JP2017123310A - プラズマ加速装置およびプラズマ加速方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プラズマ加速装置は、プラズマ加速領域に電子を供給するカソード11と、アノード12と、カソードとアノードとの間に電圧を印加する電源13と、カソードよりも外周側に配置され、推進剤をプラズマ加速領域に供給する供給口14と、カソードから供給された電子がアノードに向かうことを抑制する第1の軸方向磁場をプラズマ加速領域の上流側領域に発生させる第1磁場発生体15とを備える。
【選択図】図4
Description
プラズマ加速領域(REG)の上流側領域(REGUP)に電子を供給するカソード(11)と、
アノード(12)と、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する電源(13)と、
前記カソードよりも外周側に配置され、プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤を前記プラズマ加速領域に供給する供給口(14)と、
前記カソードから供給された前記電子が前記アノードに向かうことを抑制する第1の軸方向磁場を前記プラズマ加速領域の前記上流側領域に発生させる第1磁場発生体(15)と
を備える。
前記第1磁場発生体は、前記プラズマ加速領域の前記第2方向の側にある端(第1壁部101)よりも前記第2方向の側に配置されていてもよい。
前記供給口は、前記第1磁場発生体よりも外周側に配置されていてもよい。
前記第1磁場発生体は、前記供給口よりも外周側に配置されていてもよい。
前記第2磁場発生体によって発生する前記第2の軸方向磁場の向きは、前記第1磁場発生体によって発生する前記第1の軸方向磁場の向きと異なっていてもよい。
前記プラズマ加速領域に接する第1壁部(101)と、
前記カソードから供給される前記電子が放出される電子放出口(104)であって、前記第1壁部に配置された前記電子放出口と
を更に備えていてもよい。
前記第1壁部と前記アノードの下流側端面(121)との間の距離(L)は、前記アノードの内径(R)の1/3以下であってもよい。
前記プラズマ加速装置は、
アノード(12)と、
プラズマ加速領域(REG)に電子を供給するカソード(11)と、
前記カソードから放出される前記電子の運動方向を第1方向と定義し、前記第1方向と反対の方向を第2方向と定義するとき、前記プラズマ加速領域よりも前記第2方向の側に配置された磁場発生体(15)と
を備える。
前記プラズマ加速方法は、
前記磁場発生体を用いて、前記プラズマ加速領域に末広がり状磁場を発生させるステップと(ST1)、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加するステップと(ST2)、
前記カソードから供給される前記電子を前記末広がり状磁場中に供給する第1供給ステップと(ST3)、
プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤を前記プラズマ加速領域に供給する第2供給ステップと(ST4)、
前記プラズマ加速領域に発生したプラズマ中のイオンを前記アノードと前記末広がり状磁場中の前記電子とによって発生する電場を用いて加速させるステップと(ST7)、
前記イオンが前記末広がり状磁場中の前記電子と衝突することにより、前記イオンを中和するステップと(ST8)
を備える。
前記末広がり状磁場と、前記カソードと前記アノードとの間に発生した電場の相互作用により、ホール電流を発生させるステップと(ST5)、
前記プラズマ加速領域に供給される前記プラズマ化前の推進剤または前記プラズマ化後の推進剤と、前記ホール電流の電子とを衝突させることにより、前記プラズマ加速領域に前記プラズマを発生させるステップと(ST6)
を更に備えていてもよい。
1)中心軸Cは、例えば、プラズマ加速装置1の中心を表す軸である。
2)座標系は、X軸、Y軸およびZ軸を持つ直交座標系である。X軸は、例えば、回転対称軸であり、中心軸Cに一致している。
