)、pp.30-44Shigeru Yokota, Shinsuke Yasui, Ken Kumakura, Kimiya Koshiba, Yoshihiro Arakawa: Numerical analysis of sheath structure and discharge current inside anode layer type Hall thruster, Proceedings of the Japan Aerospace Society, 54 (2006), pp.30-44 Tony Schonherr, Rei Kawashima, Hiroyuki Koizumi and Kimiya Komurasaki, “Design and Performance Evaluation of Thruster with Anode Layer UT-58 for High-Power Application,” The 33rd International Electric Propulsion Conference, Oct. 2013, IEPC-2013-242Tony Schonherr, Rei Kawashima, Hiroyuki Koizumi and Kimiya Komurasaki, “Design and Performance Evaluation of Thruster with Anode Layer UT-58 for High-Power Application,” The 33rd International Electric Propulsion Conference, Oct. 2013, IEPC-2013-242

しかし、特に特許文献1で開示されているように、このようなホールスラスタ、特にシース型とも呼ばれるアノードレイヤ型ホールスラスタ(Thruster with Anode Layer:TAL)では、放電電流が変動する放電振動が生じ、殆どの作動パラメータ領域において比較的大きく、放電が不安定となってプラズマを安定して形成できないという問題があった。 However, in particular as disclosed in Patent Document 1, such a Hall thruster, in particular an anode layer type Hall thruster also called sheath (T hruster with A node L ayer : TAL) In the discharge oscillation discharge current fluctuates There is a problem that the plasma is not formed stably because the discharge is unstable and is relatively large in most operating parameter regions.

これまでにこの放電電流の振動現象を解明し、低減させるべく多くの研究が成されてきたが、アノードレイヤ型ホールスラスタの場合には、円環状の放電空間内に嵌合する形状を呈する中空のホローアノードを用いることがその最も代表的な例となっているが(非特許文献1〜3参照)、これを用いた場合にも、放電振動をある程度低減できるものの、より一層の振動低減が望まれている。また、プラズマを安定的に形成することができる作動パラメータ領域も狭いという課題もあった。   Many studies have been made so far to elucidate and reduce the oscillation phenomenon of the discharge current. However, in the case of the anode layer type hall thruster, a hollow shape that fits into the annular discharge space is shown. The most typical example is the use of a hollow anode (see Non-Patent Documents 1 to 3). Even when this is used, the discharge vibration can be reduced to some extent, but the vibration can be further reduced. It is desired. In addition, there is a problem that an operating parameter region in which plasma can be stably formed is narrow.

さらに、ホールスラスタの推力発生プロセスとして、円環状の放電空間内に電子を供給する必要があり、また、放出されたイオンビームを中和させるための電子を供給する必要もある。このため、これらに用いるための電子を発生させる電子源を備えている。この電子源には、プラズマから電子を抽出する方式が主に広く採用されており、熱電子放出による直流放電式、高周波放電式及びマイクロ波放電式に大別される。一般的には、低ガス流量・低電力で比較的十分な電子放出能力を有することなどから、ホローカソード(Hollow Cathode)と呼ばれる直流放電式が広く採用されており、宇宙空間での作動実績も多い。   Further, as a thrust generation process of the Hall thruster, it is necessary to supply electrons into the annular discharge space, and it is also necessary to supply electrons for neutralizing the emitted ion beam. For this reason, the electron source which generates the electron for using for these is provided. In this electron source, a method of extracting electrons from plasma is mainly widely used, and is roughly classified into a direct current discharge type, a high frequency discharge type and a microwave discharge type by thermionic emission. In general, the DC discharge type called Hollow Cathode has been widely adopted because it has a relatively sufficient electron emission capability at a low gas flow rate and low power, and has a track record of operation in outer space. Many.

しかし、ホローカソードは酸素等により性能や寿命が劣化するため、厳重な管理が必要であった。また、酸化物陰極が劣化し易く、寿命を制限する要因が極めて多く、寿命の個体差が大きいなど、優れた電子放出性能を有するが、長期的に安定して作動させるには熱的・化学的に様々な制約があり、劣化が進むとプラズマ点火に長時間を要するなどの課題があった。   However, since the performance and life of the hollow cathode deteriorate due to oxygen or the like, strict management is required. In addition, it has excellent electron emission performance, such as the oxide cathode is likely to deteriorate, there are many factors that limit the lifetime, and there are large individual differences in the lifetime. In particular, there are various restrictions, and as the deterioration progresses, there is a problem that a long time is required for plasma ignition.

本発明はこのような課題を解決すべく成されたものであり、その目的は、放電振動をより一層低減させると共に、推進剤流量、アノード電圧、磁場強度などの作動パラメータを変化させた場合にも、従前よりもより拡大された安定作動領域が得られる電気推進装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to further reduce the discharge oscillation and to change the operating parameters such as the propellant flow rate, the anode voltage, and the magnetic field strength. It is another object of the present invention to provide an electric propulsion device that can provide a stable operation region that is larger than before.

本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、電子源として一般的に大電流化が困難とされていた誘導結合プラズマ電子源の大電流化を実現し、さらにホールスラスタと誘導結合プラズマ電子源との配設関係に着目し、ホールスラスタと電子発生源とを特定の電気的結合関係を持たせた状態で配設することで、前述した放電振動が十分に抑制され、安定作動領域が拡大することを知見し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have realized an increase in current of an inductively coupled plasma electron source, which has generally been difficult to increase as an electron source. Paying attention to the disposition relationship with the coupled plasma electron source, disposing the hole thruster and the electron generation source in a specific electrical coupling relationship sufficiently suppresses the above-mentioned discharge vibration and stabilizes The inventor has found that the operating region is expanded, and has completed the present invention.

すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
1.円環状の放電空間の軸方向一方から推進剤を導入して、該推進剤より生成されたイオンを電界によって加速し、該放電空間の他方の出力端より排出して推力を得る電気推進装置であって、
該放電空間の半径方向に磁場を形成する磁気回路を有し、前記電界の形成に寄与するアノード電極を該放電空間内に備えるホールスラスタと、
前記ホールスラスタの前記出力端の近傍に配設され、作動ガスが供給される円筒形の放電容器及び該放電容器に沿って配設された誘導コイルを有し、該誘導コイルに高周波電力を供給することで、前記放電容器内の放電空間において前記作動ガスをプラズマ化し、生成された電子を放出する誘導結合プラズマ電子源とを備えており、
前記ホールスラスタのアノード電極と前記誘導結合プラズマ電子源とが電気的に容量性結合するように、前記ホールスラスタと誘導結合プラズマ電子源とを配設したことを特徴とする電気推進装置。
2.前記誘導結合プラズマ電子源は、前記放電容器内に前記誘導コイルを配設したインナーコイルタイプのrfカソードにより形成されている1記載の電気推進装置。
3.前記ホールスラスタは、前記出力端近傍に、前記アノード電極を配設したアノードレイヤ型ホールスラスタである1記載の電気推進装置。
4.直流放電によりカソードを加熱して熱電子を放出する直流放電タイプの電子源をさらに備えることを特徴とする1記載の電気推進装置。
5.前記ホールスラスタを複数個設け、複数個の前記ホールスラスタに対して、1つ以上の前記誘導結合プラズマ電子源が電気的に容量性結合するように配設したことを特徴とする1記載の電気推進装置。
That is, the present invention provides the following inventions.
1. An electric propulsion device that introduces a propellant from one axial direction of an annular discharge space, accelerates ions generated from the propellant by an electric field, and discharges it from the other output end of the discharge space to obtain thrust There,
A hall thruster having a magnetic circuit for forming a magnetic field in a radial direction of the discharge space and having an anode electrode in the discharge space that contributes to the formation of the electric field;
A cylindrical discharge vessel disposed near the output end of the hall thruster and supplied with a working gas, and an induction coil disposed along the discharge vessel, for supplying high-frequency power to the induction coil The plasma of the working gas in the discharge space in the discharge vessel, and an inductively coupled plasma electron source that emits the generated electrons.
An electric propulsion device, wherein the Hall thruster and the inductively coupled plasma electron source are arranged so that the anode electrode of the Hall thruster and the inductively coupled plasma electron source are electrically capacitively coupled.
2. 2. The electric propulsion device according to 1, wherein the inductively coupled plasma electron source is formed by an inner coil type rf cathode in which the induction coil is disposed in the discharge vessel.
3. 2. The electric propulsion device according to 1, wherein the hall thruster is an anode layer type hall thruster in which the anode electrode is disposed in the vicinity of the output end.
4). 2. The electric propulsion apparatus according to claim 1, further comprising a direct current discharge type electron source that emits thermoelectrons by heating the cathode by direct current discharge.
5. 2. The electricity according to claim 1, wherein a plurality of the Hall thrusters are provided, and one or more inductively coupled plasma electron sources are electrically capacitively coupled to the plurality of Hall thrusters. Propulsion device.

