(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖端および開放端を有する実質的に環状の加速チャンネルと、該チャンネルの両側に設けられた外側磁性体ボディと内側磁性体ボディとを具備し、この一対の磁性体ボディの各々が、前記チャンネル内に磁界を形成するために、各々一対の磁極を形成し、また夫々の磁性体ボディが物理的にも、実質的に磁気的にも、互いに分離されているホール効果プラズマ加速器であって、
前記外側磁性体ボディは、
前記加速器の軸と同軸の円筒壁部分と、
前記円筒壁部分の下流端にあり且つ第一の磁極を定義する第一の末端部と、
前記チャンネルの上流端および下流端との間で離間した第二の磁極を定義するように、前記円筒壁部分から半径方向内側へと延び、次いで軸方向下流側へと延びる第二の末端部と、を具備し、
前記内側磁性体ボディは、ほぼスプール形状を有するとともに、
軸方向に延びる中央部分と、
該中央部分の下流端にあり、且つ前記チャンネルに向けて半径方向外側へと延びて第一の磁極を形成する第一の末端部と、
前記中央部分の上流端から半径方向外側に延びる第二の末端部と、
前記第二の末端部から下流方向に延びて第二の磁極で終端する円筒壁と、を具備する、プラズマ加速器。
【請求項２】
前記外側磁性体ボディが、前記第二の末端部の円筒状部分（この部分は軸方向下流側へと延びている）を取り囲み、且つ前記円筒状部分と前記円筒壁部分との間に位置する第一の磁力源を更に具備する、請求項１に記載の加速器。
【請求項３】
前記第一の磁力源がコイルである、請求項２に記載の加速器。
【請求項４】
前記第一の磁力源が永久磁石である、請求項２に記載の加速器。
【請求項５】
前記内側磁性体ボディが、前記内側磁性体の中央部分を取り囲む第二の磁力源を具備する、請求項１に記載の加速器。
【請求項６】
前記第二の磁力源がコイルである、請求項５に記載の加速器。
【請求項７】
前記第二の磁力源が永久磁石である、請求項５に記載の加速器。
【請求項８】
前記外側磁性体ボディは、
前記加速器軸と同軸の円筒壁部分と、
該円筒壁部分の下流端にあり、且つ前記内側磁性体ボディの対応する第一の磁極とは逆極性の第一の磁極を定義する第一の末端部と、
前記円筒壁部分から半径方向内側に延び、次いで軸方向下流側に延びて、前記チャンネルの上流端と下流端との間の離間した第二の磁極を定義する第二の末端部と、を具備する、請求項１，５，６または７のいずれか一項に記載の加速器。
【請求項９】
前記外側磁性体ボディが、前記第二の末端部の円筒部分（該部分は軸方向下流側に延び、前記円筒部分と円筒壁部分との間に位置する）を取り囲む第一の磁力源を具備する、請求項８に記載の加速器。
【請求項１０】
前記第一の磁力源がコイルである、請求項９に記載の加速器。
【請求項１１】
前記第一の磁力源が永久磁石である、請求項９に記載の加速器。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、ときには閉鎖電子ドリフト加速器として知られるホール効果プラズマ加速器に関する。本発明は、人工衛星または他の宇宙船での反動推進エンジン（スラスター）として使用するために、このような加速器の設計を考えたときに生まれた。しかし、本発明は、例えばプラズマエッチングおよびワークピースを真空で加工するような他の用途にも適用可能である。
発明の背景
従来のホール効果反動推進エンジン（スラスター）は、該推進エンジンの軸の回りに円周方向に延び且つ閉鎖端から開放端へと軸方向に延びる環状の加速チャンネルを具備している。通常、アノードは該チャンネルの閉鎖端に位置し、またカソードはその開放端に近接して、チャンネルの外に位置している。該チャンネルの中に推進薬（例えばキセノンガス）を導入するための手段が設けられており、これは、アノード自身の中またはアノードに近接して形成された通路を通して行われることが多い。磁力系は、該チャンネルを横切る半径方向の磁界を印加することにより、カソードから放出された電子を、該チャンネルの回りの円周方向に運動させる。カソードから放出された電子の全部ではないが、その幾らかは、該チャンネルの中を通ってアノードに向けて引き寄せられる。半径方向の磁界は電子を円周方向に偏向させるので、電子は螺旋軌道で移動し、アノードに向けて徐々にドリフトするときにエネルギーを蓄積する。電子は、アノードに近接した領域で推進薬の原子と衝突し、イオン化を生じる。その結果生じた正に帯電したイオンは、当該チャンネルの開放端に向かう電界によって加速され、該開放端から高速で噴出されることにより所望の推力を生じる。このイオンは、電子よりも遥かに大きな質量を有しているので、磁界には直ちには影響されず、またその加速方向はチャンネルの円周方向ではなく、主にチャンネルの軸方向である。