3)「下流側」とは、例えば、X軸の正(+)方向の側を指す。例えば、ガス供給口14の下流側とは、ガス供給口14から見てX軸の正方向の側という意味である。「上流側」は、下流側の反対の意である。
4)径方向は、例えば、中心軸C(X軸)上の任意の点から中心軸C(X軸)の外部にある任意の点に向かう方向であり、かつ、中心軸C(X軸)に垂直な方向である。
プラズマ加速装置として、ホールスラスタの他にイオンスラスタが知られている。イオンスラスタおよびホールスラスタに関して、本願発明者は、次のような事項を認識した。
イオンスラスタについて述べる。図1は、イオンスラスタ3aの構成例を示す模式的な縦断面図である。図1に示すように、イオンスラスタ3aは、壁部30、アノード31と、電源32と、グリッド電極33と、中和器34と、供給口35と、噴出口面36とを備える。図1の例では、グリッド電極33は、第1グリッド電極(スクリーングリッド電極)331と、第2グリッド電極(アクセルグリッド電極)332と、第3グリッド電極(ディセルグリッド電極)333とで構成されている。簡単に言えば、イオンスラスタ3aは、電場(静電場)を利用して、プラズマ化された推進剤のイオンを加速するように構成されている。図1の説明では、内壁301から第1グリッド電極331までの間の領域をプラズマ発生領域と呼ぶ。
ホールスラスタについて述べる。ホールスラスタには、いくつかの種類がある。ここでは、アニュラ型を例に挙げる。図2は、アニュラ型ホールスラスタ3bの構成例を示す模式的な縦断面図である。図2に示すように、アニュラ型ホールスラスタ3bは、加速チャネルを構成するための壁部30と、アノード31と、電源32と、中和器34と、供給口35と、噴出口面36と、磁場発生体37とを備える。簡単に言えば、アニュラ型ホールスラスタ3bは、電場と磁場の相互作用を利用して推進剤をプラズマ化し、電子のドリフト電流(磁場に捕捉され、電場の影響を受けて運動する電子によって発生する電流)と磁場との相互作用を利用してプラズマ中のイオンを加速するように構成されている。
ホールスラスタの種類には、アニュラ型の他に、シリンドリカル型がある。シリンドリカル型について述べる。図3は、シリンドリカル型ホールスラスタ3cの構成例を示す模式的な縦断面図である。構成および作動原理に関して、図3に示すシリンドリカル型ホールスラスタ3cは、図2に示すアニュラ型ホールスラスタ3bと類似している。両者の間の大きな相違点は、磁場の分布である。図2の例では、加速チャネル内に径方向磁場Brが発生する。これに対し、図3の例では、加速チャネル内にカスプ磁場のような形状の磁場が発生する。このような磁場を発生させるため、内周側内壁3011に配置されている磁場発生体37の形状が図3に示すものと異なっている。
2.1.概要
(プラズマ加速装置の基本構成)
図4は、プラズマ加速装置1の基本構成を模式的に示す一部切欠き斜視図である。プラズマ加速装置1は、推進剤Gを使ってイオンビームを発生させ、そのイオンビームをプラズマ加速装置1の下流側に噴射することで推進力を得る。イオンを加速させると言う点においては、プラズマ加速装置1は、図1から図3の例と類似している。ただし、プラズマ加速装置1は、イオンビームを加速させるためのグリッドを必要とせず、また、必ずしも、磁場発生体を噴出口面よりも下流側に配置する必要もない。言い換えれば、プラズマ加速装置1の下流側にある解放された領域(空間)でイオンビームを発生させることが可能となる。
図5から図9を参照して、プラズマ加速装置1の作動原理を説明する。なお、図5から図9の各々は、図4に示すプラズマ加速装置1の模式的な縦断面図(X−Y平面に平行な面における断面図)である。
図10は、プラズマ加速装置1の構成例を模式的に示す図である。ここで、図10の(A)は、プラズマ加速装置1の模式的な縦断面図である。図10の(B)は、図10の(A)に示すX1−X1における矢視図(X軸の正方向から負方向に見た背面図)である。
