JPH05172038A - サイクロトロン共鳴イオンエンジン - Google Patents

サイクロトロン共鳴イオンエンジン

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JPH05172038A
JPH05172038A JP4048770A JP4877092A JPH05172038A JP H05172038 A JPH05172038 A JP H05172038A JP 4048770 A JP4048770 A JP 4048770A JP 4877092 A JP4877092 A JP 4877092A JP H05172038 A JPH05172038 A JP H05172038A
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JP
Japan
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magnetic field
generating
grid
ion
discharge chamber
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JP4048770A
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English (en)
Inventor
Gianfranco Cirri
チリ・ジアンフランコ
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PROEL TECHNOL SpA
PUROERU TECHNOL SpA
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PROEL TECHNOL SpA
PUROERU TECHNOL SpA
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Publication date
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field

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Abstract

(57)【要約】 ガス中での放電により主プラズマを発生する手段を備
え、調節用及び範囲限定用の磁場と電磁場とを同時に用
いて放電させ、電磁場がガス中の電子のサイクロトロン
共鳴効果を利用できるような周波数をもつイオンエンジ
ンを提供することを目的としている。本イオンエンジン
は静止磁場を発生する手段（５、７）及びサイクロトロ
ン周波数の電磁場を発生し、印加する手段（９、11）を
有し、サイクロトロン共鳴効果を利用することによっ
て、耐熱性材料から成る最適化グリッド装置を用いてプ
ラズマ発生プロセス及びイオンビーム励振プロセスを改
善でき、これらのプロセスは磁場の強さに左右される動
作条件の違いを整合するように最適化される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、供給ラインからの推進
ガスをイオン化する放電室と、上記推進ガスをイオン化
するイオン化装置とを有するイオンエンジン、特に宇宙
で応用される推進用のイオン発生装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来技術】公知のイオンエンジンにおいては、イオン
ビームの取り出される主プラズマは放電室において以下
の二つの基本的な仕方で得られる。 ａ）電子を放出できる陰極（加熱されそして“キーパ
ー”と呼ばれる電極を備え得る熱フィラメントまたは中
空陰極）と陽極との間の連続した放電に基いたプラズマ
源を用いて、静止磁場内でイオンを加速して放電室内に
存在するガスをイオン化させること； ｂ）無線周波数（周波数：数MHz のオーダー）の電磁場
で放電室内に存在するガスを励起させること。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以下の説明
から当業者には明らかとなるように、公知の技術に関す
る多くの利点を保持して放電室内に主プラズマを発生さ
せる異なった試みに関するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、放電室
内に存在する荷電粒子（電子及びイオン）は磁場によっ
て調節され、範囲を決められ、また推進ガスのイオン化
は自由電子をそれらのサイクロトロン周波数で共振する
周波数の電磁場によって行われる。従って、実際には、
本発明による装置には、ガスをイオン化するため、範囲
限定及び調節用の実質的に静止磁場を発生する第１装置
及びこの第１装置によって発生された静止磁場の強さに
相応した電子のサイクロトロン共鳴周波数に近いまたは
この周波数に等しい周波数をもつ電磁場を印加する第２
装置が設けられる。本発明による装置のさらに有利な実
施例は特許請求の範囲に示される。
【０００５】
【作用】イオンを発生するのにサイクロトロン共鳴を応
用することは技術分野、例えば材料のイオンエッチング
や沈積の技術分野において公知である。しかしながら、
