(57)【要約】      （修正有）【課題】大きな推力を得ることが可能なプラズマ加速装置及びプラズマ加速方法を提供する。【解決手段】プラズマ加速装置１００は、磁場生成体２と、磁場生成体２の中央領域Ｑを横断するように配置される供給路１であって、下流側に向けてプラズマを供給する供給路１と、磁場生成体２よりも下流側に配置されるカソード３と、カソード３よりも上流側に配置されるアノード４と、カソード３とアノード４との間に電圧Ｖａｃを印加する電圧印加装置５と、を備える。磁場生成体２は、磁場生成体２の中央領域Ｑに軸方向磁場Ｂｘを生成するとともに、磁場生成体２よりも下流側に径方向磁場Ｂｄを含む磁場を生成する。電圧印加装置５は、カソード３とアノード４との間に、電場Ｅｘを生成する。供給路１を介して供給されるプラズマは、カソード３から放出される電子ｅ−と、径方向磁場Ｂｄと、電場Ｅｘとの相互作用によって生成されるホール電場Ｅによって加速される。【選択図】図４
2015222705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ加速装置であって、
磁場生成体と、
前記磁場生成体の中央領域を横断するように配置される供給路であって、上流側から下流側に向けてプラズマを供給する供給路と、
前記磁場生成体よりも下流側に配置されるカソードと、
前記カソードよりも上流側に配置されるアノードと、
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圧印加装置と、
を備え、
前記磁場生成体は、前記磁場生成体の前記中央領域に軸方向磁場を生成するとともに、前記磁場生成体よりも下流側に径方向磁場を含む磁場を生成し、
前記電圧印加装置は、前記カソードと前記アノードとの間に、電場を生成し、
前記供給路を介して供給される前記プラズマは、前記カソードから放出される電子と、前記径方向磁場と、前記電場との相互作用によって生成されるホール電場によって加速される
プラズマ加速装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ加速装置において、
前記磁場生成体よりも下流側に配置される磁束収集体を、更に備え、
前記磁場生成体、及び、前記磁束収集体によって、前記径方向磁場が生成される
プラズマ加速装置。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ加速装置において、
前記磁場生成体及び前記磁束収集体によって、前記磁場生成体及び前記磁束収集体の下流側に、磁束密度が疎である領域が形成され、前記領域を通過する前記プラズマが下流側に向けて拡散される
プラズマ加速装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のプラズマ加速装置において、
前記磁束収集体は、複数の分割片で構成され、
前記複数の分割片は、前記供給路の周囲に等間隔で配置される
プラズマ加速装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置において、
前記磁束収集体は、ヨークに取り付けられる
プラズマ加速装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマ加速装置において、
前記ヨークは、前記磁束収集体よりも径外方向に延びる延設部を備える
プラズマ加速装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置において、
前記供給路の周囲に配置されるプラズマ生成アンテナを、更に備え、
前記プラズマは、前記軸方向磁場と前記プラズマ生成アンテナにより誘起される誘起電場との相互作用によって生成される無電極プラズマである
プラズマ加速装置。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマ加速装置において、
前記プラズマ生成アンテナは、ヘリカルアンテナであり、
前記無電極プラズマは、ヘリコンプラズマである
プラズマ加速装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載のプラズマ加速装置において、
前記磁場生成体と前記プラズマ生成アンテナとは、前記供給路の方向に、少なくとも一部分がオーバーラップしている
プラズマ加速装置。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置において、
前記供給路のうち、前記プラズマ生成アンテナが周囲に配置されている部分の直径は、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下である
プラズマ加速システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置において、
