JPH06196298A

JPH06196298A - プラズマ電磁加速器

Info

Publication number: JPH06196298A
Application number: JP4343827A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Hirano; 恵一平野
Original assignee: KAKU YUUGOU KAGAKU KENKYUSHO
Current assignee: KAKU YUUGOU KAGAKU KENKYUSHO
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-07-15
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: JPH0817116B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は核融合発電、宇宙ロケット推進、個
体イオン注入等に必要な高出力密度の大電力イオンビー
ムを高効率で生成するプラズマ電磁加速器の基本原理に
関するものである。【構成】超音速プラズマ流を発生させる複数個の同軸
円筒状通路の端部中心に設けた陰極と、該通路の出口側
に絶縁壁を介して設けた陽極と、前記陰極と陽極との間
に設けた超音速プラズマ生成用電源とを設けると共に、
前記陽極と同軸で発生したプラズマをガイドするよう外
方に突出して設けた絶縁壁プラズマガイドを設け、各同
軸通路において超音速プラズマ流を発生するよう超音速
イオン源Ａを構成したことを特徴とするプラズマ電磁加
速器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は核融合発電、宇宙ロケッ
ト推進、個体イオン注入等に必要な高出力密度の大電力
イオンビームを高効率で生成するプラズマ電磁加速器の
基本原理に関するものである。

【０００２】本発明の属する技術分野は電磁流体、気体
力学、アーク放電、粒子ビーム工学、核融合発電、エネ
ルギー生成、大粒子束中性子源、ロケット推進、個体イ
オン注入等である。

【０００３】

【従来の技術】高エネルギーで収束性がよく安定した運
転の可能な大電力イオンビームは核融合炉でのプラズマ
加熱を始めとして多岐にわたる用途があり、近年諸分野
で実現への要望は益々強まっている。周知のように、核
融合炉は超高温プラズマを生成し閉じこめて、始めて実
現することから大電力プラズマ加熱が不可欠で、これま
で種々の原理に基づくプラズマ加熱法及び加熱装置の研
究開発に多大な努力が払われてきたが、イオンを静電力
で高エネルギービームに加速しプラズマに入射して加熱
するビーム加熱法により初めてプラズマが１億度以上の
超高温に加熱できることが立証されたため、ビーム加熱
法には格別の地位が与えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この静
電力を用いる大電力ビーム装置は、実用上次のような根
元的で克服し難い問題を内包していることが指摘でき
る。：静電加速でのビームは非中性であり、ビーム電流は
必然的にラングミュアー・チルドの３／２乗則の支配を
受けることになり、高い出力電流を得るには高電圧が不
可欠となるが、高電圧の印加は絶縁破壊を誘発し電流値
が制限され許容最大電流密度が0.25Ａ／cm²程度の低い
値に留まってしまう。そのため大電力ビーム装置では限
界電流付近での運転が必要となってくる。

【０００５】限界電流付近の運転では、絶縁破壊が頻繁
に発生するのを避けるため、いわゆる慣らし運転(condi
tioning)が必要な上に、絶縁破壊時の過電流による装置
の焼損を防ぐため応答性の良い保護装置も必要となる。
従って静電型では安定した定常運転が難しいばかりでな
く、装置が複雑で非常に高価なものになってしまう。

【０００６】：静電加速器型の装置ではビームは非中
性のため静電ポテンシャルを持ち、その分余計に電源か
らのエネルギー供給が必要となり、エネルギー効率が低
下する。非中性ビームは電荷交換で中性化した上でプラ
ズマに入射されるが、静電ポテンシャルエネルギーは電
荷交換の際に低速イオンに与えられ、電荷交換室の壁に
運ばれた壁を加熱する。静電ポテンシャルエネルギー損
はビームエネルギーが100 ｋｅＶで出力１ＭＷの時、0.
58ＭＷと算定され無視することは難しい。

