JPH11506565A - ガス放電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はプラズマ技術に関し、技術的目標及び宇宙電気推進装置においてイオンなど、荷電粒子のビームを生成するのに使用可能である。ガス放電装置が、少なくとも１つの面壁部を備えて軸心に対称な室と、高周波電力入力部と、前記室内に、静止した非均一な磁場を生成する磁気システムとを備えている。誘導磁場が、前記室の対称軸心に向かって半径方向に、ならびに前記高周波電力入力部の領域に相対する、前記室の面部に向かって縦方向に減少する。本発明は、高周波電力入力部がジグザグに周期的な形状の導体として構成され、プラズマ生成領域を含む前記室の側壁部および面壁部に配置され、室の水平寸法がその縦寸法を越えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス放電装置 技術分野 本発明は、プラズマ技術に関し、基礎技術と航空宇宙設備のイオンエンジンと におけるイオンなどの荷電粒子流の生成に使用できる。 背景技術 既知のガス放電装置（ＧＢ，Ａ，１３９９６０３，ＨＯ１Ｊ２７／００，１０ ７２）は、２つの面壁部を備え、該面壁部の一つが部分的に透明につくられた、 軸心に対称な室と、静止した非均一な磁場を前記室内で生成する磁気システムと 、高周波生成器(HF generator)に接続された高周波電力入力部(HF power input unit)とから構成されている。前記高周波電力入力部は少なくとも２つの電流導 体により形成されている。 既知の装置ではプラズマ波自体における励振(excitation)によりプラズマが生 成される。この場合、プラズマに有効な高周波電力が入力され、適切なイオン化 係数値が、イオン化には十分低い特定のエネルギ消費量で達成される。 入力電力の共鳴吸収は、０．０１５ないし１．５Ｐａのガス圧力で発生し、誘 導電磁場の値Ｂは０．１Ｔ１未満である。しかし、前記の条件下では、ガス放電 装置のガスの減少のためにプラズマ密度はかなり増加する。 放電室で軸心に対称で非均一な静止磁場を生成する磁気システムから成るガス 放電装置（ＲＵ，出願９５１１０３２７／０７、公告日１０．０８．９６）も知 られている。前記磁場の誘導電磁場(magnetic induction)は室の対称軸心に向か うほど減少する。高周波電力入力部は、たとえばｎ極コンデンサ(n-pole capaci tor)の形態をした数個の電流導体により形成され、前記室内の高周波領域の縦方 向非回転電気部品を励起するよう構成されている。 上記の構成では、０．０１ないし０．０５Ｔ１の範囲の誘導電磁場(magnet fi eld induction)の最高値および４０ないし１００ＭＨＺの範囲の高周波を選択す ることで、プラズマ波が励起される。上記の条件下でプラズマ波を共鳴励起(res onance excitation)すると、ガス放電装置のエネルギおよびガス効率(an energy and gas efficiency)が増大することになる。 本発明に最も近い試作品は、開放面壁部(open face wall)を１つ備えた円筒型 室と、数個の電流導体で形成されて該室の側面に対称的に配置されている高周波 電力供給部と、前記室に該室の対称軸心に向かって半径方向にだけでなく電力入 力部の位置から縦方向にも誘導磁場が減少する静止磁場を供給する磁気システム とから構成されるガス放電装置（ＧＢ，Ａ，２２３５０８６，ＨＯ１Ｊ２７／１ ６，１９９１）である。 前記の既知のガス放電装置は、最適の磁場構成(magnetic field configuratio n)と電力入力装置の構成とを選択することによって電力入力の効率を増大させる ことができる。 しかし、上記装置はどれも入力電力〔使用ガス(working body)のイオン化のた め〕の充分な利用を実行するものではない。 