(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が開いている放電容器（２）と、前記放電容器（２）内でイオン化すべきガスを前記放電容器（２）内に排出するガス入口（１０）と、前記ガス入口（１０）に結合されガスをイオン化するガス源（９）と、前記放電容器（２）内にあるガスをイオン化する高周波交番電磁界を発生させるための、前記放電容器（２）を包囲するコイル（３）及び前記コイル（３）に接続された高周波発生器（４）と、前記放電容器（２）の開放端部に配置され加速電圧源（１２）に接続された加速格子（１１）と、を備える高周波イオン源であって、
前記放電容器（２）が縦断面内において、開放端部（５）に対向する平らな端部（６）と、開放端部（５）に対向する端部（６）の方へ除々に細くなる円錐形部分（８）と、開放端部（５）の方へ向いた筒状部分（７）と、を有し、前記コイル（３）が前記円錐形部分（８）と前記筒状部分（７）とを少なくとも部分的に包囲していることを特徴とする高周波イオン源。
【請求項２】
前記ガス入口（１０）が前記開放端部（５）に対向する端面（１６）内で前記放電容器（２）に通じていることを特徴とする請求項１に記載の高周波イオン源。
【請求項３】
コイル（３）が単層巻きのコイルとして形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波イオン源。
【請求項４】
前記放電容器が、０．５MHz 乃至１００MHz の範囲でほとんど高周波損失のない電気的に不伝導性の材料からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の高周波イオン源。
【請求項５】
放電容器（２）が、導電性材料からなるハウジング（１５）により包囲されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の高周波イオン源。
【請求項６】
前記ハウジング（１５）が放電容器（２）に適合した形状であることを特徴とする請求項５に記載の高周波イオン源。
【請求項７】
前記ハウジング（１５）が筒状形状又は円錐状／筒状形状を有することを特徴とする請求項８に記載の高周波イオン源。
【請求項８】
前記ハウジング（１５）が放電容器（２）を１乃至４cmの間隔をおいて包囲していることを特徴とする請求項６又は７に記載の高周波イオン源。
【請求項９】
前記コイルが０．５MHz 乃至５MHz の共振周波数で励磁されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の高周波イオン源。
【請求項１０】
高周波発生器（４）がフェーズロックドループ（ＰＬＬ）制御回路を備えることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の高周波イオン源。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一項に記載の高周波イオン源において、コイル（３）が、放電容器（２）の放電をおこす前に並びに加速格子（１１）への加速電圧を加えることなく、放電をおこした後のエンジンの空転時に、並びに加速電圧源（１２）によるイオンの加速による推進中にも共振で作動されることを特徴とする高周波イオン源の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一端が開口している放電容器と、前記放電容器内でイオン化すべきガス用の前記放電容器内につながるガス入口と、前記ガス入口に結ばれた前記イオン化すべきガスの源と、前記放電容器を包囲する高周波コイルと、前記放電容器内にあるガスをイオン化する高周波電磁交番磁界を発生させるための前記高周波コイルに接続された高周波発生器と、前記放電容器の開放端部に配置された加速電圧源に接続された加速格子とを備える高周波イオン源及び高周波イオン源の作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波イオン源は宇宙航行において宇宙機のエンジンとして利用されている。本出願人は、高周波イオンエンジンを開発した。この高周波イオンエンジンは、一端が開いている放電容器及びこの放電容器内に通じている、前記放電容器内でイオン化すべきガス用のガス入口と、このガス入口に連絡しているイオン化すべきガスの源と、放電容器内にあるガスをイオン化する高周波の電磁交番磁界を発生させるための、放電容器に接続された高周波発生器と、放電容器の開放端部に配置され、加速電圧源に接続された加速格子を含む。名称ＲＩＴ(Radiofrequency ion Thruster ）で知られている、前記高周波イオンエンジンの場合、電気的に不伝導性の材料からなる放電容器内で、放電容器を包囲する高周波コイルによって高周波電磁界が発生せしめられ、この高周波電磁界は放電容器内にある燃料、好ましくはキセノン等の希ガスをイオン化する。