(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に形成されたプラズマ生成空間と、プラズマ生成空間で発生した荷電粒子を外部に放出する放出口と、を有するチェンバーと、
前記チェンバーの外周に配置され、通電時に、前記プラズマ生成空間にプラズマ生成用の誘導磁界を発生させる誘導磁界発生コイルと、
前記誘導磁界発生コイルに高周波電流を供給する高周波電源装置と、
前記チェンバー内部に、プラズマ発生用のガスを供給するガス供給源と、
前記チェンバー内部に対向して配置された一対の放電端部を有し、前記プラズマ生成空間内に配置されて、前記誘導磁界による電磁誘導で誘導電流が流れて、前記放電端部間で放電を発生させることでプラズマ生成用の電子を供給する放電電極と、
を備えたことを特徴とする荷電粒子放出装置。
【請求項２】
前記チェンバー内部に配置され、前記プラズマ生成空間で発生したイオンが接触して吸収するイオンコレクタと、
荷電粒子としての電子を放出する前記放出口と、
前記イオンコレクタと一体形成された前記放電電極と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子放出装置。
【請求項３】
円筒状の前記チェンバーと、
前記円筒状のチェンバーの内周面に沿って配置され、前記円筒の軸方向から見た場合にＣ字形状の前記放電電極と、
を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子放出装置。
【請求項４】
荷電粒子としての前記電子を放出する電子放出装置としての請求項１ないし３のいずれかに記載の荷電粒子放出装置。
【請求項５】
前記荷電粒子としてのイオン化されたガスを放出する請求項１に記載の荷電粒子放出装置により構成されたイオン放出装置と、
前記荷電粒子としての電子を放出し、前記イオン放出装置から放出されたイオン化されたガスを電気的に中和する請求項１ないし４のいずれかに記載の荷電粒子放出装置により構成された中和器と、
を備えたことを特徴とするイオンエンジン。
【請求項６】
気体状の推進剤が導入される推進剤導入部と、導入された推進剤のプラズマを生成する推進剤プラズマ生成空間と、前記推進剤プラズマ生成空間を囲む磁性材料により構成された陽極壁と、前記陽極壁に形成され且つ前記推進剤プラズマ生成空間で発生したイオン化されたガスを外部に放出するイオン放出口と、前記陽極壁に支持され且つ前記推進剤プラズマ生成空間内にプラズマを閉じこめるための磁場を発生させる磁界発生部材と、を有する陽極部と、
前記陽極部内の前記推進剤プラズマ生成空間内に、荷電粒子としてのプラズマ生成用の電子を供給する請求項１ないし４のいずれかに記載の荷電粒子放出装置により構成された陰極部と、
を備えたことを特徴とするイオンエンジン。
【請求項７】
前記荷電粒子としての電子を放出し、前記イオン放出口から放出されるイオン化されたガスを電気的に中和する請求項１ないし４のいずれかに記載の荷電粒子放出装置により構成された中和器、
を備えたことを特徴とする請求項６に記載のイオンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン化された推進剤や電子のような荷電粒子を放出する荷電粒子放出装置および前記荷電粒子放出装置を使用したイオンエンジンに関し、特に、高周波電圧による電磁誘導を利用してプラズマを発生させることにより荷電粒子を発生させて放出する荷電粒子放出装置およびイオンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙空間において、宇宙船や宇宙構造物には、推進や姿勢制御、軌道の制御等を行うために、推進器が搭載されている。前記推進器として、燃焼等の化学反応を利用して推力を得るもの（いわゆる化学推進ロケット）の他に、プラズマによりイオン化された推進剤を放出することで推力を得るイオンエンジンが知られている。
前記イオンエンジンは、推進剤としてのＸｅ（キセノン）やＡｒ（アルゴン）をプラズマ中に供給して電離させ、イオン化し、グリッド電極で所定の方向にイオン流として放出することで、イオンが得た運動量の逆向きの力が反作用として宇宙船等に作用することで推力を得ている。前記イオンエンジンでは、イオン化された推進剤を放出するだけでは、宇宙船が帯電して推力が得られなくなるため、中和器により、イオン流を電気的に中和している。
前記イオンエンジンにおいて、プラズマを生成するための技術として、下記の特許文献記載の技術が知られている。
【０００３】
特許文献１（特開２０００−１６１２０１号公報）には、熱電子放出が容易な材料製の陰極等で構成されるカソードインサート（１３）とヒータ（２１）とを有するホローカソード（９）を備えたイオンエンジンにおいて、グロー放電や熱電子放出により電子を放出させて、推進剤としてのＸｅガスを電離させ、発生した電離プラズマから新たな二次電子を引き出すことで、電離プラズマを生成、維持する技術が記載されている。
同様の技術は、特許文献２（特開２００１−２４８５４１号公報）や特許文献３（特開平１１−８２２８６号公報）にも記載されている。
【０００４】
特許文献４（特開２００３−３０１７６８号公報）や特許文献５（米国特許第５１９８７１８号明細書）には、イオンエンジンの中和器（ニュートラライザー）のような電子源において、チェンバーを巻くように配置されたコイルに高周波（ＲＦ：Radio  Frequency）電流を流して、高周波の交番磁界を発生させ、交番磁界によって、プラズマを維持するＲＦ式イオンエンジンが記載されている。なお、特許文献４では、プラズマを発生（点火）させるための一次電子を得るための方法として、電極間に電源装置を接続して、高周波電界を印加して容量性高周波放電（冷アーク放電）により、電子を発生させている。なお、現在実用化されているＲＦ式のイオンエンジンでは、電子を発生させるために、前記特許文献１〜３記載の技術と同様に、ホローカソードを使用している。
