(57)【要約】本発明は、地上用途で使用され得る、及び／または小型衛星（〜５から〜５００ｋｇ）の集まり及びより大型の衛星バスの推進力のニーズに応えるために、Ｃｕｂｅ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ（ＣｕｂｅＳａｔ）の質量、体積、及び電力量に縮小され得る電熱ＲＦプラズマ生成システム及びスラスタの設計、ならびに関連構成要素を提供する。プラズマ生成装置は、（ａ）プラズマ生成チャンバと、（ｂ）磁石システムと、（ｃ）推進剤タンク及び流量調整器と、（ｄ）無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を備える。【選択図】１２Ａ
2020537323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成装置であって、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が、前記プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、前記プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、前記プラズマ生成チャンバの中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を含む磁石システムと、
（ｃ）前記プラズマ生成チャンバと連通し、前記プラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）前記プラズマ生成チャンバにとって外部であり、前記第１の閉端部の外面に配置された平坦な渦巻き形領域を備え、ＡＣ電源に電気的に結合され、前記プラズマ生成チャンバの内部領域にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を備える、プラズマ生成装置。
【請求項２】
前記平坦な渦巻き形領域が１〜１０巻きを有する、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記平坦な渦巻き形領域が、渦巻き形領域の半径を備え、前記第１の閉端部が閉端部の半径を備え、前記渦巻き形領域の半径が前記閉端部の半径の１０％〜１００％である、請求項１または２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記渦巻き形領域が、前記プラズマ生成チャンバの中に発生した磁場で建設的干渉を引き起こすように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
前記ＲＦアンテナが、前記筒体の周りに配置されたコイル状領域をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項６】
前記コイル状領域が、コイル、螺旋、または半螺旋から成るグループから選択される、請求項５に記載のプラズマ生成装置。
【請求項７】
前記コイル状領域が２〜５０巻きを有する、請求項５または６に記載のプラズマ生成装置。
【請求項８】
前記コイル状領域及び前記渦巻き形領域が同じ方向で巻き付けられる、請求項５〜７のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項９】
前記コイル状領域及び前記渦巻き形領域が右回り方向で巻き付けられる、請求項８に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１０】
前記渦巻き形領域及び前記コイル状領域が、前記プラズマ生成チャンバの中で発生した磁場で建設的干渉を引き起こすように構成される、請求項５〜９のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１１】
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が前記ＲＦエネルギーの侵入度（ｐｓ）の１〜７倍に等しい、請求項５〜１０のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１２】
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が前記ＲＦエネルギーの前記侵入度（ｐｓ）の４〜６倍に等しい、請求項１１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１３】
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が、プラズマイオンのラーモア軌道半径（ｐｉ）の１．１〜５．０倍に等しい、請求項５〜１２のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１４】
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が、プラズマイオンの前記ラーモア軌道半径（ｐｉ）の１．１〜３．０倍に等しい、請求項１３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１５】
前記ＲＦエネルギーの周波数が、前記プラズマ生成チャンバの内部で電子サイクロトロン周波数（ｆｃｅ）の２５％未満である、請求項５〜１４のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１６】
前記磁石システムが、前記プラズマ生成チャンバの中に上流の第１のスロート領域を生じさせ、第２の放射状に配置した磁石が、前記プラズマ生成チャンバの中に下流の第２のスロート領域を生じさせ、前記第１のスロート領域及び前記第２のスロート領域が、前記第１のスロート領域または前記第２のスロート領域のどちらかよりも低い磁場強度を有するプラズマ閉じ込め領域により分離される、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１７】
前記第１のスロート領域が、前記第２のスロート領域より高い磁場強度を有する、請求項１６に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１８】
前記磁石システムが、前記第１の閉端部から前記第２の開端部に向けて連続的に減少する磁場強度を生じさせる、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１９】
前記磁石システムが、第１の放射状に配置した磁石の後方に配置された少なくとも１つの平面的な磁石をさらに備え、前記少なくとも１つの平面的な磁石が、前記プラズマ生成チャンバの中に前記１つ以上の放射状に配置した磁石と同じ極性の磁場を生じさせ、前記少なくとも１つの平面的な磁石の前記磁場が、前記プラズマ生成チャンバの前記長手方向軸に実質的に平行である、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２０】
前記ＲＦエネルギーが３〜３００ＭＨｚの周波数を有する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２１】
前記筒体が２０〜７５ｍｍの長さを有する、請求項１〜２０のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２２】
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が５〜２０ｍｍである、請求項１〜２１のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２３】
前記磁石システムが、２５０〜４００ガウスの最小磁場強度を生じさせる、請求項１〜２２のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２４】
前記ＡＣ電源が２５〜５００Ｗの電力を有する、請求項１〜２３のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２５】
前記推進剤がキセノンである、請求項１〜２４のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２６】
前記プラズマ生成装置が、誘導加熱によりプラズマの実質的にすべてをイオン化し、加熱するように構成される、請求項１〜２５のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２７】
プラズマ生成装置であって、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が、前記プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、前記プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、前記プラズマ生成チャンバの中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を備える磁石システムと、
（ｃ）前記プラズマ生成チャンバと連通し、前記プラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）前記プラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、前記プラズマ生成チャンバの内部領域にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を備え、
前記プラズマ生成装置が、誘導加熱によりプラズマの実質的にすべてをイオン化し、加熱するように構成される、プラズマ生成装置。
【請求項２８】
プラズマ生成装置であって、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が前記プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、前記プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、前記プラズマ生成チャンバの中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を備える磁石システムと、
（ｃ）前記プラズマ生成チャンバと連通し、前記プラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）前記プラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、前記プラズマ生成チャンバの内部領域にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を備え、
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が前記ＲＦエネルギーの侵入度（ｐｓ）の１〜７倍に等しい、プラズマ生成装置。
【請求項２９】
プラズマ生成装置であって、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が前記プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、前記プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、前記プラズマ生成チャンバの中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を備える磁石システムと、
（ｃ）前記プラズマ生成チャンバと連通し、前記プラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）前記プラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、前記プラズマ生成チャンバの内部領域にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を備え、
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が、プラズマイオンのラーモア軌道半径（ｐｉ）の１．１〜５．０倍に等しい、プラズマ生成装置。
【請求項３０】
プラズマ生成装置であって、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が前記プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、前記プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、前記プラズマ生成チャンバの中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を備える磁石システムと、
（ｃ）前記プラズマ生成チャンバと連通し、前記プラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）前記プラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、前記プラズマ生成チャンバの内部領域にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を備え、
