JP2014005799A - Ion beam generator - Google Patents
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Abstract
【課題】放電室外部に設置された1つの電子源のみを用いてプラズマ生成と中和とを行なうことが可能なイオンビーム発生装置を提供すること。
【解決手段】加速グリッド電圧を調整すること、加速グリッド4b及びスクリーングリッド4a内のイオン通過孔5a,5bを従来とは異なるパターンで配置し、通過孔の面積も変更すること等により、イオン加速系4を、イオン電流の放出のみではなく外部からの電子電流の取り込みにも用いる。これにより、1つの電子源のみで動作可能なイオンビーム発生装置が実現される。
【選択図】図1An ion beam generator capable of performing plasma generation and neutralization using only one electron source installed outside a discharge chamber.
Ion acceleration is achieved by adjusting the acceleration grid voltage, arranging the ion passage holes 5a and 5b in the acceleration grid 4b and the screen grid 4a in a pattern different from the conventional one, and changing the area of the passage holes. The system 4 is used not only for emission of ion current but also for capturing electron current from the outside. As a result, an ion beam generator capable of operating with only one electron source is realized.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、人工衛星等に搭載されるイオンエンジン、材料加工等に使用されるイオンビーム発生装置に関する。 The present invention relates to an ion engine mounted on an artificial satellite or the like, an ion beam generating apparatus used for material processing or the like.
イオンエンジンは、人工衛星等の軌道制御、南北位置保持、主推進等に用いられている。このようなイオンエンジンのうち、直流放電型イオンエンジンの主要部であるイオンビーム発生装置の一例を図8に示す(内部構造を示すために、一部を切り取って描いている)。 Ion engines are used for orbit control of artificial satellites, maintaining the north-south position, and main propulsion. Among such ion engines, an example of an ion beam generator that is a main part of a DC discharge ion engine is shown in FIG. 8 (partially cut out to show the internal structure).
図8のイオンビーム発生装置において、円筒状に形成された導電性材料のシールドケース1は、その周壁に複数の小孔2を有する。小孔2を設けることにより、内側にある放電容器3から外部に輻射で熱が逃げるとともに、イオンビーム発生装置の軽量化が図られる。シールドケース1内には、磁性材で形成された円筒状の放電容器3が配置されている。シールドケース1と放電容器3とは、互いの円筒が同軸的となるよう配置されている。放電容器3の開口部は、スクリーングリッド4aと加速グリッド4bとで構成されたイオン加速系4によって蓋をされている。
In the ion beam generator of FIG. 8, a shield case 1 made of a conductive material formed in a cylindrical shape has a plurality of small holes 2 on its peripheral wall. By providing the small holes 2, heat escapes from the discharge vessel 3 inside to the outside by radiation, and the weight of the ion beam generator is reduced. A cylindrical discharge vessel 3 made of a magnetic material is disposed in the shield case 1. The shield case 1 and the discharge vessel 3 are arranged so that their cylinders are coaxial. The opening of the discharge vessel 3 is covered with an ion acceleration system 4 composed of a
スクリーングリッド4aと加速グリッド4bとは、それぞれ金属や炭素といった導電性材料からなる板状の部材であり、スクリーングリッド4aには複数のイオン通過孔5aが、加速グリッド4bには複数のイオン通過孔5bが、それぞれ形成されている。イオン通過孔5a,5bは、あるイオン通過孔5aのスクリーングリッド4a面内での中心位置と、あるイオン通過孔5bの加速グリッド4b面内での中心位置とが一致するよう、同心的関係で配置されている。ただし、この同心的関係は厳密なものでなくても正常な動作は可能であり、意図的、製造上の制約あるいはイオンエンジンの動作点の違い等によって、厳密な同心的関係が満たされないこともある。
Each of the
図9,図10に、イオン通過孔5a,5bの形成パターンとして従来知られている2つのパターンを示す。これらの図は、スクリーングリッド4a、又は加速グリッド4bを、その面内で一部切り取り、金属材料部分を斜線で示すことにより描かれた模式図である。図9において、イオン通過孔5(イオン通過孔5a又は5b)は、イオン加速系4中、スクリーングリッド4a、又は加速グリッド4bの面内に均一の孔径で最密充填的に配置されており、一方で図10において、イオン通過孔53,54,55は、イオン加速系4中、スクリーングリッド4a、又は加速グリッド4bの面内中心から各々のイオン通過孔の中心までの距離に依存して孔径を変化させつつ、最密充填的に配置されている。
FIG. 9 and FIG. 10 show two patterns conventionally known as formation patterns of the
スクリーングリッド4aと加速グリッド4bは、それぞれグリッド支持機構13によって支持されており、定格動作時に0.7mm程度のグリッド間隔を保つための曲率がつけられている(スクリーングリッド4aと加速グリッド4bは平板ではなく、球面等の曲面を形成する。これらグリッドに曲率がなく、即ち平板として構成された場合は、グリッドの熱歪が不規則になりグリッド間隔が予測あるいは制御できない。曲率がついていれば歪む方向が一方向となり間隔が予測できる。なお、例えばカーボン製グリッドとしてこれらグリッドを構成する場合等には、線膨張係数が極めて小さいので、平板とすることが可能である。)。
The
放電容器3の底壁には推進剤分配器6が取り付けられており、推進剤分配器6の表面には小孔7が形成されている。小孔7は絶縁器12を介してガス導入系8に通じており、ガス導入系8から供給されたXe(キセノン)等の推進剤ガスを放電容器3内に放出する。
A
また、放電容器3内には放電陰極となるホローカソード9が配置されている。ホローカソード9には図示しないヒータ用電源と図示しないキーパ用電源が接続されており、ホローカソード9の起動時にはヒータ用電源が図示しないヒータに電流を供給してホローカソード9内の図示しないカソードインサートを熱電子が放出できる温度以上に加熱する。キーパ用電源はホローカソード9の作動中は常に、図示しないキーパに電流を供給し、ホローカソード9内の電子の外部放出を促進する。 Further, a hollow cathode 9 serving as a discharge cathode is disposed in the discharge vessel 3. A heater power supply (not shown) and a keeper power supply (not shown) are connected to the hollow cathode 9, and when the hollow cathode 9 is started, the heater power supply supplies a current to the heater (not shown), and a cathode insert (not shown) in the hollow cathode 9. Is heated above the temperature at which thermionic electrons can be emitted. The keeper power supply always supplies current to a keeper (not shown) during operation of the hollow cathode 9 to promote external emission of electrons in the hollow cathode 9.
