高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器
【課題】 イオン加速とプラズマ生成とを独立して制御できるホール効果プラズマ加速器を提供する。
【解決手段】 ガス導入口２０５ｂを有する環状加速チャネル２０２と、高周波供給部２１３，２１４と、アノード２０６と、カソード２０７と、中和電子発生部２０７，２１０と、磁界発生手段２０１，２０３ａ，２０３ｂ，２０４と、高周波発振器２１５を有し、導入されたガスは高周波によって電離・プラズマ化し、プラズマの陽イオンはアノード２０６とカソード２０７との間に印加される加速電圧によって加速されて外部に噴射され、プラズマの電子は磁界との相互作用により軸方向の移動が制限される二段式ホール効果プラズマ加速器２００は、加速制御量たる加速電圧２０９でイオンの加速度が制御され、加速制御量と独立制御されるプラズマ化制御量たる高周波出力でプラズマの発生量が制御される。
【解決手段】 ガス導入口２０５ｂを有する環状加速チャネル２０２と、高周波供給部２１３，２１４と、アノード２０６と、カソード２０７と、中和電子発生部２０７，２１０と、磁界発生手段２０１，２０３ａ，２０３ｂ，２０４と、高周波発振器２１５を有し、導入されたガスは高周波によって電離・プラズマ化し、プラズマの陽イオンはアノード２０６とカソード２０７との間に印加される加速電圧によって加速されて外部に噴射され、プラズマの電子は磁界との相互作用により軸方向の移動が制限される二段式ホール効果プラズマ加速器２００は、加速制御量たる加速電圧２０９でイオンの加速度が制御され、加速制御量と独立制御されるプラズマ化制御量たる高周波出力でプラズマの発生量が制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ加速器に関し、より詳しくは、二段式ホール効果プラズマ加速器、及びそれを使用した宇宙用推進機関、イオン加速装置、及びプラズマエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙用推進機関に適した電気推進ロケットの一種類として、ソ連を中心として研究開発されたホール効果プラズマ加速器がある。ホール効果プラズマ加速器は、円環状加速チャネルを有し、それの半径方向に磁界をかけ、軸方向に電界をかける構造を有する。円環状加速チャネルの下流（開口部である出口側）に電子を放出するカソードを配置し、それの上流（出口の反対側）にアノードを配置する。カソードは加速・噴射されるイオン電流と等しい電子電流を外部空間に放出する。その放出された電子は、アノード方向に逆流して加速部の空間電荷制限効果を緩和してイオン加速を補助するとともに、さらに推進剤を電離する役割を担う。
【０００３】
ホール効果プラズマ加速器の加速機構は、静電加速と電磁加速の２種類の動作機構によって説明することができる（例えば、非特許文献１参照。）。前者は粒子加速モデルによるものであり、後者はプラズマ流体の考え方に準拠するものである。ホール効果プラズマ加速器は、電磁加速モデルによると、円環状のプラズマ加速部に、半径方向の外部磁場と軸方向電界によって周方向のホール電流を誘起し、このホール電流と外部磁場との干渉による電磁加速を加速機構としている。またホール効果プラズマ加速器は、静電加速モデルによると、電子の軸方向の動きを半径方向磁場によって拘束することによって妨げ、軸方向に強い電界を維持することが可能になることにより、推進剤イオンを静電的に加速する静電加速を加速機構としている。ホール効果プラズマ加速器は、閉鎖電子ドリフトスラスターなどとも称される。
【０００４】
図１は、従来のホール効果プラズマ加速器１００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。ホール効果プラズマ加速器１００は、磁極１０１、加速チャネル１０２、コイル１０３ａ、コイル１０３ｂ、コイル１０４、推進剤投入口１０５ａ、推進剤放出口１０５ｂ、アノード１０６、カソード１０７、配線１０８、加速電源１０９、及び中和器電源１１０から構成される。
【０００５】
磁極１０１は、コイル１０３ａ、コイル１０３ｂ、コイル１０４によって発生させられた磁力線を誘導することによって、加速チャネル１０２内にプラズマの生成・イオンの加速に適した形状の強さの磁界を分布させる。加速チャネル１０２の出口近傍（下流。図の上側）においてはイオン加速のために比較的強い磁界が分布させられ、出口と反対側（上流。図の下側）においてはプラズマ生成のために比較的弱い磁界が分布させられる。加速チャネル１０２は、上流にアノード１０６が設置され、下流の出口近傍に設置されたカソード１０７との間の電界によって、その内部のイオンを加速させる。コイル１０３ａ、コイル１０３ｂ、コイル１０４は、図示していないが、適切な電源から電力の供給を受け、磁界を発生させる。推進剤投入口１０５ａは、キセノンガスなどの推進剤をホール効果プラズマ加速器１００の内部に導入するための導入口である。導入された推進剤は、推進剤放出口１０５ｂから加速チャネル１０２内に放出される。加速電源１０９が発生する電圧が、配線１０８を通じて、アノード１０６とカソード１０７との間に印加される。アノード１０６にはカソード１０７に対してプラスの電圧が印加される。後で詳述するように、この電圧はプラズマの生成と推進剤イオンの加速の両方の働きをすることになる。この電圧が発生する電界によって、加速チャネルの上流では主としてプラズマの生成が行われ、下流では主として推進剤イオンの加速が行われることになる。
【０００６】
カソード１０７は、噴射された推進剤イオンの電荷を中和するための電子を放出する熱陰極としても機能する。中和器電源１１０は、熱陰極を加熱するための電力をカソード１０７に対して供給する。
【０００７】
従来のホール効果プラズマ加速器１００のプラズマの生成機構およびイオンの加速機構をこれから説明する。まず、静電加速機構のモデルにしたがって説明する。図２は、従来のホール効果プラズマ加速器１００の静電加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。図２では、加速チャネル１０２が一部切り欠き斜視断面図で表わされ、磁界Ｂ、電界Ｅ、推進剤中性粒子（ｎと表記）、電子（ｅと表記）、推進剤イオン（ｐと表記）がモデル的に表わされている。
【０００８】
プラズマの静電加速モデルによる加速機構は以下のとおりである。加速チャネル１０２内には、上流から下流へと軸方向に印加された電圧による直流電界である電界Ｅが存在する。半径方向の磁界Ｂは、加速チャネル１０２の上流では弱く、下流では強くなるように設計されている。磁界Ｂのあるところに電子が置かれると、電子は磁界Ｂと電子自身の電荷と速度との相互作用により磁界Ｂと直交する方向のローレンツ力を受けて、磁界Ｂの磁力線に巻き付くような回転運動であるラーマー運動を行い、軸方向の動きが制限される。磁界Ｂのあるところに推進剤イオンが置かれても、それも同様に磁界Ｂと直交する方向のローレンツ力を受けるものの、推進剤イオンは、電荷に対する質量が電子よりはるかに大きいため、ラーマー半径は電子のそれよりはるかに大きくなる。従って、磁界Ｂの強さとそれが存する空間領域を適当に選択することにより、電子は磁力線の周りを旋回して磁界Ｂに拘束される一方、推進剤イオンは、ほぼ直進運動を行って磁界Ｂに拘束されないように設定することが可能である。
【０００９】
ここで、プラズマの生成機構についても説明する。磁界Ｂが弱い上流では、下流と比較して、電子は磁界Ｂにあまり強く拘束されないため、電子はアノード１０６方向に加速されやすくなる。このようにして大きく加速された電子は、推進剤中性粒子と衝突して、それを電子と推進剤イオンとに電離させる。このようにして、プラズマが生成される。
【００１０】
加速機構について具体的に説明する。加速チャネル１０２の下流に配置されたカソード１０７から放出された電子は、その一部がアノード１０６に引き寄せられて加速チャネル１０２内に入る。加速チャネル１０２に入った電子は、後述のように、加速部の空間電荷制限効果を緩和して推進剤イオンの加速を補助するとともに、さらにプラズマ発生部に移動して推進剤ガスを電離する働きを行う。加速チャネル１０２に入った電子は、加速チャネル１０２内の磁界Ｂに拘束されてラーマー運動を行い、すぐにはアノード１０６に吸収されない。電子Ｅ２３は、ラーマー運動が誘起させられることによって、磁界Ｂに拘束されている電子である。電子Ｅ２３は徐々にアノード１０６に引き寄せられて加速チャネル１０２の上流に移動するが、この間に電界Ｅに加速されて大きい運動エネルギーを獲得する。電子Ｅ２１は、このように大きい速度に加速された電子である。加速チャネル１０２の上流では、磁界Ｂが弱く、かつ、そこでの電子の速度が大きいため、電子のラーマー半径は大きくなる。運動エネルギーの大きい電子Ｅ２１は、推進剤中性粒子Ｎ２２と衝突して、それを電子Ｅ２２と推進剤イオンＰ２２とに電離させる。このようにして、加速チャネル１０２の上流においては、高速の電子によって多くの推進剤中性粒子が電離させられてプラズマ化する。このように、加速チャネル１０２の上流は、プラズマ発生部として機能する。発生した推進剤イオンＰ２２は、質量が十分に大きいため、磁界Ｂによってラーマー運動が誘起されて軸方向に拘束されることなく、電界Ｅによって下流に加速され、高速の推進剤イオンＰ２４として加速チャネル１０２の開口部から噴射させられ、その反作用として推力を生じる。このように、加速チャネル１０２の下流は、加速部として機能する。推進剤イオンＰ２２の上側の矢印は、磁界Ｂによって拘束されずに下流に加速されることを表わしている。ここで、加速チャネル１０２の下流付近は、強い磁界Ｂによって電子Ｅ２３を強く拘束するため、加速チャネル１０２の加速部において、正電荷の推進剤イオンのみならず、電子も多量に存在させることができる。このため、加速チャネル１０２の加速部を電気的に準中性のプラズマ状態に維持できる。したがって、空間電荷制限電流則による制約を受けることなく、カソード１０７とアノード１０６との間に大きい電圧をかけて大きい電流を流すことができ、それによって多くの推進剤イオンを加速・噴射させて大きい推力を得ることができる。カソード１０７から放出された電子の一部は加速チャネル１０２から下流方向に移動し、この電子Ｅ２４が推進剤イオンＰ２４を中和する。推進剤イオンＰ２４によるイオン電流と等しい強さの、電子Ｅ２４による電子電流が流れることになる。一方、加速チャネル１０２内の電子は、最終的にはアノード１０６に吸収される。
【００１１】
次に、電磁加速機構のモデルにしたがって説明する。図３は、従来のホール効果プラズマ加速器１００の電磁加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。図３では、加速チャネル１０２が一部切り欠き斜視断面図で表わされ、磁界Ｂ、電界Ｅ、電流Ｊ、ローレンツ力Ｆ、電子（ｅと表記）、推進剤イオン（ｐと表記）がモデル的に表わされている。
【００１２】
プラズマの電磁加速モデルによる加速機構は以下のとおりである。加速チャネル１０２の半径方向に磁界Ｂが存在する。磁界Ｂのあるところに電子が置かれると、電子は磁界Ｂと電子自身の電荷と速度との相互作用によるローレンツ力を受けて、磁界Ｂの磁力線の周りを旋回するラーマー運動を行い、軸方向の動きが制限される。ここで、加速チャネル１０２内には、上流から下流へと軸方向に印加された電圧による直流電界である電界Ｅが存在する。電子は、磁力線の周りを回転するラーマー運動の際に電場によって加減速が生じることより、円軌道の中心座標が周方向に移動する、Ｅ×Ｂドリフトを生じる。これによって、周方向に電子が移動し、その移動方向と逆方向の電流が流れることになる。なお、推進剤イオンに対しても、電子と同じ方向のＥ×Ｂドリフトを生じさせて、その移動方向と同じ方向の電流が流れることになるような力が同様に働くが、ラーマー半径が大きいため、周方向の定常的な移動を起こさないまま下流に排出される。従って、周方向の電流は、電子によってのみ誘起され、結果として周方向に一方向の電流が流れることになる。この電流はホール電流と呼ばれている。この周方向電流は、磁界Ｂと直交しているため、その周方向電流が流れている電子と推進剤イオンとからなるプラズマ流体に対して、それを下流方向に移動させるローレンツ力が働く。これによりプラズマが下流方向に加速されて噴射させられ、その反作用として推力を生じる。