本発明の電気推進装置は、放電振動をより一層低減させると共に、推進剤流量、アノード電圧、磁場強度などの作動パラメータを変化させた場合にも、従前よりもより拡大された安定作動領域が得られるものである。
更に詳細には、本発明にかかる電気推進装置では、電子源として誘導結合プラズマ電子源を採用した。この誘導結合プラズマ電子源は、供給する高周波電力を増大させても放出される電子量の変化が少ないため、大きな電子放出量を得ることは困難であると一般的に考えられていた。しかし研究の結果、高周波電力を増大させた場合に、放出される電子量が飛躍的に増大する遷移条件が存在することが明らかになった。かかる性質を利用することにより電子放出能力を重視した場合にも、電子源としてホローカソードに替えて誘導結合プラズマ電子源を用いることが可能であることが判明し、しかもこの誘導結合プラズマ電子源を用いることにより、前述したようなホローカソードを用いた場合の欠点を全て払拭することができる。そして誘導結合プラズマ電子源が有する長所として、即時点火が可能かつ点火手順が簡素であり、構造が簡素であるため電源数の削減にも寄与でき、地上の環境雰囲気下で容易に劣化が進んでしまうような構成部材がないため地上での劣化管理が容易であり、さらに電源効率が高いなどの様々な利点を享受することが可能となる。
The electric propulsion device according to the present invention further reduces the discharge oscillation, and even when the operation parameters such as the propellant flow rate, the anode voltage, and the magnetic field strength are changed, a more stable operation region can be obtained than before. It is what
More specifically, the electric propulsion apparatus according to the present invention employs an inductively coupled plasma electron source as an electron source. This inductively coupled plasma electron source is generally considered to be difficult to obtain a large amount of electron emission because there is little change in the amount of electrons emitted even when the high frequency power supplied is increased. However, as a result of research, it has been clarified that there is a transition condition in which the amount of emitted electrons increases dramatically when the high-frequency power is increased. Even when emphasizing the electron emission capability by utilizing such properties, it has been found that it is possible to use an inductively coupled plasma electron source instead of a hollow cathode as an electron source. By using it, all the faults at the time of using a hollow cathode as mentioned above can be wiped out. The advantages of the inductively coupled plasma electron source are that it can be ignited immediately, the ignition procedure is simple, the structure is simple, and it can contribute to the reduction of the number of power supplies, and the deterioration easily proceeds in the environmental environment on the ground. Since there is no such a constituent member, it is easy to manage deterioration on the ground, and it is possible to enjoy various advantages such as high power efficiency.

また、ホールスラスタのアノード電極と誘導結合プラズマ電子源とが電気的に容量性結合した状態では、誘導結合プラズマ電子源に高周波電力を供給してプラズマを点火させると、隣接するホールスラスタ側ではアノード電極や磁気回路に電源を供給していない状態であっても、推進剤が導入された円環状の放電空間にプラズマの光輝が観測される。本発明においては、このように互いに電気的に容量性結合する状態となるよう、ホールスラスタに対して誘導結合プラズマ電子源を配設することで、ホールスラスタを実稼働させた場合に放電振動が大幅に軽減されることが実験的に明らかになった。このように放電振動を十分に抑制できる結果、ホールスラスタの放電空間におけるプラズマをより安定的に形成することが可能となり、誘導結合プラズマ電子源から大きな電子放出量が得られる効果と相まって、推進剤流量、アノード電圧、磁場強度などの作動パラメータを変化させた場合にも、ホールスラスタが安定して作動する安定作動領域を拡大させることが可能となる。   In the state where the anode electrode of the Hall thruster and the inductively coupled plasma electron source are electrically capacitively coupled, when the plasma is ignited by supplying high frequency power to the inductively coupled plasma electron source, the anode is adjacent on the adjacent Hall thruster side. Even when no power is supplied to the electrodes or the magnetic circuit, plasma brightness is observed in the annular discharge space where the propellant is introduced. In the present invention, by providing an inductively coupled plasma electron source with respect to the Hall thruster so that they are electrically capacitively coupled to each other in this way, the discharge vibration is not generated when the Hall thruster is actually operated. It has been experimentally found that it is greatly reduced. As a result of sufficiently suppressing the discharge oscillation in this way, it becomes possible to form plasma more stably in the discharge space of the Hall thruster, coupled with the effect of obtaining a large amount of electron emission from the inductively coupled plasma electron source, Even when the operation parameters such as the flow rate, the anode voltage, and the magnetic field strength are changed, the stable operation region in which the Hall thruster operates stably can be expanded.

電気推進装置の全体的なシステム構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the whole system configuration of an electric propulsion device. アノードレイヤ型ホールスラスタの外観を示す斜視図である。It is a perspective view showing the appearance of an anode layer type hall thruster. アノードレイヤ型ホールスラスタの軸方向断面であり、中心軸から半径方向片側のみを拡大して示す断面図である。It is an axial section of an anode layer type hall thruster, and is a sectional view showing an enlarged view of only one side in the radial direction from the central axis. 与圧室を構成する各部材を示す斜視図である。It is a perspective view which shows each member which comprises a pressurization chamber. RFカソードに供給する高周波電力と電子放出量(アノード電流)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the high frequency electric power supplied to RF cathode, and electron emission amount (anode current). 作動ガスの種類及びアノード電圧を変化させた場合における、RFカソードの電子放出量(アノード電流)の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the electron emission amount (anode current) of RF cathode when the kind of working gas and an anode voltage are changed. TAL及びRFカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。It is the observation photograph which copied each emission side end face of a TAL and RF cathode. アノード電極と接地電位との間に流れる放電電流及びアノード電圧を計測した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the discharge current and anode voltage which flow between an anode electrode and ground potential. 電気推進装置の作動シーケンスを示すチャートである。It is a chart which shows the operation | movement sequence of an electric propulsion apparatus. TAL及びRFカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。It is the observation photograph which copied each emission side end face of a TAL and RF cathode. TAL及びRFカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。It is the observation photograph which copied each emission side end face of a TAL and RF cathode. (a)、(b)はTAL及びRFカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。(A), (b) is the observation photograph which copied the mutual emission side end surface of TAL and RF cathode. TAL及びRFカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。It is the observation photograph which copied each emission side end face of a TAL and RF cathode. (a)はRFカソードにおける放電電流の変化を示すグラフ、(b)はホローカソードにおける放電電流の変化を示すグラフである。(A) is a graph which shows the change of the discharge current in RF cathode, (b) is a graph which shows the change of the discharge current in a hollow cathode. 電子源にRFカソード/ホローカソードを用いた場合における、TALの安定作動領域を示すグラフである。It is a graph which shows the stable operation area | region of TAL at the time of using RF cathode / hollow cathode for an electron source. 安定作動領域を示すグラフである。It is a graph which shows a stable operation area | region. (a)〜(d)は、それぞれ所定の推進剤流量を供給した場合に、磁束密度とアノード電圧をパラメータとして、作動安定性を評価した結果を示すグラフである。なお、(d)はホローカソードを用いた場合の結果である。(A)-(d) is a graph which shows the result of having evaluated operation stability by using magnetic flux density and an anode voltage as parameters, when each supplying a predetermined propellant flow rate. In addition, (d) is a result at the time of using a hollow cathode. (a)〜(c)は、それぞれ所定のアノード電圧を与えた場合に、磁束密度と推進剤流量をパラメータとして、作動安定性を評価した結果を示すグラフである。なお、(c)はホローカソードを用いた場合の結果である。(A)-(c) is a graph which shows the result of having evaluated operation stability by setting magnetic flux density and a propellant flow volume as a parameter, when a predetermined anode voltage is given, respectively. In addition, (c) is a result at the time of using a hollow cathode. (a)、(b)は、与える推進剤流量及びアノード電圧を所定レベルに固定し、磁束密度と放電電流をパラメータとして、作動安定性を評価した結果を示すグラフである。なお、(b)はホローカソードを用いた場合の結果である。(A), (b) is a graph which shows the result of having evaluated the operation stability by fixing the propellant flow volume and anode voltage to be given to predetermined levels, and using magnetic flux density and discharge current as parameters. In addition, (b) is a result at the time of using a hollow cathode. (a)〜(c)は、それぞれ所定のアノード電圧を与えた場合に、磁束密度とキセノン流量をパラメータとして、作動安定性を評価した結果を示すグラフである。(A)-(c) is a graph which shows the result of having evaluated the operation | movement stability by setting magnetic flux density and a xenon flow rate as a parameter, when each given anode voltage is given. ホールスラスタ、RFカソード及びホローカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows roughly the arrangement | positioning state of a Hall thruster, RF cathode, and a hollow cathode. ホールスラスタ及びRFカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows roughly the arrangement | positioning state of a Hall thruster and RF cathode. ホールスラスタ及びRFカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows roughly the arrangement | positioning state of a Hall thruster and RF cathode. ホールスラスタ及びホローカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows roughly the arrangement | positioning state of a Hall thruster and a hollow cathode. ホールスラスタ、RFカソード及びホローカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows roughly the arrangement | positioning state of a Hall thruster, RF cathode, and a hollow cathode.