【０００７】上記の困難はビームが非中性となる静電駆
動に原因するものであり、問題解決にはイオンが電子で
中和された準中性のプラズマ状態で加速できる電磁力或
いは圧力（熱エネルギー密度）勾配により生じる気体力
(gasdynamic force) を用いる選択が強いられることに
なる。いま、イオンビーム源は電気エネルギーをイオン
の運動エネルギーに変換する装置であることに注意すれ
ば、一種の電動機（モーター）と見なして良いことにな
り、静電加速器は静電力が駆動力のため静電モーター、
電磁加速器は汎用の電磁モーター、また気体力加速器は
ガスタービン等とそれぞれの対応関係が指摘できる。し
かしながら大電力が扱える汎用の静電モーター等は存在
しないことを考えられば、この対応関係は上記の選択即
ち大電力ビームの駆動力に電磁力或いは気体力を用いる
合理性を示唆しており、より賢明な選択であることを伺
わせるものである。

【０００８】まず気体力利用の場合に付いては、その典
型例として熱駆動型プラズマジェットによるプラズマビ
ームが挙げられる。周知のように熱駆動型プラズマジェ
ットはアーク放電或いは高周波放電により作業流体を電
離し加熱したうえ出口ノズルより噴出させ超音速流を生
成するもので、強力な熱入力のため流れが運ぶ電力は極
めて大きいが、イオンの運動エネルギーは高々アーク温
度の一桁増し程度であり、高エネルギービーム装置とし
ては全く適していない。但し、簡単に巨大な等価イオン
電流値が得られている事実は高エネルギービームのため
のイオン源としての応用を示唆しており重要で、例えば
近年米国ローレンスバークレイ研究所で開発され常用さ
れるに至っているバケット型と称される大電力静電加速
器用のイオン源も気体力の利用に分類されるものであ
る。

【０００９】電磁加速は電磁力により発生するホール電
圧によりイオンを加速するものであるが、原理的にホー
ル電圧により誘起されるホール電流がイオンにより担わ
れ高エネルギービームに加速されるホール加速器型、及
びホール電流が誘起されない同軸ガン型（ロケット推進
の分野ではＭＰＤアークジェット型と呼ばれている）の
二種類の形式に分類することができる。ホール加速器は
静電加速器と同様に高電圧の印加によりイオンを加速す
るため静電加速器との類似性が高いが、磁場が絶縁破壊
を抑制する磁気絶縁効果が有効に作用して絶縁破壊がビ
ーム電流を制限する要因にはならないことが知られてい
る。このような優れた特性のためホール加速器は静電加
速器に取って変わるべく1960〜70年代において英国、旧
ソ連及び米国で盛んに研究された。その結果、適当な設
計の下では1000Ａにもおよぶ大電流が引き出し得ること
が立証されたが、ビームの収束性が悪く総合的には静電
加速器を凌駕する装置の建設には未だ成功していない。

【００１０】一方同軸ガンでは印加電圧が低く絶縁破壊
とは無縁であり、ホール加速器と同様に絶縁破壊により
ビーム電流が制限されることは有り得ない。同軸ガン型
は磁場コイルが不要で２本の円筒電極を同軸上に配する
だけの構造の簡便さから、1960年代より宇宙ロケットの
電磁推進器として注目をあび、現代に至るまで研究が重
ねられている。同軸ガンを推進器として用いる最大の利
点は、比推力が化学燃料の場合最大で450 秒（液酸・水
素エンジン）に対し、理論的にはそれを遙かに凌駕する
10万秒を越える値の得られることが期待される点にある
が、現時点では高々2000秒程度の値が報告されるに留ま
っている。またエネルギー効率についても最低限65％に
達する理論値にも関わらず実測値として高々20％程度が
記録されているにすぎず、比推力及びエネルギー効率共
に理論値との間に大きなへだたりがあり大きな不満を残
している。また核融合研究分野においては高エネルギー
プラズマ入射用同軸ガンとして研究されてきたが、放電
時間の長い準定常運転モードでは、プラズマ速度が、或
る低いレベルにクランプされ加速が止まり、ガン駆動電
流が電極先端部より吹き出すと言う現象が生じ、高エネ
ルギービーム発生器としては不適当な結果のみが報告さ
れている。但しこの電流吹き出し現象によりスフェロマ
ックと称される閉じこめ配位が巧妙に形成されるため、
スフェロマック生成用としてむしろ別の用途に応用され
ているのが現状である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の難点を解
決するために考えられたもので、本発明の特徴とする所
は下記の通りである。本発明は超音速プラズマ流を発生
させる複数個の同軸円筒状通路の端部中心に設けた陰極
と、該通路の出口側に絶縁壁を介して設けた陽極と、前
記陰極と陽極との間に設けた超音速プラズマ用電源とを
設けると共に、前記陽極と同軸で発生したプラズマをガ
イドするよう外方に突出して設けた絶縁壁プラズマガイ
ドを設け、各同軸通路において超音速プラズマ流を発生
するよう超音速イオン源Ａを構成したことを特徴とする
プラズマ電磁加速器にある。

