(57)【要約】      （修正有）【課題】放電室外部に設置された１つの電子源のみを用いてプラズマ生成と中和とを行なうことが可能なイオンビーム発生装置を提供すること。【解決手段】加速グリッド電圧を調整すること、加速グリッド４ｂ及びスクリーングリッド４ａ内のイオン通過孔５ａ，５ｂを従来とは異なるパターンで配置し、通過孔の面積も変更すること等により、イオン加速系４を、イオン電流の放出のみではなく外部からの電子電流の取り込みにも用いる。これにより、１つの電子源のみで動作可能なイオンビーム発生装置が実現される。【選択図】図１
2014005799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電容器と、
前記放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、
前記放電容器と前記ガス導入系の間のガス内部での放電を防ぐための絶縁器と、
前記放電容器の外部に設置された電子源と、
前記電子源から放出された電子を電子電流として前記放電容器の内部に導入すると共に、該放電容器の内部に導入された電子と前記作動ガスとが衝突することにより生成されたプラズマ中のイオンを加速し、イオン電流として該放電容器の外部に送り出す、複数の通過孔を備えたスクリーングリッド及び加速グリッドを含むイオン加速系と
を具備することを特徴とする、イオンビーム発生装置。
【請求項２】
プラズマ生成のための電子源を、前記放電容器の内部には有しないことを特徴とする、請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３】
前記加速グリッド内の複数の通過孔のうち一部が、該加速グリッド内の周囲の通過孔に比べて大きい面積を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項４】
前記スクリーングリッド内の複数の通過孔のうち、前記加速グリッド内で周囲の通過孔に比べて大きい面積を有する通過孔の位置に対応する位置にある通過孔が、該スクリーングリッド内の周囲の通過孔に比べて小さい面積を有することを特徴とする、請求項３に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項５】
前記加速グリッドの電位を変化させることにより、前記イオン電流の大きさを調整する手段を備えたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項６】
前記放電容器の電位を変化させることにより、前記イオン電流の大きさを調整する手段を備えたことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のイオンビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星等に搭載されるイオンエンジン、材料加工等に使用されるイオンビーム発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンエンジンは、人工衛星等の軌道制御、南北位置保持、主推進等に用いられている。このようなイオンエンジンのうち、直流放電型イオンエンジンの主要部であるイオンビーム発生装置の一例を図８に示す（内部構造を示すために、一部を切り取って描いている）。
【０００３】
図８のイオンビーム発生装置において、円筒状に形成された導電性材料のシールドケース１は、その周壁に複数の小孔２を有する。小孔２を設けることにより、内側にある放電容器３から外部に輻射で熱が逃げるとともに、イオンビーム発生装置の軽量化が図られる。シールドケース１内には、磁性材で形成された円筒状の放電容器３が配置されている。シールドケース１と放電容器３とは、互いの円筒が同軸的となるよう配置されている。放電容器３の開口部は、スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとで構成されたイオン加速系４によって蓋をされている。
【０００４】
スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとは、それぞれ金属や炭素といった導電性材料からなる板状の部材であり、スクリーングリッド４ａには複数のイオン通過孔５ａが、加速グリッド４ｂには複数のイオン通過孔５ｂが、それぞれ形成されている。イオン通過孔５ａ，５ｂは、あるイオン通過孔５ａのスクリーングリッド４ａ面内での中心位置と、あるイオン通過孔５ｂの加速グリッド４ｂ面内での中心位置とが一致するよう、同心的関係で配置されている。ただし、この同心的関係は厳密なものでなくても正常な動作は可能であり、意図的、製造上の制約あるいはイオンエンジンの動作点の違い等によって、厳密な同心的関係が満たされないこともある。
