WO2017119501A1 - 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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WO2017119501A1
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plasma
plasma acceleration
anode
cathode
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拓也 山▲崎▼
松隆 笹原
岩崎　知二
安井　正明
章弘 佐宗
輝 岩川
大輔 市原
佳祐 水谷
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三菱重工業株式会社
国立大学法人名古屋大学
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    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
    • H05H1/04—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using magnetic fields substantially generated by the discharge in the plasma

Definitions

  • the present invention relates to a plasma acceleration device and a plasma acceleration method.
  • a plasma accelerator In space, a plasma accelerator is used in order for the spacecraft to obtain propulsion.
  • a hole thruster is known as a plasma accelerator.
  • a hole thruster generates an electric field and a magnetic field in an acceleration channel (plasma acceleration region), and converts a propellant into a plasma (plasmatizes) using an interaction between the electric field and the magnetic field.
  • the Hall thruster obtains propulsion by injecting ions in the plasma to the space downstream of the Hall thruster.
  • Patent Document 1 discloses a Hall current ion source device.
  • the Hall current ion source device of Patent Document 1 includes, for example, a magnetic field generator including an electromagnet and a steel core assembly.
  • the radial magnetic field is formed by arranging the magnetic field generator on the central axis of the hole thruster.
  • the Hall current ion source device further comprises an anode and a cathode in addition to the magnetic field generator.
  • the anode is located upstream of the acceleration channel.
  • the cathode is disposed downstream of the acceleration channel.
  • the inventor of the present application has sought a plasma acceleration device and a plasma acceleration method with high thrust efficiency.
  • An object of the present invention is to provide a plasma acceleration device and plasma acceleration method with high thrust efficiency.
  • the plasma acceleration device includes a cathode that supplies electrons to the upstream region of the plasma acceleration region, an anode, a power supply that applies a voltage between the cathode and the anode, and the cathode.
  • a feed port disposed on the outer peripheral side, which supplies a propellant before plasma formation or a propellant after plasma formation to the plasma acceleration region, and a first one for suppressing the electrons supplied from the cathode from going to the anode
  • a first magnetic field generator for generating an axial magnetic field in the upstream region of the plasma acceleration region.
  • the first magnetic field may be disposed on the second direction side of the end (first wall portion 101) on the second direction side of the plasma acceleration region.
  • the first magnetic field generator may be disposed on the outer peripheral side of the cathode.
  • the supply port may be disposed on the outer peripheral side of the first magnetic field generator.
  • the supply port may be disposed on the outer peripheral side of the cathode.
  • the first magnetic field generator may be disposed on the outer peripheral side of the supply port.
  • the plasma accelerator may further include an orientation changing mechanism that changes the orientation of the first magnetic field generator.
  • the plasma accelerator may further include a second magnetic field generator (15 2 to 15 5 ) that generates a second axial magnetic field in the plasma acceleration region.
  • the direction of the second axial magnetic field generated by the second magnetic field generator may be different from the direction of the first axial magnetic field generated by the first magnetic field generator.
  • the plasma acceleration device is a first wall portion in contact with the plasma acceleration region, and an electron emission port from which the electrons supplied from the cathode are emitted, and the electron emission port disposed in the first wall portion And may be further provided.
  • the anode may be disposed on the first wall.
  • the anode may be disposed on the outer peripheral side of the supply port.
  • the plasma accelerator may further include a first wall contacting the plasma acceleration region.
  • the anode may have a ring shape. The distance between the first wall and the downstream end face of the anode may be 1/3 or less of the inner diameter of the anode.
  • the plasma acceleration method uses a plasma accelerator.
  • the plasma acceleration device defines an anode, a cathode supplying electrons to the plasma acceleration region, and a motion direction of the electrons emitted from the cathode as a first direction, and a direction opposite to the first direction is a second direction.
  • a direction opposite to the first direction is a second direction.
  • it comprises a magnetic field generator disposed on the side of the second direction rather than the plasma acceleration region.
  • the plasma acceleration method includes the steps of: generating a diverging magnetic field in the plasma acceleration region using the magnetic field generator; applying a voltage between the cathode and the anode; and supplying from the cathode A first supply step of supplying the electrons into the divergent magnetic field, a second supply step of supplying a propellant before plasma formation or a propellant after plasma formation to the plasma acceleration region, and generation in the plasma acceleration region Accelerating the ions in the plasma using the electric field generated by the anode and the electrons in the diverging magnetic field, and the ions colliding with the electrons in the diverging magnetic field, And neutralizing.
  • a hole current is generated by the interaction of the divergent magnetic field and an electric field generated between the cathode and the anode. Generating the plasma in the plasma acceleration region by causing the propellant before the plasma formation supplied to the plasma acceleration region or the propellant after the plasma formation to collide with electrons of the hole current It may further be provided.
  • a plasma accelerator and a plasma acceleration method with high thrust efficiency are provided.
  • FIG. 1 is a schematic vertical sectional view showing a configuration example of the ion thruster 3a.
  • FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing a configuration example of the annular hole thruster 3b.
  • FIG. 3 is a schematic vertical sectional view showing a configuration example of the cylindrical hole thruster 3c.
  • FIG. 4 is a partially cutaway perspective view schematically showing the basic configuration of the plasma acceleration device 1.
  • FIG. 5 is a schematic vertical sectional view of the plasma acceleration device 1 shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic vertical sectional view of the plasma acceleration device 1 shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic vertical sectional view of the plasma acceleration device 1 shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic vertical sectional view of the plasma acceleration device 1 shown in FIG. FIG.
  • FIG. 9 is a schematic longitudinal sectional view of the plasma acceleration device 1 shown in FIG.
  • FIG. 10 is a view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the end spreading magnetic field.
  • FIG. 12 is a flowchart showing an example of a plasma acceleration method.
  • FIG. 13 is a schematic view for explaining a first method of changing the direction of the propulsive force.
  • FIG. 14 is a schematic view for explaining a second method of changing the direction of the propulsive force.
  • FIG. 15 is a view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1b.
  • FIG. 16 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1c.
  • FIG. 17 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1d.
  • FIG. 18 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1 e.
  • FIG. 19 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1 f.
  • FIG. 20 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1g.
  • FIG. 21 is a schematic view showing a configuration example of the spacecraft 2.
  • the central axis C is, for example, an axis that represents the center of the plasma acceleration device 1.
  • the coordinate system is an orthogonal coordinate system having an X axis, a Y axis and a Z axis.
  • the X axis is, for example, an axis of rotational symmetry, which coincides with the central axis C.
  • the “downstream side” refers to, for example, the positive (+) side of the X axis.
  • the downstream side of the gas supply port 14 means the side in the positive direction of the X axis when viewed from the gas supply port 14. "Upstream" is the opposite of downstream. 4)
  • the radial direction is, for example, a direction from an arbitrary point on the central axis C (X axis) toward an arbitrary point outside the central axis C (X axis), and the central axis C (X axis) Perpendicular to the
  • ion thrusters are known in addition to hole thrusters. With regard to ion thrusters and hole thrusters, the inventor has recognized the following matters.
  • FIG. 1 is a schematic vertical sectional view showing a configuration example of the ion thruster 3a.
  • the ion thruster 3 a includes a wall portion 30, an anode 31, a power source 32, a grid electrode 33, a neutralizer 34, a supply port 35, and a jet surface 36.
  • the grid electrode 33 is composed of a first grid electrode (screen grid electrode) 331, a second grid electrode (acceleration grid electrode) 332, and a third grid electrode (decel grid electrode) 333.
  • the ion thruster 3a is configured to accelerate the ions of plasmatized propellant using an electric field (electrostatic field).
  • a region from the inner wall 301 to the first grid electrode 331 is referred to as a plasma generation region.
  • the principle of operation of the ion thruster 3a can be roughly divided into three steps.
  • the first step relates to the generation of plasma.
  • a propellant for example, xenon gas
  • the anode 31 and the cathode for plasma generation / discharge (not shown) are supplied with power for plasma generation from the power supply 32, the propellant is converted to plasma by the discharge between the anode 31 and cathode for plasma generation / discharge .
  • the plasma generation region is filled with ions (cations i) and electrons (e) that constitute the plasmified propellant.
  • the second step involves the extraction of ions.
  • the first grid electrode 331 is connected to the power supply so as to have a negative potential with respect to the plasma in the plasma generation region.
  • the second grid electrode 332 receives a negative voltage from the power supply 32.
  • the third grid electrode 333 is connected so as to have a positive potential higher than the potential of the second grid electrode 332.
  • ions in the plasma generation region are accelerated toward the second grid electrode 332.
  • the ions that have passed through the holes of each of the three grid electrodes (331-333) move downstream. That is, ions are extracted from the plasma in the plasma generation region.
  • the extracted ions are jetted from the jet face 36 toward the downstream side as an ion beam I beam .
  • the third step relates to the neutralization of the ions ejected from the jet face 36.
  • the number of electrons in the plasma generation region is larger than the number of ions in the plasma generation region.
  • the ion thruster 3a (wall 30) is negatively charged.
  • a neutralizer 34 is used to maintain the electrical neutrality of the ion thruster 3a.
  • the neutralizer 34 is disposed downstream of the jet face 36 of the ion thruster, and emits electrons by receiving a negative voltage from the power supply 32.
  • the ions of the ion beam I beam combine with the electrons emitted from the neutralizer 34 to neutralize the ion beam I beam .
  • the ion thruster has the following problems.
  • the thrust of the ion thruster is proportional to the current (called the ion beam current) generated by the flow of the ion beam I beam of FIG.
  • the size of the ion thruster is the same, the more the ion beam current, the higher the momentum of the ion thruster.
  • the supply amount of the propellant for generating the plasma may be increased.
  • there is an upper limit to the magnitude of the ion beam current due to the space charge limiting law.
  • the size of the ion thruster is the same, there is a limit to the driving force of the ion thruster.
  • FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing a configuration example of the annular hole thruster 3b.
  • the annular hole thruster 3 b includes a wall 30 for forming an acceleration channel, an anode 31, a power source 32, a neutralizer 34, a supply port 35, and a jet surface 36. , And a magnetic field generator 37.
  • the annular hole thruster 3b plasmifies the propellant using the interaction between the electric and magnetic fields and generates an electron drift current (captured by the electrons moving under the influence of the electric field trapped in the magnetic field) It is configured to accelerate the ions in the plasma by utilizing the interaction between the current) and the magnetic field.
  • the annular type hole thruster 3b shown in FIG. 2 differs from the ion thruster 3a shown in FIG. 1 in the following point.
  • the first is to use a hole current (hole motion of electrons) resulting from the interaction between an electric field and a magnetic field to plasmify the propellant.
  • a hole current hole motion of electrons
  • axial electric field E x and radial magnetic field B r orthogonal to each other are applied.
  • the second is that the ions of the propellant made plasma by the Hall current J H are accelerated by the Lorentz force.
  • the Lorentz force is one of the interactions between the Hall current J H and the radial magnetic field B r .
  • the magnitude of this Lorentz force is equal to the electrostatic force acting on the ions by the electric field.
  • generation of a hole current J H and acceleration of ions are performed in a region called an acceleration channel.
  • the radial magnetic field B r required to generate the hole current J H is obtained by the magnetic field generator 37.
  • the radial magnetic field B r is a magnetic field in the direction from the central axis C of the wall 30 to the side wall 302.