筐体10は、絶縁部材(例えば、絶縁性セラミックス)で形成されている。図10の例では、筐体10の外観の形状は、円筒形状(本願明細書では、円筒形状は、略円筒形状を含む。)である。詳細には、筐体10は、プラズマ加速領域REGに接する第1壁部101と、側壁部102と、第1壁部101に対向する第2壁部103と、電子放出口104とを含む。電子放出口104は、カソード11から供給される電子が放出される電子放出口であって、第1壁部101に配置されている。図10の例では、電子放出口104は、カソード11を設置するために、第1壁部101の中央(具体的には、後述の内周側壁部1012の中央)に設けられた開口部である。なお、図10の例では、電源13の一部が筐体10から露出しているが、電源13の全体が筐体10に収納されていてもよい。このことは、推進剤タンク16についても同様である。
カソード11は、電子の放出源としての役割だけではなく、中和器の役割も備えている。カソード11は、例えば、ホローカソードである。代替的に、カソード11は、フィラメントカソードであってもよいし、高周波放電を適用した電子源であってもよい。カソード11は、電源13から電圧(電力)の供給を受け、カソード電極111からの電子が孔部112を通過して末広がり状磁場中に放出されるように構成されていればよい。図10の例では、カソード11は、カソード電極111と、孔部112とを備えている。カソード11は、電源13に接続されている。さらに、カソード11は、アノード12に間接的かつ電気的に接続されている。
アノード12は、導電体で形成されており、電場をプラズマ加速領域REGに発生させる役割をもつ。アノード12は、下流側端面121と、上流側端面122とを備える。上流側端面122は、下流側端面121と反対の面である。アノード12は、背面視で(X軸の正方向から負方向に見て)、リング形状(本願明細書では、リング形状は、略リング形状を含む。)を有する。アノード12は、電源13に接続されている。なお、アノード12の周方向に沿って、アノード12が一定間隔で分断されていてもよい。
電源13は、例えば、燃料電池である。いわば、電源13は、プラズマ加速装置1への電力の供給源である。電源13は、電圧源および/または電流源によって構成されていてもよい。図10の例では、電源13は、カソード11に負電圧を供給(印加)し、アノード12に正電圧を供給するように構成されている。この他、電源13は、コントローラ17に電力を供給し、電流を第1磁場発生体15に供給してもよい。
ガス供給口14は、ガス流路141を介してガス配管161に接続されている。ここで、ガス流路141は、推進剤タンク16から供給される推進剤Gが流れる流路であって、ガス供給口14から上流側に延伸している。図10の例では、背面視で(X軸の正方向から負方向に見て)、ガス供給口14は、リング形状を有する。また、図10の(A)に示す例では、ガス供給口14は、中心軸Cに対して垂直な面である。
推進剤Gは、プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤である。以下の説明では、推進剤Gがプラズマ化前の推進剤である場合を例に挙げる。推進剤Gがプラズマ化後の推進剤である場合については、後述する。推進剤Gは、例えば、希ガスである。具体的には、推進剤Gは、例えば、キセノンガスである。代替的に、推進剤Gは、アルゴンガスであってもよいし、クリプトンガスであってもよい。推進剤Gは、電子がイオンから電離しやすいガスであればよい。例えば、水素ガスは希ガスではないが、水素ガスは電離しやすい性質を持つ。したがって、水素ガスを推進剤として利用してもよい。
第1磁場発生体15は、例えば、電磁コイルである。代替的に、第1磁場発生体15は、永久磁石であってもよい。第1磁場発生体15として、リング形状(背面視)の電磁コイルを用いる場合、電磁コイルに投入する電力を変えることで、磁場の強度を調整することが可能となる。更には、末広がり状磁場の発生のオン/オフを制御することも可能となる。一方、第1磁場発生体15として永久磁石を用いる場合、末広がり状磁場を発生させるために電力を必要としない。以下の説明では、断りがない限り、第1磁場発生体15が電磁コイルである場合を例に挙げる。この場合、第1磁場発生体15は、次のように説明される。第1磁場発生体15自体は、コイルで形成されている。図10の例では、カソード11は、第1磁場発生体15(コイル)の内周側に配置される。第1磁場発生体15は、電源13から電流が供給されている期間、末広がり状磁場Bを発生させる。末広がり状磁場Bについては、改めて説明する。