このイオンエンジンの動作中、放電容器3は、図示しない電源によりホローカソード9に対して陽極電位に保たれる。この状態でXeガスが、ガス導入系8から絶縁器12内を通って、推進剤分配器6の小孔7から放電容器3内に導入される。Xeガスは、ガス導入系8から絶縁器12を通ったのちホローカソード9を通ることによっても、放電容器3内に導入される。ホローカソード9からは放電室3内に電子が放出され、この電子はホローカソード9と放電容器3との間の電位差により加速されてXe原子に衝突し、Xeを電離させる。これにより放電容器3内にプラズマが生成される。放電容器3内のプラズマは永久磁石10の作るカスプ磁場によって放電容器3の内壁面から離れた領域に閉じ込められる。一旦放電容器3内にプラズマが生成される状態になれば、キーパに電流を流さなくても、プラズマが生成される状態を持続させることもできる。
During operation of the ion engine, the discharge vessel 3 is kept at an anode potential with respect to the hollow cathode 9 by a power source (not shown). In this state, Xe gas passes through the
イオンエンジンの動作中、スクリーングリッド4aは、地上電位、又はイオンエンジンが搭載された宇宙機の電位を基準として1kV程度の電位に、加速グリッド4bは−200V程度の電位に、それぞれ保たれている。通常、スクリーングリッド4aはホローカソード9と図示しない電線によって接続されており、ホローカソード9も1kV程度の電位に保たれている。これらグリッド4a,4bからなるイオン加速系4が、放電容器3内のプラズマからXe+イオンを引き出し、これに1keV程度の運動エネルギーを与えて、イオン通過孔5a及び5bを通じて宇宙空間に放出する。この放出に伴う反力が推力となる。また、中和器として用いられるホローカソード11が、イオン加速系4から放出されたXe+のイオン電流と同じ電流値の電子e-を宇宙空間に放出することで電気的中和を行い、人工衛星等が帯電することを防止する。
During operation of the ion engine, the
図11に、放電容器3内部からイオン通過孔5a,5bを通って宇宙空間に至る空間内の電位分布を、イオン通過孔5a,5bの中心軸に沿って定性的に表わす。このグラフ中、左端の位置における電位は放電容器3内のプラズマの電位に等しく、放電容器3の電位との差は数V程度である。スクリーングリッド4aの位置ではスクリーングリッド4aの電位の影響を受け、これより低い電位となっており、加速グリッド4bの位置では、加速グリッド4bの電位の影響を受け、これより高い電位となっている。加速グリッド4bの位置において空間内の電位は極小値をとるが、イオンビーム発生装置の通常動作中、この位置における電位はイオンビーム発生装置の外側(グラフ中、右側)の電位より十分低い。このため、イオンビーム発生装置の外側にある電子は、極めてエネルギーの高い極少数の電子を除き、加速グリッド4bを通過してイオンビーム発生装置の内側に移動することができない。
FIG. 11 qualitatively represents the potential distribution in the space from the inside of the discharge vessel 3 through the
しかしながら、イオン通過孔5bを通過するXe+イオンの密度が高くなりすぎると、Xe+イオンの正電荷の影響でこの位置における極小電位が上昇して、多くの電子が加速グリッド4bを通過してイオンビーム発生装置の内側に移動可能となる。図8中、加速グリッド4bの左側に移動した電子は放電容器3の内部にまで移動し、Xeガスの電離を促進するため、放電容器3内のプラズマ密度が上昇する。この結果イオン通過孔5bを通過するイオン電流が上昇し、極小電位点でのイオン密度も更に高くなる。このような正帰還の関係によりイオン通過孔5a,5bを通過するイオン電流が上昇して上限値を超えると、イオンビームレット(個々のイオン通過孔5aを通過するイオンの集合体。イオンビームレットの集合体がイオンビームである。)が加速グリッド4bの金属材料部分に衝突して、加速グリッド4bに接続される図示しない電源に過大な電流が流れると共に加速グリッド4bが損耗してしまう。これを避けるべく、放電容器3内でのイオン生成量を調整したり、加速グリッド4bの電位を十分低く保ち、放電容器外部から電子が流入することを防止したりする等の工夫がなされている。
However, if the density of Xe + ions passing through the ion passage hole 5b becomes too high, the minimum potential at this position increases due to the positive charge of the Xe + ions, and many electrons pass through the
従来のイオンビーム発生装置は、2つの電子源(ホローカソード9,11)を備えているが、これらを動作させるためにはそれぞれに付随するガス供給系や電源系が必要となるため、イオンビーム発生装置としての構造が複雑化するという問題があった。さらに、これらの電子源は高価であり、イオンエンジン全体のコストにおいて大きな割合を占めているため、複数の電子源を必要とすることによりイオンエンジンが高コスト化するという問題もあった。 The conventional ion beam generator includes two electron sources (hollow cathodes 9 and 11). In order to operate these electron sources, a gas supply system and a power supply system associated with the electron sources are necessary. There has been a problem that the structure of the generator is complicated. Furthermore, since these electron sources are expensive and occupy a large proportion of the total cost of the ion engine, there is a problem that the cost of the ion engine is increased by requiring a plurality of electron sources.