この形式のプラズマ発生技術はイオン推進の分野、特に
宇宙での応用分野においては全く考えられてなかった。
しかしながら、驚くべきことには、サイクロトロク共鳴
発生によるイオンエンジンの構成は以下に述べるように
従来の技術に比べて多くの利点があることを見出した。
静止磁場は永久磁石及び（または）コイルによって発生
でき、そして主プラズマ発生プロセスのパラメータが考
察されるべきである。このような磁場は種々の動作条件
の下でイオンエンジンの性能を最適化するため調整可能
な強さをもつように形成され得る。一層特に、本発明に
よるイオンエンジンの特に有利な実施例によれば、磁場
は以下の成分を有することができる。 ・好ましくは永久磁石（コイルの使用を除外するもので
はないが）によって発生され、放電室に沿ったサイクロ
トロン共鳴の作用を強めるように適当な空間的分布（通
常はイオンビーム取り出し領域の方向においてイオンの
速度を高めるため一様ではない）をもちしかも同時に無
線周波数のエネルギとプラズマとの結合を最適化させる
ことができかつプラズマの範囲を制限して壁に向う損失
を制限できる一定成分、磁場のこの一定成分に励振周波
数が整合される； ・コイルによって発生された補助の調整可能名成分、こ
の調整はガスの流れ（及び従って放電室内に圧力）が変
動する時にイオン発生を最大にして種々の動作条件の下
でのガス消費量を最小にさせるのに用いられる。
【０００６】
【実施例】本発明は、添付図面に概略縦断面図で示す本
発明による装置の実施例についての以下の説明から明瞭
に理解され得る。全体を１で示す放電室は、ガス供給ラ
イン３から推進ガスを受ける。放電室１の周りには静止
磁場を発生する符号５、７で示す装置が設けられ、この
装置は永久磁石及び（または）コイル並びに組合さった
電源装置とから成っている。図示例では、磁場を発生す
る装置は、静止磁場の一定成分を発生する永久磁石５と
可変成分を発生するコイル７とを備えている。これらの
装置の配置及び形状は、概略的に示すものと異なっても
よいことが理解されるべきである。
【０００７】サイクロトロン共鳴に近い周波数での電子
の加速用電磁場は、無線周波数またはマイクロ波発生装
置９及び全体を11で示す結合装置によって得られる。一
つの可能な実施例では、結合装置11はガスの入口からイ
オンビーム取り出し領域までのプラズマの密度を増大さ
せ、またはエンジンの長手方向軸線に沿って電荷を変化
させ、放電室の種々の領域におけるプラズマと無線周波
数のエネルギとの結合を最適化させることができるよう
にしている。これは、エンジンの軸線に沿って変化され
得るパラメータをもつ結合装置を用いて電場の空間的発
生を変えることによって達成される。同様に、磁場の長
手方向分布は放電室の種々の領域内のプラズマ発生プロ
セスを最適化するようにされ得る。
【０００８】放電室１の上部はグリッド装置で終端さ
れ、このグリッド装置はイオンビームをプラズマから取
り出し、そして加速させる一方、イオン化されてない推
進ガスの流れを制限して推進材自体の利用を改善させ
る。図示例では、このグリッド装置は中間加速グリッド
13を備え、この中間加速グリッド13は、加速電圧発生装
置15によって分極され、加速電圧発生装置15の負極は中
間加速グリッド13に接続されている。グリッド装置はま
た内方スクリーングリッド17及び外方減速グリッド19を
備えている。これら二つのグリッド17、19は、外部から
放電室１内に電子が入り込むのを阻止ししかも放電室１
からのイオンによって加速グリッド13が過剰にボンバー
ドされ、浸蝕されるのを阻止するように分極される。ま
た減速グリッド19は接地され、スクリーングリッド17は
放電室１の壁と同電位にあり、電源装置21の正極に接続
され、電源装置21はイオンエンジンの推進力に関連した
電力を供給する。
【０００９】グリッド装置は必要ならば省略でき、その
場合には適当な磁場が放電室１内の限られた範囲に粒子
を維持し、そして運動エネルギをビームのイオンへ伝達
できる。この磁場は装置５、７またはこのために特に設
けられた他の磁石によって発生され得る。加速グリッド
13と減速グリッド19との間には、“発散装置”と呼ばれ
る第４のグリッド20が設けられ得、このグリッド20は、
電荷の交換現象で発生され、そして加速グリッド13で捕
らえられるイオン流れを減少させる働きをもち、それに
より加速グリッド13の浸蝕を減少させ、その結果、運転
寿命が伸びるという効果が得られる。グリッド20は、グ
リッ度装置の他のグリッドより負の電位にあり、そして
適当な電源装置22に接続されている。
【００１０】取り出しプロセスを最適化し、かつグリッ
ドにおける電荷の衝撃による浸蝕現象を最少化するため
に、取り出し系のグリッドのうちの一つまたはそれ以上
は、タングステン、タンタル等のような耐熱性材料の線
25（図２）のマトリックスから成ることができ、線25の
交点は電気スポット溶接されている。このマトリックス
の幾何学的特性（格子の大きさ及び形状並びに線の横断
面）は、グリッドの浸蝕を減少ししかも取り出しプロセ
スを最適化するために最適化される。
【００１１】エンジンはまた、放電室１に対して用いた
ガスと同じ推進ガスが供給される中性化装置23を有し、
この装置はｅ- 電子の放出でイオンエンジンの動作に伴