1:電気推進装置、10:真空チャンバ、20:直流電源、30:キセノンタンク、40:高周波電源、50:直流電源、100:アノードレイヤ型ホールスラスタ(TAL)、110:インナー磁気ポール、120:アウター磁気ポール、140:出力端、160:アノード電極、190:放電空間、200:RFカソード(誘導結合プラズマ電子源)、300:ホローカソード 1: electric propulsion device, 10: vacuum chamber, 20: DC power supply, 30: xenon tank, 40: high frequency power supply, 50: DC power supply, 100: anode layer type Hall thruster (TAL), 110: inner magnetic pole, 120: Outer magnetic pole, 140: output end, 160: anode electrode, 190: discharge space, 200: RF cathode (inductively coupled plasma electron source), 300: hollow cathode

図1に実施形態にかかる電気推進装置のシステム構成を模式的に示す。電気推進装置1は推力を発生する本体部にアノードレイヤ型ホールスラスタ(以下「TAL」と記す)100を備えると共に、このTAL100に対して電子を供給し、かつTAL100から放出されるイオンビームを中和させる電子源には誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma)電子源としてのRFカソード200を備えており、これらの主要な構成部を真空チャンバ10内に配設している。   FIG. 1 schematically shows a system configuration of the electric propulsion apparatus according to the embodiment. The electric propulsion device 1 includes an anode layer type hall thruster (hereinafter referred to as “TAL”) 100 in a main body portion that generates thrust, supplies electrons to the TAL 100, and generates an ion beam emitted from the TAL 100. The electron source to be summed includes an RF cathode 200 as an inductively coupled plasma electron source, and these main components are arranged in the vacuum chamber 10.

図2及び図3に示すように、TAL100は中心部に円柱形状のインナー磁気ポール110(図3参照)を有しており、その外周部には、インナー磁気ポール110との間に、円環の筒型形状の空隙を設けるような状態で、6本のアウター磁気ポール120を等間隔で且つ6本が一つの円周上に位置するように配設している。インナー磁気ポール110は鉄心112に対してソレノイドコイル114を巻き付けて構成しており、アウター磁気ポール120も同様に、鉄心122に対してソレノイドコイル124を巻き付けて構成している。   As shown in FIGS. 2 and 3, the TAL 100 has a cylindrical inner magnetic pole 110 (see FIG. 3) in the center, and an annular ring is provided between the outer periphery and the inner magnetic pole 110. The six outer magnetic poles 120 are arranged at equal intervals and in such a manner that the six outer magnetic poles 120 are positioned on one circumference. The inner magnetic pole 110 is configured by winding a solenoid coil 114 around an iron core 112, and the outer magnetic pole 120 is similarly configured by winding a solenoid coil 124 around an iron core 122.

インナー磁気ポール110の鉄心112の軸方向一端側は、インナー磁気ポール110に比べて大きな径をなす鉄製円盤状のリターンヨーク130に対して固定しており、他端側は、インナー磁気ポール110のポール径とほぼ同じ大きさに形成した鉄製円盤状の内側ポールピース132を固定している。また、各アウター磁気ポール120の鉄心122の軸方向一端側も、このリターンヨーク130に固定し、各々の鉄心122の他端側は、鉄製の平板リング状に形成した外側ポールピース134にそれぞれ固定している。   One end side in the axial direction of the iron core 112 of the inner magnetic pole 110 is fixed to an iron disc-shaped return yoke 130 having a larger diameter than the inner magnetic pole 110, and the other end side of the inner magnetic pole 110 is fixed to the inner magnetic pole 110. An iron disk-shaped inner pole piece 132 formed to be approximately the same size as the pole diameter is fixed. Further, one axial end side of the iron core 122 of each outer magnetic pole 120 is also fixed to the return yoke 130, and the other end side of each iron core 122 is fixed to an outer pole piece 134 formed in an iron flat ring shape. doing.

各ソレノイドコイル114、124には、直流電源20(図1参照、なお接続形態は公知の接続形態を特に制限なく用いることが可能であるため省略する)が個々に接続されており、ソレノイドコイル114、124にコイル電流が供給されることでインナー磁気ポール110及び各アウター磁気ポール120が励磁される。このような構成により、インナー磁気ポール110、アウター磁気ポール120、リターンヨーク130、内側ポールピース132及び外側ポールピース134によって磁気回路を構成しており、内側ポールピース132と外側ポールピース134との間に形成される円環状の空隙には、内周側と外周側との間に半径方向に沿う磁場を放射状に形成することができる。なお、この円環状の空隙が後述するように放電空間を形成する部位であり、その軸方向他方(他端側)に位置する部分が、TAL100からイオンビームが出力される出力端140となる。   Each solenoid coil 114, 124 is individually connected to a DC power source 20 (see FIG. 1, and the connection form is omitted because a known connection form can be used without particular limitation). , 124 is supplied with a coil current, whereby the inner magnetic pole 110 and each outer magnetic pole 120 are excited. With such a configuration, the inner magnetic pole 110, the outer magnetic pole 120, the return yoke 130, the inner pole piece 132, and the outer pole piece 134 constitute a magnetic circuit, and between the inner pole piece 132 and the outer pole piece 134. In the annular gap formed in the above, a radial magnetic field can be formed radially between the inner peripheral side and the outer peripheral side. The annular gap is a part that forms a discharge space as will be described later, and the part located on the other axial side (the other end side) is an output end 140 from which an ion beam is output from the TAL 100.

内側ポールピース132と外側ポールピース134との間に形成される円環状の前記空隙には、リターンヨーク130側から順に、後述するように1カ所から供給される推進剤のガスを周方向に均一に供給するための供給予備室150と、一端側が開口した円環状の放電空間を形成するアノード電極160とを備えており、いずれも銅材によって形成している。また、この銅製の予圧室150及びアノード電極160と、これらを囲むように配設されているインナー磁気ポール110、アウター磁気ポール120及びリターンヨーク130との間を、セラミック材170によって覆っており、予圧室150及びアノード電極160は周辺の他の構成部材とは電気的に絶縁された状態となっている。   In the annular space formed between the inner pole piece 132 and the outer pole piece 134, the propellant gas supplied from one place is uniform in the circumferential direction in order from the return yoke 130 side, as will be described later. And an anode electrode 160 that forms an annular discharge space that is open at one end, both of which are made of a copper material. Further, the copper preload chamber 150 and the anode electrode 160, and the inner magnetic pole 110, the outer magnetic pole 120, and the return yoke 130 disposed so as to surround them are covered with a ceramic material 170, The preload chamber 150 and the anode electrode 160 are electrically insulated from other peripheral components.

供給予備室150は、図4に示すように、円環状の底面板152、その内周側に設けた円筒形状の内壁板154、その外周側に設けた円筒形状の外壁板156からなる室形成部材によって区画されている。またアノード電極160側には円環状の仕切り板158(図3参照)が配設されており、図3に示すように、供給予備室150は図4に示す室形成部材における開放側端を仕切り板158によって閉塞した状態で区画される。また底面板152には推進剤を内部に導入する開口部151が形成されており、相対する仕切り板158には、図3に示すように、仕切り板158を厚さ方向に貫通する細径の導入孔158aが一定の間隔を空け円周方向に沿って複数箇所に形成されている。   As shown in FIG. 4, the supply preparatory chamber 150 is a chamber formed of an annular bottom plate 152, a cylindrical inner wall plate 154 provided on the inner peripheral side thereof, and a cylindrical outer wall plate 156 provided on the outer peripheral side thereof. It is demarcated by members. Further, an annular partition plate 158 (see FIG. 3) is disposed on the anode electrode 160 side. As shown in FIG. 3, the supply preliminary chamber 150 partitions the open end of the chamber forming member shown in FIG. Comparted in a state of being blocked by the plate 158. The bottom plate 152 is formed with an opening 151 for introducing a propellant into the inside, and the opposing partition plate 158 has a small diameter that penetrates the partition plate 158 in the thickness direction as shown in FIG. The introduction holes 158a are formed at a plurality of locations along the circumferential direction at regular intervals.

底面板152の開口部151は、推進剤としてのキセノンが充填されたキセノンタンク30とガス供給管路系36を介して接続されており(図1参照)、キセノンタンク30から導かれたキセノンは、流量調節部32、高周波漏洩遮断部34及びガスアイソレータ38などを経由して開口部151から供給予備室150に導入される。供給予備室150に導入されたキセノンは、仕切り板158の各貫通孔158aからアノード電極160内側の放電空間190内に均一に供給される。   The opening 151 of the bottom plate 152 is connected to a xenon tank 30 filled with xenon as a propellant via a gas supply line system 36 (see FIG. 1), and the xenon guided from the xenon tank 30 is Then, the gas is introduced into the supply preliminary chamber 150 from the opening 151 via the flow rate adjusting unit 32, the high-frequency leakage blocking unit 34, the gas isolator 38, and the like. The xenon introduced into the supply preliminary chamber 150 is uniformly supplied into the discharge space 190 inside the anode electrode 160 from each through hole 158a of the partition plate 158.