また、従来のイオンビーム発生装置は、プラズマ生成に用いられる電子を放電容器内の電子源から供給するという構成をとるが、この放電容器内の電子源は地上電位等から1kV程度の電位で動作するため、これに電力を供給するためには十分な対地絶縁機能を備えた複雑で高価な電源が必要になるという問題もあった。これに関し、従来のイオンビーム発生装置は、上述のとおり放電容器内に外部から電子が流入することを防止する構成をとっているため、電子源を放電室の内部に設けることが必須であった。 The conventional ion beam generator is configured to supply electrons used for plasma generation from an electron source in a discharge vessel. The electron source in the discharge vessel operates at a potential of about 1 kV from the ground potential or the like. Therefore, there has been a problem that a complicated and expensive power source having a sufficient ground insulation function is required to supply power to this. In this regard, since the conventional ion beam generator has a configuration that prevents electrons from flowing into the discharge vessel as described above, it is essential to provide an electron source inside the discharge chamber. .
従来のイオンエンジンはこれらの問題を有しており、低コストで製造することが要求される小型衛星等に採用されにくいという状況が生じていた。 Conventional ion engines have these problems, and it has been difficult to adopt them in small satellites and the like that are required to be manufactured at low cost.
そこで本発明は、放電室外部に設置された1つの電子源のみを用いてプラズマ生成と中和とを行なうことが可能なイオンビーム発生装置を提供することを、その目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ion beam generator capable of performing plasma generation and neutralization using only one electron source installed outside the discharge chamber.
本発明は、
(i)放電容器と、
(ii)放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、
(iii)放電容器とガス導入系の間のガス内部での放電を防ぐための絶縁器と、
(iv)放電容器の外部に設置された電子源と、
(v)電子源から放出された電子を電子電流として放電容器の内部に導入すると共に、放電容器の内部に導入された電子と作動ガス粒子とが衝突することにより生成されたプラズマ中のイオンを加速し、イオン電流として放電容器の外部に送り出す、複数の通過孔を備えたスクリーングリッド及び加速グリッドを含むイオン加速系と
を具備することを特徴とする、イオンビーム発生装置を提供する。
The present invention
(I) a discharge vessel;
(Ii) a gas introduction system for introducing a working gas into the discharge vessel;
(Iii) an insulator for preventing discharge inside the gas between the discharge vessel and the gas introduction system;
(Iv) an electron source installed outside the discharge vessel;
(V) Electrons emitted from the electron source are introduced into the discharge vessel as an electron current, and ions in the plasma generated by collision of the electrons introduced into the discharge vessel with the working gas particles are introduced. An ion beam generator comprising: a screen grid having a plurality of passage holes and an ion acceleration system including an acceleration grid, which is accelerated and sent to the outside of a discharge vessel as an ion current.
本発明のイオンビーム発生装置においては、放電室外部の電子源から放出された電子を放電室内部に導入し、これを用いてプラズマを生成する。したがって、プラズマ生成のための電子源を放電容器の内部に設置することは不要である。ただし、バックアップの電子源として用いる場合等、必要に応じて放電室内に任意の電子源を設置しても構わない。 In the ion beam generator of the present invention, electrons emitted from an electron source outside the discharge chamber are introduced into the discharge chamber, and plasma is generated using the electrons. Therefore, it is not necessary to install an electron source for plasma generation inside the discharge vessel. However, an arbitrary electron source may be installed in the discharge chamber as needed, such as when used as a backup electron source.
本発明のイオンビーム発生装置においては、加速グリッド内の複数の通過孔のうち一部を、加速グリッド内の周囲の通過孔に比べて大きい面積を有するよう構成することが好ましい。このような構成をとることにより、大きい面積を有する通過孔を主に電子電流の経路として用いる一方、その周囲の通過孔を主にイオン電流の経路として用いることが可能となる。ただし、このように通過孔の大きさに差異を設けることは必須ではない。 In the ion beam generator of the present invention, it is preferable that a part of the plurality of through holes in the acceleration grid has a larger area than the surrounding through holes in the acceleration grid. By adopting such a configuration, a through hole having a large area is mainly used as an electron current path, while a surrounding through hole can be mainly used as an ion current path. However, it is not essential to provide a difference in the size of the passage holes.
