(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンおよび電子のプラズマソースと、
イオンを抽出するためにプラズマソースに十分に隣接して位置されたイオン光学系システムとを有し、イオン光学系システムは相互に対面しているが間隔を隔てられた関係で整列されている少なくとも２つの非平面のドーム形グリッドを具備し、各グリッドはグリッド表面に垂直な局部基準ベクトルと、基準ベクトルに垂直な基準平面とを有し、グリッドのうち少なくとも１つは実質上基準平面に位置する“ａｂ”結晶面を有する異方性熱分解グラファイトから作られていることを特徴とするイオンスラスタ。
【請求項２】
非平面でドーム形の少なくとも２つのグリッドはそれぞれ球面のセグメントの形態を有している請求項１記載のイオンスラスタ。
【請求項３】
２個のグリッドが設けられ、２個のグリッドの各々は“ａｂ”結晶面がそれぞれのグリッドの基準平面に実質上位置するように方向付けされている異方性熱分解グラファイトから作られている請求項１または２記載のイオンスラスタ。
【請求項４】
３個のグリッドが設けられ、３個の各グリッドの各々は“ａｂ”結晶面がそれぞれのグリッドの基準平面に実質上位置するように方向付けされている異方性熱分解グラファイトから作られている請求項１または２記載のイオンスラスタ。
【請求項５】
イオン光学系システムは推力軸を有し、熱分解グラファイトの“ａｂ”結晶面は推力軸に実質上垂直である請求項１記載のイオンスラスタ。
【請求項６】
“ａｂ”結晶面は、熱分解グラファイトから作られる各ドーム形グリッド上の全ての位置において基準平面と同一平面に位置している請求項１記載のイオンスラスタ。
【請求項７】
“ａｂ”結晶面は、ドーム形グリッド上の全ての位置で一定の方位を有している請求項１記載のイオンスラスタ。
【請求項８】
“ａｂ”結晶面は、基準平面に対する角度が２０度を超えない角度を有している請求項１記載のイオンスラスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオンスラスタに関し、特にイオンスラスタのイオン光学系で使用されるグリッドの構造および構成材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンスラスタは、人工衛星の位置の維持およびその他の機能のために通信衛星等の宇宙船で使用されている。化学推進剤を使用したエンジンよりも優れたイオンスラスタの重要な利点は、推進を行うために衛星の太陽電池により発生される電力を使用することである。イオンスラスタは比較的少量のイオン化された消費可能な推進剤しか必要としないので、多量の化学燃料を軌道まで打上げる必要がない。イオンスラスタはまた高いスペシフィックインパルスを有し、非常に少量の推進剤しか必要としない効率的なエンジンを得ることができる。
【０００３】
イオンスラスタでは、イオンと電子のプラズマが発生され、スラスタ本体内に閉じ込められる。プラズマからのイオンはイオン光学系により静電気的に後方向に加速される。宇宙船はその反作用で反対方向の前方に駆動される。イオンスラスタはしばしば小さく組立てられ、そのためイオンスラスタにより発生される力は小さい。それ故、イオンスラスタは比較的長期間に動作される。結果として、幾つかの使命では、イオンスラスタは動作され数千時間の動作に対して信頼性がなければならない。
【０００４】
イオン光学系はイオンを後方向に加速するために適切な電圧が与えられるグリッドを含んでいる。グリッドは整列された開口を含んでいる。供給電圧により加速された幾らかのイオンは開口を通過して推進を与える。その他のイオンはグリッドに衝突し、これらを加熱し、グリッドから材料をエッチングする。グリッド上の熱と静電気力が結合して、グリッド上の上昇温度で機械的な力を発生し、これはグリッドを歪ませ、疲労と機械的な故障を生じやすくする。これらの影響がグリッド設計で考慮され、それによって必要とされる延長した寿命にわたって機能的であり続ける。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現時点では、グリッドは典型的にドーム形状に形成されたモリブデンから作られる。炭素−炭素複合材料の平坦なグリッドを作ることも提案されている。