  • a portion of the magnetic field generator 37 is disposed along the central axis C.
  • the other part of the magnetic field generator 37 is disposed along the cylindrical side wall 302.
  • axial field E x utilized to generate a hole current J H is obtained by the anode 31 and the neutralizer 34.
  • a portion of the anode 31 is disposed on the inner peripheral side inner wall 301 1.
  • Another portion of the anode 31 is disposed on the outer peripheral side inner wall 301 2.
  • the principle of operation of the annular hole thruster 3b can be roughly divided into four steps.
  • the first step relates to the generation of the hole current.
  • electrons emitted from the neutralizer 34 enters the acceleration channel by axial field E x.
  • the electrons entering the acceleration channel are captured by the radial magnetic field B r and perform E ⁇ B drift motion.
  • the electrons in the acceleration channel rotate around the central axis C.
  • the rotational movement of the electrons generates a hole current J H around the central axis C.
  • the second step concerns the plasmatization of the propellant.
  • the propellant collides with the electrons of the hole current J H to plasmify the propellant.
  • the acceleration channel is filled with ions (i) and electrons (e) that make up the plasmified propellant.
  • the third step concerns the acceleration of the ions.
  • the ions of the plasmatized propellant are accelerated toward the jet nozzle surface 36 under Lorentz force. Thereafter, the accelerated ions are jetted downstream from the jet nozzle surface 36 as an ion beam I beam .
  • the fourth step as in the case of the ion thruster shown in FIG. Also in the annular hole thruster 3 b, the ion beam I beam is neutralized by the neutralizer 34.
  • Hall thrusters do not require grid electrodes. Therefore, Hall thrusters have the advantage of not being limited by the ion beam current due to space charge limiting rules. On the other hand, the hole thrusters have the following problems.
  • the ion beam tends to diffuse in the radial direction. This leads to a reduction in propulsion.
  • the reason is that not all ions in the acceleration channel have axial momentum (moment in the X-axis direction). Some ions have radial momentum (radial momentum). Therefore, the ion beam is easily diffused in the radial direction.
  • FIG. 3 is a schematic vertical sectional view showing a configuration example of the cylindrical hole thruster 3c.
  • the cylindrical hole thruster 3c shown in FIG. 3 is similar to the annular hole thruster 3b shown in FIG.
  • the major difference between the two is the distribution of the magnetic field.
  • a radial magnetic field Br is generated in the acceleration channel.
  • a magnetic field shaped like a cusp magnetic field is generated in the acceleration channel.
  • the shape of the magnetic field generator 37 is disposed on the inner peripheral side inner wall 301 1 is different from that shown in FIG.
  • the cylindrical type hole thruster Compared with the annular type hole thruster, the cylindrical type hole thruster has a large (volume of the discharge chamber) / (surface area of the discharge chamber) due to its structure. Therefore, wear of the wall surface due to the collision of ions with the wall of the discharge chamber is unlikely to occur.
  • the cylindrical hole thruster has the following problems in addition to the energy loss of the ion beam and the diffusion of the ion beam. Some of electrons emitted from the neutralizer 34, the axial field E x, toward the anode 31. As a result, the movement of the electrons tends to generate a discharge current in the channel. The discharge current leads to a reduction in thruster thrust efficiency.
  • the inventor of the present application focused on the above problems and studied a plasma acceleration device with high thrust efficiency.
  • FIG. 4 is a partially cutaway perspective view schematically showing the basic configuration of the plasma acceleration device 1.
  • the plasma acceleration device 1 generates an ion beam using the propellant G, and obtains the propulsion force by injecting the ion beam to the downstream side of the plasma acceleration device 1.
  • the plasma acceleration device 1 is similar to the example of FIGS. 1 to 3 in that it accelerates ions.
  • the plasma acceleration device 1 does not need a grid for accelerating the ion beam, and it is not always necessary to arrange the magnetic field generator downstream of the jet nozzle surface. In other words, it is possible to generate an ion beam in the released region (space) downstream of the plasma acceleration device 1.
  • the plasma acceleration device 1 includes a cathode 11, an anode 12, a power source 13, a gas supply port 14, and a first magnetic field generator 15.
  • the cathode 11 supplies electrons to the upstream region REG UP of the plasma acceleration region REG (also referred to as an acceleration channel).
  • the power supply 13 applies a voltage between the cathode 11 and the anode 12.
  • the gas supply port 14 is disposed on the outer peripheral side (the outer side in the radial direction) than the cathode 11, and supplies the propellant G to the plasma acceleration region REG.
  • the first magnetic field generator 15 generates a divergent magnetic field B downstream of the plasma acceleration device 1.
  • the cathode 11, the gas supply port 14, and the first magnetic field generator 15 are disposed upstream of the plasma acceleration region REG. Therefore, the cathode 11 as a neutralizer is not provided on the downstream side of the plasma acceleration device 1.
  • the anode 12 faces the plasma acceleration region REG.
  • the plasma acceleration region REG is divided into the upstream region REG UP and the downstream region REG DOWN in order to make the description easy to understand. The details of the plasma acceleration region REG will be described again.
  • FIGS. 5 to 9 are schematic longitudinal sectional views (a sectional view in a plane parallel to the XY plane) of the plasma acceleration device 1 shown in FIG.
  • the flare magnetic field generated by the first magnetic field generator 15 will be briefly described.
  • the axial magnetic field B x (component in the X-axis direction) monotonously decreases as going from the negative direction of the X-axis to the positive direction.
  • the radial magnetic field B r (radial component of the end spreading magnetic field) monotonously increases in the upstream region REG UP as going from the negative direction of the X axis to the positive direction.
  • the divergent magnetic field refers to a magnetic field which radially spreads (diffuses) as magnetic lines of force oriented along the axial direction (central axis direction) go downstream.
  • P 1 in the vicinity of the cathode 11 can be regarded as so small that the radial magnetic field B r negligible.
  • FIG. 6 when a voltage is applied between the cathode 11 and the anode 12, an electric field E is generated in the plasma acceleration region REG.
  • the direction of the electric field E shown in FIG. 6 is the direction from the anode 12 to the cathode 11.
  • the direction of the electric field E around the point P1 is from the anode 12 toward the central axis C.
  • the electric field E is generated in the direction from the anode 12 to the electrons in the downstream region REG DOWN .
  • ions in the plasma accelerate in the direction of the electric field E.
  • This flow of ions becomes an ion beam I beam .
  • the ion beam I beam flows from the upstream side to the downstream side of the plasma acceleration region REG so that the ion beam I beam does not diffuse in the downstream region REG DOWN in the radial direction.
  • the ions of the plasmatized propellant accelerate in the direction of the electric field E.
  • the ions combine with the electrons in the downstream region REG DOWN . That is, the ions of the ion beam I beam are neutralized.
  • bonded with the electron is a neutral particle.
  • the plasma accelerator 1 obtains propulsion in the direction opposite to the flow of the ion beam I beam .
  • the plasma accelerator since the plasma accelerator has the configuration shown in FIG. 4, an ion beam is generated in the region (space) downstream of the plasma accelerator. As a result, the thrust efficiency of the plasma accelerator improves.
  • the main reasons for the improvement of thrust efficiency are as follows.
  • the first is that the ion beam does not collide with the wall or the frequency of the collision is low. Therefore, the energy loss of the ion beam is suppressed.
  • the wall surface for example, a cylindrical wall surface
  • the effect of suppressing the energy loss of the ion beam is large.
  • the second is that due to the structure of the plasma accelerator, there is no limitation of the ion beam current due to the space charge limitation law. In addition to this, there is no limitation of the ion beam current due to the grid width. Therefore, it is easy to increase the ion beam current. Further, since the grid electrode is unnecessary, wear of the grid is suppressed, and the upper limit of the thrust is not suppressed by the grid area. Therefore, the size of the plasma accelerator can be easily increased.
  • the third reason is that it is difficult for the ion beam to diverge in the radial direction.
  • the direction of the electric field is the direction from the anode 12 toward the electrons in the downstream region REG DOWN . Therefore, the ion beam tends to be focused toward the central axis.
  • FIG. 10 is a view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1.
  • FIG. 10A is a schematic vertical sectional view of the plasma acceleration device 1.
  • FIG. 10B is a view on arrow X 1 -X 1 shown in FIG. 10A (a rear view seen from the positive direction of the X axis in the negative direction).
  • the plasma acceleration device 1 promotes the housing (housing) 10, and And an agent tank 16.
  • the plasma acceleration device 1 may include a controller 17.
  • the housing 10 is formed of an insulating member (for example, insulating ceramic).
  • the external shape of the housing 10 is a cylindrical shape (herein, the cylindrical shape includes a substantially cylindrical shape).
  • the housing 10 includes a first wall portion 101 in contact with the plasma acceleration region REG, a side wall portion 102, a second wall portion 103 facing the first wall portion 101, and an electron emission port 104.
  • the electron emission port 104 is an electron emission port from which the electrons supplied from the cathode 11 are emitted, and is disposed in the first wall portion 101.
  • FIG. 10 is formed of an insulating member (for example, insulating ceramic).
  • the external shape of the housing 10 is a cylindrical shape (herein, the cylindrical shape includes a substantially cylindrical shape).
  • the housing 10 includes a first wall portion 101 in contact with the plasma acceleration region REG, a side wall portion 102, a second wall portion 103 facing the first wall portion 101, and an electron emission port 104.
  • the electron emission port 104 is an
  • the electron emitting port 104 to install the cathode 11, (specifically, the central inner circumference of the side wall portion 101 2 below) the center of the first wall portion 101 opening provided in It is.
  • the entire power supply 13 may be accommodated in the housing 10. The same is true for the propellant tank 16.
  • the first wall portion 101 may be divided into two wall portions. One is called a peripheral side wall portion 101 1, a portion of the outer peripheral side of the gas supply port 14. The other is called the inner peripheral side wall 101 2, inner side wall 101 2 is a portion located between the gas supply port 14 and the electron emission port 104, may be simply referred to as an insulating wall.
  • the first wall portion 101 is a wall portion having a wall surface perpendicular to the central axis C (in the specification of the present application, the vertical includes substantially vertical).
  • Peripheral side wall portion 101 1 has a vertical wall surface to the central axis C.
  • the inner peripheral side wall 101 2 has a vertical wall surface to the central axis C.
  • the inner peripheral side wall portion 101 2 of the downstream end face (plasma acceleration region in contact with the REG surface) is the downstream end surface of the outer peripheral side wall portion 101 1 (the surface in contact with the plasma acceleration region REG) It is arranged more upstream than it.
  • the downstream end surface of the inner peripheral side wall 101 2 may be coincident with the downstream end surface of the peripheral side wall portion 101 1.
  • the cathode 11 not only serves as an electron emission source, but also serves as a neutralizer.
  • the cathode 11 is, for example, a hollow cathode.
  • the cathode 11 may be a filament cathode or an electron source to which a high frequency discharge is applied.
  • the cathode 11 may be configured to receive supply of voltage (power) from the power source 13 and to emit electrons from the cathode electrode 111 through the hole 112 and to be emitted into the diverging magnetic field.
  • the cathode 11 includes a cathode electrode 111 and a hole 112.
  • the cathode 11 is connected to a power supply 13. Furthermore, the cathode 11 is indirectly and electrically connected to the anode 12.