前記カソードは、微細孔を有するホローカソードである
プラズマ加速装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のプラズマ加速装置において、
前記供給路は、上流管と下流管を含み、
前記下流管の直径は、前記上流管の直径よりも大きい
プラズマ加速装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプラズマ加速装置において、
前記アノードは、前記下流管に設けられる
プラズマ加速装置。
【請求項１４】
プラズマ加速装置を用いてプラズマを加速するプラズマ加速方法であって、
前記プラズマ加速装置は、
磁場生成体と、
前記磁場生成体の中央領域を横断するように配置される供給路であって、上流側から下流側に向けてプラズマを供給する供給路と、
前記磁場生成体よりも下流側に配置されるカソードと、
前記カソードよりも上流側に配置されるアノードと、
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圧印加装置と、
を備え、
前記プラズマ加速方法は、
電子を前記カソードから放出する工程と、
前記磁場生成体により生成される径方向磁場に前記電子を捕捉させて、ホール電流を形成する工程と、
前記ホール電流と前記径方向磁場との相互作用により生成されるホール電場によって、前記供給路を介して供給される前記プラズマを加速する工程と
を備える
プラズマ加速方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ加速装置及びプラズマ加速方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙で使用される推進装置として、プラズマを加速して後方に放出し、その反力で推力を得る装置が知られている。特許文献１には、アーク放電により形成されたプラズマを、ノズルから排出することで推力を得る電気推進機が開示されている。特許文献２には、放電により生成された荷電粒子を、スクリーン電極及び加速電極を用いて、選択的に加速するイオンエンジンが開示されている。
【０００３】
また、推進装置として、ホール電流を利用したホールスラスタが知られている。図１に示されるように、ホールスラスタでは、カソードから供給される電子が、電場と磁場との相互作用により周方向にホール運動を行う（ホール電流を形成する）。このホール運動を行う電子が、推進剤を電離させて、プラズマを生成する。前記プラズマは電界により加速され、後方に放出される。
【０００４】
さらに、無電極プラズマ生成装置により生成された無電極プラズマを加速させる装置として、磁気ノズルによる加速装置、及び、回転電場又は回転磁場による加速装置（リサージュ加速装置）が知られている。ここで、無電極プラズマ生成装置は、プラズマの生成過程において、電極とプラズマとが直接接触することのないプラズマ生成装置と定義される。図２に示されるように、磁気ノズルでは、磁気コイルを用いて、プラズマを加速する。磁気コイルは、プラズマの熱エネルギーを、ノズル後方に向かう運動エネルギーに変換する。図３に示されるように、リサージュ加速装置では、回転電場（又は回転磁場）を用いて、プラズマを周方向に回転させる。そして、周方向に回転するプラズマ（ホール電流）と、磁気コイルの発散磁場との相互作用（ローレンツ力）により、プラズマを加速する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平５−４５７９７号公報（特許第１８３６６７４号）
【特許文献２】特許第４９２５１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
無電極プラズマを加速する際の課題について説明する。まず、磁気ノズルを用いて、無電極プラズマを加速する際の課題について説明する。無電極プラズマは、生成時に、数ｅＶ〜１０ｅＶの電子温度しか有していないため、電子温度すなわち熱エネルギーを運動エネルギーに変換しても、高い比推力が得られない。このため、無電極プラズマを加熱して、電子温度を上昇させることが考えられるが、エネルギー効率の観点から好ましくない。また、プラズマを加熱する際にプラズマを閉じ込めるために強力な磁場が必要になるとの課題もある。続いて、リサージュ加速装置を用いて、無電極プラズマを加速する際の課題について説明する。リサージュ加速装置においては、ホール電流を誘起する過程において、印加電場又は磁場をプラズマ中に十分浸透させる必要がある。しかし、プラズマの密度が高い場合、電場又は磁場は、プラズマの表面のみに印加され、プラズマの中心まで浸透せず、ホール電流を誘起することができない。よって、リサージュ加速装置では、プラズマ密度を高くすることができず、結果として、大きな推力を得ることができない。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、大きな推力を得ることが可能なプラズマ加速装置及びプラズマ加速方法を提供することにある。