スクリーングリッド内の複数の通過孔のうち、加速グリッド内で周囲の通過孔に比べて大きい面積を有する通過孔の位置に対応する位置にある通過孔は、スクリーングリッド内の周囲の通過孔に比べて小さい面積を有することが好ましい。加速グリッド内の大きい面積を有する通過孔は、プラズマからイオンを抽出する能力に関して周囲の通過孔に劣るため、対応するスクリーングリッド内の位置には面積の小さい通過孔を設けて、加速グリッドに向かうイオンビームレットを小さくすることが有効である。 Among the plurality of through holes in the screen grid, the through holes at positions corresponding to the positions of the through holes having a larger area than the surrounding through holes in the acceleration grid are compared with the surrounding through holes in the screen grid. It is preferable to have a small area. A through-hole having a large area in the acceleration grid is inferior to the surrounding through-hole in terms of the ability to extract ions from the plasma. Therefore, a through-hole having a small area is provided at a corresponding position in the screen grid and directed toward the acceleration grid. It is effective to reduce the ion beamlet.
本発明のイオンビーム発生装置は、加速グリッドの電位を変化させることによりイオン電流の大きさを調整する手段を備えることが好ましい。放電容器の電位を変化させることによっても、同様にイオン電流の大きさを調整できる。 The ion beam generator of the present invention preferably includes means for adjusting the magnitude of the ion current by changing the potential of the acceleration grid. Similarly, the magnitude of the ion current can be adjusted by changing the potential of the discharge vessel.
本発明のイオンエンジンにおいては1つの電子源のみを用いてプラズマ生成と中和とを行うことができるため、従来のイオンエンジンで用いられていた2つの電子源のうち、放電容器内の電子源を撤去して低コストのイオンエンジンを提供することが可能となる。また発熱源であるホローカソードを放電容器から除去することができるため、人工衛星等へ流入する熱量を抑えることができる。 In the ion engine of the present invention, plasma generation and neutralization can be performed using only one electron source. Therefore, of the two electron sources used in the conventional ion engine, the electron source in the discharge vessel. Can be removed to provide a low-cost ion engine. Further, since the hollow cathode, which is a heat source, can be removed from the discharge vessel, the amount of heat flowing into the artificial satellite or the like can be suppressed.
これより図面を用いて、本発明に係るイオンビーム発生装置の構成及び動作を説明する。ただし、本発明に係るイオンビーム発生装置の構成及び動作は、各図面、及び関連する説明により示される特定の具体的構成及び動作へと限定されるわけではない。これについては、後に詳しく説明する。 The configuration and operation of the ion beam generator according to the present invention will now be described with reference to the drawings. However, the configuration and operation of the ion beam generator according to the present invention are not limited to the specific specific configuration and operation shown in the drawings and the related description. This will be described in detail later.
本発明に係るイオンビーム発生装置の構成
図1に、本発明の一実施形態に係るイオンビーム発生装置の構成を示す(内部構造を示すために、一部を切り取って描いている)。従来のイオンビーム発生装置と同様の要素には、図8内の参照符号と同一の符号が付されている。これら従来のものと同様の要素については、説明を省略する。
Configuration of Ion Beam Generating Device According to the Present Invention FIG. 1 shows the configuration of an ion beam generating device according to an embodiment of the present invention (partially cut out to show the internal structure). Elements similar to those of the conventional ion beam generator are denoted by the same reference numerals as those in FIG. The description of the same elements as those in the related art will be omitted.
図1のイオンビーム発生装置が図8のイオンビーム発生装置と比べて異なる点として、まず、図1の構成は放電容器3内にホローカソード9、及びこれに作動ガスを送り出すためのガス導入系8、絶縁器12を含まないことが挙げられる。後述のとおり、本発明のイオンビーム装置は、放電容器3外部の、従来は中和器としてのみ用いられていたホローカソード11より放出された電子を放電容器3内部に導入して、プラズマ生成を行うことが可能である。したがって、放電容器内部に電子源を設ける必要がない。
The ion beam generator of FIG. 1 differs from the ion beam generator of FIG. 8 in that the configuration of FIG. 1 is a hollow cathode 9 in a discharge vessel 3 and a gas introduction system for sending a working gas to this. 8. It is mentioned that the
ホローカソードを中和器とプラズマ生成用電子源の両方の用途で用いる際には、スクリーングリッド4a、加速グリッド4b内での通過孔5a,5bの形成パターンを、図9、図10に示されるような従来例のパターンから変更することが好ましい。
When the hollow cathode is used for both the neutralizer and the plasma generating electron source, the formation patterns of the passage holes 5a and 5b in the
好ましいパターンで通過孔5bが形成された加速グリッド4bの一例を図2に、これに対応するパターンで通過孔5aが形成されたスクリーングリッド4aの一例を図3に、それぞれ示す。図2に示されるとおり、加速グリッド4b内の通過孔のうち一部の通過孔52bは、周囲の通過孔51bに比べて大きい面積(通過孔が円形であるとするならば、孔径に対応する。)を有している。後に詳しく説明するとおり、大きい通過孔52bは、主には放電容器3外部から電子を導入するための経路として機能し、小さい通過孔51bは、主に放電容器3内で発生したプラズマからイオンを加速して放出するための経路として機能する。
An example of the
また、図3に示されるとおり、加速グリッド4b内、大きい通過孔52bの位置に対応する位置(グリッド面に垂直な方向から見て重なる位置)において、スクリーングリッド4a内の通過孔52aは周囲の通過孔51aよりも面積の小さな通過孔として形成されている。後に詳しく説明するとおり、このような構成をとれば、イオン抽出能力に劣る通過孔52bに向かうイオンビームレットを小さくして、加速グリッド4bに接続された図示しない電源に過大な電流を流すことを防ぐと共に、加速グリッド4bの損耗を防ぐことが可能となる。
Further, as shown in FIG. 3, in the
本発明に係るイオンビーム発生装置の動作
以下、図1のイオンビーム発生装置によるイオンビーム発生動作を説明する。
Operation of Ion Beam Generating Device According to the Present Invention Hereinafter, an ion beam generating operation by the ion beam generating device of FIG. 1 will be described.