【０００５】
図９，図１０に、イオン通過孔５ａ，５ｂの形成パターンとして従来知られている２つのパターンを示す。これらの図は、スクリーングリッド４ａ、又は加速グリッド４ｂを、その面内で一部切り取り、金属材料部分を斜線で示すことにより描かれた模式図である。図９において、イオン通過孔５（イオン通過孔５ａ又は５ｂ）は、イオン加速系４中、スクリーングリッド４ａ、又は加速グリッド４ｂの面内に均一の孔径で最密充填的に配置されており、一方で図１０において、イオン通過孔５３，５４，５５は、イオン加速系４中、スクリーングリッド４ａ、又は加速グリッド４ｂの面内中心から各々のイオン通過孔の中心までの距離に依存して孔径を変化させつつ、最密充填的に配置されている。
【０００６】
スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂは、それぞれグリッド支持機構１３によって支持されており、定格動作時に０．７ｍｍ程度のグリッド間隔を保つための曲率がつけられている（スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂは平板ではなく、球面等の曲面を形成する。これらグリッドに曲率がなく、即ち平板として構成された場合は、グリッドの熱歪が不規則になりグリッド間隔が予測あるいは制御できない。曲率がついていれば歪む方向が一方向となり間隔が予測できる。なお、例えばカーボン製グリッドとしてこれらグリッドを構成する場合等には、線膨張係数が極めて小さいので、平板とすることが可能である。）。
【０００７】
放電容器３の底壁には推進剤分配器６が取り付けられており、推進剤分配器６の表面には小孔７が形成されている。小孔７は絶縁器１２を介してガス導入系８に通じており、ガス導入系８から供給されたＸｅ（キセノン）等の推進剤ガスを放電容器３内に放出する。
【０００８】
また、放電容器３内には放電陰極となるホローカソード９が配置されている。ホローカソード９には図示しないヒータ用電源と図示しないキーパ用電源が接続されており、ホローカソード９の起動時にはヒータ用電源が図示しないヒータに電流を供給してホローカソード９内の図示しないカソードインサートを熱電子が放出できる温度以上に加熱する。キーパ用電源はホローカソード９の作動中は常に、図示しないキーパに電流を供給し、ホローカソード９内の電子の外部放出を促進する。
【０００９】
このイオンエンジンの動作中、放電容器３は、図示しない電源によりホローカソード９に対して陽極電位に保たれる。この状態でＸｅガスが、ガス導入系８から絶縁器１２内を通って、推進剤分配器６の小孔７から放電容器３内に導入される。Ｘｅガスは、ガス導入系８から絶縁器１２を通ったのちホローカソード９を通ることによっても、放電容器３内に導入される。ホローカソード９からは放電室３内に電子が放出され、この電子はホローカソード９と放電容器３との間の電位差により加速されてＸｅ原子に衝突し、Ｘｅを電離させる。これにより放電容器３内にプラズマが生成される。放電容器３内のプラズマは永久磁石１０の作るカスプ磁場によって放電容器３の内壁面から離れた領域に閉じ込められる。一旦放電容器３内にプラズマが生成される状態になれば、キーパに電流を流さなくても、プラズマが生成される状態を持続させることもできる。
【００１０】
イオンエンジンの動作中、スクリーングリッド４ａは、地上電位、又はイオンエンジンが搭載された宇宙機の電位を基準として１ｋＶ程度の電位に、加速グリッド４ｂは−２００Ｖ程度の電位に、それぞれ保たれている。通常、スクリーングリッド４ａはホローカソード９と図示しない電線によって接続されており、ホローカソード９も１ｋＶ程度の電位に保たれている。これらグリッド４ａ，４ｂからなるイオン加速系４が、放電容器３内のプラズマからＸｅ+イオンを引き出し、これに１ｋｅＶ程度の運動エネルギーを与えて、イオン通過孔５ａ及び５ｂを通じて宇宙空間に放出する。この放出に伴う反力が推力となる。また、中和器として用いられるホローカソード１１が、イオン加速系４から放出されたＸｅ+のイオン電流と同じ電流値の電子ｅ-を宇宙空間に放出することで電気的中和を行い、人工衛星等が帯電することを防止する。