これらの両材料はグリッドの寿命と機械的な強度に関して制限を有する。したがって、イオンスラスタのイオン光学系のグリッドの良好な構成材料と設計が必要とされている。本発明はこの必要性を満たし、さらに関連する利点を与える。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、イオン光学系で使用される改良されたイオンスラスタおよびグリッドを提供する。グリッドは、動作中に発生される熱が外へ伝導され、また低い熱膨脹係数を有するように作られている。結果として得られたグリッドは一般的なグリッドよりも低い温度で動作し、少ない機械的歪しか受けない。これらは特に好ましいドーム形構造で使用されるとき良好な強度を有する。
【０００７】
本発明にしたがって、イオンスラスタはイオンおよび電子のプラズマの放電カソードソースと、イオンを吸引するためにプラズマソースに十分に隣接して位置されるイオン光学系とを具備している。イオン光学系は相互に対面するが間隔を隔てられた関係で整列されている少なくとも２つの非平面のドーム形グリッドを具備している。各グリッドはグリッド表面に垂直な局部基準ベクトルと、基準ベクトルに垂直の基準平面とを有するものとして説明されることができる。少なくとも１つのグリッド、好ましくは全てのグリッドは実質上基準平面に位置する“ａｂ”結晶面を有する異方性熱分解グラファイトから作られる。
【０００８】
熱分解グラファイトは高い異方性の材料である。即ち、その構造と特性は、その結晶方向に対する測定方向の関数として大きく変化する。その構造および特性は一般的なグラファイト、アモルファス炭素、グラファイトファイバ、炭素−炭素複合材料とは異なっており、それらの全ては本発明では動作可能ではない。熱分解グラファイトは、他の形態の炭素およびグラファイトとは異なる構造および特性に基づいて、指示された方位でイオンスラスタのイオン光学系で使用されるとき重要な利点を有する。
【０００９】
熱分解グラファイトでは、“バサル  （ｂａｓａｌ）”方向とも呼ばれる“ａｂ”結晶面は高い熱伝導係数を有する。グリッドへのイオンの衝突により発生される熱はグリッドのエッジのヒートシンクへ迅速に伝導される。また、熱分解グラファイトの熱放射は通常の光学系で使用されるモリブデンのような金属の熱放射よりも非常に大きく、それによってイオン衝突から生じる熱のさらに大きな部分が放射される。これらの効果は組合わせられて熱分解グラファイトグリッドが通常のグリッドよりも低温で動作することを可能にする。
【００１０】
熱分解グラファイトでは、“ａｂ”結晶面の熱膨脹係数は低い。所定の温度の増加に対して、金属グリッドよりもグリッドの歪は少ない。“ａｂ”結晶面の低い熱膨脹係数と高い熱伝導係数と、高い熱放射の組合わせは他の構造の材料で可能であるよりも、グリッドおよびその個々の開口の歪が少ない。対面しているグリッドの開口は、本発明の方法により良好な整列を保ち、通常のイオンスラスタと比較してイオンスラスタの良好な効率を生む。
【００１１】
熱分解グラファイトのイオンエッチ速度は、他の形態の炭素と同様に十分に低い。熱分解グラファイトのグリッドの寿命はそれ故、金属グリッドの寿命よりも長い。
【００１２】
熱分解グラファイトのグリッドは幾つかの動作可能な方法により製造されることができる。１つの方法は熱分解グラファイトのブロックからグリッドを機械加工することを含んでいる。別の方法では、熱分解グラファイトはグリッドの形状を規定するマンドレル上に配置される。本発明の他の特徴および利点は、例示により本発明の原理を示している添付図面を伴って好ましい実施形態の以下のさらに詳細な説明から明白になるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は一般的な形態のイオンスラスタ２０を示している。イオンスラスタはここで説明する改良点を除いて技術で知られている。例えば米国特許第５，９２４，２７７  号明細書を参照することができる。したがって、イオンスラスタ２０の基本特性だけを参照とイオン光学系の設定のためにここで説明する。
【００１４】
