JPH08500699A - 閉鎖電子ドリフトを持つ長さの短いプラズマ加速器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プラズマ加速器の主チャネルに磁界を発生する手段（３１〜３３、３４〜３８）は、主チャネル（２４）の下流端（２２５）に基本的に半径方向の磁界を発生し、この位置で誘導が最大となる。磁界は陽極（２５）近傍の遷移領域において最小誘導を有し、磁界の絶対誘導値は、バッファチャンバ（２３）の領域において陽極（２５）の上流に向かって再び増加して磁気ミラー効果を生み出す。磁力線は、陽極（２５）とチャネル（２４）の下流端（２２５）との間に下流に向かう凹部を持つことにより、イオンを集中させるとともに、最大イオン化密度の領域は陽極（２５）の下流に泣置する。磁界発生手段は、いくつかの別々の磁界発生手段（３１〜３３）と、主チャネル（２４）の両側でその外面に配置されるとともに中央磁心（３８）により互いに連結された半径方向に延びる平坦な内側及び外側磁極片（３５、３４）と、ヨーク（３６）と、主チャネル（２４）の外側で軸方向に配置された周辺磁気回路（３７）を備えている。ヨーク（３６）は、陽極（２５）のすぐ近傍に位置するとともに環状バッファチャンバ（２３）を貫通する半径方向部材からなり、環状バッファチャンバ（２３）と主チャネル（２４）との間に連通スペース（１３）が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 閉鎖電子ドリフトを持つ長さの短いプラズマ加速器技術分野 本発明は、特に宇宙推進に適用されるプラズマ加速器に関し、さらに詳しくは 、定常プラズマ（stationary plasma）加速器として、また米国では「ホール電 流加速器」としても知られる閉鎖電子ドリフト型のプラズマ加速器に関する。従来技術 電子加速器は基本的には宇宙推進用として使用される。これらは、イオン源ま たはプラズマ源として、特にイオン加工など、地上用としても使用される。その 高い比推力（１５００秒〜６０００秒）のために、これらは、化学推進力を利用 する加速器に比べて、衛星の質量をかなり節約することができる。 この種の加速器の典型的な用途の一つは静止衛星の南北制御であり、これによ って１０％から１５％の質量節約が可能になる。これらは、低軌道における抗力 の補償、ヘリオシンクロナス軌道（heliosynchronous orbit）の維持、および主 惑星間推進にも使用することができる。 イオンスラスタは、幾つかのカテゴリに分類することができる。 第１の種類のイオンスラスタは、カウフマン加速器としても知られ、イオン化 が衝撃によって行なわれる加速器によって構成される。この種のスラスタの例は 特に、ＥＰ―Ａ―０１３２０６５号公報（ＷＯ８９／０５４０４）、およびＥＰ ―Ａ―０４６８７０６号公報に記載されている。 衝撃によるイオン化を利用する加速器では、推力気体の原子を低圧で放電室に 注入し、そこで中空陰極によって放射され陽極によって捕集される電子に衝突さ せる。イオン化プロセスは、磁界によって増大される。特定数の原子―電子衝突 はプラズマを発生させ、そのイオンはプラズマの電位に対し負の電位である加速 電極（出口格子）によって引き付けられる。電極はイオンを集中させて加速し、 加速されたイオンは、広く拡散した状態でスラスタから放射する。次に、イオン 放射は、「中和器］として知られる外部中空陰極から放射される電子流によって 中和される。 この種のスラスタから得られる比推力（Ｉ_sp）は３０００秒台以上である。 電力要件は、推力１ｍＮ当たり３０Ｗ台である。 別の種類のイオン化加速器は、高周波イオン化を使用する加速器、接触による イオン化を利用する加速器、または電界放出加速器によって構成される。 衝突によるイオン化を利用する加速器を含むこれらの様々なイオン化加速器は 、イオン化機能とイオン加速機能とが明確に分離されているという共通する特徴 を持つ。 これらはまた、イオン光学系（ion optics）における電流密度が空間電荷現象 によって制限され、衝突によるイオン化を利用する加速器では、その密度は実際 問題として２ｍＡ／ｃｍ²ないし３ｍＡ／ｃｍ²に制限され、したがって単位面積 当たりの推力がかなり低くなるという事実を共有する。 さらに、こうした加速器、特に衝突加速器は、特定数の電気供給（４〜１０の 範囲）を必要とし、そのために変換および制御用の多少複雑な電子回路を実現し なければならない。 定常プラズマエンジン（ＳＰＤ）の開発計画および「メテオール］衛星を使用 して行われた試験に関するL.H.ARTSIMOVITCHらによる１９７４年の諭文は、定常 プラズマ加速器としても知られる閉鎖電子ドリフト型の加速器を開示しており、 これらは、イオン化と加速が区別されず、加速化頷域に同数のイオンと電子を含 み、それによって空間電荷現象を除去することができるという点で、他のカテゴ リの加速器とは異なる。 L.H.ARTSIMOVITCHらによる上述の諭文に提案された閉鎖電子ドリフト加速器に ついて、以下図２を参照して説明する。 絶縁材の部材２によって形成された環状チャネル１が電磁石内に配置され、こ の電磁石は、絶縁材の部材２の外側および内側にそれぞれ配置された外側および 内側環状磁極片３、４と、加速器の上流に配置された磁気ヨーク１２と、環状チ ャネル１の全長にわたって延在し、外側磁極片３をヨーク１２に接続する磁心１ ０の周囲に直列に接続された電磁コイル１１を備えている。接地された中空陰極 ７ はキセノン供給装置に結合され、チャネル１の下流側出口の前でプラズマ雲を形 成する。