JP7224031B2 - イオンスラスタ - Google Patents

Description

本発明は、イオンスラスタに関する。

例えば、人工衛星等の宇宙構造物の軌道制御、南北位置保持、推進等に、イオンスラスタが用いられている。
イオンスラスタは、放電室において推進剤を電離させ、放電室内にプラズマを生成し、静電加速部において、プラズマからイオンを引き出して加速して外部へ送り出し推力を得る。その際に、イオンの放出により衛星等の電位が低下することを避けるため、中和用陰極からイオンと等量の電子を放出する。

直流放電型イオンスラスタの静電加速部は、２枚または３枚のグリッドから構成されているグリッドシステムである。それぞれのグリッドは、放電室側から順に、スクリーングリッド、アクセルグリッド、ディセルグリッドと呼ばれる。ディセルグリッドは、省略される場合がある。それぞれのグリッドは、厚さが１ｍｍ程度であり、厚さ方向に貫通する直径２ｍｍ程度の多数の貫通孔を有する。また、それぞれのグリッドは、１ｍｍ程度の間隔で固定される。さらに、それぞれのグリッドは、電源によって、例えば、＋１０００Ｖ、－３００Ｖ、０Ｖといった電位が印加される。放電室からスクリーングリッドの貫通孔を介して引き出された陽イオンは、スクリーングリッドとアクセルグリッドの間の電場によって加速され、宇宙空間へ放出される（例えば、特許文献１、２参照）。

グリッドには皿状と平板状のものがあり、平板グリッドシステムは、曲率を持たない平板のスクリーングリッドとアクセルグリッドから構成されるか、あるいは、それらに加えてディセルグリッドから構成されるグリッドシステムである。
平板グリッドシステムは、設計が容易でかつ安価に製造できるという利点があるが、動作範囲に課題がある。この課題は、イオンの引き出し状態が、グリッドの中央部と周縁部とでは異なることに起因している。図６～図８は、従来の平板グリッドシステムによる陽イオンの引き出し状態の概略を示す断面図である。図６～図８において、符号３０１はスクリーングリッド、符号３０２はアクセルグリッド、符号３０３はスクリーングリッド３０１とアクセルグリッド３０２を総称するグリッドシステム、符号４００は放電室内に発生したプラズマを示す。

グリッドシステムにおける陽イオンの引き出しは、放電室内のプラズマ密度、グリッド間の間隔、グリッド間の電位差の影響を受ける。すなわち、陽イオンの引き出しを望ましい状態にするには、プラズマ密度と電位差に対応する最適なグリッド間隔が存在する。望ましい状態とは、許容できるイオンビームの発散角の下で、推力を増やすためにより多くのイオンを抽出する状態で、図６に示すような状態である。すなわち、陽イオン５００がアクセルグリッド３０２に衝突することなく、外部に放出されている。
より詳細に説明すると、イオン引き出し面４００ａの形状は、プラズマ密度とスクリーングリッド３０２とアクセルグリッド３０１の間の電場により決定する。そして、グリッド間の電場は各グリッドの電位、各グリッドの貫通孔の孔径およびグリッド間隔により決定する。これらを適切に選択すると、イオン引き出し面４００ａは凹状になり、スクリーングリッド貫通孔３０１ａからアクセルグリッド貫通孔３０２ａを通じて加速されたイオン５００の軌道と孔の中心軸６００のなす角度は小さい。このときイオン５００の集団であるイオンビームレット５００ａは過大に発散していない状態になる。

プラズマ４００の密度が低くなると、図７に示すように、プラズマ４００における陽イオン５００のイオン引き出し面４００ａが後退する。すると、引き出された陽イオン５００の軌道が交差して、イオンビームレット５００ａが大きく発散する。陽イオン５００が大きく拡散すると、推力に寄与するエネルギーの割合が減少する。また、アクセルグリッド３０２の貫通孔３０２ａに陽イオン５００が衝突し、アクセルグリッド３０２が損耗し、長期的に継続すると、イオンを引き出せなくなってしまう。