【０００８】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。
【００１０】
本発明の１つの観点において、プラズマ加速装置（１００；２００；３００）は、磁場生成体（２）と、前記磁場生成体（２）の中央領域（Ｑ）を横断するように配置される供給路（１）であって、上流側から下流側に向けてプラズマを供給する供給路（１）と、前記磁場生成体（２）よりも下流側に配置されるカソード（３）と、前記カソード（３）よりも上流側に配置されるアノード（４）と、前記カソード（３）と前記アノード（４）との間に電圧（Ｖａｃ）を印加する電圧印加装置（５）と、を備える。前記磁場生成体（２）は、前記磁場生成体（２）の前記中央領域（Ｑ）に軸方向磁場（Ｂｘ）を生成するとともに、前記磁場生成体（２）よりも下流側に径方向磁場（Ｂｄ）を含む磁場を生成する。前記電圧印加装置（５）は、前記カソード（３）と前記アノード（４）との間に、電場（Ｅｘ）を生成する。前記供給路（１）を介して供給される前記プラズマは、前記カソード（３）から放出される電子（ｅ−）と、前記径方向磁場（Ｂｄ）と、前記電場（Ｅｘ）との相互作用によって生成されるホール電場（Ｅ）によって加速される。
【００１１】
上記プラズマ加速装置において、前記磁場生成体（２）よりも下流側に配置される磁束収集体（６）を、更に備えてもよい。また、前記磁場生成体（２）、及び、前記磁束収集体（６）によって、前記径方向磁場（Ｂｄ）が生成されてもよい。
【００１２】
上記プラズマ加速装置において、前記磁場生成体（２）及び前記磁束収集体（６）によって、前記磁場生成体（２）及び前記磁束収集体（６）の下流側に、磁束密度が疎である領域が形成され、前記領域を通過する前記プラズマが下流側に向けて拡散されてもよい。
【００１３】
上記プラズマ加速装置において、前記磁束収集体（６）は、複数の分割片（６−１〜６−ｎ）で構成されてもよい。また、前記複数の分割片（６−１〜６−ｎ）は、前記供給路（１）の周囲に等間隔で配置されてもよい。
【００１４】
上記プラズマ加速装置において、前記磁束収集体（６）は、ヨーク（６０）に取り付けられてもよい。
【００１５】
上記プラズマ加速装置において、前記ヨーク（６０）は、前記磁束収集体（６）よりも径外方向に延びる延設部（６１）を備えてもよい。
【００１６】
上記プラズマ加速装置において、前記供給路（１）の周囲に配置されるプラズマ生成アンテナ（１３）を、更に備えてもよい。また、前記プラズマは、前記軸方向磁場（Ｂｘ）と前記プラズマ生成アンテナ（１３）により誘起される誘起電場との相互作用によって生成される無電極プラズマであってもよい。
【００１７】
上記プラズマ加速装置において、前記プラズマ生成アンテナ（１３）は、ヘリカルアンテナであってもよい。また、前記無電極プラズマは、ヘリコンプラズマであってもよい。
【００１８】
上記プラズマ加速装置において、前記磁場生成体（２）と前記プラズマ生成アンテナ（１３）とは、前記供給路（１）の方向に、少なくとも一部分がオーバーラップしていてもよい。
【００１９】
上記プラズマ加速装置において、前記供給路（１）のうち、前記プラズマ生成アンテナ（１３）が周囲に配置されている部分（１１）の直径は、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であってもよい。
【００２０】
上記プラズマ加速装置において、前記カソード（３）は、微細孔を有するホローカソードであってもよい。
【００２１】
上記プラズマ加速装置において、前記供給路（１）は、上流管（１１）と下流管（１２）を含んでもよい。また、前記下流管（１２）の直径（ｄ２）は、前記上流管（１１）の直径（ｄ１）よりも大きくてもよい。
【００２２】
上記プラズマ加速装置において、前記アノード（４）は、前記下流管（１２）に設けられてもよい。
【００２３】
本発明の他の１つの観点において、プラズマ加速方法は、プラズマ加速装置を用いてプラズマを加速する方法である。プラズマ加速装置（１００；２００；３００）は、磁場生成体（２）と、前記磁場生成体（２）の中央領域（Ｑ）を横断するように配置される供給路（１）であって、上流側から下流側に向けてプラズマを供給する供給路（１）と、前記磁場生成体（２）よりも下流側に配置されるカソード（３）と、前記カソード（３）よりも上流側に配置されるアノード（４）と、前記カソード（３）と前記アノード（４）との間に電圧（Ｖａｃ）を印加する電圧印加装置（５）と、を備える。