  • the arrangement of the cathode 11 is as follows.
  • the cathode 11, (specifically, the downstream end surface 121 of the anode 12) anode 12 than is disposed upstream and in the center of the inner peripheral side wall 101 2 (electron emission port 104) It is arranged.
  • the hole portion 112 of the cathode 11 is disposed on the upstream side of the downstream end surface 121 of the anode 12 in a longitudinal sectional view. Further, the position along the first direction (the positive direction of the X axis) of the hole portion 112 of the cathode 11 coincides with the position along the first direction of the electron emission port 104.
  • the surface in contact with the inner peripheral side wall portion 101 2 of the plasma acceleration region REG) inner peripheral side wall 101 2 is positioned along the first direction of the distal end portion of the cathode 11 (the hole portion 112) first of It agrees with the position along 1 direction.
  • the position of the hole 112 is not limited to the example shown in FIG.
  • the hole 112 of the cathode 11 may be disposed on the upstream side of the gas supply port 14 in a longitudinal cross-sectional view. Further, in the example of FIG. 10, it can be said that the cathode 11 is disposed on the central axis C.
  • FIGS. 4 to 9 described above show the case where the cathode 11 is supplied with a negative voltage from the power supply 13, but FIGS. 4 to 9 schematically show that the cathode 11 is a source of electrons. It is only shown in.
  • the anode 12 is formed of a conductor and has a role of generating an electric field in the plasma acceleration region REG.
  • the anode 12 includes a downstream end surface 121 and an upstream end surface 122.
  • the upstream end surface 122 is a surface opposite to the downstream end surface 121.
  • the anode 12 has a ring shape (herein, the ring shape includes a substantially ring shape) in a rear view (viewed from the positive direction of the X axis to the negative direction).
  • the anode 12 is connected to a power supply 13.
  • the anodes 12 may be divided at regular intervals along the circumferential direction of the anodes 12.
  • the arrangement of the anode 12 is as follows.
  • the anode 12 is provided on the first wall portion 101.
  • anode 12 is located downstream from the gas supply port 14 It will be done.
  • the whole of the anode 12 is located downstream of the cathode 11.
  • the distance L between the first wall portion 101 (specifically, the inner circumferential side wall portion 101 2 ) and the downstream end surface 121 of the anode 12 is, for example, It is 1/3 or less of the inner diameter R (L ⁇ R / 3). Desirably, the distance L is, for example, 1 ⁇ 5 or less of the inner diameter R of the anode 12 (L ⁇ R / 5). Since the distance L is equal to or less than 1/3 of the inner diameter R of the anode 12, the possibility of the plasma colliding with the anode 12 is reduced.
  • the anode 12 may be disposed as follows. In the example of FIG. 10, but the arrangement of the anode 12 is offset to one end of the peripheral side wall portion 101 1, the anode 12 to the center of the peripheral side wall portion 101 1 may be disposed. In other words, the entire upstream end surface 122 of the anode 12 may be in contact with the peripheral side wall portion 101 1. In this case, the entire anode 12 is disposed on the outer peripheral side of the gas supply port 14. In the example of FIG. 10, but the anode 12 is disposed directly on the outer peripheral side wall portion 101 1, for example, a thin spacer therebetween may be disposed. Alternatively or additionally, it may be the anode 12 is disposed on the inner peripheral side wall 101 2.
  • the power source 13 is, for example, a fuel cell.
  • the so-called power supply 13 is a power supply source to the plasma acceleration device 1.
  • the power source 13 may be configured by a voltage source and / or a current source.
  • the power supply 13 is configured to supply (apply) a negative voltage to the cathode 11 and supply a positive voltage to the anode 12.
  • the power supply 13 may supply power to the controller 17 and supply current to the first magnetic field generator 15.
  • the gas supply port 14 is connected to the gas pipe 161 via the gas flow path 141.
  • the gas flow channel 141 is a flow channel through which the propellant G supplied from the propellant tank 16 flows, and extends from the gas supply port 14 to the upstream side.
  • the gas supply port 14 has a ring shape in a rear view (viewed from the positive direction of the X axis to the negative direction). Further, in the example shown in FIG. 10A, the gas supply port 14 is a plane perpendicular to the central axis C.
  • the arrangement of the gas supply port 14 is as follows.
  • the gas supply port 14 is disposed downstream of the first magnetic field generator 15.
  • the gas supply port 14 is disposed on the outer peripheral side of the cathode 11.
  • part of the gas supply port 14, at the position of the downstream end face of the peripheral side wall portion 101 1 may be covered by the upstream end face 122 of the anode 12.
  • the arrangement of the gas supply ports 14 may be expressed as follows.
  • a direction from an upstream side region REG UP plasma acceleration region REG downstream region REG DOWN plasma acceleration region REG is defined as a first direction.
  • the movement direction of the electrons emitted from the cathode 11 may be defined as a first direction.
  • the gas supply port 14 is disposed closer to the first direction than the first magnetic field generator 15.
  • the propellant G is a propellant before plasma formation or a propellant after plasma formation.
  • the propellant G is, for example, a noble gas.
  • the propellant G is, for example, xenon gas.
  • the propellant G may be argon gas or krypton gas.
  • the propellant G may be a gas in which electrons are easily ionized from ions.
  • hydrogen gas is not a noble gas, but hydrogen gas has the property of being easily ionized. Therefore, hydrogen gas may be used as a propellant.
  • the first magnetic field generator 15 is, for example, an electromagnetic coil.
  • the first magnetic field generator 15 may be a permanent magnet.
  • the intensity of the magnetic field can be adjusted by changing the power supplied to the electromagnetic coil. Furthermore, it is also possible to control the on / off of the generation of the spread magnetic field.
  • a permanent magnet is used as the first magnetic field generator 15, no power is required to generate a divergent magnetic field.
  • the first magnetic field generator 15 is an electromagnetic coil is taken as an example unless otherwise noted. In this case, the first magnetic field generator 15 is described as follows.
  • the first magnetic field generator 15 itself is formed of a coil.
  • the cathode 11 is disposed on the inner circumferential side of the first magnetic field generator 15 (coil).
  • the first magnetic field generator 15 generates a diverging magnetic field B while the current is supplied from the power supply 13.
  • the end spreading magnetic field B will be described again.
  • the arrangement of the first magnetic field generator 15 is as follows.
  • the first magnetic field generator 15 is disposed upstream of the gas supply port 14.
  • the first magnetic field generator 15 may be expressed as follows.
  • the first magnetic field generator 15 is disposed upstream of the first wall portion 101 (specifically, the inner circumferential side wall portion 101 2 ). That is, when the direction opposite to the first direction is defined as the second direction, the first magnetic field generating body 15 is disposed on the second direction side of the end on the second direction side of the plasma acceleration region REG. There is.
  • the first magnetic field generating body 15 is disposed inside the housing 10 on the upstream side of the plasma acceleration region REG so as to surround the plasma acceleration region REG. It is not arranged.
  • the propellant tank 16 is a tank for containing a propellant G.
  • the propellant tank 16 is connected to the gas pipe 161.
  • the gas pipe 161 is connected to the gas flow path 141.
  • a valve (not shown) is connected to the propellant tank 16. By driving the valve, the propellant G is supplied to the gas pipe 161.
  • the controller 17 is configured of, for example, a microcomputer and a memory.
  • the controller 17 has a role of controlling the overall operation of the plasma accelerator 1.
  • the control targets of the controller 17 are roughly divided into two.
  • the first one is control of the power supply 13.
  • the controller 17 controls the timing (period) of applying a voltage between the cathode 11 and the anode 12 by controlling on / off of the power supply 13 (voltage source).
  • the controller 17 controls the timing of supplying the current to the first magnetic field generator 15 by controlling the on / off of the power supply 13 (current source).
  • the second is control of the valve of the propellant tank 16.
  • the controller 17 controls the valve of the propellant tank 16 to supply the propellant G to the gas pipe 161.
  • the controller 17 may be provided outside the plasma acceleration device 1 (for example, a spacecraft body).
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the end spreading magnetic field.
  • one side of the first magnetic field generator 15 is the N pole 151 and the other side is the S pole 152.
  • the downstream end surface 101B of the inner peripheral side wall 101 2 also simply referred to as a surface 101B after the first wall portion
  • the magnetic field lines of the diverging magnetic field generated by the first magnetic field generator 15 exit from the N pole 151 and return to the S pole 152 in a loop.
  • the divergent magnetic field B has rotational symmetry about the central axis C (X axis). Furthermore, in the example of FIG. 11, the rotational symmetry axis C1 of the diverging magnetic field B coincides with the central axis C.
  • the component of the end-spreading magnetic field B is decomposed into two components. One is the axial component (B x ).
  • the axial component is a component parallel to the central axis C and is also called an axial magnetic field B x (first axial magnetic field).
  • the other is the radial component (B r ).
  • the radial component is a component perpendicular to the central axis C and is also called a radial magnetic field B r (first radial magnetic field).
  • the first point P A is in the vicinity of the first wall portion of the rear surface 101B.
  • the axial magnetic field B x is much larger than the radial magnetic field B r .
  • the second point P B is downstream of the first point P A.
  • the axial magnetic field B x smaller than the axial magnetic field B x in first points P A.
  • Radial magnetic field B r is greater than the radial magnetic field B r at first point P A.
  • the third point P C is an inflection point of the magnetic field line ⁇ B1 .
  • the axial field B x is zero.
  • Radial magnetic field B r is greater than the radial magnetic field B r at second point P B.
  • the spreading magnetic field may be expressed as follows.
  • the divergent magnetic field B is a rotationally symmetric magnetic field.
  • a divergent magnetic field B has an inflection point downstream of the rear surface 101B of the first wall.
  • the axial field B x monotonously decreases and takes a minimum value of zero at the inflection point.
  • the radial magnetic field B r monotonously increases until the axial magnetic field B x reaches zero at the inflection point.
  • the word "electron channel” can be used to represent the first magnetic field generator.
  • the electron flow path will be described with reference to FIG.
  • FIG. 11 in the X-Y plane, there are two magnetic field lines in the vicinity of the axis of rotational symmetry C 1.
  • One of the two lines of magnetic force is the above-mentioned line of magnetic force B B1 .
  • the other is symmetrical magnetic field lines [Phi B2 magnetic lines [Phi B1 with respect to the rotation symmetry axis C 1.
  • most of the electrons emitted from the cathode 11 pass through the region CH surrounded by the magnetic field line ⁇ B1 and the magnetic field line ⁇ B2 . This region CH is called an electron flow channel.
  • the first magnetic field generator 15 can be expressed as follows, using the word “channel of electrons”.
  • the first magnetic field generator 15 forms a flow path of electrons formed by the diverging magnetic field B in the plasma acceleration region.
  • the electron flow path extends from the electron emission port 104 toward the downstream side of the plasma acceleration region.
  • the plasma acceleration region REG is divided into the upstream region REG UP and the downstream region REG DOWN .
  • the distance (in the X-axis direction) of the upstream region REG UP is, for example, the length of the electron flow path (for example, 30 cm or more and 100 cm or less in the X-axis direction).
  • the distinction between the upstream region REG UP and the downstream region REG DOWN is merely for the purpose of simplifying the explanation.
  • the upstream region REG UP may be defined as a region in which the axial magnetic field B x is larger than the radial magnetic field B r .