例えば３００ボルトの電源装置の正極に接続された環状陽極５は、環状 チャネル１の閉鎖上流部に配置されている。熱および電気絶縁体８と協働するキ セノン注入管６は、環状陽極５に近接して配置された環状分配チャネル９内に開 口している。 イオン化電子および中和化電子は、中空陰極７から供給される。イオン化電子 は、陰極７から供給されるプラズマの雲と陽極５の間に存在する電界によって、 絶縁環状チャネル１に引き付けられる。 電界Ｅとコイル１１によって形成された磁界Ｂの影響下で、イオン化電子は、 チャネル内の電界を維持するために必要な方位ドリフト軌道（azimuth drifttra jectory）に従う。 イオン化電子は次に、絶縁チャネル内の閉鎖軌道をドリフト移動して回る。こ の加速器の名前はこれに由来する。 電子のドリフト運動は、電子と中性原子の衝突の確率をかなり増加し、この衝 突がイオン（この場合はキセノン）を発生させる現象である。 キセノンで作動する従来の閉鎖電子ドリフトを持つイオン加速器から得られる 比推力は、１０００秒ないし２５００秒台である。 従来の閉鎖電子ドリフトを持つイオン加速器では、イオン化領域が形成されて おらず、その結果、これらはキセノンでしかよく作動せず、ジェットは拡散し（ ビームは±２０度以上の角度に広がり）、効率は約５０％に限定される。 さらに、ジェットの拡散は、通常アルミナと窒化ほう素の混合物である絶縁チ ャネルの壁の摩耗を引き起こす。 このようなエンジンの寿命は、約３０００時間である。 雑誌「ソビエト専門物理学（Soviet Physics Technical Physics），Vol.21， No.8,pp.987‐988」において、１９７６年８月にV.N.Dem'Yanenko、L.P.Zudkov 及びA.I.Morozovにより発表された「開放単レンズホール電流加速器］というタ イトルの諭文には特に、陽極の二つの機能は、円筒陽極を使用する一方、環状ガ ス分配器を使用することにより分離できることが提案されている。このようにす ることにより、イオン化ガス流を陽極の近くに均一に分配することが可能となる 。陽極と環状ガス分配器はバッファチャンバにより分離され均質化を達成する。 しかしながら、上記論文に開示されているプラズマ加速器は、高放電圧のパルス モードで作動するが、一般的に宇宙推進用としてはあまり適していない。発明の目的および概要 本発明の目的は、公知のプラズマ加速器の欠点を矯正することであり、さらに 詳しくは、その技術的特性が向上するように、特に、例えば衝突を利用したイオ ン加速器で起こる空間電荷を発生することなく、イオン化領域がよりよく形成さ れるように、閉鎖電子ドリフトを持つプラズマ加速器を改良することである。 本発明はまた、ジェットの拡散を減少し、イオンジェットの密度、その電気効 率、比推力、および寿命を増大することを目的とする。 本発明の別の目的は、エンジンの質量と寸法を減少することである。 これらの目的は、閉鎖電子ドリフトを持つ長さの短いプラズマ加速器により達 成され、この加速器は、絶縁材の部材によって形成され、下流側端部が開口した イオン化および加速のための主環状チャネルと、該主環状チャネルの下流部に隣 接し、その外側に配置された少なくとも１つの中空陰極と、主環状チャネルと同 心であって、開口した下流側端部からある距離を置いて配置された環状陽極と、 中空陰極および環状陽極にそれぞれ対応付けられ、イオン化ガスを供給する第１ および第２手段と、主環状チャネル内に磁界を形成する磁気手段と、半径方向の 寸法が主環状チャネルと少なくとも等しく、環状陽極が配置された領域を超えて 上流に延びる環状バッファチャンバとを備え、イオン化ガスを供給する第２手段 が、陽極が設けられた領域とは異なる領域において、陽極の上流で環状バッファ チャンバに開口したものであって、主チャネルに磁界を形成する手段は、チャネ ルの下流端で基本的に半径方向の磁界を生成するとともに、上記磁界はこの位置 で最大誘導を有する一方、陽極近傍に位置する遷移領域において最小誘導を有し 、上記磁界の誘導の絶対値はバッファチャンバの位置における陽極の上流で再び 増加して磁気ミラー効果を生み出し、上記磁界は陽極とチャネルの下流端との間 に下流に向かって凹部を持つことによりイオンを集中させるとともに、陽極の下 流 の領域は最大イオン化密度を有し、磁界を形成する手段は、複数の別々の磁界形 成手段と、主チャネルの両側でその外面と同一レベルに配置されるとともに中央 磁心により互いに連結された半径方向に延びる平坦な内側及び外側磁極片と、ヨ ークと、主チャネルの外側で軸方向に配置された周辺磁気回路とを備え、ヨーク は、陽極のすぐ近傍に位置するとともに環状バッファチャンバ内に貫通する半径 方向部材からなり、環状バッファチャンバと主チャネルとの連通スペースが半径 方向部材の間に形成されていることを特徴とする。 バッファチャンバの半径方向寸法は、主チャネルの半径方向寸法の１倍から２ 倍であるのが好ましい。 更に具体的には、別個の磁界形成手段は、主チャネルの下流側端部に近接して その周囲の外側に配置された第１手段と、磁気ミラー効果を生み出すため、陽極 に面しかつ部分的にバッファチャンバに延在する領域において中央磁心の周囲に 配置された第２手段と、該第２手段と主チャネルの下流側端部との間で中央磁心 の周囲に配置された第３手段とを備えている。 ある実施例では、第１、第２、および第３磁界形成手段が誘導コイルによって 構成されている。 特に、陽極とイオン化ガスマニホルドとの物理的分離のため、バッファチャン バが存在するため、および特定形態の磁界が確立されるために、本発明のプラズ マ加速器は、次のような利点を呈する。 