発明の開示 本発明は、前述のタイプのガス放電装置のエネルギおよびガス効率を増大化し 、このことにより所与のパラメータでプラズマを生成する費用を減少させること を目的とする。 顕著な技術的成果は次の通りである。 少なくとも１つの面壁部(face wall)を有して軸心に対称な室と、前記室の外 壁に軸芯を共有して配設されて高周波電力を前記室に入力する高周波電力入力部 と、前記室の対称軸心に向かって半径方向だけにでなく前記高周波電力入力部が 配置 されている前記室内の領域から縦方向にも誘導磁場が減少する静止磁場を供給す る磁気システムとを備えたガス放電装置において、前記室の前記面壁部および側 面壁部に配設されたジグザグに周期的な形状の導体として前記高周波電力入力部 が構成され、前記磁気システムが、前記高周波電力入力部が配設されている領域 に相対する前記室の面部分に向かって縦方向に誘導磁場が減少する磁場を生成す るよう調整されていることを特徴とするガス放電装置。 前記装置のガス効率を増加するためには、水平寸法が鉛直寸法(longitudinal dimension)より大きい室を使用するのが有益である。 前記高周波電力入力部を配置した側から面壁部に配設されたガス分配器(gas d istributor)を前記室に設けることが有益である。 ガス放電装置は、前記室が固定されている組立フランジにより収容される。こ の場合には、高周波電力入力部の電気端子用とガス分配器用との気密ガスケット (air-tight gasket)、ならびに組立フランジを真空室の調整フランジに固定する プラグ接続部材が前記組立フランジに取り付けられる。 間に密閉カラーを配置した２つの支持体(bolster)と、該支持体のうちの一つ に軸心を共有して配設された密閉ボルトとで気密ガスケットを構成するのが望ま しい。 図面の簡単な説明 本発明は、以下に示す詳細な説明や添付図面から一層完全に理解されるであろ う。ただし、これら詳細な説明と図面とは例示として示しているだけなので、本 発明を限定するものではない。 図１は、本発明によるガス放電装置の構成を示し、イオン光学システム、磁気 システムおよびフランジを概略的に示す。 図２は、図１による室の内部に構成された放電アンテナの形状を示す。 図３は、本発明によるガス放電装置の支持部分を示す。 発明を実施するための最良の形態 本発明によるガス放電装置は、プラズマ化学反応器(plasma chemical react or)ならびにイオン・ビーム設備の構成要素や電気推進システムの部品など、改 変された様々な技術設備の構成要素として使用できる。 イオン・ビーム設備の一部として実現される、本発明によるガス放電装置が、 添付図面を参照して以下に説明される。設備（図１を参照）は、構成する軸心方 向に対称な真空管(bulb)としての室１と、高周波電力入力部となる高周波アンテ ナ２と、イオン光学システムとを有する。このイオン光学システムは、２つの電 磁コイル(electromagnetic reels)６と、ガス入口７と、高周波アンテナ２およ び電極３，４，５の電気端末の気密ガスケット８と、組立フランジ(assembling flange)１０と、調整フランジ(adjusting flange)１１とから構成される。 高周波電力入力部となるアンテナ２は、ジグザグに周期的な形状の導体として 製造され、その一部は前記室の側壁部に配置され（図１を参照）他の一部は室１ の面壁部に配置される（図２を参照）。 室１の出力面部(output face part)は、電磁コイル６の支援で生成された磁場 の減少領域に配置されている（図１を参照）。 室１の両壁部は誘電材料から製造される。ただし、誘電材料は高周波アンテナ ２の領域にある、室１の壁部の部分だけを製造するのに使用可能であることを述 べておく。 室１の縦対称軸心に沿った室１の大きさは、その側壁部の内部円筒面の半径に 等しい。 各気密ガスケット８または９（図３を参照）は、間にゴム製の密閉カラーを備 えたフッ化物層(fluoride layer)からつくられた２つの支持体１２を含む。