推進剤タンク16は、推進剤Gを収容するタンクである。推進剤タンク16は、ガス配管161に接続されている。ガス配管161は、ガス流路141に接続されている。推進剤タンク16には、例えば、バルブ(図示しない)が接続されている。バルブが駆動されることにより、ガス配管161に推進剤Gが供給される。
コントローラ17は、例えば、マイクロコンピュータおよびメモリで構成されている。コントローラ17は、プラズマ加速装置1の全体の動作を制御する役割を持つ。図10の例では、コントローラ17の制御対象は、大別して、2つである。1つ目は、電源13の制御である。コントローラ17は、電源13(電圧源)のオン/オフを制御することにより、カソード11とアノード12との間に電圧を印加するタイミング(期間)を制御する。更に、コントローラ17は、電源13(電流源)のオン/オフを制御することにより、第1磁場発生体15へ電流を供給するタイミングを制御する。2つ目は、推進剤タンク16のバルブの制御である。イオンビームの発生期間に、コントローラ17は、推進剤タンク16のバルブを制御することで、推進剤Gをガス配管161に供給する。なお、コントローラ17は、プラズマ加速装置1の外部(例えば、宇宙機の機体)に設けられていてもよい。
以下に、末広がり状磁場について述べる。図11は、末広がり状磁場を説明するための図である。説明を分かりやすくするために、第1磁場発生体15の一方の側がN極151であり、他方の側がS極152であるとする。図11の例では、内周側壁部1012の下流側端面101B(単に、第1壁部の後面101Bとも呼ぶ)の側がN極151となるように、第1磁場発生体15に電流が流れている。周知の通り、第1磁場発生体15によって発生した末広がり状磁場の磁力線は、N極151から出て、ループを描くようにS極152へ戻る。
電子の流路という言葉を用いて、第1磁場発生体を表現することができる。図11を参照して、電子の流路について述べる。説明を簡単にするため、図11に示すように、X−Y面において、回転対称軸C1の近傍に2つの磁力線があると仮定する。2つの磁力線のうちの一方は、上述の磁力線ΦB1である。他方は、回転対称軸C1に関して磁力線ΦB1に対称な磁力線ΦB2である。図11に示すように、カソード11から放出された電子のうちの大部分は、磁力線ΦB1および磁力線ΦB2によって囲まれた領域CHを通過する。この領域CHを電子の流路と呼ぶ。
プラズマ加速領域REGは、上流側領域REGUPと下流側領域REGDOWNとに分けられると述べた。図4から図11の例では、上流側領域REGUPの距離(X軸方向)は、例えば、電子の流路の長さ(例えば、X軸方向において、30cm以上、100cm以下)である。しかしながら、上流側領域REGUPおよび下流側領域REGDOWNの区別は、説明を分かりやすくするためのものにすぎない。なお、上流側領域REGUPは、プラズマ加速領域REGのうちで、軸方向磁場Bxが径方向磁場Brよりも大きな領域であると定義されてもよい。下流側領域REGDOWNは、プラズマ加速領域REGのうちで、軸方向磁場Bxが径方向磁場Brよりも小さな領域であると定義されてもよい。
プラズマ加速器を用いるプラズマ加速方法について述べる。図12は、プラズマ加速方法の一例を示すフローチャートである。図12の例では、プラズマ加速方法は、ステップST1からST8で構成される。以下の説明では、例えば、図4も参照されたい。
第1磁場発生体15がプラズマ加速領域REGに末広がり状磁場Bを発生させる。
2)ステップST2:
電源13によって、カソード11と前記アノードとの間に電圧が印加される。
3)ステップST3:
カソード11から供給される電子が末広がり状磁場中Bに供給される。
4)ステップST4:
推進剤Gがガス供給口14からプラズマ加速領域REGに供給される。
5)ステップST5:
末広がり状磁場Bと、カソードとアノードとの間に発生した電場の相互作用により、ホール電流が発生する。
6)ステップST6:
