JP2004531038A - プラズマ加速装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、プラズマ加速装置において特に作業ガスのイオン化及び／又は流出するプラズマジェットの中性化のための電子源を有利に構成して配置するものである。

Description

【技術分野】
【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特にホールスラスターとして公知であり、中心の縦軸線に沿って延びるプラズマ室を有している。プラズマ室の底部にリング状の陽極が配置されており、陽極からプラズマ室がほぼ円筒の形状で縦軸線方向にプラズマジェット出口へ向かって延びている。プラズマ室のプラズマジェット出口の側で一般的にプラズマ室の外側に、能動的な陰極、例えば気中放電の中空プラズマ陰極若しくは熱イオン式の陰極が電子源として配置されていて、電子を一面ではプラズマ室内へかつ他面では流出するプラズマジェットに向けてプラズマジェットの中性化のために放出する。プラズマ室内に導入された電子が、電場によって陽極に向けて加速され、磁場によってリング状のドリフト領域へ引かれる。磁場がプラズマ室をほぼ半径方向に貫通するように、リング状のプラズマ室によって中心の縦軸線を中心として取り囲まれた第１の磁極装置、及びプラズマ室の外周を取り囲む対向磁極としての第２の磁極装置によって形成される。このようなホール加速装置は、例えばヨーロッパ特許出願公開第０５４１３０９Ａ１号明細書によって公知である。
【０００３】
米国特許第５８４７４９３号明細書に記載のホール加速装置は複合的な磁場を形成するものであり、この場合、第２の磁極対が第１の磁極対に対して逆向きにかつ縦軸線方向で離隔して配置されている。両方の磁極対がそれぞれ、プラズマ室によって取り囲まれた内側の磁極とプラズマ室を取り囲む外側の磁極とによって形成されている。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２８７０４Ａ１号明細書には、ほぼ円筒形のプラズマ室を備えたプラズマ加速装置が記載してあり、この場合、プラズマ室が中心軸線としての縦軸線を含んでいる。外部で形成して収束された電子噴流が、プラズマ室を取り囲んでいて縦軸線方向に順次に並べられかつ磁極を互い違いに向けて形成されたマグネット装置によって中心軸線に沿って案内されて、作業ガスのイオン化のほかに、同一方向でプラズマ室から流出するプラズマジェットの中性化に用いられる。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願公告第１２２２５８９号明細書に記載のプラズマ加速装置は同じく、収束された電子噴流を長尺のイオン化室を通して導き、これによって、同一方向にプラズマ室から流出するプラズマジェットを中性化するようになっている。プラズマ室内の一部分の電子がタングステンから生ぜしめられる。
【０００６】
米国特許第４２９６３２７号明細書に記載の粒子加速器においては、陰極から高エネルギーのパルス状の電子噴流が放出されて、陽極絞りを通して導かれ、陽極絞りの絞り縁部がプラスチック材料を備えている。プラスチック材料に衝突する高エネルギーの電子が、プラスチック材料から陽子を放出させ、陽子が空間電荷効果に基づき、絞り開口を通る電子噴流によって引っ張られて、噴流方向へ加速される。
【０００７】
米国特許第３７３５５９１号明細書により、電磁流体発電形スラスター(Magneto-dynamischer[MPD] Thruster)が公知であり、この場合、壁を円筒形の陽極電極によって形成されたプラズマ室の外側でプラズマ室の中心軸線の延長線上にプラズマジェットの方向にプラズマ室から離してプラズマジェットの中心に陰極が配置されている。陰極がスラスターの始動のためにガスを供給される。運転中に陰極がイオン衝突によってほぼ２０００Ｋに加熱されて、熱電子を陽極に向けて放出する。
【０００８】
本発明の課題は、特に構造の簡単なプラズマ加速装置を提供することである。
【０００９】