アノード電極160は、内周側に設けた円筒形状の内側環状電極162と、外周側に設けた円筒形状の外側環状電極164とを有しており、外側環状電極164は、供給予備室150側に比べ出力端140側の径が小さくなるような段差部を途中に設けている。内側環状電極162と外側環状電極164とは、それぞれ予圧室150側端部を仕切り板158に固定して閉塞させ、他端側を開放させて前述の出力端140を構成している。したがって、仕切り板158は、内側環状電極162と外側環状電極164に対して構造的にも電気的にも一体的に構成されるため、いわゆる仕切り板としての機能と共に、アノード電極160の底面部としても機能するものである。このように構成したアノード電極160には直流電源50によってアノード電圧が印加され、内側環状電極162と外側環状電極164との間の空隙によって、円環状の放電空間190が形成され、その出力端140付近に加速チャンネルが形成される。   The anode electrode 160 includes a cylindrical inner annular electrode 162 provided on the inner peripheral side and a cylindrical outer annular electrode 164 provided on the outer peripheral side. The outer annular electrode 164 is provided on the supply preliminary chamber 150 side. A step portion is provided in the middle so that the diameter on the output end 140 side is smaller than that in FIG. The inner annular electrode 162 and the outer annular electrode 164 constitute the aforementioned output end 140 by fixing the end portion on the preload chamber 150 side to the partition plate 158 and closing it, and opening the other end side. Therefore, since the partition plate 158 is configured structurally and electrically integrally with the inner annular electrode 162 and the outer annular electrode 164, the partition plate 158 functions as a so-called partition plate and serves as a bottom portion of the anode electrode 160. Also works. An anode voltage is applied to the anode electrode 160 configured in this manner by the DC power supply 50, and an annular discharge space 190 is formed by a gap between the inner annular electrode 162 and the outer annular electrode 164, and its output end 140. An acceleration channel is formed in the vicinity.

また出力端140の内周側と外周側には、内側環状電極162及び外側環状電極164に沿って放電空間190内に延びるガードリング180を設けている。2つのガードリング180はともにステンレス(SUS316L)製の円環状に形成されており、内周側のガードリング180は内側環状電極162の内周側にあって基端部を内側ポールピース132に固定しており、外周側のガードリング180は外側環状電極164の外周側にあって基端部を外側ポールピース134に固定している。2つのガードリング180は共にカソード側と電気的に接続されカソード電位に保たれている。このようにガードリング180によって出力端140付近の加速チャンネル壁がカソード電位に保たれているため、電子はこの付近の加速チャンネル壁に衝突せずに放電空間190の奥深部へ向かうように作用する。   In addition, guard rings 180 extending in the discharge space 190 along the inner annular electrode 162 and the outer annular electrode 164 are provided on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the output end 140. The two guard rings 180 are both formed in an annular shape made of stainless steel (SUS316L), and the guard ring 180 on the inner peripheral side is on the inner peripheral side of the inner annular electrode 162 and the base end is fixed to the inner pole piece 132. The guard ring 180 on the outer peripheral side is on the outer peripheral side of the outer annular electrode 164 and the base end portion is fixed to the outer pole piece 134. The two guard rings 180 are both electrically connected to the cathode side and kept at the cathode potential. Since the acceleration channel wall in the vicinity of the output end 140 is maintained at the cathode potential by the guard ring 180 in this way, the electrons act so as to go deeper in the discharge space 190 without colliding with the acceleration channel wall in the vicinity. .

一方、TAL100の電子源となるRFカソード200は、図1に概略的に示すように簡素な部品構成となっており、円筒形の放電容器210の内側に、この円筒形状に沿うように誘導コイル220を配置したインナーコイルタイプである。なお、放電容器210及び誘導コイル220は、本実施形態においては、いずれも非磁性の金属材料により構成されている。
誘導コイル220にはマッチングボックス42を介して高周波電源40が接続されており、誘導コイル220には13.56MHzの高周波電力が供給される。なお、誘導コイル220はセラミックを介して放電容器210側に固定されており、放電容器210と誘導コイル220とは電気的に絶縁された状態である。また、作動ガスとしては推進剤と同じキセノンを用いており、キセノンタンク30に接続されたガス供給管路系36を介して、キセノンガスが放電容器210内に供給される。放電容器210内ではキセノンを電離させ誘導結合プラズマを発生させ、生成された電子はオリフィス230を介して放電容器210の外に放出される。また、生成されたイオンは放電容器210内に捕らえられ、RF電子電流として外部に出力される。なお、作動ガスとしては、推進剤とは別のガス供給系を形成して、推進剤とは異なるガス種を用いることも可能である。
On the other hand, the RF cathode 200 serving as the electron source of the TAL 100 has a simple component structure as schematically shown in FIG. 1, and an induction coil is formed inside the cylindrical discharge vessel 210 along the cylindrical shape. 220 is an inner coil type. In the present embodiment, the discharge vessel 210 and the induction coil 220 are both made of a nonmagnetic metal material.
A high frequency power supply 40 is connected to the induction coil 220 via the matching box 42, and high frequency power of 13.56 MHz is supplied to the induction coil 220. The induction coil 220 is fixed to the discharge vessel 210 side through a ceramic, and the discharge vessel 210 and the induction coil 220 are electrically insulated. Further, the same xenon as the propellant is used as the working gas, and the xenon gas is supplied into the discharge vessel 210 through the gas supply line system 36 connected to the xenon tank 30. In the discharge vessel 210, xenon is ionized to generate inductively coupled plasma, and the generated electrons are emitted to the outside of the discharge vessel 210 through the orifice 230. The generated ions are captured in the discharge vessel 210 and output to the outside as an RF electron current. As the working gas, it is possible to form a gas supply system different from the propellant and use a gas type different from the propellant.

ここでRFカソード200の大電流モードについて図5を参照して説明する。   Here, the large current mode of the RF cathode 200 will be described with reference to FIG.

RFカソード200に対して、作動ガスとして流量0.6mg/sのキセノンガスを用い、誘導コイル220に供給する高周波電力(13.56MHz)を徐々に増加させた場合、高周波電力が200Wを超えた領域においても、電子放出量を示すアノード電流の変化は小さく、数A程度である。従来、このような現象から、RFカソードでは大きな電子放出量を得ることが困難であると一般的に考えられていた。しかし、実験の結果、電子の放出量が飛躍的に増大する遷移条件が存在することが明らかになった。すなわち、図5に示すように、一例としてキセノンガスの流量を0.7mg/sとし、供給する高周波電力を300Wまで上昇させると、電子の放出量が飛躍的に増大し、アノード電流が20A以上に急激に増加する大電流モードが出現することが確認された。   When a high frequency power (13.56 MHz) supplied to the induction coil 220 was gradually increased using a xenon gas having a flow rate of 0.6 mg / s as the working gas with respect to the RF cathode 200, the high frequency power exceeded 200 W. Even in the region, the change in the anode current indicating the electron emission amount is small and is about several A. Conventionally, it has been generally considered that it is difficult to obtain a large amount of electron emission from an RF cathode due to such a phenomenon. However, as a result of experiments, it has become clear that there are transition conditions that dramatically increase the amount of electrons emitted. That is, as shown in FIG. 5, as an example, when the flow rate of xenon gas is 0.7 mg / s and the supplied high frequency power is increased to 300 W, the amount of electron emission increases dramatically, and the anode current is 20 A or more. It has been confirmed that a large current mode that suddenly increases appears.

そこで、この結果を踏まえRFカソードに対して供給する高周波電力を300Wとして、RFカソードをこのような大電流モードで作動させる状態において、作動ガスの種類及びアノード電圧を変化させた場合の結果を図6に示す。作動ガスとしてキセノンを用い1.0mg/sの流量で供給し、アノード電圧を増加させた場合にはアノード電流も増加する傾向にあり、例えばアノード電圧が25V程度でアノード電流が20Aとなっている。これは今後の大型電気推進装置のベースとなる5kWクラスのホールスラスタに必要とされる電子放出量の15A程度を十分にクリアしている。また、希少かつ高価であるキセノンと比較し、入手が容易で実用が期待されるアルゴンを作動ガスに用いた場合にも20Aの電子放出量を得られることが確認できた。   Therefore, based on this result, the high frequency power supplied to the RF cathode is set to 300 W, and the result when the type of the working gas and the anode voltage are changed in the state where the RF cathode is operated in such a large current mode is shown in FIG. It is shown in FIG. When xenon is used as the working gas and supplied at a flow rate of 1.0 mg / s and the anode voltage is increased, the anode current also tends to increase. For example, the anode voltage is about 25 V and the anode current is 20 A. . This sufficiently clears the electron emission amount of about 15 A required for a 5 kW class hall thruster that will be the base of future large electric propulsion devices. In addition, it was confirmed that an electron emission amount of 20 A can be obtained even when argon, which is easily available and expected to be practical, is used as a working gas, compared to rare and expensive xenon.