【００１１】
図１１に、放電容器３内部からイオン通過孔５ａ，５ｂを通って宇宙空間に至る空間内の電位分布を、イオン通過孔５ａ，５ｂの中心軸に沿って定性的に表わす。このグラフ中、左端の位置における電位は放電容器３内のプラズマの電位に等しく、放電容器３の電位との差は数Ｖ程度である。スクリーングリッド４ａの位置ではスクリーングリッド４ａの電位の影響を受け、これより低い電位となっており、加速グリッド４ｂの位置では、加速グリッド４ｂの電位の影響を受け、これより高い電位となっている。加速グリッド４ｂの位置において空間内の電位は極小値をとるが、イオンビーム発生装置の通常動作中、この位置における電位はイオンビーム発生装置の外側（グラフ中、右側）の電位より十分低い。このため、イオンビーム発生装置の外側にある電子は、極めてエネルギーの高い極少数の電子を除き、加速グリッド４ｂを通過してイオンビーム発生装置の内側に移動することができない。
【００１２】
しかしながら、イオン通過孔５ｂを通過するＸｅ+イオンの密度が高くなりすぎると、Ｘｅ+イオンの正電荷の影響でこの位置における極小電位が上昇して、多くの電子が加速グリッド４ｂを通過してイオンビーム発生装置の内側に移動可能となる。図８中、加速グリッド４ｂの左側に移動した電子は放電容器３の内部にまで移動し、Ｘｅガスの電離を促進するため、放電容器３内のプラズマ密度が上昇する。この結果イオン通過孔５ｂを通過するイオン電流が上昇し、極小電位点でのイオン密度も更に高くなる。このような正帰還の関係によりイオン通過孔５ａ，５ｂを通過するイオン電流が上昇して上限値を超えると、イオンビームレット（個々のイオン通過孔５ａを通過するイオンの集合体。イオンビームレットの集合体がイオンビームである。）が加速グリッド４ｂの金属材料部分に衝突して、加速グリッド４ｂに接続される図示しない電源に過大な電流が流れると共に加速グリッド４ｂが損耗してしまう。これを避けるべく、放電容器３内でのイオン生成量を調整したり、加速グリッド４ｂの電位を十分低く保ち、放電容器外部から電子が流入することを防止したりする等の工夫がなされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Dan M. Goebel & Ira Katz著， "Fundamentals of Electric Propulsion,"， （米国）， Wiley社， 2008年11月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来のイオンビーム発生装置は、２つの電子源（ホローカソード９，１１）を備えているが、これらを動作させるためにはそれぞれに付随するガス供給系や電源系が必要となるため、イオンビーム発生装置としての構造が複雑化するという問題があった。さらに、これらの電子源は高価であり、イオンエンジン全体のコストにおいて大きな割合を占めているため、複数の電子源を必要とすることによりイオンエンジンが高コスト化するという問題もあった。
【００１５】
また、従来のイオンビーム発生装置は、プラズマ生成に用いられる電子を放電容器内の電子源から供給するという構成をとるが、この放電容器内の電子源は地上電位等から１ｋＶ程度の電位で動作するため、これに電力を供給するためには十分な対地絶縁機能を備えた複雑で高価な電源が必要になるという問題もあった。これに関し、従来のイオンビーム発生装置は、上述のとおり放電容器内に外部から電子が流入することを防止する構成をとっているため、電子源を放電室の内部に設けることが必須であった。
【００１６】
従来のイオンエンジンはこれらの問題を有しており、低コストで製造することが要求される小型衛星等に採用されにくいという状況が生じていた。
【００１７】
そこで本発明は、放電室外部に設置された１つの電子源のみを用いてプラズマ生成と中和とを行なうことが可能なイオンビーム発生装置を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、
（i）放電容器と、
（ii）放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、
（iii）放電容器とガス導入系の間のガス内部での放電を防ぐための絶縁器と、
（iv）放電容器の外部に設置された電子源と、