ａ）より効果的なイオン化により効率が高まる。 ｂ）イオン化プロセスが改善されるので、キセノン、アルゴンなど種々の推力 ガスを容易にイオン化することが可能である。 ｃ）静電等電位が得られ、ジェットの拡散が軽減される。したがって、 ｃ１）衛星への組み込みが容易になる。 ｃ２）加速チャネルの摩耗が減少する。 更に詳しくは、陽極の上流の加速チャネル内とバッファチャンバの中央に特定 形態の磁界が形成されることにより、 ・プラズマの均質性が改善されるので、静電等電位線の歪みが加速領域におい て減少し、壁部におけるイオン損失を抑え、ビームの集中が増大する ・イオンが生成される領域の局部化が改善されるので、イオンエネルギの拡散 が減少する ・磁気ミラー効果により、陽極の上流で無形のプラズマ拘束が達成される。 磁界が、陽極近傍の最小値と加速チャネルの出口における最大値（約３００O ｅ）との間で変化するので、イオン化の確率が最大となる領域が常に得られる。 バッファチャンバの幾何形状により、陽極の上流にプラズマを延長することが できるとともに、磁気ミラー効果により保持することができる。 本発明によれば、中央磁心と周辺磁気回路との接続ヨークが陽極のすぐ近くに 位置しており、環状バッファチャンバ内に入り込んでいるので、磁気回路全体の 長さ、したがって質量を減少することが可能となり、中央磁心と周辺磁気回路と の接続ヨークがバッファチャンバの上流に位置している配置に比べ、質量と寸法 がかなり減少した加速器が実現できる。 主チャネルとの連通スペースを確保しつつバッファチャンバを貫通する接続ヨ ークは、様々な方法で実現することができる。 ヨークは、環状チャンバを貫通する円筒状磁気バーにより構成される半径方向 部材を備えてもよい。 この場合、磁気バーは、二つの部分からなるシースにより電気的に絶縁された 金属バーから構成され、上記二つの部分は主チャネルの壁とバッファチャンバの 壁にそれぞれ取り付けられる。 ある特定実施例において、磁気バーはその円周方向外端で、加速器を衛星構造 体に固定するための構造部材を構成する連続的な磁気リング（３６Ａ）により互 いに連結される。 磁気バーを、上記中央磁心および主チャネルの軸方向外側に配置された上記周 辺磁気回路をそれぞれ構成するフェライト部材により地面と電気的に絶縁された 金属バーで構成し、磁気バーを陽極と同電位にすることもできる。 別の実施例において、磁気バーは、これらをバッファチャンバ内に直接取り付 けることができる絶縁フェライト材料により構成される。 周辺磁気回路を、半径方向における外側磁極片とヨークとの間に設けられた１ 組の接続バーあるいは外殼により構成してもよい。 ヨークを、バッファチャンバと主チャネルの軸に実質的に垂直な面における半 径方向に延在するバーで構成することもできる。 しかしながら、別の実施例においては、ヨークは、小断面端部が中央磁心に接 続された截形円錐の母線に沿って半径方向に延在するバーからなり、上記截形円 錐の大断面端部は周辺磁気回路に接続されるとともに、その軸が、バッファチャ ンバと主チャネルの軸と実質的に一致している。 更に別の特定実施例においては、ヨークは、小断面端部が中央磁心に接続され 、大断面端部が周辺磁気回路を構成する外殼に接続された円錐台状のフェライト 部材からなり、該円錐台状部材の軸方向に形成されたチャネルが、環状バッファ チャンバと主チャネルとの間の連通スペースを構成している。 本発明は更に、バッファチャンバが複数の袋体を備え、該袋体が、陽極の近傍 で加速チャネルに開口し、加速器の軸の周囲に配列されるとともに、仕切りで分 離されており、該仕切りが、加速器の軸に平行で、袋状のバッファチャンバを貫 通することなくヨークを構成する円筒状磁気バーの通路を隣接する袋体の間に形 成しているプラズマ加速器に関する。 このようなバッファチャンバは一体的に形成することができる。 ある実施例によれば、イオン化ガスを供給する第２手段は、環状マニホルドを 介して陽極の上流の環状バッファチャンバに開口している。 袋状バッファチャンバの場合、環状マニホルドは、袋状バッファチャンバの異 なる袋体に開口する音速噴射口と協働している。 別の実施例によれば、イオン化ガスを供給する第２手段は、一つの音速噴射口 を介して陽極の上流の環状バッファチャンバに開口するとともに、上記音速噴射 口がバッファチャンバの最大径に沿って接線方向に取り付けられて渦を発生させ る。 加速器の平均径がチャネル幅に対し大きい場合、特定実施例によれば、中空陰 極は、中央円筒磁心の内部で加速器の軸に沿って配設されるとともに、超断熱ス クリーンにより上記中央磁心から断熱される。図面の簡単な説明 本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例として取り上げ、次の添付の図 面に関連して以下で示す特定の実施例の説明から明らかになる。 図１は、本発明の閉鎖電子ドリフトを持つプラズマ加速器の一例を示す輔方向 半断面正面図である。 図２は、従来の閉鎖電子ドリフトを持つプラズマ加速器の一例を示す軸方向断 面図である。 図３は、本発明のプラズマ加速器の構成要素の部分分解斜視図であり、二つの 部分からなるシースにより電気的に絶縁された金属バーを有するヨークを示して いる。 図３ａは、絶縁されたバーが図３の実施例においてどのように実現されている かを示す詳細図である。 図４は、図１と同様な本発明のプラズマ加速器の軸方向半断面図であるが、支 持プレートに対し異なる接続手段を有している。 