【００１２】本発明は超音速イオン源Ａと、同軸ガン型
電磁加速器Ｂとより成り、超音速イオン源Ａは超音速プ
ラズマを発生させる複数個の同軸円筒状通路の各端部中
心に設けた陰極と、各通路の出口側に絶縁壁を介して設
けた陽極と、前記陰極と陽極との間に設けたプラズマ加
速用電源と、前記陽極より外方に延在して設けた絶縁壁
プラズマガイドとを具備して成り、前記同軸ガン型電磁
加速器Ｂは同軸円筒状の超音速イオン源Ａの出口側に同
軸に接続せられた中心導体の陰極部と、これを円周状に
取囲む外部導体とよりなる陽極と、前記中心導体の陰極
と外部導体の陽極との間を絶縁壁で絶縁してビーム駆動
電源を接続したものより成り、超音速イオン源で発生し
た超音速プラズマ流を更に電磁加速して同通路で高エネ
ルギープラズマ流を発生させるように構成したことを特
徴とするプラズマ電磁加速器にある。

【００１３】本発明は超音速イオン源Ａと、ホール加速
器Ｃと、低圧アーク電子源Ｄとより成り、超音速イオン
源とホール加速器陽極とは絶縁壁を介して同軸接続せら
れその出口端に低圧アーク電子源が接続せられ、電子が
盛んに放出される低圧アーク電子源の陽極でホール加速
器の陰極を構成し、その陰極よりビーム加速電源を介し
て外部回路供給電流をホール加速器陽極に帰還して超音
速イオン源の電子成分を吸収し、残りのイオン成分をホ
ール加速器陰極より発せられた電子が通路を包囲してい
る電磁石による磁場の作用で形成するホール電場により
加速し、高エネルギーイオンビームとし、同イオンビー
ムがホール加速器陰極近傍を通過する際に同陰極より発
せられた電子で中和し、高エネルギープラズマ流として
出射口から取り出すビーム加速器で、前記超音速プラズ
マ流をホール加速器の入射口へ誘導するに際し漏れ加速
磁場により誘起する抑止力を絶縁物を配して消去するよ
う構成したこと、及び電子を盛んに放出する低圧アーク
電子源を陰極に配したプラズマ電磁加速器を特徴とする
ものである。

【００１４】本発明は超音速プラズマ流を発生させる同
軸円筒状の通路に複数個のガス導入弁を設け、発生する
ガス流を包囲して絶縁壁を介して高周波コイルを配置
し、発生するプラズマ流を軸方向にガイドする絶縁壁プ
ラズマガイドを外方に延在させて前記同軸通路において
超音速イオン流を構成することを特徴とするプラズマ電
磁加速器にある。

【００１５】

【作用】絶縁破壊に悩まされることが無い電磁加速は論
理的には大電流イオンビームを安定して引き出せる最も
合理的な方式であるが、上記のように従来の実績では確
かに大電流は引き出せるもののビームの収束性が悪くエ
ネルギー効率が低いため、基本的な絶縁破壊の問題を抱
えている静電加速器系に比べても魅力は乏しいとされて
きた。しかし一方、この実績は不満足な収束性と低いエ
ネルギー効率が理論値どうりに改善されれば、大電流が
引き出し得る理想的な電磁加速器開発が可能なことを示
唆するものと解釈できる。

【００１６】本発明の目的とするエネルギー効率が高く
収束性の良いビームを生成するには、流れに乱れの誘発
がない滑らかな加速が不可欠となる。駆動力が気体力の
みの不活性気体の加速の場合、滑らかな加速過程はユゴ
ニオの方程式で記述され、流れが貯気槽での静止状態か
ら高い運動エネルギーをもつ超音速流に至るには、ダク
ト断面積Ａが流れに沿って縮小し拡大するラバールノズ
ルの形成が不可欠なことである。

