イオンエンジン試験装置
【課題】装置を大型化することなく真空排気速度を向上でき、イオンエンジン等の高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得る。
【解決手段】イオンエンジン試験装置は、イオン８の放出方向に対して傾斜した入射面が形成されたターゲット２０〜２９を円筒状の真空容器１内に互いに間隙をおいて配置し、この間隙を介して真空容器１の一側に形成されイオンエンジン２からイオン８が放出される第１の空間３と真空容器１の他側に形成された第２の空間４とを連通し、第１の空間３および第２の空間４にそれぞれ第１のクライオパネル５および第２のクライオパネル６を設置したものである。
【解決手段】イオンエンジン試験装置は、イオン８の放出方向に対して傾斜した入射面が形成されたターゲット２０〜２９を円筒状の真空容器１内に互いに間隙をおいて配置し、この間隙を介して真空容器１の一側に形成されイオンエンジン２からイオン８が放出される第１の空間３と真空容器１の他側に形成された第２の空間４とを連通し、第１の空間３および第２の空間４にそれぞれ第１のクライオパネル５および第２のクライオパネル６を設置したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、宇宙空間で人工衛星の姿勢制御に用いられるイオンエンジン等の試験を行うイオンエンジン試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のイオンエンジン試験装置としては、一側にイオンエンジンが装着された真空容器と、この真空容器内の他側にイオンエンジンと対向して設けられたチタン製の傾斜ターゲットと、真空容器の胴部内側面に設けられ極低温に冷却されたクライオパネルを備え、イオンエンジンから放出され傾斜ターゲットと衝突してガス化したイオンを極低温のクライオパネルで固化して凝着することにより、真空容器内の気体を排気（除去）して装置の高真空を維持するものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】宮崎勝弘、「イオンエンジンの寿命試験における評価精度および試験効率向上のためのイオンエンジン試験装置のターゲットの改修」、航空宇宙技術研究所資料、独立行政法人航空宇宙技術研究所、平成１５年８月、第７７８号、ｐ．３〜８（図１、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、イオンエンジン等の高出力化に伴って放出されるイオンの量が増加しており、イオンエンジン試験装置としては高真空を維持するために真空排気速度の向上を図る必要がある。真空排気速度向上の方策としてはクライオパネルの表面積を増大することが考えられるが、上記のような従来装置においてクライオパネルの表面積を増大するためには真空容器を大径化する必要があり、その結果装置が大型化するという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、装置を大型化することなく真空排気速度を向上でき、高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るイオンエンジン試験装置は、真空容器、この真空容器内に互いに間隙をおいて配置され、前記真空容器の一側にイオンエンジンからイオンが放出される第１の空間と、前記真空容器の他側に前記第１の空間と前記間隙を介して連通した第２の空間とを形成すると共に、前記イオンの放出方向に対して傾斜した入射面により前記イオンのエネルギーを吸収する複数の第１のターゲット、および前記真空容器の前記第１および第２の空間にそれぞれ設けられた第１および第２のクライオパネルを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、装置を大型化することなくクライオパネルの表面積を増大して真空排気速度を向上することができ、高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図１のイオンエンジン試験装置の要部（ターゲット）を示す断面図である。
【０００９】
まず、図１ないし図３を用いて実施の形態１におけるイオンエンジン試験装置の構成について説明する。
図１においてイオンエンジン試験装置は、円筒状の真空容器１と、この真空容器１内に互いに間隙をおいて配置され、イオンのエネルギーを吸収する複数のターゲット２０〜２９（第１のターゲット）とを備えており、ターゲット２１〜２８の間隙を介して、真空容器１の一側に形成された第１の空間３と、この真空容器１の他側に形成された第２の空間４とが連通している。そして、第１の空間３には、第１のクライオパネル５が、第２の空間には第２のクライオパネル６がそれぞれ設けられている。
【００１０】
真空容器１は、直径１．５ｍ、長さ３ｍ程度の円筒胴１ａの両側に皿形鏡板１ｂ、１ｃが設けられており、例えば、ステンレス材で構成されている。また、イオンエンジン７は第１の空間３内の鏡板１ｂ付近に配置された設置台（図示せず）上に装着され、そのイオン放出面７ａの中心が真空容器１の軸心と一致するように設置される。なお、イオンエンジン７の代わりにホールスラスタ等の静電加速型の電気推進器を用いることができる。
【００１１】
図３は図１におけるターゲット２４〜２６を拡大して示した図である。図３に示すように、例えばターゲット２４は、入射面２４ａが形成された短冊形のイオン衝突板２４１と、このイオン衝突板２４１が一側に装着された短冊形の基板２４２と、この基板の他側に接合された冷却管（冷却手段）１５とで構成されている。イオン衝突板２４１は基板２４２とボルトで機械的に締結され、イオン衝突板２４１は基板２４２と着脱可能に装着されている。
【００１２】
本実施の形態においては、イオン衝突板２４１はグラファイト材で、基板２４２および冷却管１５は熱伝導率の高い銅または銅合金でそれぞれ形成されているが、他の材料を使用することもできる。また、基板２４２と冷却管１５は低温ろう付けにより接合されているが、他の方法で接合してもよい。
なお、ターゲット２４以外のターゲット２０〜２９についてもターゲット２４と同様に、裏面に冷却管１５が接合された基板の表面に入射面が形成されたイオン衝突板が装着された構成となっている。
【００１３】
このように構成されたターゲット２０〜２９は、フレーム（図示せず）に着脱可能にボルトで締結され、さらにこのフレームを真空容器１内に溶接された固定台（図示せず）にボルトを介して固定することによって、真空容器１内に設置される。
ここで、ターゲット２０〜２９の入射面は、イオンエンジン７から放出されるイオン８の放出方向に対して傾斜するように設けられ、特にイオン８の密度が高い領域に設置されるターゲット２１〜２８はイオンの入射角が６０度近傍の角度になるように配置されている。また、ターゲット２０および２９は、イオンエンジン７のイオン放出面７ａと平行に設置され、イオン８が第２のクライオパネル６に直接入射しないように、第２のクライオパネル６の内側面は、その全面がターゲット２０〜２９の投影面によって覆われている。また、ターゲット２１〜２４、およびターゲット２５〜２８はそれぞれ平行に設置され、図３に示すようにターゲット２４はターゲット２５の端部を覆うように設置されている。
【００１４】
ターゲット２０〜２９を構成する基板に接合された冷却管１５には、真空容器１の外部に設置されたターゲット冷却器９から冷媒が供給されており、この冷媒によってイオン衝突板は基板を介して冷却されている。本実施の形態においては、冷媒として水を使用し、ターゲットの表面温度を２０℃程度に保持できるような水温・流量の水をターゲット冷却器８から供給しているが、必要な排熱量、ターゲットの表面温度、および、価格、本体サイズ等を考慮して適宜冷媒および冷却器を選択することができる。
【００１５】
第１のクライオパネル５は、図２に示すように、８個のクライオパネル５１〜５８から構成されており、このクライオパネル５１〜５８が真空容器１内に設けられたクライオパネル設置台１０１〜１０８の上に取り付けられ、全体として第１の空間３を取り込むように真空容器１の内側に設けられている。また、第２のクライオパネル６は、ターゲット２０〜２９と対向するように第２の空間４内に設けられ、真空容器１の鏡板１ｃに取り付けられている。第１および第２のクライオパネル５、６には配管１１を介してヘリウム冷凍機１２から液体ヘリウムが供給されており、第１および第２のクライオパネル５、６の表面は常時２０Ｋ以下に冷却されている。真空容器１内のガス分子は、これらのクライオパネル５、６の表面で固化して凝着するので、第１および第２のクライオパネル５、６は大容量の真空排気装置として機能する。
【００１６】