（v）電子源から放出された電子を電子電流として放電容器の内部に導入すると共に、放電容器の内部に導入された電子と作動ガス粒子とが衝突することにより生成されたプラズマ中のイオンを加速し、イオン電流として放電容器の外部に送り出す、複数の通過孔を備えたスクリーングリッド及び加速グリッドを含むイオン加速系と
を具備することを特徴とする、イオンビーム発生装置を提供する。
【００１９】
本発明のイオンビーム発生装置においては、放電室外部の電子源から放出された電子を放電室内部に導入し、これを用いてプラズマを生成する。したがって、プラズマ生成のための電子源を放電容器の内部に設置することは不要である。ただし、バックアップの電子源として用いる場合等、必要に応じて放電室内に任意の電子源を設置しても構わない。
【００２０】
本発明のイオンビーム発生装置においては、加速グリッド内の複数の通過孔のうち一部を、加速グリッド内の周囲の通過孔に比べて大きい面積を有するよう構成することが好ましい。このような構成をとることにより、大きい面積を有する通過孔を主に電子電流の経路として用いる一方、その周囲の通過孔を主にイオン電流の経路として用いることが可能となる。ただし、このように通過孔の大きさに差異を設けることは必須ではない。
【００２１】
スクリーングリッド内の複数の通過孔のうち、加速グリッド内で周囲の通過孔に比べて大きい面積を有する通過孔の位置に対応する位置にある通過孔は、スクリーングリッド内の周囲の通過孔に比べて小さい面積を有することが好ましい。加速グリッド内の大きい面積を有する通過孔は、プラズマからイオンを抽出する能力に関して周囲の通過孔に劣るため、対応するスクリーングリッド内の位置には面積の小さい通過孔を設けて、加速グリッドに向かうイオンビームレットを小さくすることが有効である。
【００２２】
本発明のイオンビーム発生装置は、加速グリッドの電位を変化させることによりイオン電流の大きさを調整する手段を備えることが好ましい。放電容器の電位を変化させることによっても、同様にイオン電流の大きさを調整できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のイオンエンジンにおいては１つの電子源のみを用いてプラズマ生成と中和とを行うことができるため、従来のイオンエンジンで用いられていた２つの電子源のうち、放電容器内の電子源を撤去して低コストのイオンエンジンを提供することが可能となる。また発熱源であるホローカソードを放電容器から除去することができるため、人工衛星等へ流入する熱量を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係るイオンビーム発生装置について、その一部を切り取って内部構造を示した斜視図である。
【図２】本発明のイオンビーム発生装置に組み込まれる加速グリッドの第１の例を、その面内で一部切り出して示した平面図である。
【図３】本発明のイオンビーム発生装置に組み込まれるスクリーングリッドの第１の例を、その面内で一部切り出して示した平面図である。
【図４】本発明のイオンビーム発生装置に組み込まれる加速グリッドの第２の例を、その面内で一部切り出して示した平面図である。
【図５】本発明のイオンビーム発生装置に組み込まれるスクリーングリッドの第２の例を、その面内で一部切り出して示した平面図である。
【図６】本発明のイオンビーム発生装置に組み込まれる加速グリッドの第３の例を、その面内で一部切り出して示した平面図である。
【図７】本発明のイオンビーム発生装置に組み込まれるスクリーングリッドの第３の例を、その面内で一部切り出して示した平面図である。
【図８】従来のイオンビーム発生装置について、その一部を切り取って内部構造を示した斜視図である。
【図９】従来のイオンビーム発生装置に組み込まれる加速グリッド、又はスクリーングリッドの第１の例を、その面内で一部切り出して示した平面図である。
【図１０】従来のイオンビーム発生装置に組み込まれる加速グリッド、又はスクリーングリッドの第２の例を、その面内で一部切り出して示した平面図である。
【図１１】放電容器内部からスクリーングリッド及び加速グリッドのイオン通過孔を通って外部に至る空間内の電位分布を、イオン通過孔の中心軸に沿って定性的に表わした図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
これより図面を用いて、本発明に係るイオンビーム発生装置の構成及び動作を説明する。ただし、本発明に係るイオンビーム発生装置の構成及び動作は、各図面、及び関連する説明により示される特定の具体的構成及び動作へと限定されるわけではない。これについては、後に詳しく説明する。