また、プラズマ加速方法は、電子（ｅ−）を前記カソード（３）から放出する工程と、前記磁場生成体（２）により生成される径方向磁場（Ｂｄ）に前記電子（ｅ−）を捕捉させて、ホール電流を形成する工程と、前記ホール電流と前記径方向磁場（Ｂｄ）との相互作用により生成されるホール電場（Ｅ）によって、前記供給路（１）を介して供給される前記プラズマを加速する工程を備える。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、大きな推力を得ることが可能なプラズマ加速装置及びプラズマ加速方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、従来のプラズマ加速装置であるホールスラスタの構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、従来のプラズマ加速装置である磁気ノズルの構成を模式的に示す図である。
【図３】図３は、従来のプラズマ加速装置であるリサージュ加速装置の構成を模式的に示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態のプラズマ加速装置の構成を模式的に示す図である。
【図５】図５は、第２の実施形態のプラズマ加速装置の構成を模式的に示す図である。
【図６】図６は、第３の実施形態のプラズマ加速装置の構成を模式的に示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、プラズマ生成アンテナの第１例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、プラズマ生成アンテナの第２例を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、プラズマ生成アンテナの第３例を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、プラズマ生成アンテナの第４例を示す図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、プラズマ生成アンテナの第５例を示す図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、プラズマ生成アンテナの第６例を示す図である。
【図８】図８は、図６のＡ−Ａ矢視断面図であり、磁束収集体（第２強磁性体）の分割片の配置を示す図である。
【図９】図９は、第３の実施形態のプラズマ加速装置において、アノードの位置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態に係るプラズマ加速装置、及び、プラズマ加速方法に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２７】
（座標系の定義）
図４、図５、及び、図６を参照して、座標系の定義を行う。Ｘ方向は、プラズマ加速装置１００、２００、３００の中心軸であるＸ軸の方向であり、＋Ｘ方向は、プラズマ加速装置１００、２００、３００の後ろ方向、すなわち、プラズマが放出される方向を意味する。φ方向は、前記Ｘ軸まわりの回転方向であり、＋φ方向は、＋Ｘ方向にみて時計回りを意味する。
【００２８】
（重要な用語の定義）
本実施の形態において、＋Ｘ方向の側を「下流側」と定義し、−Ｘ方向の側を「上流側」と定義する。また、「無電極プラズマ」は、無電極プラズマ生成装置で生成されたプラズマと定義する。「無電極プラズマ生成装置」は、プラズマの生成過程において、電極とプラズマとが直接接触することのないプラズマ生成装置と定義する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図４を参照して、第１の実施形態に係るプラズマ加速装置について説明する。図４は、第１の実施形態のプラズマ加速装置の構成を模式的に示す図である。
【００３０】
１．プラズマ加速装置１００の構成
プラズマ加速装置１００は、プラズマの供給路１、磁気コイル２、カソード３、アノード４、電圧印加装置５を備える。供給路１は、上流側から下流側に向かってプラズマを供給する流路である。供給路１の上流部は、例えば、プラズマ供給管によって構成される。なお、プラズマ供給管は、断面円形の管であることが好ましい。供給路１の下流部は、例えば、プラズマ供給管よりも下流側の空間である。また、供給路１を介して供給されるプラズマは、好ましくは、無電極プラズマ生成装置によって生成される無電極プラズマである。磁気コイル２は、供給路１を囲むように配置される。換言すれば、供給路１は、磁気コイル２の中央領域Ｑを横断する。ここで、磁気コイル２の中央領域Ｑとは、磁気コイル２の内径の内側の空洞領域（図４において破線で囲まれた領域）を意味する。なお、磁気コイルの中心軸Ｓは、Ｘ軸と一致することが好ましい。磁気コイル２は、コイルの中央領域Ｑに、コイルの中心軸Ｓに沿う軸方向磁場Ｂｘを生成する。