非特許文献１には、放電室内に２．４５ＧＨｚ程度以上のマイクロ波を導入することで、生成プラズマ中をマイクロ波が伝搬し、電子を共鳴的に加速してガスをイオン化し、イオンを放出するマイクロ波放電式のイオンエンジンが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１６１２０１号公報（段落番号「００１０」〜「００１１」）
【特許文献２】特開２００１−２４８５４１号公報（段落番号「００１５」）
【特許文献３】特開平１１−８２２８６号公報（段落番号「００２０」）
【特許文献４】特開２００３−３０１７６８号公報（段落番号「０００７」、「００１１」）
【特許文献５】米国特許第５１９８７１８号明細書（第１０ページ第５行〜第１５行）
【非特許文献１】國中均、“「はやぶさ」小惑星探査機に搭載されたマイクロ波放電式イオンエンジン”、[online]、２００６年、社団法人プラズマ・核融合学会、「平成１９年８月２７日検索」、インターネット＜URL：www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2006_05/jspf2006_05-300.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記ホローカソードを使用する従来のイオンエンジンでは、プラズマを安定して生成することができ、大きな出力が得られるが、Ｂａ（バリウム）やＳｒ（ストロンチウム）等が使用されることが多いホローカソードが酸化、劣化しやすい問題がある。すなわち、例え推進剤が十分に残っていたとしても、ホローカソードが劣化して寿命になると、装置全体が寿命になるという問題がある。また、ホローカソードが酸化し易いため、宇宙空間に運ぶ前の地上において、酸化を防止するために、窒素ガスでパージされた空間で保管する必要があり、管理が面倒であるという問題がある。さらに、ホローカソードを宇宙空間で使用しようとする場合、宇宙空間において使用開始前に、ある程度の期間（例えば、１ヶ月くらい）吸蔵したガスを放出させる作業も必要になるという問題がある。
【０００７】
マイクロ波放電式のイオンエンジンでは、無電極で構成することができ、ホローカソードを使用する場合に比べて寿命が飛躍的に長くなるが、放出される荷電粒子の数が少ないという問題がある。例えば、中和器で比較した場合、中和器から放出（出力）される電子が、ホローカソードの場合は、１０Ａ程度であるのに対し、マイクロ波放電式のイオンエンジンでは１０ｍＡオーダで、多くても１００ｍＡ程度であるという問題がある。
ＲＦ式のイオンエンジンでは、マイクロ波放電式の場合と同様に、発生したプラズマを維持する構成としては無電極で構成することができるが、プラズマを生成するための一次電子を得るためにホローカソードを使用する場合、ホローカソードの寿命や管理の複雑さ等の問題が発生する。また、容量性高周波放電を採用する場合、アーク放電のための電極を配置したり、放電のための電源装置が必要となり、部品点数が多くなり、故障が発生しやすくなったり、構成の複雑化、コスト高になる問題がある。
【０００８】
本発明は、前述の事情に鑑み、高性能で、安定してプラズマを発生させ且つ長寿命の荷電粒子放出装置を提供することを第１の技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記技術的課題を解決するために、請求項１記載の発明の荷電粒子放出装置は、
内部に形成されたプラズマ生成空間と、プラズマ生成空間で発生した荷電粒子を外部に放出する放出口と、を有するチェンバーと、
前記チェンバーの外周に配置され、通電時に、前記プラズマ生成空間にプラズマ生成用の誘導磁界を発生させる誘導磁界発生コイルと、
前記誘導磁界発生コイルに高周波電流を供給する高周波電源装置と、
前記チェンバー内部に、プラズマ発生用のガスを供給するガス供給源と、
前記チェンバー内部に対向して配置された一対の放電端部を有し、前記プラズマ生成空間内に配置されて、前記誘導磁界による電磁誘導で誘導電流が流れて、前記放電端部間で放電を発生させることでプラズマ生成用の電子を供給する放電電極と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の荷電粒子放出装置において、
前記チェンバー内部に配置され、前記プラズマ生成空間で発生したイオンが接触して吸収するイオンコレクタと、
荷電粒子としての電子を放出する前記放出口と、
前記イオンコレクタと一体形成された前記放電電極と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の荷電粒子放出装置において、
円筒状の前記チェンバーと、
前記円筒状のチェンバーの内周面に沿って配置され、前記円筒の軸方向から見た場合にＣ字形状の前記放電電極と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の荷電粒子放出装置において、
荷電粒子としての前記電子を放出する電子放出装置とすることを特徴とする。
【００１３】
前記技術的課題を解決するために、請求項５に記載の発明のイオンエンジンは、
前記荷電粒子としてのイオン化されたガスを放出する請求項１に記載の荷電粒子放出装置により構成されたイオン放出装置と、
前記荷電粒子としての電子を放出し、前記イオン放出装置から放出されたイオン化されたガスを電気的に中和する請求項１ないし４のいずれかに記載の荷電粒子放出装置により構成された中和器と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
前記技術的課題を解決するために、請求項６に記載の発明のイオンエンジンは、