図５は、本発明のプラズマ加速器の変形例の軸方向断面図であり、ヨークはフ ェライト製の接続バーを有している。 図６は、本発明のプラズマ加速器の変形例の軸方向断面図であり、接続バーを 金属製、磁気回路の部分をフェライト製としたものである。 図７は、本発明のプラズマ加速器の特定実施例の軸方向断面図であり、接続ヨ ークは円錐状に配置されたバーで構成されている。 図８は、本発明のプラズマ加速器の特定実施例の軸方向断面図であり、接続ヨ ークは軸方向接続チャネルが形成された円錐外殼で構成されている。 図９は、本発明のプラズマ加速器の特定実施例の軸方向断面図であり、外径を 増加させることなく、加速チャネルの円筒状延長部で構成されたバッファチャン バを備えている。 図１０は、本発明のプラズマ加速器の特定実施例の軸方向断面図であり、接線 方向のガスインジェクタと関連した長さの短いバッファチャンバを備えている。 図１１は、図１０の面XI―XIに沿った半断面図である。 図１２は、本発明のプラズマ加速器の特定実施例の軸方向断面図であり、複数 の袋体に分割されたバッファチャンバを有し、袋体の間には磁気バーが配設され ている。 図１３は、一体的に形成されたバッファチャンバと図１２のプラズマ加速器に 組み込まれる１組の磁気バーを示す分解斜視図である。 図１４は、本発明のプラズマ加速器の特定実施例の軸方向断面図であり、その 加速チャネルは幅よりも大きい平均径を有し、中空円筒状に形成された中央磁極 片の内部に中空陰極が配設されている。特定実施例の詳細な説明 図１は、本発明の閉鎖電子ドリフトを持つプラズマ加速器２０の一例を示して おり、絶縁材の１組の部材２２で環状チャネル２１を形成し、その上流部をバッ ファチャンバ２３によって構成される第１部分で、その下流部を加速チャネル２ ４によって構成される第２部分で形成したものである。 環状チャンバ２３の半径方向の寸法は、環状加速チャネル２４の半径方向の寸 法の１倍から２倍とすることが望ましい。軸方向には、バッファチャンバ２３は 加速チャネル２４より少し短くすることができ、その長さは、加速チャネル２４ の半径方向の寸法ｄの約１倍から１．５倍とすることが望ましい。 陽極２５は、電線４３によってＤＣ電源４４（約２００Ｖないし３００Ｖ）に 接続されており、加速チャネル２４の入口でバッファチャンバ２３のすぐ下流の 領域において環状チャネル２１を形成する絶縁部材２２上に配設される。陽極２ ５に電力を送る電線４３は、バッファチャンバ２３を形成する絶縁材の部材２２ ３、２２４を貫通する絶縁管４５内に配置される。 キセノンなどのイオン化ガスを供給する管２６もまた、バッファチャンバ２３ の端壁２２３を貫通し、バッファチャンバ２３の端部に配置した環状ガスマニホ ルド２７内に開口せしめられている。 １組の絶縁部材２２によって形成されたチャネル２１は、基本的には３つのコ イル３１、３２、３３および磁極片３４、３５で構成される磁気回路内に配置さ れる。 平坦な外側および内側磁極片３４、３５は、加速チャネル２４の外側の加速器 の出口面に配置され、加速チャネル２４の下流開放部において、加速器２０の出 口面５９と実質的に平行な磁力線を形成する。 磁極片３４、３５によって構成される磁気回路は、加速器の外周に基本的に円 筒状に配置された接続バー３７および軸方向中央磁心３８によって閉じられる。 強磁性材料の中央磁心３８および強磁性材料の接続バー３７は、強磁性材料の後 部接続ヨーク３６に接触している。ヨーク３６は、実質的に半径方向に延在し、 陽極２５に近接して配置される部材により構成されるとともに、バッファチャン バ２３を貫通しており、バッファチャンバ２３と環状チャネル２４との間には連 通スペース１３６が形成されている。 絶縁部材２２と接続バー３７との間に、汚染防止あるいは放射線防止スクリー ン３９を配置することもできる。接続バー３７およびスクリーン３９は、汚染防 止スクリーンとして作用すると同時に、磁気回路を閉じるために作用する円筒形 または円筒円錐形（cylindro-conical）の外殼に置換してもよい。 加速器の動作に必要な電子は、従来設計の中空陰極４０によって提供される。 電線４２によって電源４４の負極に電気的に接続された陰極４０は、そこにキセ ノンなどのイオン化ガスを供給するための回路４１を備えており、これは加速チ ャネル２４の出口領域の下流に配置される。 中空陰極４０は実質的に基準電位にあるプラズマ２９を発生し、陽極２５と陰 極４０の間の電位差のために、静電界Ｅの影響下で、電子はそこから陽極２５に 向かって抽出される。 これらの電子は、電界Ｅおよび磁界Ｂの影響下で、加速チャネル２４内に方位 ドリフト軌道を持つ。 一般的に、チャネル２４の出口における磁界は、１５０Oeないし２００Oeであ る。 １次電子は静電界Ｅによって加速され、低エネルギの２次電子を発生する絶縁 体２２の壁に衝突する。 電子は、バッファチャンバ２３からのキセノン中性原子と衝突する。 このようにして形成されたキセノンイオンは、加速チャネル２４で静電界Ｅに よって加速される。 電子があるので、加速チャネル２４内に空間電荷はない。 イオンビームは、中空陰極４０から来る少量の電子により中和される。 コイル３１〜３３および磁極片３４、３５が配置されているので、半径方向の 磁界の勾配を制御することにより、イオン加速機能を陽極２５に近い領域で得ら れるイオン化機能から分離することが可能になる。このイオン化領域は、部分的 にバッファチャンバ２３内まで延ばすことができる。 本発明の加速器の重要な特徴は、イオン化領域の最適化を可能にするバッファ チャンバ２３の存在にある。 