なお、第１および第２のクライオパネルの代わりに、イオンエンジン７の作動時に真空容器１内の真空度を１×１０−３〜１×１０−４Ｐａ程度に維持することができるような排気能力を有する市販のクライオポンプを、第１および第２の空間３、４に面してそれぞれ設けてもよい。
【００１７】
また、第１のクライオポンプの内側には、真空容器１に固定された支持板１３１〜１３８によって支えられ、第１のクライオパネル５１〜５８に沿って設けられた複数のシュラウド１４１〜１４８が、真空容器１の軸心方向に間隔をおいて設けられている。
【００１８】
なお、真空容器１には第１および第２のクライオポンプを稼動させる前に真空容器１内を所定の真空度に減圧するための粗引き用のロータリーポンプ（図示せず）が補助真空排気装置として接続されている。
【００１９】
次に図１を用いてイオンエンジン試験装置の動作について説明する。
イオンエンジン２を作動させると、イオンエンジン２のイオン放出面２ａからターゲットに向かって、例えば、推進剤のキセノン（以下「Ｘｅ」という）がイオン８として放出される。このとき、Ｘｅイオン８の密度分布は真空容器１の軸心方向が最大で真空容器１の軸心を中心とした同心円上に密度が低下する形となる。
【００２０】
このように放出されたＸｅイオン８は、ほぼ全てがターゲット２０〜２９のイオン衝突板に衝突するので、イオン衝突板の表面からはＸｅガスが発生するものとみなせる。イオン衝突板の表面から発生したＸｅガスは、第１の空間３およびターゲット２１〜２８の間隙を通って第２の空間４にそれぞれほぼ等量に放出される。第２の空間４に放出されたＸｅガスは分子流となって、鏡板１ｃに設置された第２のクライオパネル６に全量が入射し、その表面で固化して凝着する。このように第２のクライオパネル６はＸｅガスの指向性を利用して放出されたＸｅガスを効率よく排気することができる。
【００２１】
一方、イオン衝突板から第１の空間３に向かって放出されたＸｅガスは、第１のクライオパネル５の表面で固化して凝着するが、第１のターゲット２１〜２８の間に所定の間隙を設けて第２の空間４側にもＸｅガスを放出できるようにしたので、第１のクライオパネル５に凝着するＸｅガスの量は、第１のターゲット２１〜２８の間に間隙を設けない場合に比べてほぼ半減することになる。すなわち、第１のクライオパネル５と第２のクライオパネル６はほぼ同量のＸｅガスを排気することができるので、真空容器１の形状および寸法が同一である場合には、真空容器１内のガス排気速度を約２倍に向上させることができる。
【００２２】
このように、真空容器１内の一側に形成されイオンエンジン２からＸｅイオン８放出される第１の空間と、真空容器２内の他側に形成された第２の空間とをターゲット２１〜２８の間隙を介して連通したことにより、第１の空間３に設けられた第１のクライオパネル５に加えて、第２の空間４に設けられた第２のクライオパネル６でも真空容器１内のＸｅガスを排気できるので、装置を大型化することなく真空排気速度の高いイオンエンジン試験装置を得ることができる。
【００２３】
また、イオンエンジン２からのイオン放出面２ａと対向してターゲット２０〜２９を配置したことにより、放出されたイオン８が直接真空容器１や第２のクライオパネル６に衝突することを防止できるので、真空容器１および第２のクライオパネルの磨耗を抑制できる。
【００２４】
イオン衝突板を構成する原子は、イオンエンジン２から放出されたＸｅイオン８の衝突によって、スパッタ粒子として真空容器１内に飛散する。Ｘｅイオン８のイオン衝突板２０１〜２９１に形成された入射面への入射角が９０度に近いほど、イオンエンジン２に飛来するスパッタ粒子の量は減少するが、イオン衝突板への入射角が７０度から９０度の範囲では入射したＸｅイオン自身がイオン衝突板で反跳されて、第１および第２のクライオパネル５、６、基板および冷却管１５等を磨耗する恐れがあるので、上記入射角は７０度以下であることが好ましく、本実施の形態のように入射角を６０度近傍に設定して、Ｘｅイオンの反跳を防ぐことが望ましい。
【００２５】
このようにターゲット２０〜２９の入射面２０ａ〜２９ａをイオン８の放出方向に対して傾斜して配置することにより、スパッタ粒子がイオンエンジン２に飛来し付着することを抑制できるので、スパッタ粒子の堆積によるイオンエンジン２の絶縁破壊や、イオン放出口磨耗状態等に悪影響を及ぼすことがない。また、ターゲットに入射するイオンの反跳も低減できるので、反跳粒子による真空容器１や第１および第２のクライオパネル５、６の磨耗も抑制できる。
【００２６】
また、本実施の形態でイオン衝突板を形成する材料として用いたグラファイトは、従来のイオンエンジン試験装置のイオン衝突板として用いられていたチタンに比べてスパッタレート（ａｔｏｍｓ／ｉｏｎ）が約３分の１であり、さらに同体積に含まれる原子数はチタンの約２倍であるので、同体積で比較した場合、グラファイトで形成したイオン衝突板２０１〜２９１の磨耗速度はチタンに比べて約６分の１となり、交換の頻度を大幅に低減することができる。
【００２７】
さらに、グラファイトはチタンの約３倍の熱伝導率を有するので、チタンに比べてイオン衝突板を約３倍厚くしても同等の表面温度を得ることができる。すなわち、イオン衝突板をチタンで形成した場合と同等の表面温度に設定する場合には、グラファイトで形成したイオン衝突板の磨耗速度をチタンに比べて約１８分の１に低減することができる。
【００２８】
Ｘｅイオン８の衝突によってイオン衝突板の表面温度は上昇するが、イオン衝突板を裏面に冷却管１５を接合された基板の表面に装着し、イオン衝突板と冷却管１５との距離を短く構成しているので、イオン衝突板を効率的に冷却することができる。
【００２９】
また、基板および冷却管１５を銅または銅合金で形成したので、アルミニウム等の他材料で形成した場合に比べて、排熱効率を向上させることができる。
さらに、基板と冷却管１５とを低温ろう付けで接合したので、接合による熱履歴を２５０〜３００℃程度と、銀ろう付けやアルミ溶接時の熱履歴の約３分の１程度に抑制でき、その結果、接合による部材の熱ひずみが低減されて、基と冷却管１５との密着性を向上して排熱効率を向上することができる。
【００３０】
本実施の形態によれば、イオン８の放出方向に対して傾斜した入射面が形成されたターゲット２１〜２９を真空容器１内に互いに間隙をおいて配置し、この間隙を介して真空容器１の一側に形成されイオンエンジン２からイオン８が放出される第１の空間３と真空容器１の他側に形成された第２の空間４とを連通したことにより、第１の空間３のみならず、第２の空間４にもクライオパネルを設置してクライオパネルの大面積化を図ることができるので、装置を大型化することなく真空排気速度を向上でき、イオンエンジン等の高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得ることができる。また、真空排気速度を低下させることなく装置を小型化できるので、装置設置面積の減少、装置製作費用の低減、および真空減圧・大気開放時間の短縮が可能となる。
【００３１】
また、本実施の形態によれば、第１のクライオパネル５を第１の空間３を取り囲むように設けたので、第１の空間３に放出されたガスを効率よく排気することができる。
【００３２】
また、本実施の形態によれば、第２のクライオパネル６を、ターゲット２０〜２９と対向して設けたことにより、第２の空間４に放出されたガスの指向性を利用して効率よく排気することができる。
【００３３】
また、本実施の形態によれば、第２のクライオパネル６の内側面は、その全面がターゲット２０〜２９の投影面によって覆われているので、イオンエンジン２から放出されるイオン８が直接第２のクライオパネル６に衝突することがなく、第２のクライオパネル６の磨耗を抑制することができる。
【００３４】
また、本実施の形態によれば、ターゲット２０〜２９を入射面が形成されたイオン衝突板と、このイオン衝突板が一側に装着された基板と、この基板の他側に装着された冷却管とで構成したので、イオン９がイオン衝突板に衝突することによって発生する熱を効率的に排出することができる。
【００３５】
また、本実施の形態によれば、イオン衝突板をグラファイトで形成したので、従来のイオンエンジン試験装置に用いられていたチタンを使用した場合に比べて排熱効率を高めることができるとともに、イオン衝突板の交換頻度を低減することができる。
【００３６】
また、本実施の形態によれば、基板および冷却管を銅または銅合金で形成したので、アルミニウム等の他の材料で形成した場合に比べて排熱効率を高めることができる。
【００３７】
また、本実施の形態によれば、冷却管１５は、基板に低温ろう付けにより接合したことにより、接合時のひずみを抑制できるので、基板と冷却管１５との密着性を高めることができ、ターゲット２０〜２９の排熱効率を向上することができる。
【００３８】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