【００１７】一方、電磁加速による滑らかな加速が実現
する条件解明には、気体力に加え電磁力が作用している
滑らかなプラズマ流の物理像の把握が重要となる。いま
Ｚ軸方向に飛行する断面積一定な滑らかなプラズマビー
ムを想定し、粒子、運動量及びエネルギーの三つの保存
則を用いれば、下記の等価ダクト断面積Ａx を持つユゴ
ニオの方程式が導かれ、滑らかな加速の実現には気体の
場合と同様のＡx に対する条件が賦課されることが示さ
れる。

【数１】

【００１８】ここでＭはマッハ数、ｖ₁はイオンの軸方
向速度、Ｔはプラズマ温度、ＥHallはホール電場、ｊiz
は軸方向イオン電流密度、ＷH はプラズマへの正味熱入
力を表している。ホール電場ＥHallは電磁力

【外１】のＺ軸方向成分により生成するため常に正値を取ること
に注意すれば、式 (1)は電磁力の流れに沿ってＡx を押
し広げ、熱入力は絞り込む作用を持つことを示してい
る。また式 (1)はＡx のラバールノズル形成を要請して
いることから、流れの滑らかな加速のためには、亜音速
状態（Ｍ＜１）ではＡx の絞り込みが必要で、超音速状
態（Ｍ＞１）ではＡx の拡張が必要となってくる。これ
は亜音速状態ではＡx を押し広げる電磁力はプラズマ加
速ｄｖ₁／ｄ_zの減少方向へ寄与、つまり電磁力はむし
ろ加速を妨害すると言う一見奇妙な結果が結論されるこ
とになる。この奇妙な挙動はプラズマの圧縮性に起因す
る流れの自己調整運動の結果であるが、十分な熱入力
（プラズマ加熱）がなければ電磁力によりプラズマ流は
閉塞を来してしまうことを意味し、滑らかな流れを実現
するためには極めて重要であるにも関わらず従来の設計
では全く考慮されていない。事実、電離と加速が同様に
進行することを期待し、作業流体として中性ガスを注入
するのみの従来の単純な方式では、電離により生成され
た電子のエネルギーは中性ガスのそれを大幅に凌駕して
いるため、生成された初期プラズマ流は常に亜音速とな
り、十分に大きな熱入力がないかぎり電磁力により流れ
は常に閉塞することになる。プラズマへの熱入力はジュ
ール加熱により注入されるが、従来方式による初期プラ
ズマ流では電離、輻射及び電子の熱伝導等による熱損失
が大きいため熱入力が不十分であり、流れは必ず閉塞状
態に陥ってしまう。即ちこれは流れの加速のために印加
した電磁力はむしろ流れの抑止作用をもつことを意味
し、従来方式の致命的な欠陥と結論できる。

【００１９】滑らかな流れを想定したモデルでの流れの
閉塞は、実際的には流れが継続的に加速器入口付近に蓄
積することを意味するものではなく、系は閉塞後の挙動
に支配されることになるので初歩的な考察を試みる。閉
塞による流速の減少は密度の増大と共に熱エネルギーの
蓄積を促すため、プラズマ圧の増加をもたらし、プラズ
マ圧が駆動電流による磁気圧を凌駕した時、プラズマは
下流へ放出され閉塞状態が解消するため、局所的な蓄積
は発生することはない。但し、下流への流れの放出はプ
ラズマ圧の低下を招くため、流れは再び閉塞状態に陥っ
てしまうことになり、閉塞・放出のサイクルが繰り返さ
れる。つまり巨視的には流れは時間的、空間的に一種の
構造を形成して維持されることになる。非平衡状態を扱
う近代熱力学ではこのような構造を散逸構造と称してい
るが、散逸構造を形成している系のエントロピー生成率
は滑らかな熱力学的分枝上の系よりも大きいため、駆動
効率の低下は必然的となる。またそのような系は巨視的
には一種の秩序を有するものの、その形成には不安定性
が大きく関与することから、微視的には予測が不可能な
乱流状態にあることを意味し、滑らかな流れでの収束性
の保証を無効にすることは言うまでもない。先に述べた
速度クランプを含む同軸ガンの理論値からの大きなへだ
たりも、流れの閉塞による散逸構造の形成で理解され
る。