【００１３】
加速機構について具体的に説明する。電子Ｅ３３と推進剤イオンＰ３３とはプラズマを構成している。ここで、電子Ｅ３３は、磁界Ｂの磁力線の周りを回転するラーマー運動をしながら、Ｅ×Ｂドリフトにより、周方向に移動する。この移動方向と逆方向に電流Ｊが流れる。電流Ｊが流れているプラズマは、磁界Ｂとの相互作用によりローレンツ力を下流方向に受ける。これによって電子Ｅ３３と推進剤イオンＰ３３とからなるプラズマが加速チャネル１０２の下流に加速・噴射させられ、その反作用として推力を生じる。なお、この電磁加速モデルにおいても、前述の静電加速モデルと同様の機構により、プラズマは主として上流のプラズマ発生部において生成されている。すなわち、加速チャネル１０２の上流において加速された電子Ｅ３１が推進剤中性粒子Ｎ３２と衝突して、それを電子Ｅ３２と推進剤イオンＰ３２とに電離させて、プラズマを生成させる。
【００１４】
以上、従来のホール効果プラズマ加速器について、静電加速モデルと電磁加速モデルとにより加速機構を説明してきた。しかし、そのいずれの場合においても、従来のホール効果プラズマ加速器では、軸方向に印加した直流電界によってプラズマの生成と推進剤イオンの加速の両方を行っている。そのようなホール効果プラズマ加速器は、一段式ホール効果プラズマ加速器と呼ばれている。上述のように、加速部では比較的強い磁界が適している一方、プラズマ生成部では弱い磁場が適している。このように、加速部とプラズマ生成部とでは、磁界の強さに関する好適な特性が異なっている。それに加えて、加速部とプラズマ生成部とは隣接していなければならない。さらには、加速噴射後の推進剤イオンの軌道を平衡に保つためには、加速チャネル１０２の出口部で磁界が急峻に消失することが好ましい。したがって、加速チャネル１０２の上流から下流に向かって、軸方向に沿って、磁界の強さはゼロから緩やかに上昇し、最大値の位置を越えたあとは、急峻に半径方向の磁界がなくなるような配位が好適とされている。一段式ホール効果プラズマ加速器の性能を向上させるためには、磁界の設計が重要な要素であり、種々の試みがなされてきた（例えば、非特許文献２から５参照。）。
【００１５】
このような目的のために最適化された磁場（磁界）を作り出すためには、複雑な磁気回路、電磁コイル、磁石、磁気シールド（磁気スクリーン）、磁気分路器を用いなければならず、宇宙システムとしては非常に好ましくない重量増という結果を招くことになる。また、磁場システムは温度上昇により性能を損ないやすいため、高温になるホール効果プラズマ加速器では、このような望ましい特性を実現することは、そもそも難しい。これらの問題を解決するために、磁場設計に関する多くの提案、研究がなされ、特許出願も存在する（例えば、特許文献１から１３を参照。）。
【００１６】
従来の「ホール効果プラズマ推進器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである。これは、中空環状磁性体による磁場回路設計に関するものである（例えば、特許文献１参照。）。
【００１７】
従来の「ホール効果プラズマスラスター」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである。これは、周方向に分割したソレノイドコイルにより噴射イオンビーム方向を制御する技術に関するものである（例えば、特許文献２参照。）。
【００１８】
従来の「ホール効果プラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、特表２００１−５２１５９７（特許文献３）は、一段式ホール型加速器に関する特許出願である。これは、周方向に分割したソレノイドコイルを用いる技術に関するものである（例えば、特許文献３参照。）。
【００１９】
従来の「クローズド電子ドリフトを備えたプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、磁気パス、磁気スクリーンを用いて一段式ホール型加速器に最適な磁場形状を提供する技術に関するものである（例えば、特許文献４参照。）。
【００２０】
従来の「閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器での磁束形成」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものであり、磁気分路器を用いて最適磁場を提供する技術に関するものである（例えば、特許文献５参照。）。
【００２１】
従来の「閉電子ドリフト及び導電性挿入物を備えるプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献６参照。）。
【００２２】
従来の「閉鎖電子ドリフトによるプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献７参照。）。
【００２３】
従来の「閉鎖電子ドリフトを持つプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献８参照。）。
【００２４】
従来の「閉鎖電子ドリフトを持つ長さの短いプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献９参照。）。
【００２５】
従来の「閉鎖電子ドリフトを持つプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献１０参照。）。
【００２６】
従来の「閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものであり、加速部に電極を設けイオンを反射させ損失を低減化する技術に関するものである（例えば、特許文献１１参照。）。
【００２７】
従来の「閉電子ドリフト及び導電性挿入物を備えるプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである。これは、出口部に電極を設け噴射イオンビームの軌道を補正する技術に関するものである（例えば、特許文献１２参照。）。
【００２８】
従来の「高熱負荷に適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである。これは、磁場設計に関するものである（例えば、特許文献１３参照。）。
【００２９】
上記のように磁場設計に関する技術について多くの特許出願がなされている。しかしこれらはいずれも磁場の設計に関するものであって、磁場の設計の困難さを根本的に解決するものではない。
【００３０】
一段式ホール効果プラズマ加速器では、プラズマ生成とイオン加速とは、一つの直流電源により実行される。プラズマ生成とイオン加速のそれぞれいずれかに寄与させるための電力の配分は、磁場の形状により決定されるため、それを能動的に制御することは難しい。このため、ホール効果プラズマ加速器を、効率的な動作が達成されるような最適な運転状態に制御することは困難である。
【００３１】
また、一段式ホール効果プラズマ加速器では、プラズマ生成とイオン加速とが連続的に行われるため、プラズマ生成とイオン加速の比率が一定に保てなくなる場合があり、それに伴う「放電振動現象」という好ましくない現象が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。激しい放電振動が発生すれば、推進器としての安定動作を失い、さらには作動の続行が不可能になることもある。
【００３２】
ここで、総合推進効率ηは、次式にて表される。
この式の各成分の意味は、以下のとおりである。
電源効率：ηel
ここでそれぞれの項の意味は、以下のとおりである。
ｖ：電気推進システムから加速噴射される実速度
ｖex：推力に寄与する有効噴射速度
Ｖb：噴射速度ｖに対応する実効加速電圧
Ｃi：イオン生成コスト
Ｃn：中和コスト
Ｉb：噴射イオン電流に相当するビーム電流
Ｉe：放電電流中の逆流電子電流
Ｉd：全放電電流
噴射ビーム効率にはビーム発散による損失効果や２価電離イオンによる比電荷の低下による推力損失が含まれる。
【００３３】
総合推進効率ηを高めるためには、上記の各成分を向上させることが必要である。電流効率ηIの分母に現れる電子電流Ｉeが増加すれば、電流効率の低下につながることが分かるが、従来の一段式ホール効果プラズマ加速器では、カソードからの放出電子がアノードに逆流するため、電流効率は低いものになっていた。
【００３４】
上記のような問題を解決し、運転範囲（電力範囲、推力可変、比推力可変）を拡大するために、プラズマ生成部とイオン加速部とに対して、それぞれ独立した電源を配する二段式ホール効果プラズマ加速器が研究されてきた（例えば、非特許文献６及び７を参照。）。これらの二段式ホール効果プラズマ加速器は、プラズマ生成とイオン加速のそれぞれの目的に応じて設置された電極間に印加する電圧を独立して制御することによって、プラズマ生成とイオン加速とを独立して制御し、最適な運転状態を達成することを目的とするものである。
【００３５】
【特許文献１】特表２００２−５１６６４４号公報
【特許文献２】特表２００２−５０４９６８号公報
【特許文献３】特表２００１−５２１５９７号公報
【特許文献４】特開平０５−２４０１４３号公報（特許第２６５１９８０号明細書）
【特許文献５】特表２００２−５１７６６１号公報
【特許文献６】特開平１１−２９７４９７号公報
【特許文献７】特表平１１−５０５０５８号公報
【特許文献８】特表平０８−５００９３０号公報
【特許文献９】特表平０８−５００６９９号公報
【特許文献１０】特表平０８−５００９３０号公報（特許第３０８３５６１号公報）
【特許文献１１】特開平０４−２２９９９６号公報（特許第２９６１１１３号明細書）
【特許文献１２】特許第２８９５４７２号明細書
【特許文献１３】特開２０００−０７３９３７号公報
【非特許文献１】栗木、荒川、「電気推進ロケット入門」東京大学出版、第７章
【非特許文献２】A.I. Morozov, Yu.V. Esipchuk, A.M. Kapulkin, V.A. Nevrovskii, and V.A. Smirnov, “Effect of A.I. Bugrova, A.D. Desitskov, V.K. Kharchevnikov, M. Prioul and L. Jolivet, “Research of the Magnetic Field on a Closed-Electron-Drift Accelerator”, Soviet Physics Technical Physics, Vol.17, No.3, 1972, pp.482.
【非特許文献３】A.I. Morozov, Yu.V. Esipchuk, G.N. Tilinin, A.V. Trofimov, Yu.A. Sharov and G.Ya. Shchepkin, “Plasma Acceleration with Closed Electron Drift and Extended Acceleration Zone”, Soviet Physics Technical Physics, Vol.17, No.1, 1972, pp.38.
【非特許文献４】V.M. Gavryushin and V. Kim, “Effect of the Characteristics of a Magnetic Field on the Parameters of an Ion Current at the Output of an Acceleration with Closed Electron Drift”, Soviet Physics Technical Physics, Vol.26, No.4, 1981, pp.504.