図４において、本実施の形態のイオンエンジン試験装置は、真空容器１内に設けられたターゲット（第１のターゲット）２１〜２８が所定の間隙をおいて互いに平行に配列されている。ただし、イオンエンジン７から放出されるイオン８が第２のクライオパネル６に直接入射しないように、第２のクライオパネル６の内側面はその全面がターゲット２０〜２９の投影面によって覆われるように配置されている。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態１と同様の構成を有するものである。
【００３９】
このように構成されたイオンエンジン試験装置においては、実施の形態１と同様に、イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８はターゲット２０〜２９と衝突してＸｅガスとなる。ターゲット２０〜２９の表面から発生するＸｅガスは、第１の空間３と、ターゲット２０〜２９の間隙を通過して第２の空間へと放出される。
そして、第１の空間３に放出されたＸｅガスは第１のクライオパネル５で、第２の空間４に放出されたＸｅガスは第２のクライオパネル６それぞれで固化して凝着し、真空容器１内のＸｅガスは排気されることになる。
【００４０】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、イオン８の放出方向に対して傾斜した入射面が形成されたターゲット２１〜２９を真空容器１内に互いに間隙をおいて配置し、この間隙を介して真空容器１の一側に形成されイオンエンジン２からイオン８が放出される第１の空間３と真空容器１の他側に形成された第２の空間４とを連通したので、第１の空間３のみならず、第２の空間４にもクライオパネルを設置してクライオパネルの大面積化を図ることができるので、装置を大型化することなく真空排気速度を向上でき、イオンエンジン等の高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得ることができる。また、真空排気速度を低下させることなく、装置を小型化できる。
【００４１】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。また、図６は図５の要部（ターゲット）を示す断面図である。
図５において本実施の形態のイオンエンジン試験装置は、真空容器１内に設けられたターゲット２０〜２４の組とターゲット２５〜２９の組とが真空容器１の軸心に対して、互いに対称に配置されている。このとき、イオンエンジン７から放出されるイオン８が第２のクライオパネル６に直接入射しないように、第２のクライオパネル６の内側面全面をターゲット２０〜２９の投影面によって覆うために、中央部のターゲット２４と２５は、図６に示すように、その間隔ができるだけ小さくなるように配置されている。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態１と同様の構成を有するものである。
【００４２】
このように構成されたイオンエンジン試験装置においては、実施の形態１と同様に、イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８はターゲット２０〜２９と衝突してＸｅガスとなる。ターゲット２０〜２９の表面から発生するＸｅガスは、第１の空間３およびターゲット２０〜２９の間隙を通過して第２の空間４へ放出される。
イオンエンジン７は、イオン放出面７ａの中心が真空容器１の軸心と一致するように設置されているので、イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８は真空容器１の軸心に対して対称の分布を有する。本実施の形態においては、ターゲット２０〜２９が真空容器１の軸心に対して対称に設置されているので、ターゲット２０〜２９から２の空間４に放出されるＸｅガスはより指向性の高い状態で第２のターゲット６に入射して排気される。
【００４３】
本実施によれば、ターゲット２０〜２９を、真空容器１の軸心に対して対称に配置したので、ターゲット２０〜２９から第２の空間４へ放出されるＸｅガスはより高い指向性をもって第２のクライオパネル６へ流れるので、より効率的に真空容器１内のガスを排気することができる。
【００４４】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。また、図８は図７におけるＡ−Ａ線断面図であり、図９は実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置の変形例を上から見た断面図である。
図７において、イオンエンジン試験装置は、実施の形態１で示したシュラウドの代わりに、第１のクライオパネル５の内側に第２のターゲット３１〜３６が真空容器１の軸心方向に互いに所定の間隔をおいて配置されている。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態１と同様の構成を有するものである。
【００４５】
第２のターゲット３１〜３６は、イオンエンジン７のイオン放出面７ａと平行に設けられている。図８に示すように、例えば第２のターゲット３１は、８個のターゲット片３１１〜３１８から構成されており、これらのターゲット片３１１〜３１８はそれぞれ真空容器に固定されたターゲット設置台１６１〜１６８に、第１のクライオパネル５１〜５８に沿って装着されている。他の第２のターゲット３２〜３６についても第２のターゲット３１と同様に構成されている。
【００４６】
第２のターゲット３１〜３６は、実施の形態１で示した第１のターゲット２０〜２９と同様に、入射面が形成されたイオン衝突板と、このイオン衝突板が一側に装着された基板と、この基板に他側に装着された冷却管とで構成されており、この冷却管にはターゲット冷却器９から冷媒である水が供給されている。
【００４７】
このように構成されたイオンエンジン試験装置においては、イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８が第１のクライオパネル５に衝突するような方向に放出されても、Ｘｅイオン８は一旦第２のターゲット３１〜３６に衝突するので、第１のクライオパネル５がＸｅイオン８の衝突によって磨耗するのを抑制できる。また、第２のターゲット３１〜３６は、互いに間隙をおいて配列されているので、第１のクライオパネル５の真空排気速度が低下することはほとんどない。
【００４８】
なお、本実施の形態では、実施の形態１に示したシュラウドに代えて第２のターゲット３１〜３６を設けたが、このシュラウドと第２のターゲット３１〜３６を併設してもよい。また、本実施の形態では、第１のクライオパネル５の排気速度の低下を最小限にするために、第２のターゲット３１〜３６をイオンエンジン７のイオン放出面７ａと平行に設置したが、第２のターゲット３１〜３６のＸｅイオン８による磨耗抑制を重視する場合には、第２のターゲット３１〜３６をＸｅイオン８による磨耗が小さくなるように傾斜して設置してもよい。
【００４９】
また、図９に示すように、実施の形態２と同様に第１のターゲット２１〜２８を互いに平行に配置することもできる。
【００５０】
本実施の形態によれば、第１のクライオパネル５の内側に、真空容器１の軸心方向に互いに所定間隔をおいて配置され、イオンの放出方向に対して傾斜した入射面が形成された複数の第２のターゲット３１〜３６を設けたことにより、第１のクライオパネル５のイオンによる磨耗を抑制することができるので、装置の小型化やイオンエンジン７の大出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得ることができる。
【００５１】
実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５におけるイオンエンジン試験装置のターゲットの構成を示す断面図である。
実施の形態１ないし実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置の第１のターゲット２０〜２９および第２のターゲット３１〜３６は、本実施の形態のように構成することもできる。
【００５２】
図１０において、例えばターゲット２１は、入射面２１ａが形成されたイオン衝突板２１１が一側に冷却管１５が接合された基板２１２に接触熱抵抗改善部材２１３を介在して装着されている。接触熱抵抗改善部材２１３としては、例えばグラファイトシートや真空グリースなどを用いることができ、特に高い熱伝導率を有するグラファイトシートを用いることで排熱効率を向上させることができる。また、他の第１のターゲット２０〜２９および第２のターゲット３０〜３６についても同様に構成することができる。
【００５３】