気体状の推進剤が導入される推進剤導入部と、導入された推進剤のプラズマを生成する推進剤プラズマ生成空間と、前記推進剤プラズマ生成空間を囲む磁性材料により構成された陽極壁と、前記陽極壁に形成され且つ前記推進剤プラズマ生成空間で発生したイオン化されたガスを外部に放出するイオン放出口と、前記陽極壁に支持され且つ前記推進剤プラズマ生成空間内にプラズマを閉じこめるための磁場を発生させる磁界発生部材と、を有する陽極部と、
前記陽極部内の前記推進剤プラズマ生成空間内に、荷電粒子としてのプラズマ生成用の電子を供給する請求項１ないし４のいずれかに記載の荷電粒子放出装置により構成された陰極部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のイオンエンジンにおいて、
前記荷電粒子としての電子を放出し、前記イオン放出口から放出されるイオン化されたガスを電気的に中和する請求項１ないし４のいずれかに記載の荷電粒子放出装置により構成された中和器、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、電磁誘導により放電を発生させる放電電極を設けることで、安定してプラズマを発生させることができ、加熱が必要で寿命の短いホローカソードを使用する場合に比べて長寿命化することができる。また、マイクロ波放電式の場合に比べて、高性能化することができる。
請求項２に記載の発明によれば、放電電極がイオンコレクタと一体化されているので、部品点数を少なくすることができ、低コスト化、小型化することができる。
請求項３に記載の発明によれば、Ｃ字形状の放電電極により、電磁誘導で誘導電流が流れ、放電端部で放電することができ、放電用の電源装置等を設ける従来の場合に比べて、シンプルな構成とすることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、電子を放出する電子放出器により、イオンエンジンの中和器としたり、閉じた電気回路を構成したりすることができる。
請求項５に記載の発明によれば、電磁誘導により放電を発生させる放電電極を設けることで、安定してプラズマが発生するイオンエンジンを提供でき、加熱が必要で寿命の短いホローカソードを使用する場合に比べて、イオンエンジンを長寿命化することができる。また、マイクロ波放電式の場合に比べて、高性能化されたイオンエンジンを実現することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、推進剤プラズマ生成空間内にプラズマを閉じこめるための磁場が発生するため、効率的且つ一様なプラズマを安定して発生させるイオンエンジンを提供できると共に、加熱が必要で寿命の短いホローカソードを使用する場合に比べて、イオンエンジンを長寿命化することができる。また、マイクロ波放電式の場合に比べて、高性能化されたイオンエンジンを実現することができる。
請求項７に記載の発明によれば、中和器にホローカソードを使用する場合に比べて、イオンエンジン全体として長寿命化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明の実施例１のイオン推進システムの全体説明図である。
図１において、本発明の実施例１の宇宙推進システムの一例としてのイオン推進システムＳでは、宇宙空間に配置された宇宙構造物の一例としての人工衛星１を有する。人工衛星１は、太陽電池パネル２を支持する人工衛星本体３を有する。前記人工衛星本体３には、イオンエンジン４が設けられている。
【００２１】
図２は本発明の実施例１のイオンエンジンの要部説明図であり、図２Ａは全体説明図、図２Ｂは図２ＡのＩＩＢ部分の拡大説明図である。
図２Ａにおいて、前記イオンエンジン４は、エンジン部（イオン放出装置、荷電粒子放出装置）４ａと、中和器（電子放出装置、荷電粒子放出装置）４ｂとを有する。エンジン部４ａは、推進剤の一例としてのキセノンが収容された推進用キセノンタンク（ガス供給源）１１と、キセノンタンク１１に接続された推進用チェンバー１２とを有する。実施例１の推進用チェンバー１２は、円筒状の絶縁材料（例えば、ガラスやアルミナ等）により構成されており、内部にプラズマ生成空間１２ａが形成されている。前記推進用チェンバー１２は、一端側にはキセノンタンク１１からキセノンが供給される供給路１２ｂが形成され、他端側には荷電粒子の一例としてのイオンが放出される放出口１２ｃが形成されている。
前記放出口１２ｃには、網状（グリッド状）の電極により構成されたスクリーン電極１３が配置されており、スクリーン電極１３の外側には、グリッド状の電極により構成された加速電極１４が配置されている。実施例１では、前記スクリーン電極１３には、スクリーン電源装置１３ａにより＋１０００Ｖ程度の高電圧（スクリーン電圧）が印加されている。前記加速電極１４には、加速電源装置１４ａにより−５００Ｖ程度の高電圧（加速電圧）が印加されている。
前記推進用チェンバー１２の外周には、推進用チェンバー１２に巻付くように配置された誘導磁界発生コイル１６が配置されており、前記誘導磁界発生コイル１６には推進用高周波電源装置１７により、高周波（ＲＦ）の交流電流が供給される。
【００２２】
図３は本発明の実施例１の中和器の要部説明図であり、図３Ａは全体説明図、図３Ｂは図３ＡのIIIＢ−IIIＢ線端面図、図３Ｃは放電電極の展開説明図である。
図２、図３において、前記中和器４ｂは、プラズマ発生剤の一例としてのキセノンが収容された中和用キセノンタンク（ガス供給源）２１と、前記中和用キセノンタンク２１に接続された中和用チェンバー２２とを有する。実施例１の中和用チェンバー２２は、円筒状の絶縁材料（例えば、ガラスやアルミナ等）により構成されており、内部に中和用のプラズマ生成空間２２ａが形成されている。前記中和用チェンバー２２は、一端側には中和用キセノンタンク２１からキセノンが供給される供給路２２ｂが形成されている。
