JP2003528424A - プラズマ加速装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 トロイダル型プラズマチャンバを備えたプラズマ加速装置において、磁界および／または電界の新たなフィールド構造を提案する。これにより複数段の構成が得られ、格段に効率が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明はプラズマ加速装置に関する。

【０００２】 プラズマ加速装置は例えばいわゆるホール装置の形式で知られている。この場
合プラズマチャンバにはイオン化可能な気体、例えば希ガスが供給される。プラ
ズマチャンバは中央の長手軸線を中心としたほぼリング形の形状であり、長手軸
線に対して平行な主放出方向で開放されている。放出方向の反対側のプラズマチ
ャンバの脚部にアノードが配置されている。電子源としてのカソードはプラズマ
チャンバの外側でプラズマチャンバに対して半径方向でシフトされて配置されて
いる。プラズマチャンバの壁は不導体材料から成る。磁石装置はプラズマチャン
バ内にほぼ半径方向に配向される磁界、すなわち内側の第１の磁極から外側の第
２の磁極へ通る磁界を形成する。カソードから放出された電子流はカソードとア
ノードとのあいだの電界により加速され、プラズマチャンバに案内される。この
電子流はプラズマチャンバ内で電位グラジエントおよび磁力線に対して垂直な半
径方向の磁界により偏向され、チャンバ内に存在する推進燃料気体をイオン化す
る。このとき形成されるプラズマから正の電荷を持ったイオンが放出方向で加速
される。カソードから放出される電子の一部はイオンビームの中和に用いられる
。

【０００３】 この種の装置で特に磁界の構成により効率および寿命を高めようとする手段は
例えばヨーロッパ特許出願公開第０５４１３０９号明細書から公知である。ここ
では内側のコイルシステムと外側のコイルシステムとがリング状のプラズマチャ
ンバの放出領域で半径方向に離間されて配置された磁極シューを介してプラズマ
チャンバ内の当該の領域にほぼ半径方向の磁界を形成する。ここで磁極シューは
相互に反対の極性を有している。リング形の電極を有するプラズマチャンバの下
方の領域は磁気シールドによって包囲されている。

【０００４】 米国特許第５８４７４９３号明細書にはホール効果によるプラズマ加速器が示
されている。ここでは内側のコイル装置と外側のコイル装置とがそれぞれ放出方
向で離間して配置された２つの磁極として形成されている。これらの磁極ではそ
れぞれ半径方向で対向する内側のコイル装置の極と外側のコイル装置の極とが反
対向きに極性付けられており、ほぼ半径方向の磁界を形成する。円錐状の磁極シ
ューを備えた類似のプラズマ加速装置はヨーロッパ特許出願公開第０９８２９７
６号明細書にも記載されている。

【０００５】 ドイツ連邦共和国特許出願第１９８２８７０４号明細書には、チャンバの外側
で加速されて集束された電子ビームが円筒状のプラズマチャンバ内の長手軸線方
向へ案内されるプラズマ加速装置が示されている。ここでは電子ビームがプラズ
マチャンバを円筒状に包囲する永久周期の磁石装置により軸線方向へ案内される
。この磁石装置は交互に反対向きに配向された複数の段を有する。

【０００６】 本発明の課題は特にスペースクラフト用の推進源として用いるのに有利なプラ
ズマ加速装置を提供することである。

【０００７】 本発明の特徴は請求項１に示されている。従属請求項には本発明の有利な実施
形態および実施態様が示されている。

【０００８】 本発明の主たる特徴は従来周知の装置とは異なり、プラズマチャンバを貫通す
る磁界の新たな構成を提供する。周知の磁石装置ではトロイダル型プラズマチャ
ンバに対して内側の第１の極装置と外側の第２の極装置とがほぼ半径方向で配向
され、しばしば戻り磁路を介してプラズマチャンバの後方で閉じていたのに比べ
て、本発明の磁石装置は、プラズマチャンバの半径方向の内側の磁石装置も外側
の磁石装置も長手方向での転極部（Polwechsel）、すなわち装置の長手軸線方向
に対して平行な方向での転極部を備えた磁石装置を有する。例えば有利な実施例
では、外側の磁石装置と内側の磁石装置との転極部は同じ向きであり、このため
半径方向ではプラズマチャンバを介して分離された状態で別々の２つの磁石装置
の同極が対峙している。