前記ＲＦエネルギーの周波数が、電子サイクロトロン周波数（ｆｃｅ）の２５％未満である、プラズマ生成装置。
【請求項３１】
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が、前記ＲＦエネルギーの侵入度（ｐｓ）の１〜７倍に等しい、請求項２７及び請求項２９〜３０のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３２】
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が、プラズマイオンのラーモア軌道半径（ｐｉ）の１．１〜５．０倍に等しい、請求項２７〜２８及び請求項３０〜３１のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３３】
前記アンテナがコイル状のアンテナである、請求項２７〜３２のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３４】
前記コイル状アンテナが右巻きである、請求項３３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３５】
前記コイル状アンテナが１〜５巻きを備える、請求項３３〜３４のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３６】
前記コイル状アンテナが、前記プラズマ生成チャンバの中に発生した磁場で建設的干渉を引き起こすように構成される、請求項２７〜３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記ＲＦエネルギーの周波数が、電子サイクロトロン周波数（ｆｃｅ）の２５％未満である、請求項２７〜２９及び３１〜３６のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３８】
前記磁石システムが、前記第１の閉端部に向かう第１の放射状に配置した磁石、及び前記第２の開端部に向かう第２の放射状に配置した磁石を備える、請求項２７〜３７のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３９】
前記第１の放射状に配置した磁石が、前記プラズマ生成チャンバの中に第１のスロート領域を生じさせ、前記第２の放射状に配置した磁石が、前記プラズマ生成チャンバの中に第２のスロートを生じさせ、前記第１のスロート領域及び前記第２のスロート領域が、前記第１のスロート領域または前記第２のスロート領域のどちらかよりも低い磁場強度を有するプラズマ閉じ込め領域により分離される、請求項３８に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４０】
前記第１のスロート領域が、前記第２のスロート領域より高い磁場強度を有する、請求項３８または３９に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４１】
前記磁石システムが、前記第１の放射状に配置した磁石の後方に配置された少なくとも１つの平面的な磁石をさらに備え、前記少なくとも１つの平面的な磁石が、前記プラズマ生成チャンバの中に前記１つ以上の放射状に配置した磁石と同じ極性の磁場を生じさせ、前記少なくとも１つの平面的な磁石の前記磁場が、前記プラズマ生成チャンバの前記長手方向軸に実質的に平行である、請求項２７〜４０のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４２】
前記磁石システムが１〜６個の平面的な磁石を備える、請求項４１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４３】
前記１つ以上の放射状に配置した磁石が環状の磁石である、請求項２７〜４２のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４４】
前記ＲＦエネルギーが３〜３００ＭＨｚの周波数を有する、請求項２７〜４３のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４５】
前記筒体が２０〜７５ｍｍの長さを有する、請求項２７〜４４のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４６】
前記プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が５〜２０ｍｍである、請求項２７〜４５のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４７】
前記磁石システムが、２５０〜４００ガウスの最小磁場強度を生じさせる、請求項２７〜４６のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４８】
前記ＡＣ電源が２５〜５００Ｗの電力を有する、請求項２７〜４７のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４９】
前記推進剤がキセノンである、請求項２７〜４８のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、概してプラズマ生成装置及びプラズマ制御装置、ならびに例えばスラスタを含む衛星推進の分野で使用し得る関連構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
無線周波数（ＲＦ）スラスタは、無線周波数電磁信号を使用してプラズマ推進剤を加速させ、それによって推力を発生させる電気推進システムである。ＲＦスラスタは、電力量及びプラズマ加速機構で大きく異なる。マルチｋＷスケールの比水力可変型プラズマ推進器（ＶＡＳＩＭＲ）エンジン１及び低出力ビーティング静電波（ＢＥＷ）スラスタ概念２等の電磁ＲＦスラスタは、イオンを加速するために電磁力を使用する。ヘリコンダブルレイヤースラスタ（ＨＤＬＴ）３及びネプチューンスラスタ４等の静電ＲＦスラスタは、イオンを加速するために、フリースタンディングＤＣと印加ＲＦ電場の両方を使用する。電子サイクロトロン共鳴スラスタ５、６等の電熱ＲＦスラスタは、主に、印加したＲＦ信号を介した構成プラズマ粒子の加熱によりイオン加速を駆動する。
【０００３】
電気推進のためにＲＦシステムを使用することは、いくつかの利点を提供する。第１に、ＲＦプラズマの発生及び加熱の多大な知識ベースは、プラズマ処理及びプラズマ溶融のコミュニティ７、８における継続中の取り込みによりすでに確立されている。第２に、ＲＦプラズマシステムは、相対的に中程度から低い入力ＲＦ電力で非常に高度にイオン化されたプラズマを効率的に生成し、最終的にはＲＦスラスタの効率を高めることができる９〜１１。第３に、ＲＦ電子活性成分は、主にセルラー及び無線電力産業１２によってなされた進歩を通じて小型化され、低質量収支の宇宙船応用例２３に対するその適合性を高めている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、小型衛星（〜５から〜５００ｋｇ）の集まり及びより大型の衛星の推進力のニーズに応えるために、地上用途で、大規模衛星推進システムで使用され得る、及び／またはＣｕｂｅ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ（ＣｕｂｅＳａｔ）の質量、体積、及び電力量に縮小され得る電熱ＲＦプラズマ生成システム及びスラスタの設計、ならびに関連構成要素を提供する。一部の実施形態では、このプラズマ生成システムを組み込むスラスタ設計は、簡略でスケーラブルかつ効果的である場合があり、低価格大量生産技術を使用し、大量に生成され得る。本設計及び要素は、他のプラズマ生成／スラスタ設計に関連するコスト、複雑さ、及び／または製造の難しさを増加させる浸食性電極及び高圧電子機器の使用を排除する。
【０００５】
一態様では、本発明は、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が、プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、プラズマ生成チャンバ（つまり、筒体）の中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を含む磁石システムと、
（ｃ）プラズマ生成チャンバと連通し、推進剤タンクからプラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）プラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、プラズマ生成チャンバの内部にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を含み、
プラズマ生成装置が、誘導加熱によりプラズマの実質的にすべてをイオン化し、加熱するように構成される、プラズマ生成装置を提供する。
【０００６】
別の態様では、本発明は、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が、プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、プラズマ生成チャンバ（つまり、筒体）の中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を含む磁石システムと、
（ｃ）プラズマ生成チャンバと連通し、推進剤タンクからプラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）プラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、プラズマ生成チャンバの内部にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を含み、
プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）がＲＦエネルギーの侵入度（ｐｓ）の１〜７倍に等しい、プラズマ生成装置を提供する。
【０００７】
別の態様では、本発明は、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が、プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、プラズマ生成チャンバ（つまり、筒体）の中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を含む磁石システムと、
（ｃ）プラズマ生成チャンバと連通し、推進剤タンクからプラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）プラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、プラズマ生成チャンバの内部にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を含み、
プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）が、プラズマイオンのラーモア軌道半径（ｐｉ）の１．１〜５．０倍に等しい、プラズマ生成装置を提供する。
【０００８】
別の態様では、本発明は、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと、
（ｂ）各磁石が、プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、プラズマ生成チャンバ（つまり、筒体）の中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を含む磁石システムと、
（ｃ）プラズマ生成チャンバと連通し、推進剤タンクからプラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）少なくとも１つの渦巻き形領域（例えば、平坦な渦巻き）を含むプラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、プラズマ生成チャンバの内部にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を含む、プラズマ生成装置を提供する。
【０００９】
一部の実施形態では、ＲＦアンテナは、渦巻き（例えば、平坦な渦巻き）を含む第１の領域、及びコイル、螺旋、または半螺旋（ｈａｌｆ−ｈｅｌｉｘ）を含む第２の領域を含む。一部の追加の実施形態では、渦巻き形領域の平面は、第２の領域の長手方向軸に対し垂直または実質的に垂直である。他の実施形態では、ＲＦアンテナは、本明細書に説明するようにＦＳＣＨアンテナである。
【００１０】
別の態様では、本発明は、
（ａ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する実質的に円筒状のプラズマ生成チャンバと