一方、プラズマ４００の密度が高くなると、図８に示すように、プラズマ４００における陽イオン５００のイオン引き出し面４００ａがアクセルグリッド３０２に近づく方向に移動する。すると、貫通孔の中心軸６００ａと引き出される陽イオン５００の軌道のなす角度は大きくなり、イオンビームレット５００ａは大きく拡散する。陽イオン５００が大きく拡散すると、推力に寄与するエネルギーの割合が減少する。また、アクセルグリッド３０２の貫通孔３０２ａに陽イオン５００が衝突し、アクセルグリッド３０２が損耗する。

放電室内のプラズマ密度は均一ではなく、同一グリッド上のある場所ではイオンの引き出しが望ましくない状態になっている場合がある。一例としては、直流放電型イオンスラスタでは一般にグリッドの中央でプラズマ密度が最も高く、グリッドの周縁部に向かってプラズマ密度が低くなっている。そのため、グリッドの中央部と周縁部との間の部分において、図６に示すように、イオンビームレット５００ａが過大に拡散していない状態であると、グリッド３０３の周縁部に向かうに従って、図７に示すように、プラズマ４００の密度が低くなる。すると、スクリーングリッド３０１とアクセルグリッド３０２の間隔が一定であるため、図７に示すように、グリッド３０３の周縁部の孔では、イオンビームレット５００ａの拡散が大きくなる。

すなわち、推力を下げようとすると、放電室全体のプラズマ密度が下がって、グリッドの周縁部の貫通孔でプラズマ密度が極端に下がり、図７に示すように、イオンビームレット５００ａが大きく拡散し、最悪の場合、陽イオン５００がアクセルグリッド３０２の貫通孔３０２ａに衝突する。このように陽イオン５００がアクセルグリッド３０２の貫通孔３０２ａに衝突するときのプラズマ密度分布に相当する推力を、推力の下限とする。これに対して、推力を上げようとすると、放電室のプラズマ密度が上がり、図８に示すように、イオンビームレット５００ａが大きく拡散し、最悪の場合、陽イオン５００がアクセルグリッド３０２の貫通孔３０２ａの開口部等に衝突する。このように陽イオン５００がアクセルグリッド３０２の貫通孔３０２ａの開口部等に衝突するときのプラズマ密度分布に相当する推力を、推力の上限とする。従来、このような推力の下限および上限により、平板グリッドシステムは、動作範囲が著しく狭かった。

また、イオンの軌道がアクセルグリッド３０２の貫通孔３０２ａの中心軸６００に対して大きな角度を持つと、推力に寄与しない速度成分が増え、運動量が小さくなり、イオンスラスタの見かけ上の実効的な推力が減少する。
例えば、イオンスラスタを静止衛星に適用した場合、図７および図８に示したような、イオンの軌道が貫通孔３０２ａの中心軸６００に対して大きな角度を持っていると、太陽電池パネルにイオンが衝突しないようにイオンスラスタの設置角度に大きな制約が生じる。また、ある時間内で必要な姿勢制御を行うための推力を得るために、イオンスラスタの大型化や推進剤の大量消費を伴う可能性がある。

特開２００３－１３９０４４号公報 特開２００３－２０１９５７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、グリッド全体にわたってグリッドの貫通孔からのイオンビームレットが過大に発散しないようにすることができ、推力範囲を広く取ることができる平板グリッドを用いた静電加速部を有するイオンスラスタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、放電室と、前記放電室の開口部に配置されたスクリーングリッドと、前記スクリーングリッドから間隔を置いて、前記スクリーングリッドに重なるように配置されたアクセルグリッドと、を有するイオンスラスタであって、前記アクセルグリッドは厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を、前記アクセルグリッドの中央部から周縁部に有し、前記アクセルグリッドの前記周縁部において、前記貫通孔は、前記アクセルグリッドにおける前記スクリーングリッド側の面に、前記スクリーングリッド側に拡径する第１の拡径部を有し、前記アクセルグリッドの前記中央部において、前記貫通孔は、前記アクセルグリッドにおける前記スクリーングリッドとは反対側の面に、前記スクリーングリッドとは反対側に拡径する第２の拡径部を有することを特徴とする。