前記課題が、本発明の特許請求の範囲の独立請求項に記載の構成によって解決される。
【００１０】
プラズマ加速装置の本発明の第１の実施態様では、作業ガスのイオン化の電子のための源として受動電極面がプラズマ室内に、特にプラズマジェット出口の領域に設けられていて、プラズマジェットのイオン、特にプラズマジェットの縁部部分のイオンの一部分によって負荷されて、イオンの衝突に際して電子を放出する。電子を放出する受動的な電極若しくは受動的な陰極は、ここでは前に述べた能動的な陰極との相違として、加熱されることもなく、気中放電で作動されることもない電極と理解されたい。放出された電子が、少なくとも部分的に加速電極間の電場によってプラズマジェットの流動方向と逆向きに陽極に向けて加速され、かつそれ自体公知の形式でプラズマ室を貫通する磁場の影響を受けて、特に滞留時間及びイオン化作用を高めるためにプラズマ室の縦軸線に対して横方向にドリフト領域へ移動させられる。作業ガスのこのような衝突イオン化は、同時にほかのイオンを放出させる。
【００１１】
イオン化する電子のための電子源として受動的な電極面を用いることによって、プラズマ加速装置が著しく簡単になる。能動的な電子源を完全に省略すると有利であり、この場合には、受動的な電子源がプラズマジェットにイオンを衝突させることによってプラズマジェットの中性化のための電子をも放出し、該電子がイオンの空間電荷によってプラズマジェットに向けて引っ張られて、一緒に運ばれる。電子源が有利には加速電極の一部分の面によって形成されている。
【００１２】
電子源によってイオンをプラズマジェットに衝突させて自由な電子を効果的に生ぜしめるために、電子源が有利には所定の材料、例えばスパッタリング特性の低い金属、若しくはイオン衝突に際して分離される電子量の尺度である電子分離ファクターの高い金属を含んでいる。
【００１３】
電子源をプラズマ室のプラズマジェット出口の領域に配置したことによって、加速されたプラズマジェットの、電子源に衝突するイオンの高いエネルギーが得られ、ひいては十分な量の電子が生ぜしめられる。電子源をプラズマジェットの縁部領域に、特にプラズマ室の室壁に配置してある場合には、プラズマジェットの強く発散する部分（該部分は発散のためにプラズマジェットの反動パルスに対する影響が小さくなっている）のイオンが電子源に衝突する。
【００１４】
作業ガスのイオン化の電子を生ぜしめるための電子源が、加速電極から離間して該加速電極と陽極との間に配置されていてよく、この場合には中心で、プラズマ室の出口におけるよりも運動エネルギーの小さいイオンによって負荷される。このことは、縦軸線方向で多段の電極装置が加速電極と陽極との間に１つ若しくは複数の中間電極を備えている場合に特に有利である。１つの中間電極段内で作業ガスのイオン化のための電子を生ぜしめる場合に、有利には別個の電子源がプラズマジェットの中性化のためにプラズマ室からのプラズマジェットの出口の領域に設けられている。
【００１５】
プラズ室内でのイオン化の開始が、自動的に、例えばエネルギーの高い放射線の作用で生ぜしめられる電子・イオン対によって行われてよく、電子・イオン対が加速電極と陽極との間の電場の印加によって互いに離れて、衝突イオン化によって電荷担体分離を行い、かつ受動的な電極面へのイオン衝突によって電子を放出して、プラズマを形成する。最初のイオン化が、プラズマ室内の作業ガスの圧力及び／又は電場を、継続運転時の所定の値を超えて一時的に高めることによって開始及び／又は助成されてもよい。
【００１６】
加熱されることなくまたプラズマジェットのイオンで負荷されることのない受動的な電極源を用いて作業ガスのイオン化及び／又は流出するプラズマジェットの中性化のための電子を生ぜしめることが、一般的に周知の幾何学形状のプラズマ室、特にリング形状のホールスラスター、及び中心の縦軸線を含む円筒形のプラズマ室で有利に実施される。有利には受動的な電極源は、縦軸線方向に並べられた複数の段から成っていて該各段にそれぞれ中間電位の固有の電極を備えていて電極間に半径方向の強い磁場成分を有するプラズマ室と関連して用いられて、これによって電子の特に高い増加率を有している。プラズマ室内で電子を生ぜしめることによって、該電子の速度が小さく、このことは作業ガスの衝突イオン化にとって有利である。