<実施例>
このような大電流モードで作動させるRFカソード200を、TAL100の電子源として用いて、各種の測定を行った。なお、使用したTAL100の直径は174mm、RFカソード200における放電容器210の直径が51mmである。またTAL100及びRFカソード200の互いの放出側端面の中心部間の距離は90mmに設定した。
<Example>
Various measurements were performed using the RF cathode 200 operated in such a large current mode as an electron source of the TAL100. The diameter of the used TAL 100 is 174 mm, and the diameter of the discharge vessel 210 in the RF cathode 200 is 51 mm. The distance between the center portions of the emission side end faces of the TAL 100 and the RF cathode 200 was set to 90 mm.

さらにこの際、TAL100とRFカソード200との配設関係として、互いに電気的に容量性結合状態となるように配設した。ここで容量性結合状態とは、2つの導電性部材間において、一方側の電気的なエネルギー変化が他方にも電気的なエネルギー変化として伝達されるエネルギー伝達であり、電気回路におけるコンデンサと同様に作用する状態である。具体的には、TAL100とRFカソード200とが電気的に容量結合状態となると、以下に説明する現象が観測される。   Further, at this time, the TAL 100 and the RF cathode 200 are disposed so as to be electrically capacitively coupled to each other. Here, the capacitive coupling state is energy transmission in which an electrical energy change on one side is transmitted as an electrical energy change to the other between two conductive members, and is similar to a capacitor in an electric circuit. It is a working state. Specifically, when the TAL 100 and the RF cathode 200 are electrically capacitively coupled, the phenomenon described below is observed.

図7はTAL100及びRFカソード200の互いの放出側端面を写した観測写真である。図中にRF/Cと示した側がRFカソード200の電子放出面であり、HETと示した側がTAL100の出力端140が形成された放出面である。この状態は、RFカソード200に作動ガスのキセノンを流量0.6mg/sで供給し、13.56MHz、300Wの高周波電力を供給して点火させた状態である。放電容器210内に生じた誘導結合プラズマが、中央のオリフィス230から外側に引き出された光輝が観測されている。相対するTAL100では、キセノンは供給しておらず、アノード電圧も印加せず、ホール磁場も形成していない状態であり、光輝が観測されることはない。
この状態で、アノード電極160と接地電位との間に流れる放電電流と、アノード電圧を計測した結果を図8に示す。
この結果より、アノード電圧はほぼ0Vが維持されているが、放電電流は振幅0.3A程度で周期的に変化しており、その周期は70数ns程度である。この周期はRFカソード200側で作動中の高周波電源40の周波数13.56MHzの1周期となる73.74nsにほぼ一致する。これは電気回路におけるコンデンサと同様に、TAL100とRFカソード200とが容量結合状態された状態と考えられ、一方のRFカソード200側で起きている振動的な電気エネルギー変化が、対向するTAL100のアノード電極160に伝わり、放電電流の変化として検出されたと考えられる。
FIG. 7 is an observation photograph showing the emission side end surfaces of the TAL 100 and the RF cathode 200. In the drawing, the side indicated as RF / C is the electron emission surface of the RF cathode 200, and the side indicated as HET is the emission surface on which the output end 140 of the TAL 100 is formed. In this state, the working gas xenon is supplied to the RF cathode 200 at a flow rate of 0.6 mg / s, and high frequency power of 13.56 MHz and 300 W is supplied and ignited. The brightness of the inductively coupled plasma generated in the discharge vessel 210 drawn out from the central orifice 230 is observed. In the opposite TAL100, no xenon is supplied, no anode voltage is applied, and no Hall magnetic field is formed, and no glitter is observed.
FIG. 8 shows the measurement result of the discharge current flowing between the anode electrode 160 and the ground potential and the anode voltage in this state.
From this result, the anode voltage is maintained at approximately 0 V, but the discharge current periodically changes with an amplitude of about 0.3 A, and the period is about 70 ns. This period substantially coincides with 73.74 ns, which is one period of the frequency 13.56 MHz of the high-frequency power source 40 operating on the RF cathode 200 side. This is considered to be a state in which the TAL 100 and the RF cathode 200 are capacitively coupled in the same manner as the capacitor in the electric circuit, and the vibrational electric energy change occurring on one RF cathode 200 side is the anode of the opposing TAL 100. It is considered that it was transmitted to the electrode 160 and detected as a change in the discharge current.

図9に、このように容量結合状態で配設されたTAL100及びRFカソード200を用いた電気推進装置の作動シーケンスを示す。以下、この作動シーケンスに従って順に説明する。   FIG. 9 shows an operation sequence of the electric propulsion apparatus using the TAL 100 and the RF cathode 200 arranged in such a capacitively coupled state. Hereinafter, it demonstrates in order according to this operation | movement sequence.

まずS10では、TAL100に対してキセノンを流量2.0mg/sで供給する。この時点では、TAL100側ではアノード電極160に電圧は印加されておらず、ソレノイドコイル114,124にも電流は供給していない状態である。またRFカソード200に対しても高周波電力を印加してない状態であり、プラズマによる発光現象等は観測されることはない。   First, in S10, xenon is supplied to TAL100 at a flow rate of 2.0 mg / s. At this time, no voltage is applied to the anode electrode 160 on the TAL 100 side, and no current is supplied to the solenoid coils 114 and 124. In addition, no high-frequency power is applied to the RF cathode 200, and no light emission phenomenon due to plasma is observed.

続くS12においてRFカソード200を点火する。この際、RFカソード200には作動ガスのキセノンを流量0.5mg/sで供給し、高周波電源40から300Wの高周波電力を供給する。この状況で観測された結果を図10に示す。図中のRF/C側に放電容器210内に生じた誘導結合プラズマの光輝がオリフィス230を介して観測されている。さらにこのとき、キセノンが供給されているTAL100の放電空間190にもリング状の淡いプラズマ光輝が観測されている。このリング状の淡いプラズマ光輝は、TAL100が正常に作動した後、定常状態でイオンビームが出力端140から放出される際の輝度に比べてかなり低い輝度である。この段階ではTAL100側ではキセノンは供給されているが、その他の電源系は停止状態であり、アノード電圧は未供給であるため電界は形成されておらず、ホール磁場も形成されていない状態である。しかし前述したように、TAL100側とRFカソード200側が容量結合された状態であるため、RFカソード200内に形成された誘導結合プラズマが誘因となって、これと容量的に結合する容量性結合プラズマが、電離度の低いプラズマとしてTAL100の放電空間190内に励起されたと考察される。   In subsequent S12, the RF cathode 200 is ignited. At this time, the working gas xenon is supplied to the RF cathode 200 at a flow rate of 0.5 mg / s, and high frequency power of 300 W is supplied from the high frequency power source 40. The results observed in this situation are shown in FIG. The brightness of inductively coupled plasma generated in the discharge vessel 210 is observed through the orifice 230 on the RF / C side in the figure. Further, at this time, a ring-shaped light plasma brightness is also observed in the discharge space 190 of the TAL 100 to which xenon is supplied. This ring-shaped light plasma brightness is much lower than the brightness when the ion beam is emitted from the output end 140 in a steady state after the TAL 100 operates normally. At this stage, xenon is supplied on the TAL 100 side, but the other power supply system is in a stopped state, and since the anode voltage is not supplied, no electric field is formed and no Hall magnetic field is formed. . However, as described above, since the TAL 100 side and the RF cathode 200 side are capacitively coupled, the capacitively coupled plasma that is capacitively coupled with the inductively coupled plasma formed in the RF cathode 200 is induced. Is considered to be excited in the discharge space 190 of the TAL 100 as a plasma with a low ionization degree.

続くS14では、直流電源20によって各ソレノイドコイル114,124にコイル電流を供給し、円環状の放電空間190に半径方向に磁束密度20mTの磁場Bを印加する。これにより、図11に示すように、TAL100の放電空間190内に観測されていたリング状の光輝が消失し、かつ、RFカソード200側ではオリフィス230から引き出されたプラズマ光輝の拡散状態が変化している。この状態を、観察角度を変えて、出力端140が形成されたTAL100の放出側端面を正面から観察した結果を図12(a)、(b)に示す。中心から外側に向かう方向を正として磁束密度を示しており、図12(a)、(b)に示すように、磁場Bの方向を反転させるとRFカソード200から引き出されたプラズマ光輝の拡散方向も反転している。このことからもTAL100側とRFカソード200側とが容量結合していることがわかる。なお、観測された現象や測定結果に基づいて、TAL100側とRFカソード200側とが容量性結合であると捉えて考察したが、高周波が関わる状況下では誘導性結合も複合的に生じている可能性もあり、容量性結合以外の電気的結合関係をさらに有していることを除外するものではない。   In subsequent S14, a coil current is supplied to the solenoid coils 114 and 124 by the DC power source 20, and a magnetic field B having a magnetic flux density of 20 mT is applied to the annular discharge space 190 in the radial direction. As a result, as shown in FIG. 11, the ring-like brightness observed in the discharge space 190 of the TAL 100 disappears, and the diffusion state of the plasma brightness extracted from the orifice 230 changes on the RF cathode 200 side. ing. FIGS. 12A and 12B show the result of observing the emission side end face of the TAL 100 in which the output end 140 is formed from the front while changing the observation angle. The magnetic flux density is shown with the direction from the center to the outside as positive, and as shown in FIGS. 12A and 12B, the diffusion direction of the plasma brightness extracted from the RF cathode 200 when the direction of the magnetic field B is reversed. Is also reversed. This also indicates that the TAL 100 side and the RF cathode 200 side are capacitively coupled. Although the TAL 100 side and the RF cathode 200 side are considered to be capacitive coupling based on the observed phenomenon and measurement result, inductive coupling is also generated in a complex manner under a situation involving high frequency. There is also a possibility, and it does not exclude that there is an electrical coupling relationship other than capacitive coupling.