この発明に係るイオンスラスタによれば、グリッド全体にわたってグリッドの貫通孔からのイオンビームレットが過大に発散しないようにすることができる。その結果として、推力範囲を広く取ることができるようになる。

本発明の実施形態に係るイオンスラスタの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るイオンスラスタのグリッドの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るイオンスラスタのグリッドの概略構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るイオンスラスタの放電室内におけるプラズマ密度の分布を示す図である。 本発明の実施形態に係るイオンスラスタのグリッドの変形例の概略構成を示す断面図である。 従来の平板グリッドシステムによる陽イオンの引き出し状態の概略を示す断面図である。 従来の平板グリッドシステムによる陽イオンの引き出し状態の概略を示す断面図である。 従来の平板グリッドシステムによる陽イオンの引き出し状態の概略を示す断面図である。

［イオンスラスタ］
以下、図１を参照して、本実施形態のイオンスラスタについて説明する。
図１は、本実施形態のイオンスラスタの概略構成を示す断面図である。図２は、本実施形態のイオンスラスタのグリッドの概略構成を示す断面図である。
本実施形態のイオンスラスタ１０は、図１に示すように、放電室２０と、アノード３０と、スクリーングリッド４０と、アクセルグリッド５０と、ディセルグリッド６０と、を有する。

放電室２０は、非磁性体の金属製円筒２０ａと鉄製の底板２０ｂと鉄製の下流側ホールピース２０ｃからなる気密構造をなしている。金属製円筒２０ａの外側には複数本の棒磁石２１があり、棒磁石２１は、底板２０ｂと下流側ホールピース２０ｃに挟まれている。棒磁石２１は永久磁石の場合と、電磁石の場合と、永久磁石と電磁石を組み合わせた場合がある。棒磁石２１と底板２０ｂと上流側ポールピース２３と下流側ホールピース２０ｃで磁気回路を構成し、放電室２０の内側に磁力線８０を発生させている。放電室２０の底板２０ｂの中央部には電子を放出するホローカソード２２が設けられている。また、放電室２０の底板２０ｂには、例えば、キセノンのような推進剤を放電室２０の内部に供給する推進剤供給口が設けられることもある。さらに、金属製円筒２０ａの内側には、金属製円筒状のアノード３０が設けられている。このアノード３０は、ホローカソード２２よりも電位が高く保持されている。従って、ホローカソード２２から発生した電子の大部分は最終的にアノード３０に到達する。この過程で電子は推進剤原子と衝突して電離させ、イオンが生成する。その結果として放電室２０内にプラズマが生成する。電子は磁力線の方向には移動しやすいが、磁力線を横切る方向には動き難い性質を持っていることを利用して、磁力線８０を発生させることにより放電室２０内に電子が滞留する時間を増やし、電離する確率を高めている。
本実施形態に係るイオンスラスタ１０は直流放電型のプラズマ発生機構を用いているが、他の方式を採用したイオンスラスタであってもよい。例えば、特開平４－８６３７６号公報に記載されたＲａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）型や特開平３－１４５５７８号公報に記載されたＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＥＣＲ）型等であってもよい。

スクリーングリッド４０は、平面視円板状をなしている。スクリーングリッド４０は、図２に示すように、厚さ方向に貫通する複数のスクリーングリッド貫通孔４１を有する。
スクリーングリッド４０は、放電室２０の開口部２０ｃに、放電室２０を塞ぐように配置されている。

アクセルグリッド５０は、平面視円板状をなしている。アクセルグリッド５０は、図２に示すように、厚さ方向に貫通する複数のアクセルグリッド貫通孔５１を有する。アクセルグリッド貫通孔５１は、本発明に係る貫通孔に相当する。
アクセルグリッド５０は、図１に示すように、放電室２０とは反対側にて、スクリーングリッド４０から間隔を置いて、スクリーングリッド４０とアクセルグリッド貫通孔５１とスクリーングリッド貫通孔４１の平面視が重なるように配置されている。