【非特許文献５】A.M. Bishaev and V. Kim, “Local Plasma Properties in a Hall-Current Accelerator with an Extended Acceleration Zone”, Soviet Physics Technical Physics, Vol.23, No.9, 1978, pp.1055.
【非特許文献６】Y. Yamagiwa & K. Kuriki, “Performance of Double-Stage-Discharge Hall Ion Thruster”, Journal of Propulsion and Power, Vol.7, No.1, 1991, pp.65
【非特許文献７】A.I. Morozov, A.I. Bugrova, A.D. Desitskov, V.K. Kharchevnikov, M. Prioul and L. Jolivet, “Research on Two-Stage Engine SPT-MAG”, IEPC03-290, International Electric Propulsion Conference, 2003, France.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
しかし、これらの方式では、プラズマ生成とイオン加速のそれぞれに対して直流電界を利用するため、たとえ、プラズマ生成とイオン加速のそれぞれの目的に対して独立した直流電源によって電圧を印加したとしても、実際には、そのそれぞれによって、プラズマ生成とイオン加速とを独立して制御することは非常に困難であった。すなわち、独立した２つの電圧を、例えば加速チャネルの上流と下流とに分けて印加したとしても、連続した加速チャネル内で、プラズマ生成とイオン加速とが渾然一体として行われるため、どうしても、プラズマ生成のために印加した電圧のある部分はイオン加速にも寄与することとなり、また、イオン加速のために印加した電圧のある部分はプラズマ生成にも寄与することとなる。そのため、二段式ホール効果プラズマ加速器であっても、実際には、性能的に一段式ホール効果プラズマ加速器と差別化することは困難であった。また、二段式ホール効果プラズマ加速器では、プラズマ生成に電子の逆流が不要のため、電流効率を向上させることができるものの、プラズマ生成のために別の電源や構成要素を導入するため、これに要する効率要素が電圧効率ηVの分母にイオン生成コストＣiとして新たに現れることにもなり、また、推進効率は電流効率ηIの改善と電圧効率ηV低下の兼ね合いによっても決まるため、そのような二段式の構成が直ちに推進効率の向上に結びつくものでもない。このような事情から、これまでのところ、上述のような試みにもかかわらず、ホール効果プラズマ加速器の性能の向上にまでは至っていない。
【００３７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、イオン加速とプラズマ生成とを高度に独立して制御することが可能な、イオンを加速するイオン加速部とプラズマを生成する高周波供給部とからなる、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
上述の課題の解決は、以下の特徴を有する本発明によって達成される。すなわち第１の観点に係る本発明は、イオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、プラズマ化するためのガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、前記環状加速チャネルの開口部の近傍に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加されたカソードと、前記環状加速チャネルから噴射されるイオンの電荷を中和するための電子を発生する中和電子発生部と、前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記カソードとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって外部に噴射され、発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段と、を有する高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器である。
【００３９】
本発明は他の観点によれば、前記高周波供給部は、前記環状加速チャネルの前記同心円筒状構造体の前記他方の底面端の近傍に設けられた、高周波が内部に導入される空洞からなる空洞部、をさらに有し、前記高周波導入手段は、前記空洞部内に高周波を導入することによって前記環状加速チャネルの内部に当該高周波を導入することをさらに特徴とする。
【００４０】
本発明はさらに他の観点によれば、前記空洞部は、内部に導入される高周波の共振を起こさせる空洞共振器であることをさらに特徴とする。
【００４１】
本発明のさらに他の観点によれば、前記高周波供給部は、前記空洞部と前記環状加速チャネルの同心円筒状構造体の前記他方の底面端との間に、高周波を透過する材料から構成され、かつ、ガスを透過させない高周波透過窓部をさらに有することをさらに特徴とする。
【００４２】
本発明はさらに他の観点によれば、前記高周波導入手段に関して前記環状加速チャネルの開口部と反対側に配置された、電子サイクロトロン共鳴周波数の高周波が導入されたときに電子サイクロトロン共鳴を誘導するための磁場を発生する磁場発生手段、をさらに有し、前記高周波導入手段によって前記環状加速チャネルの内部に導入された高周波は、前記磁場発生手段が発生した磁場に応じた位置で、電子サイクロトロン共鳴によって前記ガスを電離させてプラズマ化することをさらに特徴とする。
【００４３】
本発明はさらに他の観点によれば、前記磁場発生手段は、プラズマを閉じ込めるためのミラー磁場を発生することをさらに特徴とする。
【００４４】
本発明はさらに他の観点によれば、前記アノード近傍に不活性プラズマが導かれるように構成されていることをさらに特徴とする。
【００４５】
本発明はさらに他の観点によれば、前記プラズマ化されるガスは推進剤であることをさらに特徴とする。
【００４６】
本発明はさらに他の観点によれば、前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、前記プラズマ化されるガスはイオン源であることを特徴とするイオン加速装置である。
【００４７】
本発明はさらに他の観点によれば、前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、前記プラズマ化されるガスはスパッタリング用イオン源であることを特徴とするプラズマエッチング装置である。
【００４８】
本発明はさらに他の観点によれば、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器とビームターゲットとを含む地上用イオン加速装置であって、
前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器はイオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、プラズマ化するためのイオン源であるガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、前記環状加速チャネルの開口部側に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加された前記ビームターゲットと、前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記ビームターゲットとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって前記ビームターゲットに噴射され、発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段と、を有する高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とする地上用イオン加速装置である。
【００４９】
本発明はさらに他の観点によれば、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器とビームターゲットとを含むプラズマエッチング装置であって、
前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器はイオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、プラズマ化するためのスパッタリング用イオン源であるガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、前記環状加速チャネルの開口部側に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加された前記ビームターゲットと、前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記ビームターゲットとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって前記ビームターゲットに噴射され、発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段と、を有する高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、
前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置である。
【００５０】
上記において、アノード、カソード、環状加速チャネルなどの物理的構成を表わす用語は、装置の具体的形態や具体的呼称を限定するものではなく、その一般的な機能を備えた物理的構成を表わすためのものである。
【００５１】
上記装置の発明は、それぞれの構成要素の有する機能が逐次的に実行される方法の発明として把握することもできる。その場合において、各構成要素は記載された順序に実行されるものに限定されるものではなく、全体としての機能が矛盾なく実行され得る限りにおいて、自由な順序でそれを実行することができる。１つの手段が有する機能が２つ以上の物理的構成によって実現されてもよく、２つ以上の手段が有する機能が１つの物理的構成によって実現されてもよい。１つのステップが有する機能が２つ以上のステップによって実現されてもよく、２つ以上のステップが有する機能が１つのステップによって実現されてもよい。
【発明の効果】
【００５２】
本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００では、プラズマ生成とイオン加速のそれぞれへのエネルギーの配分を可変することができるため、それぞれを所望の作動領域で効率的に動作させることが可能となり、推進効率を改善できる。比推力、推力を広範囲に可変とすることが可能であり、電力の広範囲なスロットリングも可能となる。また、精密な磁場設計を行う必要がなく、精密な磁場構成に要する要素、重量、電力を削減できる。磁場設計の自由度が拡大するため、噴射イオンビームの平行度を改善することが可能である。また、時期材料の作動温度上限による制約が緩和される。また、プラズマ生成位置を磁場配置に依存させることなく、それをイオン加速領域に隣接した箇所に配置するように制御することが可能である。また、プラズマ生成には不可欠であった逆流電子を削減することができ、総合効率を向上させることが可能となる。また、プラズマ生成とイオン加速とが別の電源によって行われるため、プラズマ生成とイオン加速の比率が振動的に変動することはなく、原理的に、放電振動現象は発生しない。また、宇宙用に利用できる作動ガスの種類を拡張することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
これから図面に従って本発明の一実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００（以下、「二段式ホール効果プラズマ加速器２００」と略す。）の説明をする。
【００５４】