前記中和用チェンバー２２の他端側には、中央部に小径の電子放出口２３ａが形成されたオリフィス板２３が支持されている。実施例１のオリフィス板２３は、mica（雲母）により構成されている。
【００２３】
図２、図３Ａ、図３Ｂにおいて、前記中和用チェンバー２２の内部には、断面円形の中和用チェンバー２２の内壁面に沿うように、Ｃ字形状の放電電極２４（図３Ｂ参照）が支持されている。図３Ｂ、図３Ｃにおいて、実施例１の放電電極２４は、板状のＳＵＳ（Stainless  Used  Steel）をＣ字形に湾曲させて構成されており、板状の放電電極２４の両端に形成された尖端部（放電端部）２４ａ、２４ｂが、Ｃ字形に湾曲された状態で対向して配置されている。図２において、実施例１の放電電極２４は、プラズマ生成空間２２ａで発生したイオンを吸収するためのイオンコレクタを兼ねている。なお、前記放電電極２４は、基準電位（地上でのアースに相当）として、衛星１の機体に接続されており、前記スクリーン電源装置１３ａおよび加速電源装置１４ａも、基準電位としての衛星１の機体に電気的に接続されている。このように衛星１の機体に接続することにより、イオンエンジン４全体の電位や内部のプラズマの電位ができる限りふらつかないようにすることができる。
前記中和用チェンバー２２の外周には、中和用チェンバー２２に巻付くように配置された誘導磁界発生コイル２６が配置されており、前記誘導磁界発生コイル２６には中和用高周波電源装置２７により、高周波（ＲＦ）の交流電流が供給される。
【００２４】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１のイオン推進システムＳでは、推進を行う場合、キセノンタンク１１，２１からキセノンが供給された状態で、高周波電源装置１７，２７に高周波電流が供給される。前記高周波電源装置１７，２７からの電流供給に伴って、電磁誘導により、チェンバー１２，２２内に高周波の交番磁界が発生する。
図３において、中和器４ｂでは、高周波の交番磁界による電磁誘導により、放電電極２４に誘導電流（いわゆる渦電流）が流れる。前記誘導電流により、放電電極２４の尖端部２４ａ，２４ｂ間には、電位差が発生し、放電が発生する。放電により供給された電子により、チェンバー２２のキセノンが励起／電離され、プラズマ状態となり、キセノンイオン（荷電粒子）と二次電子（荷電粒子）とが発生する（Ｘｅ＋ｅ−→Ｘｅ＋＋２ｅ−）。発生したイオンや電子は高周波の交番磁界によりチェンバー２２内で加速されて、連鎖的に衝突を繰り返し、雪崩的に二次電子を発生させ、プラズマが維持される。中和器４ｂでは、チェンバー２２内で発生したイオンがイオンコレクタとしての放電電極２４に吸収されると共に、電子が電子放出口２３ａから放出される。
【００２５】
放出された電子は、その一部がエンジン部４ａのチェンバー１２に導入されるように構成されており、導入された電子によりチェンバー１２内でもプラズマが発生し、交番磁界により維持される。チェンバー１２内で発生したキセノンイオンや電子は、スクリーン電極１３に印加されたスクリーン電圧より、電子は回収されて流れ、イオンは通過する。スクリーン電極１３を通過したイオンは、加速電極１４の加速電極により加速されて、高速のイオン流となってエンジン部４ａから放出される（引き出される）。前記イオン流には、引き出されたイオンの量と同等の電子が、イオンの正電荷が作る電界に引張られて自動的に中和器４ｂから供給されることで電気的に中和される。電気的に中和されたイオン／電子流は、外部に放出され、人工衛星１は推力を得る。
【００２６】
（第１実験例）
（実験例１）
図４は本発明の実施例１のイオン推進システムにおける実験例１の実験条件の説明図である。
次に、実施例１のイオン推進システムＳにおける効果を検証するために実験を行った。
図４において、実験例１では、中和器４ｂの放電電極２４の尖端部２４ａ，２４ｂの両端に発生する電圧（電位差）を測定するために、尖端部２４ａの近傍に１ＭΩの第１抵抗３１の一端側を直列に接続し、尖端部２４ｂに１ｋΩの第２抵抗３２の一端側を直列に接続した。そして、前記第１抵抗３１の他端側と第２抵抗３２の他端側とを直列に接続し、第２抵抗３２の両端部に電圧計３３を並列に接続した。
この状態で、前記中和用高周波電源装置２７に周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電流を印加した時に電圧計３３で計測される周波数成分を測定した。実験結果を図５に示す。
【００２７】
図５は実験例１の実験結果の説明図であり、横軸に周波数成分をとり、縦軸に振幅を取ったグラフである。
図５において、電圧計３３では、入力電流の周波数１３．５６ＭＨｚと同様の約１３．７ＭＨｚに周波数成分のピークを有する電圧が測定され、中和用高周波電源装置２７により入力された電圧による電磁誘導で発生した電流が流れることが確認された。
【００２８】
（実験例２）
図６は実験例で使用した放電電極の説明図であり、図６Ａは電極形状の第１例の説明図、図６Ｂは電極形状の第２例の説明図、図６Ｃは電極形状の第３例の説明図である。
実験例２では、実験例１と同様の構成を使用して、高周波電源装置２７による入力電力を変化させた場合に、出力電圧がどのように変化するかを検証した。なお、実験例２では、実施例１と異なり、図６Ａに示すように、平行に配置された複数の帯状のイオンコレクタ部４１と、前記イオンコレクタ部４１に直交する方向に延びてイオンコレクタ部４１どうしを一体的に連結する放電電流誘導部４２とを有する放電電極４０を使用し、放電電流誘導部４２の両端部に尖端部４２ａ，４２ｂが形成されている。
入力電力を１０Ｗ、２０Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗとした時の電圧計３３で計測された電圧を図７に示す。
【００２９】
図７は実験例２の実験結果の説明図であり、横軸に時間をとり、縦軸に電極の尖端部間の電圧（相対値）をとったグラフである。