プラズマ加速領域REGに供給される推進剤Gがホール電流の電子と衝突することにより、プラズマ加速領域REGにプラズマが発生する。
7)ステップST7:
プラズマ加速領域REGに発生したプラズマ中のイオンが、アノード12と末広がり状磁場B中の電子とによって形成される電場を用いて加速する。
8)ステップST8:
加速されたイオンが末広がり状磁場中Bの電子と衝突することにより、イオンが中和される。
3.1.概要
第2の実施の形態は、プラズマ加速装置の推進力の方向を変える方法に関する。以下に、推進力の方向を変える2つの方法を例示する。
第1の方法について説明する。図13は、推進力の方向を変える第1の方法を説明するための模式図である。図13に示すように、例えば、X軸に対して斜め方向の推進力Fを得たい場合がある。図13の例では、推進力Fは、負のX軸成分Fxと、負のY軸成分Fyを持っている。X軸成分Fxの大きさは、例えば、負のY軸成分Fyの大きさと同じである。図13に示す推進力Fを得たい場合、推進力Fと反対の方向に末広がり状磁場Bを形成すればよい。換言すれば、所望の推進力Fが得られるように、末広がり状磁場の回転対称軸を設定すればよい。
第2の方法について説明する。上述の第1の方法の場合、所望する推進力の方向に応じて、磁場発生体自体の向きが変わる。そのため、プラズマ加速装置の構造の制約を受けるかもしれない。その場合、第2の方法が有効である。
以下に、第2の方法を適用したプラズマ加速装置の構成例について述べる。図15は、プラズマ加速装置1bの構成例を模式的に示す図である。ここで、図15の(A)は、プラズマ加速装置1bの模式的な縦断面図である。図15の(B)は、図15の(A)に示すX2−X2における矢視図である。
図15の例では、プラズマ加速装置1bは、第1磁場発生体151および第2磁場発生体152に加え、第3磁場発生体153、第4磁場発生体154、および第5磁場発生体155を備える。第1から第5磁場発生体151−155の各々の構成は、図10に示す第1磁場発生体15の構成と同じであってもよい。なお、第2から第5磁場発生体152−155を一つの磁場発生体(第2の磁場発生体)とみなしてもよい。
図15の例では、プラズマ加速装置1bは、第1電源131、第2電源132、第3電源133、第4電源134、および第5電源135を備える。第1から第5電源131−135は、第1から第5磁場発生体151−155にそれぞれ電流を供給する。例えば、第2磁場発生体152が作動対象である場合、第2電源132が第2磁場発生体152に電流を供給する。このとき、作動対象外の電源は、電流の供給を停止している。
第3の実施の形態は、アノードの配置に関する。上述の第1の実施の形態では、アノードが外周側壁部に配置されている。アノードは、次のように配置されてもよい。図16は、プラズマ加速装置1cの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図16の例では、アノード12が内周側壁部1012に配置されている。言い換えれば、アノード12は、カソード11よりも外周側にあり、ガス供給口14よりも内周側にある。
第4の実施の形態は、第1磁場発生体の配置およびアノードの配置に関する。上述の第1の実施の形態では、カソードが第1磁場発生体(コイル)の内周側に配置される。電磁コイルとしての第1磁場発生体は、次のように配置されていてもよい。図17は、プラズマ加速装置1dの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図17の例では、第1磁場発生体15は、カソード11よりも上流側に配置されている。アノード12の直径(内径)が図10に示すアノードの直径(内径)よりも大きい。更に、ガス供給口14からX軸の正方向に離れた位置で、ガス供給口14は、アノード12の上流側端面122の一部によって覆われていない。第4の実施の形態も、第1の実施の形態の効果、第2の実施の形態の効果または第3の実施の形態の効果と同じ効果をもたらす。