う正の電荷の流れを補償する機能をもち、エンジンの装
着される宇宙船の静電気帯電及び放電室１から取り出さ
れた正のイオンのビームによる空間電荷の結果としての
エンジン自体の動作の停止を防止する。
【００１２】サイクロトロン共鳴状態は静止磁場Ｂのガ
ウス当たり2.9MHzの励振周波数で現れる。ガス分子をイ
オン化するのに十分なエネルギをもつ電子の描く円は、
励振電場が同じ方向をもつ領域をカバーしなければなら
ずしかもいずれの場合も放電室１の寸法より小さくなけ
ればならないので、励振周波数及び磁場の選択は、放電
室の寸法によって下方端が制限されることになる。磁場
Ｂ内でエネルギTeの電子の描く円の半径reは re＝3.8 √Te／Ｂ（reはcm、Teはev、Ｂはガウス） で表される。励振周波数及び磁場の上限は、高強度の磁
場を発生する実際の実現可能性及び（または）有利性に
よって表される。今日の技術状態では、確認された有効
範囲は10MHz −3.5 ガウス（ほぼ５cmのサイクロトロン
円の半径に相応する）と10GHz −3500ヘルツとの間にあ
る。しかしながら、この範囲の将来の拡大は技術の進歩
や特殊な寸法または性能をもつエンジンを構成する必要
性により不可能ではない。
【００１３】励振電磁場の周波数及び振幅をどのように
選択するかは、放電室１の動作容積内への電磁場の入り
込み及びプラズマへのエネルギ移転の効率に影響を及ぼ
す物理的変数の空間的分布に依存し、これらの物理的変
数は中性粒子の密度（言い換えれば電気的に帯電されな
い粒子の密度）、イオンの密度及び電子の平均自由行程
から成っている。
【００１４】図面は単に本発明の実際の例として設けら
れた一例を示すに過ぎず、本発明は発明の概念自体の範
囲から離れることなしに形状及び配置において変更でき
ることが理解されるべきである。
【００１５】
【発明の効果】公知のイオンエンジンと比較して本発明
による装置で得られる主な利点は次の通りである。 ａ）連続した放電に基くプラズマ源を備えたエンジンに
比べて； a1）プラズマによって腐蝕され、その結果装置の寿命に
とって決定的な要素となる陰極及び陽極または他の加速
電極がないこと； a2）放電室内のプラズマの一様性がよく、その結果装置
の信頼性及び寿命に悪影響を及ぼすプラズマの集中が避
けられ、発散及び方向安定性に関する発生ビームの特性
がよいこと； a3）放電室内の構成要素の数が少なく、その結果設計の
簡略性及び信頼性が高いこと。 ｂ）無線周波数で励振されるプラズマ源を備えたエンジ
ンに比べて； b1）静止磁場はプラズマの範囲を良好に決めることがで
き、壁に向う損失を制限しかつ比較的低い圧力での動作
及び電力の節約が可能となること； b2）静止磁場は動作条件に従って実時間で最適化され
得、その結果イオンエンジンの融通性をさらに高める付
加的なパラメータを構成すること。 ｃ）今日公知の全てのイオンエンジント比べて； c1）電子のサイクロトロン共鳴を利用することによっ
て、電子のエネルギの選択的変換を可能にし、サイクロ
トロン共鳴の状態が存在しない冷状態（イオンエネルギ
が１eV以下）イオンをそのままにしておくこと； c2）上記c1）に記載したことの結果として、イオン及び
従って放電室の壁の温度を制限でき、エンジンをより簡
単かつ信頼できるように設計できること； c3）上記c1）に記載したことの結果として、エネルギ分
散の小さなイオンを得ることができ、イオンビーム収束
系の断定可能で正確な動作が可能となること； c4）上記c3）に記載したことの結果として、取り出しグ
リッドにおけるイオン衝撃の大きさ及び影響を制限する
高性能の収束系を設計でき、その結果これらのグリッド
の信頼性を高めかつ寿命を伸ばすことができること； c5）上記c3）に記載したことの結果として、放電室から
の中性粒子に対してイオンの取り出しを最適化できる高
性能の収束系を設計でき、推進ガスの消費量と推力との
比率を改善できること； c6）サイクロトロン共鳴を利用することによって、高電
子エネルギ（10KeV まで）を得ることができ、多数イオ
ン（二重電荷、三重電荷等をもつ）を高い割合で得られ
る可能性がもたらされ、その結果、推進ガスの消費量と
推力との比率を改善することができる。事実、推力Ｔは
イオンの電荷の平方根に比例する。多数イオンの悪影響
（放電室の壁及びグリッドの浸蝕が大きいこと）はエン
ジンを注意深く設計すること、特に取り出しレンズ系を
（グリッドの数、形状及び分極に関して）最適化するこ
とによって避けられる。 c7）サイクロトロン共鳴を利用することによって、低い
圧力（１０-4トールのオーダ）でも高密度（１０11〜１
０12イオン／cm3 ）のオーダ）のプラズマを放電室内で
得ることができ、推進ガスの消費量と推力との比率を改
善することができること。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す概略縦断面図。
【図２】 グリッドの実施例を示す拡大部分詳細図。
【符号の説明】
１：放電室 ３：ガス供給ライン ５：永久磁石 ７：コイル ９：無線周波数またはマイクロ波発生装置 11：結合装置 13：中間加速グリッド 15：加速電圧発生装置 17：内方スクリーングリッド 19：外方減速グリッド 20：第４のグリッド 21：電源装置 22：電源装置 23：中性化装置 25：線

