JP7255952B2

JP7255952B2 - イオンビーム源

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Publication number: JP7255952B2
Application number: JP2019114993A
Authority: JP
Inventors: 直嗣山本
Original assignee: Muscat
Current assignee: Muscat
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: JP2021002455A

Description

本発明は、イオンビーム源に関する。

従来より、人工衛星等のイオンエンジン等に用いられるイオンビーム源としては、マイクロ波放電型、高周波放電型、直流放電型が知られている。これらの三方式ではいずれも、プラズマ室には原料ガスが供給される。マイクロ波をプラズマ生成に用いるイオンビーム源（例えば、特許文献１参照）では、真空のプラズマ室には、マイクロ波が導入される。供給された原料ガスは、マイクロ波によって電離あるいは励起されて、プラズマが生成される。あるいは、高周波をプラズマ生成に用いるイオンビーム源（例えば、特許文献２参照）では、真空のプラズマ室には、高周波が導入される。供給された原料ガスは、高周波によって電離あるいは励起されて、プラズマが生成される。直流放電をプラズマ生成に用いるイオンビーム源（例えば、特許文献３参照）では、真空のプラズマ室には、なんらかの陰極を伴う電子源と陽極とが設けられ、陰極と陽極の間の直流放電が形成される。供給された原料ガスは、直流放電によって電離あるいは励起されて、プラズマが生成される。３方式ともに、プラズマ室が基準電位よりも高電位に維持されることによって、プラズマからイオンが選択的に引き出される。

特開２０１７－８４８１８号公報特開２０１４－０７８５１４公報特開２０１７－８４８１８号公報

従来のイオンビーム源においては、プラズマ室に供給される原料ガスを貯留するガス貯留部からプラズマ室までのガス流路には、例えば、セラミック絶縁材によって支持される複数の金属メッシュが、ガス流路におけるガスの流れる方向においてガス流路を区画するように配置されたり、ガラスビーズが配置されたりすることにより、ガス貯留部とイオンビーム源のハウジング（本体）とが電気的に絶縁されていた。

しかし、セラミック絶縁体及び金属メッシュの質量は大きく、このため、イオンビーム源全体として質量が大きくなっており、軽量化及び小型化を図ることが困難であった。また、金属メッシュやガラスビーズを収容するためガス流路を形成するガス管の容積が大きくなる問題や、ガス流路におけるコンダクタンスが小さく、流通するガスに圧力差が生じ、この結果、異常放電が発生する問題があった。

本発明は、軽量化及び小型化が図られ、プラズマ室に供給されるガスに圧力差が生ずることを抑え、異常放電の発生を抑えることが可能なイオンビーム源を提供することを目的とする。

本発明は、本体と、前記本体に収容され、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、前記本体に収容され、前記マイクロ波発生部からのマイクロ波を導入してイオンビームを放出するプラズマ室と、前記本体に収容され、前記プラズマ室に供給するガスを貯留するガス貯留部と、前記本体に収容され、前記ガス貯留部と前記プラズマ室とを連通するガス流路と、を備え、前記ガス流路には、前記ガス貯留部と前記本体とを電気的に絶縁するアイソレータが設けられ、前記アイソレータは、前記ガス流路を形成する絶縁性の管部材の内部に配置されたカーボン部材により構成されるイオンビーム源に関する。

また、前記カーボン部材は、多孔質カーボンにより構成されることが好ましい。

また、前記カーボン部材は、前記ガス流路の流路面積の全体にわたって存在するように配置されていることが好ましい。

また、前記カーボン部材は、前記管部材の内部に所定の間隔で３つ以上設けられることが好ましい。

また、前記管部材は、フッ化炭素樹脂チューブ又はポリイミドチューブにより構成されることが好ましい。

また、本発明は、本体と、前記本体に収容され、高周波を発生させる高周波発生部と、前記本体に収容され、前記高周波発生部からの高周波を導入してイオンビームを放出するプラズマ室と、前記本体に収容され、前記プラズマ室に供給するガスを貯留するガス貯留部と、前記本体に収容され、前記ガス貯留部と前記プラズマ室とを連通するガス流路と、を備え、前記ガス流路には、前記ガス貯留部と前記本体とを電気的に絶縁するアイソレータが設けられ、前記アイソレータは、前記ガス流路を形成する絶縁性の管部材の内部に配置されたカーボン部材により構成されるイオンビーム源に関する。