従来の閉鎖電子ドリフトを持つ加速器では、イオン化のかなりの部分が中間部 で発生する。イオンの一部は壁に衝突し、それによって壁は急速に磨耗し、スラ スタの寿命は短くなる。バッファチャンバ２３は、半径方向のプラズマ濃度の勾 配の低下を促進するとともに、加速チャネル２４の入り口における電子の冷却を も促進し、それによってイオンビームの壁への拡散を減少し、壁との衝突による イオンの損失を回避する。これは、効率を高め、加速器の出口におけるビームの 拡散を減少するという両方の効果を持つ。 本発明のモータの別の重要な特徴は、異なる寸法でもよい３つのコイル３１〜 ３３を設けたことであり、これらを特定の部位に配置することにより磁界を最適 化することができる。 かくして、第１コイル３１は主チャネル２４の下流側端部２２５付近で主チャ ネルの周囲および外側に配置される。第２コイル３２は、陽極２５に面する領域 で中央磁心３８の周囲に配置され、部分的にバッファチャンバ２３の方にも延在 せしめ、磁気ミラー効果を生み出すこともできる（図７および図８）。第３コイ ル３３は、中央磁心３８の周囲における第２コイル３２と主加速チャネル２４の 下流側端部２２５との間に配置される。コイル３１、３２、３３は異なるサイズ とすることができる。３つのコイル３１、３２、３３をうまく区別したことによ り、従来の加速器に比べて、よりよく方向付けされた磁力線を形成する効果を果 たし、それによって、よりよく方向付けられ、より平行なジェットを得ることが 可能になる。 生成された磁界は、主加速チャネル２４の端部２２５において基本的に半径方 向に存在し、この位置で最大の磁気誘導を有する。磁界は、陽極近傍で最小値を 有し、この最小値は０の場合もある。磁界の絶対値は、特にバッファチャンバ２ ３内で陽極２５の上流に向かって再び増加する。磁界のこのような形態は磁気ミ ラー効果を生み出し、プラズマのバッファチャンバ２３への伝播を防止する。 変形例では、磁界を形成するためのコイル３１〜３３を、少なくとも部分的に 、加速器の動作温度より高いキュリー点を持つ永久磁石に置換することができる 。 環状コイル３１はまた、円辺磁気回路を構成する様々な異なる接続バー３７の 周囲に配置された１組の個々のコイルと置換することもできる。 磁極片３４、３５、中央磁心３８、バー３７、およびヨーク３６によって構成 される磁気回路の材料は、軟鉄、超純鉄、または高い透磁率を持つ鉄―クロム合 金とすることができる。 例えば、磁極片３４、３５は軸方向に約２０ミリメートルとすることもできる 。 各コイル３１、３２、３３のアンペアターン数、およびこれらのコイルのそれ ぞれの長さと直径の比率は、基本的に半径方向の磁界が加速チャネルで形成され るように決定されるとともに、最大の磁界が加速器の出口面５９に位置し、出口 ２２５付近のその磁力線が基本的に出口面５９と平行になり、陽極２５付近のそ の磁力線が基本的にこの領域における推力ガスのイオン化を促進するように配置 される。 バッファチャンバ２３と１組の異なるコイル３１、３２、３３を組み合わせた 本発明のイオンスラスタは、５０％ないし７０％台の電気効率を達成することを 可能にし、以前から知られていたシステムより平均で約１０％ないし２５％の改 善を可能にした。 さらに、本発明の実施例において、出口で得られたジェットはほぼ円筒形で、 イオンジェットの拡散は約±９度という非常に小さいものであった。かくして、 ８０mmの外径を持つ加速チャネルを使用すると、出口面５９から測定した加速器 の外側８０mmの距離において、９０％のエネルギが加速チャネルの直径内に集中 した。 一般に、本発明の加速器は、より大きい推力密度（例えば、単位面積当たり１ ｍＮ／ｃｍ²ないし２ｍＮ／ｃｍ²台の推力密度）を可能にする。したがって、優 れた効率をも達成しながら、所定の推力に対し、より小型でより軽量の加速器を 提供することが可能になる。 寿命に関しては、公知の加速器は約３０００時間の寿命である。 対照的に、本発明のプラズマ加速器は、より円筒状に近いイオン化ジェットに よりチャネル２４の摩食が減少するために、少なくとも５０００時間ないし６０ ００時間の寿命を得ることができる。 本発明のプラズマ加速器は多くの変形例が可能である。 図１に示される例では、磁気回路は、外側磁極片３４、内側磁極片３５、磁心 ３８、接続ヨーク３６、および軸方向の強磁性バー３７を備えており、強磁性バ ー３７を、接続ヨーク３６の一部を構成するとともに、衛星の加速器として使用 する際アセンブリプレートに直接固定するのに適した外側リング３６Ａまで延在 せしめたので、加速器の重心に非常に近い位置に固定部を設けることができ、振 動性能が改善している。また、図１に示されるように、加速器はアセンブリプレ ートに非磁性円筒外殻６９で連結されるので、この外殻はアセンブリインターフ ェースを構成している。 中央磁心３８と軸方向の強磁性バー３７との間の接続ヨークは、主チャネル２ ４と陽極２５のすぐ上流でバッファチャンバ２３を貫通する強磁性材料の半径方 向のバー３６で構成されており、図３に明確に図示されているように、バッファ チャンバ２３と主チャネル２４との間を連通させるための大きな連通スペース１ ３６が形成されている。 バー３６の数は、例えば３本から９本の範囲とすることができる。外側リング ３６Ａはワッシャ状に形成されており、バー３６と一体的に形成してもよい。 図１、３、３Ａの実施例に示されるように、バー３６は絶縁シース１４１、１ ４２により電気的に絶縁される。シース１４１、１４２は、主チャネル２４の壁 ２２とバッファチャンバ２３の壁２２４にそれぞれ取り付けられた二つの部分１ ４１、１４２で構成するのが好ましい。