図３は、スクリーングリッド４０を示す概略正面図である。
図３において、スクリーングリッド４０は、その厚さ方向に貫通する複数のスクリーングリッド貫通孔４１、取付孔４２および取付孔４３を有している。
取付孔４２および取付孔４３は、イオンの抽出・加速には関係せず、スクリーングリッド４０を固定する目的で使用する。スクリーングリッド４０だけでなく、後述するアクセルグリッド５０およびディセルグリッド６０も同様に複数のアクセルグリッド貫通孔５１および複数のディセルグリッド貫通孔をそれぞれ有している。１つのスクリーングリッド貫通孔４１に対して、そこから引き出されたイオンが加速し通過する１つのアクセルグリッド貫通孔５１およびディセルグリッド貫通孔が存在する。これらの貫通孔は、中心軸線Ａ方向に対して同軸になるように配置されることが一般的である。

グリッドの材料としてはスッパタリング耐性が優れるモリブデンがよく用いられる。 モリブデンをはじめとする金属材料は熱膨張を起こすため、各グリッドの熱膨張時の変形の方向を放電室に対して凸または凹に揃えるために、あらかじめ各グリッドを皿状にし、それぞれのグリッドの曲率を適切に設計する方法が一般的である。また、グリッド毎に曲率を適切に設計することで、グリッド間の距離を制御することができる。金属材料以外のグリッド材料としては、炭素系材料が挙げられる。炭素系材料としては、例えば、グラファイトやカーボンカーボン（Ｃ／Ｃ）等が挙げられる。炭素系材料は、モリブデン以上のスパッタリング耐性があり、線膨張係数が極めて小さい。そのため、炭素系材料は、曲率を持たせる必要がなく平板でグリットを作製でき、設計・製造が容易であり、コストの点で皿状のグリッドよりも優れている。

ディセルグリッド６０は、平面視円板状をなしている。ディセルグリッド６０は、厚さ方向に貫通する多数のディセルグリッド貫通孔（図示略）を有する。
ディセルグリッド６０は、図１に示すように、放電室２０とは反対側にて、アクセルグリッド５０から間隔を置いて、アクセルグリッド５０とアクセルグリッド貫通孔５１とスクリーングリッド貫通孔４１の平面視が重なるように配置されている。

すなわち、スクリーングリッド４０、アクセルグリッド５０およびディセルグリッド６０は、この順に放電室２０側から配置されている。
なお、本実施形態では、スクリーングリッド４０、アクセルグリッド５０およびディセルグリッド６０の形状はいずれも平面視円板状としたが、多角形状、その他任意の形状であってもよい。

図２に示すように、アクセルグリッド５０の周縁部５０Ａにおいて、アクセルグリッド貫通孔５１は、アクセルグリッド５０のスクリーングリッド４０側の面５０ａに、スクリーングリッド４０側に内径が拡径する上流側拡径部５２を有する。なお、図２では外縁部－中央部－外縁部の孔数を５としたが、５に限るものではなく、いくつでもよい。上流側拡径部５２は、本発明に係る第１の拡径部に相当する。詳細には、上流側拡径部５２は、アクセルグリッド５０におけるスクリーングリッド４０側の面５０ａからスクリーングリッド４０とは反対側に窪む凹部である。
なお、アクセルグリッド５０の周縁部５０Ａとは、アクセルグリッド５０のうち、放電室の中心軸近傍の高いプラズマ密度に対応する部分である。

図２に示すように、アクセルグリッド５０の中央部５０Ｂにおいて、アクセルグリッド貫通孔５１は、アクセルグリッド５０のスクリーングリッド４０とは反対側の面（ディセルグリッド６０側の面）５０ｂに、スクリーングリッド４０とは反対側（ディセルグリッド６０側）に内径が拡径する下流側拡径部５３を有する。下流側拡径部５３は、本発明に係る第２の拡径部に相当する。詳細には、下流側拡径部５３は、アクセルグリッド５０におけるスクリーングリッド４０とは反対側の面５０ｂからスクリーングリッド４０側に窪む凹部である。
なお、アクセルグリッド５０の中央部５０Ｂとは、アクセルグリッド５０のうち、放電室２０の中央部に配置されたホローカソード２２に対向する部分である。

