JPH01500533A - 多数の中空陰極装置のための出力電流制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 多ホロー陰極装置のための放出電流制御システムこの発明は、米国航空宇宙法と の契約（Ｎｏ、ＮＡＳ３−２１９４３）のちとになされ、１９５８年の米国航空 宇宙法（７２５ｔａｔ、４３５；４２　ＵＳＣ６２４５）の３０５条の規定に従 うものである。

発明の背景 ホロー陰極装置などのイオン源装置は原料をイオン化したいときに概して使用さ れる。原料はアルゴン、キセノンなどのガスかまたはセシウム、水銀などの物質 を加熱することによって得られる蒸気である。ホロー陰極装置は概してパワーサ プライの負の端子に電気接触するホロー金属管から形成されている。アーク状態 の電子流はホロー陰極とパワーサプライの正の端子に接続された電極である陽極 との間を流れる。

ガスまたは蒸気の原料が水銀蒸気、正に帯電された水銀イオンおよび自由電子の 場合は、ホロー陰極を通過して瑞部より出力されて形成アーク内でイオン化され る。ホロー陰極と陽極との間を流れる電子流は陰極の放出電流である。放出電流 の大きさはいくつかのファクタの関数であり、そのうち２つはパワーサプライの 電圧の大きさとイオン化される原料の量である。ホロー陰極装置の１つの価値あ る応用はイオン推進モータまたはイオンスラスタのコンポーネントとしてである 。

イオンスラスタの１つの応用は衛星および他の宇宙船の高度制御である。イオン スラスタから得られる推力は概して従来の化学推進モータの推力よりもかなり小 さいので宇宙における真空状態での使用は限定される。しかしながら、排気ガス の単位重量流量当りの推力で定義される比推力は従来の化学推進モータの推進力 よりもかなり大きく、マグニチュードのオーダである。言替えると、一定レベル の推力に要する燃料は化学推進力モータに必要な燃料に比べて１０倍以下の重さ である。燃料に対する要求がかなり小さいことによりイオン推進モータは低レベ ルの推力が長時間に渡って許容される応用に対して適している。イオン推進モー タにおいてはホロー陰極に供給されたガスまたは蒸気は概して推進剤として知ら れる。

ある所定レベル以下の推力においてモータに必要な放出電流を供給するには単一 なホロー陰極装置で十分である。しかしながら、大きな推力を得るべくイオンス ラスタが上方に上昇する場合は単一なホロー陰極装置の放出電流容量をこえてし まうという問題を生ずる。この問題に対しての解決策としては１つまたはそれ以 上のホロー陰極装置をイオン推進モータ内に追加することであり、各装置が全放 出電流すなわちモータの推力に寄与する。しかしながら、１つ以上のホロー陰極 を使用することは高推力のイオン推進モータの設計および動作上の付加的問題を 起こす。

問題の１つはホロー陰極装置間の僅かだが本質的相違である。この相違は装置が モータの全推力に対して不均等な作用を与えることである。すなわち、装置に１ つは他の装置よりもより大きなレベルの放出電流で動作し、電流レベルは装置の 最大定格レベルを越える。そのような不均衡な動作モードにより装置の１つは早 期機能停止する。宇宙船などの本質的にアクセス不可能な乗物にとってそのよう な機能停止は宇宙船の全体的動作に重大で永久的な悪影響を及ぼす。

早期機能停止に加えて不均衡な動作の問題は、多ホロー陰極装置を使用するイオ ン推進モータにおいて他の重大な意味を持つ。その１つはモータによって発生さ れる推力の不釣合いである。単一な陰極モータにおいては陰極はモータの推力放 出に一致する軸上に配設される。しかしながら、多陰極モータにおいては個々の 陰極は推力放出の軸の回りに左右対称に配列される。すなわち、各陰極からの放 出電流が均衡でないならば結果として推力は推力軸の回りで均衡とならないので 宇宙船の操縦性に悪影響を与える。

ホロー陰極装置を使用するイオン推進モータの重要なコンポーネントとして陰極 放出電流制御システムがある。概してそのような制御システムは、各ホロー陰極 を通る推進剤の流量を陰極と陽極間の電位に関して制御し、この電位は概して放 電電圧として知られる。陰極を通る推進剤の量は通常は放電電圧の大きさに逆比 例する。推進剤の流量を制御する実際的方法は使用される推進剤の種類によって 異なる。例えば、水銀を推進剤として使用するホロー陰極装置においては、水銀 は概して加熱された多孔性のプラグを通されて蒸発する。