更に詳述すれば、図３および図３Ａに示 される実施例において、バー３６の断面は半円筒形で、シース１４１はバー３６ の半円筒形状に適した断面を有する一方、シース１４２は平坦状で、バー３６の 平坦面を覆っている。 図４は変形例の軸方向の半断面斜視図を示しており、バー３６は半径方向のア ームで構成されるとともに、このアームはその外側をリング３６Ａにより互いに 接続されていない。様々な軸方向のバー３７が半径方向のバー３６の外側端部に 直接接続されている。各バ−３６はまた、衛星に取り付けるためのベースプレー ト１４５にスペーサ１４６により接続されている。中央磁心３８自体は、ベース プレート１４５の延長部１４７により保持されている。 簡略化のため、図３、図４および図５ないし図８には、陽極２５の電気供給手 段等の図１に示される様々な部材は示されていない。 図５の実施例において、軸方向のバー３７は強磁性材料の外殻３７ａにより置 換されている。半径方向のバー３６はそれ自身、電気的に絶縁する軟質フェライ トでできている。したがって、このバー３６は、図１、３および４の実施例のよ うに、絶縁シース１４１、１４２によって覆う必要がない。バー３６を軟質フェ ライト製とすると、静電界はバー３６の近傍で乱れることがない。 同じような膨張係数を有するセラミックとフェライトを選択した上で、ガラス シーラントあるいはセメントを使用して、バー３６と主チャネル２４の絶縁セラ ミック壁２２との間をシールするようにしてもよい。 例えば、図５に示される特定形状では、フェライト製の７本の半径方向円筒バ ー３６により、外殻３７ａと中央磁心３８との間で磁気回路を閉じている。 図６の実際例においては、接続バー３６は強磁性金属でできているが、絶縁シ ースに覆われていない。対照的に、中央磁心３８と、磁気回路の軸方向における 外側部分を構成する（バー形状あるいは外殻形状の）部材３７ｂは電気絶縁フェ ライトでできている。 このような状況で、金属バー３６を陽極と同じ電位としてもよく、この場合、 陽極２５としてあるいは別の陽極として作用する。 図７は、半径方向の接続バー３６は加速器の軸に垂直な面には配置されておら ず、底面が加速器の下流端に向いた円錐の母線に沿って配置された実施例を示し ている。円錐の底面はしたがって、磁気回路の軸方向における外側部分を構成す る外殼３７ａによって形成されるとともに、円錐の先端あるいは截形円錐の小断 面はバソファチャンバ２３を介して中央磁心３８に接続されている。この実施例 により、バッファチャンバ２３と主チャネル２４との連結部の近傍に長いコイル ３２を配設することが可能となる。 図８は、接続ヨーク３６が個々のバーではなく、フェライトの円錐部材で構成 された実施例を示しており、円錐部材の大きな底面は加速器の下流端に向けられ て、磁気回路の軸方向外側部分を構成する円筒外殻３７ａに接続される一方、そ の先端は中央磁心３８に接続され、円錐部３６は陽極２５の上流のバッファチャ ンバ２３を貫通している。バッファチャンバ２３はしたがって、円錐部３６を軸 方向に貫通するチャネル１３６を介して連通する二つのキャビティに細分されて いる。チャネル１３６の数あるいは断面は十分に大きく、ガス流に対する抵抗は 無視できる。 図７の実施例と同様、接続ヨーク３６を陽極２５の上流のバッファチャンバ２ ３を貫通する円錐状にしたので、バッファチャンバ２３と主チャネル２４との連 結部の近傍に比較的長いコイル３２を配置することが可能となる。 図９は本発明のプラズマ加速器を示しており、バッファチャンバ２３は加速チ ャネル２４の円筒状延長部を構成している。この場合、バッファチャンバ２３の 横方向寸法と外形は、加速チャネル２４と同じである。 バッファチャンバ２３と加速チャネル２４を順次有する環状チャネル２１は、 １組の部材２２２，２２３，２２４により形成されており、その壁部２２４の外 面には、取付フランジ１４５に取り付けるためのフランジ３２３が加速器の軸に 垂直に設けられ、磁気回路の軸方向の外側部分を構成する外殼３７ａが取付フラ ンジ１４５と当接している。加速器が衛星の支持構造に固定される取付面が基準 面２４５となっている。 図９の加速器の構造の他の部分は、例えば図５の実施例と同じもよい。しかし ながら、イオン化ガスを供給する環状マニホルド２７は、バッファチャンバ２３ と加速チャネル２４とを形成する内部部材２２２の近傍でバッファチャンバ２３ の底部２２３の近くに配設するのが好ましい。 図１０及び図１１は本発明のプラズマ加速器を示しており、バッファチャンバ ２３の長手方向の長さは短く、加速チャネル２４の横方向の寸法よりも僅かに短 い。 この場合、環状マニホルド２７を、ガスをバッファチャンバ２３内に接線方向 に導入する音速噴射口を有する接線方向のガスインジェクタ２２７と置き換える ことにより、バッファチャンバ２３の長手方向の長さが短いにもかかわらず、ガ ス流を均一化する渦効果が発生する。図１０及び図１１の加速器の他の部分は、 例えば図６の実施例と同様に構成してもよいので、その説明はしない。 図１２は、本発明のブラズマ加速器の特定実施例を示しており、バッファチャ ンバ２３は図１３の斜視図で示されるように、複数の袋体を持ち、この袋体は、 陽極２５の近傍で加速チャネル２４に開口するとともに、加速器の軸の周囲に配 列され、加速器の軸に平行な仕切りにより分離されている。モータの軸に基本的 に平行な仕切りには、隣接する袋体との間に、ヨークを構成する磁気バー３６の 通路４２３が形成されている。