（ｂ）各磁石が、プラズマ生成チャンバの中で同じ極性の磁場を生じさせるように、プラズマ生成チャンバの中に磁場を確立するように構成され、プラズマ生成チャンバ（つまり、筒体）の中心長手方向軸に実質的に平行に配向された１つ以上の放射状に配置した磁石を含む磁石システムと、
（ｃ）プラズマ生成チャンバと連通し、推進剤タンクからプラズマ生成チャンバの中にガス状の推進剤を送達するように構成された推進剤タンク及び流量調整器と、
（ｄ）プラズマ生成チャンバにとって外部であり、ＡＣ電源に電気的に結合され、プラズマ生成チャンバの内部にＲＦエネルギーを送達するように構成された無線周波数（ＲＦ）アンテナと、を含み、
ＲＦエネルギーの周波数は、生成チャンバの内部で電子サイクロトロン周波数（ｆｃｅ）の２５％未満である、プラズマ生成装置を提供する。
【００１１】
上述の態様のいずれかで、プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）は、ＲＦエネルギーの侵入度（ｐｓ）の１〜７倍（例えば、４〜６倍）に等しい。一部の実施形態では、侵入度は、約１．２〜１．９ｍｍ、１．４〜１．８ｍｍ、及び約１．０ｍｍ、１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．３ｍｍ、１．４ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．７ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、及び２．０ｍｍを含む、約１．０〜２．０ｍｍである。プラズマ生成装置が、ここに列挙した侵入度よりも大きいまたは小さい侵入度を生じさせるように構成されてよく、プラズマ生成チャンバのサイズ及び構成、特定の推進剤、アンテナの出力及び構成、プラズマ生成装置の他の設計特徴、ならびにユーザーが所望する性能特性に依存する場合があることを理解されたい。
【００１２】
上述の態様のいずれかで、プラズマ生成チャンバの半径（ＲＬ）は、プラズマイオンのラーモア軌道半径（ｐｉ）の１．１〜５．０倍（例えば、１．１〜４．０及び１．１〜３．０）倍に等しい。一部の実施形態では、プラズマイオン温度は、約０．１ｅＶ（〜１１００Ｋ）、または約０．０８ｅＶ、０．０９ｅＶ、０．１０ｅＶ、０．１１ｅＶ、０．１２ｅＶ、０．１３ｅＶ、０．１４ｅＶ、もしくはそれ以上を含む、約０．０８〜０．１２ｅＶ、０．０９〜０．１１ｅＶである。
【００１３】
上述の態様のいずれかで、アンテナは、コイル状アンテナである、またはコイル状アンテナを含む。任意選択で、コイル状アンテナは右巻きである。任意選択で、コイル状のアンテナは、例えば、少なくとも２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、もしくは４５巻き、または約１〜５、１〜１０、１〜２０、１〜３０、１〜４０、２〜５、２〜１０、２〜２０、２〜３０、２〜４０、２〜５０、５〜１０、５〜２０、５〜３０、５〜４０、または５〜５０巻きを含む、１〜５０巻きを有する。上述の態様のいずれかで、アンテナは、本明細書に説明するようにフラットスパイラルコイルハイブリッド（「ＦＳＣＨ」）である。任意選択で、アンテナ（例えば、コイル状のアンテナまたはＦＳＣＨアンテナ）は、プラズマ生成チャンバの中で生じる磁場で建設的干渉を引き起こすように構成される。任意選択で、アンテナ（例えば、コイル状のアンテナまたはＦＳＣＨアンテナ）は、プラズマ生成チャンバの内部で複数の（実質的に大半のまたはすべても含む）磁力線上で電子をシードし（ｓｅｅｄ）、加速するように構成される。上述の態様のいずれかで使用するための他のアンテナ設計は、半螺旋アンテナ、螺旋アンテナ、及びフラットスパイラルアンテナを含む。
【００１４】
上述の態様のいずれかで、ＲＦエネルギー周波数は、プラズマ生成チャンバの実質的に大部分、大部分、または全体で電子サイクロトロン周波数（ｆｃｅ）の２５％未満（例えば、２０％、１５％、１０％、または５％未満）である。
【００１５】
上述の態様のいずれかで、磁石システムは、第１の閉端部に向かう第１の放射状に配置した磁石、及び第２の開端部に向かう第２の放射状に配置した磁石を含む。任意選択で、第１の放射状に配置した磁石は、プラズマ生成チャンバの中に第１のスロート領域を生じさせ、第２の放射線上に配置した磁石は、プラズマ生成チャンバの中に第２のスロート領域を生じさせ、第１のスロート領域及び第２のスロート領域は、第１のスロート領域または第２のスロート領域のどちらかよりも低い磁場強度を有するプラズマ閉じ込め領域により分離される。一部の構成では、第１のスロート領域は、第２のスロート領域と実質的に同じまた第２のスロート領域よりも高い磁場強度を有する。
【００１６】
任意選択で、第１の放射状に配置した磁石の前に（つまり、第１の閉端部により近く）配置された少なくとも１つの平面的な磁石（例えば、１、２、３、４、５、６、もしくはそれ以上、または１〜２、１〜３、１〜４、１〜５、１〜６、もしくはそれ以上、または２〜３、２〜４、２〜５、２〜６、もしくはそれ以上、または３〜４、３〜５、３〜６、もしくはそれ以上、または４〜５もしくは４〜６もしくはそれ以上）を含み、少なくとも１つの平面的な磁石は、１つ以上の放射状に配置した磁石と同じ極性の磁場をプラズマ生成チャンバの中で生じさせ、少なくとも１つの平面的な磁石の磁場は、プラズマ生成チャンバの長手方向軸に実質的に平行である。
【００１７】
上述の態様のいずれかで、プラズマ生成装置は、１〜２０の放射状に配置した磁石（例えば、１、２、３、４、５、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、または２０、または２〜２０、２〜１０、２〜８、２〜６、もしくは２〜４、または４〜２０、４〜１０、４〜８、もしくは４〜６）を含む。一部の実施形態では、放射状に配置した磁石は環状の磁石である。
【００１８】
一部の実施形態では、磁石及び／または磁石システムは、プラズマ生成チャンバの長さ全体で同軸方向で、少なくとも２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、３７０、３８０、３９０、もしくは４００ガウス、またはそれ以上の磁場を、プラズマ生成チャンバの内部に生じさせるように適応され、構成される。一部の実施形態では、プラズマ生成チャンバの長さでの最小磁場強度は、約２５０〜４００ガウス、２５０〜５００ガウス、３００〜４００ガウス、または３００〜５００ガウスである。
【００１９】
上述の態様のいずれかで、放射状に配置した磁石及び／または平面的な磁石（複数可）は、別々に電磁石、永久磁石、またはその組み合わせである。
【００２０】
上述の態様のいずれかで、ＲＦエネルギーは、３〜３００ＭＨｚの周波数を有する。
【００２１】
上述の態様のいずれかで、推進薬タンク及び流量調整器は、第１の（閉）端部を通してプラズマ生成チャンバと連通し、中心長手方向軸またはそれに平行な軸に沿ってガス状の推進剤を送達するように構成される。代わりに、推進剤タンク及び流量調整器は、筒体を通してプラズマ生成チャンバと連通し、任意選択で、中心長手方向軸に垂直な、実質的に垂直な、または約１５°、３０°、４５°、６０°、または７５°の軸に沿ってガス状の推進剤を送達する。
【００２２】
一部の実施形態では、推進剤（例えば、キセノン）流量は、約０．０１、０．０５、０．１０、０．２０、０．３０、０．４０、０．５０、０．６０、０．７０、０．８０、０．９０、及び１．０ｍｇ／秒を含む、例えば０．０５〜２．０ｍｇ／秒、０．０５〜１．０ｍｇ／秒、０．０５〜０．７５ｍｇ／秒、０．０５〜０．５ｍｇ／秒、０．１〜２．０ｍｇ／秒、０．１〜１．０ｍｇ／秒、０．１〜０．７５ｍｇ／秒、０．１〜０．５ｍｇ／秒を含む約０．０１〜２．０ｍｇ／秒である。上述の流量は例示的であり、限定的となることを意図しない。プラズマ生成装置のサイズ、出力、及び他の設計特徴、使用される特定の推進剤、ならびにユーザーが所望する性能特性に応じて、より高いまたはより低い推進剤流量を使用し得ることを理解されたい。
【００２３】
一部の実施形態では、ＡＣ電源が、例えば約５０〜５００Ｗ、５０〜２５０Ｗ、もしくは約２５Ｗ、５０Ｗ、７５Ｗ、１００Ｗ、１５０Ｗ、２００Ｗ、２５０Ｗ、３００Ｗ、３５０Ｗ、４００Ｗ、４５０Ｗ、及び５００Ｗを含む２５〜５００Ｗをアンテナに提供する。一部の実施形態では、ＡＣ電力は、１５０Ｗ、２００Ｗ、２５０Ｗ、３００Ｗ、３５０Ｗ、４００Ｗ、４５０Ｗ、及び５００Ｗ未満である。プラズマ生成装置のサイズ、推進剤、及び他の設計特徴、ならびにユーザーが所望する性能特性に応じて、より高いまたはより低い電力を使用し得ることを理解されたい。
【００２４】
一部の実施形態では、プラズマ生成チャンバの大きさが決定され、プラズマ生成装置は、推進剤の少なくとも約５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、または９９％をイオン化するように適応され、構成される。一部の実施形態では、プラズマ生成チャンバは、約２０〜７５ｍｍ及び２５〜５０ｍｍ、ならびに約１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ、４５ｍｍ、５０ｍｍ、５５ｍｍ、６０ｍｍ、６５ｍｍ、７０ｍｍ、７５ｍｍ、８０ｍｍ、８５ｍｍ、９０ｍｍ、９５ｍｍ、１００ｍｍを含む約１５〜１００ｍｍの閉端部から開端部までの長さを有する。プラズマ生成チャンバがより短いまたはより長い場合があり、特定の長さは、プラズマ生成装置の設計特徴及びユーザーが所望する性能特性に従って変わる場合があることを理解されたい。
【００２５】
一部の実施形態では、プラズマ生成装置は、プラズマ生成チャンバが、例えば侵入度の約３〜９、４〜８、５〜８、及び５〜７倍、ならびに侵入度の約２、３、４、５、６、７、８、９、及び１０倍を含む、本明細書に説明するように侵入度の２〜１０倍である半径（ＲＬ）を有するように構成され、適応される。
【００２６】
一部の実施形態では、半径（ＲＬ）は、約８〜１６ｍｍ及び約１０〜１５ｍｍ、ならびに約６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ、１８ｍｍ、及び２０ｍｍを含む約５〜２０ｍｍである。プラズマ生成チャンバがより小さいまたはより大きい半径を有する場合があり、侵入度及びユーザーが所望する他の性能特性を含む、プラズマ生成装置の設計特徴に従って変わる場合があることを理解されたい。
【００２７】
一部の実施形態では、プラズマ生成装置は、ｃｍ３あたり約１０１２〜１０１４粒子、及びｃｍ３あたり約１０１１、１０１２、１０１３、１０１４、１０１５粒子を含む、ｃｍ３あたり約１０１１〜１０１５粒子のプラズマ密度を生じさせるように構成される。
【００２８】
上述の態様のいずれかの一部の実施形態では、プラズマ生成装置は、以下の通りに適応され、構成される。
（ｉ）推進剤流量：０．１〜０．５ｍｇ／秒（例えば、キセノン）、
（ｉｉ）ＡＣ電力：１００〜２００Ｗ（例えば、約１２５Ｗまたは１５０Ｗ）、
（ｉｉｉ）プラズマ生成チャンバ長：約２５〜５０ｍｍ、
（ｉｖ）プラズマ生成チャンバ半径（ＲＬ）：１０〜１５ｍｍ（例えば、１２ｍｍ）、及び
（ｖ）最小磁場強度：２５０〜３５０Ｇ（例えば、３００Ｇ）
【００２９】
別の態様では、本発明は、上述の態様のいずれかのプラズマ生成装置を含む衛星推進システム（例えば、衛星スラスタ）を含むスラスト生成装置（つまり、スラスタ）を提供する。一部の実施形態では、スラスタは無電極である（つまり、推進剤からプラズマを生成するように構成または適応された電極を欠く）。
【００３０】
別の態様では、本発明は、本明細書に説明するフラットスパイラルコイルハイブリッド（「ＦＳＣＨ」）アンテナを提供する。ＦＳＣＨは、平坦な渦巻き形部分及びコイル状部分を含み、平坦な渦巻き形部分の平面は、コイル状部分の長手方向軸に垂直または実質的に垂直である。渦巻き形部分は、中心点から始まり、外側に延在する。渦巻きは、コイル部分への接続部で終端する。ＦＳＣＨアンテナへの電気入力は、中心点の渦巻き形部分の始まりにある。
【００３１】
別の態様では、本発明は、（ｉ）筒体、第１の閉端部、及び第２の開端部を有する円筒状のチャンバ、及び（ｉｉ）平坦な渦巻き形部分及びコイル状部分を含むＦＳＣＨアンテナを含む装置を提供し、平らな渦巻き形部分は、コイル状部分の長手方向軸に垂直または実質的に垂直であり、渦巻き形部分は、第１の閉端部の中に、上に、または隣接して配置され、及び／またはコイル部分は、筒体に巻き付けられ、任意選択で筒体または筒体の外面上の溝の中に埋め込まれる。ＦＳＣＨアンテナは、筒体の中で発生する磁場で建設的干渉を引き起こすように構成される。
【００３２】
上述の態様のいずれかにおけるＦＳＣＨアンテナの一部の実施形態では、アンテナは右巻きである。他の実施形態では、アンテナは左巻きである。
【００３３】
上述の態様のいずれかのＦＳＣＨアンテナの一部の実施形態では、コイル部分は半螺旋である。任意選択で、ＦＳＣＨアンテナのコイル状部分は、例えば少なくとも２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、もしくは４５巻き、または約１〜５、１〜１０、１〜２０、１〜３０、１〜４０、２〜５、２〜１０、２〜２０、２〜３０、２〜４０、２〜５０、５〜１０、５〜２０、５〜３０、５〜４０、もしくは５〜５０巻き）を含む、１〜５０巻きを有する。任意選択で、アンテナの渦巻き形部分は、例えば少なくとも２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、もしくは４５巻き、または１〜５、１〜１０、１〜２０、１〜３０、１〜４０、２〜５、２〜１０、２〜２０、２〜３０、２〜４０、２〜５０、５〜１０、５〜２０、５〜３０、５〜４０、もしくは５〜５０巻き）を含む１〜５０巻きを有する。