【０００９】 磁石装置は、第１の実施形態では、外側の磁石装置と内側の磁石装置とを備え
た１段の構成であり、ここでは長手方向で離間して対向するように配置された磁
極により各装置ごとに転極している。少なくとも２つの磁極のうち一方は長手方
向のプラズマチャンバ内の所定領域に存在する。有利には１段の磁石装置の２つ
の磁極は長手方向で離間されており、プラズマチャンバ内の領域の長手方向延長
部の内部に位置する。特に有利には磁石装置が多段であり、長手方向に複数の連
続する部分磁石装置を有している。これはそれぞれ外側の磁石装置と内側の磁石
装置とを有しており、長手方向で連続する部分磁石装置は交互に反対向きに配向
されている。半径方向で対向する極は有利には同じ向きであり、これにより特に
有利な電子ドリフトの分布が得られる。

【００１０】 特に有利には、本発明のプラズマ加速装置では、カソードとアノードとのあい
だのプラズマチャンバの側壁の領域に少なくとも１つの電極装置が設けられ、こ
の電極装置がカソード電位とアノード電位とのあいだの中間電位に置かれる。こ
のような電極に電子がトラップされ、カソードとアノードとのあいだの電位差の
成分からエネルギのみが取り出される。カソードとアノードとのあいだの電位差
はこれにより２つ以上の加速段に分割される。電子壁との衝突による損失はこの
ため格段に低減される。特に電気的な効率は電位段の数に比例して線形に増大す
る。有利には電極は長手方向でそれぞれ磁石装置または部分磁石装置の極の端部
間に配置される。これにより特に有利な電界および磁界のフィールド特性が得ら
れる。

【００１１】 本発明を以下に図を参照しながら有利な実施例に則して詳細に説明する。

【００１２】 図１には周知のプラズマチャンバの側面図が示されている。図２には本発明の
プラズマチャンバ内のフィールド特性および流れ特性が示されている。図３には
図２の装置を対称軸線の方向で見た図が示されている。図４には磁石装置の段が
示されている。図５には有利な構造の側面図が示されている。

【００１３】 プラズマ物理学では、大抵の場合、正の電荷を持ったイオンに比べて僅かな量
しかない電子が高い運動性を有しているためにプラズマは金属導体と同様にふる
まい、一定の電位を取る。

【００１４】 異なる電位を取る２つの電極間にプラズマが存在している場合、このプラズマ
は正のイオンのほうが電位の高い電極（アノード）の電位を近似的に取る。なぜ
なら電子は、プラズマ電位が近似に一定のアノード電位を取り、このためにプラ
ズマからフィールドが消えるまでのあいだ、きわめて迅速にアノードへ運動する
からである。カソードに接する比較的薄い境界層においてのみ、いわゆるカソー
ド降下として電位の降下が発生する。

【００１５】 したがってプラズマの導電性が等方的でない場合にはプラズマ中では種々の電
位が保持される。有利には強い異方性のプラズマ導電性が本発明の装置で形成さ
れる。電子はローレンツ力により磁力線に対して横断方向に運動するとき磁力線
に対して垂直方向の力、つまり運動方向に対して垂直方向の力を受けるので、電
子は磁力線の方向へ僅かにシフトされる。すなわち磁力線の方向では高い導電性
が生じ、電位の降下はこの方向では僅かしか補償されない。磁力線に対して垂直
方向の電界成分による電子の加速はいわゆるローレンツ力に対して反作用し、こ
のため電子は磁力線の周囲を螺旋状に運動する。したがって磁力線に対して垂直
方向に電界が生じ、その際には電子流による迅速な補償は行われない。このよう
な電界を安定させるには、対応する等電位面を磁力線に対して近似に平行に延在
させ、これにより電界および／または磁界がほぼ十字形に交差するようにすると
特に有利である。

【００１６】 図１にはホール原理（ホールスラスタ）に基づく従来のプラズマ加速器の基本
構造が示されている。プラズマチャンバＰＫはトロイダル形で中心の対称軸線Ｓ
Ａの周囲に構成されており、絶縁用の側壁ＷＡ、ＷＩおよび後壁ＲＷを有してい
る。プラズマチャンバは対称軸線ＳＡに対して平行な長手方向ＬＲで一方側が開
いており、こちら側に加速格子を有している。