この場合、一体的に形成され、例えばガラスある いは石英のブロー成形により製作されるバッファチャンバ２３を、磁気バー３６ は物理的に貫通することはない。バッファチャンバ２３はある程度バーの周囲に 成形してもよく、ブロー成形ではなく金型で製作することもできる。袋状のバッ ファチャンバ２３の壁部２２３は、加速チャネル２４の円筒部２２の材料と異な る材料で製作される。袋状のバッファチャンバ２３の壁部２２３の下流端と陽極 ２５を支持する環状チャネル２１の壁部２２の上流端との連結部は基準面５２３ となっている。 環状マニホルド２７は、バッファチャンバ２３の壁部に前以て取り付けてもよ い。環状マニホルド２７は、袋状のバッファチャンバ２３の異なる袋体に開口す る音速噴射口１２７と協働している。図１２からわかるように、環状マニホルド ２７自体がバッファチャンバ２３の下流に位置しているので、噴射は上流端に向 かって行なうのが好ましい。イオン化ガスの好ましい噴射は、陽極２５の上流の ある位置で常に行われる。 バッファチャンバ２３は、例えば３個ないし９個の袋体を備え、磁気バー３６ は通路４２３内に配設されるとともに、磁気バーの数は袋体の数に等しい。 部材３６，３８，３５及びコイル３２，３３で構成される磁気回路は、バッフ ァチャンバ２３の後部より入れることができる。 図１４は、プラズマ加速器に適用される本発明の特定実施例を示しており、こ の実施例の加速チャネル２４は、チャネル幅よりも平均径が重要である。この場 合、中央磁極片３８は円筒状に形成され、モータ軸に沿って配設される中空陰極 ４０を挿入する自由空間が中央に設けられている。コイル３２，３３が陰極４０ により過熱されないように、例えば円錐状で下流端が開口した超断熱スクリーン １４０が陰極４０の周囲に配設されており、陰極４０のビームは自由空間に向か ってのみ広がりうる。陰極４０は、機械的支持手段２４０により円筒状の中央磁 極片３８に対し特定の位置に保持されている。 図１２及び図１４は、バー３６と外殼３７ａとの間の接続部近傍に配設され、 加速器を衛星に取り付けるための取付フランジ１４５を示している。 上記実施例のすべてにおいて、磁気回路をバッファチャンバ２３の上流の加速 器端部に到達しないようにしたので、操作を妨げることなく加速器の全長および 質量を減少することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブグロワ、アントニーナ ロシア 129041 モスクワ、アパルトマン 311、ドゥズィエムマン・クレストフスキ ー ８番 【要約の続き】 部材からなり、環状バッファチャンバ（２３）と主チャ ネル（２４）との間に連通スペース（１３）が形成され ている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．絶縁材の部材（２２）によって形成され、下流側端部（２２５）が開口し たイオン化および加速のための主環状チャネル（２４）と、該主環状チャネル（ ２４）の下流部に隣接し、その外側に配置された少なくとも１つの中空陰極（４ ０）と、主環状チャネル（２４）と同心であって、開口した下流側端部（２２５ ）からある距離を置いて配置された環状陽極（２５）と、中空陰極（４０）およ び環状陽極（２５）にそれぞれ対応付けられ、イオン化ガスを供給する第１およ び第２手段（４１、２６）と、主環状チャネル（２４）内に磁界を形成する磁気 手段（３１〜３３、３４〜３８）と、半径方向の寸法が主環状チャネル（２４） と少なくとも等しく、環状陽極（２５）が配置された領域を超えて上流に延びる 環状バッファチャンバ（２３）とを備え、イオン化ガスを供給する第２手段（２ ６）が、陽極（２５）が設けられた領域とは異なる領域において、陽極（２５） の上流で環状バッファチャンバ（２３）に開口した閉鎖電子ドリフトを持つ長さ の短いプラズマ加速器において、 主チャネル（２４）に磁界を形成する手段（３１〜３３、３４〜３８）は、チ ャネル（２４）の下流端で基本的に半径方向の磁界を生成するとともに、上記磁 界はこの位置で最大誘導を有する一方、陽極（２５）近傍に位置する遷移領域に おいて最小誘導を有し、上記磁界の誘導の絶対値はバッファチャンバ（２３）の 位置における陽極（２５）の上流で再び増加して磁気ミラー効果を生み出し、上 記磁界は陽極（２５）とチャネル（２４）の下流端（２２５）との間に下流に向 かって凹部を持つことによりイオンを集中させるとともに、陽極（２５）の下流 の領域は最大イオン化密度を有し、磁界を形成する手段は、複数の別々の磁界形 成手段（３１〜３３）と、主チャネル（２４）の両側でその外面と同一レベルに 配置されるとともに中央磁心（３８）により互いに連結された半径方向に延びる 平坦な内側及び外側磁極片（３５、３４）と、ヨーク（３６）と、主チャネル（ ２４）の外側で軸方向に配置された周辺磁気回路（３７）とを備え、ヨーク（３ ６）は、陽極（２５）のすぐ近傍に位置するとともに環状バッファチャンバ（２ ３）内に 貫通する半径方向部材からなり、環状バッファチャンバ（２３）と主チャネル（ ２４）との連通スペース（１３）が半径方向部材の間に形成されていることを特 徴とするプラズマ加速器。 ２．バッファチャンバ（２３）の半径方向寸法が、主チャネル（２４）の半径 方向寸法の１倍から２倍であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ加速 器。 ３．