また、図２に示すように、アクセルグリッド５０における、周縁部５０Ａと中央部５０Ｂの間の部分（中間部）５０Ｃでは、アクセルグリッド貫通孔５１は、上記の上流側拡径部５２や下流側拡径部５３を有さない。すなわち、アクセルグリッド５０の中間部５０Ｃにおいて、アクセルグリッド貫通孔５１は、アクセルグリッド５０の厚さ方向の全長にわたって、内径が等しくなっている。

放電室２０内におけるプラズマ８０の密度は、例えば、直流放電型では、図４に示すように、中央部が高く、周縁部に向かうに従って次第に低くなるように分布している。なお、本実施形態では、放電室２０内におけるプラズマ８０の密度が図４に示すような分布を示す場合を例示したが、本実施形態のイオンスラスタ１０が適用可能なプラズマ密度はこれに限定されない。本実施形態のイオンスラスタ１０は、いかなるプラズマ密度にも適用可能であり、例えば、中央部が低く、周縁部に向かうに従って次第に高くなるようなプラズマ密度にも適用可能である。
本実施形態のイオンスラスタ１０では、放電室２０内におけるプラズマ８０の密度が低い周縁部に対向する、アクセルグリッド５０の周縁部５０Ａでは、アクセルグリッド貫通孔５１が、アクセルグリッド５０のスクリーングリッド４０側の面５０ａに、スクリーングリッド４０側に拡径する上流側拡径部５２を有する。また、放電室２０内におけるプラズマ８０の密度が高い中央部に対向する、アクセルグリッド５０の中央部５０Ｂでは、アクセルグリッド貫通孔５１が、アクセルグリッド５０のスクリーングリッド４０とは反対側の面５０ｂに、スクリーングリッド４０とは反対側に拡径する下流側拡径部５３を有する。さらに、放電室２０内におけるプラズマ８０の密度が高い中央部とプラズマ８０の密度が低い周縁部との間の中間部に対向する、アクセルグリッド５０の中間部５０Ｃでは、アクセルグリッド貫通孔５１が、上記の上流側拡径部５２や下流側拡径部５３を有さない。

上流側拡径部５２の深さ、すなわち、アクセルグリッド５０におけるスクリーングリッド４０側の面５０ａからスクリーングリッド４０とは反対側に窪む長さｄ１は、プラズマ８０の引き出し面８０ａの位置が、アクセルグリッド５０の中間部５０Ｃの引き出し面８０ａと同程度になるように調整可能である。

下流側拡径部５３の深さ、すなわち、アクセルグリッド５０におけるスクリーングリッド４０とは反対側の面５０ｂからスクリーングリッド４０側に窪む長さｄ２は、プラズマ８０の引き出し面８０ａの位置が、アクセルグリッド５０の中間部５０Ｃの引き出し面８０ａと同程度になるように調整可能である。

プラズマ８０の引き出し面８０ａとは、放電室２０内の陽イオン９０がスクリーングリッド４０のスクリーングリッド貫通孔４１やアクセルグリッド５０のアクセルグリッド貫通孔５１内に引き出される際の出発点と見なされる面である。本実施形態のイオンスラスタ１０では、アクセルグリッド５０の周縁部５０Ａおよび中間部５０Ｃにおいても、プラズマ８０の引き出し面８０ａが、スクリーングリッド４０側に接近させることができる。