プラグヒータの電流、即ち温度を変えることによって蒸発される水銀の量が変わ り、ホロー陰極装置を通る推進剤の流量を増加または減少できる。

この放出電流制御システムは単一な陰極を使用するイオン推進モータに対しては 適しているが、２つまたはそれ以上の陰極装置を使用するモータには各陰極の個 々の特性が補償されない点で不適当である。前記の例では各陰極のヒータプラグ の電流は一定の放電電圧に対して同じレベルに維持され、実質的に等量の推進剤 が各陰極を流れる。結果として、多陰極モータの１つまたはそれ以上の陰極が各 陰極の個々の特性によって他の陰極よりも大きな放出電流を発生する。この不均 等な放出電流出力は前記した早期機能停止の問題とモータの推力軸の回りの不均 衡な推力の問題を生じる。

発明の摘要 本発明による放出電流制御システムによって前述の問題は克服され同時に他の利 点が提供され、パワーサプライに接続された複数の電子源装置のそれぞれからの 放出電流を実質的に均等にする。本発明の一実施例において、複数のホロー陰極 装置が共通の放電電圧パワーサプライの負の端子に個々に接続される。各装置に 関連した電流センサは、各ホロー陰極装置が各パワーサプライから得る電流に比 例する出力信号を発生する。この出力信号は複数の陰極装置によって得られる平 均電流に比例する大きさを持つ第２の信号と組合わされる。

第１と第２の信号の絹合わせから得られる第３の信号は、各装置によって得られ る電流に比例して複数の陰極装置のそれぞれを通る推進剤の流量を制御すべくヒ ータまたはバルブに供給される。さらに、第４の信号が複数の装置を通る推進剤 の全流量を同時に制御し、全流量は放電電圧の大きさに逆比例して制御される。

すなわち、複数のホロー陰極装置のそれぞれからの放出電流は、各陰極の個々の 特性に関しておよび放電電圧の大きさに関して実質的に同等になる。

図面の簡単な説明 本発明の前述の側面および他の特徴は、添附の図面を参考にして次の記述によっ て説明される。

第１図は、本発明の実施例である放出電流制御システムを持つ２重ホロー陰極シ ステムの線図である。

第２図は、部分的に略図化された第１図の制御システムの線図である。

第３図は、第１図および第２図の放出電流制御システムを組込んだ２重ホロー陰 極イオン推進モータの様式化された図本発明の放出電流制御システムは、気化さ れた水銀を推進剤として使用するイオン推進モータ内に具体化されたものとして 説明され、他の態様においてはアルゴンまたはキセノンなどのガスを使用する。

発明は、２つまたはそれ以上の電子源が均衡であることを要する他の適当な応用 において使用される。同様に、本発明のシステムはホロー陰極装置に対する制御 システムとして説明されるが、ガスまたは蒸気をイオン化する他の適当な装置も 制御される。

第１図において、モータ］０の推力軸１６の回りに左右対称にそれぞれ配設され た第１および第２のホロー陰極装置１２および１４を有する大幅に簡単化された イオン推進モータ１０が示される。装置１２および１４のそれぞれは放電パワー サプライ１８の負の端子に電気接触しており、各装置１２および１４に対する接 続は互いに別個になされる。サプライ１８の正の端子は陰極装置１２および１４ の前部に配設された円筒状陽極２０と電気接触する。概して放電電圧ＶＤとして 示されるパワーサプライ１８の電圧の大きさは、装置１２および１４のそれぞれ と陽極２０との間の電位差として現われる。電圧ＶＤの大きさと、陰極装置１２ と１４のそれぞれと各陽極２０との間隔は電気的アークが各陰極と陽極との間に 維持されるように決められる。すなわち、各陰極と陽極との間に電流が流れ、こ れは放出電流として知られＩ、およびＩ２で示される。陰極装置１２および１４ 間の小さな本質的相違により各装置が異なる特性の放出電流で動作する。

陰極装置１２および１４のそれぞれからの放出電流の一方を他方に等しくするた めには、パワーサプライ１８から各陰極１２および１４によって得られる電流１ １および１２のそれぞれの大きさを決定することが必要である。本発明において 、これは、陰極装置１２および１４のそれぞれとパワーサプライ１８の負の端子 への陰極の独立ｌ−だ接続部との間に直列に接続され、抵抗どして示された第１ および第２の電流センサ２４および２６によって達成される。すなわち、各装置 １２および１４によって得られる電流Ｉ工および工。が決定される。電流センサ ２４および２６は当該技術において良く知られている適当な種類の抵抗からなる 。

