JP7185281B2 - 電子源 - Google Patents
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Description
このEDTは、地球低軌道に多く存在するスペースデブリ(宇宙ごみ)を投棄するための軌道降下手段として特に有用であると考えられている(特許文献1参照)。
地上の真空チャンバ内あるいはデバイス内でCNT電子源を使用する際にも、類似の問題がある。例えば、真空チャンバを閉じて真空引きをした直後の電子源作動時に、大気暴露時の酸素や水分がCNTに残留(吸着)することにより、CNTにダメージを与えることが分かっており、このことが、短期的/長期的な特性劣化を招く。
本発明の一形態に係るCNT電子源では、通常は宇宙プラズマと同程度の電位あるいは負電位となっているCNT電子源のCNTエミッタに、積極的に正電位を印加する。地球低軌道では、宇宙機の周辺はプラズマで満たされているため、CNTエミッタを正電位とすることにより、低軌道プラズマからCNTエミッタに電子を引きつけて衝突させ、CNTに付着した酸素を脱離させる。これにより、CNTエミッタをクリーニングすることができる。この場合、新たな電子銃等を搭載する必要はなく、また、電源はゲート電極への電圧印加用にもともと搭載しているものを使えるため、重量増加やシステム複雑化といった問題は生じない。この方法は、特に、打ち上げ後に軌道上で最初に当該電子源を使用する前に実施することが有効である。CNTエミッタ上に蓄積された吸着物質をはじめに除去することにより、初期の大きな特性劣化を防ぐことができる。
このように、CNTエミッタに電子を照射することで、AOによるCNT電子源の特性劣化を抑制できることを、本発明者らは地上でのAO照射実験により確認した。図1は、CNT電子源に対してAOを軌道上での衝突速度相当のエネルギーで照射し、その照射量の各段階で電流電圧特性を取得した結果である。(a)がAO照射後にそのまま電流電圧特性を取得した結果、(b)はAO照射後に一度電子照射をしてから電流電圧特性を取得した結果である。この実験では、CNT電子源の電子放出面は、AOの流れに対して平行になるように配置している。図1より、電子照射を行っていない場合は、AO照射量が増えるにつれて、電子放射に必要なゲート電圧が上昇(カーブが右側にシフト)しているのに対し、電子照射をした場合は、特性の変化がほとんど生じていない。この結果から、CNTエミッタへの電子照射が、AOによって生じる電子放射特性の劣化を抑制することが確認された。この実験で照射したl×1020/cm2というAOフルエンスは、例えば高度800kmの軌道では数年間分に相当する量となるため、スペースデブリ除去応用という観点で十分なAO照射量である。
本発明の一形態に係るCNT電子源では、EDTにCNT電子源を使う場合を想定し、テザーが発生させる自己誘導起電力を利用する。スペースデブリは、地球低軌道の中でも特に、軌道傾斜角が大きい軌道(例えば98度など)に集中している。これらのスペースデブリにEDTを取り付けて軌道周回する場合には、軌道周回中にテザー運動に対する地磁場の正負方向が逆転するため、テザーに沿って発生する自己誘導起電力の向きが軌道周回中に反転する。これは、宇宙プラズマに対するデブリ除去衛星の電位(つまりCNTエミッタの電位)が周回軌道中に正になったり負になったりすることを意味する。図2は、高傾斜角軌道をEDTが周回する場合のデブリ除去衛星の電位変化の一例である。宇宙プラズマに対してデブリ除去衛星が負の間は、CNT電子源は宇宙空間に対して電子放射する正常の動作をするが、宇宙プラズマに対してデブリ除去衛星が正となる間は、電位が逆転しているため、当該電子源は宇宙空間に電子放射することはできず、したがって、この間は、ミッションにとって無駄な時間になると考えられていた。
しかし、上述のCNTエミッタへの電子照射による特性劣化抑制という観点でみると、上記の時間は無駄にはならない。本発明の一形態に係るCNT電子源では、テザーとCNTエミッタとを電気的に接続する接続部を有することから、宇宙空間に対してデブリ除去衛星が正となる間は、宇宙プラズマ中の電子が勝手にCNTエミッタに流入し、CNTに吸着された酸素を脱離させるというクリーニング作用が生じる。そして、電位関係が逆転した後は、CNTエミッタがクリーニングされた状態で当該CNTエミッタより電子放出が開始されるため、特性劣化を最小限に抑えられることとなる。これにより、低軌道環境中で単純に電子放出を続ける場合よりも、長期間にわたって、低電圧(つまり低電力)でCNT電子源を作動させられると考えられる。このとき、CNTエミッタとテザーとの電気的接続を維持しておくことが重要である。