まず、ホローカソード11を作動させ、電子が出る状態にした後、放電容器3内に推進剤分配器6を通じて作動ガスを供給する。ここでスクリーングリッド4aと加速グリッド4bを所定の電位、例えばスクリーングリッド4aを500V、加速グリッド4bを−50Vにするが、放電を開始するため、一時的に加速グリッド4bの電位を0V近傍にまで上昇させる。このとき、放電の開始を容易にする手段として、作動ガスの流量を一時的に増やすことと、ホローカソード11に接続された図示しない電源により、ホローカソード11の電位を負、例えば−15Vにすることが効果的である。
First, the hollow cathode 11 is operated to emit electrons, and then the working gas is supplied into the discharge vessel 3 through the
加速グリッド4bの電圧が0V近傍であるため、上記放出された電子は、電子電流として放電容器3内部へと流れ込む。電子電流は、加速グリッド4b内の通過孔51bと52bのうち、主には面積の大きい通過孔52bを通って流れ込む。電子は放電容器3の電位により加速されてXe原子と衝突し、Xeが電離することによりプラズマが発生する。
Since the voltage of the
従来のイオンエンジンでは、図9に示すようなパターンで通過孔を設けて、通過孔5aの孔径を例えば2mmに、通過孔5bの孔径を例えば1.5mmとし、スクリーングリッド4aの板厚を例えば0.3mm、加速グリッド4bの板厚を例えば0.5mmとしていた。しかしながら、このような構成においては、加速グリッド4bの電位を0Vにしても放電容器3内でプラズマが発生しない。これは、通過孔5bが小さすぎることと加速グリッド4bの板厚が大きすぎることにより、電子が自身の負電荷による空間電荷制限の影響を受け、ほとんどが通過孔5bを通過できないためである。
In the conventional ion engine, passage holes are provided in a pattern as shown in FIG. 9, the diameter of the
本実施例においては、面積の大きい通過孔52bの孔径を、例えば5mmとすることにより、電子電流の放電容器3内部への流入を可能としている。一方で、5mmの孔径を有する通過孔52bは、プラズマからXe+イオンを抽出する能力に関して周囲の通過孔51bに劣るため、仮に図9、図10に示されるような従来のパターンで通過孔5aが配置されたスクリーングリッド4aを用いるならば、ガス導入系8からのXeガスの導入量を減らす等により、従来のイオンビーム発生装置と比べて放電容器内3のプラズマ密度を著しく低くしない限り、イオンビームレットが広がりすぎてしまう。広がったビームレットの一部が加速グリッド4bに衝突すれば、加速グリッド4bに接続される電源に過大な電流が流れると共に、加速グリッド4bが損耗してしまう。
In the present embodiment, the diameter of the
通過孔52bの大きさに応じてXeガス導入量を調整することにより、本発明のイオンビーム発生装置は動作可能であるが、既に述べたとおり、本実施例においてはスクリーングリッド4a内の通過孔52aが周囲の通過孔51aよりも面積の小さな通過孔として形成されている(図3)。これにより、イオンビームレットのうち面積の大きな通過孔52bに向かうビームレットが小さくなるため、従来と同様のプラズマ密度を保ちつつ、本発明のイオンビーム発生装置は動作することができる。
By adjusting the Xe gas introduction amount according to the size of the
既に述べたとおり、従来のイオンエンジンでは、イオン加速系4の通過孔5の孔径は、イオン加速系4に含まれるスクリーングリッド4a、加速グリッド4bのそれぞれの全面に亘って均一か、グリッド面の中心から通過孔5a,5bの中心までの距離に依存して決められていた。本発明は、この原則を破り、通過孔5a,5bの一部の孔径を周囲の通過孔5a,5bの孔径とは異なるものにする。図2に基づいて説明すれば、通過孔51bの孔径は、作動ガスの漏洩を最小限にすべく、イオンビームレットが衝突なく通過できる範囲でなるべく小さくなるように決められている一方、通過孔52bの孔径は、ホローカソード11から放出される電子が放電容器3まで通過しやすいように、通過孔51bの孔径よりも大きくなるよう決められている。また、図3に示されるとおり、スクリーングリッド4a内、通過孔51aの孔径は、長時間運転による磨耗後でも十分な構造的強度を確保できる範囲でなるべく大きく決められており、一方で通過孔52aの孔径は、図2の通過孔52bの孔径に対応して、通過孔51bよりも劣る通過孔52bのイオン抽出能力を超えないよう、通過孔51aの孔径よりも小さくなるよう決められている。そのような周囲と孔径の異なる通過孔52a,52bを流れるイオン電流は周辺孔のイオン電流より低くなるものの、この通過孔52b,52aを通って放電容器3に流れ込む電子電流が大きくなるため、大きな電子電流と高いプラズマ密度を両立しつつイオンビーム発生装置を動作させることが可能となる。
As already described, in the conventional ion engine, the hole diameter of the
以上のとおり、プラズマから引き出されたXe+の流れであるイオン電流は、主には通過孔51a,51bを通って宇宙空間に放出されて、イオンエンジンの推力が発生する。また、中和器としても用いられるホローカソード11が、通過孔51a,51bを通って放出されたXe+のイオン電流と同じ電流値の電子e-を宇宙空間に放出することで電気的中和を行い、人工衛星等が帯電することを防止する。 As described above, the ion current, which is the flow of Xe + drawn from the plasma, is released into the outer space mainly through the passage holes 51a and 51b, and the thrust of the ion engine is generated. Further, the hollow cathode 11 also used as a neutralizer discharges electrons e − having the same current value as the ion current of Xe + emitted through the passage holes 51a and 51b to the electric space, thereby neutralizing electrically. To prevent the artificial satellites from being charged.
図2、図3においては各通過孔が最密充填的に配置されているが、このような配置は必須ではなく、例えば直交する行ライン、列ラインでグリッド領域を分割し、ライン同士の交点に通過孔を配置してもよい(直交的配置)。通過孔52a,52bが周期的に配置されることも必須ではなく、例えばこれらがランダムに配置されていても構わない。通過孔52a,52bの数も任意である。さらに、図2、図3においては通過孔52a,52bの周囲に必ず通過孔51a,51bが存在するように各通過孔が配置されているが、このように配置することも必須ではなく、例えば通過孔52a,52bを通過孔群の最外縁に配置しても構わない。