イオンスラスタ２０は、第１の端部２６で放電カソード（プラズマソース）２４を有するハウジング２２を含んでいる。キセノンガス等のソース２８からの推進剤ガスは第１の端部２６でハウジング２２に注入され、および中和装置カソード４０を通過する。放電カソード２４から放出された電子は推進剤ガスをイオン化し、ハウジング２２の中央部分に電子と正に荷電されたイオンとのプラズマ３０を生成する。
【００１５】
イオンはハウジング２２の第２の端部３６でイオン光学系３４によりプラズマ３０から静電気的に抽出され、イオンビームとして推力軸３８に沿ってハウジング２２から（図１の右側）へ加速される。ハウジング２２は好ましい実施形態では通常推力軸３８について対称である。図１の右方向に加速されたイオンの塊はハウジング２２と、それが固定されている宇宙船を図１の左方向に駆動する。イオンビームのイオン化された電荷は、中和装置のカソード４０により電子をイオンビームへ注入することにより中和されることができる。
【００１６】
図２の（ａ）と（ｂ）で示されているように、イオン光学系３４はプラズマ３０からイオンを選択的に抽出して加速する少なくとも２つのグリッドを含んでいる。各グリッドはイオンが開口を通過することを許容するため貫通している開口を有する固体である。図２の（ａ）の２個のグリッドの設計では、プラズマ３０に隣接するスクリーングリッド４２は正電圧を与えられる。スクリーングリッド４２の外方向に位置されている加速グリッド４４は負電圧を与えられる。図２の（ｂ）の３個のグリッドの設計は同一のスクリーングリッド４２と加速グリッド４４を含んでいるが、加速グリッド４４がスクリーングリッド４２と減速グリッド４６との間にあるように位置された減速グリッド４６を付加している。減速グリッド４６はゼロ電位または、それに非常に近く維持され、それによって中和平面の正確な軸的位置を規定している。
【００１７】
グリッド４２、４４と、ここでは設けられているグリッド４６は相互に面するが隔てられた関係である。本発明者に興味深い設計では、各グリッド４２、４４、４６は典型的に厚さ約０．０１０インチであり、隣接する１つのまたは複数のグリッドから室温で約０．０３５インチの距離で隔てられている。グリッド４２、４４、４６は平坦ではなく、僅かにドーム形である。好ましくは、各グリッド４２、４４、４６は球のセグメントである。本発明者に興味のある設計では、各グリッド４２、４４、４６は軸３８を中心に対称円筒形であり、直径約２５センチメートルである。各グリッドの中心は約１センチメートルだけ各グリッド周囲により限定されている平面から軸３８に沿って変位している。即ち、各グリッドは非常に僅かなドーム形状である。グリッドはハウジング２２の中心に関して外方向へ突出するドーム形にされているように示されているが、これらは内方向へ突出するドーム形でもよい。任意の１セットの全てのグリッドは同一方向に突出するドーム形にされている。
【００１８】
図３の（ａ）はドーム形グリッド５０の構造を示しており、図３の（ｂ）は別のドーム形グリッド５２の構造を示している（以下説明される方位を良好に示すために図３の（ａ）と（ｂ）のグリッドの湾曲は誇張されている）。両者とも本発明の技術的範囲内であるグリッド５０と５２はグリッド４２、４４、４６のうちの１つである。好ましくは、全てのグリッド４２、４４、４６はグリッド５０またはグリッド５２のいずれかのタイプである。
【００１９】
グリッド５０は多数の固体区域と、本体５４の区域間を貫通する開口５６とを有する本体５４を含んでいる。開口５６は推力軸３８に平行に延在する開口を規定する。本体５４の各区域はその表面上の点でグリッド５０の表面に垂直である局部基準ベクトル５８を有するものとして説明されることができる。グリッド５０はドーム形にされているので、基準ベクトル５８は全てが相互に平行ではない。ドーム中心の基準ベクトル５８ａは推力軸３８に平行であるが、推力軸３８から横方向に変位されている区域の他の基準ベクトル５８ｂ、５８ｃは推力軸３８または他の基準ベクトル５８に正確に平行ではない。基準ベクトル５８の相互の角度変位はグリッド５０の湾曲と２つの基準ベクトル間の横方向変位との関数である。各基準ベクトルは基準ベクトル５８に垂直に位置する基準平面６０を有する。基準ベクトル５８に関連して前述したように、グリッド５０が湾曲されているので、それぞれの基準平面６０ａ、６０ｂ、６０ｃは相互に正確に平行ではない。
【００２０】