【００２０】本発明は上で考察した従来の技術の欠陥で
ある流れの閉塞による散逸構造の形成を排除するよう系
を設定することに関している。閉塞の要因は系への中性
ガス注入直後の熱入力の不足にあることから、本発明は
まず第一段目に熱入力のみにより流れを電離し超音速に
加速する超音速プラズマ生成器を設け、その流れを確実
に第二段目の電磁加速器へ導く二段階加速方式の採用に
基礎を置いている。この系はイオン源とビーム加速系が
直接結合している静電加速器系と同じ構成を持ってお
り、超音速プラズマ生成器はイオン源と見なせるため以
下超音速イオン源と呼ぶことにする。

【００２１】

【実施例】以下図面について本発明の実施の態様を説明
する。本発明では超音速イオン源として図１及び図２に
模式的に示した熱駆動型プラズマジェット配位を採用す
る。図１において、１は陰極、２は陽極、３はアーク駆
動電源、４はガス導入弁、５はアーク拘束壁を示す。陰
極１と陽極２との間にアーク駆動電源３を接続し、陰極
１と陽極２の間にアーク駆動電流６を流すと陰極１より
陽極２の中心孔に向けて電子流７が発生し、ガス導入弁
４より送られるガス流８を衝突電離し、プラズマ流８Ａ
を生成し、且つ強力にオーム加熱する。この強力な加熱
により、プラズマ流８Ａはアーク拘束型５を通過中に音
速に至るまで増速され、陽極２の中心孔入口に注入され
る。陽極中心孔は下流に向けての拡大ノズルを形成して
おり、そのため音速で供給されたプラズマ流８Ａは自己
圧力で超音速に加速され、加速の反作用で電子流７の陽
極２への吸収を促し、超音速流を減速に導く陽極中心孔
内での更なる加熱を防止し、効率よく超音速プラズマ流
９を生成する。

【００２２】超音速プラズマ（イオン）流９の生成の第
一歩はガス流８の電離にあるが、既に述べたとおりイオ
ン源の入口付近の電離されたばかりの初期のプラズマ流
８Ａは亜音速であり、前述のとおりプラズマへの熱入力
のみがプラズマ加速に有効となる。図１は拡がりノズル
状をしたアーク拘束壁５を持つ陽極２と陰極１間のアー
ク放電により熱エネルギーが注入されてプラズマ流８Ａ
が加速され、超音速プラズマ流９を生成するものであ
る。アーク拘束壁５は大きな軸電流を持つアーク柱を絞
り込み、プラズマの安定化と共にエネルギー注入効率の
向上を計るために設置されるものである。なおアーク拘
束壁５中を貫流するアーク駆動電流６は軸に沿っている
ため、その電磁力はアーク柱を絞り込む動径方向のみに
作用しプラズマ加速には関係しない。

【００２３】図２は高周波誘導プラズマジェットの模式
図、無電極誘導放電によりプラズマを加熱する方式であ
り、有極プラズマジェットより不純物の混入の少ない超
音速イオン流が生成できるのが特徴である。図２におい
て、ガス導入弁４よりのガス流８は、高周波コイル10と
発信器11とにより電離・加熱・加速の電力が注入され、
プラズマ流８Ａとなり、一定断面形状の絶縁壁12に沿っ
て高周波コイル10の終端部に至るまでに音速流に加速さ
れ、更に絶縁壁12の終端部の拡大ノズルにより加速さ
れ、超音速プラズマ流９を生成している。即ち、高周波
コイル10と発信器11は、図１の電子流７を代替するもの
であることがわかる。

【００２４】同軸ガン型或いはホール加速器型のいずれ
の形式の電磁加速器でも、加速領域の幾何学的形状を同
軸円筒とするのが自然な形状となるから、最も合理的な
超音速イオン源の配位は、図３に示したような有極或い
は誘導放電型プラズマジェットを複数個同軸円筒状に束
ねたものにするのが好ましい。図３は複数個の熱駆動型
アークジェットを同軸円筒状に束ねて設けた場合を示す
もので、ガス導入弁４よりのガス流８を複数の通路に分
割して、陰極１と陽極２との対を同軸円筒状に複数対設
け、有極放電型としてアーク駆動電流６を電源３より陽
極２へ流して、分岐したそれぞれのガス流８を電離し超
音速に加速する超音速プラズマ生成器Ａを設け、超音速
プラズマ流９を得るようにしたものである。