【００１７】 プラズマチャンバの外側にカソードＫＡが電子源として配置されている。アノ
ードＡＮは放出開口部ＡＵとは反対側のプラズマチャンバの端部に配置されてい
る。アノードとカソードとのあいだの電界Ｅはプラズマチャンバの内部で長手方
向ＬＲに対してほぼ平行に延在している。磁石装置は半径方向で外側に存在する
第１の磁極ＭＡ（例えばＮ極）と半径方向の内側に存在する第２の磁極ＭＩ（例
えばＳ極）とを有している。２つの磁極はほぼリング状かつ対称軸線ＳＡに対し
て対称に構成されており、戻り磁路ＭＲを介してプラズマチャンバの後方で接続
されている。磁石装置はプラズマチャンバＰＫ内にほぼ半径方向に配向される磁
界Ｂを形成する。

【００１８】 カソードから放出される電子の一部はアノードとカソードとのあいだの電界内
で加速され、プラズマチャンバ内へ案内され、そこで磁界Ｂを通って電子の加速
方向に対して垂直かつ磁力線に対して垂直に偏向される。すなわち図に示されて
いる平面に対してほぼ垂直に偏向される。このように対称軸線の周囲で電子がド
リフト運動を強いられることにより、これらの電子はアノードＡＮに達するまで
かなり長い時間にわたってプラズマチャンバ内にとどまる。プラズマチャンバ内
の運動によりプラズマチャンバ内に導入される気体、例えばキセノンとの衝突に
よって１次電子、正のイオンおよび２次電子が形成される。イオンと電子とはプ
ラズマチャンバ内で導電率の高いプラズマを形成する。イオンはチャンバから長
手方向に放出される。装置の帯電を回避するために、放出されたイオン流にカソ
ードＫＡからの電子が加えられ、放出されるプラズマビームＰＢは電気的に中性
となる。このような装置は種々の構成で公知となっている。

【００１９】 図２には本発明の多段装置が示されている。ここでは前述の場合と同様にほぼ
トロイダル型のプラズマチャンバ内の放出方向とは反対側の後壁にアノードが配
置されている。プラズマチャンバの形状は他のバリエーションにしたがうもので
あってもよい。図２の装置の磁石装置ではもはや外側の極と内側の極とが戻り磁
路によって接続されておらず、プラズマチャンバの外側に位置する磁石装置ＲＭ
Ａが設けられており、そのうち長手方向で対称軸線に対して平行に連続する各段
Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２に長手方向ＬＲで対向する２つずつの磁極が離間して配置され
ていることが重要である。同様にプラズマチャンバの半径方向内側に位置する別
の多段装置ＲＭＩも設けられており、ここでも各段につき２つずつの磁極が離間
して配置されている。２つの磁石装置ＲＭＡ、ＲＭＩの各段は半径方向で対向し
ており、これらはこれぞれ長手方向ＬＲにおいてほぼ同じ長さを有する。２つの
磁石装置は同じ向きに配置されている。つまりこれらの磁石装置は長手方向ＬＲ
で同極が隣り合うように配向されている。これにより同極（Ｎ‐Ｎ、Ｓ‐Ｓ）が
半径方向で対向し、磁界は２つの磁石装置のそれぞれに対して閉じていることに
なる。これにより半径方向で対向する磁石装置ＲＭＡ、ＲＭＩの磁界の特性は、
プラズマチャンバのほぼ中央に位置する中央面によって分離されていると見なす
ことができる。磁力線は各装置の磁極のあいだで湾曲して延在しており、中央面
を貫通しない。中央面は必ずしも平面でなくてよい。このような中央面の半径方
向の各側には、主として２つの磁石装置ＲＭＡ、ＲＭＩの磁界のうち一方のみが
作用する。

【００２０】 図２の装置の主たる相違点は、プラズマチャンバ内の磁界が対向する２つの磁
極のあいだで半径方向に単調に延在するのではなく、磁力線がトロイダル型プラ
ズマチャンバ内の中央面の半径方向の当該の側が閉じられることである。

【００２１】 前述の実施例は単純な内側段および外側段を有するのみの磁石装置に対しても
相当する。この種の簡単な多段装置は例えば対称軸線ＳＡに対してほぼ平行な極
を有する共心的なリング状の永久磁石により形成される。この種の装置は別個に
図４に示されている。