特に、軌道上で初めてCNT電子源を動かす前に、上述の宇宙プラズマを使った電子照射をすることで、地上保管時や打ち上げ時、さらにはその後のAO暴露環境によりCNTに蓄積された吸着物質を排除することができ、初期の特性劣化を大幅に抑制できる。
また、CNT電子源の特性劣化(駆動電圧上昇)をほぼ抑制できるため、電子源駆動電圧の電圧レベルを下げることが可能となる。これにより、軽量で消費電力の小さい電源を使用することができ、さらに、高電圧に起因する電気的絶縁破壊の発生を防ぐことができるため、システム成立性を高めることができる。
上記の各点は、CNT電子源の応用先に関わりなく効果を発揮する。
また、本発明の一形態に係るCNT電子源では、テザーとCNTエミッタとを電気的に接続する接続部を有することで、追加の装置等を必要とせずに、当該電子源を長寿命化できるため、EDTを利用したスペースデブリ除去システムの実現可能性を高められる。
<EDT及びCNT電子源の構成>
まず、本発明に係るCNT電子源が取り付けられるEDTを説明する。
図3はEDTの構成を示す図である。EDT1は、テザー2と、テザー2の一端に接続されたCNT電子源3とを有する。デブリ4は、テザー2の他端に取り付けられる。
EDT1は、典型的には、キロメータ級の長さの導電性のテザー(ワイヤ)2を軌道上で伸ばし、そこにCNT電子源3より電流を流すことで、地球磁場との干渉によって電磁気力(J×B力)を発生させて、その力を推進力として利用する。EDT1は、燃料を使わずに推進力が得られるという大きなメリットがある。軌道降下する場合には、自己誘導起電力により、電流を駆動するための電位差も発生するため、特に有利である。
CNT電子源3は、衛星グランドにCNTエミッタ32を接地し、ゲート電極33に正電位を印加するだけで電子を放出できるので、構造が簡素であり、さらに、CNTエミッタ32のCNT先端での電界集中効果により、駆動電圧(ゲート電圧)の低減が可能である。
このCNT電子源3は、CNTエミッタ32の表面にマスク35を形成している。マスク35は、ゲート電極33の隙間以外の領域に対向して形成されている。マスク35は、ゲート電極33の隙間に電子ビームを集束させて、ゲート電極33に流入するロス電流を減らすためにある。マスク35に関する技術の詳細は特許文献2に記載されており、特許文献2の記載は本明細書の開示の範囲である。
図5は、本発明の第1の実施形態に係るCNT電子源3の回路構成を示す回路図である。
このCNT電子源3は、CNTエミッタ32を宇宙空間に対して正電位にできるような回路構成を持つ。通常、CNT電子源はゲート電極への電圧印加用に高電圧電源(ゲート用電源)を有している。このCNT電子源3は、CNTエミッタ32に電子を照射する照射部として、ゲート用電源36の接続先をゲート電極33からCNTエミッタ32に切り替えると共に、CNTエミッタ32への接地Gを切り離す切替部としてゲート用電源接続切替リレー37a及びCNTエミッタ接地切替リレー37bを有する。図5に示すゲート用電源接続切替リレー37a及びCNTエミッタ接地切替リレー37bにおいて、実線はCNTエミッタ32への接地を切り離し、ゲート用電源36をCNTエミッタ32に接続した状態(クリーニングモード)を示し、点線はCNTエミッタ32を接地し、ゲート用電源36をCNTエミッタ32に接続した状態(通常モード)を示している。制御部38は、通常モードとクリーニングモードとを切替るためにゲート用電源接続切替リレー37a及びCNTエミッタ接地切替リレー37bの切替えを制御する。制御部38は、タイマーを有し、所定のスケジュールに基づきゲート用電源接続切替リレー37a及びCNTエミッタ接地切替リレー37bの切替えを制御してもよく、あるいは、CNTエミッタ32のCNTへの吸着物質の蓄積量を推定する手段を有し、推定結果に基づきゲート用電源接続切替リレー37a及びCNTエミッタ接地切替リレー37bの切替えを制御してもよい。CNTへの吸着物質の蓄積量を推定する手段としては、通常モード時のゲート用電源36の電圧上昇幅をモニタすれば良い。CNTへの吸着物質の蓄積量が増えると、電子放出のためにゲート用電源36に印加すべき電圧が上昇するため、前記電圧の上昇幅が大きくなったときに、通常モードからクリーニングモードに移行する。
図7は、本発明の第2の実施形態に係るCNT電子源ユニット30の回路構成を示す回路図である。