【００２５】図４は無電極放電による誘導放電型プラズ
マジェットを単一の同軸構造の電磁加速器として超音速
プラズマ流９を得る構成を示すものである。図４におい
て、４はガス導入弁、５はアーク絶縁壁、10は高周波コ
イル、11は高周波発信器、12は絶縁壁プラズマガイドで
あって、高周波コイル10により電磁加速するよう構成
し、発生した超音速プラズマ流９を絶縁壁５と絶縁壁ガ
イド12とにより超音速プラズマ流９を同軸通路の出口端
まで絶縁して誘導するようにしたものである。

【００２６】即ち、誘導放電型プラズマジェットのよう
な無電極放電では、プラズマの局所化が問題とならない
ため、図４に示したような単一の同軸構造の超音速プラ
ズマ生成器Ａも電磁加速器Ｂとの整合性の良い配位であ
り採用できる。更に本発明では、このようなプラズマジ
ェットで得られる超音速プラズマ流９を滑らかに電磁加
速器の入口まで導くために、図３，図４に図示した絶縁
壁プラズマガイド12を設けている。超音速プラズマ流９
が電磁加速器Ｂの入口まで到達するには、加速領域から
外部に漏れだしているプラズマ加速磁場を横切る必要が
あり、そのため運動方向と磁場方向の双方に垂直な方向
に起電力が発生することになる。いまこの起電力が流れ
の外側にある構造材等の導体を通して短絡する時、短絡
電流と磁場の作用で流れの抑止力が現れ、イオン源から
加速器への滑らかな輸送は阻止されてしまうことにな
る。絶縁壁プラズマガイド12はそのような短絡を阻止
し、イオン源から加速器までの滑らかなプラズマ輸送を
保証するためのものである。なお図４の配位は同軸ガン
型に対してのみ有効で、ホール加速器型では方位角方向
に短絡電流が現れるため、径方向に配した絶縁板12が必
要となる。

【００２７】図３のイオン源束の同軸ガンへの積載例を
図５に示している。図５において、図３と同一符号の個
所は同一の構成を示すものとする。図５において、同軸
に配位した陰極１より陽極２への複数のガス流８，８を
電離し、絶縁壁プラズマガイド12により、前記プラズマ
イオン流が電磁加速器Ｂの内側を支える構造材と短絡し
ないようにプラズマイオン流を絶縁して送り出す。19は
高エネルギープラズマ流で、滑らかなプラズマ輸送がで
きるようにすることが必要である。このためこの高エネ
ルギープラズマ流19は中心導体の陰極21とその外側を取
囲く陽極22の間で同軸ガン型電磁加速器Ｂが同軸円筒形
超音速イオン源Ａに直結して形成され、超音速プラズマ
流９はここで更に電磁加速され、高エネルギープラズマ
流19ができるのである。17は同軸ガン型電磁加速器Ｂの
中心導体である陰極21と陽極22との間を絶縁する絶縁壁
である。この場合、絶縁壁プラズマガイド12は中心電極
21を貫流する電流による方位角方向の磁場とイオン源Ａ
からの軸方向プラズマ流れによる動径方向の起電力が、
同軸ガン終端部の中心電極給電フランジ18を通して短絡
されることを防いでおり、その役割は重要である。