この明細書において、「上流」および「下流」の用語は、チャンネル内でのイオンの運動方向を記述するために便宜的に使用される。
従来、必要とされる半径方向の磁界は、磁性材料のヨークを有する電磁石を用いることにより、チャンネルを横切って印加されている。該ヨークは、チャンネルの両側にある両磁極（即ち、一方はチャンネルに対して半径方向内側、他方はチャンネルに対して半径方向外側）を構成している。その一例はヨーロッパ特許明細書0 463 408に示されている。この明細書は、環状チャンネルの中央を通り、且つ単一の磁化コイルを設けた単一の円筒状部分と；加速チャンネルの外周に離間して配置され、且つそれ自身の外側コイルを設けた多くの外側円筒部材とを有する磁性ヨークを示している。これらの内側円筒部材および外側円筒部材は、単一の磁性ヨークを形成するように、磁性体バックプレートにボルト留めされている。
ホール効果加速器における加速チャンネル内部の最良の磁界分布に関して、多くの理論的研究が行われてきた。例えば、1978年9月発行のソビエト物理学および応用物理学23（9）に掲載された、「長い加速ゾーンをもった全電流加速器における局部プラズマ特性」と題するA N BishaevおよびV Kimによる論文が参照される。もう一つの関連する論文は、1981年4月発行のソビエト物理学および応用物理学26（4）に掲載された、「閉じた電子ドリフトをもつ加速器出力部でのイオン電流パラメータに対する、磁界特性の影響」と題するV N GavryushinおよびV Kimによる論文である。他の関連する論文は、Zhurnal Tekhnleheakoi Fiziki vol. 42 no.3に掲載された、A I Morozov, Yew V Esipchuk, A N Kapulkin, V A NevrovakiiおよびV A Smirnovによる論文である。これらの理論的研究で到達した一つの結論は、磁界を最小限にすることが望ましく、また加速チャンネルの開放端に近接した加速領域では、磁界勾配を最大限にするのが望ましいということである。この効果を達成するために、ホール効果プラズマ加速器は、アノード領域における環状チャンネルの内側および外側に磁性スクリーンを組み込むように製造されてきた。これらの磁性スクリーンは、通常、先に述べたバックプレートから伸びる円筒状の壁によって形成される。かかる磁性スクリーンの使用は、ヨーロッパ特許出願0 541 309に記載されている。
当該チャンネル内の最適な磁界分布を達成するための要件、並びに加速器の重量を最小限に維持するための要件は、従来、加速器の相対的な寸法、特に、その軸方向長さに対する直径の比率に対して厳しい制限を課してきた。
発明の概要
本発明は、チャンネルの反対側に磁極を形成している磁性体が、実質的に分離されているホール効果加速器を提供する。
本発明に従って、分離された磁性体を用いることにより、広範囲の相対的な寸法（特に加速チャンネルの直径に対する軸方向の長さ）を用いて、十分な特性、または改良された特性をさえ達成できることが見出された。
内側の磁性体は、軸方向に伸びる好ましくはスプール形状の中心コアと；該中心コアの下流端にあり、且つチャンネルに向かって半径方向外側に延出して第一の磁極を形成する末端ピースと；中心コアの上流端にあり、且つ半径方向外側に延出し、また軸方向下流側に延出して、前記内部磁性体の両端間で軸方向に位置した第二の磁極を形成する第二の末端ピースとを具備している。上記第二の末端ピースは、前記第一の末端ピースに向かって軸方向に延出しているから、磁性スクリーンとして作用し、且つ磁界が少ししか存在しないか又は全く存在しないアノード領域エリアを形成するように働くと考えることができ、これは最適な効率を与えるために必要とされる。
好ましくは、前記外側磁性体は、一般に、磁性材料の円筒壁と；半径方向内側に延出して、前記内側磁性体の第一の磁極とは逆極性の磁極を形成する第一の末端ピースと；その上流側にあり、且つ半径方向内側に延出し、次いで戻されて軸方向下流側に延出してもう一つの磁極で終端する第二の末端ピースとを有している。軸方向に延びるこの末端ピース部分も同様に、アノードエリアにおける磁界を低減するための磁気スクリーンとして働く。