また、本発明は、本体と、前記本体に収容され、電子を発生させる電子発生部と、前記本体に収容され、前記電子発生部からの電子を導入してイオンビームを放出するプラズマ室と、前記本体に収容され、前記プラズマ室に供給するガスを貯留するガス貯留部と、前記本体に収容され、前記ガス貯留部と前記プラズマ室とを連通するガス流路と、を備え、前記ガス流路には、前記ガス貯留部と前記本体とを電気的に絶縁するアイソレータが設けられ、前記アイソレータは、前記ガス流路を形成する絶縁性の管部材の内部に配置されたカーボン部材により構成されるイオンビーム源、に関する。

本発明によれば、軽量化及び小型化が図られ、プラズマ室に供給されるガスに圧力差が生ずることを抑え、異常放電の発生を抑えることが可能なイオンビーム源を提供することが可能なイオンビーム源を提供することができる。

本発明の一実施形態によるイオンビーム源を示す概略図である。本発明の一実施形態によるイオンビーム源のガスアイソレータを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、イオンビーム源１を示す概略図である。図２は、イオンビーム源１のガスアイソレータ３２を示す断面図である。

図１に示すように、イオンビーム源１は、本体としてのハウジング１０と、マイクロ波発生部２１と、ガス貯留部３１と、ガス流路３３と、プラズマ室４１と、を備えている。ハウジング１０は、マイクロ波発生部２１、プラズマ室４１、ガス貯留部３１、及び、ガス貯留部３１を収容する。ハウジング１０の電位は接地され、０Ｖとされている。

マイクロ波発生部２１は、例えば、進行波管等、固体電力増幅器等を利用した発振器により構成され、マイクロ波発生部２１は、例えば、４．２ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発生させ出力する。マイクロ波発生部２１は、ＤＣブロック２２を介して、プラズマ室４１の内部に配置された図示しないアンテナに電気的に接続されている。ＤＣブロック２２は、高無線周波数（ＲＦ）のみを通過するフィルタのように動作して、直流電流周波数の流れをブロックする。図示しないアンテナは、マイクロ波をプラズマ室４１へ放出する。

ガス貯留部３１はガスボンベにより構成されており、ガス貯留部３１の内部には、例えば、キセノンガス（Ｘｅ）、クリプトンガス（Ｋｒ）、アルゴンガス（Ａｒ）等の希ガスや、或いは有機、無機の代替ガスが貯留可能であり、本実施形態では、キセノンガス（Ｘｅ）が貯留される。ガス貯留部３１は、ガス貯留部３１を形成するガス管３３１によりプラズマ室４１に連通しており、プラズマ室４１にガスを供給する。ガス管３３１は、フッ化炭素樹脂チューブやポリイミドチューブ等の電気的に絶縁可能な管部材により構成されている。ガス管３３１の途中には、ガスアイソレータ３２が設けられている。ガスアイソレータ３２は、ガス貯留部３１とハウジング１０とを電気的に絶縁する。ガスアイソレータ３２については、後述する。

プラズマ室４１は、一端が真空に対して開口する筒形状部材により形成されている。ここで真空は、例えば、イオンビーム源１が人工衛星等のマイクロ波放電型イオンエンジンに用いられる場合には、宇宙空間により構成され、大気中においてイオンビーム源１が用いられる場合には、真空チャンバにより生成される。

プラズマ室４１には、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たす磁場、又は、それよりも高い磁場が、例えば、プラズマ室４１の内部に設けられたサマリウムコバルト磁石により印加される。プラズマ室４１の内部に配置された図示しないアンテナから、プラズマ室４１の内部に、マイクロ波電力を導入し入力して高密度プラズマを生成し、これにより、図１において矢印で示すように、イオンがイオンビームＩとして引き出される。

真空に対して開口するプラズマ室４１の一端の開口に対向する位置には、引出電極群７０が設けられている。引出電極群７０は、プラズマ室４１の一端の開口を通じてプラズマからイオンを引き出すよう構成されている。引出電極群７０は、スクリーングリッド７１と、アクセルグリッド７２と、ディセルグリッド７３とを含む。スクリーングリッド７１、アクセルグリッド７２、ディセルグリッド７３は、この順で、プラズマ室４１の一端の開口から遠ざかるように、互いに所定の間隔で配置されている。

スクリーングリッド７１は、イオンを加速させながら加速する方向へ絞り込む。このため、スクリーングリッド７１には正の高電圧、例えば、６００Ｖ、８００Ｖ、１０００Ｖ等の高電圧が印加されている。スクリーングリッド７１に正の高電圧を印加するために、電源５１が電気的に接続されている。電源５１とスクリーングリッド７１との間には、電流を測定するための電流計６１が電気的に接続されている。