【００３４】
上述の態様のいずれかのＦＳＣＨアンテナの一部の実施形態では、ＦＳＣＨアンテナは平角線を含む（つまり、フラットコイルハイブリッドアンテナ（「ＦＳＣＨ］）を形成する）。他の実施形態では、ＦＳＣＨは、円形または楕円形のワイヤを含む。
【００３５】
上述の態様のいずれかのＦＳＣＨアンテナの一部の実施形態では、ＦＳＣＨアンテナは、電源（例えば、電池、ソーラーパネル、及びグリッドパワー）に動作可能に接続される。一部の実施形態では、電源はＡＣ電源である。
【００３６】
「ＡＣ電源」により、下流の構成要素に交流を提供する上流の構成要素を意味する。ＡＣ電源は、直接的に交流電流を提供する場合もあれば、直流（ＤＣ）電源及びインバータ等のＤＣ／ＡＣ変換器、及び任意選択で電力増幅器の組み合わせである場合もある。任意選択で、ＡＣ電源は、「マッチング回路」と呼ぶ受動電気回路を介してアンテナに結合されてよい。
【００３７】
「ＨＦバンド」または「高周波帯域」により、３〜３０ＭＨｚの周波数を有する無線周波数（ＲＦ）または電磁放射波の範囲を意味する。
【００３８】
「イオン」により、負に帯電した電子から区別するように、中性推進剤ガスから形成される正に帯電したプラズマイオンを意味する。
【００３９】
「プラズマ」により、主に自由な負に帯電した電子及び正に帯電したイオンから成る中性推進剤ガスから生成された物質のイオン化された状態を意味し、帯電した粒子の密度ｎｅは、システム内の総粒子の密度ｎＴ（荷電及び中性）の０．５％よりも大きい。つまり、ｎｅ／ｎＴ＞０．００５である。
【００４０】
「プラズマライナー」により、推進剤がプラズマを形成するためにイオン化される物理的なチャンバを意味する。一部の実施形態では、プラズマライナーは、筒体、閉端部、及び開端部を有する円筒状である。推進剤は、閉端部の開口またはノズルを通してプラズマライナーの中に導入されてよい。代わりに、推進剤は、本明細書に説明するように、筒体（つまり、側壁）に導入されてもよい。通常、推進剤は、閉端部でまたは閉端部の近くで（つまり、筒体の上流５％、１０％、１５％、２０％、または２５％の中で）筒体を通して導入される。開端部は、本明細書に説明する関連付けられた磁場と併せて、プラズマライナーの中からプラズマを向けるためのノズルを形成するプラズマの出口としての機能を果たす。プラズマライナーは、プラズマ誘起腐食及び／または浸食に耐性を示す任意の適切な材料から構築されてよい、つまり任意の適切な材料で補強されてよい。適切なプラズマライナー材料は、例えば、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、及びＭａｃｏｒ（登録商標）等の多様なセラミックス、ホウケイ酸塩、石英、及びＰｙｒｅｘ（登録商標）等のガラス、ならびにグラファイト、タングステン、炭素、タンタル、及びモリブデン等の高融点金属を含む。
【００４１】
「プルーム」により、プラズマライナーの開端部のすぐ外側にあり、プラズマライナーの中からのプラズマイオン及び電子の放出によって形成される領域を意味する。「プルーム」は、概してスラスタ適用におけるスラスタのプルーム、または特にプラズマイオンがそこから排出されるスラスタのプラズマライナー構成要素のプルームを指す場合がある。
【００４２】
「推進剤」により、プラズマにイオン化することが可能である中性ガスを意味する。本発明での使用に適した典型的な推進剤は、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、及びラドン等を含む希ガス、例えば、水、ヨウ素、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、空気、メタン（ＣＨ４）、及び様々な炭化水素化合物等の分子、ならびに例えばセシウム、ナトリウム、及びカリウム等のアルカリ金属を含む。混合希ガス及び他のガスも推進剤として使用し得る。
【００４３】
「ＶＨＦ帯域」つまり「非常に高い周波数帯域」により、例えば約１００〜３００ＭＨｚ、１５０〜３００ＭＨｚ、２００〜３００ＭＨｚ、１００〜２５０ＭＨｚ、１５０〜２５０ＭＨｚ、及び１００〜２００ＭＨｚでの帯域を含む、３０〜３００ＭＨｚの周波数を有する無線周波数（ＲＦ）または電磁放射波の範囲を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】プラズマライナー、ＲＦアンテナ、及び中性推進剤ガスの注入の原理を示すプラズマ生成装置の概略図である。
【図２】本明細書に説明するコイル状のアンテナによりキセノンプラズマ内で誘導される磁場の強度及び方向を示すＣＳＴシミュレーション出力である。
【図３】本明細書に説明するプラズマ生成／スラスタ装置内での３つの異なる推進剤（キセノン）流量の測定されたプルーム密度‐温度生成物（ｙ軸）対入力電力（ｘ軸）の二乗を示す散布図である。
【図４】図４Ａは、本明細書に説明するＡ６アンテナ設計により駆動されるプラズマ内部のＣＳＴモデル化軸誘導磁場の２次元投影である。図４Ｂは、磁場強度対Ｚ＝７ｍｍで図４Ａに示す半径
【化１】
2020537323.tif 000003
の断面図である。
【図５】図５Ａは、本明細書に説明するＡ２アンテナ設計により駆動されるプラズマの内部のＣＳＴモデル化軸誘導磁場の２次元投影である。図５Ｂは、磁場強度対Ｚ＝７ｍｍで図５Ａに示す半径
【化２】
2020537323.tif 000004
の断面図である。
【図６】図６Ａ〜図６Ｄは、それぞれがアンテナＲＦ電力の関数として、ラングミュアプローブにより排気プルームの中で測定される、アンテナＡ２（正方形）及びアンテナＡ６（円形）を使用するプラズマ生成装置の性能試験結果を示す一連のグラフである。図６Ａはプルーム温度を示す。図６Ｂはプルーム密度を示す。図６Ｃは相対電流密度を示す。図６Ｄは、入力電力のワットあたりの相対電流密度を示す。
【図７】図７Ａは、初期電子速度／運動エネルギーの関数として電子の運動エネルギーの変動を明示するグラフである。図７Ｂは、異なるＲＦ駆動周波数に対する電子の運動エネルギーの変動を示すグラフである。濃い水平線の間の領域は、中性キセノン原子をイオン化するための電子の最適エネルギー範囲に相当する（４０〜６０ｅＶ）。
【図８】初期電子運動エネルギー及びＲＦ周波数の関数として中性推進剤ガスのイオン化の相対的な確率を示す３次元グラフである。
【図９】プラズマ生成装置／スラスタのプルームを試験するためのセットアップの概略図である。プラズマ生成装置（ＲＦＴ現像ユニット）はフィードスルーを有する真空チャンバの端部に向けて取り付けられる。ファラデープローブ（ＦＰ）は、スラスタオリフィスと並べて置かれた回転マウント上に示される。電力（Ｐ）及び質量流量制御（ＭＦＣ）も示される。
【図１０】図１０Ａ〜図１０Ｄは、０．３ｍｇ／秒及び２０Ｗの推進剤質量流量でのＲＦＴ現像ユニットのプルーム中での一連のラングミュアプローブトレースである。図１０Ａは全体的なトレースを示す。図１０Ｂは、下向き矢印により記すように、電子ビーム署名の出現を強調表示するためにズームされた、リニアフィットを使用する、イオン飽和電流を差し引いた全体的なトレースを示す。図１０Ｃは、電子流の自然対数を示し、高速電子ビームにより、及び電子飽和により生成される特徴を強調表示する。この計算を正確に実行するためには最初にビーム電子を差し引かなければならないため、点線の傾きの逆数は、電子温度を計算するために使用されなかった。図１０Ｄは、電子流の第１の導関数を示し、電子飽和への遷移を強調表示する。
【図１１】印加電力の関数として、０．３及び０．５ｍｇ／秒の推進剤質量流量での、本明細書に説明する現像ユニットのプルーム内でのプラズマ密度を示す散布図である。黒い正方形は、３ｍｇ／秒の推進剤質量流量での最適化されていない初期の生成プロトタイプの基準データ点を示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本明細書に説明する原理を具体化する統合スラスタ設計の断面での概略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、フラットスパイラルコイルハイブリッドアンテナを有する統合スラスタ設計の断面での概略図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、フラットスパイラルコイルハイブリッドアンテナ、及び平面的な磁石及び放射状に配置した磁石を含む磁石システムの両方を有する統合スラスタ設計の断面での概略図である。
【図１３】図１３Ａは、図１２Ａ〜図１２Ｃに説明するプラズマライナーの長手方向の長さを横切る磁場強度の１つの構成を示すグラフであり、図１２Ａ〜図１２Ｃでは、磁場強度は、プラズマライナー／プラズマ生成チャンバの開端部に向かって増大し、それによって開端部に向かって及び開端部を通って減少する前に、画定された「スロート」部５３を形成する。図１３Ｂは、図１２Ａ〜図１２Ｃに説明するプラズマライナーの長手方向の長さを横切る磁場強度の別の構成を示すグラフであり、図１２Ａ〜図１２Ｃでは、磁場強度は、閉端部から開端部に連続的に減少している（または少なくとも増大しない）。スロート部５３は、閉端部から開端部への長手方向軸に沿った磁場強度の変化（減少）率の減少を表す。
【図１４】図１４Ａは、本明細書に説明するＦＳＣＨ−ＲＦＴ統合スラスタ設計により生じる測定された推力を示す散布図である。図１４Ｂは、本明細書に説明するＦＳＣＨ−ＲＦＴ統合スラスタ設計により生じる測定された比推力を示す散布図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明は、小型衛星（〜５から〜５００ｋｇ）の集まり及び完全電気式衛星バスの推進力のニーズに応えるために、Ｃｕｂｅ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ（ＣｕｂｅＳａｔ）の質量、体積、及び電力量に縮小され得る、電熱ＲＦスラスタ設計及び関連構成要素を提供する。本明細書に説明する原理に従って構築された推進システムは、他の推進技術を使用する既存のシステムに比較して簡略でスケーラブル、堅牢、かつ比較的安価であり得る。
【００４６】
プラズマ生成機器
図１は、プラズマ生成チャンバ及び関連構成要素のコア構成要素の概略図である。推進剤ガスは、開端部１２の方向で閉端部１１から（例えば、円筒状の）プラズマライナーの長手方向軸に沿ってプラズマライナー１０の中に注入される。プラズマライナー１０は、交流電流がそれを通して高周波（ＨＦ）（それぞれ３から３０ＭＨｚ及び３０から３００ＭＨｚ）内の指定されたＲＦ周波数で非常に高い周波数（ＶＨＦ）帯域に駆動される誘導ＲＦアンテナ２０によって囲まれる。交流電流は、例えば特定の地上用途の交流電源（例えば、グリッドパワー）から、または他の地上用途及び宇宙（軌道上）用途のためのソーラーパネル及び／またはＤＣ電池から供給されてよい。ＤＣ電流が、例えばインバータ、及び必要な場合、電力増幅器を含む様々な手段を通してＡＣに変換され得ることは周知である。任意選択で、ＡＣ電源は、例えば、ＲＦマッチング回路を含む一連の受動電気素子を通してアンテナ２０に接続される。図１は、簡単にするために、及び本発明の原理を示すために、アンテナ２０をコイル状アンテナとして示す。コイル状アンテナは、本発明の様々な態様で使用され得るアンテナの種類に対して限定的ではない。
【００４７】
ライナー１０及びアンテナ２０は、発生した磁場（図示せず）の内部に配置される。磁場は、プラズマライナー１０の中の位置の関数として指定された強度を有する。磁場は、ライナー１０の中から移動する加速したプラズマ粒子の基準フレーム内で急速に放射状に拡大し、それによって「磁気ノズル」を形成する。ライナー１０の内部の磁場強度は、ライナー１０の中で発生するイオンが「弱く磁化される」ほどであり、これが、磁場に垂直の特定の温度下のイオンが、ライナー１０の内壁と交差する軌道を有さないことを暗示する。中性推進剤ガスがライナー１０の中に注入されると、アンテナ２０内の電流によって発生する誘導振動磁場は推進剤ガスをイオン化するだけではなく、次いでその後のプラズマも加熱する。ＲＦ点火またはプラズマ加熱には、複数のＲＦ段も余分な電子発生機構も使用されない。加熱は、電子に直接的に影響を与える。電子は、アンテナ２０から近接ＲＦ場２１との誘導的相互作用及び確率的相互作用を通して非常に高いエネルギー（≧５０ｅＶ）まで加速される。ライナー１０の内部で著しい弾性衝突を受ける電子は、ライナー１０の長手方向壁と実質的に平行に通る磁力線に沿って急速に拡大する。
【００４８】
本明細書でより詳細に説明するように、ライナー１０の中の磁場の幾何学形状は、電子が、中性粒子との電子衝突を介して推進剤ガスの著しいイオン化を生じさせるために高い中性（つまり、非イオン化推進剤）密度の領域内で十分な時間を維持すること、及び失われる電子が、ライナー１０の閉端部１１に向かって上流よりむしろ、主に磁気ノズル内の拡大により失われることを確実にする。スラスタのプルームへの電子の急速な束は、スラスタ内での瞬時電荷不均衡を生じさせる。よりゆっくりと正に帯電した推進剤（例えば、キセノン）イオンは、次いでシステムの中からの粒子の全体的な二極性の束を満たすほど十分な速度で電荷不均衡によってプラズマライナー１０の中から押し出される。その中で生じるイオン加速は、プラズマライナー１０及びその関連構成要素がスラスタに統合されるときの主な推力のソースである。