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】供給ラインからの推進ガスをイオン化する
    放電室と、上記推進ガスをイオン化するイオン化装置と
    を有し、イオン化装置が実質的に静止磁場を発生する第
    １装置と第１装置によって発生された磁場の強さに相応
    した電子のサイクロトロン共鳴周波数に近いまたはこの
    サイクロトロン共鳴周波数に等しい周波数をもつ電磁場
    を発生する第２装置とを備えていることを特徴とする宇
    宙船の推進力を発生するイオン推進装置。
  2. 【請求項２】電磁場が無線周波数またはマイクロ波発生
    装置及び結合装置によって放電室に加えられる請求項１
    に記載のイオン推進装置。
  3. 【請求項３】結合装置が、イオンエンジンの長手方向軸
    線に沿って可変でしかも無線周波数におけるエネルギと
    放電室の種々の領域におけるプラズマとの間の結合を最
    適化する働きをもつパラメータを備えている請求項２に
    記載のイオン推進装置。
  4. 【請求項４】静止磁場を発生する第１装置が、一定磁場
    を発生する第１要素と、可変磁場を発生する第２要素と
    を備えている請求項１、２、３のいずれか一項に記載の
    イオン推進装置。
  5. 【請求項５】静止磁場を発生する第１装置が、可変磁場
    を発生するコイルと、一定磁場を発生するコイルまたは
    永久磁石とを備えている請求項４に記載のイオン推進装
    置。
  6. 【請求項６】静止磁場が、一様でない長手方向分布をも
    ち、プラズマ発生プロセスが放電室の種々の領域におい
    て最適化される請求項１〜５のいずれか一項に記載のイ
    オン推進装置。
  7. 【請求項７】放電室からイオンを取り出すグリッド系を
    有している請求項１〜６のいずれか一項に記載のイオン
    推進装置。
  8. 【請求項８】放電室からイオンを取り出すグリッド系
    が、スクリーングリッドと、加速用グリッドと、減速用
    グリッドとを備えている請求項７に記載のイオン推進装
    置。
  9. 【請求項９】放電室からイオンを取り出すグリッド系
    が、スクリーングリッドと、加速用グリッドと、偏向用
    グリッドと、減速用グリッドとを備えている請求項７に
    記載のイオン推進装置。
  10. 【請求項１０】一つまたはそれ以上の上記グリッドが、
    交点を電気スポット溶接した耐熱性材料の線のマトリッ
    クスから成る請求項７、８、９のいずれか一項に記載の
    イオン推進装置。
  11. 【請求項１１】推進ガスをイオン化する放電室から発生
    されたイオンを取り出して推進力を発生し、上記イオン
    化を、静止磁場及び電子のサイクロトロン共鳴周波数に
    近いまたはこのサイクロトロン共鳴周波数に等しい周波
    数をもつ電磁場を印加することによって行なうことを特
    徴とするイオンエンジンによる推進力の発生方法。
  12. 【請求項１２】磁場の強さが動作条件によって変化され
    る請求項11に記載の方法。
  13. 【請求項１３】放電室が、１０-4トールのオーダーの圧
    力及び１０11〜１０12イオン／cm3 のオーダーのプラズ
    マ密度に維持される請求項11または12に記載の方法。
  14. 【請求項１４】多数イオンの発生が推進ガスの消費量と
    推進力との比を増大させる働きをする動作パラメータを
    適当に選択することによって最大にされる請求項11〜13
    のいずれか一項に記載の方法。
JP4048770A 1991-03-07 1992-03-05 サイクロトロン共鳴イオンエンジン Pending JPH05172038A (ja)

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ITFI910049A IT1246684B (it) 1991-03-07 1991-03-07 Propulsore ionico a risonanza ciclotronica.
IT91A000049 1991-03-07

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US (1) US5241244A (ja)
EP (1) EP0505327B1 (ja)
JP (1) JPH05172038A (ja)
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DE (1) DE69222211T2 (ja)
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