2 and 3, the through holes are arranged in a close-packed manner, but such an arrangement is not essential. For example, the grid area is divided by orthogonal row lines and column lines, and the intersections of the lines are arranged. Passing holes may be arranged in (orthogonal arrangement). It is not essential that the passage holes 52a and 52b are periodically arranged. For example, they may be randomly arranged. The number of
図4,図5に、そのような通過孔の配置態様としてとりうる態様の一例を示す。図4の加速グリッド4bにおいて、通過孔51bの孔径は推進剤の漏洩を最小限にするように決められているが、一方で通過孔52bの孔径は、ホローカソード11の放出する電子が放電容器3内部に流入しやすいよう、通過孔51bの孔径よりも大きい。同様に、図5のスクリーングリッド4aにおいて、通過孔51aの孔径は、長時間運転による磨耗後でも十分な構造的強度を確保できる範囲でなるべく大きくなるように決められているが、一方で通過孔52aの孔径は、図4の通過孔52bの孔径に対応して決められる。すなわち、通過孔52bはプラズマからイオンを抽出する能力に関して周囲の通過孔51bに劣っており、仮に通過孔52aが通過孔51aと同程度の孔径を有していたならば、イオンビームレットが広がりすぎて、加速グリッド4bに接続される電源に過大な電流が流れると共にイオンの衝突により加速グリッド4bが損耗してしまうため、通過孔52aの孔径を通過孔51aよりも小さくしている。
FIG. 4 and FIG. 5 show examples of modes that can be taken as arrangement modes of such passing holes. In the
また、図4、図5において、通過孔52aは、通過孔51aを最密充填的に配置した上で、そのうち隣り合って三角形状に配置された3つの通過孔51aを1つの通過孔52aで置き換えることにより配置され、通過孔52bも、通過孔51bを最密充填的に配置した上で、そのうち隣り合って三角形状に配置された3つの通過孔51bを1つの通過孔52bで置き換えることにより配置されているが、このような配置に限らず、例えば図6、図7に示すとおり、隣り合って六角形状に配置された7つの通過孔51a、通過孔51bを、1つの通過孔52a、通過孔52bにより置き換えてもよい。さらに、例えば上述の直交的配置を採用するならば、隣り合う4つ、9つ、あるいはそれ以上の通過孔51a、通過孔51bを、1つの通過孔52a、通過孔52bにより置き換えることが可能である。また、図4〜図7においては、通過孔52aと通過孔52bとが、それぞれ最寄りの3つの通過孔51a、通過孔51bから等距離に位置するよう配置されているが、このように配置することも必須ではない。通過孔52a、通過孔52bの数も特定の数に限られることはなく、単数でも複数であってもよい。さらに、全ての態様において通過孔52a,52bの周囲に必ず通過孔51a,51bを配置することは必須ではなく、例えば通過孔52a,52bを通過孔群の最外縁に配置しても構わない。
In FIGS. 4 and 5, the passage holes 52a are arranged so that the passage holes 51a are arranged in a close-packed manner, and three
なお、以上の全ての態様において、スクリーングリッド4aの電位を放電容器3の電位より10〜30V程度低くしておけば、Xe+イオンが放電容器3からスクリーングリッド4aに引き付けられるため、イオン加速系4を通過するイオン電流を効果的に上昇させることができる。ただし、具体的にスクリーングリッド4aと放電容器3との電位差が過大になるとイオン衝突によりスクリーングリッド4aの磨耗が促進されるので、該電位差をどのような大きさにするかは、個々の実施態様に応じて、理論的に、数値計算により、又は実験により決定されるべきである。
In all of the above embodiments, if the potential of the
イオンエンジンの推力の制御は、例えば図示しない電源により、放電容器3の電位あるいはスクリーングリッド4aの電位と、加速グリッド4bの電位のいずれか、あるいは両方の電位を組み合わせて制御することにより可能である。ここで放電容器3あるいはスクリーングリッド4aの電位を上げることには、加速するイオンの速度を増す効果と遡上電子を僅かに増やすことによりイオン電流を増す効果がある。また加速グリッド4bの電位を上げることには、遡上電子を増やすことによりイオン電流を増す効果がある。さらに推進剤の供給量を制御して推力を制御することも可能である。推進剤を増やすと、イオンの生成量も増えるので、その結果推力が増加する。
The thrust of the ion engine can be controlled, for example, by controlling the potential of the discharge vessel 3, the potential of the
本発明の技術的意義
従来のイオンエンジンでは、電子源が放電容器の中央部に1つだけ設けられているため、プラズマ密度が中心軸上で高く、周辺部で低い。プラズマ密度が高いほどイオン加速系の損耗が大きくなるため、イオン加速系の周辺部が正常に機能していても中心部が損耗して作動不能となることが一般的であった。本発明のイオンエンジンでは、電子電流を促進するよう通過孔の分布に配慮したことにより、イオン加速系に接するプラズマの密度を平均化することができ、すなわちイオン加速系の損耗も平均化できるので、イオンエンジンの寿命を延ばすことができる。また、電子電流が正帰還によって上昇する現象に関しては、使用する電線の抵抗と電子源の電流−電圧特性が安定抵抗の役割をなすので、電子電流が過大になる前に収まることがあり、これらの特性は電流制御装置を簡素化するために効果的である。電子電流が過大になると、イオンビームレットの広がりが過大になり、持続的な運転が妨げられることもある。