本実施形態のイオンスラスタ１０によれば、アクセルグリッド５０の周縁部５０Ａにおいて、貫通孔５１がスクリーングリッド４０側の面５０ａに、スクリーングリッド４０側に拡径する上流側拡径部５２を有するため、周縁部５０Ａにおいて引き出されるイオンビームレット９０ａが過大に発散しないようにすることができる。詳細には、アクセルグリッド５０の周縁部５０Ａにおいて、アクセルグリッド貫通孔５１が、アクセルグリッド５０のスクリーングリッド４０側の面５０ａに、スクリーングリッド４０側に拡径する上流側拡径部５２を有することにより、スクリーングリッド４０とアクセルグリッド５０の間の電場が、拡径部５２の存在しない場合と比較して小さくなるため、プラズマ８０の引き出し面８０ａをスクリーングリッド４０側に接近させることができ、加速される陽イオン９０の軌道とグリッド（スクリーングリッド４０、アクセルグリッド５０、ディセルグリッド６０）の中心軸線Ａのなす角度が過大にならず、陽イオン９０の集合によって形づくられるイオンビームレット９０ａの発散を小さくすることができる。
また、アクセルグリッド５０の中央部５０Ｂにおいて、アクセルグリッド貫通孔５１がスクリーングリッド４０とは反対側の面５０ｂに、スクリーングリッド４０とは反対側に拡径する下流側拡径部５３を有するため、陽イオン９０がアクセルグリッド５０に衝突することを防ぐことができる。詳細には、アクセルグリッド５０の中央部５０Ｂにおいて、アクセルグリッド貫通孔５１が、アクセルグリッド５０のスクリーングリッド４０とは反対側の面５０ａに、スクリーングリッド４０とは反対側に拡径する下流側拡径部５３を有することにより、プラズマ８０の引き出し面８０ａがスクリーングリッド４０寄りの位置にあり、放電室２０から引き出される陽イオン９０の束（イオンビームレット９０ａ）が太くても、イオンビームレットイオン９０ａの外縁側にある陽イオン９０がアクセルグリッド５０のアクセルグリッド貫通孔５１の開口部等に衝突することを防止することができる。

本実施形態のイオンスラスタ１０によれば、グリッドの全域において、各貫通孔から引き出されるイオンビームレットを過大に発散しないようにすることができる。その結果として、推力範囲を広く取ることができるようになる。
また、本実施形態のイオンスラスタ１０によれば、上流側拡径部５２に加えて下流側拡径部５３を有するので、イオンスラスタ１０の推力を上げた際に、プラズマ密度が上昇して各貫通孔から引き出されるイオンビームレット９０ａの発散が過大になってもイオンがアクセルグリッド５０に衝突することを低減でき、推力の得られる動作範囲を広くすることができる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は、上記の実施形態に限定するものではない。

例えば、図５に示すような変形例に係るアクセルグリッド１００を採用してもよい。なお、変形例に係るアクセルグリッド１００では、前記実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図５に示す変形例に係るアクセルグリッド１００は、平面視円板状をなしている。アクセルグリッド１００は、図５に示すように、厚さ方向に貫通する複数のアクセルグリッド貫通孔１０１を有する。アクセルグリッド貫通孔１０１は、本発明に係る貫通孔に相当する。

図５に示すように、アクセルグリッド１００の周縁部１００Ａにおいて、アクセルグリッド貫通孔１０１は、アクセルグリッド１００のスクリーングリッド４０側の面１００ａに、スクリーングリッド４０側に内径が拡径する上流側拡径部１０２を有する。上流側拡径部１０２は、本発明に係る第１の拡径部に相当する。詳細には、上流側拡径部１０２は、アクセルグリッド１００におけるスクリーングリッド４０側の面１００ａからスクリーングリッド４０とは反対側に次第に縮径するテーパ部である。
なお、アクセルグリッド１００の周縁部１００Ａとは、アクセルグリッド１００のうち、放電室２０の周縁部に対向する部分である。

