JPS63212777A

JPS63212777A - イオンエンジン

Info

Publication number: JPS63212777A
Application number: JP4703087A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kajiwara; 梶原　堅一; Minoru Kobayashi; 実小林; Tadanori Shimada; 島田　貞憲
Original assignee: National Space Development Agency of Japan; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: National Space Development Agency of Japan; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1988-09-05

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】〔産業上の利用分野〕この発１１１は、イオンエンジンの放電室を構成する部
品表面の材料に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は従来のイオンエンジンの構成を示す断面図であ
る。図において、１はホローカソード陽極、２は放電室
、３は陽極、４は推進剤供給器、５はスクリーングリッ
ド、６は加速グリッド、７は永久磁石ｃ８は中和器ホロ
ーカソード、９はバッフル、１０はポールピースである
。

第６図は、第５図のイオンエンジンにおＪｔル加速グリ
ッドの構成を示す断面図である。図において、１１はグ
リッド孔である。そして、加速グリッド６の本体は、高
温安定性、低熱膨張藁の性質を有するＴ、Ｌ、Ｍｏ等の
材料より成り立つ。

第７図は、第５図のイオンエンジンにおけるポールピー
スの構成を示す断面図である。図において、ポールピー
ス１０は安定な磁気特性を有する純鉄より成り立つ。１
２はポールピース１０の表面の防食のために形成された
Ｎｉめつき層である。

第８図は、第５図のイオンエンジンにおけるバッフルの
構成を示す断面図である。図において、バッフル９は高
温安定性と低熱膨張率を有するＴ＆。

Ｍｏ等の材料より成り立つ。

第９図は、第５図のイオンエンジンにおける陽極の表面
の構成を示す拡大断［１ｉｌｉ因である。図において、
１６は陽極３の表面に接着された網、１７は網１６の表
面に付着、堆積したスパッタ摩耗物である。

次に、上記第５図に示す従来のイオンエンジンの動作に
ついて説明する。第５図に示すようなイオンエンジンは
電子衝撃型と呼ばれるものである。

ホローカソード陰極１からは電子が放出され、このよう
に放出された電子は放電室２に導かれ、さらに、放電室
２の外側の陽極３へと移動する。一方、推進剤供給器４
からはＸｅ原子が供給される。

ホローカソード陰極１から放出されて陽極３へ向う電子
が上記Ｘ。原子に衝突すると、Ｘｅイオンが電離により
作られる。電離したＸ。イオンは、スクリーングリッド
５と加速グリッド６の間に形成される静電場により加速
され、イオンビームとして第６図に示すグリッド孔１１
８通して放電室２外（真空中）へ射出される。永久磁石
７は放電室２内に磁場を形成して放電電子に回転運動を
与え、放電室２内での飛行行穐を長くさせＸ。原子と衝
突する機会を増やす働きを持つ。また、中和器ホローカ
ソード８は電子を放出して噴出されたイオンビームを電
気的に中性を保つ働きを持つ。第８図に示すバッフル９
は、第７図に示すポールピース１０と組み合わされ、ホ
ローカソード陰極１から放出された電子を一時蓄え、放
電室２内に導かれる電子量を調整する機能を有する。

以上のように、放電室２内はＸ。ガスがイオン化されて
プラズマ雰囲気となり、特にスクリーングリッド５及び
加速グリッド６はＸｅ、イオンビームの通路に設置され
ることから、Ｘｏイオンによる表面のスパッタが著しく
、放電室２を構成する部品表面の材料の摩耗となるため
、イオンエンジン本体の寿命が劣化する主因となる。さ
らに、上記スパッタ摩耗物１７が放電室２を構成する部
品表面に付着し、この付着物が成長拡大した後にはく離
し、放電室２内を浮遊して電気的の短絡を生じる原因と
なっていた。このため、従来は、例えばＮＡＳＡ’ｌ’
ｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ　（技術的メ
モ）７９１９１゜Ｊｕｎｓ１９７９にも開示されている
ように、放電室２内に浮遊するスパッタ摩耗物１７を積
極的にトラップしてはく離を防止する方法として、第９
図に示すように、陽極３の表面に所定の間隔と材料より
なる網１６を接着させ、スパッタ摩耗物１７を析出、堆
積させる手段をとっていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来のイオンエンジンは以上のように構成されてい
るので、放電室２を構成する部品表面のＭｏ、Ｔａ、Ｆ
ｅなどの材料がスパッタ摩耗を受けやすく、また、スパ
ッタ摩耗物１７を網１６によりトラップする方法も消極
的な手段であって信頼性に欠ける。このために、高い推
進力が得られず、また、寿命も短かくなり、人工衛星等
に最も必要な長期の信頼性を確保することができないな
どの問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、イオンによる放電室を構成する部品表面の材料の
スパッタ摩耗を低減すると共に、推進力の高い長期的に
信頼性を有するイオンエンジンを得ることを目的とする
。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るイオンエンジンは、放電室を構・成する
部品表面に、耐イオンスパッタ性の高いＴａＣ，ＴｉＣ
等の材料をコーテングするよう′にしたものである。