  • the downstream region REG DOWN may be defined as a region in which the axial magnetic field B x is smaller than the radial magnetic field B r in the plasma acceleration region REG.
  • FIG. 12 is a flowchart showing an example of a plasma acceleration method.
  • the plasma acceleration method includes steps ST1 to ST8. See also, for example, FIG. 4 in the following description.
  • Step ST1 The first magnetic field generator 15 generates a diverging magnetic field B in the plasma acceleration region REG.
  • Step ST2 The power source 13 applies a voltage between the cathode 11 and the anode.
  • Step ST3 Electrons supplied from the cathode 11 are supplied to B in a diverging magnetic field.
  • Step ST4 The propellant G is supplied from the gas supply port 14 to the plasma acceleration region REG.
  • Step ST5 The interaction between the widely spread magnetic field B and the electric field generated between the cathode and the anode generates a hole current.
  • Step ST6 The collision of the propellant G supplied to the plasma acceleration region REG with the electrons of the hole current generates plasma in the plasma acceleration region REG.
  • Step ST7 The ions in the plasma generated in the plasma acceleration region REG are accelerated using the electric field formed by the anode 12 and the electrons in the spread magnetic field B.
  • Step ST8 The ions are neutralized by collision of the accelerated ions with the electrons of B in the divergent magnetic field.
  • the propellant is a pre-plasma propellant. If the propellant is a plasmatized propellant, steps ST5 and ST6 may not be performed.
  • the propellant is a propellant after plasma conversion
  • the propellant after plasma conversion is supplied to the plasma acceleration region from the gas supply port.
  • a known plasma generation device may be provided on the upstream side of the plasma acceleration device, and plasma generated by the plasma generation device may be supplied from the gas supply port to the plasma acceleration region.
  • the divergent magnetic field in the plasma acceleration region has an axial component in the positive direction of the X axis.
  • the direction of the diverging magnetic field may be reversed. That is, the divergent magnetic field in the plasma acceleration region may have an axial component in the negative direction of the X axis.
  • the grid electrode is unnecessary, and the wear of the grid can be eliminated. Further, according to the first embodiment, it is possible to omit the diverging nozzle portion. Furthermore, it is difficult for the ion beam to diverge in the radial direction. Therefore, the energy loss of the ion beam is suppressed, and the thrust efficiency of the plasma acceleration device is improved.
  • Second Embodiment 3.1 Overview
  • the second embodiment relates to a method of changing the direction of the propulsive force of a plasma accelerator. Below, two methods of changing the direction of the propulsive force are illustrated.
  • the first method is a method of changing the direction of the magnetic field generator itself according to the direction of the desired driving force.
  • the generation position of the divergent magnetic field changes according to the direction of the magnetic field generator.
  • the generation position of the end spreading magnetic field changes, the direction of the obtained driving force also changes according to the generation position of the end spreading magnetic field.
  • the second method is a method of using a plurality of magnetic field generators to change the generation position of the divergent magnetic field.
  • the second method is the same as the first method in that the generation position of the spread magnetic field changes.
  • the generation positions of the corresponding diverging magnetic fields are assigned to each of the plurality of magnetic field generators.
  • the plurality of magnetic field generators are at different positions, but the position of each magnetic field generator is fixed.
  • FIG. 13 is a schematic view for explaining a first method of changing the direction of the propulsive force.
  • the driving force F has a negative X-axis component F x and a negative Y-axis component F y .
  • the magnitude of the X-axis component F x is, for example, the same as the magnitude of the negative Y-axis component F y .
  • the rotational symmetry axis of the diverging magnetic field may be set so as to obtain the desired driving force F.
  • Rotational symmetry axis C 2 shown in FIG. 13 is a rotational symmetric axis which is newly set.
  • the axis of rotational symmetry C 2 is (the direction of Y-axis from the X-axis) that is rotated by 45 degrees from the initial rotational symmetry axes C 1 around the origin O.
  • the origin O is, for example, an intersection point of the central axis C and the rear surface 101B of the first wall portion. Therefore, the divergent magnetic field B generated by the first magnetic field generator 15 is also rotated 45 degrees around the origin O.
  • the direction of the first magnetic field generator 15 is changed such that a divergent magnetic field B having the rotational symmetry axis C2 is generated.
  • the plasma acceleration device 1 a further includes an orientation changing mechanism 18 in addition to the components of the plasma acceleration device 1 in the first embodiment.
  • the direction changing mechanism 18 is configured by, for example, a motor and a plurality of types of gears so that the direction of the first magnetic field generator 15 can be changed.
  • the direction changing mechanism 18 rotates the first magnetic field generator 15 by 45 degrees from the initial position (see the two-dot chain line) (from the positive direction of X axis to the negative direction of Y axis).
  • the divergent magnetic field B generated by the first magnetic field generator 15 rotates 45 degrees around the origin O.
  • the divergent magnetic field B shown in FIG. 13 is also obtained by the axial magnetic field B x (second axial magnetic field) and the radial magnetic field B r (second radial magnetic field) It is disassembled.
  • the plasma acceleration region REG also rotates 45 degrees around the origin O.
  • the electrons emitted from the cathode 11 are supplied to the divergent magnetic field B shown in FIG. As a result, there is no change in the generation of the ion beam in the plasma acceleration region REG.
  • the angle of the cathode 11 may be changed together with the first magnetic field generator 15. That is, the direction changing mechanism 18 may change both the direction of the cathode 11 and the direction of the first magnetic field generator 15.
  • FIG. 14 is a schematic view for explaining a second method of changing the direction of the propulsive force.
  • the plasma accelerator 1b in addition to the first magnetic field generator 15 1, further comprising a second magnetic field generator 15 2.
  • the second magnetic field generator 15 2 so that the flared magnetic field B shown in FIG. 14 to generate is arranged on the upstream side of the 1 of the first magnetic field generator 15.
  • the position of the first magnetic field generator 15 1 is also the position of the second magnetic field generator 15 2, are fixed.
  • the supply of the first current to the magnetic field generator 15 1 is stopped, current is supplied to the second magnetic field generator 15 2.
  • the direction of the second axial magnetic field generated by the second magnetic field generator 15 2 is different from the first axial magnetic field direction generated by the first magnetic field generator 15 1.
  • current may be supplied to both the first magnetic field generator 15 1 and the second magnetic field generator 15 2.
  • FIG. 15 is a view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1b.
  • FIG. 15A is a schematic longitudinal sectional view of the plasma acceleration device 1b.
  • (B) of FIG. 15 is a view on arrow X 2 -X 2 shown in (A) of FIG.
  • the plasma acceleration device 1b shown in FIG. 15 has the same components as the components shown in FIG. However, the plasma acceleration device 1 b differs from the plasma acceleration device 1 shown in FIG. 10 in the following point.
  • the first is that a plurality of magnetic field generators are provided.
  • the second is that each of the plurality of magnetic field generators is provided with a power supply. This will be described in order below.
  • the plasma accelerator 1b in addition to the first magnetic field generator 15 1 and the second magnetic field generator 15 2, a third magnetic field generator 15 3, a fourth magnetic field generator 15 4, and a fifth magnetic field It comprises a generator 15 5.
  • Each of the configuration of the fifth magnetic field generator 15 1 -15 5 from the first may be the same as that of the first magnetic field generator 15 shown in FIG. 10. It is also the second considers the fifth magnetic field generator 15 2 -15 5 one magnetic field generator (second magnetic field generator).
  • the position of the first magnetic field generator 15 1 is the same as the position of the first magnetic field generator 15 shown in FIG. 10.
  • Each of the arrangement of the fifth magnetic field generator 15 2 -15 5 from the second is as follows. As shown in (A) of FIG. 15, the fifth magnetic field generator 15 2 -15 5 from the second, are arranged on the upstream side of the first magnetic field generator 15 1. FIG as shown in the (B) 15, looking at the plasma accelerating apparatus 1b in the negative direction from the positive direction of the X axis, the second the fifth magnetic field generator 15 2 -15 5 equal in the circumferential direction (phi direction) It is arranged at intervals. This may be rephrased as follows.
  • the region inside the housing 10 is divided into four in the circumferential direction ( ⁇ direction). As one magnetic field generator in one region is located, from a second of each of the fifth magnetic field generator 15 2 -15 5 is disposed in the corresponding region in the divided four regions There is.
  • Figure 15 shows a case where the second magnetic field generator 15 2 is operating.
  • the magnetic field generator outside the operation target has stopped operating.
  • both of the second magnetic field generator 15, second and third magnetic field generator 15 3 may operate.
  • the first magnetic field generator 15 1, and at least one of the second to 5 magnetic field generator 15 2 -15 5 may be operated.
  • the plasma accelerator 1b is provided with a first power supply 13 1, second power supply 13, second, third power source 13 3, the fourth power source 13 4, and the fifth power source 13 5.
  • the fifth power source 13 1 -13 5 from the first respectively supplies current to the first to fifth magnetic field generator 15 1 -15 5.
  • the second power supply 13 2 supplies a current to the second magnetic field generator 15 2.
  • the power supply other than the operation target stops the supply of current.
  • the operation of the plasma accelerator 1b operates as follows.
  • the controller 17 gives an instruction to start the supply of current to the second power supply 13 2.
  • Second power supply 13 2 receives an instruction of the controller 17 supplies current to the second magnetic field generator 15 2.
  • the second magnetic field generator 15 2 the flared magnetic field B shown in FIG. 15 occurs.
  • the plasma acceleration device 1b may be configured as follows.
  • the number of power supplies may be one.
  • a switch is newly provided.
  • One of the power supply e.g., 15 1
  • the switch receives an instruction from the controller 17 and selects an electrical path of interest from among the five electrical paths. For example, if the magnetic field generator of the working target is the second magnetic field generator 15 2, the switch may be selected power and electrical path between the second magnetic field generator 15 2.
  • the number of the first magnetic field generator 15 1 other magnetic field generator of the may be a three, may be six, or eight. As in the case of FIG. 15, three, six or eight magnetic field generators may be arranged at equal intervals in the circumferential direction. The direction of the driving force can be controlled with high accuracy.
  • the direction of the driving force of the plasma acceleration device can be changed by the first method of changing the direction of the magnetic field generator itself or the second method of using a plurality of magnetic field generators.
  • the plasma accelerator is applied to a spacecraft, no gimbal mechanism is required to change the direction of the propulsive force.
  • FIG. 16 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1c.
  • the anode 12 is disposed on the inner peripheral side wall portion 101 2.
  • the anode 12 is on the outer peripheral side of the cathode 11 and on the inner peripheral side of the gas supply port 14.
  • the third embodiment not only brings about the same effects as the effects of the first embodiment or the second embodiment, but also the following effects are expected.
  • the diameter (inner diameter) of the anode 12 shown in FIG. 16 is smaller than the diameter (inner diameter) of the anode 12 shown in FIG. Therefore, according to the electromagnetic dynamics, the strength of the electric field is determined by the distance ( ⁇ r) between two points and the potential difference ( ⁇ V) between the two points (
  • the voltage supplied to the anode 12 is the same, the electric field near the anode 12 will increase. As a result, it is possible to generate a larger hole current.