【００２２】 有利には図２の本発明の実施例では、長手方向ＬＲでこの種の２つ以上の装置
が前後に並べて配置されており、連続する磁石装置の極の配向状態は相互に反対
向きとなっている。これにより連続する磁石装置の長手方向で対向する極は同種
であり、磁界の短絡は発生しない。また上述のフィールドの特性は実質的に全て
の連続した段の実施例に共通して得られる。

【００２３】 連続する磁界は一方ではカソードから放射されプラズマチャンバへ案内される
１次電子をフォーカシングし、他方ではプラズマチャンバ内で形成される２次電
子が１つの段から次の段へ流れるのを阻止する。

【００２４】 有利にはプラズマ加速装置ではカソードおよびアノードのほかに少なくとも１
つの別の電極が設けられており、この電極はカソード電位とアノード電位とのあ
いだの中間電位に置かれる。このような中間電極は有利には少なくとも１つの側
壁に配置され、有利にはプラズマチャンバの内側の側壁と外側の側壁とで対向す
る２つの部分電極のかたちで設けられる。例えばこれらの電極は、有利には、長
手方向で２つの磁極が交互に位置づけられるように配置される。図２の装置では
長手方向でそれぞれ１つずつの部分磁石装置およびそれぞれ１つずつの電極装置
を有する複数の段Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２が設けられる。これらの部分磁石装置はそれ
ぞれ内側の磁石リングと外側の磁石リングとから成っており、この様子が図４に
示されている。部分電極装置は連続する段Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２にそれぞれ１つずつ
外側の電極リングＡＡ０、ＡＡ１、ＡＡ２と半径方向で対向する側に内側の電極
リングＡＩ０、ＡＩ１、ＡＩ２とを有している。ここで電極の長さは長手方向で
外側のリングと内側のリングとでほぼ等しい。それぞれの部分装置の相互に対向
する電極リング、すなわちＡＡ０、ＡＩ０またはＡＡ１、ＡＩ１またはＡＡ２、
ＡＩ２はそれぞれ同じ電位に置かれ、ここで例えば電極ＡＡ０、ＡＩ０は装置全
体のアース電位となっている。電極を通って形成される電界はプラズマの形成に
とって重要な領域で磁力線に対して近似に垂直に延在する。例えば連続する段の
電極間の最大の電位グラジエントの領域では電子線と磁力線とはほぼ交差して延
在し、これにより１次電子の軌道に沿って形成された２次電子は電極の直接短絡
を引き起こさない。２次電子はほぼトロイダル型多段磁石装置の磁力線に沿って
しか運動しないので、形成されたプラズマビームはフォーカシングされた１次電
子の円筒状の層の容積にほぼ制限される。プラズマの湾曲部は主として軸線に沿
った磁界成分の符号変化の領域のみに存在し、この領域で磁界はほぼ半径方向で
磁石装置の極を指示する。

【００２５】 図示の装置では、プラズマの収斂は長手方向で連続する電極間の位置に発生し
、同時に連続した磁石装置の極位置に一致する。図２に示されている装置では、
有利には、連続する個々の段のプラズマは連続する電極の段階的に異なる電位に
置かれる。このために例えば電極および磁石装置は長手方向で、ほぼ周期的な磁
界の空間位相位置が電極中央へ向かう軸線方向の磁界の最小値のあいだで測定さ
れる同様にほぼ周期的な電界に対して最大±４５°の範囲、例えば±１５°の範
囲でシフトされるように配置される。この場合磁力線とプラズマチャンバの側壁
に配置される電極とのコンタクトが達成され、磁力線に沿った電子のシフト能力
が小さいことによりプラズマ電位が当該の段の電極電位にセットされる。したが
って連続する種々の段に対するプラズマの収斂は種々の電位で生じる。

【００２６】 軸線方向で最大の電位グラジエントが生じる位置は、軸線方向で電気的絶縁作
用を有する半径方向の磁界特性を特徴とするプラズマ層に存在する。この位置で
主として正のイオンが長手方向で加速される。充分な２次電子がホール流として
トロイダル構造の閉じたドリフト軌道上を旋回しているので、ほぼ中性のプラズ
マが長手方向でプラズマチャンバの放出開口部へ向かって加速される。この場合
、層面の所定の位置の長手方向ＬＲに種々の半径で対向するリング状のホール流
ＩＩまたはＩＡの配置が得られる。このことは図２および図３に示されている。