図７において、実験例２では、入力電圧を大きくすると、尖端部４２ａ，４２ｂ間に発生する電圧が大きくなっていくことがわかった。すなわち、入力電圧の制御により、尖端部４２ａ，４２ｂに発生する電圧を制御でき、放電を制御できる。
【００３０】
（実験例３）
実験例３では、実験例１と同様の構成を使用して、電極形状を変化させた場合に、発生する出力電圧がどのように変化するかを検証した。実験例３−１では、実験例２と同一形状の電極４０を使用した。
実験例３−２では、実施例１と同一形状で且つ電極の幅が４０ｍｍの電極２４を使用した。
実験例３−３では、図６Ｃに示すように、平板状のイオンコレクタ部４６と、イオンコレクタ部４６の一端側および他端側から外方に突出する尖端部４７ａ，４７ｂとを有する電極４５を使用した。なお、実験例３−１および３−３では、実験例３−２の電極の幅に対応する幅は、共に４０ｍｍに設定されている。
実験例３−４では、実験例３−２において幅を１０ｍｍにしたものを使用し、実験例３−５では実験例３−２において幅を１６ｍｍにしたものを使用した。
入力電力を２０Ｗとした場合の実験結果を図８に示す。
【００３１】
図８は実験例３の実験結果の説明図であり，横軸に時間をとり、縦軸に電極の尖端部間の電圧（相対値）をとったグラフである。
図８において、実験例３では、形状により放電電圧が変化することが確認され、実験例３−３の形状の場合が最も放電電圧が大きくなることが確認された。
【００３２】
（実験例４）
実験例４では、放電電極によるプラズマの生成性能（点火性能）について検証を行った。実験は、実験例３で最も結果の良かった実験例３−３の形状のものを使用し、尖端部４７ａ，４７ｂの間の間隔を１．０ｍｍとし、電子放出口２３ａを半径１．０ｍｍの丸孔形状とした。そして、入力電力を１０Ｗ、１５Ｗ、２０Ｗ、２５Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗ、６０Ｗとし、各入力電力において、キセノンガスの流量を０．１ｓｃｃｍ（Standard  CC/Min：Standard  Cubic  Centimeter  per  Minute）刻みであげていき、点火（放電）が発生したときの流量を測定した。なお、実験例４では、各入力電力における実験を３回ずつ行った。
実験結果を図９に示す。
【００３３】
図９は実験例４の実験結果の説明図であり、横軸にガスの流量をとり、縦軸に入力電力を取ったグラフである。
図９において、３０Ｗ〜６０Ｗでは、ガスの流量が１．０ｓｃｃｍ程度で点火し、２０Ｗでは１．５ｓｃｃｍ程度で点火することがわかった。そして、１５Ｗでは２．０〜２．５ｓｃｃｍ、１０Ｗでは３．５ｓｃｃｍ程度であり、入力電力が小さいと点火性能が悪く、ある程度の入力電力（２０Ｗ以上）になると点火性能が変化しない（安定する）ことがわかった。
【００３４】
（実験例５）
図１０は実験例５の実験条件の説明図である。
実験例５では、放出される電子の量、すなわち、中和器の定常性能を検証する実験を行った。図１０において、実験例５では、実験例４の構成の中和器を使用して、中和器４ｂの電子放出口２３ａに対向する位置に５０ｍｍの間隔をあけて平板状のターゲット電極５１を配置した。前記ターゲット電極５１には、電子を電気的に吸引するために直流電源５２により直流の引き出し電圧が印加されており、電流計５３によりターゲット電極５１に流れるターゲット電流ＩＴを測定する。また、前記イオンコレクタには、電流計５４が接続されており、イオンコレクタ電流ＩＩ／Ｃを測定する。なお、実験例５は、真空環境下で行った。
前記実験装置において、入力電力を１０Ｗ、２０Ｗ、４０Ｗ、８０Ｗとし、引き出し電圧を２０Ｖ、４０Ｖ、６０Ｖ、８０Ｖ、１００Ｖとして、実験を行った。実験結果を図１１に示す。
【００３５】
図１１は実験例５の実験結果の説明図であり、横軸にターゲット電極の引き出し電圧をとり、縦軸に電流値を取ったグラフである。
図１１において、引き出し電圧を上昇させることで、放出され、引き出し電圧に吸引される電子の量に比例するターゲット電流ＩＴが上昇すると共に、放出された電子の総電荷量に相当する電荷のイオンが回収されることに連動するイオンコレクタ電流ＩＩ／Ｃも同様に上昇することがわかる。また、図１１において、入力電圧が２０Ｖから４０Ｖに変化すると、ターゲット電流ＩＴが著しく上昇し、抽出された電子による電流が急激に増大する遷移点が存在すること（言い換えると、大電流モードと小電流モードが存在するということ）、および引き出し電圧増加時と減少時でヒステリシスが存在することが確認された。なお、このヒステリシスの原因は現時点では不明であるが、ヒステリシス内の面積は電圧×電流で電力（エネルギ）に対応するため、引き出し電圧の増加／減少に伴う電子電流の持つエネルギが関係しているのではないかと推測される。
【００３６】
（実験例６）
実験例６は、実験例５と同様の構成を使用して、放出される電子の量について検証する実験を行った。実験例６では、引き出し電圧を４０Ｖに固定し、入力電力を実験例５と同様に変化させた。そして、使用するキセノンガスの流量を０．３ｓｃｃｍ、０．５ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ、２ｓｃｃｍ、３ｓｃｃｍとし、放出される電子の量に対応するターゲット電流ＩＴを測定した。
実験結果を図１２に示す。
【００３７】
図１２は実験例６の実験結果の説明図であり、横軸に入力電力をとり、縦軸にターゲット電流を取ったグラフである。
図１２において、入力電力が大きくなるにつれてターゲット電流ＩＴが大きくなると共に、流量が多くなるにつれてターゲット電流が大きくなることが確認された。特に、２ｓｃｃｍや３ｓｃｃｍでは、１０００ｍＡを越える電流も検出されており、エンジン部４ａから放出されるイオン流を中和する性能が高いことがわかる。すなわち、全体としての推力を大きくすることができる。