グリッド５０の本体５４は熱分解グラファイトから作られている。熱分解グラファイトはグリッド５０の製造で非常に有効にする特性を有する。黒色であるとさらに高い熱放射性を有する。グリッド４２、４４、４６が動作されるとき、イオンは本体５４の区域に衝突し、本体５４を加熱する。高い熱放射は本体５４から高い熱放射を発生し、それを比較的低温に維持することを助ける。温度変化が大きい程、熱膨張の正の係数結果としてグリッドの歪は大きくなる。熱分解グラファイトの別の有効な特性は、通常物理的スパッタリングと呼ばれるプロセスであるイオンの衝突による材料の除去に対して抵抗性があることである。熱分解グラファイトの物理的スパッタリング中の材料除去速度は、グリッド５０構造の一般的な材料であるモリブデンの約１／１０である。
【００２１】
本発明は非常に高い異方性の形態のグラファイトである熱分解グラファイトの使用を特徴としている。本発明のグリッドは熱分解グラファイトから作られなければならない。本発明の方法はグリッドの構成を有効にするために熱分解グラファイトの異方性を使用する。高い異方性の熱分解グラファイトの構造および特性は、一般的なグラファイト、即ちアモルファス炭素、グラファイトファイバ、炭素−炭素複合材料、およびその他の形態と異なっており、これらは全て本発明では動作可能ではなく本発明の技術的範囲内のものではない。熱分解グラファイトは他の分野および他の使用法は良く知られているが、本発明に適しているその基本特性を簡単に要約する。
【００２２】
図４は熱分解グラファイト６２の構造を概略的に示している。熱分解グラファイト６２は一連の層６４から形成されている。各層６４は隣接層がスタックシーケンスで相互から僅かに空間的にシフトされている点を除いて、実質上それぞれの他の層と同一である。各層６４は平面に位置する結晶学方向“ａ”および“ｂ”と、平面に垂直な結晶学方向“ｃ”を有するほぼ平面である。層６４はそれ故、しばしば“ａｂ”結晶面または“バサル”平面と呼ばれる。熱分解グラファイトの物理的特性は高い異方性であるので、この方法による層６４の限定は重要である。熱分解グラファイトの熱膨張係数は“ａｂ”結晶面で約０．６８−０．９×１０−６インチ／インチ°Ｆであり、“ｃ”結晶学方向で約１３．１−１４．２×１０−６インチ／インチ°Ｆである。熱分解グラファイトの熱伝導は“ａｂ”結晶面において室温で約１７６−２００ＢＴＵ／時間２乗フット／フット°Ｆであり、“ｃ”結晶学方向において室温で約１ＢＴＵ／時間２乗フット／フット°Ｆである。
【００２３】
即ち、熱膨張係数は“ａｂ”結晶面で小さく、熱伝導性は“ａｂ”結晶面で大きい。特性におけるこの大きい異方性はグリッド５０で有効であるように使用されることができる。グリッド５０は基準平面６０に実質上平行に位置する方向に小さい熱膨張係数を有し、基準平面６０に実質上平行に位置する方向に大きい熱伝導性を有することが非常に望ましい。高い熱伝導性はグリッド５０の中心部からグリッド５０の本体５４を経てエッジでハウジング２２へ多量の熱を伝導させ、このハウジングはヒートシンクの作用を行う。基準平面６０の熱膨張係数も小さい。グリッドの歪は温度変化×熱膨張係数で与えられる積の関数であり、基準平面６０と同じ平面の“ａｂ”結晶面（即ち層６４）を有する熱分解グラファイトの使用はサービス中にグリッド５０の最小の空間変化および歪を生じる。歪の最小化は重要であり、それによってグリッド（４２、４４）と（４４、４６）の隣接対はサービス中に相互に接触して短絡を生じることがなく、またはそれらの間の電気的ブレークダウンを発生するように十分相互に接近することがなく、開口を通過する個々のビームが歪を伴う開口オフセットのために静電気的にベクトル化されない。
【００２４】
図３の（ａ）では、熱分解グラファイト６２が示されており、その方位は層６４の方位により示されている。この場合、層６４はそれぞれの基準平面６０に平行である。即ち層６４ａは基準平面６０ａに平行であり、層６４ｂは基準平面６０ｂに平行であり、層６４ｃは基準平面６０ｃに平行である。層６４ａ、６４ｂ、６４ｃが相互に正確に平行ではないが、それぞれの基準平面６０ａ、６０ｂ、６０ｃに平行であるこのタイプの方位はマンドレル上の熱分解グラファイトのエピタキシ気相成長により実現され、その端部はグリッド５２と同一のドーム形に湾曲されている。