上記の磁性体が永久的に磁化されることも可能であろうが、別々の磁界源（以下では「磁力源」という）を含むのが好ましい。これらの磁力源は、コイル、即ち電磁石であることができる。或いは、中心コアと軸方向に延びる第二末端ピースの「スクリーン」部分との間に部分的に囲まれるように、内側磁性体の中心コアの回りに永久磁石が広がっていてもよい。好ましくは、外側の磁性体は、それに付随して、前記円筒壁とこれに付随する「スクリーン」との間に部分的に囲まれた加速器の軸と同軸の第二の磁力源を有している。
【図面の簡単な説明】
次に、添付の図面を参照して、本発明を実施する一つの形態を説明する。添付の図面において、
図１は、人工衛星を操縦するための公知の技術を模式的に示している。
図２は、図１と同様の図であるが、本発明による技術を用いて操縦されるべく構成された人工衛星を模式的に示している。
図３は、本発明に従って構成されたホール効果プラズマ推進エンジンの斜視図であり、内部構造の特徴を明らかにするために、その直径に沿って切り欠いた状態で図示されている。
図４は、図３のＸ−Ｘ軸に沿った断面図であり、磁石部材および磁力線のみを図示している。
図５は、図４に示した部品の平面図であるが、磁極を四つの別々の部分に分割した設計変更例を示している。
発明の最良の実施形態
先ず、図１を参照すると、これは公知の装置を極めて模式的な形で示している。ここで、電源２を含む人工衛星１は、プラズマ反動推進エンジン３によって推進される。この推進エンジン３は、等しい一定の電流を受けるように電源２に直列に接続された、内側磁石コイル４および四つの外側磁石コイル５，６，７および８を含んでいる。推進エンジン３は、方向制御回路１０の制御下に、スイベル機構９によって機械的に調節することができる。このスイベル機構は、１２において人工衛星にヒンジ結合されると共に、１３においてアクチュエータ１５の駆動シャフト１４にヒンジ結合された、プラットホーム１１を具備している。
本発明に従って構成された装置は、これも極めて模式的に図２に示されており、スイベル機構を介在することなく、固定的に連結された推進エンジン３Ａを有する人工衛星１Ａを含んでいる。推進エンジン３Ａは、内側コイル１６と、外側コイル１７と、四つの補助的操縦コイル１８，１８′，１９，１９′を有している。人工衛星の電源２Ａは制御回路１０Ａに接続されており、該回路は、（例えば、ラジオリンクを介して地上ステーションから）推進エンジンの所望の方向を決める方向信号SIGを受け取る。回路１０Ａは、対なった１２本の出力ラインａ１，ａ２；ｂ１，ｂ２；ｃ１，ｃ２；ｄ１，ｄ２；ｅ１，ｅ２；ｆ１，ｆ２を有しており、夫々の出力ライン対に対して、何れかの極性の選択された電圧を印加することができる。ａ１およびａ２を横切って印加される電圧ａは、ｂ１およびｂ２を横切って印加される電圧ｂと同様に一定である。ｃ１およびｃ２を横切る電圧は、ｄ１およびｄ２を横切る電圧ｄとほぼ同じ値である。しかし、これら値の間には、推進ベクトルの軸線と推進エンジンの物理上の軸線との間に存在し得る何等かの不一致を訂正するために、または故意にこのような不一致を生じさせるために、若干のオフセットがあってもよい。コイル１８，１８′を両方向に電流が流れることを保証し、これによって一つの平面内で推進方向を制御するように、回路１０Ａによって、対応するコイル１８，１８′への接続が選択される。コイル１９，１９′を流れる電流を制御して、直交面内での推進方向を制御するように、電圧ｅおよびｆは、電圧ｃおよびｄと同じ方法で（しかし、これとは独立に）変化される。この方法において、推進の方向は、破線で示したように、各平面内において10°以下のの全角度に亘って調節することができる。
次に、図３および図４を参照すると、一般に、推進エンジンは軸線Ｘ−Ｘの回りに対称的である。それは、セラミック挿入物２３の内壁および外壁２１，２２の間に形成された、環状の加速チャンネル２０を備えている。該チャンネル２０は、閉じた上流端（図３に示す底部）から開放された下流端へと延びており、その下流端では、外側壁２２が内側壁２１よりも少し下流側に延出している。内側壁および外側壁２１，２２の両者は、その夫々の下流端において増大した厚さを有し、外側壁２２は、少し広がった開放端を与えるように２２Ａで面取りされている。