  • the anode 12 may be disposed as follows. In the example of FIG. 16, but the arrangement of the anode 12 is biased to the inner circumferential one end of the side wall portion 101 2, the anode 12 in the center of the inner peripheral side wall 101 2 may be disposed. In the example of FIG. 16, but the anode 12 is disposed directly on the inner peripheral side wall portion 101 2, for example, a thin spacer therebetween may be disposed. The anode 12 is applied over the inner peripheral side wall portion 101 2, it may be provided on the outer peripheral side wall portion 101 1.
  • the fourth embodiment relates to the arrangement of the first magnetic field generator and the arrangement of the anode.
  • the cathode is disposed on the inner circumferential side of the first magnetic field generator (coil).
  • the first magnetic field generator as an electromagnetic coil may be arranged as follows.
  • FIG. 17 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1d.
  • the first magnetic field generator 15 is disposed upstream of the cathode 11.
  • the diameter (inner diameter) of the anode 12 is larger than the diameter (inner diameter) of the anode shown in FIG.
  • the gas supply port 14 is not covered by a part of the upstream end surface 122 of the anode 12 at a position away from the gas supply port 14 in the positive direction of the X axis.
  • the fourth embodiment also brings about the same effects as the effects of the first embodiment, the effects of the second embodiment, or the effects of the third embodiment.
  • the first magnetic field generator 15 may be disposed upstream of the cathode 11, and the anode 12 may be disposed as shown in FIG. Conversely, the first magnetic field generator 15 may be disposed as shown in FIG. 4, and the diameter (inner diameter) of the anode 12 may be larger than the diameter (inner diameter) of the anode shown in FIG. 10.
  • FIG. 18 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1 e.
  • the ring magnet 15a is used as a permanent magnet.
  • the N pole side of the ring magnet 15 a faces the first wall portion 101.
  • the cathode 11 is disposed on the inner peripheral side of the ring magnet 15a.
  • the fifth embodiment brings about the same effect as the effect of the first embodiment, the effect of the second embodiment or the effect of the third embodiment. Incidentally, when combined with the second embodiment showing a fifth embodiment in FIG.
  • the ring magnet 15 (a method using a plurality of magnetic field generator), magnetic field generator other than ring magnets 15a (15 2 -15 5), the magnetic field It is desirable to be an electromagnetic coil that can control the on / off of the occurrence of Further, in the example of FIG. 18, the ring magnet 15 a is provided on the inner peripheral side of the gas supply port 14, but the ring magnet 15 a may be provided on the outer peripheral side of the gas supply port 14.
  • FIG. 19 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1 f.
  • a cylindrical magnet 15b is used as a permanent magnet.
  • the cylindrical magnet 15 b is disposed upstream of the cathode 11.
  • the N pole side of the cylindrical magnet 15 b faces the first wall portion 101.
  • the sixth embodiment also brings about the same effects as the effects of the first embodiment, the effects of the second embodiment or the effects of the third embodiment. Note that the second embodiment showing a sixth embodiment in FIG. 15 when combined with (a method of using a plurality of magnetic field generator), magnetic field generator other than cylindrical magnet 15b (15 2 -15 5), the It is desirable to be an electromagnetic coil that can control on / off of the generation of a magnetic field.
  • FIG. 20 is a partially cutaway perspective view schematically showing a configuration example of the plasma acceleration device 1g.
  • the gas supply port 14 is disposed on the outer peripheral side than the cathode 11
  • the first magnetic field generator 15 is disposed on the outer peripheral side of the gas supply port 14.
  • the cathode 11 and the gas supply port 14 are disposed on the inner peripheral side of the first magnetic field generator 15. Therefore, the diameter (inner diameter) of the first magnetic field generator 15 shown in FIG.
  • the diameter (inner diameter) of the first magnetic field generator 15 is larger than the diameter (inner diameter) of the anode 12.
  • the diameter (inner diameter) of the first magnetic field generator 15 is larger than the diameter (inner diameter) of the anode 12.
  • a part of the first magnetic field generator 15 may surround a part of the plasma acceleration region REG.
  • the diameter (inner diameter) of the first magnetic field generator 15 may be the same as the diameter (inner diameter) of the anode 12.
  • the seventh embodiment also brings about the same effects as the effects of the first embodiment, the effects of the second embodiment, or the effects of the third embodiment.
  • FIG. 21 is a schematic view showing a configuration example of the spacecraft 2.
  • spacecraft 2 is provided with a plasma accelerator 1 (either of 1g from 1a), a fuselage 20, 1 and the first solar cell 23, and two second solar cell 23.
  • the plasma acceleration device 1 is attached to the rear surface 22 of the airframe 20.
  • the first solar cell 23 1 is attached to the first side 21 1 of the body 20.
  • the second solar cell 23 2 is attached to the second side surface 21 2 of the machine body 20.
  • the trajectory of the spacecraft 2 and the attitude of the spacecraft 2 change as the plasma acceleration device 1 ejects the ion beam.
  • two or more plasma acceleration devices 1 may be attached to the rear surface 22 of the airframe 20.

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Abstract

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。これにより、推力効率のよいプラズマ加速装置およびプラズマ加速方法を提供することができる。

Description

プラズマ加速装置およびプラズマ加速方法
　本発明は、プラズマ加速装置およびプラズマ加速方法に関する。
　宇宙空間では、宇宙機が推進力を得るためにプラズマ加速装置が用いられる。プラズマ加速装置として、例えば、ホールスラスタが知られている。例えば、ホールスラスタは、加速チャネル（プラズマ加速領域）に電場と磁場とを発生させ、電場と磁場との相互作用を利用して推進剤をプラズマに変える（プラズマ化する）。ホールスラスタは、プラズマ中のイオンをホールスラスタの下流側にある空間に噴射することで、推進力を得る。
　関連技術として、特許文献１は、ホール電流イオンソース装置を開示している。特許文献１のホール電流イオンソース装置は、例えば、電磁石およびスチールコアアセンブリを含む磁場発生装置を備えている。磁場発生装置がホールスラスタの中心軸上に配置されることにより、径方向磁場が形成されている。
　また、加速電場を形成するために、ホール電流イオンソース装置は、磁場発生装置に加え、アノードおよびカソードを更に備える。アノードは、加速チャネルの上流側に配置されている。一方、カソードは、加速チャネルの下流側に配置されている。
特表２００１－５１１５８０号公報
　本願発明者は、推力効率の高いプラズマ加速装置およびプラズマ加速方法を求めていた。
　本発明の目的は、推力効率の高いプラズマ加速装置およびプラズマ加速方法を提供することである。
　いくつかの実施の形態におけるプラズマ加速装置は、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。