【００１７】
本発明の別の実施態様では、ホールスラスターによって知られた配置手段、特にプラズマ室の外側に配置された能動的な電子源を、ほぼ回転対称的な構造であるものの、ホールスラスターと異なってリング状に中心縦軸線を中心とした中央の領域が切り欠かれるのではなく中心縦軸線を含む構造のプラズマ室に利用することである。この場合には磁場装置が、加速電極と陽極との間でプラズマ室を取り囲む第１の少なくとも１つの磁極と、縦軸線方向で該第１の磁極から離隔された対向磁極としての第２の少なくとも１つの磁極を有している。これに対してホールスラスターにおいては、互いに協働してプラズマ室内に磁場を形成する磁極が互いにほぼ半径方向で相対している。
【００１８】
外部の電子源が、作業ガスのイオン化のためにプラズマ室に導入される電子のほかに、流出するプラズマジェットの中性化のために必要な電子も供給する。外部の電子源は経験に基づいて形成されるものである。
【００１９】
公知のプラズマ加速装置と異なって、本発明に基づくプラズマ加速装置においては収束された電子流を形成するための噴射機構が不要であり、このことは装置の構造を簡単にし、かつ構成長さを短くするものである。特にプラズマ室が陽極側で後方に対して閉じられ得る。
【００２０】
磁場装置が、有利には縦軸線方向で磁極を順次に互い違いに並べて多段に形成されており、かつ縦軸線方向で加速電極と陽極との間の中間電位を有していて縦軸線方向に多段に配置された中間電極から成る電極装置と組み合わされると有利である。中間電極が有利には縦軸線方向で順次に互いに逆の磁極で以て配置されている。
【００２１】
次に本発明を図示の有利な実施例に基づき説明する。
【００２２】
図１に、プラズマ室の構造が概略的に示してある。プラズマ室PKが側方を非導電性の１つの室壁KWによって画成されている。プラズマ室は周知の形状を有していてよく、例えばプラズマ室を通って延びる第１の中心縦軸線LA(A)を中心として回転対称的にほぼ円筒状に形成され、若しくはホールスラスターの形式でプラズマ室を通らない第２の中心縦軸線LA(B)を中心としてリング状、即ち環状に形成されている。前記第２の中心縦軸線を中心としてリング状に形成する場合には、断面が中心縦軸線LA(B)に対して鏡面対象的に補われる。以下においては、中央の縦軸線LA(A)を有する構造のプラズマ室について説明する。
【００２３】
プラズマ室は、大きな装置内に取り付けるための陽極側のフランジFA及び出口側のフランジFBを備えている。室壁KWが例えばセラミックから成っている。
【００２４】
陽極電極AOと、プラズマジェットPSの出口PAに配置されていて作業ガス、例えばキセノンのプラスに帯電したイオンのための加速電極として機能する陰極KAとの間を延びるプラズマ室内には、別の中間電極Z1，Zn、図示の実施例では中間電極Z1，Z2が縦方向LRに並べて設けられていてよい。中間電極Z1，Z2は、陽極AOの電位と陰極KAの電位との間の異なる中間電位を有している。個別の電極への導線は図示を省略してある。
【００２５】
プラズマ室PKの外側並びに、該プラズマ室を室壁KWの外側に１つのマグネット装置を取り付けてあり、マグネット装置がプラズマ室PKを有利に環状に取り囲んでいる。磁極が、マグネット装置の縦方向に順次に並ぶ段で１つの段から次の段へ交互に与えられている。各段の磁極は有利にはそれぞれ、縦方向に連続する段間の間隙に位置している。マグネット装置の順次に並ぶ段の交互の磁極化によって、プラズマ室内に、順次に並ぶ電極間の間隙で大きな半径方向成分を有する特に良好な磁束が形成される。
【００２６】