続くS16では、直流電源50を作動させアノード電圧の印加を開始する。すなわち、直流電源50の出力電圧を上昇させ、アノード電極160に対する印加電圧を上昇させる。直流電源50の出力電圧が300V〜400V程度まで上昇すると、続くS18で示すようにTAL100の放電空間190内での主放電の点火が確認される。正常に放電が点火されると、放電空間190の出力端140からイオンビームが放出され始め、定常運転状態に移行する。先のS14において消失した放電空間190のリング状光輝がS18において再び観測されるが、この際に観測されるリング状光輝は正常なプラズマ放電による光輝であり、図10で示したような薄暗い光輝ではなく、図13に示すように極めて輝度が高いものとなっている。   In continuing S16, the direct-current power supply 50 is operated and the application of an anode voltage is started. That is, the output voltage of the DC power supply 50 is increased and the voltage applied to the anode electrode 160 is increased. When the output voltage of the DC power supply 50 rises to about 300V to 400V, ignition of the main discharge in the discharge space 190 of the TAL 100 is confirmed as shown in subsequent S18. When the discharge is normally ignited, an ion beam starts to be emitted from the output end 140 of the discharge space 190, and the state shifts to a steady operation state. The ring-like brightness of the discharge space 190 that disappeared in the previous S14 is observed again in S18. The ring-like brightness observed at this time is a brightness due to normal plasma discharge, and is a dim brightness as shown in FIG. Instead, the brightness is extremely high as shown in FIG.

図14(a)に、このように定常運転状態となったTAL100における放電電流の振動波形を示し、図14(b)に、電子源としてRFカソード200に替えてホローカソードを用いた場合の放電電流の振動波形を示す。この結果を比較すると、RFカソード200を用いた場合には、ホローカソードを用いた場合に比べ、放電振動を示す放電電流の振動振幅を1/3〜1/4程度に抑制できることが明らかになった。   FIG. 14A shows the oscillation waveform of the discharge current in the TAL 100 in the steady operation state as described above, and FIG. 14B shows the discharge when a hollow cathode is used instead of the RF cathode 200 as an electron source. The vibration waveform of an electric current is shown. Comparing these results, it is clear that when the RF cathode 200 is used, the oscillation amplitude of the discharge current showing the discharge oscillation can be suppressed to about 1/3 to 1/4 compared with the case of using the hollow cathode. It was.

また図15は、TAL100の作動パラメータとなる推進剤流量、アノード電圧及び磁場強度を変化させた場合に、TAL100の放電が落ちずに安定的に作動し得る安定作動領域を示しており、横軸が磁場強度、縦軸がアノード電圧と推進剤流量との積値で示している。このグラフでは、点線で囲まれた領域について検証を行ったものであり、この全領域内においてRFカソード200は安定的に作動した。これに対して、実線で囲まれた領域がホローカソードを用いた場合の安定作動領域であり、この結果より、ホローカソードに比べてRFカソード200を用いた場合に安定作動領域が十分に拡大されていることが分かる。   FIG. 15 shows a stable operation region in which the discharge of the TAL 100 can be stably performed without changing when the propellant flow rate, the anode voltage, and the magnetic field strength, which are the operation parameters of the TAL 100, are changed. Indicates the magnetic field intensity, and the vertical axis indicates the product of the anode voltage and the propellant flow rate. In this graph, the region surrounded by the dotted line was verified, and the RF cathode 200 operated stably in the entire region. On the other hand, the region surrounded by the solid line is the stable operation region when the hollow cathode is used, and as a result, the stable operation region is sufficiently expanded when the RF cathode 200 is used compared to the hollow cathode. I understand that

なお、非特許文献1では、電子源としてホローカソードを用いたホールスラスタが開示されており、非特許文献1で開示された各種作動パラメータとの比較結果を図16〜図20において示す。いずれの結果でも、電子源にホローカソードを用いた非特許文献4のホールスラスタに比べ、RFカソードを採用した本実施形態のホールスラスタの方が、より作動条件が厳しい作動パラメータの領域においても安定して作動することが分かる。この中で、図16のグラフは、横軸を磁場強度、縦軸をアノード電圧と推進剤流量との積値で示しており、「TMU−HET」が実施例で示した電気推進装置1のデータであり、「UT−58」が非特許文献4で示した電気推進装置のデータである。   In Non-Patent Document 1, a Hall thruster using a hollow cathode as an electron source is disclosed, and comparison results with various operating parameters disclosed in Non-Patent Document 1 are shown in FIGS. In any result, the Hall thruster of this embodiment using the RF cathode is more stable in the operating parameter region where the operating conditions are stricter than the Hall thruster of Non-Patent Document 4 using a hollow cathode as the electron source. Can be seen to work. In the graph of FIG. 16, the horizontal axis indicates the magnetic field strength, the vertical axis indicates the product value of the anode voltage and the propellant flow rate, and “TMU-HET” indicates the electric propulsion device 1 shown in the embodiment. “UT-58” is data of the electric propulsion apparatus shown in Non-Patent Document 4.

以上説明した実施形態では、RFカソード200を、ホールスラスタの定常電子源として用いたが、ホールスラスタの主放電の点火装置として利用することも可能である。この場合の使用方法としては、ホールスラスタの放電空間内に推進剤ガスを供給し、アノード電圧を印加せず、かつ、ホール磁場も形成しないか或いは極く弱いホール磁場を形成した状態とする。この状態でRFカソードを作動させると、ホールスラスタの放電空間には、図10で示した淡い光輝を発する容量結合性のプラズマが形成される。
このような使用方法によって、RFカソードを主放電のプラズマ点火用に用いることができる。そして、主放電が正常に点火された後にはRFカソードをオフ状態とし全ての機能を停止させ、消費電力を低減する。このように作動させることで、ホローカソードを用いた場合に比べて極めて短時間に主放電を点火させることができる。
In the embodiment described above, the RF cathode 200 is used as a stationary electron source of the Hall thruster. However, the RF cathode 200 can also be used as an ignition device for the main discharge of the Hall thruster. In this case, the propellant gas is supplied into the discharge space of the Hall thruster, the anode voltage is not applied, and no Hall magnetic field is formed or a very weak Hall magnetic field is formed. When the RF cathode is operated in this state, capacitively coupled plasma that emits a faint radiance shown in FIG. 10 is formed in the discharge space of the Hall thruster.
With such a usage method, the RF cathode can be used for plasma ignition of the main discharge. Then, after the main discharge is normally ignited, the RF cathode is turned off to stop all functions and reduce power consumption. By operating in this way, the main discharge can be ignited in a very short time compared to the case where a hollow cathode is used.

また、実施形態で例示したRFカソードに加えてホローカソードを配設し、この双方を電子源として利用することも可能である。この場合の使用例としては、電源供給により直ちに作動可能なRFカソードを主放電の点火初期時に使用し、定常運転状態に移行した後、立ち上がりに時間がかかるホローカソードから電子が放出されるタイミングで、RFカソードを停止させ、ホローカソードをその後も継続して使用する。このように使用することで、消費電力の大きいRFカソードを主放電の点火初期時にのみ使用して、主放電を直ちに点火できると共に、その後にホローカソードに切り替えて作動させるため消費電力を抑えることができる。   In addition to the RF cathode exemplified in the embodiment, a hollow cathode may be provided and both of them may be used as an electron source. As an example of use in this case, an RF cathode that can be operated immediately by power supply is used at the initial stage of ignition of the main discharge, and at the timing when electrons are emitted from the hollow cathode that takes a long time to rise after shifting to a steady operation state. The RF cathode is stopped and the hollow cathode is used continuously thereafter. By using in this way, an RF cathode with high power consumption can be used only at the initial stage of main discharge ignition, and the main discharge can be ignited immediately, and then the operation is switched to the hollow cathode to reduce power consumption. it can.