図４は、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。図７は、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００の回路構成を表わす回路図とそれの断面を示す概略断面図とを組み合わせた図である。二段式ホール効果プラズマ加速器２００は、磁極２０１、加速チャネル２０２、コイル２０３ａ、コイル２０３ｂ、コイル２０４、推進剤投入口２０５ａ、推進剤放出口２０５ｂ、アノード２０６、カソード２０７、配線２０８、加速電源２０９、中和器電源２１０、空洞共振器２１１、高周波透過窓部２１２、導波管２１３，高周波導入プローブ２１４、および高周波発振器２１５（図４には図示せず）から構成される。図４に示す二段式ホール効果プラズマ加速器２００においては、従来のホール効果プラズマ加速器１００の有する構成要素に対応する構成要素には、従来のホール効果プラズマ加速器１００の構成要素の符号に１００を加えた符号を付している。
【００５５】
磁極２０１は、コイル２０３ａ、コイル２０３ｂ、コイル２０４によって発生させられた磁力線を誘導することによって、加速チャネル２０２内にプラズマの加速に適した形状の磁界を分布させる。磁極２０１は、外部磁極２０１ａと内部磁極２０１ｂの部分をからなり、主としてそれらの間の空隙に所望の分布形状で磁力線を誘導する。ここで、従来のホール効果プラズマ加速器１００との大きな違いは、加速チャネル２０２内の磁界の分布を、プラズマの生成のことは考慮せずに、イオンの加速に適した形状に設計することが可能である点である。従って、磁界分布に対する要求は、従来のホール効果プラズマ加速器１００より緩やかである。これは後述するように、プラズマの生成に高周波を用いることによる利点の一つである。加速チャネル２０２は、出口と反対側である上流にアノード２０６が設置され、下流の出口近傍下流に設置されたカソード２０７との間の電界によって、その内部のイオンを加速させる。加速チャネル２０２は、好適には、異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間からなるチャネルである。異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とは、完全な円筒状構造体から構成されることを意味するものではなく、外筒と中筒とに挟まれ、幅がほぼ一定（あるいは規則的）であるチャネルを意味するものである。コイル２０３ａ、コイル２０３ｂ、コイル２０４は、図示していないが、適切な電源から電力の供給を受け、磁界を発生させる。推進剤投入口２０５ａは、キセノンガスなどの推進剤をホール効果プラズマ加速器２００の内部に導入するための導入口である。導入された推進剤は、推進剤放出口２０５ｂから加速チャネル２０２内に放出される。加速電源２０９が発生する電圧が、配線２０８を通じて、アノード２０６とカソード２０７との間に印加される。アノード２０６にはカソード２０７に対してプラスの電圧が印加される。後で詳述するように、この電圧はプラズマ生成にはほとんど寄与することなく、イオンの加速のために働くことになる。従って、この印加電圧はイオンの加速電圧として機能するものであり、加速制御量として、イオンの加速をプラズマの生成とは独立して制御することを可能とするものである。アノード２０６は、プラズマ生成には寄与しないため、その面積を極小とすることができる。アノード２０６の面積が広ければ、発生した活性プラズマがアノード２０６に触れてそれの損耗を招くおそれがある。しかし、本発明においては、アノード２０６の面積を極小にすることができるため、その近傍の局所的プラズマには不活性な気体を用いることが可能となり、アノード２０６の損耗を効果的に防止することが可能である。
【００５６】
加速チャネル２０２のアノード２０６側の底面端には、高周波透過窓部２１２を介して空洞共振器２１１が設けられている。高周波透過窓部２１２は、高周波を通過させるが推進剤ガスを通過させないガラス、セラミックなどで構成される。高周波透過窓部２１２を設けることによって、高周波導入プローブ２１４などのプラズマを生成させるためのエネルギー供給部に反応性気体である活性プラズマが接することによって、それの損耗を招いたり、プラズマを汚染したりすることを防止することができる。従来の一段式ホール効果プラズマ加速器では、アノード近傍でプラズマが発生するため、アノードの損耗やプラズマの汚染は避けられないが、本発明によると、アノード側に無電極放電を導入するため、そのような現象は原理的に発生しない。
【００５７】
空洞共振器２１１は、導入される高周波を共振（共鳴）させるための種々の形態を取ることができる。加速電源２０９とは独立して電力が供給される高周波発振器（高周波発生手段）（図７に示す）が高周波を発生する。発生させられる高周波は、好適には、マイクロ波である。この高周波は、推進剤ガスをプラズマ化するためのものであり、イオンの加速には寄与しない。従って、この高周波の出力はプラズマ化のためのエネルギーとして機能するものであり、プラズマ化制御量として、プラズマの生成をイオンの加速とは独立して制御することを可能とするものである。発生させられた高周波は、まず導波管２１３に導入される。導波管２１３は、同軸ケーブルなどの他の電磁波伝達手段であってもよい。導入された高周波は、導波管２１３内を伝搬して高周波導入プローブ２１４から空洞共振器２１１内に放射され、その中で共振（共鳴）させられる。このマイクロ波の共振によって、空洞共振器２１１内部に導入された高周波の電圧振幅が整えられ（好適には増幅され）、プラズマへの安定したエネルギー供給が可能になる。ここで、空洞共振器２１１に代えて、単なる空洞部であってもよい。空洞共振器２１１内の高周波は、高周波透過窓部２１２を通じて加速チャネル２０２内に供給される。加速チャネル２０２内に供給されたマイクロ波は、その中にある推進剤（キセノンガスなど）に対して、電離作用を及ぼす。高周波の周波数が高いほど、局在的にプラズマを生成することが可能となり、プラズマ発生領域の制御という観点から、好適である。なお、この形態のマイクロ波放電は、空洞共鳴器２１１でマイクロ波の電界を強くした上で、その一部をマイクロ波透過窓部２１２から取り出し、電子を短時間の内に加速する。加速された電子は中性粒子と弾性衝突して運動方向が反転するが、その反転する周期とマイクロ波の周波数が一致すると電子加速の効率が上昇する。このためには、ガス密度を比較的高くする必要がある。この形態の高周波放電を、非共鳴型放電と呼ぶことにする。ここで、空洞共振器２１１と高周波透過窓部２１２などの形状を、マイクロ波ランチャーの形状として適切に設計することによって、所望のビーム形状で加速チャネル内に高周波ビームを供給することができ、所望の位置にプラズマを生成することが可能になる。ここで、プラズマの生成位置は、高周波の投入位置で定まるため、精密な磁場設計およびその関連技術は必要とされない。すなわち、磁場設計に際して、プラズマ生成を考慮する必要はなく、イオン加速にのみ最適化された磁場を設計すれば十分である。このため、設計自由度が高くなり、そこに必要な、重量、電力、開発工数などのリソースを削減することができる。高周波の供給方式は、高周波導入プローブ（アンテナ）２１４の形状を変化させたり、高周波の伝搬形式（表面波を利用するかどうかなど）を変化させたり、アプリケータを適宜使用したりすることによって、所望のプラズマ生成特性を実現するように調整することが可能である。高周波の投入は、イオン加速にのみ適するように配された磁場領域に隣接した局所に対して行う。このようにすることによって、高周波によって発生させられたプラズマに含まれるイオンを、効率的に加速領域に導くことが可能となる。
【００５８】
高周波放電によるプラズマ生成は、加速チャネル２０２内の、開口部とは反対の、空洞共振器２１１と接しているアノード２０６側の底面近傍において主として行われる。なお、空洞共振器２１１と加速チャネル２０２のアノード２０６側の底面端との間に、高周波透過窓部２１２を設けない構成とすることも可能である。後述の本発明の他の実施形態では、そのような構成の一例を示す。発生させられたプラズマに含まれる推進剤イオンは、アノード２０６とカソード２０７との間に印加された加速電圧による電界によって、加速チャネル２０２の開口部に向かって加速され、そこから噴射される。
【００５９】
カソード２０７は、噴射された推進剤イオンの電荷を中和するための電子を放出する熱陰極としても機能する。中和器電源２１０は、熱陰極を加熱するための電力をカソード２０７に対して供給する。
【００６０】
請求項の構成要素と二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成要素との対応では、環状加速チャネルは加速チャネル２０２に対応し、ガス導入口は推進剤放出口２０５ｂに対応し、アノードはアノード２０６に対応し、カソードはカソード２０７に対応し、中和電子発生部はカソード２０７と中和器電源２１０とに対応し、磁界発生手段は磁極２０１とコイル２０３ａとコイル２０３ｂとコイル２０４とに対応し、高周波発生手段は高周波発振器２１５に対応し、高周波導入手段は導波管２１３と高周波導入プローブ２１４とに対応し、加速制御量としての加速電圧は加速電源２０９によって発生させられ、プラズマ化制御量としての高周波出力は高周波発振器２１５によって発生させられる。
【００６１】
本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００のプラズマの生成機構およびイオンの加速機構をこれから説明する。まず、静電加速機構のモデルにしたがって説明する。図５は、二段式ホール効果プラズマ加速器２００の静電加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。図５では、加速チャネル２０２が一部切り欠き斜視断面図で表わされ、磁界Ｂ、電界Ｅ、推進剤中性粒子（ｎと表記）、電子（ｅと表記）、推進剤イオン（ｐと表記）がモデル的に表わされている。
【００６２】
プラズマの静電加速モデルによる加速機構は以下のとおりである。加速チャネル２０２内には、上流から下流へと軸方向に印加された加速電圧による直流電界である電界Ｅが存在する。加速チャネル２０２における半径方向の磁界Ｂの強さは、イオンの加速に適したように分布させられており、従来のホール効果プラズマ加速器１００とは違って、プラズマ生成を考慮して上流で磁界を弱く設計するような必要はない。磁界Ｂの強さとそれが存する空間領域は、電子が磁力線の周りを旋回して磁界Ｂに拘束される一方、推進剤イオンがほぼ直進運動を行って磁界Ｂに拘束されないように適当に設定されている。
【００６３】
加速機構について具体的に説明する。加速チャネル２０２の下流に配置されたカソード２０７から放出された電子は、その一部がアノード２０６に引き寄せられて加速チャネル２０２内に入る。加速チャネル２０２に入った電子は、加速部の空間電荷制限効果を緩和して推進剤イオンの加速を補助する働きを行う。電子Ｅ５３は、ラーマー運動が誘起させられることによって、磁界Ｂに拘束されている電子である。電子Ｅ５３は徐々にアノード２０６に引き寄せられて加速チャネル２０２の上流に移動する。
【００６４】
加速チャネル２０２の上流では、高周波透過窓部２１２を通じて空洞共振器２１１から供給されてきた高周波Ｍ５１によって、推進剤中性粒子Ｎ５２が電離させられ、プラズマ化する。プラズマは、電子Ｅ５２と推進剤イオンＰ５２を含む。
【００６５】
発生した推進剤イオンＰ５２は、質量が十分に大きいため、磁界Ｂによってラーマー運動が誘起されて軸方向に拘束されることなく、電界Ｅによって下流に加速され、高速の推進剤イオンＰ５５として加速チャネル２０２の開口部から噴射させられ、その反作用として推力を生じる。推進剤イオンＰ５２の上側の矢印は、下流への加速が開始されたことを表わしている。また、推進剤イオンＰ５４の上側の矢印は、加速チャネル２０２の上流から中間部まで加速された推進剤イオンＰ５４が、磁界Ｂによって拘束されずにさらに下流に加速されることを表わしている。ここで、加速チャネル２０２の下流付近は、磁界Ｂによって電子Ｅ５３を拘束するため、加速チャネル２０２において、正電荷の推進剤イオンのみならず、電子も多量に存在させることができる。このため、加速チャネル２０２内を電気的に準中性のプラズマ状態に維持できる。したがって、空間電荷制限電流則による制約を受けることなく、カソード２０７とアノード２０６との間に大きい電圧をかけて大きい電流を流すことができ、それによって多くの推進剤イオンを加速・噴射させて大きい推力を得ることができる。カソード２０７から放出された電子の一部は加速チャネル２０２から下流方向に移動し、この電子Ｅ５５が推進剤イオンＰ５５を中和する。推進剤イオンＰ５５によるイオン電流と等しい強さの、電子Ｅ５５による電子電流が流れることになる。一方、加速チャネル２０２内の電子は、最終的にはアノード２０６に吸収される。
【００６６】