【００２６】
本発明に係るイオンビーム発生装置の構成
図１に、本発明の一実施形態に係るイオンビーム発生装置の構成を示す（内部構造を示すために、一部を切り取って描いている）。従来のイオンビーム発生装置と同様の要素には、図８内の参照符号と同一の符号が付されている。これら従来のものと同様の要素については、説明を省略する。
【００２７】
図１のイオンビーム発生装置が図８のイオンビーム発生装置と比べて異なる点として、まず、図１の構成は放電容器３内にホローカソード９、及びこれに作動ガスを送り出すためのガス導入系８、絶縁器１２を含まないことが挙げられる。後述のとおり、本発明のイオンビーム装置は、放電容器３外部の、従来は中和器としてのみ用いられていたホローカソード１１より放出された電子を放電容器３内部に導入して、プラズマ生成を行うことが可能である。したがって、放電容器内部に電子源を設ける必要がない。
【００２８】
ホローカソードを中和器とプラズマ生成用電子源の両方の用途で用いる際には、スクリーングリッド４ａ、加速グリッド４ｂ内での通過孔５ａ，５ｂの形成パターンを、図９、図１０に示されるような従来例のパターンから変更することが好ましい。
【００２９】
好ましいパターンで通過孔５ｂが形成された加速グリッド４ｂの一例を図２に、これに対応するパターンで通過孔５ａが形成されたスクリーングリッド４ａの一例を図３に、それぞれ示す。図２に示されるとおり、加速グリッド４ｂ内の通過孔のうち一部の通過孔５２ｂは、周囲の通過孔５１ｂに比べて大きい面積（通過孔が円形であるとするならば、孔径に対応する。）を有している。後に詳しく説明するとおり、大きい通過孔５２ｂは、主には放電容器３外部から電子を導入するための経路として機能し、小さい通過孔５１ｂは、主に放電容器３内で発生したプラズマからイオンを加速して放出するための経路として機能する。
【００３０】
また、図３に示されるとおり、加速グリッド４ｂ内、大きい通過孔５２ｂの位置に対応する位置（グリッド面に垂直な方向から見て重なる位置）において、スクリーングリッド４ａ内の通過孔５２ａは周囲の通過孔５１ａよりも面積の小さな通過孔として形成されている。後に詳しく説明するとおり、このような構成をとれば、イオン抽出能力に劣る通過孔５２ｂに向かうイオンビームレットを小さくして、加速グリッド４ｂに接続された図示しない電源に過大な電流を流すことを防ぐと共に、加速グリッド４ｂの損耗を防ぐことが可能となる。
【００３１】
本発明に係るイオンビーム発生装置の動作
以下、図１のイオンビーム発生装置によるイオンビーム発生動作を説明する。
【００３２】
まず、ホローカソード１１を作動させ、電子が出る状態にした後、放電容器３内に推進剤分配器６を通じて作動ガスを供給する。ここでスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂを所定の電位、例えばスクリーングリッド４ａを５００Ｖ、加速グリッド４ｂを−５０Ｖにするが、放電を開始するため、一時的に加速グリッド４ｂの電位を０Ｖ近傍にまで上昇させる。このとき、放電の開始を容易にする手段として、作動ガスの流量を一時的に増やすことと、ホローカソード１１に接続された図示しない電源により、ホローカソード１１の電位を負、例えば−１５Ｖにすることが効果的である。
【００３３】
加速グリッド４ｂの電圧が０Ｖ近傍であるため、上記放出された電子は、電子電流として放電容器３内部へと流れ込む。電子電流は、加速グリッド４ｂ内の通過孔５１ｂと５２ｂのうち、主には面積の大きい通過孔５２ｂを通って流れ込む。電子は放電容器３の電位により加速されてＸｅ原子と衝突し、Ｘｅが電離することによりプラズマが発生する。
【００３４】
従来のイオンエンジンでは、図９に示すようなパターンで通過孔を設けて、通過孔５ａの孔径を例えば２ｍｍに、通過孔５ｂの孔径を例えば１．５ｍｍとし、スクリーングリッド４ａの板厚を例えば０．３ｍｍ、加速グリッド４ｂの板厚を例えば０．５ｍｍとしていた。しかしながら、このような構成においては、加速グリッド４ｂの電位を０Ｖにしても放電容器３内でプラズマが発生しない。これは、通過孔５ｂが小さすぎることと加速グリッド４ｂの板厚が大きすぎることにより、電子が自身の負電荷による空間電荷制限の影響を受け、ほとんどが通過孔５ｂを通過できないためである。
【００３５】