該気 密ガスケットは、支持体１２を押し込んで調整された特殊なクランチング・ボル ト(crunching bolt)１４により気密箇所に押し付けられる。 該設備の運転は以下のように実行される。 使用ガス(working gas)のアルゴンはガス入口７を介して室１に供給される。 室１において、電磁コイル６により軸対称で非均一な磁界が供給される。この磁 界の誘導磁場(induction)は、室の対称軸心に向かって半径方向だけでなく、イ オン光学システムが配置されている、室１の対抗面部分に向かって、高周波電力 入力部が配置されている領域から縦方向に減少する。 室１内の磁界は、本技術分野の専門家に周知の様々な設備の支援により分布さ せられる。 所与の配位形状の磁場の存在する領域において室の面壁部および側壁部を構成 するジグザグ形状の導体として製造されたアンテナ２の支援によりアルゴンが室 １に供給され終った後、該室の放電領域において高周波電磁場の電気部品が動作 すると、高周波放電が点火されてプラズマが形成される。 特殊な形状のアンテナ２による高周波生成領域の磁界を局在化することによっ て、高周波電力入力の効率およびその結果として前記装置における電荷粒子密度 ととプラズマ温度とが増大する。 誘導磁場の最大値が室の対称軸心に向って減少している領域における、室１の 面壁部を含むジグザグに周期的な形状の導体の形態を有して高周波電力入力部を 製造した場合にのみ、最も近い試作品と比較して、室１およびイオン源における イオン生成のエネルギおよびガス効率が全体的に増加することが経験的に判明し ている。 アルゴンを使用ガスとして利用する場合には、生成された高周波電磁場の周波 数は１０ないし１００ＭＨＺの範囲で選択され、静止磁場(stationary magnet f ield)の最高値は０．０１ないし０．１Ｔ１の範囲で選択され、入力高周波の値 は、必要なプラズマ密度や引き出されたイオン電流の密度に応じて２０ないし２ ００Ｗの範囲で選ばれる。 修正型イオン源におけるイオン・ビームの引き出しと形成とは、３つの電極か ら構成され、「加速・減速」(acceleration-deceleration)の原理を実施するイオ ン引き出しシステムにより実行される。 放射電極３と、加速電極４と、接地電極５とにより電位が加えられたガス放電 プラズマにおいて、電界(electrical field)が生成されて、イオンが引き出され 、所与のイオン電流密度（０．２ないし２ｍＡ／ｃｍ²）でイオン・ビームが形 成される。 イオン源構造における他の要素から独立して真空室からガス放電装置を取りだ すことができるように、室１は着脱可能な組立フランジ１１に取り付けられる。 磁気システムおよびイオン光学システムは真空室の調整フランジ１０に取り付け られる。 入力部の電気端子における取外し可能な気密ガスケット８と、ガス入口の気密 ガスケットとは、前記組立フランジに取り付けられる。 プラグ接続（図示せず）を用いていることに助けられて真空室の調整フランジ １０から組立フランジ１１を分離することによって、たとえば、技術的作業の実 行中に、室１を取り外すことができる。 組立フランジ１１からの室１の分離は、着脱可能な気密ガスケット８と同９と を取り外した後で行う。そのために、クランチング・ボルト１４をフランジ１１ の孔からねじを緩めて外して、外部のフッ化物層付き支持体１２を取り出して、 ゴム製カラー１３と内部のフッ化物層付き支持体１２とを一緒に付いたままで取 り出す。気密ガスケットすべてを取り外した後で、組立フランジ１１を高周波ア ンテナ２の電気端子やガス入口７から取り外す。 室１上のアンテナ２（室１への高周波電力入力部）の上記の構成と、アンテナ ２の場所に所与の勾配をもつ静止した非均一な磁場を生成するように調節された 磁気システムの利用とにより、生成された磁気活性プラズマ(magnitoactive pla sma)に実効高周波電力が供給される。このプラズマは、１アンペアの電流でイオ ン・ビームを生成する電力消費量により特徴付けられる。 