次に、電磁加速機構のモデルにしたがって説明する。図６は、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００の電磁加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。図６では、加速チャネル２０２が一部切り欠き斜視断面図で表わされ、磁界Ｂ、電界Ｅ、電流Ｊ、ローレンツ力Ｆ、電子（ｅと表記）、推進剤イオン（ｐと表記）がモデル的に表わされている。
【００６７】
図６においても、図２に関して上記で説明したプラズマの電磁加速モデルによる加速機構によって、プラズマが加速チャネル２０２内で上流から下流に向かって加速され、その開口部から外部に噴射させられ、その反作用として推力を生じる。
【００６８】
加速機構について具体的に説明する。電子Ｅ６３と推進剤イオンＰ６３とはプラズマを構成している。ここで、電子Ｅ６３は、磁界Ｂの磁力線の周りを回転するラーマー運動をしながら、Ｅ×Ｂドリフトにより、周方向に移動する。この移動方向と逆方向に電流Ｊが流れる。電流Ｊが流れているプラズマは、磁界Ｂとの相互作用によりローレンツ力を下流方向に受ける。これによって電子Ｅ６３と推進剤イオンＰ６３とからなるプラズマが加速チャネル２０２の下流に加速・噴射させられ、その反作用として推力を生じる。なお、この電磁加速モデルにおいても、前述の静電加速モデルと同様の機構により、プラズマは主として上流のプラズマ発生部において生成されている。すなわち、加速チャネル２０２の上流では、高周波透過窓部２１２を通じて空洞共振器２１１から供給されてきた高周波Ｍ６１によって、推進剤中性粒子Ｎ６２が電離させられ、プラズマ化する。プラズマは、電子Ｅ６２と推進剤イオンＰ６２を含む。
【００６９】
以上、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００について、静電加速モデルと電磁加速モデルとにより加速機構を説明してきた。そのいずれの場合においても、高周波によってプラズマの生成が行われ、加速電圧により軸方向に印加した直流電界によって推進剤イオンの加速が行われている。このため、加速電圧と高周波電力とは、それぞれ加速制御量、プラズマ化制御量として独立して制御することが可能である。
【００７０】
次に、推進剤ガスのプラズマ化を電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によって実施する本発明の他の実施形態について説明する。この実施形態は、二段式ホール効果プラズマ加速器２００が有する高周波透過窓部２１２に相当する構成を有しない。図８は、本発明の他の実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器３００（以下、「二段式ホール効果プラズマ加速器３００」と略す。）の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。二段式ホール効果プラズマ加速器３００は、磁極３０１、加速チャネル３０２、コイル３０３ａ、コイル３０３ｂ、コイル３０４、推進剤投入口３０５ａ、推進剤放出口３０５ｂ、アノード３０６、カソード３０７、配線３０８、加速電源３０９、中和器電源３１０、導波管３１３，高周波導入プローブ３１４、高周波発振器３１５（図８には図示しないが、図７において示した高周波発振器２１５と同様のもの。）、および磁場発生手段３１６から構成される。図８に示す二段式ホール効果プラズマ加速器３００においては、二段式ホール効果プラズマ加速器２００の有する構成要素に対応する構成要素には、二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成要素の符号に１００を加えた符号を付している。
【００７１】
磁極３０１、加速チャネル３０２、コイル３０３ａ、コイル３０３ｂ、コイル３０４、推進剤投入口３０５ａ、推進剤放出口３０５ｂ、アノード３０６、カソード３０７、配線３０８、加速電源３０９、中和器電源３１０、導波管３１３，高周波導入プローブ３１４、高周波発振器３１５の構成は、対応する二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成要素と同様の構成である。
【００７２】
ただし、加速チャネル３０２においては、出口と反対側である上流付近にアノード３０６が設置され、アノード３０６のさらに上流側に高周波導入プローブ３１４が配置され、高周波導入プローブ３１４のさらに上流側に磁場発生手段３１６が配置される。
【００７３】
請求項の構成要素と二段式ホール効果プラズマ加速器３００の構成要素との対応では、環状加速チャネルは加速チャネル３０２に対応し、ガス導入口は推進剤放出口３０５ｂに対応し、アノードはアノード３０６に対応し、カソードはカソード３０７に対応し、中和電子発生部はカソード３０７と中和器電源３１０とに対応し、磁界発生手段は磁極３０１とコイル３０３ａとコイル３０３ｂとコイル３０４とに対応し、高周波発生手段は高周波発振器３１５に対応し、高周波導入手段は導波管３１３と高周波導入プローブ３１４とに対応し、加速制御量としての加速電圧は加速電源３０９によって発生させられ、プラズマ化制御量としての高周波出力は高周波発振器３１５によって発生させられる。
【００７４】
磁場発生手段３１６は、異なる磁極が向かい合うように対向させられた２つの磁石群からなる。図８では、円柱形状の永久磁石を二重の環状に配置している。内環上の永久磁石の磁極と外環上の永久磁石の磁極とは異なるものが対向するように配置される。例えば、内環上の永久磁石は上側がＳ極で下側がＮ極とした場合、外環上の永久磁石は上側がＮ極で下側がＳ極となる。このように永久磁石を配置することによって、磁場発生手段３１６はプラズマを閉じ込めるミラー磁場を発生する。ミラー磁場は、両端の永久磁石付近では強く、中央面では弱い磁束密度分布を有する磁場であり、このような形態の磁場とすることによって、プラズマを両端近傍において中央へと反射させることができ、プラズマを磁場の中に拘束することができる。さらに、ミラー磁場中の特定の場所（電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）領域）においては、導入される高周波の周波数において電子サイクロトロン共鳴を起こすような磁場の強さとされている。こうすることによって、ＥＣＲ領域を通過するときに推進剤ガスの電子が電子サイクロトロン共鳴によって加速されて電離させられる。
【００７５】
ここで、一般的な、ミラー磁場を用いた電子サイクロトロン共鳴の機構について説明する。図９は、電子サイクロトロン共鳴によるプラズマ生成機構モデル３５０を説明する概念図である。プラズマ生成機構モデル３５０においては、異なる磁極が向かい合うように対向させられた２つの永久磁石群からなる永久磁石３５１によって０．２１Ｔの磁界３５２が発生させられ、両端の永久磁石付近では強く中央面では弱い磁束密度分布を有するミラー磁場３５３が形成されている。ミラー磁場３５３の磁力線に直交するように、電子サイクロトロン共鳴に適したＥＣＲ領域３５４が広がる。図９に示したミラー磁場３５３とＥＣＲ領域３５４は図示した断面におけるものであり、実際には、永久磁石３５１に沿って同じように広がっている。図９において、磁場は∇Ｂ（ｇｒａｄ Ｂ）として矢印で示す方向にそれの強さの勾配があり、Ｂとして示した方向の磁場があるため、その中では電子は∇Ｂ×Ｂドリフトを生じて∇Ｂ×Ｂとして矢印で示す方向にドリフトする。電子３５５は、電子のラーマー運動３５６によって磁力線の周りを旋回するが、∇Ｂ×Ｂドリフトとミラー磁界３５３による閉じ込めによって、電子の飛行軌跡３５８に沿って移動することになる。この際に、電子はミラー磁界反射領域３５７で反射される。そして、移動する電子がＥＣＲ領域３５４を通過するときに電子サイクロトロン共鳴によってさらに加速されて電離が促進されることになる。このようにして、推進剤ガスのプラズマ化が行なわれる。電子サイクロトロン共鳴においては、ミラー磁場内に電子が捕捉され、往復運動をする。そして電子がＥＣＲ領域を通過するたびに加速される。このように電子が捕捉されて加速されるため、二段式ホール効果プラズマ加速器２００における非共鳴型放電と比較すると、弱いマイクロ波電界でも時間をかけることによって十分に加速することができるという特徴がある。
【００７６】
発生したプラズマに含まれるイオンは、二段式ホール効果プラズマ加速器２００と同じ加速機構によって加速チャネル３０２の開口部に向かって加速され、そこから噴射されて推力を生じる。
【００７７】
発明者は、本発明に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器の性能を検証するために、一段式ホール加速と二段式ホール加速とをそれぞれ実施しうる装置を試作して、それぞれの特性を測定した。図１０は、直流放電プラズマ生成およびマイクロ波放電プラズマ生成における、加速電圧-抽出イオン電流特性を表わすグラフである。抽出イオン電流は、噴射されるイオンの単位時間当たりの量に比例する。同図で、中空の四角形（□）は、高周波放電によるプラズマ生成における測定結果のプロット点であり、塗りつぶされた四角形（■）は、直流放電によるプラズマ生成（従来の一段式ホール効果プラズマ加速器の）における測定結果のプロット点である。同図より、加速電圧が６０〜１３０Ｖの比較的低電圧の領域において、高周波放電は、直流放電の場合と比較して、より大きい抽出イオン電流が得られることがわかる。すなわち、低電圧（低比推力）領域において引き出し電流の増加が観測されている。このように、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００では、低い加速電圧領域へも作動領域が拡張され、良好なイオン噴射特性が得られる。
【００７８】
本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００では、従来とは異なる機構によるプラズマを発生させることができ、効率的な推進剤ガスのプラズマ化が可能である。図１１は、直流放電プラズマ生成における、噴射されたイオンのイオンエネルギー分布の測定結果を表わすグラフである。図１２は、マイクロ波放電プラズマ生成における、噴射されたイオンのイオンエネルギー分布の測定結果を表わすグラフである。図１１および図１２において、三角（△）で表わされたプロット点はＬ＝２４ｍｍのグラフのものであり、丸（○）で表わされたプロット点はＬ＝９ｍｍのグラフのものである。図１１より、従来の直流放電プラズマ生成では、イオンエネルギーが、Ｌ（加速チャネル長）にもよるが、１００〜１２０ｅＶにピークを有するようなプラズマが生成されることが分かる。しかし図１２を参照すると、発明に係る高周波放電によるプラズマ生成では、イオンエネルギーが、１１０〜１２０ｅＶ以外にも１６０ｅＶ付近でもピークを有するようなプラズマが生成されることが分かる。このように、発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００では、従来にはなかった高周波放電を発生機構とするプラズマが新たに生成されており、効率的にプラズマを生成することが可能となっている。
【００７９】
本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００は、宇宙用推進機関としてのみならず、プラズマ化されるガスはイオン源であるイオン加速装置（地上用など）、プラズマ化されるガスはスパッタリング用イオン源であるプラズマエッチング装置などにも利用することが可能である。さらに中和器を有しない、すなわち中和器電源を有せず、イオンが噴射されるビームターゲットをアノードとの間に加速電圧を印加することによってカソードとして機能させるイオン加速装置やプラズマエッチング装置を構成することが可能である。
【００８０】
上述の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の実施形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来のホール効果プラズマ加速器１００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。
【図２】従来のホール効果プラズマ加速器１００の静電加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。
【図３】従来のホール効果プラズマ加速器１００の電磁加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００の静電加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００の電磁加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。