本実施例においては、面積の大きい通過孔５２ｂの孔径を、例えば５ｍｍとすることにより、電子電流の放電容器３内部への流入を可能としている。一方で、５ｍｍの孔径を有する通過孔５２ｂは、プラズマからＸｅ+イオンを抽出する能力に関して周囲の通過孔５１ｂに劣るため、仮に図９、図１０に示されるような従来のパターンで通過孔５ａが配置されたスクリーングリッド４ａを用いるならば、ガス導入系８からのＸｅガスの導入量を減らす等により、従来のイオンビーム発生装置と比べて放電容器内３のプラズマ密度を著しく低くしない限り、イオンビームレットが広がりすぎてしまう。広がったビームレットの一部が加速グリッド４ｂに衝突すれば、加速グリッド４ｂに接続される電源に過大な電流が流れると共に、加速グリッド４ｂが損耗してしまう。
【００３６】
通過孔５２ｂの大きさに応じてＸｅガス導入量を調整することにより、本発明のイオンビーム発生装置は動作可能であるが、既に述べたとおり、本実施例においてはスクリーングリッド４ａ内の通過孔５２ａが周囲の通過孔５１ａよりも面積の小さな通過孔として形成されている（図３）。これにより、イオンビームレットのうち面積の大きな通過孔５２ｂに向かうビームレットが小さくなるため、従来と同様のプラズマ密度を保ちつつ、本発明のイオンビーム発生装置は動作することができる。
【００３７】
既に述べたとおり、従来のイオンエンジンでは、イオン加速系４の通過孔５の孔径は、イオン加速系４に含まれるスクリーングリッド４ａ、加速グリッド４ｂのそれぞれの全面に亘って均一か、グリッド面の中心から通過孔５ａ，５ｂの中心までの距離に依存して決められていた。本発明は、この原則を破り、通過孔５ａ，５ｂの一部の孔径を周囲の通過孔５ａ，５ｂの孔径とは異なるものにする。図２に基づいて説明すれば、通過孔５１ｂの孔径は、作動ガスの漏洩を最小限にすべく、イオンビームレットが衝突なく通過できる範囲でなるべく小さくなるように決められている一方、通過孔５２ｂの孔径は、ホローカソード１１から放出される電子が放電容器３まで通過しやすいように、通過孔５１ｂの孔径よりも大きくなるよう決められている。また、図３に示されるとおり、スクリーングリッド４ａ内、通過孔５１ａの孔径は、長時間運転による磨耗後でも十分な構造的強度を確保できる範囲でなるべく大きく決められており、一方で通過孔５２ａの孔径は、図２の通過孔５２ｂの孔径に対応して、通過孔５１ｂよりも劣る通過孔５２ｂのイオン抽出能力を超えないよう、通過孔５１ａの孔径よりも小さくなるよう決められている。そのような周囲と孔径の異なる通過孔５２ａ，５２ｂを流れるイオン電流は周辺孔のイオン電流より低くなるものの、この通過孔５２ｂ，５２ａを通って放電容器３に流れ込む電子電流が大きくなるため、大きな電子電流と高いプラズマ密度を両立しつつイオンビーム発生装置を動作させることが可能となる。
【００３８】
以上のとおり、プラズマから引き出されたＸｅ+の流れであるイオン電流は、主には通過孔５１ａ，５１ｂを通って宇宙空間に放出されて、イオンエンジンの推力が発生する。また、中和器としても用いられるホローカソード１１が、通過孔５１ａ，５１ｂを通って放出されたＸｅ+のイオン電流と同じ電流値の電子ｅ-を宇宙空間に放出することで電気的中和を行い、人工衛星等が帯電することを防止する。
【００３９】
図２、図３においては各通過孔が最密充填的に配置されているが、このような配置は必須ではなく、例えば直交する行ライン、列ラインでグリッド領域を分割し、ライン同士の交点に通過孔を配置してもよい（直交的配置）。通過孔５２ａ，５２ｂが周期的に配置されることも必須ではなく、例えばこれらがランダムに配置されていても構わない。通過孔５２ａ，５２ｂの数も任意である。さらに、図２、図３においては通過孔５２ａ，５２ｂの周囲に必ず通過孔５１ａ，５１ｂが存在するように各通過孔が配置されているが、このように配置することも必須ではなく、例えば通過孔５２ａ，５２ｂを通過孔群の最外縁に配置しても構わない。
【００４０】