【００３８】
したがって、前記構成を備えた実施例１のイオン推進システムＳでは、寿命の短いホローカソードのような部材を使用せず、無電極でプラズマの発生および維持ができ、キセノンガスが無くなるまでイオン推進可能とすることができる。また、１０ｍＡ〜１００ｍＡ程度のターゲット電流しか得られなかった従来のマイクロ波放電式のイオンエンジンに比べて、大きなターゲット電流すなわち、電子を放出することができ、高推力、高性能のイオンエンジンを実現することができる。さらに、電磁誘導により放電する放電電極を設けるというシンプルな構成で放電を発生させることができるため、放電のためのホローカソードや別個の電源を設ける必要が無く、管理が容易で、故障が少ないイオンエンジンを提供することができる。すなわち、従来実現されていなかった、すべてがＲＦ型のイオンエンジンを実現することができる。さらに、放電電極をイオンコレクタと兼用、一体化、共通化することができ、部品点数を減らすことができ、コストや重量増加も防止すれることができる。
【実施例２】
【００３９】
図１３は実施例２の宇宙推進システムの説明図である。
次に、本発明の実施例２の説明を行うが、実施例１と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。本発明の実施例２は、以下の点で実施例１と相違するが、その他の点では同様に構成されている。
図１３において、本発明の実施例２の宇宙推進システムの一例としてのテザー推進システムＳ′では、宇宙構造物としての人工衛星６１を有する。前記人工衛星６１は、人工衛星本体６２と人工衛星本体に支持された太陽電池パネル６３とを有する。前記人工衛星本体６２には、実施例１の中和器４ｂと同様に構成され、電子を電子放出口６４から放出する図示しない電子放出装置が内蔵されている。
前記人工衛星本体６２の下方には、宇宙空間の電子を吸収可能なコレクタ電極６６が配置されており、前記コレクタ電極６６は導電性のテザー６７により人工衛星本体６２に機械的且つ電気的に接続されている。
【００４０】
（実施例２の作用）
前記構成を備えた実施例２のテザー推進システムＳ′では、人工衛星６１において、コレクタ電極６６で宇宙空間の電子を吸収し、テザー６７を電流が流れて、電子放出装置により電子放出口６４から宇宙空間へ電子が放出されることにより、全体として閉じた電気回路が構成される。したがって、地球の地磁気を横切る様に移動する人工衛星６１では、地磁気（磁界）と、テザー６７に流れる電流とにより、人工衛星６１には力（電磁力、ローレンツ力）が作用し、推進力が得られ、軌道の変更等が可能となる。
【実施例３】
【００４１】
図１４は実施例３のイオンエンジンの説明図である。
次に、本発明の実施例３の説明を行うが、実施例１と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。本発明の実施例３は、以下の点で実施例１と相違するが、その他の点では同様に構成されている。
図１４において、本発明の実施例３の宇宙推進システムの一例としてのイオン推進システムＳでは、人工衛星１で使用されるイオンエンジン４′は、実施例１のＲＦ型のエンジン部４ａに替えて、カスプ磁場型のエンジン部４ａ′を有する。実施例３のエンジン部４ａ′は、陽極部の一例としての推進チェンバー７１と、推進チェンバー７１の後端部に支持された陰極部の一例としてのプラズマ発生用電子源７２とを有する。
【００４２】
なお、実施例３では、前記陰極部７２は、実施例１の中和器４ｂと同様に、荷電粒子の一例としての電子を発生させる荷電粒子放出装置の一例としての電子放出装置により構成されている。なお、実施例３の陰極部７２には、ガス供給源の一例としてのキセノンタンク７３からキセノンが供給され、高周波電源装置２７′により発生する誘導電界により放電電極２４′で放電が発生し、キセノンがプラズマ化されて、発生した電子が推進チェンバー７１に放出される。
【００４３】
前記推進チェンバー７１は、円筒状の円筒壁７１ａと、前記円筒壁７１ａの後部に一体的に形成された円板状の後端壁７１ｂと、前記円筒壁７１ａの前側に形成されたイオン放出口７１ｃとを有する。前記後端壁７１ｂには、前記陰極部７２からの電子が導入される電子導入口７１ｄと、前記電子導入口７１ｄの近傍に形成されて、キセノンタンク７３から推進剤としてのＸｅガスが導入される推進剤導入口７１ｅと、が形成されている。
前記イオン放出口７１ｃには、実施例１と同様に、網目状のスクリーン電極７４および加速電極７６とからなる電極部材７４＋７６が配置されており、各電極７４、７６には、それぞれスクリーン電源装置１３ａおよび加速電源装置１４ａにより電圧が印加されている。
前記円筒壁７１ａ、後端壁７１ｂおよび電極部材７４＋７６により囲まれた円筒状の空間により、推進剤プラズマ生成空間７７が構成されている。
【００４４】
実施例３では、前記円筒壁７１ａおよび後端壁７１ｂにより、陽極壁７１ａ＋７１ｂが構成されており、前記陽極壁７１ａ＋７１ｂは、例えば鉄（Ｆｅ）のような磁性材料により構成されている。
前記陽極壁７１ａ＋７１ｂの内壁には、磁場発生部材の一例としての永久磁石７８が複数配置されていると共に、前記永久磁石７８は隣り合う永久磁石７８の磁極とは逆極性の磁極になるように配置されている。したがって、前記複数の永久磁石７８により、図１４に二点鎖線で示すように従来公知のカスプ型の磁場が推進剤プラズマ生成空間７７内部に形成される。
図１４において、前記陽極壁７１ａ＋７１ｂと、陰極部７２の放電電極２４′との間には、放電電源８１が電気的に接続されている。
【００４５】
（実施例３の作用）