【００４９】
プラズマライナー幾何学形状に対する誘導加熱の影響
プラズマ粒子を加熱するアンテナによって生成されるＲＦ場２１は、アンテナ２０内の電流により直接的に誘導される。波加熱式プラズマ放電とは異なり、この生成／スラスタ設計におけるプラズマは、ヘリコン放電１３等のプラズマ内で放たれる（非エバネセント）波動を伝搬することによって加熱されない。「電子サイクロトロン共鳴」ソースと異なり、ＲＦ信号は、プラズマ内での粒子の動きと「共鳴」する必要はない。この設計での加熱機構は、Ｋｉｎｄｅｒ及びＫｕｓｈｎｅｒ１４により説明される、彼らのシステムが低磁場にあったシミュレーションにおける加熱機構に類似している。係るシステムでは、アンテナにより誘導される場は、プラズマ中の荷電粒子の動きによって部分的に遮断／減衰する。これは、アンテナ２０から発し、線がプラズマを貫通するにつれ濃さが薄くなっていく曲線状の波線２１により図１に表される。この減衰が発生するスケール長は、「侵入度」１５により求められ、
【数１】
2020537323.tif 000005
上式では、ｐｓは侵入度であり、ｃは真空中での光の速度であり、ωｐｅは、毎秒ラジアン単位の電子プラズマ周波数である。電子プラズマ周波数は次式で示され、
【数２】
2020537323.tif 000006
上式では、ｎｅは、立方センチメートル（ｃｍ−３）あたりの粒子中のプラズマの電子密度である１６。式（１）及び（２）から、侵入度が電子密度の平方根に反比例することがわかる。したがって、プラズマ密度が増加すると、アンテナ誘導波動場の振幅は、プラズマ内の半径方向位置に対してより急速に減衰する。
【００５０】
侵入度の影響は、コンピュータシミュレーション技術（ＣＳＴ）シミュレーションを使用してシミュレートされ、図式的な結果が図２に示される。シミュレーションは、ｎｅ＝１０１３ｃｍ−３でプラズマ１３に巻き付けられたコイルアンテナ２２、及び
【数３】
2020537323.tif 000007
軸に沿って均一な６００ガウスの磁場を使用した。図２は、
【数４】
2020537323.tif 000008
平面内でアンテナ２２及びプラズマ１３の中心を通る切断部を示す。シミュレーションでは、ＲＦ信号はアンテナ２２を通して印加され、結果として生じた電磁場はドメインの中のあらゆるところで計算された。誘導磁場は、局所的なベクトル矢印により表される。矢印のサイズ及び濃淡が局所的な場の強さを表し、より明るい／より大きい矢印の方がより強く、より小さい／暗い矢印の方がより弱い。アンテナに近い場は強く、電界強度は、場が貫通するプラズマの中により遠く侵入するほど減衰する。軸方向の誘導磁場が、真空がソレノイドコアにある多巻ソレノイドコイルまたは（図２のアンテナ２２等の）アンテナの内部体積全体で大部分は均一であることは周知である。したがって、プラズマ中の誘導場の観察された減衰は、ＣＳＴシミュレーションが、既知のプラズマ侵入度の影響を正確に示していることを示す。
【００５１】
上述したように、プラズマ中のこれらの誘導磁場は、構成粒子を加熱する。アンテナからの振動磁場は、ファラデーの法則により説明されるプラズマ中の時間変化する電場を誘導し、これがその後プラズマ中の電流及び電子の動きを駆動する。高速電子の一部は、電子衝撃によって中性推進剤背景粒子をイオン化し、他の高速電子は、プラズマライナーを逃れ、よりゆっくりと正に帯電したイオンをスラスタの中から電気的に引き出し、スラストを生成する、またはそれ以外の場合イオンが生成チャンバを逃れることを可能にする（つまり、非スラスト生成用途）。
【００５２】
電気アンテナ信号からプラズマへのこのエネルギー移動の方法は、「誘導結合」として知られ、プラズマ処理コミュニティ７において十分に裏付けられ、研究されている。したがって、高速電子を加速する誘導電場の大きさは、アンテナにより駆動される局所的な振動磁場の振幅に正比例する。この「誘導」加熱の影響は、アンテナの近くのプラズマの端縁でもっとも顕著であり、プラズマアンテナシステムの中心近くで弱まる。既存のＲＦプラズマシステムでは、プラズマの物理的範囲は５〜１０ｐｓよりも著しく大きい。それらのシステムでは、誘導加熱の影響は、プラズマの内部バルクの中ではなく、プラズマライナー壁に比較的に近いプラズマの小さな体積で起こる。これらのより大規模なシステムは、（例えば、参考文献１３、１４、及び１７においてのように）より大きい内部プラズマ体積内にエネルギーを堆積するために、プラズマ中の伝搬波への、誘導場のより複雑な結合に依存する。
【００５３】
したがって、一態様では、本発明は、推進剤のすべてまたは実質的にすべてがイオン化される、及び／またはプラズマ生成チャンバ（例えば、プラズマライナー）の中に含まれるプラズマが、アンテナにより生じる振動磁場により誘導される誘導加熱により生成または加熱される、（例えば、スラスタ内での使用のための）プラズマ生成システムを提供する。特に、約７ｐｓ、６．５ｐｓ、６ｐｓ、５．５ｐｓ、５ｐｓ、４．５ｐｓ、４ｐｓ、３．５ｐｓ、３ｐｓ、２．５ｐｓ、もしくは２ｐｓ未満である半径（ＲＬ：プラズマライナーの半径）を有するとしてのプラズマ生成チャンバ（例えば、プラズマライナー）の寸法、つまりＲＬは、約１〜６ｐｓ、２〜６ｐｓ、３〜６ｐｓ、４〜６ｐｓ、５〜６ｐｓ、１〜５ｐｓ、２〜５ｐｓ、３〜５ｐｓ、４〜５ｐｓ、１〜４ｐｓ、２〜４ｐｓ、３〜４ｐｓ、１〜３ｐｓ、２〜３ｐｓ、もしくは１〜２ｐｓである、またはＲＬは、約１ｐｓ、２ｐｓ、３ｐｓ、４ｐｓ、５ｐｓ、６ｐｓ、もしくは７ｐｓである  。この関係は、数学的に以下のように表現される場合がある。
ＲＬ  ≦  １〜７ｐｓ  （３）
【００５４】
推進剤がキセノンである場合、システムは、例えば、ＲＬ＝４〜６ｐｓ、ＲＬ＝５〜６ｐｓ、ＲＬ＝３〜５ｐｓ、ＲＬ＝３〜４ｐｓ、またはＲＬ≒３ｐｓ、ＲＬ≒４ｐｓ、ＲＬ≒５ｐｓ、もしくはＲＬ≒６ｐｓであるときを含む、ＲＬ＝３〜６ｐｓのときに最適化される。ＲＬとｐｓの関係性を記述する式（３）の補因子が、キセノン推進剤（図２）を使用し、シミュレーションで決定されたことを理解されたい。この関係性を記述する補因子は、推進剤ガス種、アンテナの動作電力及び構成、ならびにプラズマライナーの中の磁場強度に基づいて変化する場合がある。
【００５５】
適切に小さいプラズマライナー半径を維持することにより、すべてのプラズマ生成ＲＦシステム及びプラズマ推進ＲＦシステムにおいて、及び特に小型化したＲＦシステムにおいていくつかの利点が実現される。具体的には、これらの利点は以下を含む。
（ｉ）複雑な高周波結合に依存しない実質的により簡略なＲＦプラズマシステムを可能にすることと、
（ｉｉ）プラズマ体積の大部分（実質的にはすべて）を通して主に単一で主要な加熱機構を維持し、より簡略な最適化を確保すること、
（ｉｉｉ）アンテナへの低電力入力でプラズマの中への高い電力堆積を確保する高いＲＦプラズマ体積電力密度を可能にすること、ならびに
（ｉｖ）小型衛星及びＣｕｂｅ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ用途でスラスタを実装可能にすること。
【００５６】
侵入度（ｐｓ）とＲＬとの関係性の上記の理解により、いくつかの設計原則が確立される。プラズマライナーの半径を小さくしすぎると、加熱されるプラズマが少なくなりすぎ、壁との相互作用に対して失われるプラズマが多くなりすぎ、その両方ともが推力性能及び／またはプラズマ総出力を大きく削減する。さらに、プラズマライナーは、完全な荷電粒子軌道が存在できるほど十分に大きくなくてはならない。つまり、ライナー内の磁場の周りでのイオン及び電子の軌道上の動きは、ライナー壁と交差してはならない。概して電子よりも著しく大量であるイオンは、電子よりも著しく大きい磁気「ラーモア」軌道を有し、したがってプラズマライナーの最小半径上の境界軌道となる。温度Ｔｉでのイオンの分布におけるイオンの平均軌道は、以下により示され、
【数５】
2020537323.tif 000009
上式では、ｐｉは平均イオンラーモア軌道半径であり、Ｍｉはイオン質量であり、ｋＢはボルツマン定数であり、ｅは基本的な電荷であり、Ｂは背景ＤＣ磁場強度である。
【００５７】
係るシステムでの典型的なイオン温度は、０．０２ｅＶから１０ｅＶに及び、１ｅＶは１１，６００Ｋに相当する。一実施例として、ＲＦＴ−２放電の典型的な状況は、０．１ｅＶイオン、及び５００Ｇ背景磁場を有するキセノンプラズマであり、ｐｉ＝７．４ｍｍを生じさせる。
【００５８】
上記２つの条件を結合すると、ＲＬ≦５ｐｓは、プラズマライナーの最適なサイズのための以下である幾何学的境界を生じさせ、
【数６】
2020537323.tif 000010
または、より簡略化された形で、
ｐｉ＜  ＲＬ  ＜  （５ｃ／ωｐｅ）  （５Ｂ）
または
ｐｉ＜  ＲＬ  ＜  ５ｐｓ  （５Ｃ）
【００５９】
一部の実施形態では、ＲＬは、１．１ｐｉ、１．５ｐｉ、２．０ｐｉ、２．５ｐｉ、３．０ｐｉ、３．５ｐｉ、４．０ｐｉ、または４．５ｐｉより大きいが、５．０ｐｉ未満である。他の実施形態では、ＲＬは、１．１ｐｉ、１．５ｐｉ、２．０ｐｉ、２．５ｐｉ、３．０ｐｉ、３．５ｐｉ、または４．０ｐｉよりも大きいが、４．５ｐｉ未満である。他の実施形態では、ＲＬは、１．１ｐｉ、１．５ｐｉ、２．０ｐｉ、２．５ｐｉ、３．０ｐｉ、または３．５ｐｉよりも大きいが、４．０ｐｉ未満である。他の実施形態では、ＲＬは、１．１ｐｉ、１．５ｐｉ、２．０ｐｉ、２．５ｐｉ、３．０ｐｉよりも大きいが、３．５ｐｉ未満である。他の実施形態では、ＲＬは、１．１ｐｉ、１．５ｐｉ、２．０ｐｉ、２．５ｐｉ、３．０ｐｉ、３．５ｐｉ、４．０ｐｉ、または４．５ｐｉよりも大きいが、３．０ｐｉ未満である。他の実施形態では、ＲＬは、１．１ｐｉ、１．５ｐｉ、または２．０ｐｉであるが、２．５ｐｉ未満である。
【００６０】
様々な他の市販されている、及び実験的なＣｕｂｅＳａｔスラスタ設計に対する調査から、それらの設計が小さすぎ、式（５）の範囲内に入らず、結果として非常に悪いスラスタ効率及び次善の最適性能を生じさせるプラズマライナーを利用していることが分かった２２。
【００６１】
実施例  １：  収量の計算及びテスト
この上記の幾何学的なスケーリング理論により、以下のような性能予測が生じる。スラスタ（ε）によって発生するプラズマプルームのエネルギー密度は、電子温度（Ｔｅ）と電子密度ε〜ｎｅＴｅの積としてほぼ拡大する（ｓｃａｌｅｓ）。この積は、アンテナからの誘導場により加熱されるプラズマの量及びこれらの場の振幅に正比例するはずである。これは、数学的には以下のように示され、
【数７】
2020537323.tif 000011
上式では、
【数８】
2020537323.tif 000012
は、アンテナにより発生するプラズマ中の変動する誘導磁場のピーク振幅である。
【数９】
2020537323.tif 000013
は、アンテナＰｒｆへのＲＦ電力の平方根に正比例する。したがって、式１、２、及び６を使用すると、以下が生じる。
【数１０】
2020537323.tif 000014
【００６２】
したがって、プラズマ生成システムの動作機構が近接場誘導プラズマ加熱に依存することを確証するために、測定した入力電力を、プラズマプルーム中の固定場所での測定したプラズマ電子密度及び温度に比較する場合がある。
【００６３】
プラズマ生成システムは、上述した幾何学的原理に従って構築された。このテストシステムの構造及び動作パラメータに関する他の詳細は、本明細書に説明する他の実施例に見出される。
【００６４】
図３は、３つの異なるキセノン質量流量の入力電力の関数としてテストシステムのプルーム内のｎｅ３とＴｅ２の積の測定を示す。（１）「毎分標準立方センチメートル」、つまり「ｓｃｃｍ」は、０．１ｍｇ／秒のキセノンに厳密に一致する。密度及び温度は、ラングミュアプローブを使用し、プルーム内で測定された。図３に示すように、これまでに調査された質量流量のそれぞれについて、上述した近接場誘導加熱のモデルにより予測されるように、べき法則の積は、入力電力とともにほぼ直線的に増加する。したがって、誘導加熱は、テストシステムでのキセノンイオン化及びプラズマ加熱を担う、唯一ではない場合も主要な物理的な機構である。ＲＦエネルギー移動の他のモードは、いかなる有意な程度までも存在していないと思われる。
【００６５】
アンテナの幾何形状及び侵入度
アンテナの特定な幾何学形状は、プラズマにおける加熱有効性に強い影響を与える。アンテナ設計の目標は、「プラズマ負荷」を最大化することである。プラズマ負荷は、入力電力の単位（ワット）あたりの、アンテナによって発生する、推進剤／プラズマイオン化及びプラズマ加熱の量を指す。近接場誘導放電では、プラズマ負荷は、アンテナから近接場に曝露されるプラズマの体積により決定され、これは、アンテナに隣接するライナーの表面積及びプラズマ中のＲＦ場の侵入度により決定される。上述したように、プラズマ中の加熱速度は、侵入度及びＲＦ信号の振幅に比例する。また、侵入度は、部分的にアンテナの幾何学形状によって決定される。本発明の別の目的は、プラズマ中の誘導磁場及び電場との建設的干渉を生じさせ、それによってそれらの局所的な振幅を増大させ、プラズマ負荷を最大限にするアンテナ幾何学形状を設計することである。