前記軸方向磁場Ｂｘは、下流側で、前記中心軸Ｓから遠ざかる方向に拡散される。拡散された磁場は、前記中心軸Ｓから放射状に拡がる径方向磁場Ｂｄを含む。なお、磁気コイル２は、軸方向磁場Ｂｘ及び径方向磁場Ｂｄを生成する第１強磁性体（図示せず）に置換することが可能である。磁気コイル２と第１強磁性体とは、磁場（軸方向磁場及び径方向磁場）を生成する磁場生成体（軸方向磁場及び径方向磁場生成体）であるといえる。カソード３は、電子を放出する。カソード３は、好ましくは、微細孔を備えたホローカソードである。アノード４は、カソード３の上流側に配置される。電圧印加装置５は、カソード３とアノード４との間に印加電圧Ｖａｃを印加して、Ｘ軸方向の電場Ｅｘを生成する。
【００３１】
２．プラズマ加速装置１００の作動原理
次に、プラズマ加速装置１００の作動原理について説明する。
（１）磁気コイル２を作動させることにより、磁気コイル２の中央領域Ｑには、軸方向磁場Ｂｘが生成される。また、磁気コイル２を作動させることにより、磁気コイル２の下流側には、径方向磁場Ｂｄを含む磁場が生成される。代替的に、軸方向磁場Ｂｘ及び径方向磁場Ｂｄは、第１強磁性体によって生成されてもよい。
（２）電圧印加装置５による電圧印加により、カソード３とアノード４との間には、Ｘ軸方向の電場Ｅｘが生成される。また、カソード３からは、電子ｅ−が放出される。
（３）供給路１を介してプラズマが供給される。
（４）供給路１を介して供給されるプラズマ（特に、陽イオンＰ＋）は、カソード３から放出される前記電子ｅ−と、前記径方向磁場Ｂｄと、前記電場Ｅｘとの相互作用により生成されるホール電場Ｅによって、下流側に向かって加速される。なお、ホール電場Ｅによる加速のメカニズムの概要は下記（４ａ）（４ｂ）（４ｃ）のとおりである。
（４ａ）径方向磁場Ｂｄ及び電場Ｅｘの存在する領域に向けて、カソード３から電子ｅ−が放出される。放出された電子ｅ−は、径方向磁場Ｂｄに捕捉されて、ホール運動する。電子ｅ−のホール運動により、ホール電流が生成される。換言すれば、カソード３から放出される電子ｅ−は、径方向磁場Ｂｄと電場Ｅｘとの相互作用により、ホール電流（例えば、中心軸Ｓのまわりを-φ方向に回転する電流）を生成する。
（４ｂ）ホール電流と径方向磁場Ｂｄとの相互作用（ホール効果）によりホール電場Ｅが生成される。
（４ｃ）ホール電場Ｅの存在下において、供給路１を介してプラズマが供給される。前記プラズマは、電離した陽イオンＰ＋と電子ｅ−を含む。電離した電子ｅ−の一部は、アノード４に捕捉される。電離した電子ｅ−の一部は、径方向磁場Ｂｄに捕捉されて、前記ホール電流を強化する。電離した陽イオンＰ＋は、ホール電場Ｅにより、下流側に向けて加速される。なお、カソード３とアノード４との間に生成されるＸ軸方向の電場Ｅｘも、プラズマ（陽イオンＰ＋）の加速を補助する。
（５）加速された陽イオンＰ＋の一部は、カソードから放出される電子ｅ−の一部と衝突し、電気的に中和された状態で、プラズマ加速装置１００の下流側に放出される。加速された陽イオンＰ＋の一部は、クーロン力により、カソードから放出される電子ｅ−の一部を引き付け、当該電子ｅ−を伴って、プラズマ加速装置１００の下流側に放出される。
【００３２】
３．効果
プラズマ加速装置１００の下流側に放出される粒子（陽イオンＰ＋と電子ｅ−との衝突により生成される粒子）又はプラズマは、電気的に中性の粒子又は電気的に中性のプラズマ（電子ｅ−とともに放出される陽イオンＰ＋）である。よって、プラズマ加速装置１００は、電気的に概ね中性の状態が維持されるため、空間電荷制限（ある電極間に電位差を加えてイオンを加速する場合、流すことのできる電流密度の上限）の影響を受けない。このため、第１の実施形態におけるプラズマ加速装置１００は、大推力化が可能である。
【００３３】
また、第１の実施形態におけるプラズマ加速装置１００は、リサージュ加速装置のように、回転電場又は回転磁場を用いるものではない。よって、密度の高い無電極プラズマを供給路１を介して供給する場合であっても、無電極プラズマを有効に加速することが可能である。このため、第１の実施形態におけるプラズマ加速装置１００は、大推力化が可能である。
【００３４】
（第２の実施形態）
図５を参照して、第２の実施形態に係るプラズマ加速装置について説明する。図５は、第２の実施形態のプラズマ加速装置の構成を模式的に示す図である。
【００３５】
第２の実施形態において、第１の実施形態と同じ構成要素については、同じ図番を用いている。第２の実施形態のプラズマ加速装置２００は、第２強磁性体６（磁束の通路を形成する磁気回路）を備える点で、第１の実施形態のプラズマ加速装置１００と異なる。磁気コイル２（又は第１強磁性体）の下流側に配置される第２強磁性体６の具体的位置は任意である。なお、第２強磁性体６は、磁気コイル２（又は第１強磁性体）の下流側に、磁気コイル２（又は第１強磁性体）に隣接して配置されることが好ましい。ここで、「隣接」とは、磁気コイル２（又は第１強磁性体）と第２強磁性体６とが接する状態（距離がゼロの状態）から、磁気コイル２（又は第１強磁性体）と第２強磁性体６とが１００ｍｍ離間する状態までの範囲を意味する。また、第２強磁性体６は、供給路１の周囲に、環状（リング状）に配置されることが好ましい。