前記構成を備えた実施例３のイオンエンジン４′では、エンジン部４ａ′の内部にカスプ型の磁場が形成され、推進剤プラズマ生成空間７７に、陰極部７２からの電子と、推進剤導入口７１ｅからのキセノンとが供給される。前記陰極部７２からの電子は、カスプ磁場により電磁力（ローレンツ力）を受けて、陽極壁７１ａ＋７１ｂに近づくことが困難となり、推進剤プラズマ生成空間７７の内部に閉じこめられると共に、推進剤プラズマ生成空間７７の広い領域に一様に存在する。したがって、推進剤プラズマ生成空間７７で、電子とキセノンが効率的に衝突し、プラズマを効率的且つ一様に安定して発生させることができる。
【００４６】
（実験例７）
図１５は実験例７の実験結果の説明図である。
図１５において、実施例３のイオンエンジン４′と、陽極部は実施例３と同様のカスプ型磁場の陽極部を使用し且つ陰極部（電子源）として従来公知のホローカソードを使用した比較例との性能の比較を行った。
実験条件は、放電電源８１の放電電圧（Discharge  Voltage）を共に３２．０［Ｖ］、スクリーン電極７４のスクリーン電圧（Screen  Voltage）を共に１０００［Ｖ］、加速電極７６の加速電圧（Accel  Voltage）を共に−５００［Ｖ］とした。また、放電電流（Discharge  Current）を実施例３のイオンエンジンでは２．２［Ａ］、ホローカソードの場合は５．７［Ａ］とした。さらに、Ｍｍｐｆ：Ｍｍｃを共に、６．０［sccm］：２．０［sccm］とした。なお、Ｍｍｐｆは、Main  Propellant  Feed  Mass  Flow  Rate：主推進剤供給流量率であり、陽極部に供給される推進剤の単位時間当りの流量である。また、Ｍｍｃは、Main  Cathode  Mass  Flow  Rate：主陰極供給流量率であり、陰極部に供給される電子発生用のプラズマを生成するためのキセノンの単位時間当りの流量である。
【００４７】
図１５において、前記実験条件で実験を行って、イオンエンジン４′から外部に放出されたイオンビームの電流値（Beam  Current）は、実施例３では２５３［ｍＡ］であり、比較例では３９７［ｍＡ］であった。
また、推力（Thrust）は、実施例３では１３．２［ｍＮ］であり、比較例では２０．８［ｍＮ］であった。
さらに、比推力（Specific  impulse）は、実施例３では１７２０［ｓ］であり、比較例では２７０３［ｓ］であった。
【００４８】
また、推進剤使用効率（Propellant  utilization  efficiency）は、実施例３では４４．０［％］であり、比較例では６９．１［％］であった。
さらに、イオン生成コスト（Ion  production  cost）は、実施例３では７３２［Ｗ／Ａ］であり、比較例では４６５［Ｗ／Ａ］であった。
また、総電力消費（Total  power  consumption）は、実施例３では０．４４［ｋＷ］であり、比較例では０．５９［ｋＷ］であった。
さらに、推力対電力比（Thrust  to  power  ratio）は、実施例３では２９．９［ｍＮ／ｋＷ］であり、比較例では３５．３［ｍＮ／ｋＷ］であった。
【００４９】
よって、実験例７より、実施例３に記載のイオンエンジン４′は、従来使用されているホローカソードを使用した場合に比べて、性能で若干及ばないところがあるが、各数値はマイクロ波式の場合のように１０倍以上（１オーダー以上）異なるといった差はなく、同オーダー程度の性能があることが確認された。すなわち、現時点でも使用するのに十分な推力が得られ、従来のホローカソードのものに対して代替使用可能であることが確認された。特に、実施例３のイオンエンジン４′は、ホローカソードのものに比べて寿命や取り扱いやすさの面においては大きなメリットがあり、実施例３のイオンエンジン４′の性能を最適化することで、ホローカソードを使用したイオンエンジンの性能と同等以上とすることができる可能性も確認された。
【００５０】
図１６はイオンエンジンのエンジン部の等価回路の説明図であり、図１６Ａは実験例７の比較例の等価回路の説明図、図１６Ｂは実施例３のエンジン部の等価回路の説明図である。
図１６Ａにおいて、比較例のホローカソードを使用するイオンエンジンでは、必要な電源は、スクリーン電源装置１３ａ、加速電源装置１３ｂ、陽極壁への電圧印加用の電源０１、ホローカソードＨＣの熱電子放出用のヒータ加熱用電源０２、ホローカソードＨＣの放電用陽極電源０３、中和器用の電源（中和器がホローカソード型の場合、電源は２個以上）となっている。よって、必要な電源は６個以上となっていた。
これに対して、図１６Ｂにおいて、実施例３のエンジン部４ａ′では、必要な電源装置が、スクリーン電源装置１３ａ、加速電源装置１４ａ、放電電源装置８１、陰極部７２の高周波電源装置２７′と、中和器４ｂの中和用高周波電源装置２７となっており、構成上、陰極部７２の高周波電源装置２７′と中和器４ｂの中和用高周波電源装置２７とは共通化できる。すなわち、実施例３の構成では、必要な電源は４個に減らすことができ、構成の簡素化、低コスト化ができる。
【００５１】
したがって、実施例３のイオンエンジン４′は、カスプ型の磁場により効率的且つ一様なプラズマを安定して生成することができると共に、ホローカソードを使用しないため、管理が容易で、寿命を長くすることができる。
なお、実施例３のイオンエンジン４′では、高周波電源装置２７′による誘導磁場が磁性材料製の陽極壁７１ａ＋７１ｂに漏れ、カスプ型の磁場が乱される恐れがあったが、実験の結果、十分な性能が発揮されており、磁場の乱れは少なかったものと推察される。よって、陰極部７２と陽極部７１との間に、例えば、磁気シールドを配置することで、磁場の漏れを少なくすることが期待でき、イオンエンジン４′の性能が向上することが期待される。
【００５２】
(変更例)