【００６６】
図４Ａ〜図４Ｂ、図５Ａ〜図５Ｂ，及び図６Ａ〜図６Ｄは、アンテナの幾何学形状の影響を示す。図４Ａ〜図４Ｂは、『Ａ６』として内部で定義されるアンテナを通して駆動される定義されたＲＦ電流のための同軸誘導磁場のＣＳＴシミュレーションの結果を示す。アンテナＡ６は、内径及び長さがそれぞれ１７ｍｍのＣｈｅｎ、２０１５年１７の図９に示す「半螺旋」アンテナであった。「半螺旋」の幾何学形状は、その直径よりも大きく、それらが巻き付けられるプラズマライナーの長さ未満である距離を軸方向に分離された同じ内径を有する導電性材料の２つの同軸の円形ループから成る。ループは、後部ループから前部ループに螺旋状に移動する少なくとも２つのストラップにより電気的に接続される。ストラップがあるループから次のループへ右回りに回転する場合、アンテナは「右巻き」である。逆に、ストラップが左回りに移動する場合、アンテナは「左巻き」である。Ａ６アンテナは右巻きである。一方が螺旋のどちらかのループへと２本の「脚部」が取り付けられ、ＡＣ電気回路内で接続するように設計される。ＡＣ電流がこれらの脚部に印加されて、アンテナの幾何学形状を通って電流を流し、アンテナコアに電磁場を誘導し、これによりプラズマがアンテナの下で発生すると、プラズマはこれらの場により加熱される。
【００６７】
シミュレーションのために、アンテナの中への１００Ｗの電力にほぼ一致する、２．５Ａ、１０ＭＨｚの正弦波電流がアンテナを通して駆動された。アンテナのコアでモデル化されたプラズマ密度は、アンテナの軸に沿って均一に配向された５００ガウスのＤＣ磁場に曝露された、１立方ｃｍあたり１０１３粒子の密度を有する。図４Ａは、アンテナ及びその中心軸
【数１１】
2020537323.tif 000015
を通る切断面を示す。アンテナのストラップは、Ｙ＝  ±１０ｍｍでほぼ矩形の形状により表される。局所的なグレースケールの暗さは、プラズマ内部の誘導磁場の大きさを示す。シミュレーションは、アンテナのコアでの一定の密度のプラズマを用いて、及びＤＣ背景磁場を用いて実行された。定義されたプラズマ密度及び磁場強度は、本明細書に説明するプラズマ生成装置／スラスタにより発生するキセノンプラズマを表す。図４Ｂは、アンテナの中点（Ｚ＝７ｍｍ）を通る誘導同軸磁場の大きさを示す。曲線の下の面積が大きいほど、アンテナはプラズマを加熱でより効果的になる。
【００６８】
図５Ａ〜図５Ｂは、アンテナＡ２と指定された異なるアンテナ幾何学形状を使用するＣＳＴシミュレーションの結果を示す。シミュレーションについての他のすべてのことは、Ａ６アンテナと同じであった。Ａ２アンテナは、平坦化した平角線から構築されたコイル状アンテナであり、右回りに循環し、後部から前部へプラズマライナーの周りで３巻きされている。Ａ２アンテナは、それが、円形で螺旋状にプラズマライナーに巻き付く単一のストラップから成るので、「コイル」と見なされる。右巻きの構成では、アンテナストラップは、ライナーの閉端部から開端部へ右回りで回転する。同様に、左巻きの構成では、アンテナストラップは、ライナーの閉端部から開端部へ左回りに回転する。コイルの始まり及び終わりに、駆動電気回路と接続する２本の脚部が取り付けられる。コイル設計は、半螺旋のように、個別にストラップと接続されるループから成っていない。代わりに、アンテナ全体が、アンテナの主要な螺旋部分を構成する単一の接続された螺旋状のストラップから成る。したがって、あらゆる点でアンテナ全体の中の電流は、アンテナの中心でのアンペア法則に従った誘導磁場が常に建設的に干渉するように移動している。対照的に、個々にストラップにより接続されるライナーを周回する接続ループから成る半螺旋設計は、アンテナ内の電流が、それらがフープを横切って循環するにつれ、２つの半分に分かれることを必要とする。したがって、この構成により、アンテナの下の誘導磁場は互いと破壊的に干渉し、小規模の誘導ＲＦスラスタ設計の誘導加熱有効性及び次善の性能の減少を生じさせる。
【００６９】
Ａ６と同様に、アンテナの内径及び長さはともに１７ｍｍであった。シミュレーションの特性は、特定のアンテナ幾何学形状を除き、アンテナＡ６と関連して説明した特性と同一である。図５Ａは、アンテナ及びその中心軸
【数１２】
2020537323.tif 000016
を通る切断面を示す。アンテナのストラップは、Ｙ＝±１０ｍｍでほぼ矩形の形状により表される。図５Ｂは、アンテナの中点（Ｚ＝７ｍｍ）を通る誘導同軸磁場の大きさを示す。
【００７０】
図４Ａ〜図４Ｂ及び図５Ａ〜図５Ｂの比較で観察されるように、アンテナＡ２は、プラズマ中の誘導磁場でのアンテナＡ６よりも著しく効果的であり、加熱速度を加速すると予測される。効果の増大は、各ストラップからの誘導磁場がプラズマの内部で建設的に互いと干渉し、プラズマ中の誘導場の大きさを局所的に増大させ、プラズマライナーへの加熱場の貫通を増大させるように設計されるＡ２の巻き線から生じる。逆に、より従来的なＡ６設計（例えば、参考文献１７、Ｃｈｅｎらを参照）は、互いと破壊的に干渉するプラズマ中の場を誘導する。したがって、Ａ６アンテナ様式は、本明細書に説明する侵入度加熱機構に対して著しく次善である。
【００７１】
実施例２：  アンテナ設計テスト
上述したように、２つのアンテナ設計（Ａ２及びＡ６）は、ラングミュアプローブを使用し、排気プルームの特性を測定することによって同一のプラズマ生成装置で試験された。図６Ａ〜図６Ｄは、アンテナＡ６に比したアンテナＡ２による加熱性能の改善のＣＳＴシミュレーション予測を確認するために実験的証拠を提供する。すべての動作パラメータ及び物理パラメータは、アンテナの幾何学形状及び印加電力スイープを除き、この比較のために一定に保たれた。比較は、この改善の普遍性を立証するためにさまざまな電力に対して実行された。
【００７２】
具体的には、図６Ａ〜図６Ｄは、それぞれアンテナＡ２（正方形）及びＡ６（円形）を使用するプラズマ生成装置について、測定有効電子温度（Ｔｅ）、プルーム密度、プルーム電流密度の相対変化、及び入力電力のワットあたりのプルーム電流密度を示す。スラスタ用途では、プルーム電流はシステムの中からの推力に比例する。図６Ａ及び図６Ｂは、アンテナＡ２がプラズマの同じ部分をほぼイオン化するが（図６Ｂ）、プラズマは、アンテナＡ６（図６Ａ）に対し、アンテナＡ２を使用すると著しく熱くなることを立証する。さらに、図６Ｃ及び図６Ｄは、アンテナの中への入力電力の所与のワットの場合、アンテナＡ２はアンテナＡ６よりも著しくより強力なプルーム電流を発生させることを立証する。したがって、アンテナＡ２は、アンテナＡ６に比べて著しく良いプラズマ負荷を有する。
【００７３】
プラズマ負荷を含む動作パラメータをさらに改善するために、新規の「フラットスパイラルコイルハイブリッド」アンテナ（「ＦＳＣＨアンテナ」）が設計された。ＦＳＣＨアンテナは、直接的に通信、接触、及び接続している平坦な渦巻き形部分及びコイル部分を有する。「平坦な渦巻き形」部分は、中心点から半径方向に拡大するが、長手方向ではコイルの変更／伸長がない渦巻き形の構成を有する。換言すると、「平坦な」渦巻きは平面的である。コイル部分は、コイルが長手方向（軸に沿った）方向の固定軸の周りで螺旋パターンで移動するが、半径方向のサイズを拡大しないときに形成される形状を指す標準的なコイルであってよい。したがって、ＦＳＣＨアンテナは、半径及び平坦な渦巻き形部分からコイル部分への軸に沿った位置の漸次的な遷移を受けない。代わりに、ＦＳＣＨは、平坦な渦巻き形部分とコイル部分との間に明確な遷移点及び接続を有する。概して、ＦＳＣＨアンテナの共通軸は、渦巻き形部分の中心軸及びコイル部分の長手方向軸である。換言すると、渦巻き形部分の平面は、コイル部分の長手方向軸に垂直である。対照的なＦＳＣＨアンテナ形状では、別の渦巻きの形状（例えば、３次元の渦巻き）は、それが共通軸に巻き付くにつれ半径及び長さで同時に変化し、それによって「蜂の巣」形状を作り出す。
【００７４】
平坦な渦巻き形部分は、円筒状のプラズマ生成チャンバの閉端部に対して配置され、コイル部分はチャンバの円筒状の本体に巻き付けられる。このようにして、平坦な渦巻きの平面は、プラズマ生成チャンバ及びコイル部分の長手方向軸に実質的に垂直である。
【００７５】
ＦＳＣＨアンテナの平坦な渦巻き形部分は、円筒状のプラズマ生成チャンバの円形の閉端部の中心点を中心とし、周辺の端縁に向かって渦巻き状に伸長する。渦巻き形部分は、閉端部の直径（ｄ）の約２５％、５０％、７５％、または実質的に１００％を覆う場合がある。
【００７６】
コイル部分は、プラズマ生成チャンバの長さに沿ったどこででも始まってよいが、好ましくはできるだけ閉端部の近くで始まる。任意の長さまたは寸法の場合、コイル部分は、開端部に向かって延在する。一部の実施形態では、コイル部分は、円筒状のプラズマ生成チャンバの長さの少なくとも２５％、５０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９９％、または実質的に１００％を覆う。
【００７７】
渦巻き形部分及びコイル部分は、別々に右巻きまたは左巻きであってよい。反対の方向も使用し得るが、渦巻き形部分及びコイル部分が同じ方向を有する（つまり、両方とも右巻きまたは左巻きのどちらかである）ことが好ましい。
【００７８】
ＲＦ周波数の性能に対する影響
電子がプラズマ形成イオン化事象の間に発生すると、電子は、ファラデーの法則により説明されるように、アンテナから駆動磁場
【数１３】
2020537323.tif 000017
により誘導される、プラズマ
【数１４】
2020537323.tif 000018
内の電場に曝露される。これらの電子の、さらに衝突する前のその後の運動はニュートンの方程式等から以下のように示され、
【数１５】
2020537323.tif 000019
上式では、νｅは電子速度であり、
【数１６】
2020537323.tif 000020
は初期電子速度であり、ｍｅは電子質量であり、
【数１７】
2020537323.tif 000021
はプラズマ中の変動する誘導電場の振幅であり、ｆはＲＦ駆動周波数である。式８は、誘導電場に曝露されたプラズマ中の電子速度が、その初期速度、駆動周波数、及び変動電場の振幅の強力な関数であることを示す。中性推進剤原子と衝突する前に十分に高速に加速されるプラズマ中の電子は、この衝突時に推進剤をイオン化する。このイオン化事象の確率は、中性原子に対する電子の速度の強力な関数であり、概してピークを示す。例えば、キセノンガスは、４０と６０ｅＶの範囲の運動エネルギーを有する電子により最も効果的にイオン化される１８。したがって、
【数１８】
2020537323.tif 000022
及びｆの所与の値の場合、プラズマライナー（プラズマ生成チャンバ）内の電子は、背景ガスのイオン化に最適であるエネルギー範囲内に「捕捉される」ことになる場合がある。
【００７９】
図７は、この「位相空間トラッピング」の影響を説明する。両方のパネルで、ｘ軸は、μｓで時系列を示し  、ｙ軸はｅＶで電子エネルギーの単位を示す。濃い水平線は、中性キセノンガスが運動エネルギーのエネルギーを有する電子により最も効率的にイオン化されるエネルギーの範囲（４０〜６０ｅＶ）の領域を画定する。図７Ａの黒の曲線は、以下により記述する電子開始運動エネルギーに相当する、４つの異なる開始電子速度
【数１９】
2020537323.tif 000023
について、振動誘導電場
【数２０】
2020537323.tif 000024
の存在に起因する、経時的な電子エネルギーの変化を表す。
【数２１】
2020537323.tif 000025
同様に、図７Ｂでは、黒のトラックが、異なる場振動周波数ｆを有する振動場に起因する経時的な電子運動エネルギーの変化を表す。所与の電子が類似するイオン化（４０〜６０ｅＶ）で多くの時間を費やすほど、プラズマライナー内のプラズマが完全にイオン化されるまでイオン化事象がより頻繁に発生する。したがって、電子が図７Ａ〜図７Ｂの４０ｅＶ線と６０ｅＶ線との間で費やす総統合時間は、プラズマライナーの中でのイオン化の速度に比例する。この関係性は、アンテナにより開始されるＲＦ波の周波数及び電力が、それによりスラスタ用途におけるプルーム密度及び性能に直接的な影響を与えることを立証する。
【００８０】
図８は、この周波数の影響を説明する。ｘ軸及びｙ軸は、それぞれ初期電子エネルギー及びＲＦ周波数を示す。ｚ軸は、中世キセノンガスをイオン化する電子の相対的な確率を示す。この確率曲線の特定の形状は、アンテナの幾何学的形状の関数である。図８は、一定のアンテナ幾何学形状の場合、イオン化の確率が、ＲＦ周波数及び初期電子運動エネルギーに強く依存することを示す。したがって、ＲＦ周波数は最適化することができ、（ｉ）特定のアンテナ幾何学形状、（ｉｉ）入力電力、及び（ｉｉｉ）推進剤流量の一定の組み合わせは、他の設計上の考慮事項及び態様のために制限または事前に設定される場合がある他のシステム変数を著しく改変することなく、中性推進剤ガスのイオン化効率を最適化する。
【００８１】
このことから、印加されたＲＦ（ｆ）の周波数が最適推進剤イオン化のために制限されることが分かる。具体的には、ｆは、推進剤イオン化を最大限にするために十分に高くなくてはならないが、以下により説明するように、毎秒ラジアン単位の電子サイクロトロン周波数（ｆｃｅ）の約２５％未満（例えば、約２０％、１５％、１０％、または５％未満）でなければならず、