センサ２４および２６の抵抗の両端の電圧降下は、電圧信号Ｖ１およびｖ２を発 生すべく良く知られた演算増幅器（図に示さず）を具備する第１および第２の電 流センサ回路２８および３０によってそれぞれ適当に調整される。電圧ｖ１およ びｖ２の大きさは電流工、および１゜の大きさに正比例する。

電圧■、およびＶｌのそれぞれは第１および第２の加算器３２および３４にそれ ぞれ供給される。■、およびＶｌの両電圧が加算器３６に供給され、電圧■１お よび■２が合計される。加算器３６の出力は、本発明の実施例では実質的に同じ 値の抵抗Ｒ７およびＲ２からなる電圧分割器に供給され、次の方程式 で表わされる電圧信号がＲ１とＲ２の接続部に発生する。この電圧はＶｌおよび Ｖｌの平均であり、装置１２および１４によって放電サプライ１８から得られた 電流の平均的大きさを示す。この平均電圧は、個々の加算器３２および３４に供 給された電圧Ｖ１およびｖ２から減算すべく加算器３２および３４の両方に供給 される。加算器３２および３４の出力信号は後述されるように推進剤の流量の制 御に使用される。

推進剤の流量が放電電圧ＶＤに比例して制御されるためには加算器３２および３ ４のそれぞれで項としてＶＤの大きさを含む必要がある。推進剤の流量を調整す る手段を更に提供ために電圧信号ｖＲＥ　Ｆが加算器３８でＶ、の大きさから減 算される。電圧信号ｖ、Ｅ　Ｆは、もし手動制御が望まれる場合は電位差計のワ イパ出力等、数多くの異なる手段によって得られる。もし、例えば、コンピュー タによる推進剤の流口制御が望まれる場合は、ＶＲＥＦは当該技術においてよく 知られているようにデジタルアナログ変換器回路によって出力される。電圧の項 ｖＤ　ＶＲＥＦを示す加算器３８の出力は、電圧■１およびＶｌから減算すべく 両方の加算器３２および３４の負の入力端子に供給される。それぞれ、ＶＣＩお よびＶ（２として示される加算器３２および３４からの出力信号は、各装置１２ および１４を流れる推進剤を制御すべく第１および第２の気化器サプライ４０お よび４２にそれぞれ供給される。

前述の説明から分かるようにＶＣＩの大きさは次の方程式％式％ 同様に、ＶＣ２の大きさは次の方程式で表わされる。すなわち、 ＶＣ２””　Ｖｌ　＋ｖ２　＋ｖＤ　ＶＲＥ　ｐ　Ｖ２である。

すなわち、上記されたように、制御電圧ＶＣＩおよびＶ（２の大きさはＶｌとｖ ２間の大きさの相違に比例して異なり、前記大きさは各装置１２および１４によ って得られるベて放電サプライ１８からより多くの電流１１を得るなら、Ｖｌの 大きさはｖ２の大きさよりも大である。それゆえ、相応する制御電圧ＶＣＩの大 きさは制御電圧Ｖ（２０大きさよりも小となり、放出電流１１およびＩ２の大き さの釣合いをとるのに適した結果を得る。

前述したように、ホロー陰極を流れる推進剤の量はその陰極の放出電流を決定す る１つのファクタである。それゆえ、放出電流１１およびＩ２の均衡を達成する ために第１および第２の気化器４４および４６を流れる推進剤の流量をそれぞれ 規制する必要がある。本発明においては、これは、第１および第２気化器ヒータ ４８および５０を通る電流を、制御電圧■ｃ１およびＶ（２と前記Ｖｃ１および Ｖ（２が供給される第１および第２の気化器サプライ４０および４２とによって 規制することによって達成される。動作時、推進剤の供給源５２は推進剤、本発 明においては水銀を第１および第２の気化器４４および４６に供給する。気化器 ４４および４６は概してタングステンなどの多孔性耐火月によって形成されてお り、水銀を気化すべくヒータ４８および５０によって十分な高温度に加熱可能で ある。気化器４４および４６に供給された水銀は高温度のために気化し、ホロー 陰極装置１２および１４を通過するのに適した蒸気を形成する。各装置１２およ び１４と陽極２０との間に維持された前述の電気アークが水銀蒸気をイオン化し 、自由電子と正に帯電した水銀イオンを精製する。これらの電子と正に帯電した 水銀はイオン推進モータの他の領域（第１図に示さず）へと移動し、モータから 推力を形成すべく使用される。