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例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要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ06）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、放電電極に、イオンコレクタとしての機能を兼用する場合を例示したが、これに限定されず、イオンコレクタを別体に構成することも可能である。
【００５３】
（Ｈ02）前記実施例において、荷電粒子放出器の一例としての電子を放出する中和器を例示したが、これに限定されず、荷電粒子としてのイオンを放出するエンジン部にも適用することも可能である。すなわち、エンジン部のチェンバー内に放電電極を配置して、プラズマを点火する放電を発生させることも可能である。したがって、エンジン部４ａのプラズマの点火を行うために中和器４ｂの電子を使用したが、中和器４ｂの電子は、電気的な中和のみに使用することも可能である。
（Ｈ03）前記実施例において、プラズマ発生用のガスとして、推進剤としてのキセノンを例示したが、これに限定されず、アルゴン等の従来公知の任意のプラズマ発生用のガスを使用可能である。
（Ｈ04）前記実施例において、宇宙構造物としての人工衛星を例示したが、このようなイオン推進システムに限定されず、荷電粒子放出器をホールスラスタ（Hall  thruster）の電子源に適用可能で、宇宙船や宇宙ステーション等の推進や、姿勢制御、軌道変更、高度変更等に使用できる。また、人工衛星等の宇宙構造物の帯電の緩和や制御用プラズマ源等としても使用できる。
【００５４】
（Ｈ05）前記実施例３において、磁場発生部材の一例としての永久磁石を例示したが、電磁石を使用することも可能である。また、カスプ型の磁場は、実施例３の図１４に例示した磁場に限定されず、従来公知の任意の磁場形状のカスプ型磁場を採用可能である。また、カスプ型の磁場であることが望ましいが、他の磁場、例えば、従来公知の電子衝突型（カウフマン型）の磁場を採用することも可能である。
（Ｈ06）前記実施例において、スクリーン電極と加速電極とを有する電極部材を例示したが、この構成に限定されず、加速電極のさらに外側に減速電極（印加電圧は、例えば、アース（０Ｖ））を配置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は本発明の実施例１のイオン推進システムの全体説明図である。
【図２】図２は本発明の実施例１のイオンエンジンの要部説明図であり、図２Ａは全体説明図、図２Ｂは図２ＡのＩＩＢ部分の拡大説明図である。
【図３】図３は本発明の実施例１の中和器の要部説明図であり、図３Ａは全体説明図、図３Ｂは図３ＡのIIIＢ−IIIＢ線端面図、図３Ｃは放電電極の展開説明図である。
【図４】図４は本発明の実施例１のイオン推進システムにおける実験例１の実験条件の説明図である。
【図５】図５は実験例１の実験結果の説明図であり、横軸に周波数成分をとり、縦軸に振幅を取ったグラフである。
【図６】図６は実験例で使用した放電電極の説明図であり、図６Ａは電極形状の第１例の説明図、図６Ｂは電極形状の第２例の説明図、図６Ｃは電極形状の第３例の説明図である。
【図７】図７は実験例２の実験結果の説明図であり、横軸に時間をとり、縦軸に電極の尖端部間の電圧（相対値）をとったグラフである。
【図８】図８は実験例３の実験結果の説明図であり，横軸に時間をとり、縦軸に電極の尖端部間の電圧（相対値）をとったグラフである。
【図９】図９は実験例４の実験結果の説明図であり、横軸にガスの流量をとり、縦軸に入力電力を取ったグラフである。
【図１０】図１０は実験例５の実験条件の説明図である。
【図１１】図１１は実験例５の実験結果の説明図であり、横軸にターゲット電極の引き出し電圧をとり、縦軸に電流値を取ったグラフである。
【図１２】図１２は実験例６の実験結果の説明図であり、横軸に入力電力をとり、縦軸にターゲット電流を取ったグラフである。
【図１３】図１３は実施例２の宇宙推進システムの説明図である。
【図１４】図１４は実施例３のイオンエンジンの説明図である。
【図１５】図１５は実験例７の実験結果の説明図である。
【図１６】図１６はイオンエンジンのエンジン部の等価回路の説明図であり、図１６Ａは実験例７の比較例の等価回路の説明図、図１６Ｂは実施例３のエンジン部の等価回路の説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
４ａ，４ａ′…イオン放出装置、
４ｂ…荷電粒子放出装置，電子放出装置，中和器、
２１，７３…ガス供給源、
２２，７１…チェンバー、
２２ａ，７７…プラズマ生成空間、
２３ａ，６４，７１ｃ…放出口、
２４，２４′…放電電極，イオンコレクタ、
２４ａ，２４ｂ…放電端部、
２６…誘導磁界発生コイル、
２７，２７′…高周波電源装置。
【図２】
0004925132.tif 000002
【図３】
0004925132.tif 000003
【図４】
0004925132.tif 000004
【図６】
0004925132.tif 000005
【図７】
0004925132.tif 000006
【図８】
0004925132.tif 000007
【図９】
0004925132.tif 000008
【図１０】
0004925132.tif 000009
【図１１】
0004925132.tif 000010
【図１２】
0004925132.tif 000011
【図１３】
0004925132.tif 000012
【図１５】
0004925132.tif 000013
【図１６】
0004925132.tif 000014
【図１】
0004925132.tif 000015
【図５】
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【図１４】
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