チャンネルの上流端には、その回りに連続的に延びる溝をもった、正方形の断面をもった中空管形状の円形アノード２４が配置されている。パイプ２５は、この中空アノードの中に推進薬（この具体例ではキセノンガスであるが、クリプトンまたはアルゴンでもよい）を供給し、該推進薬は中空アノードから円形溝を通してチャンネル２０に供給される。チャンネルの回りにおける推進薬ガスの分布を改善するために、バッフル（図示せず）をアノードの内側に設けてもよい。電気的接続２６は、アノードに正の電圧を供給する。
カソード２７は、後述するように、チャンネル２０の下流端に近接して、磁石のＮ極に装着される。このカソードには、接続２８を通してキセノンガスが供給され、また電気的コネクタ２９を介して陰電圧源が供給される。この磁力系には、二つの磁気的に分離されたボディつまりヨーク、即ち、両者とも透磁性材料でできた内側ヨーク３０Ａおよび外側ヨーク３０Ｂが含まれている。
内側ヨーク３０Ａはスプール形状で、重量を軽減するための中央空洞部をもった円筒状の中心コア部分３１を有している。この円筒状部分には、下流端から見たときに電流が時計方向に流れるように、内部コイル１６が巻回されている。円筒状部分３１の下流端には、フランジ３２の形状の末端ピースが半径方向外側に延びており、これはその自由末端において、内側磁性ヨークの第一の円形磁極３３（磁石のＳ極）を形成している。半径方向外側に延びたフランジ３４の形態を有するもう一つの末端ピースが、円筒部分３１の上流端に配置されており、これは、内部コイル１６を部分的に取り囲む円筒状の壁３５を支持し、図４で一番よく分かるように、その自由末端３６に第二の磁極（Ｎ極）を形成する。
外側ヨーク３０Ｂは、軸線Ｘ−Ｘと同軸で、且つ厚さを大きい円形リム３８を有する円筒壁３７によって形成されている。このリムは、四つのスロットまたは隙間によって分割されており（図３）、これらスロットは、該リムを四つの等しい部分３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃおよび３８Ｄに分割している。これらの夫々の部分は、その回りに巻回された補助的な操縦コイルを有している。これらの操縦コイルは、図２に１８，１８′，１９，１９′で示したのと同じコイルであり、これらは、電流が一方のコイルの回りを時計回りで流れ、対向するコイルの回りを反時計回りで流れるように構成されている。半径方向内側に延びたフランジ４０の形態を有する第一の末端ピースが、リム３８の四つの部分に取り付けられている。このフランジ４０は円形であり、リムセクター３８の間のギャップを橋渡ししている。それはパス（pas）で示されている。このフランジ４０の半径方向内側の円形エッジは、ボディ３０Ｂの第一の磁極（磁石のＮ極）を形成しており、図４で最もよく分かるように、磁石のＳ極３３の少し下流側に位置している。円筒壁３７の上流端は、もう一つの内側に延びた円形フランジ４１へと延出しており、該フランジ４１はまた、軸線Ｘ−Ｘと同軸の円筒壁４２へと延出している。壁３７，４１および４２は、主要な外側コイル１７（図２にも示されている）を収容する囲いを形成している。該コイル１７は壁４２の回りに巻回されており、電流が図４に示す方向に流れるように接続されているので、壁４２の下流側エッジ４３に磁石のＳ極が形成され、フランジ４０の内側エッジ４４に磁石のＮ極が形成される。
図４は、電流が内側コイル１６および外側コイル１７を通過するが、操縦コイル１８，１８′，１９，１９′を通過しない場合の磁界線を示している。図４から、磁極３３と磁極４４のオフセットによって、動作に際してイオンが加速される環状加速ゾーン４５の中に、傾斜した磁界が生じることが分かるであろう。この磁界の傾斜は、軸線Ｘ−Ｘに向かう矢印Ｖで示した方向にイオンを加速させる。この目的は、推進エンジンから生じるイオンの煙霧の発散を制限することである。無価値な点は、円筒壁３５および４２がアノードの配置されている領域４５′を磁界の影響から遮蔽するように働くことである。
図示の推進エンジンの動作は次の通りである。電子はカソード２７から放出されて、二つの流れに分割される。このような電子の一つの流れは、アノード２４へと引き付けられて、環状チャンネル２０の中へ入る。チャンネル内における磁界の半径方向成分は、電子を円周方向に運動させ、アノードに向けて徐々に軸方向にドリフトさせる。最小の磁化しか存在しないアノード領域４５′では、チャンネルを下降するその螺旋運動が、パイプ２５に沿って供給される推進薬ガスをイオン化させる。