そのとき放電をおこさせるために、外部の電子源から供給された自由電子が高周波電磁界によって加速され、中性燃料、即ち希ガス原子と衝突せしめられる。各衝突時に中性原子から電子が取り除かれ、原子はプラスにイオン化される。自由な電子は再び加速され、その他の中性の原子と衝突せしめられ、それによってイオン化の過程が進行し、イオン、電子及び中性燃料からなるプラズマが生ずる。プラズマ中のイオンの部分は高周波電磁界により供給される出力によって決定される。放電は、おきると独力で維持され、その他の電子の供給は必要ではない。推力は加速電圧源によって加速格子にかけられた電圧によって生ぜしめられ、そのとき、加速電圧によって生じた電界によって加速格子の近くの放電容器内にあるイオンが集束したイオンビームを形成しながら加速される。一般にエンジンのマイナスチャージ(negative Aufladung) を避けるために推進駆動中イオンビームに電子を供給する、ニュートライザー(Neutralisator) が利用される。
【０００３】
前記のような高周波イオンエンジンにおいて、従来、筒状形状の放電容器が利用された。この場合、イオン化すべきガス用ガス入口は、放電容器の開放端部に対向する平らなまたは僅かに円錐状に形成された円筒の端面に位置している。対向する端面に上記した加速格子がイオンビームを加速するために設けられている。この加速格子は２枚乃至３枚の導電性の材料からなる薄いプレートからなり、このプレートにはイオンを集束し加速する抽気路が形成されるように配置された多数の孔が設けられている。加速格子を形成するプレートは抽気領域において平らかまたは僅かに湾曲している。この既知の形態の場合、高周波コイルは放電容器の筒状部分を包囲している。
【０００４】
上記の高周波イオンエンジンは例えばＥＰ０５６０７４２で知られている。アナログ装置はＥＰ０５３７１２３、ＤＥ２６３３７７８及び日本特許出願（特開平）２−２３０９７１に記載されている。米国特許５１７０６２３はハイブリッド駆動システムを公表している。このハイブリッド駆動装置は燃料駆動部と電磁駆動部の組合わせによって形成されている。その場合通常のロケット燃焼エンジンの燃焼ガスは、さらに、ロケットエンジンのガス膨張ノズル(Entspannungsduese) の領域において電磁コイルを用いて加速される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、改良された高周波イオン源を作りだすことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は請求項１に記載の高周波イオン源によって解決される。
【０００７】
本発明の有利なその他の構成は請求項２乃至１０に記載されている。
【０００８】
請求項１１は本発明による高周波イオン源の好ましい作動方法に関する。
【０００９】
本発明により、一端が開いている放電容器と、前記放電容器内でイオン化すべきガス用の前記放電容器内につながるガス入口と、前記ガス入口に結ばれた前記イオン化すべきガスの源と、前記放電容器を包囲する高周波コイルと、前記放電容器内にあるガスをイオン化する高周波電磁交番磁界を発生させるための、前記高周波コイルに接続された高周波発生器と、前記放電容器の開放端部に配置された加速電圧源に接続された加速格子とを備える高周波イオン源が作り出される。本発明によれば、前記放電容器が縦断面内で前記開放端部に対向する端部の方へ除々に細くなるテーパ形状を有し、前記高周波コイルが放電容器をその除々に細くなる領域において少なくとも部分的に包囲している。
【００１０】
本発明の高周波イオン源の構成は幾つかの本質的な利点を有する。一つの利点はこの高周波イオン源がより少ない重量で放電容器のより高い機械的強度を有することである。さらに別の利点は、ガス入口の領域においてコイルの直径が小さいので、ガス入口の領域においてより高い電界強度が得られ、それ故燃料のイオン化はより良く、質量作用の程度はより高いことである。さらに別の利点は加速格子の領域において容器半径にわたるプラズマ密度の均等な分配であり、それ故イオン流のより高度の抽出可能性とより高い推力である。その他の利点は、壁損失、即ちイオンの壁損失の減少である。イオンは、放電容器の容積に対して壁面がより少ないので、加速されずに壁上で中性化される。さらに別の利点は、加速格子領域において内壁の同一面及び同一直径において放電容器をより長く構成することができ、その結果ガス入口と加速格子の間の進路はより長くなり、それ故燃料原子のイオン化の確率がより大きいことである。最後に本発明の構成において、中間部の直径がより小さく、それ故コイルの導線の長さがより短いので、高周波コイルは、放電容器の長さが同じとき放電容器の筒状形とは対照的により少ない抵抗損失を有することである。
【００１１】
本発明の有利な構成により、放電容器が縦断面において円錐形状を有する高周波イオン源が提供される。
【００１２】