【図７】本発明に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００の回路構成を表わす回路図とそれの断面を示す概略断面図とを組み合わせた図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器３００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。
【図９】電子サイクロトロン共鳴によるプラズマ生成機構モデル３５０を説明する概念図である。
【図１０】直流放電プラズマ生成およびマイクロ波放電プラズマ生成における、加速電圧-抽出イオン電流特性を表わすグラフである。
【図１１】直流放電プラズマ生成における、噴射されたイオンのイオンエネルギー分布の測定結果を表わすグラフである。
【図１２】マイクロ波放電プラズマ生成における、噴射されたイオンのイオンエネルギー分布の測定結果を表わすグラフである。
【符号の説明】
【００８２】
１００ ホール効果プラズマ加速器
１０１ 磁極
１０２ 加速チャネル
１０３ａ コイル
１０３ｂ コイル
１０４ コイル
１０５ａ 推進剤投入口
１０５ｂ 推進剤放出口
１０６ アノード
１０７ カソード
１０８ 配線
１０９ 加速電源
１１０ 中和器電源
２００ 高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器
２０１ 磁極
２０２ 加速チャネル
２０３ａ コイル
２０３ｂ コイル
２０４ コイル
２０５ａ 推進剤投入口
２０５ｂ 推進剤放出口
２０６ アノード
２０７ カソード
２０８ 配線
２０９ 加速電源
２１０ 中和器電源
２１１ 空洞共振器
２１２ 高周波透過窓部
２１３ 導波管
２１４ 高周波導入プローブ
２１５ 高周波発振器
３００ 二段式ホール効果プラズマ加速器
３０１ 磁極
３０２ 加速チャネル
３０３ａ コイル
３０３ｂ コイル
３０４ コイル
３０５ａ 推進剤投入口
３０５ｂ 推進剤放出口
３０６ アノード
３０７ カソード
３０８ 配線
３０９ 加速電源
３１０ 中和器電源
３１３ 導波管
３１４ 高周波導入プローブ
３１５ 高周波発振器
３５０ プラズマ生成機構モデル
３５１ 永久磁石
３５２ ０．２１Ｔの磁界
３５３ ミラー磁場
３５４ ＥＣＲ領域
３５５ 電子
３５６ 電子のラーマー運動
３５７ ミラー磁界反射領域
３５８ 電子の飛行軌跡
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ加速器に関し、より詳しくは、二段式ホール効果プラズマ加速器、及びそれを使用した宇宙用推進機関、イオン加速装置、及びプラズマエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙用推進機関に適した電気推進ロケットの一種類として、ソ連を中心として研究開発されたホール効果プラズマ加速器がある。ホール効果プラズマ加速器は、円環状加速チャネルを有し、それの半径方向に磁界をかけ、軸方向に電界をかける構造を有する。円環状加速チャネルの下流（開口部である出口側）に電子を放出するカソードを配置し、それの上流（出口の反対側）にアノードを配置する。カソードは加速・噴射されるイオン電流と等しい電子電流を外部空間に放出する。その放出された電子は、アノード方向に逆流して加速部の空間電荷制限効果を緩和してイオン加速を補助するとともに、さらに推進剤を電離する役割を担う。
【０００３】
ホール効果プラズマ加速器の加速機構は、静電加速と電磁加速の２種類の動作機構によって説明することができる（例えば、非特許文献１参照。）。前者は粒子加速モデルによるものであり、後者はプラズマ流体の考え方に準拠するものである。ホール効果プラズマ加速器は、電磁加速モデルによると、円環状のプラズマ加速部に、半径方向の外部磁場と軸方向電界によって周方向のホール電流を誘起し、このホール電流と外部磁場との干渉による電磁加速を加速機構としている。またホール効果プラズマ加速器は、静電加速モデルによると、電子の軸方向の動きを半径方向磁場によって拘束することによって妨げ、軸方向に強い電界を維持することが可能になることにより、推進剤イオンを静電的に加速する静電加速を加速機構としている。ホール効果プラズマ加速器は、閉鎖電子ドリフトスラスターなどとも称される。
【０００４】
図１は、従来のホール効果プラズマ加速器１００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。ホール効果プラズマ加速器１００は、磁極１０１、加速チャネル１０２、コイル１０３ａ、コイル１０３ｂ、コイル１０４、推進剤投入口１０５ａ、推進剤放出口１０５ｂ、アノード１０６、カソード１０７、配線１０８、加速電源１０９、及び中和器電源１１０から構成される。
【０００５】
磁極１０１は、コイル１０３ａ、コイル１０３ｂ、コイル１０４によって発生させられた磁力線を誘導することによって、加速チャネル１０２内にプラズマの生成・イオンの加速に適した形状の強さの磁界を分布させる。加速チャネル１０２の出口近傍（下流。図の上側）においてはイオン加速のために比較的強い磁界が分布させられ、出口と反対側（上流。図の下側）においてはプラズマ生成のために比較的弱い磁界が分布させられる。加速チャネル１０２は、上流にアノード１０６が設置され、下流の出口近傍に設置されたカソード１０７との間の電界によって、その内部のイオンを加速させる。コイル１０３ａ、コイル１０３ｂ、コイル１０４は、図示していないが、適切な電源から電力の供給を受け、磁界を発生させる。推進剤投入口１０５ａは、キセノンガスなどの推進剤をホール効果プラズマ加速器１００の内部に導入するための導入口である。導入された推進剤は、推進剤放出口１０５ｂから加速チャネル１０２内に放出される。加速電源１０９が発生する電圧が、配線１０８を通じて、アノード１０６とカソード１０７との間に印加される。アノード１０６にはカソード１０７に対してプラスの電圧が印加される。後で詳述するように、この電圧はプラズマの生成と推進剤イオンの加速の両方の働きをすることになる。この電圧が発生する電界によって、加速チャネルの上流では主としてプラズマの生成が行われ、下流では主として推進剤イオンの加速が行われることになる。
【０００６】
カソード１０７は、噴射された推進剤イオンの電荷を中和するための電子を放出する熱陰極としても機能する。中和器電源１１０は、熱陰極を加熱するための電力をカソード１０７に対して供給する。
【０００７】
従来のホール効果プラズマ加速器１００のプラズマの生成機構およびイオンの加速機構をこれから説明する。まず、静電加速機構のモデルにしたがって説明する。図２は、従来のホール効果プラズマ加速器１００の静電加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。図２では、加速チャネル１０２が一部切り欠き斜視断面図で表わされ、磁界Ｂ、電界Ｅ、推進剤中性粒子（ｎと表記）、電子（ｅと表記）、推進剤イオン（ｐと表記）がモデル的に表わされている。
【０００８】
プラズマの静電加速モデルによる加速機構は以下のとおりである。加速チャネル１０２内には、上流から下流へと軸方向に印加された電圧による直流電界である電界Ｅが存在する。半径方向の磁界Ｂは、加速チャネル１０２の上流では弱く、下流では強くなるように設計されている。磁界Ｂのあるところに電子が置かれると、電子は磁界Ｂと電子自身の電荷と速度との相互作用により磁界Ｂと直交する方向のローレンツ力を受けて、磁界Ｂの磁力線に巻き付くような回転運動であるラーマー運動を行い、軸方向の動きが制限される。磁界Ｂのあるところに推進剤イオンが置かれても、それも同様に磁界Ｂと直交する方向のローレンツ力を受けるものの、推進剤イオンは、電荷に対する質量が電子よりはるかに大きいため、ラーマー半径は電子のそれよりはるかに大きくなる。従って、磁界Ｂの強さとそれが存する空間領域を適当に選択することにより、電子は磁力線の周りを旋回して磁界Ｂに拘束される一方、推進剤イオンは、ほぼ直進運動を行って磁界Ｂに拘束されないように設定することが可能である。
【０００９】
ここで、プラズマの生成機構についても説明する。磁界Ｂが弱い上流では、下流と比較して、電子は磁界Ｂにあまり強く拘束されないため、電子はアノード１０６方向に加速されやすくなる。このようにして大きく加速された電子は、推進剤中性粒子と衝突して、それを電子と推進剤イオンとに電離させる。このようにして、プラズマが生成される。
【００１０】
加速機構について具体的に説明する。加速チャネル１０２の下流に配置されたカソード１０７から放出された電子は、その一部がアノード１０６に引き寄せられて加速チャネル１０２内に入る。加速チャネル１０２に入った電子は、後述のように、加速部の空間電荷制限効果を緩和して推進剤イオンの加速を補助するとともに、さらにプラズマ発生部に移動して推進剤ガスを電離する働きを行う。加速チャネル１０２に入った電子は、加速チャネル１０２内の磁界Ｂに拘束されてラーマー運動を行い、すぐにはアノード１０６に吸収されない。電子Ｅ２３は、ラーマー運動が誘起させられることによって、磁界Ｂに拘束されている電子である。電子Ｅ２３は徐々にアノード１０６に引き寄せられて加速チャネル１０２の上流に移動するが、この間に電界Ｅに加速されて大きい運動エネルギーを獲得する。電子Ｅ２１は、このように大きい速度に加速された電子である。加速チャネル１０２の上流では、磁界Ｂが弱く、かつ、そこでの電子の速度が大きいため、電子のラーマー半径は大きくなる。運動エネルギーの大きい電子Ｅ２１は、推進剤中性粒子Ｎ２２と衝突して、それを電子Ｅ２２と推進剤イオンＰ２２とに電離させる。このようにして、加速チャネル１０２の上流においては、高速の電子によって多くの推進剤中性粒子が電離させられてプラズマ化する。このように、加速チャネル１０２の上流は、プラズマ発生部として機能する。発生した推進剤イオンＰ２２は、質量が十分に大きいため、磁界Ｂによってラーマー運動が誘起されて軸方向に拘束されることなく、電界Ｅによって下流に加速され、高速の推進剤イオンＰ２４として加速チャネル１０２の開口部から噴射させられ、その反作用として推力を生じる。このように、加速チャネル１０２の下流は、加速部として機能する。推進剤イオンＰ２２の上側の矢印は、磁界Ｂによって拘束されずに下流に加速されることを表わしている。ここで、加速チャネル１０２の下流付近は、強い磁界Ｂによって電子Ｅ２３を強く拘束するため、加速チャネル１０２の加速部において、正電荷の推進剤イオンのみならず、電子も多量に存在させることができる。このため、加速チャネル１０２の加速部を電気的に準中性のプラズマ状態に維持できる。したがって、空間電荷制限電流則による制約を受けることなく、カソード１０７とアノード１０６との間に大きい電圧をかけて大きい電流を流すことができ、それによって多くの推進剤イオンを加速・噴射させて大きい推力を得ることができる。カソード１０７から放出された電子の一部は加速チャネル１０２から下流方向に移動し、この電子Ｅ２４が推進剤イオンＰ２４を中和する。推進剤イオンＰ２４によるイオン電流と等しい強さの、電子Ｅ２４による電子電流が流れることになる。一方、加速チャネル１０２内の電子は、最終的にはアノード１０６に吸収される。
【００１１】
次に、電磁加速機構のモデルにしたがって説明する。図３は、従来のホール効果プラズマ加速器１００の電磁加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。図３では、加速チャネル１０２が一部切り欠き斜視断面図で表わされ、磁界Ｂ、電界Ｅ、電流Ｊ、ローレンツ力Ｆ、電子（ｅと表記）、推進剤イオン（ｐと表記）がモデル的に表わされている。
【００１２】
プラズマの電磁加速モデルによる加速機構は以下のとおりである。加速チャネル１０２の半径方向に磁界Ｂが存在する。磁界Ｂのあるところに電子が置かれると、電子は磁界Ｂと電子自身の電荷と速度との相互作用によるローレンツ力を受けて、磁界Ｂの磁力線の周りを旋回するラーマー運動を行い、軸方向の動きが制限される。ここで、加速チャネル１０２内には、上流から下流へと軸方向に印加された電圧による直流電界である電界Ｅが存在する。電子は、磁力線の周りを回転するラーマー運動の際に電場によって加減速が生じることより、円軌道の中心座標が周方向に移動する、Ｅ×Ｂドリフトを生じる。これによって、周方向に電子が移動し、その移動方向と逆方向の電流が流れることになる。なお、推進剤イオンに対しても、電子と同じ方向のＥ×Ｂドリフトを生じさせて、その移動方向と同じ方向の電流が流れることになるような力が同様に働くが、ラーマー半径が大きいため、周方向の定常的な移動を起こさないまま下流に排出される。従って、周方向の電流は、電子によってのみ誘起され、結果として周方向に一方向の電流が流れることになる。この電流はホール電流と呼ばれている。この周方向電流は、磁界Ｂと直交しているため、その周方向電流が流れている電子と推進剤イオンとからなるプラズマ流体に対して、それを下流方向に移動させるローレンツ力が働く。これによりプラズマが下流方向に加速されて噴射させられ、その反作用として推力を生じる。