【数２２】
2020537323.tif 000026
上式では、Ｂ０は、プラズマライナー（プラズマ生成チャンバ）内の軸方向のＤＣ磁場強度であり、ｍｅは電子の質量である。例えば、５００ガウス（０．０５テスラ）の軸に沿った磁場強度の場合、ｆｃｅの２５％は３５０ＭＨｚである。したがって、ＲＦ周波数（ｆ）は、この実施例では３５０ＭＨｚ未満に保たれるべきである。これらの上限で、アンテナとプラズマとの間の主要なエネルギー移動機構は、プラズマ物理学の参考文献で広範囲に裏付けられている「電子サイクロトロン共鳴」になる。本明細書に説明する小型化された誘導プラズマソースは、この最適化を中心に設計されておらず、サイクロトロン共鳴を、このソースの動作周波数のための上限として保つ。他の箇所に説明するように、ＲＦ周波数は、好ましくは３ＭＨｚを上回って（例えば、ＨＦ範囲またはＶＨＦ範囲で）維持される。
【００８２】
統合されたプラズマ生成装置及びスラスタ設計
本明細書に説明するスラスタ設計は、既存の電気推進システムに優るいくつかの利点を提供する。第１に、上述したように、ＲＦスイッチングエレクトロニクスは、サイズ及びコストが着実に下がり、セルラー技術及び無線電力技術による進展のために電力密度が上昇した。これにより、低地球軌道ＣｕｂｅＳａｔ用途の場合、スラスタ用の電力処理ユニットを５００グラム未満とすることが可能になる。第２に、システムの固有の小さいサイズにより、プラズマライナー内の体積ＲＦ電力密度をきわめて高くすることができる。例えば、本スラスタ設計の典型的な１００Ｗ動作の場合、ライナー内部の定常状態体積ＲＦ電力密度は、プラズマライナー体積で除算したスラスタへの動作電力により測定されるように約１０７Ｗ／ｍ３である。これを、同様に推定された、定常状態で１０５〜１０６Ｗ／ｍ３の間である実験室のヘリコン及びヘリコンスラスタの典型的な体積電力密度と対比する。第３に、本スラスタ設計は、ＲＦ信号とプラズマとの間の共鳴エネルギー移動機構に頼る必要がない。アンテナの近接場における電子の確率的加熱は、高速粒子の大きな集団を生成するには十分である。また、本スラスタ設計でのＲＦ信号は、ＨＦ〜ＶＨＦ帯域内にある。Ｓ帯域内で及びより高い周波数で動作する類似する電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スラスタと比較すると、本設計で発生するＲＦ信号は、共通宇宙船通信信号に対して著しく少ない摂動を有する。第４に、本発明のスラスタ設計は、容易に製造され、従来のパーツ及び構成要素、ならびに簡略な機械加工技術及び組み立て技術を使用し、構築され得る。したがって、本発明のスラスタは、低コストで大量生産可能であり、広範囲にわたる衛星の種類及び目的での応用のためにサイズ及び体積でスケーラブルである。
【００８３】
上記のシミュレーション及び実験の結果に基づいて、統合スラスタ設計が開発され、図１２Ａ〜図１２Ｂに示された。スラスタ１００は、閉端部１１及び開端部１２を有する円筒状のプラズマライナー１０を有する。一部の実施形態では、プラズマライナー１０は約１〜５ｃｍの直径を有する。一部の実施形態では、プラズマライナー１０は、約５〜１０ｃｍの、閉端部１１から開端部１２までの長さを有する。
【００８４】
推進剤送達システム４０は、プラズマライナー１０の外部に位置し、プラズマライナー１０の内部にガス状の推進剤４２の流れを送達するように構成された少なくとも１つの推進剤タンク４１を有する。推進剤タンク４１は、加圧された推進剤４２のリザーバとして機能する。任意選択で、推進剤送達システム４０は、プラズマライナー１０の中への推進剤４２の流量を測定するように構成された流量調節器４５も含む。一部の実施形態では、推進剤４２は、約０．０１〜５．０ｍｇ／秒の速度でプラズマライナー１０の内部に送達される。
【００８５】
アンテナ２０は、プラズマライナー１０の内部にＲＦ場２１を送達するように構成される。図１２Ａに示すように、アンテナ２０は、コイル状のアンテナ（例えば、Ａ２）、半螺旋（例えば、Ａ６）、螺旋状、または本明細書に説明するように推進剤４２が適切な電力条件下でＲＦ場２１に曝露されるとき、プラズマ１３の中への推進剤４２のイオン化を生じさせるほど十分な他の適切な構成であってよい。アンテナ２０は、銀もしくは関連する合金、金もしくは関連する合金、アルミニウム、ステンレス鋼、鋼、銅、青銅、グラファイト、タングステン、またはおそらく任意の剛性で導電性の材料、またはこの目的のための任意の他の適切な材料から作られてよい。一部の実施形態では、アンテナ２０は、平坦にされた平角線もしくは角線、伝送線、絶縁基板に蒸着された材料、または任意の他の剛性で導電性の材料の加工技術から作られる。一部の実施形態では、アンテナ２０は、アンテナに電流を供給するため、及びプラズマライナー１０の外面の周りでスラスタにアンテナを機械的に結合させるために電気的及び機械的なインタフェースを有する、右回りまたは左回りで１〜２０巻き（例えば、１〜１５、１〜１１、１〜９、１〜７、１〜５、１〜３、１〜２、２〜１５、２〜１１、２〜９、２〜７、２〜５、２〜３、３〜１５、３〜１１、３〜９、３〜７、３〜５、４〜１５、４〜１１、４〜９、または４〜７巻き）を有するコイル、半螺旋、または螺旋状の部分を含む。一部の例では、電気的及び機械的なインタフェースは、同じ機能であってよい。一部の実施形態では、アンテナ２０は、プラズマライナー１０の外面と直接的に接触している。
【００８６】
図１２Ｂは、平坦で渦巻き形のフラットスパイラルコイルハイブリッド（「ＦＳＣＨ」）アンテナ２０を有する統合スラスタ設計を示す。この場合、ＦＳＣＨアンテナ２０は、閉端部１１の外面に対して配置される平坦な渦巻き形部分２０ａ、及び開端部１２の方向でプラズマライナー１０の円筒状の本体に巻き付けられたコイル部分２０ｂを有する。コイル部分は、平坦な渦巻き形部分を欠くアンテナについて上述したのと同様のまたは同じ特性を有してよい。
【００８７】
アンテナ２０は、電池６１及び任意選択でインバータ６２を含む場合がある電力制御システム６０により電力を供給される。一部の実施形態では、電力制御システム６０は、アンテナ２０への送達の前にインバータ６２によってＡＣ電流に変換されるＤＣ電流を供給する。一部の実施形態では、電力制御システム６０は、インバータ６２により小さいＡＣ電流に変換され、次いで電力増幅器によってアンテナ２０への送達の前に大きいＡＣ電流に増幅されるＤＣ電流を供給する。周波数変調器、つまり「クロック」は、ＡＣ電流の発振の周波数を定義するために使用される。一部の実施形態では、受動電気回路（例えば、マッチング回路）は、ドライバ回路とアンテナとの間に配置されてよい。
【００８８】
また、スラスタ１００は、各磁石が、プラズマライナー１０の中で同じ極性（正または負のどちらか）の磁場５０を生じさせるように、プラズマライナー１０の周りに放射状に配置した磁石３１を有する磁石システム３０も有する。図１２Ｃに示すように、磁石システム３０は、放射状に配置した磁石（複数可）５６と組み合わせて平面的な磁石５５を有してもよい。磁石５５及び５６の矢印は、極性形成の方向を示す。一部の実施形態では、放射状に配置された磁石は、平面的な磁石と軸方向に一定の距離を保たれる。すべての磁石は、プラズマライナー軸に対して同軸上で位置合わせされる。放射状の磁石は、平面的な磁石から、ライナーの２倍の長さ以下の軸方向の距離、離れて保持される。平面的な磁石は、直径で０．５ｃｍと４ｃｍの間、厚さで０．１ｃｍと３ｃｍの間の範囲である。一部の実施形態では、１つまたは複数の放射状の磁石は、半径方向（正または負）で磁気で分極される。一部の実施形態では、放射状に配置した磁石は、正または負の軸方向で磁気的に分極される。一部の実施形態では、放射状に配置した磁石は、純粋に半径方向と純粋に軸方向の間の角度で分極される。一部の実施形態では、磁気分極方向が変化する多数の放射状に配置した磁石がある。プラズマライナーの軸上のこの一連の磁石により生じる最小の軸方向磁場強度の場所及び強度は、最大イオンラーモア軌道半径の領域の位置及びサイズを説明する。この場所で、プラズマライナー半径は、プラズマ内部の十分に高い体積電力密度を維持するために５ラーモア軌道半径ほどの大きさである必要がある。この条件は、式５ａ〜５ｃに定義されるように、プラズマ侵入度により定義されるプラズマライナー半径に対する上限により常に実施されている。
【００８９】
一部の実施形態では、磁石システム３０は、プラズマライナー１０の閉端部１１に向かう第１のスロート部５１、プラズマライナー１０の中でほぼ中心に位置するプラズマ閉じ込め領域５２、プラズマライナー１０の開端部１２に向かう第２のスロート部５３、及びプラズマライナー１０のほぼ開口部１３にあり、開口部１３から離れて延在する分岐部５４を有するとして特徴付けられた磁場５０を、プラズマライナー１０の中に形成する。第１のスロート部５１及び第２のスロート部５３は、相対的に高い磁場強度を有するとして特徴付けられ、プラズマ閉じ込め部５２及び分岐部５４は、相対的に低い磁場強度を有するとして特徴付けられる。第１のスロート部５１及び第２のスロート部５３の磁場強度は、同じである必要はなく、局所的な磁石の強度及び構成に依存する。分岐部５４及び開口部１３はともに、プラズマイオンがプラズマライナー１０の内部から外部に通過し、それによって推力を生成するノズルを形成する。
【００９０】
動作中、中性推進剤４２は、それが、アンテナ２０により発生するＲＦ場２１によりイオン化されるプラズマライナー１０の内部に送達される。中性推進剤４２は、電子４３及び正に帯電した推進剤イオン４４の中にイオン化される。電子４３及びイオン４４は、ＲＦ場２１によりさらに加熱される。磁場５０は、概してプラズマイオンがプラズマライナー１０の内面に衝突するのを防ぐために役立つ。しかしながら、十分に高いエネルギーのイオンは依然としてプラズマライナー１０に衝突し、それによってスラスタの効率を削減し、それらの内面を腐食させることを理解されたい。第１のスロート部５１は、閉端部１１及び関連構造をプラズマの腐食から保護するためと、プラズマイオン（特に、電子４３）をプラズマ閉じ込め部５２の本体の中に戻し、それによってイオン化効率を高めるための両方のために役立つプラズマ閉じ込め部５２に比して相対的に高い磁場強度を有する。同様に、第２のスロート部５３は、プラズマライナーからのプラズマイオン（電子４３及び正イオン４４）の流出を調節するために役立つプラズマ閉じ込め部５２に比して相対的に高い磁場強度を有する。第２のスロート部５３により反発される電子は、プラズマ閉じ込め部５２に戻り、それによってイオン化効率を高める。スロート部５１、５３により引き起こされる「電子反跳効果」は、プラズマライナー１０の中での電子滞留時間を増加させ、付随して電子がイオン化事象に関与するために利用できる時間を増加させることによってプラズマライナー１０の見かけ上の長さを増加させるために役立つ。イオン化効率の改善が、推力モーメントを犠牲にすることを理解されたい。イオン化効率と推力モーメントのバランスは、第２のスロート部５３の磁場強度により調節される場合がある。
【００９１】
図１３Ａ〜図１３Ｂは、２つの異なる構成におけるプラズマライナー１０の長さ（Ｚ）の関数として磁場３０の特徴的な電界強度（Ｂｚ）を示すグラフである。図１３Ａは、第１のスロート部５１及び第２のスロート部５３での相対的に高い磁場強度を示す。第１のスロート部５１での高い磁場強度は、プラズマライナー１０の閉端部に対応し、閉端部からプラズマライナー１０の本体の中にプラズマイオンを反発して戻し、それによって閉端部の腐食を削減し、発生するプラズマの損失を削減するために役立つ。一部の実施形態では、第２のスロート部５３の磁場強度は、第１のスロート部５１での磁場強度以下であるが、プラズマライナー１０本体、つまり示されている本体部５２での電界強度よりも大きい。プラズマ発生効率は、本体部５２と第２のスロート部５３との間の磁場強度の相対的な差異を増加させることによって高められる。部５２及び部５３の間のより大きい「磁気丘」は、より多くのイオン及び電子を本体部５２の中に反跳させ、中性推進剤イオン化の確率を高めるために役立つ。図１３Ｂは、「スロート」部５３での電界強度が本体部５２の電界強度以下である別の磁場構成を示す。本実施形態では、磁場強度は、近位（閉端部）から遠位（開端部）方向に単に発散している。図１３Ｂに示すように、磁場強度は、減少する場合もあるが、直線状にまたはそれ以外の場合直線長さにわたって比例して減少しない場合がある。例えば、部５３内の磁場強度は、部５２内の最小電界強度と同じ、またはわずかに満たず、次いで開端部に向かって及び開端部を越えてより高い速度で減少する場合がある。これらの場合、磁気ノズルは、プラズマライナーの閉端部からプラズマライナーの開端部に、軸方向の強度が単調に減少している、または単に発散していると説明される。プラズマライナーの電力及びサイズに応じて、図１３Ａのまたは図１３Ｂの構成は、推力及び比推力の改善をもたらす場合がある。
【００９２】
実施例３−プルーム調査
実験設計