【００２５】
図３の（ｂ）は次に説明する点を除いて図３の（ａ）と類似した別の実施形態を示している。前述の素子の説明をここで適切な程度まで採用している。図３の（ｂ）の実施形態は、層６４ａ、６４ｂ、６４ｃが全て相互に平行である点で異なっている。結果として、これらは全てのケースでそれぞれの基準平面６０ａ、６０ｂ、６０ｃと正確に平行ではなく、この差はグリッド５０の湾曲によるものである。層６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、したがって“ａｂ”結晶面の垂線は全て共通軸に平行である。この共通軸は推力軸３８であることが最も好ましく、これはイオンスラスタ２０の対称軸でもある。層６４ａ、６４ｂ、６４ｃが推力軸３８に垂直であるこのタイプの方位は先に成長した熱分解グラファイトのブロックを提供し、グリッド５０をブロックから機械加工することにより実現されることができる。
【００２６】
図３の（ａ）と（ｂ）の実施形態は両者とも、“ａｂ”結晶面が“実質上基準平面”に位置する概念に入る。グリッド５０はドーム形にほんの僅かに湾曲されているので、これらの両実施形態は熱分解グラファイトの異方性の利点を実効的に実現することを可能にする。それ故、図３の（ａ）と（ｂ）の実施形態は両者とも本発明の技術的範囲内である。“ａｂ”結晶面６４は、基準平面６０に対して２０度以下の角度を有することが好ましいが、さらに大きな角度でも効率は劣るが動作可能である。
【００２７】
ドーム形のグリッド４２、４４、４６を有する異方性熱分解グラファイトの使用を結合することによって驚くべき予期せぬ利点が与えられる。前述したように、ドーム形グリッドは好ましい実施形態では室温で間隔が約０．０３５インチで典型的に非常に近接している。構造の他の材料がドーム形にグリッドを製造するために使用されたとき、サービス温度まで加熱されたときのグリッドの歪は本発明の方法よりも遥かに大きくなり（約１０倍程）、０．０３５インチの室温での間隔は最終動作温度で約０．０１８インチまで減少する。したがって、隣接グリッドに接触または近接する可能性が大きく、電気的絶縁破壊または短絡による故障の危険性が大きくなり、開口の整列のオフセットのために通過するビームの静電気ベクトル化の可能性が大きくなる。この問題はイオンスラスタの動作が開始されたときに特に関係しており、定常状態の熱状態よりもグリッドギャップが近接する過渡的な熱状態が存在する。本発明の方法では、この問題は大きく緩和され、イオンスラスタの改良された信頼性と寿命が得られる。熱分解グラファイトのグリッドは本発明の方法においては熱的な過渡期に共にそれ程移動しないので、本発明により取付けられたスラスタはＯＦＦ状況から十分な推力へ瞬時に速度を変更することができることが期待される。他の構造材料では、イオンスラスタは典型的に１０分以上程度の期間に全開の推力（パワー）まで速度を上昇されなければならず、推力制御装置を複雑にする。
【００２８】
本発明は２組の２個のグリッドのイオン光学系アセンブリで実施される。
【００２９】
本発明の特定の実施形態を例示の目的で詳細に説明したが、種々の変更および強化が本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われよう。したがって、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲による以外には限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオンスラスタの概略図。
【図２】２つのドーム形のグリッドと３つのドーム形のグリッドとを示しているイオン光学系のグリッドの２つの実施形態の概略図。
【図３】可変の結晶方位の熱分解グラファイトから作られているドーム形グリッドの一部と、一定の結晶方位の熱分解グラファイトから作られているドーム形グリッドの一部を示しているグリッド構造の２つの実施形態の概略図。
【図４】異方性熱分解グラファイト構造の概略図。
【図１】
0003576979.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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