一般的に部材と部材とを機械的に締結した場合、その部材間の接触界面には部材の表面粗さに起因するミクロン単位の空隙が存在し、この空隙の存在が熱抵抗（接触熱抵抗）となって部材間の熱伝達率を低下させる。特に真空減圧下の雰囲気では、部材間の空隙も真空となるため、部材間の熱伝達が大幅に低下する。しかし、本実施の形態のように、イオン衝突板２１１と基板２１２との間に接触熱抵抗改善部材２１３を介在させて部材間の空隙を埋めることによって、境界面の熱伝達率を大幅に改善することができる。その結果、イオンの衝突によってイオン衝突板２１１に発生する熱を効率的に排熱できる。
【００５４】
本実施の形態によれば、イオン衝突板２１１を接触熱抵抗改善部材２１３を介在して基板２１２に装着したことにより、イオン衝突板２１１と基板２１２と境界面の熱抵抗を低減することができるので第１および第２のターゲットの排熱効率を向上させることができる。
【００５５】
実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６におけるイオンエンジン試験装置のターゲットの構成を示す断面図である。実施の形態１ないし実施の形態５におけるイオンエンジン試験装置の中央部に設けられる第１のターゲット２１〜２８は本実施の形態のように構成することもできる。
【００５６】
図１１は実施の形態１ないし実施の形態４の第１のターゲット２６〜２８を拡大して示した図である。図１１において、第１のターゲット２６〜２８は基板２６２、２７２、２８２の第２の空間４側の端部を冷却管１５側に折り曲げてイオン衝突板２６１、２７１、２８１のスパッタ粒子が衝突するスパッタ粒子衝突板２６２ａ、２７２ａ、２８２ａが形成されている。このとき、スパッタ粒子衝突板２６２ａ、２７２ａ、２８２ａの端部は、隣接する第１のターゲットのイオン衝突板表面の延長線上を越える程度になるように設けられている。
【００５７】
スパッタ粒子衝突板２６２ａ、２７２ａ、２８２ａは、基板２６２、２７２、２８２の端部を折り曲げて形成する以外に、板材等を基板２６２、２７２、２８２に機械的または冶金的に接合して形成してもよいし、第１のターゲットを固定しているフレーム（図示せず）に同様の効果を有する部材を配置してもよい。
また、他の第１のターゲット２１〜２５も同様の構成を有する。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態２と同様の構成を有するものである。
【００５８】
次に動作について説明する。
イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８との衝突により、第１のターゲット２１〜２８のイオン衝突板から放出されるスパッタ粒子は、確率的にイオンの入射方向と反対の方向、すなわち第２のクライオパネル６に向かって放出される。
本実施の形態のように第１のターゲット２１〜２８の第２の空間４側の端部にスパッタ粒子衝突板を設けることによって、スパッタ粒子をスパッタ粒子衝突板に衝突させることができるので、スパッタ粒子を第２のクライオパネル６に向かって飛散させることなく第１のターゲット２１〜２８の基板上に堆積させることができる。その結果、第２のクライオパネル６にスパッタ粒子が堆積することを防ぐことが可能となるので、スパッタ粒子の堆積による第２のクライオパネル６の排気速度の低下を抑制できる。
【００５９】
また、第２のクライオパネル６に堆積したスパッタ粒子は、クライオパネルに凝着したガス分子とは異なり、クライオパネルの再生では取り除くことが出来ないので、スパッタ粒子を機械的に削り取りパネル表面を露出させる必要があるが、本実施の形態のように第１のターゲット２１〜２８の第２の空間４側にスパッタ粒子衝突板を設けることによって、このようなメンテナンスが不要となる。
【００６０】
本実施の形態によれば、第１のターゲット２１〜２８を構成する基板の第２の空間４側の端部にスパッタ粒子衝突板を設けたことにより、イオン衝突板からのスパッタ粒子をスパッタ粒子衝突板に衝突させて第２のクライオパネル６側にスパッタ粒子を飛散させることなく基板上に堆積させることができるので、第２のクライオパネル６にスパッタ粒子が堆積することを防ぐことが可能となってスパッタ粒子の堆積による第２のクライオパネル６の排気速度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態１におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１におけるイオンエンジン試験装置の要部を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
【図６】図５におけるイオンエンジン試験装置の要部を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
【図８】図７におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図９】この発明の実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置の変形例を上から見た断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態５におけるイオンエンジン試験装置の要部構成を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態６におけるイオンエンジン試験装置の要部構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 真空容器、 ３ 第１の空間、 ４ 第２の空間、 ５,５１〜５８ 第１のクライオパネル、 ６ 第２のクライオパネル、 ７ イオンエンジン、 ８ イオン、 １５ 冷却手段、 ２０〜２９ 第１のターゲット、 ２１ａ,２４ａ〜２６ａ 入射面、 ３１〜３６ 第２のターゲット、 ２１１,２４１,２５１,２６１,２７１,２８１ イオン衝突板、 ２１２,２４２,２５２,２６２,２７２,２８２ 基板、 ２６１ａ,２７１ａ,２８２ａ スパッタ粒子衝突板、 ２１３ 接触熱抵抗改善部材。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、宇宙空間で人工衛星の姿勢制御に用いられるイオンエンジン等の試験を行うイオンエンジン試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のイオンエンジン試験装置としては、一側にイオンエンジンが装着された真空容器と、この真空容器内の他側にイオンエンジンと対向して設けられたチタン製の傾斜ターゲットと、真空容器の胴部内側面に設けられ極低温に冷却されたクライオパネルを備え、イオンエンジンから放出され傾斜ターゲットと衝突してガス化したイオンを極低温のクライオパネルで固化して凝着することにより、真空容器内の気体を排気（除去）して装置の高真空を維持するものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】宮崎勝弘、「イオンエンジンの寿命試験における評価精度および試験効率向上のためのイオンエンジン試験装置のターゲットの改修」、航空宇宙技術研究所資料、独立行政法人航空宇宙技術研究所、平成１５年８月、第７７８号、ｐ．３〜８（図１、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、イオンエンジン等の高出力化に伴って放出されるイオンの量が増加しており、イオンエンジン試験装置としては高真空を維持するために真空排気速度の向上を図る必要がある。真空排気速度向上の方策としてはクライオパネルの表面積を増大することが考えられるが、上記のような従来装置においてクライオパネルの表面積を増大するためには真空容器を大径化する必要があり、その結果装置が大型化するという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、装置を大型化することなく真空排気速度を向上でき、高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るイオンエンジン試験装置は、真空容器、この真空容器内に互いに間隙をおいて配置され、前記真空容器の一側にイオンエンジンからイオンが放出される第１の空間と、前記真空容器の他側に前記第１の空間と前記間隙を介して連通した第２の空間とを形成すると共に、前記イオンの放出方向に対して傾斜した入射面により前記イオンのエネルギーを吸収する複数の第１のターゲット、および前記真空容器の前記第１および第２の空間にそれぞれ設けられた第１および第２のクライオパネルを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、装置を大型化することなくクライオパネルの表面積を増大して真空排気速度を向上することができ、高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図１のイオンエンジン試験装置の要部（ターゲット）を示す断面図である。