【００２７】 前述の有利なほぼ周期的な磁気構造および電気構造の位相シフトは、１つの手
法としては、図２の装置により、電極を図示の位置に対して最大±４５°の範囲
（例えば±１５°の範囲）でシフトすることにより達成される。別の手段として
は、図５に示されているように、長手方向に離間されて配置されている電極段Ａ
Ａ_ｉ、ＡＡ_ｉ＋１、ＡＩ_ｉ、ＡＩ_ｉ＋１の周期のピッチを連続する磁石装置の２
倍の周期のピッチにする。これにより装置は図２に比べて倍の周期ピッチの段に
分割され、それぞれ２つずつ対向する部分磁石装置と電極装置とを有することに
なる。

【００２８】 図５に示されている装置では、電極が連続する部分磁石装置の極位置を架橋し
ている領域にコンタクトゾーンが生じる。ここで磁力線に追従する２次電子が電
極に収容され、これによりコンタクトゾーンがプラズマと電極とのあいだに発生
し、同時に長手方向で連続する２つの電極間に存在する極位置でプラズマ内の電
位グラジエントの高い絶縁ゾーンが発生する。

【００２９】 長手方向に多段の磁石装置の別の実施例として、各段の対向する外側の磁石リ
ングと内側の磁石リングとに対向した状態の極を設け、図２に相応する断面図で
各段に磁気的な４重極フィールドが得られるように構成することもできる。本発
明の他の手段もこの種の装置で相応に適用可能である。ドリフト流特性は図３と
は異なり、長手方向に対して垂直な平面で同方向となる。

【００３０】 前述の説明および特許請求の範囲に記載した特徴は、有利には、個別にも実施
可能であるし、種々に組み合わせても実現可能である。本発明は前述の実施例に
限定されるものではなく、当業技術者の可能な範囲で種々に適用できる。特に対
称軸線ＳＡは必ずしも厳密な対称性を要しない。ここでは意図的な非対称性を対
称特性に重畳することができる。フィールドがリング形状を有すること、電極装
置または磁石装置が円筒形状を有することも必須ではなく、回転対称性および長
手方向の円筒性に関して偏差があってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 周知のプラズマチャンバの側面図である。

【図２】 本発明のプラズマチャンバ内のフィールド特性および流れ特性である。

【図３】 図２の装置を対称軸線の方向で見た図である。

【図４】 磁石装置の段を示す図である。

【図５】 有利な構造の側面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ヴェルナー シュヴェルトフェーガー ドイツ連邦共和国 ブラウボイレン エド ゥアルト−フォン−ラング−シュトラーセ ６

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カソードとアノードと、該カソードとアノードとのあいだに
   配置されたプラズマチャンバとを有しており、該プラズマチャンバはイオン化気
   体を有している プラズマ加速装置において、 イオン化チャンバは中央の長手軸線を中心としてほぼリング形状に構成されて
   おり、 磁石装置は外側の磁石装置と内側の磁石装置とを有しており、これらの磁石装
   置は半径方向でプラズマチャンバにより分離され、かつそれぞれ長手方向で 少
   なくとも１つの転極部を有しており、 該長手方向の転極部は２つの磁石装置で同じ向きに設けられている ことを特徴とするプラズマ加速装置。
2. 【請求項２】 少なくとも１つの磁石装置、有利には２つの磁石装置の磁極
   がプラズマチャンバの長手方向の延長領域に位置している、請求項１記載の装置
   。
3. 【請求項３】 プラズマチャンバの少なくとも１つの側壁に電極装置が設け
   られており、該電極装置はカソードの電位とアノードの電位とのあいだの中間電
   位に置かれている、請求項１または２記載の装置。
4. 【請求項４】 電極装置はプラズマチャンバの少なくとも２つの対向側壁に
   配置された部分電極を含む、請求項３記載の装置。
5. 【請求項５】 電極は長手方向で磁石装置の磁極間に位置する、請求項３ま
   たは４記載の装置。
6. 【請求項６】 複数の磁石装置は長手方向で連続して極方向が交番するよう
   に設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 【請求項７】 複数の中間電極が長手方向に連続してプラズマチャンバの側
   壁に配置されており、該電極は段階付けられた中間電位に置かれている、請求項
   ６記載の装置。
8. 【請求項８】 中間電極の少なくとも１部は長手方向に連続する磁石装置の
   極位置を部分的または完全にカバーする、請求項７記載の装置。