第２図において本発明の放出電流制御システムがより詳細に示される。図から分 かるように、加算器３２．３４．３６および３８はそれぞれ演算増幅器５４．５ ６．５８．６０を具備し、それぞれが電圧加算の機能を提供すべく接続された複 数の抵抗を有する。

まず加算器３６において、電圧ｖ１およびＶ２が抵抗Ｒ３およびＲ４を介して増 幅器５８の反転入力端に供給され、電圧ｖｌおよびｖ２が共に加算される。増幅 器５８の非反転入力端は抵抗Ｒ５を介して接地される。増幅器５８の出力に現わ れる電圧は抵抗を介して接地される。増幅器５８の出力に現われる電圧は、抵抗 Ｒ３およびＲ４のオーム値に対するフィードバック抵抗Ｒ６のオーム値によって 決定される増幅器５８の利得によって乗算された■１と■２の和の関数である。

加算器３２および３４の演算増幅器５４および５６は同様の方法で動作するが各 増幅器の非反転入力端は抵抗を介して電圧ｖ１および■２の１つに接続される。

すなわち、各増幅器の出力は、反転入力端に供給された電圧の和と非反転入力端 に供給された電圧との相違を入力加算抵抗に対するフィー・ドパツク抵抗の相対 オーム値によって提供される増幅器の利得によって乗算されたものとなる。

加算器３８の増幅器６０の動作は反転入力端がただ１つの供給電圧、すなわちｖ ＲＥ　Ｆを有する点を除いて増幅器５４および５６の動作に類似する。即ち、増 幅器６０の出力は反転入力端に接続された抵抗の値に対するフィードバック抵抗 の相対オーム値によって決定される増幅器の利得によって乗算されたｖＲＥ　Ｆ とＶＤとの相違である。

本発明における第１および第２の気化器サプライ４０および４２はＮＰＮ）ラン ジスタロ２および６４をそれぞれ具備する。トランジスタ６２および６４のコレ クタ端子はヒータのパワー源Ｖ＋の接続され、各エミッタ端子は気化器ヒータ４ ８および５０にそれぞれ接続される。トランジスタ６２および６４のベース端子 は、トランジスタ６２および６４を流れる電流を制御すべく各加算器３２および ３４の増幅器５４および５６によって駆動される。電圧■ｃ１およびＶ（２は増 幅器５４および５６の各出力でありトランジスタ６２および６４の伝導を制御し 、気化器ヒータ４８および５ｏを通る電流を制御する。ヒータ４８および５０の 温度はヒータを流れる電流に比例するので、気化器４４および４６によって生成 される水銀蒸気の量は電圧ＶＣ！およびＶ（２の大きさによって制御される。

第３図は本発明の一実施例であり、様式化されたイオン推進モータ７０が示され る。モータ７０は、推力軸７６の回りに実質的に左右対称に配設されたホロー陰 極７２およヒフ４の２つのイオン化装置を具備する。陰極７２および７４の回り に配設されたのは円筒形陽極７８である。各陰極は電流感知抵抗８４および８６ のそれぞれを介して放電電圧パワーサプライ８２の負の端子に別個に接続される 。サプライ８２の正の端子Ｖｐは、各陰極７２．７４と陽極７８との間に電位の 相違を生じさせて電流を流すように陽極７８に接続される。

電流１１およびＩ２は抵抗８４および８６によって感知され、各抵抗は流れる電 流に比例する大きさを持つ電圧を発生する。

これらの電圧は電圧ＶＤおよびｖＲＥ　Ｆとして放出電流制御システム８８に供 給される。システム８８は加算器３２．３４．３６．３８および電流検知回路２ ８および３０（第３図に示さず）から成り、前記したように動作する。システム ８８は一対の電圧制御出力、即ちＶＣＩおよびＶ（２を有し、それぞれ気化器サ プライ９ｏおよび９２に供給される。サプライ９０および９２は気化器９４およ び９６のそれぞれによって得られるヒータ電流が１１または１２の大きさに比例 し、かつ前述したように１１およびＩ２の平均値に比例するようにＶＣｌおよび Ｖ（２によって制御される。