生じたイオン（正に帯電している）は、アノードとカソードとの間の約300ボルトの電位差により生じる電界によって、下流方向へと加速される。推進薬イオンは、電子の質量に比較してその質量が相対的に高いため、磁界によって大きくは影響されない。しかし、幾らかはこのような影響があり、加速領域４５における磁極３３と４４との間の磁界の傾斜特性は、推進エンジンの下流側から発生するイオンの流れを生じさせ、文字Ｖによって示す方向に収斂させる傾向がある。電流がコイル１８，１８′を通して流れると、推進エンジンの一方の側から発生するイオンへの磁界の影響は、磁界強度が増大するため増加する一方、この影響は推進エンジンの反対側では減少する。こうして、図４にＶ′およびＶ″で示すように、ベクトルの方向の偏向が達成される。一方ではコイル１８，１８′を通る電流を制御し、他方ではコイル１９，１９′を通る電流を制御することにより、推進の方向を如何なる方向にも変えることができる。
カソード２７から放出された電子が二つの流れに分割されること、並びにその一方の流れは加速チャンネルに入ることについては既に述べた。電子の他方の流れは、推進エンジンから噴射されるときイオンを中和するのに効果的であり、その結果生じる負の電荷が推進エンジンに残留するのを回避する。推進ベクトルの操縦によって生じる外側セラミック壁２２の下流側エッジの腐蝕は、面取り２２ａの存在によって低減される一方、対応する内側壁２１のエッジ腐蝕の低減は、外側壁２２の対応する面取りされたエッジに対する上流方向でのその置換によって低減される。
磁性体３０ａおよび３０ｂの重要な特徴は、それらが磁気的に分離されており、夫々が独自のＮ極およびＳ極を有する別個の電磁石を構成していることである。このため、磁気系の全体の寸法が図３および図４に示した寸法とは異なり、しかも広範囲に異なる寸法をもった加速チャンネルのなかでも、必要な磁気特性を得ることが可能である。例えば、所定の出力について、軸方向には短く且つ直径の大きな（又は逆の）、ホール効果推進エンジンを製造することが可能であろうことが予測される。従って、推進エンジンは、人工衛星またはロケットの利用可能な空間を上手く使用するように設計することができる。
図５に示した変形例では、内側磁石のＳ極を構成する磁石３０Ａは、半径方向のスロットによって四つの切片Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３およびＳ４に分割されており；また外側磁石のＮ極を定義する円形フランジ４０は、同様にして四つの切片Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３およびＮ４に分割される。こうして形成された個々のＮ極間のスロットまたはギャプは、操縦コイル１８，１８′，１９，１９′に適合した遥かに大きなスロットまたはギャップ３９よりも著しく小さい。従って、個々のＮ極は、コイルの末端部分（そこではコイルがギャップを通過する）と重なる。図５に示したこの設計変更は、改善された操縦能力を提供する。
図面に示した本発明の特定の実施例は、例としてのみ説明されたものであり、本発明はこの例の特定の特徴に制限されないことが理解されるであろう。例えば、本発明は、また、いわゆるアノード層推進エンジンにも適用可能である。図示の構成に類似した構成が用いられる場合、種々の設計変更が可能である。例えば、フランジ４０をセクター３８ａ，３８ｂ，３８ｃおよび３８ｄに対応した四つの別々の部分に分割し、これにより四つの別々の主磁石のＮ極を形成することによって、操縦効果を改良することができるであろう。もう一つは、円筒状の磁性壁３７の内側ではなく、外側である。もう一つの可能な変形例は、コイル１７を省略して、その代わりにより大きなコイル１８，１８′１９，１９′を使用することであろう。また、勿論、コイル１６および１７の何れか又は両方を永久磁石で置き換えることもできるであろう。或いは、磁石３０Ａおよび３０Ｂを永久磁石で形成することも可能であろう。更にもう一つの可能な変形例は、三つだけ、または四つより多い何れかの数の操縦コイルをもたせることであろう。
【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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