Technical Significance of the Present Invention In the conventional ion engine, since only one electron source is provided in the central portion of the discharge vessel, the plasma density is high on the central axis and low in the peripheral portion. The higher the plasma density, the greater the wear of the ion acceleration system. Therefore, even if the peripheral portion of the ion acceleration system functions normally, the center portion is worn and becomes inoperable. In the ion engine of the present invention, the density of the plasma in contact with the ion acceleration system can be averaged by considering the distribution of the passage holes so as to promote the electron current, that is, the wear of the ion acceleration system can be averaged. , Can extend the life of the ion engine. In addition, regarding the phenomenon in which the electron current rises due to positive feedback, the resistance of the wire used and the current-voltage characteristics of the electron source play a role of stable resistance, so they may settle before the electron current becomes excessive. This characteristic is effective for simplifying the current control device. When the electron current becomes excessive, the spread of the ion beamlet becomes excessive, and continuous operation may be hindered.
本発明の技術的範囲
なお、本発明は実施例として説明された上述の態様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範囲内で適宜変更可能である。一例として、放電容器の形状は任意であるし、推進剤ガスも、Xeに限らずプラズマ生成が可能な酸素、水銀等の任意のガスであってよい。また、ガス導入系は放電容器用と図示しない電子源用のそれぞれ1系統を採用しているが、これ以外の系統数を採用してもよい。絶縁器も、上述の例に限らず、例えば十分に長い非導電性の管を用いてもよい。さらに、本実施例においてグリッド内に形成される通過孔の形状は円形であるとしたが、任意の形状で通過孔を形成してよい。また、図1中ではイオン加速系4がスクリーングリッド4aと加速グリッド4bという2つのグリッドから構成されているが、グリッドの数は2に限らず任意であり、例えば地上又は宇宙機に対して接地された減速グリッドを更に設けることもできる。図1中で磁石10は永久磁石とされており、また4列の永久磁石が放電容器内に配置されているが、この列数も任意に変更可能である。また、この実施例においてはリングカスプ磁場によりプラズマを閉じ込めていたが、どのような磁場を発生させるかは任意であるし、磁場によりプラズマを閉じ込めること自体も、本発明にとって必須ではない。ただし、磁場がない場合にはプラズマが放電容器内壁に衝突して一部失われるため、効果的にイオン電流を生成するためには磁場を発生させることが好ましい。この磁場は電磁石によって発生させることもできる。推進剤分配器の位置、数、ガス放出孔の数及び分布も、上述の態様に限られるわけではない。電子源もホローカソードに限られるわけではなく、直熱型、傍熱型、酸化物型でも、マイクロ波型でもよい。電子源の個数も、1つに限らず任意の数であってよい。
Technical scope of the present invention The present invention is not limited to the above-described embodiments described as examples, and can be appropriately changed within the scope of the present invention described in the claims. As an example, the shape of the discharge vessel is arbitrary, and the propellant gas is not limited to Xe, and may be any gas such as oxygen or mercury that can generate plasma. In addition, the gas introduction system employs one system each for the discharge vessel and the electron source (not shown), but other numbers of systems may be employed. The insulator is not limited to the above example, and a sufficiently long non-conductive tube may be used, for example. Furthermore, although the shape of the through hole formed in the grid is circular in this embodiment, the through hole may be formed in an arbitrary shape. In FIG. 1, the ion acceleration system 4 is composed of two grids, a