図５に示すように、アクセルグリッド１００の中央部１００Ｂにおいて、アクセルグリッド貫通孔１０１は、アクセルグリッド１００のスクリーングリッド４０とは反対側の面（ディセルグリッド６０側の面）１００ｂに、スクリーングリッド４０とは反対側（ディセルグリッド６０側）に内径が拡径する下流側拡径部１０３を有する。下流側拡径部１０３は、本発明に係る第２の拡径部に相当する。詳細には、下流側拡径部１０３は、アクセルグリッド１００におけるスクリーングリッド４０とは反対側の面１００ｂからスクリーングリッド４０側に次第に縮径するテーパ部である。
なお、アクセルグリッド１００の中央部１００Ｂとは、アクセルグリッド１００のうち、放電室２０の中央部に配置されたホローカソード２２に対向する部分である。

また、図５に示すように、アクセルグリッド１００における、周縁部１００Ａと中央部１００Ｂの間の部分（中間部）１００Ｃでは、アクセルグリッド貫通孔１０１は、上記の上流側拡径部１０２や下流側拡径部１０３を有さない。すなわち、アクセルグリッド１００の中間部１００Ｃにおいて、アクセルグリッド貫通孔１０１は、アクセルグリッド１００の厚さ方向の全長にわたって、内径が等しくなっている。

上流側拡径部１０２の深さ、すなわち、アクセルグリッド１００におけるスクリーングリッド４０側の面１００ａからスクリーングリッド４０とは反対側に縮径する長さｄ３は、プラズマ８０の引き出し面８０ａが、アクセルグリッドの中間部５０Ｃの引き出し面８０ａと同程度になるように調整可能である。

下流側拡径部１０３の深さ、すなわち、アクセルグリッド１００におけるスクリーングリッド４０とは反対側の面１００ｂからスクリーングリッド４０側に縮径する長さｄ４は、プラズマ８０の引き出し面８０ａが、アクセルグリッドの中間部５０Ｃの引き出し面８０ａと同程度になるように調整可能である。

本実施形態のイオンスラスタによれば、アクセルグリッド１００の周縁部１００Ａにおいて、アクセルグリッド貫通孔１０１がスクリーングリッド４０側の面１００ａに、スクリーングリッド４０側に拡径する上流側拡径部１０２を有するため、周縁部５０Ａにおいて引き出されるイオンビームレット９０ａが過大に発散しないようにすることができる。その結果として、推力範囲を広く取ることができるようになる。詳細には、アクセルグリッド１００の周縁部１００Ａにおいて、アクセルグリッド貫通孔１０１が、アクセルグリッド１００のスクリーングリッド４０側の面１００ａに、スクリーングリッド４０側に拡径する上流側拡径部１０２を有することにより、プラズマ８０の引き出し面８０ａをスクリーングリッド４０側に接近させることができ、加速される陽イオン９０の軌道とグリッド（スクリーングリッド４０、アクセルグリッド５０、ディセルグリッド６０）の中心軸線Ａのなす角度は過大にならず、陽イオン９０の集合によって形づくられるイオンビームレット９０ａの発散を小さくすることができる。
また、アクセルグリッド１００の中央部１００Ｂにおいて、アクセルグリッド貫通孔１０１がスクリーングリッド４０とは反対側の面１００ｂに、スクリーングリッド４０とは反対側に拡径する下流側拡径部１０３を有するため、陽イオン９０がアクセルグリッド５０に衝突することを防ぐことができる。詳細には、アクセルグリッド１００の中央部１００Ｂにおいて、アクセルグリッド貫通孔１０１が、アクセルグリッド１００のスクリーングリッド４０とは反対側の面１００ｂに、スクリーングリッド４０とは反対側に拡径する下流側拡径部１０３を有することにより、プラズマ８０の引き出し面８０ａがスクリーングリッド４０寄りの位置にあり、放電室２０から引き出される陽イオン９０の束（イオンビームレット９０a）が太くても、イオンビームレットイオン９０aの外縁側にある陽イオン９０がアクセルグリッド１００のアクセルグリッド貫通孔１０１の開口部等に衝突することを防止し、グリッド１００にわたって貫通孔からのイオンビームレット９０ａが過大に発散しないようにすることができる。その結果として、推力範囲を広く取ることができるようになる。