〔作用〕

この発明のイオンエンジンにおいては、放電室を構成す
る部品表面に、耐イオンスパッタ性の高いＴａＣ、Ｔｉ
Ｃ等の材料をコーテングしたので、部品のスパッタ摩耗
が減少嘔れ、放電室内の汚染も軽減され、装置の寿命及
び性能を向上させることができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例であるイオンエンジンにお
ける加速グリッドの構成を示す断面図である。図におい
て、１１はグリッド孔、１３は加速グリッド６の表面を
均一に被覆するＴ、Ｃのコーテング層である。

第２図は、第１図のイオンエンジンにおケルポールピー
スの構成を示す断面図である。図において、１３はポー
ルピース１０の表面を均一に被覆するＴａＣのコーテン
グ層である。

第３図及び第４図は、それぞれ第１図のイオンエンジン
におけるバッフルの構成を示す断面図である。各図にお
いて、１４はバッフル９の放電室２側の載面を均一に被
覆するＡ６０．のコーティング層である。また、１５は
バッフル９の外周縁端部である。

上記第１図ないし第４図に示す加速グリッド６゜ポール
ピース１０．バッフル９等について、イオンエンジンの
放電室２内における配置は、上記第５図に示す従来例に
示す構成と同一である。

嘔て、第１図に示す加速グリッド６はスクリーングリッ
ド５との間隔及び相対配置が重要となり、その曲率２寸
法形状は確保式れなければならない。

また、グリッド孔１１の内壁及びその周辺が最も多くス
パッタ摩耗を受ける部分となるので、その該当部分に耐
スパツタコーテイング材が所定の厚さに均一に被覆され
なければならない。このために、上記該当部分に耐イオ
ンスパッタ性の高いＴ、ＬＣのコーテング層が気相化学
蒸着法などで、ＴａＣｌ３　＋　４ＣＨ４＝　ＴａＣ＋
　ＨＣＩの反応によって処理されることにより被覆され
る。

ある物質がイオンの衝突に対してスパッタされる度合は
、衝突するイオンの質量、加速エネルギーや、物質の結
合エネルギー、質量、結晶性等に依存し、十分に明らか
にされていない。例えば、Ｈ，イオンのＩ　Ｋ、Ｖの加
速エネルギーでは、ＡＩｔｏｓが０．１７　ａｔｏｍ／
　ｉｏｎ　、　Ｔｌｃが０．０６８　ａｔｏｒｎ／　ｔ
ｏｎ　。

Ｔ、Ｃがｏ、　６３　ａｔｏｍ　／　ｔｏｎのスパッタ
を受けるとされている。Ｘｏイオンの場合も、経験的に
Ｈ０イオンとほぼ同様のスパッタ傾向を持つことが明ら
かになった。例えば、Ｘｅイオンの８０　ｅＶの加速エ
ネルギーで１００時間の照射を行った場合に、Ｍｏでは
１．１４ｇのスパッタ摩耗を受けるのに対し、ＴｉＣの
コーテング層を被覆することによりｏ、　１　ｇのスパ
ッタ摩耗となり、耐スパツタ性は１０倍以上も向上する
。

また、第２図に示すポールピース１０では、ＴａＣのコ
ーテング４１３に十分に耐食性があるため、第７図に示
す従来例でのＮｉめつき層１２を省略でき、かつ耐スパ
ツタ性を向上させることができる。