プラズマジェットは、プラズマ室の中心線を中心としたリング状のプラズマ室の場合に縦軸線を中心として収束して鮮明な境界なしに形成され、一般的に縦方向で出口PAに向かって軽く発散する。プラズマ室内の電場が作業ガスのイオンをプラズマジェットの出口PAに向けて加速する。この場合に、プラズマジェットの縁部領域RBで中心の縦軸線から遠く離れていてかつ側方で電極面へ、特に噴流出口PAの領域で陰極KAへぶつかるイオンが発生する。イオンのこのような高い運動エネルギーによって、電子が受動的な陰極の表面から放出される。受動的な陰極から放出された電子が、生ぜしめられている電位の差によって陽極に向かって加速されて、プラズマ室内に生じる電磁場の作用を受けてプラズマ室内を運動し、その際に、中性のガスとして陰極の領域に導入された作業ガスの衝突イオン化によって、プラスに帯電したイオン並びに別の電子を生ぜしめる。電子のうちの、イオン衝突によって陰極から放出された部分が図１に符号ｅ1で示してある。
【００２７】
陰極から放出された電子が他方では、まだ中性化されていないプラズマジェットのプラスの空間電荷の作用を受けて部分ｅ2としてプラズマジェットに向かって運動して該プラズマジェットの中性化に寄与する。
【００２８】
陰極KAは全体的に若しくは少なくとも、放出するイオンに向けられた面に、スパッターリング特性の低い材料（このような材料からはイオン衝突によっても材料自体の原子が放出されず）を有していてよく、部分的に特別に形成された表面を有し若しくは挿入体ESを有している。
【００２９】
イオンの衝突による電子の放出が別の箇所で、特に中間電極で行われてもよく、この場合、プラズマジェットのエネルギー損失が、中間の該箇所では衝突するイオンの運動エネルギーの小さいことに基づき小さくなっている。しかしながらプラズマ室の長手方向で最後の電極としての陰極へのイオンの衝突が、そこでのイオンの高いエネルギーに基づき多くの電子を放出させ、特に多段構造の電子及び電磁装置ではプラズマ室の長い距離にわたって著しく増大させる。
【００３０】
加速電極KAの代わりに若しくは付加的に、別個の電極がイオンの衝突による電子の放出のために設けられていてよい。さらに、イオンの衝突で形成される自由な電子による中性化作用が不十分である場合に、中性器としての加熱された付加的な電子源がプラズマ室の出口に設けられてよい。特に簡単な構造のために、駆動的な電子源なしにプラズマジェットからのイオンの衝突によってのみ受動的な電極からイオン化及び中性化のための自由な電子を発生させる構成が有利である。
【００３１】
作業ガスのイオン化の開始が、プラズマ室内への作業ガスの導入に際して場合によっては自動的な電荷担体中断によって、若しくは高エネルギーの放射線を作用させてプラズマ室で分離された電荷担体を増加させることによって行われる。確実なイオン化開始のため若しくはイオン化開始の助成のために、作業ガスの導入の始めに作業ガスの一時的に高い圧力及び／又は２つの電極間の一時的に高い電圧によってガス放電が生ぜしめられてよい。
【００３２】
図２に示す変化例では、中心の縦軸線を含む構造のプラズマ室を用いてあり、このような構造はドイツ連邦共和国特許出願第１９８２８７０４Ａ１号明細書により公知のものと類似している。図２に示す構成では、作業ガスのイオン化のための電子e1及び流出するプラズマジェトの中性化のための電子e2が、外部の電子源EQで生ぜしめられるようになっており、該電子源は慣用のホールスラスター装置の場合と同様にプラズマジェット出口の領域に配置されていて、加熱され及び／又はガス放電で作動されるようになっている。
【００３３】
ホールスラスター装置においてはプラズマ室が環状に形成されており、マグネット装置がプラズマ室によって取り囲まれた内側の第１の磁極及びプラズマ室の外周の回りに配置された外側の第２の磁極を備えているのに対して、図２に示す実施例では、外部の電子源が、中心縦軸線を含む構造のプラズマ室並びに既に図１に示すようにプラズマ室を環状に取り囲みかつ縦軸線方向、即ち長手方向で互いに離隔されて交互に極性を与えられた磁極を有するマグネット装置と組み合わせて用いられている。このような構成によって特に良好な環状流状態及び装置の高い効率が得られる。特に、長手方向で２つよりも多い磁極箇所のあるマグネット装置並びに陰極EQと陽極AOとの間の中間電位にある中間電極を備えた構成が有利である。さらに有利には、磁極が長手方向でプラズマ室の順次に並ぶ電極間の間隙内に位置決めしてある。
【００３４】