第5の実施の形態は、第1磁場発生体に永久磁石を適用する場合に関する。図18は、プラズマ加速装置1eの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図18の例では、永久磁石として、リング磁石15aが用いられている。リング磁石15aのN極側が第1壁部101に面している。カソード11は、リング磁石15aの内周側に配置されている。第5の実施の形態も、第1の実施の形態の効果、第2の実施の形態の効果または第3の実施の形態の効果と同じ効果をもたらす。なお、第5の実施形態を図15に示す第2の実施の形態(複数の磁場発生体を用いる方法)と組み合わせる場合、リング磁石15a以外の磁場発生体(152−155)は、磁場の発生のオン/オフを制御可能な電磁コイルであることが望ましい。また、図18の例では、リング磁石15aがガス供給口14よりも内周側に設けられているが、リング磁石15aがガス供給口14よりも外周側に設けられていてもよい。
第6の実施の形態は、第5の実施の形態で述べた永久磁石の配置に関する。永久磁石は、次のように配置されてもよい。図19は、プラズマ加速装置1fの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図19の例では、永久磁石として、円柱型磁石15bが用いられている。円柱型磁石15bは、カソード11よりも上流側に配置されている。円柱型磁石15bのN極側が第1壁部101に面している。第6の実施の形態も、第1の実施の形態の効果、第2の実施の形態の効果または第3の実施の形態の効果と同じ効果をもたらす。なお、第6の実施形態を図15に示す第2の実施の形態(複数の磁場発生体を用いる方法)と組み合わせる場合、円柱型磁石15b以外の磁場発生体(152−155)は、磁場の発生のオン/オフを制御可能な電磁コイルであることが望ましい。
第7の実施の形態は、第1磁場発生体の配置に関する。第1の実施の形態では、第1磁場発生体がガス供給口よりも内周側に配置されている。電磁コイルとしての第1磁場発生体は、次のように配置されていてもよい。図20は、プラズマ加速装置1gの構成例を模式的に示す一部切欠き斜視図である。図20の例では、ガス供給口14がカソード11よりも外周側に配置され、第1磁場発生体15がガス供給口14よりも外周側に配置されている。言い換えれば、カソード11およびガス供給口14が第1磁場発生体15の内周側に配置されている。そのため、図20に示す第1磁場発生体15の直径(内径)は、図4に示す第1磁場発生体15の直径(内径)よりも大きい。また、図20の例では、第1磁場発生体15の直径(内径)は、アノード12の直径(内径)よりも大きい。第1磁場発生体15の直径(内径)がアノード12の直径(内径)より大きい場合、第1磁場発生体15の一部がプラズマ加速領域REGの一部を囲んでいてもよい。代替的に、第1磁場発生体15の直径(内径)が、アノード12の直径(内径)と同じであってもよい。第7の実施の形態も、第1の実施の形態の効果、第2の実施の形態の効果または第3の実施の形態の効果と同じ効果をもたらす。
第8の実施の形態は、プラズマ加速装置の適用例に関する。上述の第1から第7の実施の形態で述べたプラズマ加速装置は、宇宙機に適用することができる。図21は、宇宙機2の構成例を示す模式図である。図21の例では、宇宙機2は、プラズマ加速装置1(1aから1gのいずれでもよい)と、機体20と、第1太陽電池231と、第2太陽電池232とを備える。プラズマ加速装置1は、機体20の後面22に取り付けられている。第1太陽電池231は、機体20の第1側面211に取り付けられている。第2太陽電池232は、機体20の第2側面212に取り付けられている。プラズマ加速装置1がイオンビームを噴射することによって、宇宙機2の軌道や宇宙機2の姿勢が変わる。なお、2つ以上のプラズマ加速装置1が機体20の後面22に取り付けられていてもよい。
Claims (12)
- プラズマ加速領域の上流側領域に電子を供給するカソードと、
アノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、
前記カソードよりも外周側に配置され、プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤を前記プラズマ加速領域に供給する供給口と、