【００１３】
加速機構について具体的に説明する。電子Ｅ３３と推進剤イオンＰ３３とはプラズマを構成している。ここで、電子Ｅ３３は、磁界Ｂの磁力線の周りを回転するラーマー運動をしながら、Ｅ×Ｂドリフトにより、周方向に移動する。この移動方向と逆方向に電流Ｊが流れる。電流Ｊが流れているプラズマは、磁界Ｂとの相互作用によりローレンツ力を下流方向に受ける。これによって電子Ｅ３３と推進剤イオンＰ３３とからなるプラズマが加速チャネル１０２の下流に加速・噴射させられ、その反作用として推力を生じる。なお、この電磁加速モデルにおいても、前述の静電加速モデルと同様の機構により、プラズマは主として上流のプラズマ発生部において生成されている。すなわち、加速チャネル１０２の上流において加速された電子Ｅ３１が推進剤中性粒子Ｎ３２と衝突して、それを電子Ｅ３２と推進剤イオンＰ３２とに電離させて、プラズマを生成させる。
【００１４】
以上、従来のホール効果プラズマ加速器について、静電加速モデルと電磁加速モデルとにより加速機構を説明してきた。しかし、そのいずれの場合においても、従来のホール効果プラズマ加速器では、軸方向に印加した直流電界によってプラズマの生成と推進剤イオンの加速の両方を行っている。そのようなホール効果プラズマ加速器は、一段式ホール効果プラズマ加速器と呼ばれている。上述のように、加速部では比較的強い磁界が適している一方、プラズマ生成部では弱い磁場が適している。このように、加速部とプラズマ生成部とでは、磁界の強さに関する好適な特性が異なっている。それに加えて、加速部とプラズマ生成部とは隣接していなければならない。さらには、加速噴射後の推進剤イオンの軌道を平衡に保つためには、加速チャネル１０２の出口部で磁界が急峻に消失することが好ましい。したがって、加速チャネル１０２の上流から下流に向かって、軸方向に沿って、磁界の強さはゼロから緩やかに上昇し、最大値の位置を越えたあとは、急峻に半径方向の磁界がなくなるような配位が好適とされている。一段式ホール効果プラズマ加速器の性能を向上させるためには、磁界の設計が重要な要素であり、種々の試みがなされてきた（例えば、非特許文献２から５参照。）。
【００１５】
このような目的のために最適化された磁場（磁界）を作り出すためには、複雑な磁気回路、電磁コイル、磁石、磁気シールド（磁気スクリーン）、磁気分路器を用いなければならず、宇宙システムとしては非常に好ましくない重量増という結果を招くことになる。また、磁場システムは温度上昇により性能を損ないやすいため、高温になるホール効果プラズマ加速器では、このような望ましい特性を実現することは、そもそも難しい。これらの問題を解決するために、磁場設計に関する多くの提案、研究がなされ、特許出願も存在する（例えば、特許文献１から１３を参照。）。
【００１６】
従来の「ホール効果プラズマ推進器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである。これは、中空環状磁性体による磁場回路設計に関するものである（例えば、特許文献１参照。）。
【００１７】
従来の「ホール効果プラズマスラスター」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである。これは、周方向に分割したソレノイドコイルにより噴射イオンビーム方向を制御する技術に関するものである（例えば、特許文献２参照。）。
【００１８】
従来の「ホール効果プラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、特表２００１−５２１５９７（特許文献３）は、一段式ホール型加速器に関する特許出願である。これは、周方向に分割したソレノイドコイルを用いる技術に関するものである（例えば、特許文献３参照。）。
【００１９】
従来の「クローズド電子ドリフトを備えたプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、磁気パス、磁気スクリーンを用いて一段式ホール型加速器に最適な磁場形状を提供する技術に関するものである（例えば、特許文献４参照。）。
【００２０】
従来の「閉じた電子ドリフトを使用するイオン加速器での磁束形成」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものであり、磁気分路器を用いて最適磁場を提供する技術に関するものである（例えば、特許文献５参照。）。
【００２１】
従来の「閉電子ドリフト及び導電性挿入物を備えるプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献６参照。）。
【００２２】
従来の「閉鎖電子ドリフトによるプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献７参照。）。
【００２３】
従来の「閉鎖電子ドリフトを持つプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献８参照。）。
【００２４】
従来の「閉鎖電子ドリフトを持つ長さの短いプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献９参照。）。
【００２５】
従来の「閉鎖電子ドリフトを持つプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである（例えば、特許文献１０参照。）。
【００２６】
従来の「閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものであり、加速部に電極を設けイオンを反射させ損失を低減化する技術に関するものである（例えば、特許文献１１参照。）。
【００２７】
従来の「閉電子ドリフト及び導電性挿入物を備えるプラズマ加速器」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである。これは、出口部に電極を設け噴射イオンビームの軌道を補正する技術に関するものである（例えば、特許文献１２参照。）。
【００２８】
従来の「高熱負荷に適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ」という発明の名称の特許出願に係る技術は、一段式ホール型加速器に関するものである。これは、磁場設計に関するものである（例えば、特許文献１３参照。）。
【００２９】
上記のように磁場設計に関する技術について多くの特許出願がなされている。しかしこれらはいずれも磁場の設計に関するものであって、磁場の設計の困難さを根本的に解決するものではない。
【００３０】
一段式ホール効果プラズマ加速器では、プラズマ生成とイオン加速とは、一つの直流電源により実行される。プラズマ生成とイオン加速のそれぞれいずれかに寄与させるための電力の配分は、磁場の形状により決定されるため、それを能動的に制御することは難しい。このため、ホール効果プラズマ加速器を、効率的な動作が達成されるような最適な運転状態に制御することは困難である。
【００３１】
また、一段式ホール効果プラズマ加速器では、プラズマ生成とイオン加速とが連続的に行われるため、プラズマ生成とイオン加速の比率が一定に保てなくなる場合があり、それに伴う「放電振動現象」という好ましくない現象が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。激しい放電振動が発生すれば、推進器としての安定動作を失い、さらには作動の続行が不可能になることもある。
【００３２】
ここで、総合推進効率ηは、次式にて表される。
この式の各成分の意味は、以下のとおりである。
電源効率：ηel
ここでそれぞれの項の意味は、以下のとおりである。
ｖ：電気推進システムから加速噴射される実速度
ｖex：推力に寄与する有効噴射速度
Ｖb：噴射速度ｖに対応する実効加速電圧
Ｃi：イオン生成コスト
Ｃn：中和コスト
Ｉb：噴射イオン電流に相当するビーム電流
Ｉe：放電電流中の逆流電子電流
Ｉd：全放電電流
噴射ビーム効率にはビーム発散による損失効果や２価電離イオンによる比電荷の低下による推力損失が含まれる。
【００３３】
総合推進効率ηを高めるためには、上記の各成分を向上させることが必要である。電流効率ηIの分母に現れる電子電流Ｉeが増加すれば、電流効率の低下につながることが分かるが、従来の一段式ホール効果プラズマ加速器では、カソードからの放出電子がアノードに逆流するため、電流効率は低いものになっていた。
【００３４】
上記のような問題を解決し、運転範囲（電力範囲、推力可変、比推力可変）を拡大するために、プラズマ生成部とイオン加速部とに対して、それぞれ独立した電源を配する二段式ホール効果プラズマ加速器が研究されてきた（例えば、非特許文献６及び７を参照。）。これらの二段式ホール効果プラズマ加速器は、プラズマ生成とイオン加速のそれぞれの目的に応じて設置された電極間に印加する電圧を独立して制御することによって、プラズマ生成とイオン加速とを独立して制御し、最適な運転状態を達成することを目的とするものである。
【００３５】
【特許文献１】特表２００２−５１６６４４号公報
【特許文献２】特表２００２−５０４９６８号公報
【特許文献３】特表２００１−５２１５９７号公報
【特許文献４】特開平０５−２４０１４３号公報（特許第２６５１９８０号明細書）
【特許文献５】特表２００２−５１７６６１号公報
【特許文献６】特開平１１−２９７４９７号公報
【特許文献７】特表平１１−５０５０５８号公報
【特許文献８】特表平０８−５００９３０号公報
【特許文献９】特表平０８−５００６９９号公報
【特許文献１０】特表平０８−５００９３０号公報（特許第３０８３５６１号公報）
【特許文献１１】特開平０４−２２９９９６号公報（特許第２９６１１１３号明細書）
【特許文献１２】特許第２８９５４７２号明細書
【特許文献１３】特開２０００−０７３９３７号公報
【非特許文献１】栗木、荒川、「電気推進ロケット入門」東京大学出版、第７章
【非特許文献２】A.I. Morozov, Yu.V. Esipchuk, A.M. Kapulkin, V.A. Nevrovskii, and V.A. Smirnov, “Effect of A.I. Bugrova, A.D. Desitskov, V.K. Kharchevnikov, M. Prioul and L. Jolivet, “Research of the Magnetic Field on a Closed-Electron-Drift Accelerator”, Soviet Physics Technical Physics, Vol.17, No.3, 1972, pp.482.
【非特許文献３】A.I. Morozov, Yu.V. Esipchuk, G.N. Tilinin, A.V. Trofimov, Yu.A. Sharov and G.Ya. Shchepkin, “Plasma Acceleration with Closed Electron Drift and Extended Acceleration Zone”, Soviet Physics Technical Physics, Vol.17, No.1, 1972, pp.38.
【非特許文献４】V.M. Gavryushin and V. Kim, “Effect of the Characteristics of a Magnetic Field on the Parameters of an Ion Current at the Output of an Acceleration with Closed Electron Drift”, Soviet Physics Technical Physics, Vol.26, No.4, 1981, pp.504.
【非特許文献５】A.M. Bishaev and V. Kim, “Local Plasma Properties in a Hall-Current Accelerator with an Extended Acceleration Zone”, Soviet Physics Technical Physics, Vol.23, No.9, 1978, pp.1055.