本発明の別の有利な構成により、放電容器が、縦断面において前記開放端部の方へ向いた筒状部分と前記開放端部に対向する端部の方へ向いた円錐形部分を有する円錐／円筒形を有する高周波イオン源が提供される。
【００１３】
本発明の別の有利な構成により、放電容器が、縦断面において、円錐形を有する高周波イオン源が提供される。
【００１４】
本発明の有利な構成により、放電容器が、縦断面においてだんだんと大きくなる曲率で除々に細くなるノズル形を有する高周波イオン源が提供される。
【００１５】
本発明の有利な実施の形態により、放電容器が、開放端部に対向する端部が平らな、僅かに湾曲した又は円錐状の端面を有する高周波イオン源が提供される。
【００１６】
有利に、ガス入口が開放端部に対向する端面内で放電容器に通じている高周波イオン源が提供される。
【００１７】
本発明の有利な構成により、高周波コイルが単層巻きの(einlagige) コイルとして形成されている高周波イオン源が提供される。
【００１８】
有利に、本発明によって、放電容器は、０．５MHz 乃至１００MHz の範囲で少ない高周波損失を有する電気的に不伝導性の材料、特に石英、酸化アルミニウム、その他のセラミック、ヴェスペル（ＤＵＰＯＮ社製、商標名：Ｖｅｓｐｅｌ）、窒化硼素又はマコール（Ｇｏｏｄｆｅｌｌｏｗ社製、商標名：Ｍａｃｏｒ）からなる。
【００１９】
有利に、本発明によって、放電容器は、導電性材料、特に金属からなるハウジングにより包囲されている。
【００２０】
有利に、ハウジングは、放電容器に適合した形状を有する。
【００２１】
有利に、ハウジングは、筒状形状又は円錐状／筒状形状を有する。
【００２２】
有利な構成により、ハウジングは、放電容器を１乃至４cmの間隔をおいて包囲している高周波イオン源が提供される。
【００２３】
有利な構成により、高周波コイルは、０．５MHz 乃至５MHz の共振周波数で励磁される。
【００２４】
有利に、高周波発生器は、フェーズロックドループ（ＰＬＬ）制御回路を備える。
【００２５】
さらに、本発明により、前記の技術の高周波イオン源の駆動方法が提供される。この方法においては、高周波コイルは、放電容器内で放電をおこす前に並びに加速格子への加速電圧を加えることなく、放電をおこした後のエンジンの空転時に、並びに加速格子によるイオンの加速による推進中にも共振で作動される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例を図面を用いて詳しく説明する。
図面において、
図１は、既知の技術によるイオンエンジンの形態の高周波イオン源の機能を説明するための、ブロック図の略図である。
図２は、本発明の実施例の高周波イオン源の放電容器を示す横断面図である。
【００２７】
図１を用いて、先ずイオンエンジンの形態の高周波イオン源について、主な構造及び機能を説明する。符号１で全体を示す高周波イオン源は、図１にその従来の筒状の形態を示す放電容器２を含む。放電容器２は開放端部５とこの開放端部と対向する閉じられた端部６を有する。放電容器２は高周波コイル３により包囲され、この高周波コイル３は高周波発生器４に接続されている。高周波発生器４は約０．５MHz から５MHz までの範囲の高周波を、典型的に８００kHz より小さな高周波を提供し、またフェーズロックドループ（ＰＬＬ）制御回路を備える。放電容器２は、約０．５MHz 乃至１００MHz の広い周波数範囲においてほとんど高周波損失のない、電気的に不伝導性の材料からなる。この材料は石英、酸化アルミニウム、他のセラミック、ヴェスペル(商標名：Ｖｅｓｐｅｌ)、窒化硼素又はマコール(商標名：Ｍａｃｏｒ) 、またはその他の適当な材料である。高周波コイル３は、高周波発生器４内にまたはその外に配置されるコンデンサと共に直列又は並列の共振回路を形成する。高周波コイル３の片側は質量に結合されているか或いは質量から絶縁されて駆動される。高周波コイル３と高周波発生器４は、放電容器内にあるガスをイオン化する、高周波の交番電磁界を発生させる役目をする。
【００２８】
放電容器２の開放端部５に加速電圧源１２に接続された加速格子１１が配置されている。この加速電圧源１２は例えば−２５０Ｖの加速電圧を提供する。加速格子１１は典型的に２枚のまたは３枚の電気的伝導性の材料、特に多数の孔を有する金属からなる薄いプレートからなる。前記薄いプレートの孔は、それらの孔が前記薄いプレートが組付けられた状態で抽気路を形成する。抽気路内で放電容器２内において発生したイオンが加速され，集束される。加速格子１１を形成する板は抽気領域において平らか又は僅かに湾曲している。更に陽極電圧源２１が設けられており、この陽極電圧源は例えば＋１２００Ｖの陽極電圧を提供する。
【００２９】
放電容器２内でイオン化すべきガスは、放電容器２の開放端部５に対向する閉じられた端部６にあるガス入口１０を介して放電容器２に供給される。好ましくはキセノン等の希ガスであるガスはガス貯蔵器９内に貯蔵され、調整ユニット９ａ及び流量調整ユニット２０を介してガス入口１０に供給される。ガス入口１０内にガス貫流を量を予定の値に制限するための流量制限器１７がある。流量調整ユニット２０からのイオン化すべきガスの供給は、ガス入口１０内の絶縁体１８を介して行われる。