さらに、実施形態で例示した1つのRFカソードを中心として、周囲を囲むように複数のホールスラスタを配し、RFカソードと各ホールスラスタとが電気的に容量性結合するように設置し、1つのRFカソードを、周囲に配した各ホールスラスタの主放電点火用に用いることも可能である。この場合の使用例としては、各ホールスラスタの放電空間内に推進剤ガスを供給し、アノード電圧を印加せず、かつ、ホール磁場も形成しないか或いは極く弱いホール磁場を形成した状態とし、この状態で中央のRFカソードを作動させる。各ホールスラスタの放電空間には、図10で示した淡い光輝を発するプラズマが形成される。ここで形成されたプラズマをいわば主放電点火用の種火として利用する。この後、まずアノード電極にアノード電圧を印加して電界を形成し、次いで磁気回路によって磁場を形成する。これによって放電空間に主放電となるプラズマを形成することができる。なお、ホールスラスタの主放電を終了させる際の手順としては、まず電界のオフ操作を行った後に磁界のオフ操作を行えば良い。   Further, a plurality of Hall thrusters are arranged around the one RF cathode exemplified in the embodiment so as to surround the periphery, and the RF cathode and each Hall thruster are installed so as to be electrically capacitively coupled. It is also possible to use the RF cathode for main discharge ignition of each Hall thruster arranged around. As an example of use in this case, a propellant gas is supplied into the discharge space of each Hall thruster, an anode voltage is not applied, and a Hall magnetic field is not formed or a very weak Hall magnetic field is formed. In this state, the central RF cathode is operated. In the discharge space of each hole thruster, plasma emitting a faint radiance as shown in FIG. 10 is formed. The so-formed plasma is used as a seed fire for main discharge ignition. Thereafter, an anode voltage is first applied to the anode electrode to form an electric field, and then a magnetic field is formed by a magnetic circuit. As a result, plasma serving as a main discharge can be formed in the discharge space. As a procedure for terminating the main discharge of the Hall thruster, the magnetic field may be turned off first after the electric field is turned off.

また、図21に示すように、TAL100の電子源として実施形態で例示したRFカソード200に加えて、別の電子源として、カソードを加熱して電子を放出するホローカソード300を配設し、この双方を電子源として利用することも可能である。このホローカソード300は特許文献2などで開示されているように、電子源として従前から採用されており、直流放電によりカソードを加熱して熱電子を放出する直流放電タイプである。この場合の使用例としては、電源供給により直ちに作動可能なRFカソード200を主放電の点火初期時に使用し、定常運転状態に移行した後、立ち上がりに時間がかかるホローカソード300から電子が放出されるタイミングで、RFカソード200を停止させ、ホローカソード300をその後も継続して使用する。このように使用することで、消費電力の大きいRFカソード200を主放電の点火初期時にのみ使用して、主放電を直ちに点火できると共に、その後にホローカソード300に切り替えて作動させるため消費電力を抑えることができる。
さらに、図22で示すように、実施形態で例示した1つのRFカソード200を中心として、周囲を囲むように複数のホールスラスタ100を配し、RFカソード200と各ホールスラスタ100とが電気的に容量性結合するように設置し、1つのRFカソード200を、周囲に配した各ホールスラスタ100の主放電点火用に用いることも可能である。この場合の使用例としては、各ホールスラスタ100の放電空間内に推進剤ガスを供給し、アノード電圧を印加せず、かつ、ホール磁場も形成しないか或いは極く弱いホール磁場を形成した状態とし、この状態で中央のRFカソード200を作動させる。各ホールスラスタ100の放電空間には、図10で示した淡い光輝を発するプラズマが形成される。ここで形成されたプラズマをいわば主放電点火用の種火として利用する。この後、まずアノード電極にアノード電圧を印加して電界を形成し、次いで磁気回路によって磁場を形成する。これによって放電空間に主放電となるプラズマを形成することができる。なお、ホールスラスタ100の主放電を終了させる際の手順としては、まず電界のオフ操作を行った後に磁界のオフ操作を行えば良い。
Further, as shown in FIG. 21, in addition to the RF cathode 200 exemplified in the embodiment as an electron source of the TAL 100, as another electron source, a hollow cathode 300 that emits electrons by heating the cathode is disposed. Both can also be used as electron sources. As disclosed in Patent Document 2 and the like, the hollow cathode 300 has been conventionally used as an electron source, and is a direct current discharge type in which the cathode is heated by direct current discharge to emit thermoelectrons. As an example of use in this case, an RF cathode 200 that can be operated immediately by power supply is used at the initial stage of main discharge ignition, and after shifting to a steady operation state, electrons are emitted from the hollow cathode 300 that takes time to rise. At the timing, the RF cathode 200 is stopped, and the hollow cathode 300 is continuously used thereafter. By using in this way, the RF cathode 200 with high power consumption can be used only at the initial stage of the main discharge ignition, and the main discharge can be immediately ignited, and then the operation is switched to the hollow cathode 300 to reduce the power consumption. be able to.
Furthermore, as shown in FIG. 22, a plurality of hole thrusters 100 are arranged so as to surround the periphery of one RF cathode 200 exemplified in the embodiment, and the RF cathode 200 and each Hall thruster 100 are electrically connected. It is also possible to install so as to be capacitively coupled, and one RF cathode 200 can be used for the main discharge ignition of each Hall thruster 100 disposed around. As an example of use in this case, a propellant gas is supplied into the discharge space of each Hall thruster 100, an anode voltage is not applied, a Hall magnetic field is not formed, or a very weak Hall magnetic field is formed. In this state, the central RF cathode 200 is operated. In the discharge space of each hole thruster 100, the plasma that emits the faint radiance shown in FIG. 10 is formed. The so-formed plasma is used as a seed fire for main discharge ignition. Thereafter, an anode voltage is first applied to the anode electrode to form an electric field, and then a magnetic field is formed by a magnetic circuit. As a result, plasma serving as a main discharge can be formed in the discharge space. As a procedure for terminating the main discharge of the Hall thruster 100, the magnetic field may be turned off first after the electric field is turned off.