【０００９】
まず、図１ないし図３を用いて実施の形態１におけるイオンエンジン試験装置の構成について説明する。
図１においてイオンエンジン試験装置は、円筒状の真空容器１と、この真空容器１内に互いに間隙をおいて配置され、イオンのエネルギーを吸収する複数のターゲット２０〜２９（第１のターゲット）とを備えており、ターゲット２１〜２８の間隙を介して、真空容器１の一側に形成された第１の空間３と、この真空容器１の他側に形成された第２の空間４とが連通している。そして、第１の空間３には、第１のクライオパネル５が、第２の空間には第２のクライオパネル６がそれぞれ設けられている。
【００１０】
真空容器１は、直径１．５ｍ、長さ３ｍ程度の円筒胴１ａの両側に皿形鏡板１ｂ、１ｃが設けられており、例えば、ステンレス材で構成されている。また、イオンエンジン７は第１の空間３内の鏡板１ｂ付近に配置された設置台（図示せず）上に装着され、そのイオン放出面７ａの中心が真空容器１の軸心と一致するように設置される。なお、イオンエンジン７の代わりにホールスラスタ等の静電加速型の電気推進器を用いることができる。
【００１１】
図３は図１におけるターゲット２４〜２６を拡大して示した図である。図３に示すように、例えばターゲット２４は、入射面２４ａが形成された短冊形のイオン衝突板２４１と、このイオン衝突板２４１が一側に装着された短冊形の基板２４２と、この基板の他側に接合された冷却管（冷却手段）１５とで構成されている。イオン衝突板２４１は基板２４２とボルトで機械的に締結され、イオン衝突板２４１は基板２４２と着脱可能に装着されている。
【００１２】
本実施の形態においては、イオン衝突板２４１はグラファイト材で、基板２４２および冷却管１５は熱伝導率の高い銅または銅合金でそれぞれ形成されているが、他の材料を使用することもできる。また、基板２４２と冷却管１５は低温ろう付けにより接合されているが、他の方法で接合してもよい。
なお、ターゲット２４以外のターゲット２０〜２９についてもターゲット２４と同様に、裏面に冷却管１５が接合された基板の表面に入射面が形成されたイオン衝突板が装着された構成となっている。
【００１３】
このように構成されたターゲット２０〜２９は、フレーム（図示せず）に着脱可能にボルトで締結され、さらにこのフレームを真空容器１内に溶接された固定台（図示せず）にボルトを介して固定することによって、真空容器１内に設置される。
ここで、ターゲット２０〜２９の入射面は、イオンエンジン７から放出されるイオン８の放出方向に対して傾斜するように設けられ、特にイオン８の密度が高い領域に設置されるターゲット２１〜２８はイオンの入射角が６０度近傍の角度になるように配置されている。また、ターゲット２０および２９は、イオンエンジン７のイオン放出面７ａと平行に設置され、イオン８が第２のクライオパネル６に直接入射しないように、第２のクライオパネル６の内側面は、その全面がターゲット２０〜２９の投影面によって覆われている。また、ターゲット２１〜２４、およびターゲット２５〜２８はそれぞれ平行に設置され、図３に示すようにターゲット２４はターゲット２５の端部を覆うように設置されている。
【００１４】
ターゲット２０〜２９を構成する基板に接合された冷却管１５には、真空容器１の外部に設置されたターゲット冷却器９から冷媒が供給されており、この冷媒によってイオン衝突板は基板を介して冷却されている。本実施の形態においては、冷媒として水を使用し、ターゲットの表面温度を２０℃程度に保持できるような水温・流量の水をターゲット冷却器８から供給しているが、必要な排熱量、ターゲットの表面温度、および、価格、本体サイズ等を考慮して適宜冷媒および冷却器を選択することができる。
【００１５】
第１のクライオパネル５は、図２に示すように、８個のクライオパネル５１〜５８から構成されており、このクライオパネル５１〜５８が真空容器１内に設けられたクライオパネル設置台１０１〜１０８の上に取り付けられ、全体として第１の空間３を取り込むように真空容器１の内側に設けられている。また、第２のクライオパネル６は、ターゲット２０〜２９と対向するように第２の空間４内に設けられ、真空容器１の鏡板１ｃに取り付けられている。第１および第２のクライオパネル５、６には配管１１を介してヘリウム冷凍機１２から液体ヘリウムが供給されており、第１および第２のクライオパネル５、６の表面は常時２０Ｋ以下に冷却されている。真空容器１内のガス分子は、これらのクライオパネル５、６の表面で固化して凝着するので、第１および第２のクライオパネル５、６は大容量の真空排気装置として機能する。
【００１６】
なお、第１および第２のクライオパネルの代わりに、イオンエンジン７の作動時に真空容器１内の真空度を１×１０−３〜１×１０−４Ｐａ程度に維持することができるような排気能力を有する市販のクライオポンプを、第１および第２の空間３、４に面してそれぞれ設けてもよい。
【００１７】
また、第１のクライオポンプの内側には、真空容器１に固定された支持板１３１〜１３８によって支えられ、第１のクライオパネル５１〜５８に沿って設けられた複数のシュラウド１４１〜１４８が、真空容器１の軸心方向に間隔をおいて設けられている。
【００１８】
なお、真空容器１には第１および第２のクライオポンプを稼動させる前に真空容器１内を所定の真空度に減圧するための粗引き用のロータリーポンプ（図示せず）が補助真空排気装置として接続されている。
【００１９】
次に図１を用いてイオンエンジン試験装置の動作について説明する。
イオンエンジン２を作動させると、イオンエンジン２のイオン放出面２ａからターゲットに向かって、例えば、推進剤のキセノン（以下「Ｘｅ」という）がイオン８として放出される。このとき、Ｘｅイオン８の密度分布は真空容器１の軸心方向が最大で真空容器１の軸心を中心とした同心円上に密度が低下する形となる。
【００２０】
このように放出されたＸｅイオン８は、ほぼ全てがターゲット２０〜２９のイオン衝突板に衝突するので、イオン衝突板の表面からはＸｅガスが発生するものとみなせる。イオン衝突板の表面から発生したＸｅガスは、第１の空間３およびターゲット２１〜２８の間隙を通って第２の空間４にそれぞれほぼ等量に放出される。第２の空間４に放出されたＸｅガスは分子流となって、鏡板１ｃに設置された第２のクライオパネル６に全量が入射し、その表面で固化して凝着する。このように第２のクライオパネル６はＸｅガスの指向性を利用して放出されたＸｅガスを効率よく排気することができる。
【００２１】
一方、イオン衝突板から第１の空間３に向かって放出されたＸｅガスは、第１のクライオパネル５の表面で固化して凝着するが、第１のターゲット２１〜２８の間に所定の間隙を設けて第２の空間４側にもＸｅガスを放出できるようにしたので、第１のクライオパネル５に凝着するＸｅガスの量は、第１のターゲット２１〜２８の間に間隙を設けない場合に比べてほぼ半減することになる。すなわち、第１のクライオパネル５と第２のクライオパネル６はほぼ同量のＸｅガスを排気することができるので、真空容器１の形状および寸法が同一である場合には、真空容器１内のガス排気速度を約２倍に向上させることができる。
【００２２】
このように、真空容器１内の一側に形成されイオンエンジン２からＸｅイオン８放出される第１の空間と、真空容器２内の他側に形成された第２の空間とをターゲット２１〜２８の間隙を介して連通したことにより、第１の空間３に設けられた第１のクライオパネル５に加えて、第２の空間４に設けられた第２のクライオパネル６でも真空容器１内のＸｅガスを排気できるので、装置を大型化することなく真空排気速度の高いイオンエンジン試験装置を得ることができる。
【００２３】
また、イオンエンジン２からのイオン放出面２ａと対向してターゲット２０〜２９を配置したことにより、放出されたイオン８が直接真空容器１や第２のクライオパネル６に衝突することを防止できるので、真空容器１および第２のクライオパネルの磨耗を抑制できる。
【００２４】
イオン衝突板を構成する原子は、イオンエンジン２から放出されたＸｅイオン８の衝突によって、スパッタ粒子として真空容器１内に飛散する。Ｘｅイオン８のイオン衝突板２０１〜２９１に形成された入射面への入射角が９０度に近いほど、イオンエンジン２に飛来するスパッタ粒子の量は減少するが、イオン衝突板への入射角が７０度から９０度の範囲では入射したＸｅイオン自身がイオン衝突板で反跳されて、第１および第２のクライオパネル５、６、基板および冷却管１５等を磨耗する恐れがあるので、上記入射角は７０度以下であることが好ましく、本実施の形態のように入射角を６０度近傍に設定して、Ｘｅイオンの反跳を防ぐことが望ましい。
【００２５】