図４，図５に、そのような通過孔の配置態様としてとりうる態様の一例を示す。図４の加速グリッド４ｂにおいて、通過孔５１ｂの孔径は推進剤の漏洩を最小限にするように決められているが、一方で通過孔５２ｂの孔径は、ホローカソード１１の放出する電子が放電容器３内部に流入しやすいよう、通過孔５１ｂの孔径よりも大きい。同様に、図５のスクリーングリッド４ａにおいて、通過孔５１ａの孔径は、長時間運転による磨耗後でも十分な構造的強度を確保できる範囲でなるべく大きくなるように決められているが、一方で通過孔５２ａの孔径は、図４の通過孔５２ｂの孔径に対応して決められる。すなわち、通過孔５２ｂはプラズマからイオンを抽出する能力に関して周囲の通過孔５１ｂに劣っており、仮に通過孔５２ａが通過孔５１ａと同程度の孔径を有していたならば、イオンビームレットが広がりすぎて、加速グリッド４ｂに接続される電源に過大な電流が流れると共にイオンの衝突により加速グリッド４ｂが損耗してしまうため、通過孔５２ａの孔径を通過孔５１ａよりも小さくしている。
【００４１】
また、図４、図５において、通過孔５２ａは、通過孔５１ａを最密充填的に配置した上で、そのうち隣り合って三角形状に配置された３つの通過孔５１ａを１つの通過孔５２ａで置き換えることにより配置され、通過孔５２ｂも、通過孔５１ｂを最密充填的に配置した上で、そのうち隣り合って三角形状に配置された３つの通過孔５１ｂを１つの通過孔５２ｂで置き換えることにより配置されているが、このような配置に限らず、例えば図６、図７に示すとおり、隣り合って六角形状に配置された７つの通過孔５１ａ、通過孔５１ｂを、１つの通過孔５２ａ、通過孔５２ｂにより置き換えてもよい。さらに、例えば上述の直交的配置を採用するならば、隣り合う４つ、９つ、あるいはそれ以上の通過孔５１ａ、通過孔５１ｂを、１つの通過孔５２ａ、通過孔５２ｂにより置き換えることが可能である。また、図４〜図７においては、通過孔５２ａと通過孔５２ｂとが、それぞれ最寄りの３つの通過孔５１ａ、通過孔５１ｂから等距離に位置するよう配置されているが、このように配置することも必須ではない。通過孔５２ａ、通過孔５２ｂの数も特定の数に限られることはなく、単数でも複数であってもよい。さらに、全ての態様において通過孔５２ａ，５２ｂの周囲に必ず通過孔５１ａ，５１ｂを配置することは必須ではなく、例えば通過孔５２ａ，５２ｂを通過孔群の最外縁に配置しても構わない。
【００４２】
なお、以上の全ての態様において、スクリーングリッド４ａの電位を放電容器３の電位より１０〜３０Ｖ程度低くしておけば、Ｘｅ+イオンが放電容器３からスクリーングリッド４ａに引き付けられるため、イオン加速系４を通過するイオン電流を効果的に上昇させることができる。ただし、具体的にスクリーングリッド４ａと放電容器３との電位差が過大になるとイオン衝突によりスクリーングリッド４ａの磨耗が促進されるので、該電位差をどのような大きさにするかは、個々の実施態様に応じて、理論的に、数値計算により、又は実験により決定されるべきである。
【００４３】
イオンエンジンの推力の制御は、例えば図示しない電源により、放電容器３の電位あるいはスクリーングリッド４ａの電位と、加速グリッド４ｂの電位のいずれか、あるいは両方の電位を組み合わせて制御することにより可能である。ここで放電容器３あるいはスクリーングリッド４ａの電位を上げることには、加速するイオンの速度を増す効果と遡上電子を僅かに増やすことによりイオン電流を増す効果がある。また加速グリッド４ｂの電位を上げることには、遡上電子を増やすことによりイオン電流を増す効果がある。さらに推進剤の供給量を制御して推力を制御することも可能である。推進剤を増やすと、イオンの生成量も増えるので、その結果推力が増加する。
【００４４】
本発明の技術的意義
従来のイオンエンジンでは、電子源が放電容器の中央部に１つだけ設けられているため、プラズマ密度が中心軸上で高く、周辺部で低い。プラズマ密度が高いほどイオン加速系の損耗が大きくなるため、イオン加速系の周辺部が正常に機能していても中心部が損耗して作動不能となることが一般的であった。本発明のイオンエンジンでは、電子電流を促進するよう通過孔の分布に配慮したことにより、イオン加速系に接するプラズマの密度を平均化することができ、すなわちイオン加速系の損耗も平均化できるので、イオンエンジンの寿命を延ばすことができる。また、電子電流が正帰還によって上昇する現象に関しては、使用する電線の抵抗と電子源の電流−電圧特性が安定抵抗の役割をなすので、電子電流が過大になる前に収まることがあり、これらの特性は電流制御装置を簡素化するために効果的である。電子電流が過大になると、イオンビームレットの広がりが過大になり、持続的な運転が妨げられることもある。
【００４５】
本発明の技術的範囲