　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（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。
　前記供給口は、前記カソード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。
　前記プラズマ加速装置は、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ていてもよい。
　前記プラズマ加速装置は、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（１５２～１５５）を更に備えていてもよい。
　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。
　前記プラズマ加速装置は、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ていてもよい。
　前記アノードは、前記第１壁部上に配置されていてもよい。
　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てもよい。
　前記プラズマ加速装置は、前記プラズマ加速領域に接する第１壁部を更に備えていてもよい。前記アノードは、リング形状を有していてもよい。
　前記第１壁部と前記アノードの下流側端面との間の距離は、前記アノードの内径の１／３以下であってもよい。
　いくつかの実施の形態におけるプラズマ加速方法は、プラズマ加速装置を用いる。
　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、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。
　前記プラズマ加速方法は、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ていてもよい。
　推力効率の高いプラズマ加速装置およびプラズマ加速方法が提供される。
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。 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。 図５は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図６は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図７は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図８は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 図９は、図４に示すプラズマ加速装置１の模式的な縦断面図である。 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。 図１１は、末広がり状磁場を説明するための図である。 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１４は、推進力の方向を変える第２の方法を説明するための模式図である。 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。 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２１は、宇宙機２の構成例を示す模式図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に関連づけて説明する。以下の実施の形態において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、同種の部材を区別するために、添え字を用いることがある。
　実施の形態の説明を分かりやすくするため、図４を参照して、次の語句を定義する。以下の語句の定義は、本願明細書の全体および図面の全体を参酌することでより明確となる。
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。
１．本願発明者によって認識された事項
　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）
　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。
　イオンスラスタ３ａの作動原理は、大別すると、３つのステップに分けられる。１つ目のステップは、プラズマの発生に関する。図１に示すように、推進剤（例えば、キセノンガス）が供給口３５からプラズマ発生領域に供給される。アノード３１とプラズマ発生・放電用カソード（不図示）が電源３２からプラズマ発生用の電力の供給を受けているため、推進剤がアノード３１とプラズマ発生・放電用カソード間の放電によってプラズマ化される。その結果、プラズマ発生領域は、プラズマ化された推進剤を構成するイオン（陽イオンｉ）と電子（ｅ）によって満たされる。
　２つ目のステップは、イオンの抽出に関する。図１の例では、第１グリッド電極３３１は、プラズマ発生領域内のプラズマに対して負の電位をとなるように電源に接続されている。第２グリッド電極３３２は、電源３２から負電圧の供給を受けている。第３グリッド電極３３３は、第２グリッド電極３３２の電位よりも高い正の電位になるように接続されている。その結果、プラズマ発生領域内のイオンが第２グリッド電極３３２に向けて加速される。３つのグリッド電極（３３１－３３３）の各々の孔を通過したイオンは、下流側に向かって運動する。つまり、プラズマ発生領域内のプラズマ中からイオンが抽出される。抽出されたイオンは、イオンビームＩｂｅａｍとして、噴出口面３６から下流側に向けて噴射される。
　３つ目のステップは、噴出口面３６から噴出されたイオンの中和に関する。上述のイオンの抽出によって、プラズマ発生領域内の電子数がプラズマ発生領域内のイオン数よりも多くなっている。その結果、イオンスラスタ３ａ（壁部３０）が負に帯電する。イオンスラスタ３ａの電気的中性を保つため、中和器３４が用いられる。中和器３４は、イオンスラスタの噴出口面３６よりも下流側に配置されており、電源３２から負電圧の供給を受けることで電子を放出する。イオンビームＩｂｅａｍのイオンが中和器３４から放出された電子と結合することで、イオンビームＩｂｅａｍが中和される。
　イオンスラスタには、次のような課題がある。第１に、グリッド電極が消耗しやすい。その理由の一つは、次の通りである。プラズマ発生領域内の全てのイオンが３つのグリッド電極（３３１－３３３）の各々の孔を通過するとは限らない。一部のイオンは、いずれかのグリッド電極に衝突する。このことは、グリッド電極の消耗を招くだけではなく、イオンスラスタの寿命を縮める。第２に、イオンスラスタのサイズを変えることなく、イオンスラスタの推進力を上げることが難しい。このことは、次の理由に起因している。イオンスラスタの推進力は、図１のイオンビームＩｂｅａｍの流れによって発生する電流（イオンビーム電流と呼ばれる。）に比例する。したがって、イオンスラスタのサイズが同じであるならば、イオンビーム電流が増えるほど、イオンスラスタの推進力も上がる。イオンビーム電流自体を増やすためには、プラズマを発生させるための推進剤の供給量が増えればよい。しかしながら、空間電荷制限則により、イオンビーム電流の大きさに上限があることが知られている。言い換えれば、イオンスラスタのサイズが同じであるならば、イオンスラスタの推進力に制限がある。
（アニュラ型ホールスラスタ）
　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。
　図２に示すアニュラ型ホールスラスタ３ｂは、次の点で、図１に示すイオンスラスタ３ａと異なる。１つ目は、推進剤をプラズマ化するために、電場と磁場の相互作用に起因するホール電流（電子のホール運動）を利用することである。ホール電流ＪＨを発生させるため、互いに直交する軸方向電場Ｅｘと径方向磁場Ｂｒが与えられる。２つ目は、ホール電流ＪＨによってプラズマ化された推進剤のイオンがローレンツ力によって加速されることである。ローレンツ力は、ホール電流ＪＨと径方向磁場Ｂｒとの相互作用の一つである。なお、このローレンツ力の大きさは電界によってイオンに作用する静電力に等しい。図２の例では、加速チャネルと呼ばれる領域で、ホール電流ＪＨの発生およびイオンの加速が行われる。
　ホール電流ＪＨの発生に必要な径方向磁場Ｂｒは、磁場発生体３７によって得られる。図２の例では、径方向磁場Ｂｒは、壁部３０の中心軸Ｃから側壁３０２の方向の磁場である。図２の例では、磁場発生体３７の一部分は、中心軸Ｃを沿って配置されている。磁場発生体３７の他の部分は、円筒状の側壁３０２に沿って配置されている。
　一方、ホール電流ＪＨを発生させるために利用される軸方向電場Ｅｘは、アノード３１および中和器３４によって得られる。図２の例では、アノード３１の一部分は、内周側内壁３０１１に配置されている。アノード３１の他の部分は、外周側内壁３０１２に配置されている。
　アニュラ型ホールスラスタ３ｂの作動原理は、大別すると、４つのステップに分けられる。１つ目のステップは、ホール電流の発生に関する。図２に示すように、中和器３４から放出された電子は、軸方向電場Ｅｘによって加速チャネルへ進入する。加速チャネルへ進入した電子は、径方向磁場Ｂｒに捕捉され、Ｅ×Ｂドリフト運動を行う。その結果、加速チャネル内の電子は、中心軸Ｃの周りを回転する。電子の回転運動により、中心軸Ｃの周りにホール電流ＪＨが発生する。
　２つ目のステップは、推進剤のプラズマ化に関する。推進剤が供給口３５から加速チャネルに供給されると、推進剤がホール電流ＪＨの電子と衝突することで、推進剤がプラズマ化される。その結果、加速チャネルは、プラズマ化された推進剤を構成するイオン（ｉ）と電子（ｅ）によって満たされる。
　３つ目のステップは、イオンの加速に関する。プラズマ化された推進剤のイオンは、ローレンツ力を受けて、噴出口面３６に向けて加速される。その後、加速されたイオンは、イオンビームＩｂｅａｍとして、噴出口面３６から下流側へ向けて噴射される。
　４つ目のステップは、図１に示すイオンスラスタの場合と同様に、噴出口面３６から噴出されたイオンの中和に関する。アニュラ型ホールスラスタ３ｂにおいても、中和器３４によって、イオンビームＩｂｅａｍが中和される。
　上述のように、ホールスラスタは、グリッド電極を必要としない。したがって、ホールスラスタは、空間電荷制限則によるイオンビーム電流の制限を受けないという利点を持つ。その反面、ホールスラスタには、次のような課題がある。
　第１に、イオンビームのエネルギー損失が発生する。その理由の一つは、加速チャネル内のプラズマの一部が側壁に衝突するためである。この衝突は、イオンビームのエネルギー損失だけではなく、側壁自体の劣化も引き起こす。
　第２に、イオンビームは径方向に拡散しやすい。このことは、推進力の低下を招く。その理由としては、加速チャネル内の全てのイオンが軸方向運動量（Ｘ軸方向の運動量）を持つとは限らないからである。一部のイオンは、径方向運動量（径方向の運動量）を持っている。そのため、イオンビームが径方向に拡散しやすい。
　第３に、アニュラ型ホールスラスタの場合、ホールスラスタの大型化が難しい。言い換えれば、ホールスラスタの構造上、推進力を大きくすることに限界がある。このことは、次の理由に基づく。所望のイオンビームを得るためには、加速チャネル内のプラズマ圧力（プラズマ化された推進剤の圧力）を適切な値に保つことが求められる。しかしながら、図２に示すグリッド幅Ｗの取り得る値は、グリッド間（磁場発生体３７と側壁３０２との間）にかかる磁場の強さに反比例するというラーマ半径による制限があることが分かっている。そのため、ホールスラスタのサイズに関して、設計の自由度が低い。
（シリンドリカル型ホールスラスタ）
　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。
　アニュラ型ホールスラスタと比べると、シリンドリカル型ホールスラスタは、その構造上、（放電室の体積）／（放電室の表面積）が大きい。そのため、放電室の壁にイオンが衝突することによる壁面の損耗が発生しにくい。その反面、シリンドリカル型ホールスラスタには、イオンビームのエネルギー損失およびイオンビームの拡散に加え、次のような課題がある。中和器３４から放出された一部の電子は、軸方向電場Ｅｘによって、アノード３１に向かう。その結果、当該電子の運動によって、チャネル内に放電電流が発生しやすい。放電電流は、スラスタの推力効率の低下を招く。
　本願発明者は、以上の課題に着目し、推力効率の高いプラズマ加速装置について検討した。
２．第１の実施の形態
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４の例では、プラズマ加速装置１は、カソード１１と、アノード１２と、電源１３と、ガス供給口１４と、第１磁場発生体１５とを備える。カソード１１は、プラズマ加速領域ＲＥＧ（加速チャネルとも呼ばれる。）の上流側領域ＲＥＧＵＰに電子を供給する。電源１３は、カソード１１とアノード１２との間に電圧を印加する。ガス供給口１４は、カソード１１よりも外周側（径方向の外側）に配置されており、推進剤Ｇをプラズマ加速領域ＲＥＧに供給する。第１磁場発生体１５は、プラズマ加速装置１の下流側に末広がり状磁場Ｂを発生させる。
　図１から図３の例と比べると、図４の例では、カソード１１、ガス供給口１４および第１磁場発生体１５がプラズマ加速領域ＲＥＧよりも上流側に配置されている。よって、中和器としてのカソード１１がプラズマ加速装置１の下流側に設けられていない。なお、アノード１２は、プラズマ加速領域ＲＥＧに面している。
　本願明細書では、説明を分かりやすくするため、プラズマ加速領域ＲＥＧが上流側領域ＲＥＧＵＰと下流側領域ＲＥＧＤＯＷＮとに分けられている。プラズマ加速領域ＲＥＧの詳細については、改めて述べる。
（プラズマ加速装置の作動原理）
　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。
　まず、第１磁場発生体１５によって発生する末広がり状磁場について、簡単に述べる。図５に示すように、軸方向磁場Ｂｘ（Ｘ軸方向成分）は、上流側領域ＲＥＧＵＰにおいては、Ｘ軸の負方向から正方向に向かうにつれて、単調に減少する。これに対し、径方向磁場Ｂｒ（末広がり状磁場の径方向成分）は、上流側領域ＲＥＧＵＰにおいては、Ｘ軸の負方向から正方向に向かうにつれて、単調に増加する。図５の説明では、末広がり状の磁場とは、軸方向（中心軸方向）に沿って配向した磁力線が下流側に向かうにつれて径方向に広がる（拡散する）磁場を言う。なお、カソード１１の近傍の点Ｐ１では、径方向磁場Ｂｒが無視できるほど小さいとみなすことができる。