このようにターゲット２０〜２９の入射面２０ａ〜２９ａをイオン８の放出方向に対して傾斜して配置することにより、スパッタ粒子がイオンエンジン２に飛来し付着することを抑制できるので、スパッタ粒子の堆積によるイオンエンジン２の絶縁破壊や、イオン放出口磨耗状態等に悪影響を及ぼすことがない。また、ターゲットに入射するイオンの反跳も低減できるので、反跳粒子による真空容器１や第１および第２のクライオパネル５、６の磨耗も抑制できる。
【００２６】
また、本実施の形態でイオン衝突板を形成する材料として用いたグラファイトは、従来のイオンエンジン試験装置のイオン衝突板として用いられていたチタンに比べてスパッタレート（ａｔｏｍｓ／ｉｏｎ）が約３分の１であり、さらに同体積に含まれる原子数はチタンの約２倍であるので、同体積で比較した場合、グラファイトで形成したイオン衝突板２０１〜２９１の磨耗速度はチタンに比べて約６分の１となり、交換の頻度を大幅に低減することができる。
【００２７】
さらに、グラファイトはチタンの約３倍の熱伝導率を有するので、チタンに比べてイオン衝突板を約３倍厚くしても同等の表面温度を得ることができる。すなわち、イオン衝突板をチタンで形成した場合と同等の表面温度に設定する場合には、グラファイトで形成したイオン衝突板の磨耗速度をチタンに比べて約１８分の１に低減することができる。
【００２８】
Ｘｅイオン８の衝突によってイオン衝突板の表面温度は上昇するが、イオン衝突板を裏面に冷却管１５を接合された基板の表面に装着し、イオン衝突板と冷却管１５との距離を短く構成しているので、イオン衝突板を効率的に冷却することができる。
【００２９】
また、基板および冷却管１５を銅または銅合金で形成したので、アルミニウム等の他材料で形成した場合に比べて、排熱効率を向上させることができる。
さらに、基板と冷却管１５とを低温ろう付けで接合したので、接合による熱履歴を２５０〜３００℃程度と、銀ろう付けやアルミ溶接時の熱履歴の約３分の１程度に抑制でき、その結果、接合による部材の熱ひずみが低減されて、基と冷却管１５との密着性を向上して排熱効率を向上することができる。
【００３０】
本実施の形態によれば、イオン８の放出方向に対して傾斜した入射面が形成されたターゲット２１〜２９を真空容器１内に互いに間隙をおいて配置し、この間隙を介して真空容器１の一側に形成されイオンエンジン２からイオン８が放出される第１の空間３と真空容器１の他側に形成された第２の空間４とを連通したことにより、第１の空間３のみならず、第２の空間４にもクライオパネルを設置してクライオパネルの大面積化を図ることができるので、装置を大型化することなく真空排気速度を向上でき、イオンエンジン等の高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得ることができる。また、真空排気速度を低下させることなく装置を小型化できるので、装置設置面積の減少、装置製作費用の低減、および真空減圧・大気開放時間の短縮が可能となる。
【００３１】
また、本実施の形態によれば、第１のクライオパネル５を第１の空間３を取り囲むように設けたので、第１の空間３に放出されたガスを効率よく排気することができる。
【００３２】
また、本実施の形態によれば、第２のクライオパネル６を、ターゲット２０〜２９と対向して設けたことにより、第２の空間４に放出されたガスの指向性を利用して効率よく排気することができる。
【００３３】
また、本実施の形態によれば、第２のクライオパネル６の内側面は、その全面がターゲット２０〜２９の投影面によって覆われているので、イオンエンジン２から放出されるイオン８が直接第２のクライオパネル６に衝突することがなく、第２のクライオパネル６の磨耗を抑制することができる。
【００３４】
また、本実施の形態によれば、ターゲット２０〜２９を入射面が形成されたイオン衝突板と、このイオン衝突板が一側に装着された基板と、この基板の他側に装着された冷却管とで構成したので、イオン９がイオン衝突板に衝突することによって発生する熱を効率的に排出することができる。
【００３５】
また、本実施の形態によれば、イオン衝突板をグラファイトで形成したので、従来のイオンエンジン試験装置に用いられていたチタンを使用した場合に比べて排熱効率を高めることができるとともに、イオン衝突板の交換頻度を低減することができる。
【００３６】
また、本実施の形態によれば、基板および冷却管を銅または銅合金で形成したので、アルミニウム等の他の材料で形成した場合に比べて排熱効率を高めることができる。
【００３７】
また、本実施の形態によれば、冷却管１５は、基板に低温ろう付けにより接合したことにより、接合時のひずみを抑制できるので、基板と冷却管１５との密着性を高めることができ、ターゲット２０〜２９の排熱効率を向上することができる。
【００３８】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
図４において、本実施の形態のイオンエンジン試験装置は、真空容器１内に設けられたターゲット（第１のターゲット）２１〜２８が所定の間隙をおいて互いに平行に配列されている。ただし、イオンエンジン７から放出されるイオン８が第２のクライオパネル６に直接入射しないように、第２のクライオパネル６の内側面はその全面がターゲット２０〜２９の投影面によって覆われるように配置されている。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態１と同様の構成を有するものである。
【００３９】
このように構成されたイオンエンジン試験装置においては、実施の形態１と同様に、イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８はターゲット２０〜２９と衝突してＸｅガスとなる。ターゲット２０〜２９の表面から発生するＸｅガスは、第１の空間３と、ターゲット２０〜２９の間隙を通過して第２の空間へと放出される。
そして、第１の空間３に放出されたＸｅガスは第１のクライオパネル５で、第２の空間４に放出されたＸｅガスは第２のクライオパネル６それぞれで固化して凝着し、真空容器１内のＸｅガスは排気されることになる。
【００４０】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、イオン８の放出方向に対して傾斜した入射面が形成されたターゲット２１〜２９を真空容器１内に互いに間隙をおいて配置し、この間隙を介して真空容器１の一側に形成されイオンエンジン２からイオン８が放出される第１の空間３と真空容器１の他側に形成された第２の空間４とを連通したので、第１の空間３のみならず、第２の空間４にもクライオパネルを設置してクライオパネルの大面積化を図ることができるので、装置を大型化することなく真空排気速度を向上でき、イオンエンジン等の高出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得ることができる。また、真空排気速度を低下させることなく、装置を小型化できる。
【００４１】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。また、図６は図５の要部（ターゲット）を示す断面図である。
図５において本実施の形態のイオンエンジン試験装置は、真空容器１内に設けられたターゲット２０〜２４の組とターゲット２５〜２９の組とが真空容器１の軸心に対して、互いに対称に配置されている。このとき、イオンエンジン７から放出されるイオン８が第２のクライオパネル６に直接入射しないように、第２のクライオパネル６の内側面全面をターゲット２０〜２９の投影面によって覆うために、中央部のターゲット２４と２５は、図６に示すように、その間隔ができるだけ小さくなるように配置されている。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態１と同様の構成を有するものである。
【００４２】
このように構成されたイオンエンジン試験装置においては、実施の形態１と同様に、イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８はターゲット２０〜２９と衝突してＸｅガスとなる。ターゲット２０〜２９の表面から発生するＸｅガスは、第１の空間３およびターゲット２０〜２９の間隙を通過して第２の空間４へ放出される。
イオンエンジン７は、イオン放出面７ａの中心が真空容器１の軸心と一致するように設置されているので、イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８は真空容器１の軸心に対して対称の分布を有する。本実施の形態においては、ターゲット２０〜２９が真空容器１の軸心に対して対称に設置されているので、ターゲット２０〜２９から２の空間４に放出されるＸｅガスはより指向性の高い状態で第２のターゲット６に入射して排気される。
【００４３】