さらに他の実施形態として、装置の冗長構成を組む場合の例について説明する。人工衛星や宇宙機など、一旦打ち上げてしまったあとは容易に修理補修ができない装置では、装置の動作の要となるような重要な部品については、その部品が万一故障した時のために、部品を何台か用意しておき、故障した際に予備の部品に切り替える、という冗長構成が用いられる。たとえば実施形態で例示した電子推進装置1では、ホールスラスタ100を複数台、RFカソード200を複数台、設けることが考えられる。
たとえば、先に示した図22を参照して説明すると、6台のホールスラスタ100が設けられており、中央にRFカソード200が一台設けられている。前述の構成と同様、中央のRFカソード200を動作させることによって、周囲の6台のホールスラスタ100を同時に安定に点火することが可能である。さらに、6台のホールスラスタ100が冗長系として用意されている場合、たとえばそのうちの2台だけを動作させたいときは、その2台のアノード電極に電圧を印加することで2台だけを動作させ、他のホールスラスタ100は点火しない、ということが可能である。
同様に、図23では、1台のホールスラスタ100に対して、2台のRFカソード200a及びRFカソード200bが設けられている。つまりRFカソード200について冗長系を組んだ場合である。まず比較のため、図24を参照して、従来の直流放電式のホローカソード300で冗長系を組む場合を考える。つまり、1台のホールスラスタ100に対してホローカソード300aおよびホローカソード300bが設けられている場合である。このうちホローカソード300aの陰極を加熱し、電圧を印加して動作させて、ホローカソード300bは動作させないとする。この状態でホールスラスタ100を点火させると、ホールスラスタ100のアノード電極に電子が流入するため、ホローカソード300aから電子が引き出される。このとき、ホローカソード300bは、加熱もなにもされていないが、電位としては陰極電位つまりホローカソード300aと同電位であり、ホールスラスタ100のアノード電極に対して電位差を持っている。この電位差によってホローカソード300aが出力すべき電子の一部が、ホローカソード300bから出力を始める可能性がある。つまりホローカソード300bの陰極から電子が流れだし、その電流によって陰極が加熱される。この加熱によってホローカソード300bの陰極が電子を出しやすくなり、さらに大量の電子が放出されるようになる。つまり、冗長系を意図してホローカソード300を複数用意し、その一部を待機させても、ホールスラスタ100が点火してホローカソード300の一部が電子の放出を開始したら、待機中の他のホローカソード300も電子を放出し始める可能性があり、それによって待機中のホローカソード300の陰極が経年劣化する可能性もある。つまり、ホローカソード300を単に並列に配置しただけでは、冗長系を構成することができない。
一方、RFカソード200の場合は、RFカソード200aを動作させ、RFカソード200bを停止したままにしておく場合、RFカソード200aに高周波電力を印加して起動し、ホールスラスタ100を点火することで、動作が可能になるが、このとき動作していないRFカソード200bについては、何の影響も発生しない。つまりホールスラスタ100の動作の影響を、予備のRFカソード200bが受けないため経年劣化の心配がない。このことは冗長系を組む場合に極めて重要な特徴となる。
RFカソード200を複数用いる場合、あるRFカソード200が生成した高周波磁界が、他のRFカソード200に影響する可能性がある。このため、特に上記のようにRFカソード200を複数用いる場合、RFカソード200の外殻部となる放電容器210(図1)を、鉄などの磁性体で構成すると、高周波磁界がRFカソード200の外部に漏れることがなく他のRFカソード200への影響も少なく、もちろん他の機器への電磁ノイズの影響も小さくすることができる。
このように放電容器210及び誘導コイル220を磁性体で構成することもでき、それにより上述のような作用効果を奏させることもできる。
As another embodiment, an example in which a redundant configuration of devices is assembled will be described. For devices that cannot be repaired and repaired easily after being launched, such as artificial satellites and spacecraft, for important parts that are essential to the operation of the device, in the unlikely event that the component breaks down, A redundant configuration is used in which several parts are prepared and switched to a spare part when a failure occurs. For example, in the electronic propulsion apparatus 1 exemplified in the embodiment, it is conceivable to provide a plurality of Hall thrusters 100 and a plurality of RF cathodes 200.
For example, referring to FIG. 22 shown above, six Hall thrusters 100 are provided, and one RF cathode 200 is provided in the center. Similar to the configuration described above, by operating the central RF cathode 200, it is possible to stably ignite the surrounding six Hall thrusters 100 simultaneously. Furthermore, when six Hall thrusters 100 are prepared as a redundant system, for example, when only two of them are to be operated, only two of them are operated by applying a voltage to the two anode electrodes. It is possible that the other Hall thrusters 100 do not ignite.
Similarly, in FIG. 23, two RF cathodes 200a and 200b are provided for one Hall thruster 100. That is, this is a case where a redundant system is assembled for the RF cathode 200. First, for comparison, consider a case where a redundant system is formed by a conventional DC discharge type hollow cathode 300 with reference to FIG. That is, this is a case where the hollow cathode 300 a and the hollow cathode 300 b are provided for one hall thruster 100. Of these, it is assumed that the cathode of the hollow cathode 300a is heated and operated by applying a voltage, and the hollow cathode 300b is not operated. When the Hall thruster 100 is ignited in this state, electrons flow into the anode electrode of the Hall thruster 100, so that electrons are extracted from the hollow cathode 300a. At this time, the hollow cathode 300 b is not heated, but the potential is the same as the cathode potential, that is, the same potential as the hollow cathode 300 a, and has a potential difference with respect to the anode electrode of the Hall thruster 100. Due to this potential difference, a part of the electrons to be output from the hollow cathode 300a may start to be output from the hollow cathode 300b. That is, electrons flow from the cathode of the hollow cathode 300b, and the cathode is heated by the current. This heating makes it easier for the cathode of the hollow cathode 300b to emit electrons, and more electrons are emitted. In other words, even if a plurality of hollow cathodes 300 are prepared for the purpose of a redundant system and some of them are made to stand by, if the Hall thruster 100 is ignited and part of the hollow cathode 300 starts emitting electrons, The hollow cathode 300 may also start to emit electrons, and the cathode of the standby hollow cathode 300 may deteriorate over time. That is, a redundant system cannot be configured simply by arranging the hollow cathodes 300 in parallel.
On the other hand, in the case of the RF cathode 200, when the RF cathode 200a is operated and the RF cathode 200b is kept stopped, the RF cathode 200a is activated by applying high-frequency power to ignite the Hall thruster 100, Although the operation becomes possible, there is no influence on the RF cathode 200b not operating at this time. That is, since the spare RF cathode 200b is not affected by the operation of the Hall thruster 100, there is no fear of deterioration over time. This is a very important feature when forming a redundant system.
When a plurality of RF cathodes 200 are used, a high frequency magnetic field generated by a certain RF cathode 200 may affect other RF cathodes 200. Therefore, particularly when a plurality of RF cathodes 200 are used as described above, if the discharge vessel 210 (FIG. 1) serving as the outer shell of the RF cathode 200 is made of a magnetic material such as iron, a high-frequency magnetic field is generated from the RF cathode 200. There is no leakage to the outside, and the influence on other RF cathodes 200 is small. Of course, the influence of electromagnetic noise on other equipment can also be reduced.
In this manner, the discharge vessel 210 and the induction coil 220 can be made of a magnetic material, and thereby the above-described effects can be achieved.

さらに上述の各例を組み合わせて使用することも可能である。例えば図25に示すように、2台のホールスラスタ100に対してRFカソード200とホローカソード300とを配設し、RFカソード200を2台のホールスラスタ100に対して電気的に容量性結合するように設置する。このような配置にすることで、各ホールスラスタ100の主放電点火用に1台のRFカソード200を用いたり、主放電の点火初期時にのみRFカソード200を使用し、その後にホローカソード300に切り替えて作動させたり、或いは、一方を他方の冗長系として備えるなど様々な利用可能性がある。   Further, the above examples can be used in combination. For example, as shown in FIG. 25, an RF cathode 200 and a hollow cathode 300 are provided for two Hall thrusters 100, and the RF cathode 200 is electrically capacitively coupled to the two Hall thrusters 100. Install as follows. With this arrangement, one RF cathode 200 is used for main discharge ignition of each Hall thruster 100, or the RF cathode 200 is used only at the initial stage of main discharge ignition, and then switched to the hollow cathode 300. There are various possibilities such as operating one by one, or providing one as the other redundant system.

また、以上説明した各例では、ホールスラスタとしてアノードレイヤ型ホールスラスタを例示したが、アノード電極が放電空間の奥深部に配設し、加速チャンネルのチャンネル長をチャンネル幅よりも長く形成したSPT(Stationary Plasma Thruster)タイプと称されるリニア型ホールスラスタを採用することも可能である。すなわち、リニア型ホールスラスタを用いた場合にも、このホールスラスタ内のアノード電極と誘導結合プラズマ電子源とが、互いに電気的に容量性結合するように配設することで、本実施形態と同様な効果が発揮されると考えられる。

In each of the examples described above, the anode layer type hall thruster is exemplified as the hole thruster. However, the anode electrode is disposed in the deep part of the discharge space, and the acceleration channel has a channel length longer than the channel width. It is also possible to employ a linear Hall thruster called a “Stationary Plasma Thruster” type. That is, even when a linear Hall thruster is used, the anode electrode and the inductively coupled plasma electron source in the Hall thruster are arranged so as to be electrically capacitively coupled to each other, so that the same as in the present embodiment. It is thought that the effective effect is demonstrated.

Claims (5)

円環状の放電空間の軸方向一方から推進剤を導入して、該推進剤より生成されたイオンを電界によって加速し、該放電空間の他方の出力端より排出して推力を得る電気推進装置であって、
該放電空間の半径方向に磁場を形成する磁気回路を有し、前記電界の形成に寄与するアノード電極を該放電空間内に備えるホールスラスタと、
前記ホールスラスタの前記出力端の近傍に配設され、作動ガスが供給される円筒形の放電容器及び該放電容器に沿って配設された誘導コイルを有し、該誘導コイルに高周波電力を供給することで、前記放電容器内の放電空間において前記作動ガスをプラズマ化し、生成された電子を放出する誘導結合プラズマ電子源とを備えており、
前記ホールスラスタのアノード電極と前記誘導結合プラズマ電子源とが電気的に容量性結合するように、前記ホールスラスタと誘導結合プラズマ電子源とを配設したことを特徴とする電気推進装置。
An electric propulsion device that introduces a propellant from one axial direction of an annular discharge space, accelerates ions generated from the propellant by an electric field, and discharges it from the other output end of the discharge space to obtain thrust There,
A hall thruster having a magnetic circuit for forming a magnetic field in a radial direction of the discharge space and having an anode electrode in the discharge space that contributes to the formation of the electric field;
A cylindrical discharge vessel disposed near the output end of the hall thruster and supplied with a working gas, and an induction coil disposed along the discharge vessel, for supplying high-frequency power to the induction coil The plasma of the working gas in the discharge space in the discharge vessel, and an inductively coupled plasma electron source that emits the generated electrons.
An electric propulsion device, wherein the Hall thruster and the inductively coupled plasma electron source are arranged so that the anode electrode of the Hall thruster and the inductively coupled plasma electron source are electrically capacitively coupled.
前記誘導結合プラズマ電子源は、
前記放電容器内に前記誘導コイルを配設したインナーコイルタイプのRFカソードにより形成されている請求項1記載の電気推進装置。
The inductively coupled plasma electron source is
The electric propulsion device according to claim 1, wherein the electric propulsion device is formed by an inner coil type RF cathode in which the induction coil is disposed in the discharge vessel.
前記ホールスラスタは、前記出力端近傍に、前記アノード電極を配設したアノードレイヤ型ホールスラスタである請求項1記載の電気推進装置。   The electric propulsion apparatus according to claim 1, wherein the hall thruster is an anode layer type hall thruster in which the anode electrode is disposed in the vicinity of the output end. 直流放電によりカソードを加熱して熱電子を放出する直流放電タイプの電子源をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の電気推進装置。   2. The electric propulsion apparatus according to claim 1, further comprising a direct current discharge type electron source that emits thermoelectrons by heating the cathode by direct current discharge. 前記ホールスラスタを複数個設け、複数個の前記ホールスラスタに対して、1つ以上の前記誘導結合プラズマ電子源が電気的に容量性結合するように配設したことを特徴とする請求項1記載の電気推進装置。
2. A plurality of the Hall thrusters are provided, and one or more inductively coupled plasma electron sources are arranged to be electrically capacitively coupled to the plurality of Hall thrusters. Electric propulsion device.
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