さらに、上述の実施例は、本発明のイオンビーム発生装置を特にイオンエンジンに適用したものであるが、イオンエンジン以外のイオンビーム発生装置として本発明を実施することも可能である。従来のホローカソードを使用したイオンビーム発生装置で酸素イオンビームを発生させる場合、ホローカソードの作動ガスとして酸素を使用したならばホローカソードが損傷するため、酸素ではなくアルゴン等が使用されていた。このため従来は酸素イオンにアルゴンイオン等が多く混入していたのであるが、本発明のイオンビーム発生装置を用いれば、放電容器内に供給される作動ガスを酸素のみとすることができ、アルゴン等は通過孔を遡上する微量とすることができるので、純度の高い酸素イオンビームを発生させることができる。 Furthermore, although the above-mentioned Example applies the ion beam generator of this invention especially to an ion engine, it is also possible to implement this invention as ion beam generators other than an ion engine. When an oxygen ion beam is generated by a conventional ion beam generator using a hollow cathode, if the oxygen is used as a working gas for the hollow cathode, the hollow cathode is damaged, and therefore argon or the like is used instead of oxygen. For this reason, in the past, a large amount of argon ions and the like were mixed in oxygen ions, but if the ion beam generator of the present invention is used, the working gas supplied into the discharge vessel can be oxygen only, Etc. can be a minute amount that goes up the passage hole, so that a highly pure oxygen ion beam can be generated.
本発明のイオンビーム発生装置は、例えば人工衛星等、宇宙機に搭載されるイオンエンジンとして、又は材料加工用のイオンビームを発生させる装置として利用可能であり、その他にもイオンビームを利用することができる全ての産業において適用可能である。 The ion beam generator of the present invention can be used as an ion engine mounted on a spacecraft such as an artificial satellite, or as an apparatus for generating an ion beam for material processing. In addition, an ion beam can be used. It is applicable to all industries that can
1 シールドケース
2 小孔
3 放電容器
4 イオン加速系
4a スクリーングリッド
4b 加速グリッド
5,5a,5b 通過孔
6 推進剤分配器
7 小孔
8 ガス導入系
9 ホローカソード
10 磁石
11 ホローカソード
12 絶縁器
13 グリッド支持機構
51a,51b 通過孔
52a,52b 通過孔(電子の通過を促進するもの)
53 通過孔(孔径大)
54 通過孔(孔径中)
55 通過孔(孔径小)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Shield case 2 Small hole 3 Discharge vessel 4
53 Passing hole (large hole diameter)
54 Passing hole (medium hole diameter)
55 Passing hole (small hole diameter)
Claims (6)
前記放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、
前記放電容器と前記ガス導入系の間のガス内部での放電を防ぐための絶縁器と、
前記放電容器の外部に設置された電子源と、
前記電子源から放出された電子を電子電流として前記放電容器の内部に導入すると共に、該放電容器の内部に導入された電子と前記作動ガスとが衝突することにより生成されたプラズマ中のイオンを加速し、イオン電流として該放電容器の外部に送り出す、複数の通過孔を備えたスクリーングリッド及び加速グリッドを含むイオン加速系と
を具備することを特徴とする、イオンビーム発生装置。 A discharge vessel;
A gas introduction system for introducing a working gas into the discharge vessel;
An insulator for preventing discharge inside the gas between the discharge vessel and the gas introduction system;
An electron source installed outside the discharge vessel;
The electrons emitted from the electron source are introduced into the discharge vessel as an electron current, and ions in the plasma generated by the collision between the electrons introduced into the discharge vessel and the working gas are introduced. An ion beam generator comprising: a screen grid having a plurality of passage holes and an ion acceleration system including an acceleration grid that accelerates and sends out as an ion current to the outside of the discharge vessel.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN114655470A (en) * | 2022-03-15 | 2022-06-24 | 西北工业大学 | An air-breathing ECR ion thruster intake port assembly |
US12125664B2 (en) | 2018-11-30 | 2024-10-22 | Oxford Instruments Nanotechnology Tools Limited | Charged particle beam source, surface processing apparatus and surface processing method |
WO2024258834A1 (en) * | 2023-06-12 | 2024-12-19 | Applied Materials, Inc. | Ion extraction optics having non uniform grid assembly |
-
2012
- 2012-06-26 JP JP2012143095A patent/JP2014005799A/en active Pending
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