本実施によれば、ターゲット２０〜２９を、真空容器１の軸心に対して対称に配置したので、ターゲット２０〜２９から第２の空間４へ放出されるＸｅガスはより高い指向性をもって第２のクライオパネル６へ流れるので、より効率的に真空容器１内のガスを排気することができる。
【００４４】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。また、図８は図７におけるＡ−Ａ線断面図であり、図９は実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置の変形例を上から見た断面図である。
図７において、イオンエンジン試験装置は、実施の形態１で示したシュラウドの代わりに、第１のクライオパネル５の内側に第２のターゲット３１〜３６が真空容器１の軸心方向に互いに所定の間隔をおいて配置されている。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態１と同様の構成を有するものである。
【００４５】
第２のターゲット３１〜３６は、イオンエンジン７のイオン放出面７ａと平行に設けられている。図８に示すように、例えば第２のターゲット３１は、８個のターゲット片３１１〜３１８から構成されており、これらのターゲット片３１１〜３１８はそれぞれ真空容器に固定されたターゲット設置台１６１〜１６８に、第１のクライオパネル５１〜５８に沿って装着されている。他の第２のターゲット３２〜３６についても第２のターゲット３１と同様に構成されている。
【００４６】
第２のターゲット３１〜３６は、実施の形態１で示した第１のターゲット２０〜２９と同様に、入射面が形成されたイオン衝突板と、このイオン衝突板が一側に装着された基板と、この基板に他側に装着された冷却管とで構成されており、この冷却管にはターゲット冷却器９から冷媒である水が供給されている。
【００４７】
このように構成されたイオンエンジン試験装置においては、イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８が第１のクライオパネル５に衝突するような方向に放出されても、Ｘｅイオン８は一旦第２のターゲット３１〜３６に衝突するので、第１のクライオパネル５がＸｅイオン８の衝突によって磨耗するのを抑制できる。また、第２のターゲット３１〜３６は、互いに間隙をおいて配列されているので、第１のクライオパネル５の真空排気速度が低下することはほとんどない。
【００４８】
なお、本実施の形態では、実施の形態１に示したシュラウドに代えて第２のターゲット３１〜３６を設けたが、このシュラウドと第２のターゲット３１〜３６を併設してもよい。また、本実施の形態では、第１のクライオパネル５の排気速度の低下を最小限にするために、第２のターゲット３１〜３６をイオンエンジン７のイオン放出面７ａと平行に設置したが、第２のターゲット３１〜３６のＸｅイオン８による磨耗抑制を重視する場合には、第２のターゲット３１〜３６をＸｅイオン８による磨耗が小さくなるように傾斜して設置してもよい。
【００４９】
また、図９に示すように、実施の形態２と同様に第１のターゲット２１〜２８を互いに平行に配置することもできる。
【００５０】
本実施の形態によれば、第１のクライオパネル５の内側に、真空容器１の軸心方向に互いに所定間隔をおいて配置され、イオンの放出方向に対して傾斜した入射面が形成された複数の第２のターゲット３１〜３６を設けたことにより、第１のクライオパネル５のイオンによる磨耗を抑制することができるので、装置の小型化やイオンエンジン７の大出力化に対応したイオンエンジン試験装置を得ることができる。
【００５１】
実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５におけるイオンエンジン試験装置のターゲットの構成を示す断面図である。
実施の形態１ないし実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置の第１のターゲット２０〜２９および第２のターゲット３１〜３６は、本実施の形態のように構成することもできる。
【００５２】
図１０において、例えばターゲット２１は、入射面２１ａが形成されたイオン衝突板２１１が一側に冷却管１５が接合された基板２１２に接触熱抵抗改善部材２１３を介在して装着されている。接触熱抵抗改善部材２１３としては、例えばグラファイトシートや真空グリースなどを用いることができ、特に高い熱伝導率を有するグラファイトシートを用いることで排熱効率を向上させることができる。また、他の第１のターゲット２０〜２９および第２のターゲット３０〜３６についても同様に構成することができる。
【００５３】
一般的に部材と部材とを機械的に締結した場合、その部材間の接触界面には部材の表面粗さに起因するミクロン単位の空隙が存在し、この空隙の存在が熱抵抗（接触熱抵抗）となって部材間の熱伝達率を低下させる。特に真空減圧下の雰囲気では、部材間の空隙も真空となるため、部材間の熱伝達が大幅に低下する。しかし、本実施の形態のように、イオン衝突板２１１と基板２１２との間に接触熱抵抗改善部材２１３を介在させて部材間の空隙を埋めることによって、境界面の熱伝達率を大幅に改善することができる。その結果、イオンの衝突によってイオン衝突板２１１に発生する熱を効率的に排熱できる。
【００５４】
本実施の形態によれば、イオン衝突板２１１を接触熱抵抗改善部材２１３を介在して基板２１２に装着したことにより、イオン衝突板２１１と基板２１２と境界面の熱抵抗を低減することができるので第１および第２のターゲットの排熱効率を向上させることができる。
【００５５】
実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６におけるイオンエンジン試験装置のターゲットの構成を示す断面図である。実施の形態１ないし実施の形態５におけるイオンエンジン試験装置の中央部に設けられる第１のターゲット２１〜２８は本実施の形態のように構成することもできる。
【００５６】
図１１は実施の形態１ないし実施の形態４の第１のターゲット２６〜２８を拡大して示した図である。図１１において、第１のターゲット２６〜２８は基板２６２、２７２、２８２の第２の空間４側の端部を冷却管１５側に折り曲げてイオン衝突板２６１、２７１、２８１のスパッタ粒子が衝突するスパッタ粒子衝突板２６２ａ、２７２ａ、２８２ａが形成されている。このとき、スパッタ粒子衝突板２６２ａ、２７２ａ、２８２ａの端部は、隣接する第１のターゲットのイオン衝突板表面の延長線上を越える程度になるように設けられている。
【００５７】
スパッタ粒子衝突板２６２ａ、２７２ａ、２８２ａは、基板２６２、２７２、２８２の端部を折り曲げて形成する以外に、板材等を基板２６２、２７２、２８２に機械的または冶金的に接合して形成してもよいし、第１のターゲットを固定しているフレーム（図示せず）に同様の効果を有する部材を配置してもよい。
また、他の第１のターゲット２１〜２５も同様の構成を有する。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態２と同様の構成を有するものである。
【００５８】
次に動作について説明する。
イオンエンジン７から放出されたＸｅイオン８との衝突により、第１のターゲット２１〜２８のイオン衝突板から放出されるスパッタ粒子は、確率的にイオンの入射方向と反対の方向、すなわち第２のクライオパネル６に向かって放出される。
本実施の形態のように第１のターゲット２１〜２８の第２の空間４側の端部にスパッタ粒子衝突板を設けることによって、スパッタ粒子をスパッタ粒子衝突板に衝突させることができるので、スパッタ粒子を第２のクライオパネル６に向かって飛散させることなく第１のターゲット２１〜２８の基板上に堆積させることができる。その結果、第２のクライオパネル６にスパッタ粒子が堆積することを防ぐことが可能となるので、スパッタ粒子の堆積による第２のクライオパネル６の排気速度の低下を抑制できる。
【００５９】
また、第２のクライオパネル６に堆積したスパッタ粒子は、クライオパネルに凝着したガス分子とは異なり、クライオパネルの再生では取り除くことが出来ないので、スパッタ粒子を機械的に削り取りパネル表面を露出させる必要があるが、本実施の形態のように第１のターゲット２１〜２８の第２の空間４側にスパッタ粒子衝突板を設けることによって、このようなメンテナンスが不要となる。
【００６０】
本実施の形態によれば、第１のターゲット２１〜２８を構成する基板の第２の空間４側の端部にスパッタ粒子衝突板を設けたことにより、イオン衝突板からのスパッタ粒子をスパッタ粒子衝突板に衝突させて第２のクライオパネル６側にスパッタ粒子を飛散させることなく基板上に堆積させることができるので、第２のクライオパネル６にスパッタ粒子が堆積することを防ぐことが可能となってスパッタ粒子の堆積による第２のクライオパネル６の排気速度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態１におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１におけるイオンエンジン試験装置の要部を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