１）図５に示すように、カソード１１から末広がり状磁場中Ｂに電子（ｅ）が供給されると、電子は次のように運動する。カソード１１から放出される電子は、径方向運動量よりも大きな軸方向運動量を持っている。そのため、多くの電子は、上流側領域ＲＥＧＵＰの上流側から下流側の方向に運動する。また、一般的に、電子（ｅ）は、磁力線を横切って運動しにくい。このため、電子がアノード１２に向かうことが抑制される。その結果、電力消費が抑えられ、プラズマ加速装置の推力効率が向上する。
　電力消費が抑えられる理由の一つは、電子がアノード１２に向かうことが抑制されるために、電子の循環が起こりにくいためである。もし電子の循環が起こった場合、アノード１２に向かう電子は、次のような振る舞いをするであろう。（ａ）アノード１２に向かう電子は、やがてアノード１２に流入する。（ｂ）アノード１２に流入した電子は、アノード１２とカソード１１との間の電気的経路を通って、カソード１１から放出される。（ｃ）カソード１１から放出された電子は、再びアノード１２に向かう。以後、上述の（ａ）から（ｃ）が繰り返される。上述の電子の循環は、カソード１１とアノード１２との間の電気的経路でジュール熱が発生する原因となり得る。ジュール熱の発生は、電力消費の原因となり、プラズマ加速装置の推力効率の低下を招く。
２）図６に示すように、カソード１１とアノード１２との間に電圧が印加されると、プラズマ加速領域ＲＥＧに電場Ｅが発生する。図６に示す電場Ｅの方向は、アノード１２からカソード１１へ向かう方向である。例えば、点Ｐ１の周囲における電場Ｅの方向は、アノード１２から中心軸Ｃへ向かう方向である。
　カソード１１から放出された全ての電子が中心軸Ｃに平行に運動するとは限らない。一部の電子は、電場Ｅの影響により、末広がり状磁場Ｂを横切って径方向に運動する。径方向に移動した電子は、Ｅ×Ｂドリフト運動を行って、中心軸Ｃの周りを回転する。電子の回転運動により、中心軸Ｃの周り（φ方向）にホール電流ＪＨが発生する。換言すれば、ホール電流ＪＨは、末広がり状磁場Ｂの軸方向磁場と、カソード１１とアノード１２との間に発生した電場Ｅの相互作用により発生する。
３）図７に示すように、ガス供給口１４から推進剤（中性ガス）Ｇがプラズマ加速領域ＲＥＧに供給されると、次のような現象が起こる。ガス供給口１４からの推進剤Ｇは、ホール電流ＪＨの発生源である電子と衝突する。その衝突によって、推進剤Ｇがプラズマ化する。換言すれば、推進剤とホール電流ＪＨとの相互作用により、推進剤がプラズマ化される。プラズマ中の電子の一部は、アノード１２に流入する。アノード１２に流入した電子は、カソード１１へ流れ、再びカソード１１から放出される。
４）図８に示すように、推進剤Ｇのプラズマ化が進むと、次のような現象が起こる。第１に、プラズマ中の電子の一部がＥ×Ｂドリフト運動を行って、中心軸Ｃの周りを回転する。このため、ホール電流ＪＨが強化される。その結果、プラズマの発生がさらに強化される。第２に、荷電粒子は、磁力線に沿って、磁力線の周りをらせん状に移動する。このため、プラズマ中のイオン（ｉ）は、磁力線に沿う方向に運動量成分を持つ。第３に、下流側領域ＲＥＧＤＯＷＮにおける電子の存在により、下流側領域ＲＥＧＤＯＷＮにある点Ｐ２の周囲の電位は、低下する。以上のことから、図８に示すように、アノード１２から下流側領域ＲＥＧＤＯＷＮの電子に向かう方向に電場Ｅが発生する。その結果、プラズマ中のイオンが電場Ｅの方向に加速する。このイオンの流れがイオンビームＩｂｅａｍとなる。イオンビームＩｂｅａｍは、下流側領域ＲＥＧＤＯＷＮにおいて径方向に拡散しないように、プラズマ加速領域ＲＥＧの上流側から下流側の方向に流れる。
５）図９に示すように、プラズマ化された推進剤のイオンが電場Ｅの方向に加速する。その結果、イオンは下流側領域ＲＥＧＤＯＷＮの電子と結合する。つまり、イオンビームＩｂｅａｍのイオンが中和される。なお、電子と結合したイオンは、中性粒子である。プラズマ加速装置１は、イオンビームＩｂｅａｍの流れと反対の方向に推進力を得る。
　以上述べたように、プラズマ加速装置が図４に示す構成をとるので、プラズマ加速装置の下流側にある領域（空間）でイオンビームが発生する。その結果、プラズマ加速装置の推力効率が向上する。
　推力効率が向上するという主な理由は、次の通りである。１つ目は、イオンビームが壁面と衝突しないか、または、その衝突の頻度が少ないことにある。そのため、イオンビームのエネルギー損失が抑制される。特に、プラズマ加速領域ＲＥＧを囲む壁面（例えば、円筒状の壁面）を設けない場合、イオンビームのエネルギー損失が抑制されるという効果が大きい。
　２つ目は、プラズマ加速装置の構造上、空間電荷制限則によるイオンビーム電流の制限がないことである。これに加え、グリッド幅によるイオンビーム電流の制限もない。したがって、イオンビーム電流の増加を図りやすい。また、グリッド電極が不要なので、グリッドの損耗が抑制され、グリッド面積によって推力の上限が抑制されない。そのため、プラズマ加速装置のサイズの大型化が容易となる。
　３つ目は、イオンビームが径方向に発散しにくいためである。図９に示すように、電場の方向がアノード１２から下流側領域ＲＥＧＤＯＷＮの電子に向う方向である。そのため、イオンビームが中心軸に向かって集束しやすい。
２．２．プラズマ加速装置の構成例
　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。
　図１０に示すように、プラズマ加速装置１は、カソード１１と、アノード１２と、電源１３と、ガス供給口１４と、第１磁場発生体１５とに加え、筐体（ハウジング）１０と、推進剤タンク１６とを更に備える。図１０に示すように、プラズマ加速装置１がコントローラ１７を備えていてもよい。
（筐体）
　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。
　以下の説明では、第１壁部１０１が２つの壁部に分けて呼ばれることがある。一つは、外周側壁部１０１１と呼ばれ、ガス供給口１４よりも外周側にある部分である。もう一つは、内周側壁部１０１２と呼ばれ、ガス供給口１４と電子放出口１０４との間にある部分である内周側壁部１０１２は、単に絶縁壁と呼ばれることがある。なお、第１壁部１０１は、中心軸Ｃに垂直な壁面を有する壁部である（本願明細書では、垂直は、略垂直を含む）。外周側壁部１０１１は、中心軸Ｃに垂直な壁面を有する。外周側壁部１０１１と同様に、内周側壁部１０１２は、中心軸Ｃに垂直な壁面を有する。図１０の（Ａ）に示す例では、内周側壁部１０１２の下流側端面（プラズマ加速領域ＲＥＧに接する面）は、外周側壁部１０１１の下流側端面（プラズマ加速領域ＲＥＧに接する面）よりも上流側に配置されている。代替的に、内周側壁部１０１２の下流側端面が外周側壁部１０１１の下流側端面と一致していてもよい。
（カソード）
　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。
　カソード１１の配置は、次の通りである。図１０の例では、カソード１１は、アノード１２（具体的には、アノード１２の下流側端面１２１）よりも上流側に配置され、かつ内周側壁部１０１２の中央（電子放出口１０４）に配置されている。詳細には、カソード１１の孔部１１２は、縦断面視で、アノード１２の下流側端面１２１よりも上流側に配置されている。また、カソード１１の孔部１１２の第１方向（Ｘ軸の正方向）に沿った位置は、電子放出口１０４の第１方向に沿った位置と一致している。更に、カソード１１の先端部分（孔部１１２）の第１方向に沿った位置が内周側壁部１０１２（具体的には、内周側壁部１０１２のプラズマ加速領域ＲＥＧに接する面）の第１方向に沿った位置と一致している。なお、孔部１１２の位置は、図１０の例に限定されない。例えば、カソード１１の孔部１１２は、縦断面視で、ガス供給口１４よりも上流側に配置されていてもよい。また、図１０の例では、カソード１１が中心軸Ｃ上に配置されているとも言える。
　なお、上述の図４から図９はカソード１１が電源１３から負電圧の供給を受けている場合を示しているが、図４から図９はカソード１１が電子の供給源であることを模式的に表しているのに過ぎない。
（アノード）
　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。
　アノード１２の配置は、次の通りである。図１０の（Ａ）に示す例では、アノード１２は、第１壁部１０１上に設けられている。上述したように、内周側壁部１０１２の下流側端面が外周側壁部１０１１の下流側端面よりも上流側に配置されているので、アノード１２は、ガス供給口１４よりも下流側に位置することとなる。詳細には、ガス供給口１４から放出される推進剤の一部がアノード１２の上流側端面１２２の一部に当るように、上流側端面１２２の一部が、外周側壁部１０１１上に配置されている。したがって、図１０の（Ａ）に示す例では、アノード１２の全体がカソード１１よりも下流側に位置している。
　図１０の（Ａ）に示す例では、第１壁部１０１（具体的には、内周側壁部１０１２）とアノード１２の下流側端面１２１との間の距離Ｌは、例えば、アノード１２の内径Ｒの１／３以下である（Ｌ≦Ｒ／３）。望ましくは、距離Ｌは、例えば、アノード１２の内径Ｒの１／５以下である（Ｌ≦Ｒ／５）。距離Ｌがアノード１２の内径Ｒの１／３以下であるため、プラズマがアノード１２に衝突する可能性が低減される。
　なお、アノード１２は、次のように配置されていてもよい。図１０の例では、アノード１２の配置が外周側壁部１０１１の一方の端に片寄っているが、外周側壁部１０１１の中央にアノード１２が配置されていてもよい。つまり、アノード１２の上流側端面１２２の全体が外周側壁部１０１１に接していてもよい。この場合、アノード１２の全体が、ガス供給口１４よりも外周側に配置されている。図１０の例では、アノード１２が外周側壁部１０１１の上に直接配置されているが、例えば、両者の間に薄いスペーサーが配置されていてもよい。代替的または付加的に、アノード１２が内周側壁部１０１２上に配置されていてもよい。
（電源）
　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）
　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。
　ガス供給口１４の配置は、次の通りである。図１０の例では、ガス供給口１４は、第１磁場発生体１５よりも下流側に配置されている。ガス供給口１４は、カソード１１よりも外周側に配置されている。図１０に示す例では、ガス供給口１４の全体が、外周側壁部１０１１の下流側端面の位置で、アノード１２の上流側端面１２２によって覆われている。代替的に、ガス供給口１４の一部が、外周側壁部１０１１の下流側端面の位置で、アノード１２の上流側端面１２２によって覆われていてもよい。なお、ガス供給口１４の配置は、次のように表現されてもよい。プラズマ加速領域ＲＥＧの上流側領域ＲＥＧＵＰからプラズマ加速領域ＲＥＧの下流側領域ＲＥＧＤＯＷＮに向かう方向を第１方向と定義する。代替的に、カソード１１から放出される電子の運動方向を第１方向と定義してもよい。第１方向という表現を用いた場合、ガス供給口１４は、第１磁場発生体１５よりも第１方向の側に配置されている。
（推進剤）
　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）
　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。
　第１磁場発生体１５の配置は、次の通りである。第１磁場発生体１５は、ガス供給口１４よりも上流側に配置されている。第１磁場発生体１５は、次のように表現されてもよい。第１磁場発生体１５は、第１壁部１０１（具体的には、内周側壁部１０１２）よりも上流側に配置されている。つまり、第１方向と反対の方向を第２方向と定義するとき、第１磁場発生体１５は、プラズマ加速領域ＲＥＧの第２方向の側にある端よりも第２方向の側に配置されている。
　なお、図１０の（Ａ）に示す例では、第１磁場発生体１５は、プラズマ加速領域ＲＥＧよりも上流側にある筐体１０の内部に配置されており、プラズマ加速領域ＲＥＧを囲むように配置されていない。
（推進剤タンク）
　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）
　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。
２．３．末広がり状磁場
　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。
　図１１の例では、末広がり状磁場Ｂは、中心軸Ｃ（Ｘ軸）に関して回転対称性を持つ。更に、図１１の例では、末広がり状磁場Ｂの回転対称軸Ｃ１は、中心軸Ｃに一致している。末広がり状磁場Ｂの成分は、２つの成分に分解される。１つは、軸方向成分（Ｂｘ）である。軸方向成分は、中心軸Ｃに平行な成分であって、軸方向磁場Ｂｘ（第１の軸方向磁場）とも呼ばれる。もう１つは、径方向成分（Ｂｒ）である。径方向成分は、中心軸Ｃに垂直な成分であって、径方向磁場Ｂｒ（第１の径方向磁場）とも呼ばれる。
　磁力線ΦＢ１の形状を説明するために、磁力線ΦＢ１上の３点を考える。１つ目の点ＰＡは、第１壁部の後面１０１Ｂの近傍にある。１つ目の点ＰＡでは、軸方向磁場Ｂｘは、径方向磁場Ｂｒよりも非常に大きい。なお、点ＰＡでは、径方向磁場Ｂｒを無視してもよい。この場合、軸方向磁場のみが存在するとみなしてもよい。２つ目の点ＰＢは、１つ目の点ＰＡよりも下流にある。２つ目の点ＰＢでは、軸方向磁場Ｂｘは、１つ目の点ＰＡにおける軸方向磁場Ｂｘよりも小さい。径方向磁場Ｂｒは、１つ目の点ＰＡにおける径方向磁場Ｂｒよりも大きい。３つ目の点ＰＣは、磁力線ΦＢ１の変曲点である。３つ目の点ＰＣでは、軸方向磁場Ｂｘは、ゼロである。径方向磁場Ｂｒは、２つ目の点ＰＢにおける径方向磁場Ｂｒよりも大きい。
　以上をまとめると、末広がり状磁場は、次のように表現されてもよい。図１１に示すように、末広がり状磁場Ｂは、軸回転対称磁場である。第１壁部の後面１０１Ｂよりも下流側において、末広がり状磁場Ｂは、変曲点を持つ。軸方向磁場Ｂｘは、単調に減少し、変曲点で最小値のゼロをとる。一方、径方向磁場Ｂｒは、軸方向磁場Ｂｘが変曲点でゼロをとるまで、単調に増加する。
（電子の流路）
　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。
　電子の流路という言葉を用いれば、第１磁場発生体１５は、次のように表現される。第１磁場発生体１５は、末広がり状磁場Ｂによって形成される電子の流路をプラズマ加速領域に形成する。電子の流路は、電子放出口１０４からプラズマ加速領域の下流側へ向かって伸びている。
（プラズマ加速領域）
　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。
２．４．プラズマ加速方法
　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。
１）ステップＳＴ１：