【００３６】
第２強磁性体６は、磁気コイル２（又は第１強磁性体）の下流側の磁束を集め、強力な径方向磁場Ｂｄを形成する。このため、第１の実施形態と比較して、形成されるホール電流、及び、ホール電場Ｅが強化される。その結果、ホール電場Ｅによるプラズマの加速が強化される。
【００３７】
本実施形態の作動原理は、第１の実施形態の作動原理と同様である。
【００３８】
本実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を奏するのに加え、第１の実施形態のプラズマ加速装置と比較して、更なる大推力化が可能である。
【００３９】
（第３の実施形態）
図６を参照して、第３の実施形態に係るプラズマ加速装置について説明する。図６は、第３の実施形態のプラズマ加速装置の構成を模式的に示す図である。
【００４０】
第３の実施形態において、第１の実施形態と同じ構成要素については、同じ図番を用いている。
【００４１】
１．プラズマ加速装置３００の構成
プラズマ加速装置３００は、プラズマの供給路１、磁気コイル２（又は第１強磁性体）、カソード３、アノード４、電圧印加装置５、第２強磁性体６（磁束の通路を形成する磁気回路）を備える。
【００４２】
（プラズマの供給路１）
供給路１は、上流側から下流側に向かってプラズマを供給する流路である。供給路１の上流部は、例えば、上流管１１によって構成される。供給路１の下流部は、例えば、下流管１２によって構成される。上流管１１及び下流管１２は、断面円形の管であることが好ましい。上流管１１の上流からは、推進剤（例えば、アルゴンガス、キセノンガス）が供給される。また、上流管１１の周囲には、推進剤をプラズマ化するためのアンテナ１３が配置されている。アンテナ１３は、例えば、ヘリカルアンテナである。ヘリカルアンテナに高周波電流を流すと電場が誘起される。後述の磁気コイル２によって生成される軸方向磁場Ｂｘと前記電場との相互作用によりヘリコン波が発生する。ヘリコン波を発生させるために、アンテナ１３は、磁気コイル２の内部に挿入されていることが好ましい。換言すれば、前記磁気コイル２と前記アンテナ１３とは、供給路１の方向（好ましくは、供給路１の方向とＸ軸の方向とは一致する。）に、少なくとも一部分がオーバーラップしていることが好ましい。ヘリコン波は、推進剤に作用して、ヘリコンプラズマを生成する。生成されたヘリコンプラズマは、下流管１２に供給される。なお、上流管１１及び下流管１２は、絶縁材料で形成することが好ましい。絶縁材料としては、例えば、ホトベール（登録商標）を用いることができる。また、上流管１１の内径ｄ１は、電界及び軸方向磁場Ｂｘを作用させて、推進剤を電離させるために、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４３】
（アンテナ１３の例）
アンテナ１３としては、種々の形態のアンテナを採用し得る。図７Ａは、アンテナの第１例を示す。第１例のアンテナは、ループアンテナである。図７Ｂは、アンテナの第２例を示す。第２例のアンテナは、Ｂｏｓｗｅｌｌアンテナである。図７Ｃは、アンテナの第３例を示す。第３例のアンテナは、サドル型アンテナである。図７Ｄは、アンテナの第４例を示す。第４例のアンテナは、名古屋タイプ３型アンテナである。当該アンテナでは、４個のコイル電流間の位相を変えることにより複数のモードの選択が可能である。図７Ｅは、アンテナの第５例を示す。第５例のアンテナは、ヘリカルアンテナである。図７Ｆは、アンテナの第６例を示す。第６例のアンテナは、スパイラル型アンテナである。当該アンテナは、大口径のプラズマ供給路に適用可能である。
【００４４】
（磁気コイル２）
磁気コイル２は、供給路１を囲むように配置される。換言すれば、供給路１は、磁気コイル２の中央領域Ｑを横断する。ここで、磁気コイル２の中央領域Ｑとは、磁気コイル２の内径の内側の空洞領域（図６において破線で囲まれた領域）を意味する。なお、磁気コイル２の中心軸Ｓは、Ｘ軸と一致することが好ましい。好ましくは、磁気コイル２の内周面は、上流管１１及び／又は下流管１２の外周面に対向配置される。磁気コイル２は、支持部材２１によって支持される。磁気コイル２は、コイルの中央領域Ｑに、中心軸Ｓに沿う軸方向磁場Ｂｘを形成する。前記軸方向磁場Ｂｘは、磁気コイル２及び第２強磁性体６の下流側で、前記中心軸Ｓから遠ざかる方向に拡散される。すなわち、磁気コイル２は、推進剤をプラズマ化するための軸方向磁場Ｂｘを提供するとともに、ホール電場を形成するための径方向磁場Ｂｄを提供する。なお、磁気コイル２及び第２強磁性体６の下流側で磁場を拡散させるために、下流管１２の内径ｄ２は、上流管１１の内径ｄ１よりも大きいことが好ましい。なお、磁気コイル２は、軸方向磁場Ｂｘ及び径方向磁場Ｂｄを生成する第１強磁性体（図示せず）に置換することが可能である。