【００３０】
イオンエンジン用燃料として使われる、放電容器２に送られたガスは、イオン化され、同時に最初に高周波コイル３によって発生せしめられた高周波電磁界によって放電容器２内で自由電子が加速され、ガスの中性原子と衝突せしめられる。衝突の際中性原子から電子が取り除かれ、前記中性原子はプラスに帯電され、その結果、イオンが発生する。そのとき自由になる電子は再び加速され、他のガス原子と衝突せしめられる。それによってイオン化の過程がひき起こされ、イオン、電子及び中性ガスからなるプラズマが生ぜしめられる。プラズマ中のイオンの部分は高周波出力として高周波発生器４により供給する出力によって決定される。放電容器２内で放電及びプラズマの発生が一度始まると前記放電及びプラズマの発生は独力で維持され、それ以上の外からの電子の供給は必要ではない。イオン化の過程の始めに放電をおこすための自由電子は外部の電子源から供給される。図示のイオンエンジンの場合、この目的のためにニュートライザー１９が利用される。このニュートライザー１９は加速格子１１の裏側に備えられ、イオンエンジンの推進駆動中エンジンのマイナスチャージを避けるためにイオンビーム中に電子を供給する役目をする。このためにニュートライザー１９はニュートライザー電圧源２３及び陰極加熱電圧源２２に接続されている。この陰極加熱電圧源は、電子を放出する陰極を加熱するのに用いられる。イオンエンジンの推力は、加速格子１１において加速電圧源１２及び陽極電圧源２１から供給される電圧によってひき起こされる、静電加速電界によって発生せしめられる。この加速電界において、加速格子１１の近くの放電容器２内にあるイオンは、加速され、加速格子１１を形成するプレートに形成された抽気路内でイオンビームに集束される。加速されたイオンは反動の原理によって推力を発生する。
【００３１】
放電容器２はハウジング１５によって包囲されている。
【００３２】
本発明によって、放電容器２は一般に縦断面に開放端部５に対向する端部６の方へ除々に細くなるテーパ形状を有し、高周波コイル３が、この高周波コイル３が放電容器２を部分的に除々に細くなるテーパ領域において包囲するように、配置されている。図２に示す実施例において放電容器２は縦断面において、開放端部５のほうに向いた筒状部分７と、前記開放端部と対向する端部のほうに向いた円錐状部分８を有し、円錐／円筒形状となっている。図２に示す実施例の場合、放電容器２は、開放端部５に対向する閉じられた端部６に平らな端面１６を有し、その中央部にガス入口１０が配置されている。
【００３３】
図２に横断面で図示するように、高周波コイル３は、放電容器２の筒状部分７及び円錐状部分８を有し、単層巻きコイルとして形成されている。
【００３４】
放電容器２は、０．５MHz 乃至１００MHz の領域において少ない高周波損失を有する電気的に不伝導性の材料からなり、好ましくは石英、酸化アルミニウム、他のセラミック、ヴェスペル、窒化硼素又はマコールからなる。
【００３５】
放電容器２は、放電容器に適合した形状、好ましくは放電容器２の形状に対応した筒状又は円錐状／筒状形状のハウジング１５により包囲されている。図２に示す実施例の場合、ハウジング１５は簡単な筒状形状を有する。ハウジング１５は放電容器２内で発生した外部への電磁界を遮蔽しイオン化の際に発生する損失熱を放射又は熱伝導によって外方へ排出するのに役立つ。
【００３６】
好ましくは、ハウジング１５は、該ハウジングが放電容器２乃至は放電容器２を包囲する高周波コイル３を１乃至４cmの間隔をおいて包囲するように形成されている。
【００３７】
好ましくは本発明の高周波イオン源の高周波コイル３は、放電容器２内で放電を始める前に及び放電を始めた後のエンジンの空運転中で、推力を発生することがないときも、及び加速格子１１によるイオンの加速による推進駆動中も、共振駆動されるように駆動される。
【図面の簡単な説明】
【図１】既知の技術によるイオンエンジンの高周波イオン源の機能を説明するための概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施例の高周波イオン源の放電容器を示す横断面図である。
【符号の説明】
１    高周波イオン源
２    放電容器
３    高周波コイル
４    高周波発生器
５    開放端部
６    開放端部と対向する端部
７    筒状部分
８    円錐状部分
９    ガス源
９ａ  調整ユニット
１０  ガス入口
１１  加速格子
１２  加速電圧源
１５  ハウジング
１６  端面
１７  流量制限器
１８  絶縁体
１９  ニュートライザー
２０  流量調整ユニット
２１  陽極電圧源
２２  陰極加熱電圧源
２３  ニュートライザー電圧源
【図１】
0004630439.tif 000002
【図２】
0004630439.tif 000003