水銀またはセシウムを含む推進剤源９８は気化すべく推進９６のそれぞれによっ て気化される推進剤の量は、気化器サプライ９０および９２のそれぞれによって 供給されるヒータ電流に依存する。気化された推進剤はホロー陰極７２および７ ４を通り、陰極７２および７４のそれぞれと陽極７８との間に維持されるアーク 内でイオン化される。イオン化された蒸気原子は正に帯電されたイオン１００と 自由電子１０２を生成する。モータ７０の主チヤンバ１０４内で生成されたイオ ン１００は加速器パワーサプライ（図に示さず）によって負の電位に維持された グリッド１０６にむけて加速される。

グリッド１０６内の開口１０８を大量のイオン１００が通過ン１００の運動エネ ルギによってモータ７０から推力が形成され、推力は推力軸７６と一致する。

本発明の上記の実施例は単なる一例であり変更が当業者にとって可能である。そ のような変更の１つは推進剤としてアルゴンガスまたはキセノンガスを使用する イオン推進モータにおいて達成される。そのようなモータ（図に示さず）におい ては推進剤の流量はガス流全制御装置内の穴の寸法を制御することによってＶＣ ＩおよびＶ（２によって規制される。

そのうちの１つのガス流量制御装置は圧電性リークバルブである。

本発明の各実施例に対して、使用される推進剤制御装置の種類、放電電圧および 放出電流の大きさ、使用されるホロー隘極装置の数等の数多くのファクタが、本 発明の放出電流制御システムを構成すべく使用される特定された種類、装置の数 、装置のコンポーネントバリューに影響を及ぼす。よって、本発明はここに開示 された実施例に限定されず、添附のり１ノームによってのみ限定される。

国際調査報告 １ｍｍ＋１１１６ｍ＾”””””’　ＰＣ’：’／ＩＪＳ　８７１０１４６７ｆ ｉ、ＮｈＥＡ　Ｔｏ　ＴＨＥ　工：ｒＥ入ＮＡＴ工（１”ＩＡＬ　５＝ＡＲＣ： ：　Ｒ三？ＣＲＴ　ＯＮυ５−Ａ−３３０８６２１Ｎｏｎｅ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．複数の陰極からの各放出電流を入力信号に従って制御し、 陰極電流を供給すべく個々の伝導体によって前記陰極のそれぞれに伝導性を持た せて結合されて供給電圧を発生する陰極パワーサプライと、 各陰極電流を感知すべく前記伝導体のめいめいに伝導性を持たせて結合され、そ れぞれが検知された陰極電流に比例する大きさを持つ検知出力信号を発生する複 数の電流検知手段と、 前記出力信号の大きさを平均化し、前記検知出力信号の平均に比例する大きさを 持つ平均出力信号を発生する平均化手段と、 前記供給電圧と前記入力信号との相違に比例する大きさを持つ基準出力信号を生 成する基準電位手段と、それぞれが、イオン化される原料の供給源と前記各陰極 の間で動作可能に結合され、前記陰極を通る前記原料の流れを規制する複数の流 量規制装置手段と、 それぞれが制御出力信号を有し、前記各検知出力信号の大きさと、前記平均出力 信号と、前記基準出力信号とに応答し、前記制御出力信号の大きさが前記流量規 制装置のそれぞれを制御する複数の規制装置制御手段とを具備するシステム。
2. ２．前記放出電流が、互いに実質的に均等になるように制御される請求の範囲第 １項に記載のシステム。
3. ３．前記原料が水銀を含み、前記流量規制装置が、温度を変化させる加熱手段を 有しかつ前記水銀を気化する気化器を具備する請求の範囲第２項に記載のシステ ム。
4. ４．前記制御出力信号が、前記気化器の温度を変化させて前記水銀の多少を気化 するように前記加熱手段を制御する請求の範囲第３項に記載のシステム。
5. ５．前記原料がガスであり、前記流量規制装置が前記ガス流を通過させるべく開 口領域が変化可能な穴を有する圧電性流量制御器である請求の範囲第２項に記載 のシステム。
6. ６．前記制御出力信号が前記ガスの流量を変えるべく前記穴の開口領域を変化さ せる請求の範囲第５項に記載のシステム。
7. ７．前記システムがイオン推進モータ内に組込まれた請求の範囲第２項に記載の システム。
8. ８．前記原料が前記モータ用の推進剤である請求の範囲第７項に記載のシステム 。
9. ９．推力を生成するイオン推進モータにおいて、それぞれが前記各陰極を流れる 推進剤をイオン化する放出電流を有する複数のホロー陰極を有し、前記陰極に結 合され、パワーサプライから前記各陰極によって得られる電流を検知して前記放 出電流を均等にすべく動作可能な推進剤流量制御手段をさらに具備するモータ。