前記カソードから供給された前記電子が前記アノードに向かうことを抑制する第1の軸方向磁場を前記プラズマ加速領域の前記上流側領域に発生させる第1磁場発生体と
を備えるプラズマ加速装置。 - 前記プラズマ加速領域の前記上流側領域から前記プラズマ加速領域の下流側領域に向かう方向を第1方向と定義し、前記第1方向と反対の方向を第2方向と定義するとき、
前記第1磁場発生体は、前記プラズマ加速領域の前記第2方向の側にある端よりも前記第2方向の側に配置されている
請求項1に記載のプラズマ加速装置。 - 前記第1磁場発生体は、前記カソードよりも外周側に配置され、
前記供給口は、前記第1磁場発生体よりも外周側に配置されている
請求項1または2に記載のプラズマ加速装置。 - 前記供給口は、前記カソードよりも外周側に配置され
前記第1磁場発生体は、前記供給口よりも外周側に配置されている
請求項1または2に記載のプラズマ加速装置。 - 前記第1磁場発生体の向きを変更する向き変更機構を更に備える
請求項1から4のいずれか一に記載のプラズマ加速装置。 - 前記プラズマ加速領域に第2の軸方向磁場を発生させる第2磁場発生体を更に備え、
前記第2磁場発生体によって発生する前記第2の軸方向磁場の向きは、前記第1磁場発生体によって発生する前記第1の軸方向磁場の向きと異なる
請求項1から5のいずれか一に記載のプラズマ加速装置。 - 前記プラズマ加速領域に接する第1壁部と、
前記カソードから供給される前記電子が放出される電子放出口であって、前記第1壁部に配置された前記電子放出口と
を更に備える
請求項1から6のいずれか一に記載のプラズマ加速装置。 - 前記アノードは、前記第1壁部上に配置されている
請求項7に記載のプラズマ加速装置。 - 前記アノードは、前記供給口よりも外周側に配置されている
請求項1から8のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置。 - 前記プラズマ加速領域に接する第1壁部を更に備え、
前記アノードは、リング形状を有し、
前記第1壁部と前記アノードの下流側端面との間の距離は、前記アノードの内径の1/3以下である
請求項1から6のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置。 - プラズマ加速装置を用いるプラズマ加速方法であって、
前記プラズマ加速装置は、
アノードと、
プラズマ加速領域に電子を供給するカソードと、
前記カソードから放出される前記電子の運動方向を第1方向と定義し、前記第1方向と反対の方向を第2方向と定義するとき、前記プラズマ加速領域よりも前記第2方向の側に配置された磁場発生体と
を備え、
前記プラズマ加速方法は、
前記磁場発生体を用いて、前記プラズマ加速領域に末広がり状磁場を発生させるステップと、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加するステップと、
前記カソードから供給される前記電子を前記末広がり状磁場中に供給する第1供給ステップと、
プラズマ化前の推進剤またはプラズマ化後の推進剤を前記プラズマ加速領域に供給する第2供給ステップと、
前記プラズマ加速領域に発生したプラズマ中のイオンを前記アノードと前記末広がり状磁場中の前記電子とによって発生する電場を用いて加速させるステップと、
前記イオンが前記末広がり状磁場中の前記電子と衝突することにより、前記イオンを中和するステップと
を備える
プラズマ加速方法。 - 前記末広がり状磁場と、前記カソードと前記アノードとの間に発生した電場の相互作用により、ホール電流を発生させるステップと、
前記プラズマ加速領域に供給される前記プラズマ化前の推進剤または前記プラズマ化後の推進剤と、前記ホール電流の電子とを衝突させることにより、前記プラズマ加速領域に前記プラズマを発生させるステップと
を更に備える
請求項11に記載のプラズマ加速方法。
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Cited By (1)
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