【図６】図５におけるイオンエンジン試験装置の要部を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置を上から見た断面図である。
【図８】図７におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図９】この発明の実施の形態４におけるイオンエンジン試験装置の変形例を上から見た断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態５におけるイオンエンジン試験装置の要部構成を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態６におけるイオンエンジン試験装置の要部構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 真空容器、 ３ 第１の空間、 ４ 第２の空間、 ５,５１〜５８ 第１のクライオパネル、 ６ 第２のクライオパネル、 ７ イオンエンジン、 ８ イオン、 １５ 冷却手段、 ２０〜２９ 第１のターゲット、 ２１ａ,２４ａ〜２６ａ 入射面、 ３１〜３６ 第２のターゲット、 ２１１,２４１,２５１,２６１,２７１,２８１ イオン衝突板、 ２１２,２４２,２５２,２６２,２７２,２８２ 基板、 ２６１ａ,２７１ａ,２８２ａ スパッタ粒子衝突板、 ２１３ 接触熱抵抗改善部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器、この真空容器内に互いに間隙をおいて配置され、前記真空容器の一側にイオンエンジンからイオンが放出される第１の空間と、前記真空容器の他側に前記第１の空間と前記間隙を介して連通した第２の空間とを形成すると共に、前記イオンの放出方向に対して傾斜した入射面により前記イオンのエネルギーを吸収する複数の第１のターゲット、および前記真空容器の前記第１および第２の空間にそれぞれ設けられた第１および第２のクライオパネルを備えたイオンエンジン試験装置。
【請求項２】
前記第１のクライオパネルは、前記第１の空間を取り囲むように設けたことを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項３】
前記第２のクライオパネルは、前記第１のターゲットと対向して設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項４】
前記第２のクライオパネルの内側面は、その全面が前記第１のターゲットの投影面によって覆われたことを特徴とする請求項３に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項５】
前記第１のターゲットは、前記真空容器の軸心に対して対称に配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項６】
第１のクライオパネルの内側に、前記真空容器の軸心方向に互いに所定間隔をおいて配置され、前記イオンの放出方向に対して傾斜した入射面により前記イオンのエネルギーを吸収する複数の第２のターゲットを設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項７】
第１および第２のターゲットは、前記入射面が形成されたイオン衝突板と、このイオン衝突板が一側に装着された基板と、この基板の他側に装着された冷却手段とで構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項８】
前記イオン衝突板と前記基板との間に接触熱抵抗改善部材を介在したことを特徴とする請求項７に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項９】
前記イオン衝突板をグラファイトで形成したことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項１０】
前記基板を銅または銅合金で形成したことを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項１１】
前記冷却手段は、前記基板に低温ろう付けにより接合したことを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項１２】
前記第１のターゲットの基板は、前記第２の空間側に形成されたスパッタ粒子衝突板を有することを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項１】
真空容器、この真空容器内に互いに間隙をおいて配置され、前記真空容器の一側にイオンエンジンからイオンが放出される第１の空間と、前記真空容器の他側に前記第１の空間と前記間隙を介して連通した第２の空間とを形成すると共に、前記イオンの放出方向に対して傾斜した入射面により前記イオンのエネルギーを吸収する複数の第１のターゲット、および前記真空容器の前記第１および第２の空間にそれぞれ設けられた第１および第２のクライオパネルを備えたイオンエンジン試験装置。
【請求項２】
前記第１のクライオパネルは、前記第１の空間を取り囲むように設けたことを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項３】
前記第２のクライオパネルは、前記第１のターゲットと対向して設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項４】
前記第２のクライオパネルの内側面は、その全面が前記第１のターゲットの投影面によって覆われたことを特徴とする請求項３に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項５】
前記第１のターゲットは、前記真空容器の軸心に対して対称に配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項６】
第１のクライオパネルの内側に、前記真空容器の軸心方向に互いに所定間隔をおいて配置され、前記イオンの放出方向に対して傾斜した入射面により前記イオンのエネルギーを吸収する複数の第２のターゲットを設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項７】
第１および第２のターゲットは、前記入射面が形成されたイオン衝突板と、このイオン衝突板が一側に装着された基板と、この基板の他側に装着された冷却手段とで構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項８】
前記イオン衝突板と前記基板との間に接触熱抵抗改善部材を介在したことを特徴とする請求項７に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項９】
前記イオン衝突板をグラファイトで形成したことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項１０】
前記基板を銅または銅合金で形成したことを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項１１】
前記冷却手段は、前記基板に低温ろう付けにより接合したことを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【請求項１２】
前記第１のターゲットの基板は、前記第２の空間側に形成されたスパッタ粒子衝突板を有することを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれか１項に記載のイオンエンジン試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−７１１０３（Ｐ２０１０−７１１０３Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３６３９９（Ｐ２００８−２３６３９９）
【出願日】平成２０年９月１６日（２００８．９．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１６日（２００８．９．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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