【００２８】上と同じイオン源束のホール加速器Ｃへの
実施例を図６に示した。図６において、図３と同じ符号
を付した部分は同一の構成を示す。図６に示すものは超
音速イオン源Ａと、ホール加速器Ｃ、低圧アーク電子源
Ｄとより成る。図６において、超音速イオン源Ａは図３
と概略同じ構成となっており、複数個の熱駆動型アーク
ジェットを同軸円筒状に束ねて設けた場合を示すもの
で、複数個のガス導入弁４，４を中心絶縁体23の周りに
同軸円筒状に設け、陰極１と陽極２との間に設けた電源
３により加速して、超音速イオン源Ａを形成するもので
ある。図６において、ホール加速器Ｃは超音速イオン源
Ａと同軸円筒状のイオン流の絶縁壁ガイド12によりイオ
ン流通路を形成した磁石27を接続する。加速器Ｃは、励
磁コイル26を巻回した強磁性体磁石27による磁気回路を
利用して動径方向磁場を発生させ、加速電源14をもった
外部回路により陽極22に高電圧ＶA を与えて軸方向にイ
オン電流をホール電流として陽極34に向けて加速するも
のである。このようなホール加速器Ｃにおける電子の流
れはやや複雑で、図示したようにまず超音速イオン源Ａ
から供給されたプラズマ９の電子成分20は陽極22の出口
端で矢印の電子流20が陽極22に吸収されて外部回路を貫
流する電流に乗って陰極33に輸送され、陰極部33で陽極
22からの高エネルギーイオン28を電子流29Ｂにより中和
する。また加速中のイオンビーム28の中性状態を保つた
め、陰極33から放出される電子の内のごく一部29Ａは磁
場を横切り陽極34へ向かい陽極34に吸収される。このよ
うに陰極部33では少なくともイオン電流に等しい大量の
電子の供給が必要となってくるため、図６では低圧アー
ク電子源Ｅを設けた例を示している。図の矢視Ｆ−Ｆは
陽極部22の断面を示しているが、本発明では陽極部22へ
の漏れ磁場により誘起される流れの抑止力を消去するた
め、動径方向にはしる絶縁板12Ａを数カ所の方位角位置
に設置し、反磁性電流を遮断して絶縁壁プラズマガイド
12の機能を確保する構造としたものである。

【００２９】

【発明の効果】本発明は核融合研究で常用されている静
電加速方式のビーム加熱器に比べ、10³〜10⁴倍の格段
に高い出力密度のイオンビームを高効率で生成する基本
原理に関するもので、本発明の実施により収束性の良い
大電力ビームが大幅に安価で入手可能となるため、次に
列記した多数の実施効果をがあり、その実用性は高い。

【００３０】：安価な大電力ビームを実現することに
より高温プラズマを容易に入手し得ることになり、核融
合研究を加速する。：磁場閉じこめ型の核融合炉に供するプラズマ加熱器
が大幅に安価に製造できるので、商用炉の経済性が向上
する。：大粒子束中性子源の建設が可能となる。：軽イオンビームによる慣性核融合炉実現の要となっ
ているビームの収束性が向上する。：水素を推進剤とし比推力及びエネルギー効率の高い
電磁推進器が実現され、ミッション速度の大幅な向上が
可能となる。：安価で安定した個体への高エネルギーイオン注入器
が実現できる。

【００３１】本発明は大電力高エネルギーイオンビーム
発生装置、磁場閉じこめ型核融合実験装置及び同実験
炉、超大電力パルス軽イオンビーム圧縮型慣性核融合実
験装置及び同実験炉、大粒子束中性子発生装置、高比推
力高効率電磁推進器、大電流イオン注入器の製作に当
り、安価で安定した運転が可能な収束性の良い大電力イ
オンビーム発生装置の制作が可能となる。

【００３２】本発明は単数または複数個の熱駆動型アー
クジェットにより生成される超音速プラズマ流をイオン
源とする電磁加速器、及び同型の電磁加速器で超音速プ
ラズマ流を電磁加速器入射口へ誘導するに際し漏れ加速
磁場により誘起する抑止力を絶縁物等を配置して消去す
る特別な構造を有することにより、高エネルギープラズ
マ流を生成できる工業上大なる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明において、超音速イオン源として
使用する熱駆動型プラズマジェット発生方式の原理説明
用模式図である。

【図２】図２は本発明において、使用する高周波誘導プ
ラズマジェット発生方式の原理を示す模式図である。

【図３】図３（Ａ），（Ｂ）は本発明において、絶縁壁
プラズマガイドを設けた超音速イオン源として使用する
熱駆動プラズマジェット発生方式の正面断面図及び側面
図である。

【図４】図４（Ａ），（Ｂ）は本発明において、絶縁壁
プラズマガイドを設けた高周波誘導プラズマジェット発
生方式の原理を示す模式的に示す正面断面図及び側面図
である。