アクセルグリッド７２は、プラズマから陽イオンを引き出すとともに、筒形状部材からプラズマ室４１へ電子が戻ることを防げる。このため、アクセルグリッド７２には、負の電圧、例えば、－１５０Ｖ等の負の電圧が印加されている。アクセルグリッド７２に負の電圧を印加するために、電源５２が電気的に接続されている。電源５２の陽極は、電流を測定するための電流計６２が電気的に接続されている。

ディセルグリッド７３は、アクセルグリッド７２により引き出された陽イオンを更にプラズマ室４１の外方へ引き出すとともに、プラズマ室４１へ電子が戻ることを防げる。このため、ディセルグリッド７３は接地されている。ディセルグリッド７３に流れる電流を測定するために、電流計６３が電気的に接続されている。

次に、アイソレータとしてのガスアイソレータ３２について詳述する。ガスアイソレータ３２は、ガス流路３３を形成する絶縁性のガス管３３１の内部に配置されたカーボン部材２２２により構成される。具体的には、フッ化炭素樹脂チューブやポリイミドチューブ等の電気的に絶縁可能な管部材により構成されるガス管３３１の内部には、透過率５０％の多孔質カーボンにより構成されるカーボン部材２２２が設けられている。

カーボン部材２２２は、図２に示すように、ガス管３３１の内部において互いに所定の間隔で３つ設けられている。カーボン部材２２２は、それぞれガス貯留部３１に充填された状態で設けられており、カーボン部材２２２が設けられているガス管３３１の部分においては、ガス管３３１の内周面により形成されるガス貯留部３１の流路面積（ガス管３３１の径方向に平行に切った流路断面積）の全体にわたってカーボン部材２２２が存在するように配置されている。

次に、上記構成によるガスアイソレータ３２の効果を確認する試験を行った。試験では、本発明品として上記構成によるガスアイソレータ３２を用い、比較品として、セラミック絶縁材によって支持される複数の金属メッシュが、ガス管におけるガスの流れる方向においてガス管を区画するように４枚配置された従来のガスアイソレータを用いた。本発明品の重量は５ｇ未満であり、比較品の重量は１００ｇ程度である。そして、本発明品、比較品において、連続して１００時間イオンビームを発生させ続けた。試験結果は以下のとおりである。

比較品においては、異常放電が少なくとも１時間に１回発生した。これに対して本発明品においては異常放電は、試験の最初から最後まで全く発生しなかった。この結果から、本発明品では、電気的に絶縁可能な管部材としてのガス管３３１の内部にカーボン部材２２２を設ける構成としたことにより、異常放電の発生を抑えることが可能となったことが分かる。

上記構成の本実施形態に係るイオンビーム源１によれば、以下のような効果を得ることができる。
前述のように、イオンビーム源１は、本体としてのハウジング１０と、ハウジング１０に収容され、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部２１と、ハウジング１０に収容され、マイクロ波発生部２１からのマイクロ波を導入してイオンビームを放出するプラズマ室４１と、ハウジング１０に収容され、プラズマ室４１に供給するガスを貯留するガス貯留部３１と、ハウジング１０に収容され、ガス貯留部３１とプラズマ室４１とを連通するガス貯留部３１と、を備えている。
ガス貯留部３１には、ガス貯留部３１とハウジング１０とを電気的に絶縁するガスアイソレータ３２が設けられている。ガスアイソレータ３２は、ガス貯留部３１を形成する絶縁性の管部材としてのガス管３３１の内部に配置されたカーボン部材２２２により構成される。

パッシェンの法則により、ガス管３３１の内部のガス貯留部３１においては、異常放電が発生する可能性があり、異常放電により電源が損傷する危険性がある。しかし、前記構成により、電気的に絶縁可能な管部材によりガス管３３１が構成され、ガス管３３１の内部にカーボン部材２２２が配置されているため、プラズマ室４１に供給されるガスに圧力差が生ずることを抑えることが可能である。これにより異常放電の発生を効果的に抑えることが可能となる。また、小型で軽量のカーボン部材２２２が用いられるため、ガスアイソレータ３２及びイオンビーム源１の軽量化及び小型化を図ることが可能である。

また、カーボン部材２２２は、多孔質カーボンにより構成される。この構成により、ガスアイソレータ３２におけるガスの流量を確保しながら、ガス管３３１を流通するガスに圧力差が生ずることを抑えることが可能となる。また、ガスアイソレータ３２の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

また、カーボン部材２２２は、ガス貯留部３１の流路面積の全体にわたって存在するように配置されている。この構成により、ガス管３３１の内部を流通する全てのガスについてカーボン部材２２２を流通させることが可能となる。