本変形例のイオンスラスタによれば、平板グリッドにおいても、アクセルグリッド１００の全域において、放電室２０から引き出される陽イオン９０がアクセルグリッド１００のアクセルグリッド貫通孔１０１に衝突することを防止し、グリッド全体にわたって貫通孔からのイオンビームレット９０ａが過大に発散しないようにすることができる。その結果として、推力範囲を広く取ることができるようになる。

なお、上記の実施形態では、イオンスラスタ１０がディセルグリッド６０を有する場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。本発明のイオンスラスタは、ディセルグリッドを有していなくてもよい。
また、上記の実施形態では、アクセルグリッド５０が上流側拡径部５２と下流側拡径部５３を有し、アクセルグリッド１００が上流側拡径部１０２と下流側拡径部１０３を有する場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。本発明のイオンスラスタは、アクセルグリッドが、第１の拡径部に相当する上流側拡径部および第２の拡径部に相当する下流側拡径部のうち少なくとも一方を有していればよい。また、上流側拡径部５２、下流側拡径部５３、上流側拡径部１０２、下流側拡径部１０３が混在してもよい。

本実施の形態に係るイオンスラスタは、たとえば、人工衛星に使用することができる。例えば、静止軌道衛星に適用した場合、イオンスラスタから加速して送り出されるイオンの軌道がアクセルグリッドの貫通孔の中心軸にきわめて近い方向に揃っているので、太陽電池パネルにイオンが衝突しないようにするための、イオンスラスタの設置の制約を少なくすることができる。また、イオンスラスタの小型化や推進剤の使用量節約が可能であり、長期にわたる安定した運用が可能となる。

１０ イオンスラスタ
２０ 放電室
３０ アノード
４０ スクリーングリッド
４１ 貫通孔
５０，１００ アクセルグリッド
５０Ａ，１０１Ａ 周縁部
５０Ｂ，１０１Ｂ 中央部
５０Ｃ，１０１Ｃ 中間部
５１，１０１ 貫通孔
５２，１０２ 上流側拡径部
５３，１０３ 下流側拡径部
６０ ディセルグリッド

Claims (7)

1. 放電室と、前記放電室の開口部に配置されたスクリーングリッドと、前記スクリーングリッドから間隔を置いて、前記スクリーングリッドに重なるように配置されたアクセルグリッドと、を有するイオンスラスタであって、
   前記アクセルグリッドは厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を、前記アクセルグリッドの中央部から周縁部に有し、
   前記アクセルグリッドの前記周縁部において、前記貫通孔は、前記アクセルグリッドにおける前記スクリーングリッド側の面に、前記スクリーングリッド側に拡径する第１の拡径部を有し、
   前記アクセルグリッドの前記中央部において、前記貫通孔は、前記アクセルグリッドにおける前記スクリーングリッドとは反対側の面に、前記スクリーングリッドとは反対側に拡径する第２の拡径部を有することを特徴とするイオンスラスタ。
2. 前記アクセルグリッドにおける前記周縁部と前記中央部の間の部分において、前記貫通孔は、前記厚さ方向の全長にわたって内径が等しいことを特徴とする請求項１に記載のイオンスラスタ。
3. 前記第１の拡径部は、前記アクセルグリッドにおける前記スクリーングリッド側の面から前記スクリーングリッドとは反対側に窪む凹部であることを特徴とする請求項１または２に記載のイオンスラスタ。
4. 前記第２の拡径部は、前記アクセルグリッドにおける前記スクリーングリッドとは反対側の面から前記スクリーングリッド側に窪む凹部であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のイオンスラスタ。
5. 前記第１の拡径部は、前記アクセルグリッドにおける前記スクリーングリッド側の面から前記スクリーングリッドとは反対側に次第に縮径するテーパ部であることを特徴とする請求項１または２に記載のイオンスラスタ。
6. 前記第２の拡径部は、前記アクセルグリッドにおける前記スクリーングリッドとは反対側の面から前記スクリーングリッド側に次第に縮径するテーパ部であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のイオンスラスタ。
7. 前記アクセルグリッドおよび前記スクリーングリッドは、平板グリッドであることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のイオンスラスタ。

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