【図５】図５は本発明において、同軸円筒状の超音速イ
オン源に同軸ガン型電磁加速器を組み合わせ状態を模式
的に示す断面図である。

【図６】図６は本発明において、同軸円筒型の超音速イ
オン源に同軸のホール加速器及び低圧アーク電子源とを
同軸に結合した高エネルギープラズマ流発生方式の原理
を模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１陰極２陽極３電源４ガス導入弁５アーク拘束壁６アーク駆動電流７電子流８ガス流８Ａ電離ガス流９超音速プラズマ流１０高周波コイル１１高周波発信器１２絶縁壁プラズマガイド 12Ａ径方向絶縁壁プラズマガイドＡ超音速イオン源Ｂ同軸ガン型電磁加速器Ｃホール加速器Ｄ低圧アーク電子源１３外部回路供給電流 14,15 ビーム加速電源１６ビーム駆動電流１７絶縁壁１８中心電極給電フランジ１９高エネルギープラズマ流２０電子流２１中心導体の陰極２２外部導体の陽極２３中心絶縁体２４中心導孔 24Ｅアース２５絶縁筒２６励磁コイル２７強磁性磁石２８ホール加速イオン流 29Ａ陽極電子流 29Ｂビーム中和電子流３０高エネルギープラズマ流３１低圧アーク電子源のガス導入弁３２低圧アーク３３低圧アーク電子源の陰極３４同陽極３５同電源３６アース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音速プラズマ流を発生させる複数個の
同軸円筒状通路の端部中心に設けた陰極と、該通路の出
口側に絶縁壁を介して設けた陽極と、前記陰極と陽極と
の間に設けた超音速プラズマ生成用電源とを設けると共
に、前記陽極と同軸で発生したプラズマをガイドするよ
う外方に突出して設けた絶縁壁プラズマガイドを設け、
各同軸通路において超音速プラズマ流を発生するよう超
音速イオン源Ａを構成したことを特徴とするプラズマ電
磁加速器。
【請求項２】超音速イオン源Ａと、同軸ガン型電磁加
速器Ｂとより成り、超音速イオン源Ａは超音速プラズマ
を発生させる複数個の同軸円筒状通路の各端部中心に設
けた陰極と、各通路の出口側に絶縁壁を介して設けた陽
極と、前記陰極と陽極との間に設けた超音速プラズマ生
成用電源と、前記陽極より外方に延在して設けた絶縁壁
プラズマガイドとを具備して成り、前記同軸ガン型電磁
加速器Ｂは同軸円筒状の超音速イオン源Ａの出口側に同
軸に絶縁して接続せられた中心導体の陰極部と、これを
円周状に取囲む外部導体とよりなる陽極と、前記中心導
体の陰極と外部導体の陽極との間を絶縁壁で絶縁してア
ーク駆動電源を接続したものより成り、超音速イオン源
で発生した超音速プラズマ流を更に電磁加速して同通路
で高エネルギープラズマ流を発生させるように構成した
ことを特徴とするプラズマ電磁加速器。
【請求項３】超音速イオン源Ａと、ホール加速器Ｃ
と、低圧アーク電子源Ｄとより成り、超音速イオン源と
ホール加速器陽極とは絶縁壁を介して同軸接続せられそ
の出口端に低圧アーク電子源が接続せられ、電子が盛ん
に放出される低圧アーク電子源の陽極でホール加速器の
陰極を構成し、その陰極よりビーム加速電源を介して外
部回路供給電流をホール加速器陽極に帰還して超音速イ
オン源の電子成分を吸収し、残りのイオン成分をホール
加速器陰極より発せられた電子が通路を包囲している電
磁石による磁場の作用で形成するホール電場により加速
し、高エネルギーイオンビームとし、同イオンビームが
ホール加速器陰極近傍を通過する際に同陰極より発せら
れた電子で中和し、高エネルギープラズマ流として出射
口から取り出すビーム加速器で、前記超音速プラズマ流
をホール加速器の入射口へ誘導するに際し漏れ加速磁場
により誘起する抑止力を絶縁物を配して消去するよう構
成したこと、及び電子を盛んに放出する低圧アーク電子
源を陰極に配したことを特徴とするプラズマ電磁加速
器。
【請求項４】超音速プラズマ流を発生させる同軸円筒
状の通路に複数個のガス導入弁を設け、発生するガス流
を包囲して絶縁壁を介して高周波コイルを配置し、発生
するプラズマ流を軸方向にガイドする絶縁壁プラズマガ
イドを外方に延在させて前記同軸通路において超音速イ
オン流を構成することを特徴とするプラズマ電磁加速
器。