本明細書及び請求範囲に記載してある手段並びに本図面から推察できる手段は、単独にも、互いに種々組み合わせても用いられるものである。本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、当業者にとって多様に変更され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】受動的な電子源を備えたプラズマ室の縦断面図
【図２】外部に電子源を備えたプラズマ室の縦断面図
【符号の説明】
【００３６】
AO 陽極電極、 KA 陰極、 PA 出口、 PS プラズマジェット、 PK プラズマ室、 KW 室壁、 LA(A)，LA(B) 中心縦軸線、FA，FB フランジ、FA及び出口側のフランジFB、中間電極Z1，Z2，Zn 中間電極

Claims (13)

1. 加速されたプラズマジェットを形成するためのプラズマ加速装置であって、室壁によって側方を画成されたプラズマ室、陽極、プラズマ室のプラズマジェット出口に配置された加速電極、並びに電子源を備えており、電子源がプラズマ室にプラズマジェット出口の側から電子を供給するようになっており、電子がプラズマ室内の作業ガスのイオン化のためにプラズマ室内で電場及び磁場にさらされるようになっており、電子源がプラズマ室内の受動電極面によって形成されており、受動電極面がプラズマジェットの一部分によって負荷されて、イオンの衝突に際して電子を放出させるようになっていることを特徴とするプラズマ加速装置。
2. 受動電極面がプラズマ室の中心縦軸線から側方へ離隔されている請求項１記載のプラズマ加速装置。
3. 受動電極面がプラズマ室の室壁に配置されている請求項１又は２記載のプラズマ加速装置。
4. 受動電極面がリング面として、若しくは中心縦軸線の周囲にリング状に配置された個別の面として形成されている請求項１から３のいずれか１項記載のプラズマ加速装置。
5. 電子源が加速電極の一部分の面によって形成されている請求項１から４のいずれか１項記載のプラズマ加速装置。
6. 縦軸線方向で陽極と加速電極との間に１つ若しくは複数の中間電極を配置してあり、中間電極が中間電位を有しており、縦軸線方向で多段のマグネット装置が、順次に並べられた電極間で半径方向の磁場密度の高い磁場を形成するようになっている請求項１から５のいずれか１項記載のプラズマ加速装置。
7. 電子源が金属である請求項１から６のいずれか１項記載のプラズマ加速装置。
8. 電子源が付加的に、流出するプラズマジェットの中性化のための電子を生ぜしめるようになっている請求項１から７のいずれか１項記載のプラズマ加速装置。
9. 加速して方向付けられたプラズマジェットを形成するためのプラズマ加速装置であって、プラズマ室、陽極、プラズマジェット出口に配置された加速電極、並びに電子源を備えており、電子源がプラズマ室にプラズマジェット出口の側から電子を供給するようになっており、電子がプラズマ室内の作業ガスのイオン化のためにプラズマ室内で電場及び磁場にさらされるようになっており、プラズマ室が縦軸線を中心として回転対称的に形成されていて、該縦軸線を含んでおり、磁場装置が縦軸線方向で加速電極間にプラズマ室を取り囲む第１の少なくとも１つの磁極を有しており、該磁極と逆の磁極が縦軸線方向で前記第１の磁極から離隔されており、電子源が、プラズマ室の外側でプラズマジェット出口の側に配置された電極を含んでいることを特徴とするプラズマ加速装置。
10. 磁場装置が縦軸線方向で、順次に互い違いに並べられた２つより多くの磁極を有している請求項９記載のプラズマ加速装置。
11. 縦軸線方向で陽極と加速電極との間に１つ若しくは複数の電極を配置してあり、該電極が加速電極の電位と陽極の電位との間の中間電位を有している請求項９又は１０記載のプラズマ加速装置。
12. 外部の電子源が付加的に、プラズマ室から流出する中性でないプラズマジェットに向けて中性化流を生ぜしめるようになっている
13. プラズマ室が陽極側で閉じられていて、縦軸線方向でプラズマジェット出口と逆の陽極側から電子流をプラズマ室内へ導入しないようになっている請求項９から１２のいずれか１項記載のプラズマ加速装置。