イオン源の構成要素として本願発明を修正しても、特定のエネルギ消費量の達 成値は、０．２ないし２ｍＡ／ｃｍ²の範囲の、引き出されたイオン・ビーム電 流の密度で４５０Ｗ／Ａを越えることはない。 したがって、本願のガス放電装置はプラズマ生成の効率を増大させることがで きる。このプラズマ生成は、運転パラメータの所与の範囲における、エネルギお よびガス効率によりこの種の装置に対して特徴づけられる。 ［産業上の利用の可能性］ 本発明によれば、前記ガス放電装置は、マイクロエレクトロニクス光学装置(m icroelectronic and optical devices)を製造するための技術的イオン・ビーム 設備において、プラズマ化学反応器(plasma-chemical reactors)において、さら に電気推進装置の構成部品として航空技術において、使用できる。 本発明は好ましい実施形態との関連において説明されているが、発明の一般的 概念と主題から逸脱しないかぎり、変更や他の利用方法が可能であることは、本 技術分野の専門家には明らかである。こうした変更や修正は、請求の範囲におけ る各請求項により主張された権利の範囲内にあると考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 コンドラニン，セルゲイ・ゲンナディエヴ ィッチ 大韓民国、136―130 ソウル、スンボク― ク、ハウォルゴク―ドン、ゲスト・ハウス 39―１、コーリア・インスティテュー ト・オヴ・サイエンス・アンド・テクノロ ジー (72)発明者 クラルキナ，エレーナ・アレクサンドロヴ ナ 大韓民国、136―130 ソウル、スンボク― ク、ハウォルゴク―ドン、ゲスト・ハウス 39―１、コーリア・インスティテュー ト・オヴ・サイエンス・アンド・テクノロ ジー (72)発明者 パヴロフ，ウラディーミル・ボリソヴィッ チ ロシア国、127576 モスクワ、ウル・ノヴ ゴロドスカヤ 14―２―77 (72)発明者 アレクサンドロフ，アンドレイ・フェドロ ヴィッチ ロシア国、117355 モスクワ、ウル・ガリ バルディ 15―１―108 (72)発明者 ルクハゼ，アンリ・アンヴロシェヴィッチ ロシア国、117421 モスクワ、ウル・オブ ルチェワ 14―75

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１つの面壁部を有して軸心に対称な室と、前記室の外壁に軸 心を共有して配設されて高周波電力を前記室に入力する高周波電力入力部と、前 記室の対称軸心に向かって半径方向だけにでなく前記高周波電力入力部が配置さ れている前記室内の領域から縦方向にも誘導磁場が減少する静止磁場を供給する 磁気システムとを備えたガス放電装置において、前記室の前記面壁部および側面 壁部に配設されたジグザグに周期的な形状の導体として前記高周波電力入力部が 構成され、前記磁気システムが、前記高周波電力入力部が配設されている領域に 相対する前記室の面部分に向かって縦方向に誘導磁場が減少する磁場を生成する よう調整されていることを特徴とするガス放電装置。 ２． 前記室の水平寸法が、その縦寸法より長いことを特徴とする請求項１に 記載のガス放電装置。 ３． 前記室が、前記高周波電力入力部の側で前記室の前記面壁部に組み立て られたガス入口を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス放 電装置。 ４． 前記室が固定され、かつ、前記高周波電力入力部の電気端子用の、およ びガス入口用の気密ガスケットと、調整フランジを組付けるプラグ接続部材とが 配置されている組立フランジを、備えていることを特徴とする請求項１ないし３ のうちの何れかの項に記載のガス放電装置。 ５． 前記気密ガスケットが、２つの支持体と、前記支持体の面部間に組み込 まれた密閉カラーと、前記支持体の１つに軸心を共有して配設された密閉ボルト とから構成されたことを特徴とする請求項４に記載のガス放電装置。