別個の磁界形成手段（３１〜３３）が、主チャネル（２４）の下流側端部 （２２５）に近接してその周囲の外側に配置された第１手段（３１）と、磁気ミ ラー効果を生み出すため、陽極（２５）に面しかつ部分的にバッファチャンバ（ ２３）に延在する領域において中央磁心（３８）の周囲に配置された第２手段（ ３２）と、該第２手段（３２）と主チャネル（２４）の下流側端部（２２５）と の間で中央磁心（３８）の周囲に配置された第３手段（３３）を備えたことを特 徴とする請求項１に記載のプラズマ加速器。 ４．第１、第２、および第３磁界形成手段（３１、３２、３３）が誘導コイル によって構成されたことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ加速器。 ５．バッファチャンバ（２３）が複数の袋体を備え、該袋体は、陽極（２５） の近傍で加速チャネル（２４）に開口し、加速器の軸の周囲に配列されるととも に、仕切りで分離されており、該仕切りは、加速器の軸に平行で、袋状のバッフ ァチャンバ（２３）を貫通することなくヨーク（３６）を構成する円筒状磁気バ ーの通路（４２３）を隣接する袋体の間に形成していることを特徴とする請求項 １ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ加速器。 ６．袋状のバッファチャンバ（２３）が一体的に形成されていることを特徴と する請求項５に記載のプラズマ加速器。 ７．ヨーク（３６）が、環状チャンバ（２３）を貫通する円筒状磁気バーによ り構成される半径方向部材を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれ か１項に記載のプラズマ加速器。 ８，磁気バー（３６）が、二つの部分からなるシース（１４１、１４２）によ り電気的に絶縁された金属バーから構成され、上記一つの部分は主チャネル（２ ４）の壁（２２）とバッファチャンバ（２３）の壁（２２４）にそれぞれ取り付 けられていることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ加速器。 ９．磁気バー（３６）がその円周方向外端で、加速器を衛星構造体に固定する ための構造部材を構成する連続的な磁気リング（３６Ａ）により互いに連結され ていることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ加速器。 １０．磁気バー（３６）が、上記中央磁心（３８）および主チャネル（２４） の軸方向外側に配置された上記周辺磁気回路（３７）をそれぞれ構成するフェラ イト部材（３７ｂ、３８ｂ）により地面と電気的に絶縁された金属バーで構成さ れるとともに、磁気バー（３６）を陽極（２５）と同電位にしたことを特徴とす る請求項７に記載のプラズマ加速器。 １１．磁気バー（３６）が、これらをバッファチャンバ（２３）内に直接取り 付けることができる絶縁フェライト材料により構成されていることを特徴とする 請求項７に記載のプラズマ加速器。 １２．周辺磁気回路（３７）が、半径方向における外側磁極片（３４）とヨー ク（３６）との間に設けられた１組の接続バーからなることを特徴とする請求項 ７ないし１０のいずれか１項に記載のプラズマ加速器。 １３．周辺磁気回路（３７）が外殻により構成されていることを特徴とする請 求項１ないし１１のいずれか１項に記載のプラズマ加速器。 １４．ヨーク（３６）が、バッファチャンバ（２３）と主チャネル（２４）の 軸に実質的に垂直な面における半径方向に延在するバーからなる請求項１ないし １２のいずれか１項に記載のプラズマ加速器。 １５．ヨーク（３６）が、小断面端部が中央磁心（３８）に接続された截形円 錐の母線に沿って半径方向に延在するバーからなり、上記截形円錐の大断面端部 は周辺磁気回路（３７）に接続されるとともに、その軸が、バッファチャンバ（ ２３）と主チャネル（２４）の軸と実質的に一致していることを特徴とする請求 項１ないし１２のいずれか１項に記載のプラズマ加速器。 １６．ヨーク（３６）が、小断面端部が中央磁心（３８）に接続され、大断面 端部が周辺磁気回路（３７）を構成する外殼（３７ａ）に接続された円錐台状の フェライト部材からなり、該円錐台状部材の軸方向に形成されたチャネル（１３ ６）が、環状バッファチャンバ（２３）と主チャネル（２４）との間の連通スペ ースを構成していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の プラズマ加速器。 １７．イオン化ガスを供給する第２手段（２６）が、環状マニホルド（２７） を介して陽極（２５）の上流の環状バッファチャンバ（２３）に開口しているこ とを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ加速器。 １８．環状マニホルド（２７）が、袋状のバッファチャンバ（２３）の異なる 袋体に開口する音速噴射口（１２７）と協働していることを特徴とする請求項５ 及び１７に記載のプラズマ加速器。 １９．イオン化ガスを供給する第２手段（２６）が、一つの音速噴射口（２２ ７）を介して陽極（２５）の上流の環状バッファチャンバ（２３）に開口すると ともに、上記音速噴射口がバッファチャンバの最大径に沿って接線方向に取り付 けられて渦を発生させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記 載のプラズマ加速器。 ２０．中空陰極（４０）が、中央円筒磁心（３８）の内部で加速器の軸に沿っ て配設されるとともに、超断熱スクリーン（１４０）により上記中央磁心（３８ ）から断熱されていることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれか１項に記 載のプラズマ加速器。