なお、本発明は実施例として説明された上述の態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で適宜変更可能である。一例として、放電容器の形状は任意であるし、推進剤ガスも、Ｘｅに限らずプラズマ生成が可能な酸素、水銀等の任意のガスであってよい。また、ガス導入系は放電容器用と図示しない電子源用のそれぞれ１系統を採用しているが、これ以外の系統数を採用してもよい。絶縁器も、上述の例に限らず、例えば十分に長い非導電性の管を用いてもよい。さらに、本実施例においてグリッド内に形成される通過孔の形状は円形であるとしたが、任意の形状で通過孔を形成してよい。また、図１中ではイオン加速系４がスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂという２つのグリッドから構成されているが、グリッドの数は２に限らず任意であり、例えば地上又は宇宙機に対して接地された減速グリッドを更に設けることもできる。図１中で磁石１０は永久磁石とされており、また４列の永久磁石が放電容器内に配置されているが、この列数も任意に変更可能である。また、この実施例においてはリングカスプ磁場によりプラズマを閉じ込めていたが、どのような磁場を発生させるかは任意であるし、磁場によりプラズマを閉じ込めること自体も、本発明にとって必須ではない。ただし、磁場がない場合にはプラズマが放電容器内壁に衝突して一部失われるため、効果的にイオン電流を生成するためには磁場を発生させることが好ましい。この磁場は電磁石によって発生させることもできる。推進剤分配器の位置、数、ガス放出孔の数及び分布も、上述の態様に限られるわけではない。電子源もホローカソードに限られるわけではなく、直熱型、傍熱型、酸化物型でも、マイクロ波型でもよい。電子源の個数も、１つに限らず任意の数であってよい。
【００４６】
さらに、上述の実施例は、本発明のイオンビーム発生装置を特にイオンエンジンに適用したものであるが、イオンエンジン以外のイオンビーム発生装置として本発明を実施することも可能である。従来のホローカソードを使用したイオンビーム発生装置で酸素イオンビームを発生させる場合、ホローカソードの作動ガスとして酸素を使用したならばホローカソードが損傷するため、酸素ではなくアルゴン等が使用されていた。このため従来は酸素イオンにアルゴンイオン等が多く混入していたのであるが、本発明のイオンビーム発生装置を用いれば、放電容器内に供給される作動ガスを酸素のみとすることができ、アルゴン等は通過孔を遡上する微量とすることができるので、純度の高い酸素イオンビームを発生させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のイオンビーム発生装置は、例えば人工衛星等、宇宙機に搭載されるイオンエンジンとして、又は材料加工用のイオンビームを発生させる装置として利用可能であり、その他にもイオンビームを利用することができる全ての産業において適用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１                      シールドケース
２                      小孔
３                      放電容器
４                      イオン加速系
４ａ                    スクリーングリッド
４ｂ                    加速グリッド
５，５ａ，５ｂ          通過孔
６                      推進剤分配器
７                      小孔
８                      ガス導入系
９                      ホローカソード
１０                    磁石
１１                    ホローカソード
１２                    絶縁器
１３                    グリッド支持機構
５１ａ，５１ｂ          通過孔
５２ａ，５２ｂ          通過孔（電子の通過を促進するもの）
５３                    通過孔（孔径大）
５４                    通過孔（孔径中）
５５                    通過孔（孔径小）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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