【００４５】
（第２強磁性体６（磁束の通路を形成する磁気回路））
第２強磁性体６は、磁気コイル２（又は第１強磁性体）よりも下流側に配置される。第２強磁性体６は、下流管１２の周囲に配置される（下流管１２を囲むように配置される）ことが好ましい。第２強磁性体６は、磁気コイル２（又は第１強磁性体）の下流側に、磁気コイルに隣接して配置されることが好ましい。また、第２強磁性体６は、供給路１の周囲に、環状（リング状）に配置されることが好ましい。第２強磁性体６は、磁気コイル２（又は第１強磁性体）及び第２強磁性体６の下流側の磁束を集め、強力な径方向磁場Ｂｄを形成する。すなわち、第２強磁性体６は、磁束収集体であるといえる。このため、第１の実施形態と比較して、形成されるホール電流、及び、ホール電場Ｅが強化される。その結果、ホール電場Ｅによるプラズマの加速が強化される。なお、図８（図６のＡ−Ａ矢視断面図）に示されるように、第２強磁性体６は、複数の分割片６−１、６−２、・・・、６−ｎで構成されてもよい。そして、複数の分割片６−１、６−２、・・・、６−ｎは、供給路１の周囲に等間隔で配置される。図８の例では、分割片の個数は１６であるが、この例に限定されない。第２強磁性体６を複数の分割片で構成することにより、第２強磁性体６の製造コストが低減される。なお、第２強磁性体６は、例えば、ネオジム磁石である。
【００４６】
第２強磁性体６は、ヨーク６０に取り付けられる。ヨーク６０は、磁気コイル２（又は第１強磁性体）を支持する支持部材２１に取り付けられる。ヨーク６０の材質は、例えば、軟鉄である。前記ヨーク６０は、第２強磁性体６よりも外方（径外方向）に延びる延設部６１を備える。延設部６１の形状は、例えば、平板リング形状である。延設部６１を備えることにより、磁気コイル２（又は第１強磁性体）及び第２強磁性体６の下流側の磁束を、より強力に集めることができる。なお、延設部６１の材質は、例えば、軟鉄である。
【００４７】
磁気コイル２（又は第１強磁性体）及び第２強磁性体６（磁気回路）によって、磁気コイル２（又は第１強磁性体）及び第２強磁性体６の下流側（より具体的には、ホール電流の円形の電流路の中央部）に、磁束密度が疎である領域（カスプ磁場）が形成される。
【００４８】
（カソード３）
カソード３は、電子を放出する。カソード３は、好ましくは、微細孔を備えたホローカソードである。ホローカソードは、化学物質であるインサートを備えていてもよい。このインサートをヒーターにより高温に熱すると，インサートは熱電子を放出する。放出された熱電子はホローカソード内に供給される作動ガスと電離衝突し、ホローカソード内でプラズマを発生させる。カソードの出口に、正電極を配置すると、プラズマの中から電子がカソード外に放出される。
【００４９】
（アノード４）
アノード４は、カソード３の上流側に配置される。前記アノード４は、前記磁気コイル２（又は第１強磁性体）の下流端よりも上流側に配置されてもよい。また、前記アノード４は、前記磁気コイル２（又は第１強磁性体）の上流端よりも下流側に配置されてもよい。なお、アノード４を配置する具体的な位置としては、下流管１２の内側で下流管１２の上流側端部が好ましい。すなわち、アノード４を、上流管１１と下流管１２との間の内径拡大部に設置することが好ましい。ただし、アノード４を設ける位置は、上記の例に限定されない。アノード４は、下流管１２のどの位置に設けてもよい。例えば、図９に示されるように、下流管１２の下流側端部に設けてもよい。また、アノード４の材質は、例えば、銅である。
【００５０】
２．プラズマ加速装置３００の作動原理
次に、プラズマ加速装置３００の作動原理について説明する。
（１）磁気コイル２を作動させることにより、磁気コイル２の中央領域Ｑには、軸方向磁場Ｂｘが生成される。また、磁気コイル２を作動させることにより、磁気コイル２及び第２強磁性体６の下流側には、径方向磁場Ｂｄを含む磁場が生成される。代替的に、軸方向磁場Ｂｘ及び径方向磁場Ｂｄは、第１強磁性体及び第２強磁性体６によって生成されてもよい。
（２）電圧印加装置５による電圧印加により、カソード３とアノード４との間には、Ｘ軸方向の電場Ｅｘが生成される。また、カソード３からは、電子ｅ−が放出される。
（３）上流管１１に推進剤（例えば、アルゴンガス、キセノンガス）が供給される。
（４）アンテナ１３に高周波電流を印加することにより電場が誘起される。磁気コイル２（又は第１強磁性体）により生成される軸方向磁場Ｂｘと前記電場との相互作用により、ヘリコン波が発生する。