さらに、第３図に示すバッフル９では、放４呈２に面す
る表面は耐スパツタ性が必要であり、ホローカソード陰
極１に面する表面は導電性が必要であるため、片面のみ
にｈｌｚｏｓの絶縁性のあるコーテング層１４が形成さ
れる。特にバッフル９の外周縁端部１５は発生した電子
が放電室２へ放出される部分であるため、最もスパッタ
摩耗を受けやすい箇所である。このために、バッフル９
の放電室２側の径を小さくして円錐形状とすることにヨ
リ、コーテング時に外周縁端部１５にも均一にコーテン
グ層１４が形成され、これによりスパッタ摩耗が低減さ
れる。

なお、上記実施例では、放電室２に面する部品表面が、
ＴａＣ、ＴｉｅあるいはＡＪＩＯｓである場合について
説明したが、立方晶系の結晶構造を有する炭化物又は窒
化物、あるいは六方晶系の結晶構造を有する酸化物であ
っても良い。

また、上記実施例では、推進剤としてＸｅ原子を用いた
場合について説明したが、これ以外に、水銀イオン又は
アルゴンであっても曳い。

また、上記実施例では、放電室２を構成する部品表面に
ＴａＣのコーテング層を被覆した場合について説明した
が、放電室２を構成する部品自体の材料がＴａＣであっ
ても良い。

また、上記実施例では、耐スパツタ性の材料として、　
ＴａＣを使用した場合について説明したが、これ以外に
ＴｉＣ、ＡＪ、Ｏ，などであっても良い。

また、上記実施例では、Ｘｏイオンエンジンについて説
明したが、Ｈｇイオンエンジンなどの他ノイオンエンジ
ンであっても良い。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、イオンエンジンにおい
て、放電室を構成する部品表面に、耐イオンス、４１ツ
タ性の高いＴ、ＬＣ、ＴｉＣ等の材料をコーテングした
ので、部品のスパッタ摩耗が減少され、放電室内の汚染
も軽減され、高い推進力で、長期の信頼性のあり、かつ
長寿命のイオンエンジンが得られるという優れた効果を
奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例であるイオンエンジンにお
ける加速グリッドの構成を示す断面図、第２図は、第１
図のイオンエンジンにおけるポールピースの構成を示す
断面図、第３図及び第４図は、それぞれ第１図のイオン
エンジンにおけるバッフルの構成を示す断面図、第５図
は従来のイオンエンジンの構成を示す断面図、第６図は
、第５図のイオンエンジンにおける加速グリッドの構成
を示す断面図、第７図は、第５図のイオンエンジンにお
けるポールピースの構成を示す断面図、第８図は、ｓｇ
ｓ図のイオンエンジンにおけるバッフルの構成を示す断
面図、第９図は、第５図のイオンエンジンにおける陽極
の表面の構成を示す拡大断面図である。図において、１・・・ホローカソード陰極、２・・・放
電室、３・・・陽極、４・・・推進剤供給器、５・・・
スクリーングリッド、６・・・加速グリッド、７・・・
永久磁石、８・・・中和器ホローカソード、９・・・バ
ッフル、１０・・・ポールピース、１１・・・グリッド
孔、１２・・・Ｎ１めつき層、１３・・・ＴａＣのコー
ティング層、１４・・・ＡＪ、Ｏ，のコーティング層、
１５・・・バッフル９の外周縁端部、１６・・・網、１
７・・・スパッタ摩耗物であるＯなお、各図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）陰極から放出される電子を、放電室内で推進剤で
あるＸ＿ｅ原子に衝突させてＸ＿ｅ原子を電離し、この
電離により生じたＸ＿ｅイオンを静電場で加速し、イオ
ンビームとして前記放電室外へ噴射することにより推力
を発生するイオンエンジンにおいて、前記放電室に面す
る部品表面が、Ｔ＿ａＣ、Ｔ＿ｉＣあるいはＡｌ＿２Ｏ
＿３、であることを特徴とするイオンエンジン。
（２）前記放電室に面する部品表面が、立方晶系の結晶
構造を有する炭化物又は窒化物、あるいは六方晶系の結
晶構造を有する酸化物であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のイオンエンジン。
（３）前記推進剤が、水銀イオン又はアルゴンであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第２項記載
のイオンエンジン。