また、カーボン部材２２２は、管部材の内部に所定の間隔で３つ以上設けられる。この構成により、プラズマ室４１に供給されるガスに圧力差が生ずることを、確実に抑えることが可能となる。

また、管部材は、フッ化炭素樹脂チューブ又はポリイミドチューブにより構成される。この構成により、ガス貯留部３１とハウジング１０との間の電気的な絶縁を確実とすることが可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。

例えば、本実施形態においては、カーボン部材２２２は３つ設けられたが、これに限定されない。カーボン部材２２２は、管部材としてのガス管３３１の内部において、所定の間隔で３つ以上設けられていればよい。
また、本体、マイクロ波発生部、プラズマ室、ガス貯留部、ガス流路、カーボン部材、アイソレータ等の構成は、本実施形態におけるハウジング１０、マイクロ波発生部２１、プラズマ室４１、ガス貯留部３１、ガス流路３３、カーボン部材２２２、ガスアイソレータ３２等の構成に限定されない。

また、本実施形態では、マイクロ波発生部からのマイクロ波を導入してイオンビームを放出するプラズマ室を備えるイオンビーム源について説明したが、これに限定されない。例えば、イオンビーム源は、マイクロ波発生部からのマイクロ波を導入してイオンビームを放出するプラズマ室に代えて、高周波発生部からの高周波を導入してイオンビームを放出するプラズマ室、あるいは、電子発生部からの電子を導入してイオンビームを放出するプラズマ室を備えていてもよい。また、これらの場合、「真空」は、上述の実施形態と同様に、宇宙空間により構成され、大気中においてイオンビーム源が用いられる場合には、真空チャンバにより生成される。また、イオンビーム源が、電子発生部からの電子を導入してイオンビームを放出するプラズマ室を備えている場合には、電子発生部はプラズマ室内部に設けられていても良い。

１
１０ハウジング
２１マイクロ波発生部
３１ガス貯留部
３２ガスアイソレータ（アイソレータ）
３３ガス流路
４１プラズマ室
２２２カーボン部材
３３１ガス管（管部材）

Claims

本体と、
前記本体に収容され、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
前記本体に収容され、前記マイクロ波発生部からのマイクロ波を導入してイオンビームを放出するプラズマ室と、
前記本体に収容され、前記プラズマ室に供給するガスを貯留するガス貯留部と、
前記本体に収容され、前記ガス貯留部と前記プラズマ室とを連通するガス流路と、を備え、
前記ガス流路には、前記ガス貯留部と前記本体とを電気的に絶縁するアイソレータが設けられ、
前記アイソレータは、前記ガス流路を形成する絶縁性の管部材の内部に配置されたカーボン部材により構成されるイオンビーム源。
前記カーボン部材は、多孔質カーボンにより構成される請求項１に記載のイオンビーム源。
前記カーボン部材は、前記ガス流路の流路面積の全体にわたって存在するように配置されている請求項１又は請求項２に記載のイオンビーム源。
前記カーボン部材は、前記管部材の内部に所定の間隔で３つ以上設けられる請求項１～請求項３のいずれかに記載のイオンビーム源。
前記管部材は、フッ化炭素樹脂チューブ又はポリイミドチューブにより構成される請求項１～請求項４のいずれかに記載のイオンビーム源。
本体と、
前記本体に収容され、高周波を発生させる高周波発生部と、
前記本体に収容され、前記高周波発生部からの高周波を導入してイオンビームを放出するプラズマ室と、
前記本体に収容され、前記プラズマ室に供給するガスを貯留するガス貯留部と、
前記本体に収容され、前記ガス貯留部と前記プラズマ室とを連通するガス流路と、を備え、
前記ガス流路には、前記ガス貯留部と前記本体とを電気的に絶縁するアイソレータが設けられ、
前記アイソレータは、前記ガス流路を形成する絶縁性の管部材の内部に配置されたカーボン部材により構成されるイオンビーム源。
本体と、
前記本体に収容され、電子を発生させる電子発生部と、
前記本体に収容され、前記電子発生部からの電子を導入してイオンビームを放出するプラズマ室と、
前記本体に収容され、前記プラズマ室に供給するガスを貯留するガス貯留部と、
前記本体に収容され、前記ガス貯留部と前記プラズマ室とを連通するガス流路と、を備え、
前記ガス流路には、前記ガス貯留部と前記本体とを電気的に絶縁するアイソレータが設けられ、
前記アイソレータは、前記ガス流路を形成する絶縁性の管部材の内部に配置されたカーボン部材により構成されるイオンビーム源。