このCNT電子源ユニット30は、宇宙プラズマ中の電子だけではクリーニング効果が不十分な場合を想定して、第1の実施形態に係る回路構成を持つCNT電子源3を2台以上搭載し、ひとつあるいは複数の一方のCNT電子源3から、他方のCNT電子源3に対して電子を照射し、また、他方のCNT電子源3から、一方のCNT電子源3に対して電子を放射し、CNTエミッタ32を相互にクリーニングできるような機器構成としている。この図7は、上のCNT電子源3が通常の電子放出動作をしていて、CNTエミッタ32が正電位にバイアスされた下のCNT電子源3に、その電子が流入し、下のCNT電子源3のCNTエミッタ32がクリーニングされている状態を示している。例えば、制御部38は、所定のタイミングで、一方のCNT電子源3と他方のCNT電子源3とを交互に通常モードとクリーニングモードとに切替える。あるいは、第1の実施形態と同様の手段により、CNTへの吸着物質の蓄積量に応じてモード切替を行っても良い。
もともと、冗長性確保等の観点で、複数の電子源を搭載する可能性が高いため、その複数構成を有効に活用して、この第2の実施形態に係るCNT電子源ユニット30を実現できる。
なお、図7に示したCNT電子源ユニット30は、図6に示したCNT電子源3を2台搭載しているが、3台以上であってもよく、また、他の構成のCNT電子源、例えば図5に示したCNT電子源3を複数搭載してもよい。
図8は、本発明の第3の実施形態に係るCNT電子源3の回路構成を示す回路である。
このCNT電子源3は、照射部として、テザー2の一端とCNTエミッタ32とを電気的に接続する接続部40を有し、EDT1の電子放出源としてCNT電子源を利用する際に、テザー2が生み出す自己誘導起電力が磁場との相対関係により反転して宇宙機が正帯電するタイミングに、CNTエミッタ32に宇宙プラズマ中の電子を、外部電源等を使わずに照射してCNTエミッタ32をクリーニングする。図2に示したとおり、高軌道傾斜角軌道の場合、テザー2が発生する誘導起電力は、時間帯によって正負が逆転するため、CNTエミッタ32の電位は自動的に、宇宙プラズマに対して、正になったり、負になったりする。そして、負になったときは通常モード、正になったときはクリーニングモードとなる。
本発明は、様々な変形が可能である。
例えば、第1の実施形態あるいは第2の実施形態でのCNTエミッタ32への正電位の印加を、通常の電子放出動作と交互にパルス的に動作させてもよい。これにより、CNT電子源3の特性劣化抑制がより効果的になると考えられる。
2 :テザー
3 :CNT電子源
30 :CNT電子源ユニット
31 :基板
32 :CNTエミッタ
33 :ゲート電極
34 :シールド部材
35 :マスク
36 :ゲート用電源
37a :ゲート用電源接続切替リレー
37b :CNTエミッタ接地切替リレー
37c :リレー
39 :電源
40 :接続部
Claims (6)
- ナノカーボン材料を含み、電子を放出するためのエミッタと、
前記エミッタより電子を引き出すためのゲート電極と、
前記ゲート電極によって電子を放出させて前記エミッタに照射する照射部と
を具備する電子源であって、
前記照射部は、宇宙機の所定の部位と前記エミッタとを電気的に接続する接続部を有する電子源。 - ナノカーボン材料を含み、電子を放出するためのエミッタと、
前記エミッタより電子を引き出すためのゲート電極と、
前記ゲート電極によって電子を放出させて前記エミッタに照射する照射部と
を具備する電子源を少なくとも2つ有し、
一方の前記電子源から放射された電子を他方の前記電子源の前記エミッタに照射するモードと、他方の前記電子源から放射された電子を一方の前記電子源の前記エミッタに照射するモードとを有する
電子源。 - 前記照射部は、宇宙機の所定の部位と前記エミッタとを電気的に接続する接続部を有する請求項2に記載の電子源。
- 前記照射部は、テザーと前記エミッタとを電気的に接続する接続部を有する請求項2又は3に記載の電子源。
- 前記照射部は、ゲート用電源の接続先を前記ゲート電極から前記エミッタに切り替えると共に、前記エミッタへの接地を切り離す切替部を有する請求項1、2、3又は4に記載の電子源。
- 前記照射部は、前記エミッタに正電位のバイアスを印加するためのバイアス印加用電源と、ゲート用電源の接続先を接地から前記バイアス印加用電源に切り替える切替部とを有する請求項1、2、3又は4に記載の電子源。
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