ここに提示する測定は、直径０．７５ｍ及び長さ１．２５ｍを有する真空チャンバシステム内のアンテナＡ２とともに、上述のテストユニットを使用し、実行された。チャンバは、それら自体が、２８ｌ／秒の粗びき能力を有するそれぞれＡｌｃａｔｅｌ及びＥｄｗａｒｄｓの粗びきポンプによりバックアップされた、Ｓｅｉｋｏ  Ｓｅｉｋｉマグレブ及びＡｌｃａｔｅｌセラミックベアリングターボ分子ポンプによりポンピングされた。システムによって観察された総ポンピング速度は、Ｎ２で２，４００ｌ／秒であった。システムは、通常、１時間のポンピングの中で２ｘ１０−７トルを達成し、３時間のポンピング後９ｘ１０−８トルを達成した。ここで提示される測定のための典型的な基本圧力は、これらの２つの値の間であった。すべての高い真空圧測定は、システム内部の裸のホットフィラメントイオンゲージにより行われた。ターボ分子ポンプにかかるフォアライン圧力も、熱電対ゲージで積極的に監視された。
【００９３】
図９は、小型真空チャンバ内のセットアップ及びプローブ診断構成を示す概略図を示す。スラスタユニットは、ドア近くのチャンバと同軸上に固定され、チャンバの長さで下方に発射する（ｆｉｒｅｓ）。電力及びキセノンガスが、真空フィードスルーを通してスラスタに供給される。質量流量は、テストバス質量を較正するために使用される同じＡｌｉｃａｔ質量コントローラによりスラスタ内で±０．０１ｍｇ／秒まで下方に制御される。
【００９４】
ファラデープローブは、細長い「裸の」設計１９に従って設計された。プローブは、ステンレス鋼の１．５ｃｍの長さのガードリングにより分けられた直径１ｃｍのタングステン収集プレートから構成された。収集プレートは、コレクタの電気接続とガードリングとの間の窒化ホウ素セラミック絶縁体とともに適所に保持された。セラミック絶縁体は、コレクタプレートの表面及びガードリングのプラズマに対向する端縁から窪んでいた。コレクタ及びガードリングは、それ自体ステンレス鋼の基部に保持されていたアルミナの脚上でスラスタの高さに保持された。アルミナの脚及びステンレス鋼の基部は、コレクタプレート表面と基部上のＳＭＡ出力との間の電気接続の遮蔽を可能にした内部寸法を有し、中空であった。また、この領域内部には、特定の周波数で設定された一連の自己共振誘導性チョークがあった。これにより、プローブの脚をファラデープローブと掃引ラングミュアプローブの両方の測定に使用できるようになった。ファラデープローブ／ラングミュアプローブ脚のＳＭＡ出力により、同軸シールドケーブルを介して真空チャンバ内のＳＭＡフィードスルーに信号を送信できるようになった。チャンバの外側で、プローブは偏向され、収集された電流は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ２４００ソースメータにより測定された。再び、同じセットアップがラングミュアプローブ測定にも使用された。Ｋｅｉｔｈｌｅｙソースメータは、小型真空チャンバ用の専用制御ラック上のＬａｂＶｉｅｗベースデータ取得（ＤＡＱ）システムを使用し、制御され、読み取られた。
【００９５】
プローブホルダ及び脚は、それ自体がＴｈｏｒＬａｂｓ回転マウントに取り付けられた放射状のアームの端部に取り付けられた。マウントの中心は、スラスタオリフィスの中心と交差するチャンバ内の垂直軸と位置合わせされ、スラスタオリフィス出口平面に平行であった。回転マウントの角度位置を調整することにより、スラスタ出口オリフィスに対向する円弧に沿ってプローブの位置が調整された。ここに提示する測定の場合、プローブは、常にスラスタオリフィスの中心から半径方向に１６．５ｃｍ離れていた。ファラデープローブの収集面を、スラスタオリフィスの中心及びプローブコレクタ面の中心と交差するベクトルに垂直になるように位置合わせするように注意が払われた。マウント回転角度位置は、±０．２５度で制御された。
【００９６】
回転ステージの角加速度及び角速度も制御された。ここに提示する測定の場合、０．５と４度／秒の間で変化する角速度が実装された。マウントの位置及び回転パラメータも、すべてＤＡＱコンピュータを通して遠隔で制御された。
【００９７】
最後に、ＵＳＢ電動カメラがチャンバの内部に配置され、スラスタ、プルーム、及びプローブ位置を常に監視した。カメラは真空での使用のために設計されておらず、カメラが熱くなるにつれ、ＣＣＤ画像がますますノイジーになった。これにより、ランの間に簡略なカメラ冷却期間が必要になった。
【００９８】
すべてのファラデープローブ測定は、ファラデープローブ上で−１６４Ｖバイアスで実行された。掃引ラングミュアプローブ測定は、−６３Ｖと＋６３Ｖの間に及んだ。すべての電圧は、系統接地として定義された真空チャンバ壁に比して測定された。ＤＡＱラック全体を含むすべての電子機器がこの電位に参照された。
【００９９】
結果
プルーム測定は、ラングミュアプローブトレースで重要なビーム及び高速電子特性を示した。図１０Ａ〜図１０Ｄは、高速電子ビームを示す実例スラスタからの特徴的なトレースを示す。図１０Ａは、全体的なラングミュアプローブトレースを示し、図１０Ｂは、イオンの寄与を差し引いた後のズームインしたビューを示す。下向き矢印は、熱背景の上部での高速電子ビームの古典的な署名を指す。図１０Ｃは電子流トレースの自然対数を示す。これにより、低電流レベルでの特徴を強調表示し、分析できる。高温電子と高速単一エネルギー電子ビームを区別するために、非常に熱いので、それに適合すると３０〜４０ｅＶ（図１０Ｃで、Ｖ＝−３０〜−２０Ｖ）よりも通常大きい温度が生じ、これは十分に負のバイアス電圧ですぐにゼロ電流までなくなるように、トレース内で電子集団を探す。図１０Ｂの下向き矢印で記された特徴が事実上電子ビームであると仮定すると、ビームに完全に反発するために必要とされるプローブバイアスの推定値は、点線と一点鎖線（〜３２Ｖ）の交差により提供される。同様に、収集されたプローブ電流の電子飽和−分布内の全電子が収集されるバイアス電圧−への遷移は、一点鎖線（〜３１Ｖ）の交差により記される。また、この特徴は、図１０Ｄに示す、プローブトレースの第１の導関数で強調表示され、第１の導関数のピークは電子飽和への遷移を記す。
【０１００】
静止プラズマ（ＲＦ変動のないプラズマ、及び熱運動化された電子及びイオンの単一の種）では、この遷移は、局所的なプラズマ電位に近似する。ＲＦ変動、ビーム、二次放出、及び多数の集団のすべてが存在する場合がある測定プルームプラズマでは、電子飽和への遷移は、よくてもＴｅ／ｅの不確実性の範囲内のプラズマ電位の近似であり、ＴｅはｅＶ単位の電子温度であり、ｅは基本電荷である。
【０１０１】
バルク電子温度は、ビーム電子が差し引かれた後、電子流の自然対数に対する適合線の逆の傾きから計算された、〜５ｅＶであると測定された。ラングミュアプローブにより検知されるように、局所的なプラズマ電位は、３１±５Ｖであると推定された。同じ不確実性は、電子ビームに反発するために測定されたバイアス電圧に適用された。したがって、推定された局所電気電位に対する電子ビーム運動エネルギー（高速集団の温度ではなく、ドリフト高速電子の運動エネルギー）は、〜６２±１０ｅＶである。係る電子ビームは、ＲＦプラズマの拡大で期待されており、低密度ＲＦプラズマ内の同様のエネルギーを用いて観察された。２０，２１
【０１０２】
電子分布の他の特徴は、ＲＦ局所電気電位変動及び二次電子放出等のラングミュアプローブトレース内に同様に出現する場合がある。ＲＦ変動は、プローブ回路内のＲＦチョークを通してプローブトレースで著しく減衰されるべきである。また、ＲＦ変動は、電子分布全体に影響を与えるため、変動するビーム状の信号は電子飽和レベルに匹敵する電流レベルで確かめるべきであり、これはここでは観察されない。二次電子放出は、バイアス電圧が減少するにつれ収集される単調に減少しない電子流の特徴的なテルテールを有し、これもここでは観察されない。したがって、図１０に提示される署名をビームとして扱うことは、スラスタノズルから１６．５ｃｍ離れ、０．３ｍｇ／秒の質量流量で、非常に高いエネルギー電子ビームが存在することを示し、スラスタにおける誘導加熱及び確率的加熱が、電子排出駆動イオン二極性加速だけではなく、電子衝撃によるキセノンガスの高イオン化速度の両方にとって十分であることを示す。
【０１０３】
また、プルーム内のプラズマ密度も測定され、図１１に要約された。印加電力での広いエラーバーは、現像ユニットの初期のテストのための電力測定の非常に粗い方法から生じた。図１１に示すのは、３ｍｇ／秒で、初期世代の（最適化されていない）現像ユニットのプルーム内で測定された密度である。顕著な態様は、この現像ユニットが最高で１０倍低い質量流量速度で動作し、その初期世代のユニットに匹敵するプルーム密度を生じさせることができた点である。これは、高速ビーム電子の観察された存在とともに、本ユニットが、初期のユニットよりも著しく多い推進剤をイオン化しており、高速でスラスタ（プラズマ生成チャンバ）の中からプラズマを無事に加速させていたことを示した。これらのデータは、本現像ユニットが、初期のプロトタイプ及び既存のスラスタ設計に比してより高い推進剤利用効率及び比推力を達成していたことを示唆する。
【０１０４】
実施例４−実験推力測定
実験設計
直接的な推力測定は、上述したように、ＦＳＣＨアンテナを有することを除き、上述のテストユニットについて判断された。ＦＳＣＨアンテナは右巻きであった。コイル部分は、ライナーの周りに１１巻き、巻かれ、平坦な渦巻き形部はライナーバックプレーンの中心軸から外向きに拡大する５巻きを有した。キセノンは、ガス状の推進剤として使用され、０．５ｍｇ／秒でプラズマ生成チャンバ（プラズマライナー）に送達された。４０Ｗ〜１２５Ｗの電力が、実験室ＲＦ電力設備を使用し、スラスタに印加された。スラスタは、実験室制御ソフトウェアを使用し、命令された。電力は、ＲＦ電源とスラスタとの間でインライン順方向及び反射電力計を使用し、測定された。
【０１０５】
推力測定は、長さ３．７ｍ、及び直径２．４ｍである真空チャンバ内で得られた。チャンバは、約１０−８トルの基準圧力を有し、３０，０００ｌ／秒、極低温ポンプによりポンピングされた真空チャンバ内部のねじり振り子推力スタンドが、発生した推力を直接的に測定するために使用された。推力スタンドは、上述されている。２６−２７
【０１０６】
結果
図１４Ａ〜図１４Ｂは、ＦＳＣＨ−ＲＦＴ現像ユニットの初期性能テストを説明する。図１４Ａは、入力電力の関数として、ＦＳＣＨ−ＲＦＴユニットにより生じる推力を示す。電力の関数としての推力の増加は、電気推進装置の典型である。しかしながら、本設計は、はるかに高い流量、ＲＦ電力レベル（最高で２，０００Ｗ）、及びスラスタサイズ／質量（最高で５０ｋｇ）で同じ推力を達成した３、２４、２５、Ｔａｋａｈａｓｈｉら、Ｓｈａｂｓｈｅｌｏｗｉｔｚら、及びＷｉｌｌｉａｍｓらの設計等の既存の電極がないスラスタ設計に比較して、低い電力（４０Ｗ〜１２５Ｗ）及び低推進剤流量（０．５ｍｇ／秒キセノン）でより大きい推力を生じさせる。
【０１０７】
図１４Ｂは、ＲＦ入力電力の関数としてＦＳＣＨ−ＲＦＴユニットの比推力を示す。比推力は、燃料使用量に対するスラスタ効率の測度である。ＦＳＣＨ−ＲＦＴユニットは、既存の電気スラスタ設計と比較して１２０〜１２５Ｗで４〜６倍の間で改善された比推力を達成した。これらの結果は、ＦＳＣＨ−ＲＦＴが、このカテゴリのスラスタの中ではきわめて高性能の設計であることを立証する。具体的には、ＦＳＣＨ−ＲＦＴ  のワットあたりの比推力は、参考文献２８に説明するように試験されたあらゆる他の電極なしＲＦスラスタよりも最高で３，０００％大きい。
【０１０８】
多くの変形、追加、修正、及び他の応用を、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、実施形態によって本明細書に特に示され、説明されたものに対してなし得ることが当業者により理解されるであろう。したがって、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲が、すべての予測可能な変形、追加、変更、または応用を含むことが意図される。
参考文献
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２５）  Ｗｉｌｌｉａｍｓ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｐｒｏｐ．  Ｐｏｗｅｒ，２９：５２０，２０１３．
２６）  Ｓｉｄｄｉｑｕｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆｉｒｓｔ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｆｏｕｒ  ＲＦ  Ｔｈｒｕｓｔｅｒ，”  ＩＥＰＣ−２０１７−４３１，（２０１７）．
２７）  Ｈｓｕ  Ｓｃｈｏｕｔｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｔｈｒｕｓｔ  Ｓｔａｎｄ  ｗｉｔｈ  １  ｕＮ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，”  ＩＥＰＣ  ２０１５−９００６２  （２０１５）．
２８）  Ｓｉｄｄｉｑｕｉ，Ｍ．Ｕ．，“Ｕｐｄａｔｅｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｆｏｕｒ  ＲＦ  Ｔｈｒｕｓｔｅｒ，３４ｔｈ  Ｓｐａｃｅ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ａｐｒｉｌ  ２０１８．
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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