（５）ヘリコン波が、上流管１１に供給された推進剤に作用することにより、推進剤がプラズマ化される。
（６）プラズマ化した推進剤（無電極プラズマ）は、上流管１１から下流管１２に向けて供給され、さらに、下流管１２の下流側に放出される。
（７）放出された無電極プラズマ（供給路１を介して供給される無電極プラズマ、特に、無電極プラズマを構成する陽イオンＰ＋）は、カソード３から放出される前記電子ｅ−と、前記径方向磁場Ｂｄと、前記電場Ｅｘとの相互作用により生成されるホール電場Ｅによって、下流側に向かって加速される。なお、ホール電場Ｅによる加速のメカニズムの概要は下記（７ａ）（７ｂ）（７ｃ）のとおりである。
（７ａ）径方向磁場Ｂｄ及び電場Ｅｘの存在する領域に向けて、カソード３から電子ｅ−が放出される。放出された電子ｅ−は、径方向磁場Ｂｄに捕捉されて、ホール運動する。電子ｅ−のホール運動により、ホール電流（例えば、中心軸Ｓのまわりを-φ方向に回転する電流）が生成される。換言すれば、カソード３から放出される電子ｅ−は、径方向磁場Ｂｄと電場Ｅｘとの相互作用により、ホール電流を生成する。
（７ｂ）ホール電流と径方向磁場Ｂｄとの相互作用（ホール効果）によりホール電場Ｅが生成される。
（７ｃ）ホール電場Ｅの存在下において、供給路１を介して無電極プラズマが供給される。前記無電極プラズマは、電離した陽イオンＰ＋と電子ｅ−を含む。電離した電子ｅ−の一部は、アノードに捕捉される。電離した電子ｅ−の一部は、径方向磁場Ｂｄに捕捉されて、前記ホール電流を強化する。電離した陽イオンＰ＋は、ホール電場Ｅにより、下流側に向けて加速される。なお、カソード３とアノード４との間に生成されるＸ軸方向の電場Ｅｘも、プラズマ（陽イオンＰ＋）の加速を補助する。
（８）加速された陽イオンＰ＋の一部は、ホール電流を形成する電子ｅ−と衝突し、電気的に中和された状態で、プラズマ加速装置３００の下流側に放出される。加速された陽イオンＰ＋の一部は、クーロン力により、ホール電流を形成する電子ｅ−を引き付け、当該電子ｅ−を伴って、プラズマ加速装置３００の下流側に放出される。
（９）なお、前記陽イオンＰ＋は、磁束密度が疎である領域（カスプ磁場）を通過するため、磁束による拘束から解放される。このため、陽イオンＰ＋は、プラズマ加速装置３００の下流側に向けて、良好に拡散放出される。
【００５１】
３．効果
本実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を奏するのに加え、以下の効果を奏する。第１に、第２強磁性体の存在によって、ホール電場が強化されるために、更なる大推力化が可能である。第２に、プラズマとして、ヘリコンプラズマを用いるので、プラズマの高密度化が可能である。このため、更なる大推力化が可能である。第３に、磁気コイル２（又は第１強磁性体）は、プラズマ生成用の軸方向磁場Ｂｘを形成するとともに、ホール電流生成用の径方向磁場Ｂｄを形成する。すなわち、１つの磁気コイル２（又は第１強磁性体）を用いて、プラズマの生成とプラズマの加速とを行うため、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００５２】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施の形態で用いられる種々の技術は、技術的矛盾が生じない限り、他の実施の形態にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１        ：プラズマの供給路
２        ：磁場生成体（磁気コイル）
３        ：カソード
４        ：アノード
５        ：電圧印加装置
６        ：磁束収集体（第２強磁性体）
６−１〜６−ｎ：分割片
１１      ：上流管
１２      ：下流管
１３      ：アンテナ
２１      ：支持部材
６０      ：ヨーク
６１      ：延設部
１００    ：プラズマ加速装置
２００    ：プラズマ加速装置
３００    ：プラズマ加速装置
Ｂｄ      ：径方向磁場
Ｂｘ      ：軸方向磁場
Ｅ        ：ホール電場
Ｅｘ      ：電場
Ｑ        ：磁気コイルの中央領域
Ｓ        ：磁気コイルの中心軸
Ｖａｃ    ：印加電圧
ｄ１      ：内径
ｄ２      ：内径
ｅ−        ：電子
Ｐ＋        ：陽イオン
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８】
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【図９】
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