　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。
　上述の説明では、推進剤がプラズマ化前の推進剤である場合について述べた。推進剤がプラズマ化後の推進剤である場合、ステップＳＴ５およびステップＳＴ６は、実行されなくてもよい。推進剤がプラズマ化後の推進剤である場合、プラズマ化後の推進剤がガス供給口からプラズマ加速領域に供給される。この場合、例えば、公知のプラズマ発生装置をプラズマ加速装置の上流側に設け、当該プラズマ発生装置によって発生したプラズマがガス供給口からプラズマ加速領域に供給されればよい。
　上述の説明では、磁場発生体から出た磁力線は、プラズマ加速領域を通って磁場発生体に戻る。言い換えれば、プラズマ加速領域における末広がり状磁場は、Ｘ軸の正方向の軸方向成分を持っている。末広がり状磁場の方向は、逆でもよい。つまり、プラズマ加速領域における末広がり状磁場は、Ｘ軸の負方向の軸方向成分を持っていてもよい。
　第１の実施の形態によれば、グリッド電極が不要であり、グリッドの損耗をなくすことができる。また、第１の実施の形態によれば、末広がり形状のノズル部を省略することが可能となる。更に、イオンビームが径方向に発散しにくい。そのため、イオンビームのエネルギー損失が抑制され、プラズマ加速装置の推力効率が向上する。
３．第２の実施の形態
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の方法は、所望する推進力の方向に応じて、磁場発生体自体の向きを変える方法である。磁場発生体の向きが変われば、磁場発生体の向きに応じて、末広がり状磁場の発生位置が変わる。末広がり状磁場の発生位置が変われば、末広がり状磁場の発生位置に応じて、得られる推進力の方向も変わる。
　第２の方法は、末広がり状磁場の発生位置を変えるために、複数の磁場発生体を用いる方法である。末広がり状磁場の発生位置が変わるという点において、第２の方法は、第１の方法と同じである。ただし、第２の方法の場合、複数の磁場発生体の各々に、対応する末広がり状磁場の発生位置が割り当てられている。複数の磁場発生体は、それぞれ異なる位置にあるが、各磁場発生体の位置は、固定されている。
（第１の方法）
　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。
　図１３に示す回転対称軸Ｃ２は、新たに設定された回転対称軸である。図１３の例では、回転対称軸Ｃ２は、初期の回転対称軸Ｃ１から原点Ｏの周りに４５度回転している（Ｘ軸からＹ軸の方向）。ここで、原点Ｏは、例えば、中心軸Ｃと第１壁部の後面１０１Ｂとの交点である。したがって、第１磁場発生体１５によって発生する末広がり状磁場Ｂも原点Ｏの周りに４５度回転している。第１の方法では、回転対称軸Ｃ２を持つ末広がり状磁場Ｂが発生するように、第１磁場発生体１５の向きが変えられる。
　図１３の例では、プラズマ加速装置１ａは、第１の実施の形態におけるプラズマ加速装置１の構成要素に加え、向き変更機構１８を更に備える。向き変更機構１８は、第１磁場発生体１５の向きを変えることができるように、例えば、モータ、複数種類の歯車によって構成されている。向き変更機構１８は、回転対称軸Ｃ２を持つ末広がり状磁場Ｂが発生するように、第１磁場発生体１５の角度を変える。図１３の例では、向き変更機構１８は、第１磁場発生体１５を初期位置（２点鎖線を参照）から４５度回転させる（Ｘ軸の正方向からＹ軸の負方向）。
　向き変更機構１８によって、第１磁場発生体１５の向きを変えることにより、第１磁場発生体１５によって発生する末広がり状磁場Ｂが原点Ｏの周りに４５度回転する。図１１の説明で述べたように、図１３に示す末広がり状磁場Ｂも、軸方向磁場Ｂｘ（第２の軸方向磁場）と、径方向磁場Ｂｒ（第２の径方向磁場）とに分解される。また、第１磁場発生体１５の向きの変化に伴い、プラズマ加速領域ＲＥＧも、原点Ｏの周りに４５度回転する。
　カソード１１から放出された電子は、図１３に示す末広がり状磁場Ｂに供給される。その結果、プラズマ加速領域ＲＥＧでイオンビームが発生することに変わりはない。なお、カソード１１の角度が第１磁場発生体１５と一緒に変えられてもよい。即ち、向き変更機構１８が、カソード１１の向きと、第１磁場発生体１５の向きとの両方を変更してもよい。
（第２の方法）
　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。
　図１４は、推進力の方向を変える第２の方法を説明するための模式図である。図１４の例では、プラズマ加速装置１ｂは、第１磁場発生体１５１に加え、第２磁場発生体１５２を更に備える。第２磁場発生体１５２は、図１４に示す末広がり状磁場Ｂが発生するように、第１磁場発生体１５１のよりも上流側に配置されている。ただし、第１磁場発生体１５１の位置も、第２磁場発生体１５２の位置も、固定されている。例えば、図１４に示す末広がり状磁場Ｂを得たい場合、第１磁場発生体１５１への電流の供給が停止され、第２磁場発生体１５２へ電流が供給される。その結果、図１４に示す末広がり状磁場Ｂが得られる。また、第２磁場発生体１５２によって発生する第２の軸方向磁場の向きは、第１磁場発生体１５１によって発生する第１の軸方向磁場の向きと異なっている。代替的に、第１磁場発生体１５１および第２磁場発生体１５２の両方に電流が供給されてもよい。
３．２．第２の方法を適用したプラズマ加速装置
　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に示すプラズマ加速装置１ｂは、図１０に示す構成要素と同じ構成要素を備えている。ただし、次の点で、プラズマ加速装置１ｂは、図１０に示すプラズマ加速装置１と異なる。１つ目は、複数の磁場発生体が設けられていることである。２つ目は、複数の磁場発生体の各々に電源が設けられていることである。以下に順を追って説明する。
（磁場発生体）
　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（Ａ）に示すように、第１磁場発生体１５１の位置は、図１０に示す第１磁場発生体１５の位置と同じである。第２から第５磁場発生体１５２－１５５の各々の配置は、次の通りである。図１５の（Ａ）に示すように、第２から第５磁場発生体１５２－１５５は、第１磁場発生体１５１よりも上流側にそれぞれ配置されている。図１５の（Ｂ）に示すように、プラズマ加速装置１ｂをＸ軸の正方向から負方向に見ると、第２から第５磁場発生体１５２－１５５が周方向（φ方向）に等間隔で配置されている。このことは、次のように言い換えてもよい。Ｘ軸の正方向から負方向にプラズマ加速装置１ａを見ると、筐体１０の内部の領域が周方向に（φ方向）４つに分割されている。一つの領域に１個の磁場発生体が配置されるように、第２から第５磁場発生体１５２－１５５の各々は、分割された４つの領域のうちの対応する領域に配置されている。
　図１５は、第２磁場発生体１５２が作動している場合を示している。この場合、作動対象外の磁場発生体は、作動を停止している。所望する推進力の方向に応じて、例えば、第２磁場発生体１５２および第３磁場発生体１５３の両方が作動してもよい。代替的に、第１磁場発生体１５１と、第２から第５磁場発生体１５２－１５５のうちの少なくとも一つとが作動していてもよい。
（電源）
　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。
　例えば、第２磁場発生体１５２が作動対象である場合、プラズマ加速装置１ｂの動作は、次のように動作する。コントローラ１７は、電流の供給を開始する指示を第２電源１３２に与える。第２電源１３２は、コントローラ１７の指示を受けて、第２磁場発生体１５２に電流を供給する。その結果、第２磁場発生体１５２によって、図１５に示す末広がり状磁場Ｂが発生する。
　なお、プラズマ加速装置１ｂは、次のように構成されていてもよい。例えば、電源の個数は、一個であってもよい。この場合、例えば、スイッチが新たに設けられる。一個の電源（例えば、１５１）は、第１から第５磁場発生体１５１－１５５の各々と電気的に接続される。したがって、この場合、５つの電気的経路がある（例えば、一つは、電源と第１磁場発生体１５１との間の電気的経路である。）。スイッチは、コントローラ１７の指示を受けて、５つの電気的経路のうちから対象の電気的経路を選択する。例えば、作動対象の磁場発生体が第２磁場発生体１５２である場合、スイッチは、電源と第２磁場発生体１５２との間の電気的経路を選択すればよい。
　第１磁場発生体１５１以外の磁場発生体の個数は、３個でもよいし、６個でもよいし、８個でもよい。図１５の場合と同様に、３個、６個または８個の磁場発生体が周方向に等間隔で配置されればよい。推進力の方向を精度よく制御することができる。
　第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果と同じ効果が得られるだけではなく、次の効果も得ることができる。磁場発生体自体の向きを変える第１の方法、または、複数の磁場発生体を用いる第２の方法により、プラズマ加速装置の推進力の方向を変えることができる。取り分け、プラズマ加速装置が宇宙機に適用される場合、推進力の方向を変えるためのジンバル機構が不要である。
４．第３の実施の形態
　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３の実施の形態は、第１の実施の形態の効果または第２の実施の形態の効果と同じ効果をもたらすだけではなく、次のような効果も期待される。第１の実施の形態と比較すると、図１６に示すアノード１２の直径（内径）は、図４に示すアノード１２の直径（内径）よりも小さい。そのため、電磁力学によれば、電場の強さは、２点間の距離（Δｒ）と、当該２点間の電位差（ΔＶ）とによって決まる（｜ΔＶ／Δｒ｜）。第１の実施の形態と比較すると、アノード１２に供給される電圧が同じであるならば、アノード１２の近傍の電界は増大する。その結果、より大きなホール電流を発生させることが可能となる。
　なお、アノード１２は、次のように配置されていてもよい。図１６の例では、アノード１２の配置が内周側壁部１０１２の一方の端に片寄っているが、内周側壁部１０１２の中央にアノード１２が配置されていてもよい。図１６の例では、アノード１２が内周側壁部１０１２の上に直接配置されているが、例えば、両者の間に薄いスペーサーが配置されていてもよい。また、アノード１２が内周側壁部１０１２の上に加え、外周側壁部１０１１の上に設けられていてもよい。
５．第４の実施の形態
　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。
　なお、第１磁場発生体１５がカソード１１よりも上流側に配置され、アノード１２が図４に示すように配置されていてもよい。これとは逆に、第１磁場発生体１５が図４に示すように配置され、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）よりも大きくてもよい。
６．第５の実施の形態
　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。
７．第６の実施の形態
　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。
　８．第７の実施の形態
　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。
９．第８の実施の形態
　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。
　以上、全ての実施の形態について説明した。本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、本発明に種々の変更を加えることができる。技術的な矛盾が生じない限り、全ての実施の形態を好適に組み合わせることができる。

Claims (12)

  1. 　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。
  2. 　請求項１に記載のプラズマ加速装置において、
    　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
    　プラズマ加速装置。
  3. 　請求項１または２に記載のプラズマ加速装置において、
    　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
    　プラズマ加速装置。
  4. 　請求項１または２に記載のプラズマ加速装置において、
    　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
    　プラズマ加速装置。
  5. 　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において、
    　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
    　プラズマ加速装置。
  6. 　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において、
    　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
    　プラズマ加速装置。
  7. 　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において、
    　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
    　プラズマ加速装置。
  8. 　請求項７に記載のプラズマ加速装置において、
    　前記アノードは、前記第１壁部上に配置されている
    　プラズマ加速装置。
  9. 　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において、
    　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
    　プラズマ加速装置。
  10. 　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において、
    　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
    　プラズマ加速装置。
  11. 　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。
  12. 　請求項１１に記載のプラズマ加速方法において、
    　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
    　プラズマ加速方法。
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