【非特許文献６】Y. Yamagiwa & K. Kuriki, “Performance of Double-Stage-Discharge Hall Ion Thruster”, Journal of Propulsion and Power, Vol.7, No.1, 1991, pp.65
【非特許文献７】A.I. Morozov, A.I. Bugrova, A.D. Desitskov, V.K. Kharchevnikov, M. Prioul and L. Jolivet, “Research on Two-Stage Engine SPT-MAG”, IEPC03-290, International Electric Propulsion Conference, 2003, France.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
しかし、これらの方式では、プラズマ生成とイオン加速のそれぞれに対して直流電界を利用するため、たとえ、プラズマ生成とイオン加速のそれぞれの目的に対して独立した直流電源によって電圧を印加したとしても、実際には、そのそれぞれによって、プラズマ生成とイオン加速とを独立して制御することは非常に困難であった。すなわち、独立した２つの電圧を、例えば加速チャネルの上流と下流とに分けて印加したとしても、連続した加速チャネル内で、プラズマ生成とイオン加速とが渾然一体として行われるため、どうしても、プラズマ生成のために印加した電圧のある部分はイオン加速にも寄与することとなり、また、イオン加速のために印加した電圧のある部分はプラズマ生成にも寄与することとなる。そのため、二段式ホール効果プラズマ加速器であっても、実際には、性能的に一段式ホール効果プラズマ加速器と差別化することは困難であった。また、二段式ホール効果プラズマ加速器では、プラズマ生成に電子の逆流が不要のため、電流効率を向上させることができるものの、プラズマ生成のために別の電源や構成要素を導入するため、これに要する効率要素が電圧効率ηVの分母にイオン生成コストＣiとして新たに現れることにもなり、また、推進効率は電流効率ηIの改善と電圧効率ηV低下の兼ね合いによっても決まるため、そのような二段式の構成が直ちに推進効率の向上に結びつくものでもない。このような事情から、これまでのところ、上述のような試みにもかかわらず、ホール効果プラズマ加速器の性能の向上にまでは至っていない。
【００３７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、イオン加速とプラズマ生成とを高度に独立して制御することが可能な、イオンを加速するイオン加速部とプラズマを生成する高周波供給部とからなる、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
上述の課題の解決は、以下の特徴を有する本発明によって達成される。すなわち第１の観点に係る本発明は、イオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、プラズマ化するためのガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、前記環状加速チャネルの開口部の近傍に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加されたカソードと、前記環状加速チャネルから噴射されるイオンの電荷を中和するための電子を発生する中和電子発生部と、前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記カソードとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって外部に噴射され、発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段と、を有する高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器である。
【００３９】
本発明は他の観点によれば、前記高周波供給部は、前記環状加速チャネルの前記同心円筒状構造体の前記他方の底面端の近傍に設けられた、高周波が内部に導入される空洞からなる空洞部、をさらに有し、前記高周波導入手段は、前記空洞部内に高周波を導入することによって前記環状加速チャネルの内部に当該高周波を導入することをさらに特徴とする。
【００４０】
本発明はさらに他の観点によれば、前記空洞部は、内部に導入される高周波の共振を起こさせる空洞共振器であることをさらに特徴とする。
【００４１】
本発明のさらに他の観点によれば、前記高周波供給部は、前記空洞部と前記環状加速チャネルの同心円筒状構造体の前記他方の底面端との間に、高周波を透過する材料から構成され、かつ、ガスを透過させない高周波透過窓部をさらに有することをさらに特徴とする。
【００４２】
本発明はさらに他の観点によれば、前記高周波導入手段に関して前記環状加速チャネルの開口部と反対側に配置された、電子サイクロトロン共鳴周波数の高周波が導入されたときに電子サイクロトロン共鳴を誘導するための磁場を発生する磁場発生手段、をさらに有し、前記高周波導入手段によって前記環状加速チャネルの内部に導入された高周波は、前記磁場発生手段が発生した磁場に応じた位置で、電子サイクロトロン共鳴によって前記ガスを電離させてプラズマ化することをさらに特徴とする。
【００４３】
本発明はさらに他の観点によれば、前記磁場発生手段は、プラズマを閉じ込めるためのミラー磁場を発生することをさらに特徴とする。
【００４４】
本発明はさらに他の観点によれば、前記アノード近傍に不活性プラズマが導かれるように構成されていることをさらに特徴とする。
【００４５】
本発明はさらに他の観点によれば、前記プラズマ化されるガスは推進剤であることをさらに特徴とする。
【００４６】
本発明はさらに他の観点によれば、前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、前記プラズマ化されるガスはイオン源であることを特徴とするイオン加速装置である。
【００４７】
本発明はさらに他の観点によれば、前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、前記プラズマ化されるガスはスパッタリング用イオン源であることを特徴とするプラズマエッチング装置である。
【００４８】
本発明はさらに他の観点によれば、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器とビームターゲットとを含む地上用イオン加速装置であって、
前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器はイオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、プラズマ化するためのイオン源であるガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、前記環状加速チャネルの開口部側に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加された前記ビームターゲットと、前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記ビームターゲットとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって前記ビームターゲットに噴射され、発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段と、を有する高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とする地上用イオン加速装置である。
【００４９】
本発明はさらに他の観点によれば、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器とビームターゲットとを含むプラズマエッチング装置であって、
前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器はイオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、プラズマ化するためのスパッタリング用イオン源であるガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、前記環状加速チャネルの開口部側に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加された前記ビームターゲットと、前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記ビームターゲットとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって前記ビームターゲットに噴射され、発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段と、を有する高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、
前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置である。
【００５０】
上記において、アノード、カソード、環状加速チャネルなどの物理的構成を表わす用語は、装置の具体的形態や具体的呼称を限定するものではなく、その一般的な機能を備えた物理的構成を表わすためのものである。
【００５１】
上記装置の発明は、それぞれの構成要素の有する機能が逐次的に実行される方法の発明として把握することもできる。その場合において、各構成要素は記載された順序に実行されるものに限定されるものではなく、全体としての機能が矛盾なく実行され得る限りにおいて、自由な順序でそれを実行することができる。１つの手段が有する機能が２つ以上の物理的構成によって実現されてもよく、２つ以上の手段が有する機能が１つの物理的構成によって実現されてもよい。１つのステップが有する機能が２つ以上のステップによって実現されてもよく、２つ以上のステップが有する機能が１つのステップによって実現されてもよい。
【発明の効果】
【００５２】
本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００では、プラズマ生成とイオン加速のそれぞれへのエネルギーの配分を可変することができるため、それぞれを所望の作動領域で効率的に動作させることが可能となり、推進効率を改善できる。比推力、推力を広範囲に可変とすることが可能であり、電力の広範囲なスロットリングも可能となる。また、精密な磁場設計を行う必要がなく、精密な磁場構成に要する要素、重量、電力を削減できる。磁場設計の自由度が拡大するため、噴射イオンビームの平行度を改善することが可能である。また、時期材料の作動温度上限による制約が緩和される。また、プラズマ生成位置を磁場配置に依存させることなく、それをイオン加速領域に隣接した箇所に配置するように制御することが可能である。また、プラズマ生成には不可欠であった逆流電子を削減することができ、総合効率を向上させることが可能となる。また、プラズマ生成とイオン加速とが別の電源によって行われるため、プラズマ生成とイオン加速の比率が振動的に変動することはなく、原理的に、放電振動現象は発生しない。また、宇宙用に利用できる作動ガスの種類を拡張することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
これから図面に従って本発明の一実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００（以下、「二段式ホール効果プラズマ加速器２００」と略す。）の説明をする。
【００５４】
図４は、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。図７は、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００の回路構成を表わす回路図とそれの断面を示す概略断面図とを組み合わせた図である。二段式ホール効果プラズマ加速器２００は、磁極２０１、加速チャネル２０２、コイル２０３ａ、コイル２０３ｂ、コイル２０４、推進剤投入口２０５ａ、推進剤放出口２０５ｂ、アノード２０６、カソード２０７、配線２０８、加速電源２０９、中和器電源２１０、空洞共振器２１１、高周波透過窓部２１２、導波管２１３，高周波導入プローブ２１４、および高周波発振器２１５（図４には図示せず）から構成される。図４に示す二段式ホール効果プラズマ加速器２００においては、従来のホール効果プラズマ加速器１００の有する構成要素に対応する構成要素には、従来のホール効果プラズマ加速器１００の構成要素の符号に１００を加えた符号を付している。
【００５５】
磁極２０１は、コイル２０３ａ、コイル２０３ｂ、コイル２０４によって発生させられた磁力線を誘導することによって、加速チャネル２０２内にプラズマの加速に適した形状の磁界を分布させる。磁極２０１は、外部磁極２０１ａと内部磁極２０１ｂの部分をからなり、主としてそれらの間の空隙に所望の分布形状で磁力線を誘導する。ここで、従来のホール効果プラズマ加速器１００との大きな違いは、加速チャネル２０２内の磁界の分布を、プラズマの生成のことは考慮せずに、イオンの加速に適した形状に設計することが可能である点である。従って、磁界分布に対する要求は、従来のホール効果プラズマ加速器１００より緩やかである。これは後述するように、プラズマの生成に高周波を用いることによる利点の一つである。加速チャネル２０２は、出口と反対側である上流にアノード２０６が設置され、下流の出口近傍下流に設置されたカソード２０７との間の電界によって、その内部のイオンを加速させる。加速チャネル２０２は、好適には、異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間からなるチャネルである。異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とは、完全な円筒状構造体から構成されることを意味するものではなく、外筒と中筒とに挟まれ、幅がほぼ一定（あるいは規則的）であるチャネルを意味するものである。コイル２０３ａ、コイル２０３ｂ、コイル２０４は、図示していないが、適切な電源から電力の供給を受け、磁界を発生させる。推進剤投入口２０５ａは、キセノンガスなどの推進剤をホール効果プラズマ加速器２００の内部に導入するための導入口である。導入された推進剤は、推進剤放出口２０５ｂから加速チャネル２０２内に放出される。加速電源２０９が発生する電圧が、配線２０８を通じて、アノード２０６とカソード２０７との間に印加される。アノード２０６にはカソード２０７に対してプラスの電圧が印加される。後で詳述するように、この電圧はプラズマ生成にはほとんど寄与することなく、イオンの加速のために働くことになる。従って、この印加電圧はイオンの加速電圧として機能するものであり、加速制御量として、イオンの加速をプラズマの生成とは独立して制御することを可能とするものである。アノード２０６は、プラズマ生成には寄与しないため、その面積を極小とすることができる。アノード２０６の面積が広ければ、発生した活性プラズマがアノード２０６に触れてそれの損耗を招くおそれがある。しかし、本発明においては、アノード２０６の面積を極小にすることができるため、その近傍の局所的プラズマには不活性な気体を用いることが可能となり、アノード２０６の損耗を効果的に防止することが可能である。
【００５６】
加速チャネル２０２のアノード２０６側の底面端には、高周波透過窓部２１２を介して空洞共振器２１１が設けられている。高周波透過窓部２１２は、高周波を通過させるが推進剤ガスを通過させないガラス、セラミックなどで構成される。高周波透過窓部２１２を設けることによって、高周波導入プローブ２１４などのプラズマを生成させるためのエネルギー供給部に反応性気体である活性プラズマが接することによって、それの損耗を招いたり、プラズマを汚染したりすることを防止することができる。従来の一段式ホール効果プラズマ加速器では、アノード近傍でプラズマが発生するため、アノードの損耗やプラズマの汚染は避けられないが、本発明によると、アノード側に無電極放電を導入するため、そのような現象は原理的に発生しない。
【００５７】
空洞共振器２１１は、導入される高周波を共振（共鳴）させるための種々の形態を取ることができる。加速電源２０９とは独立して電力が供給される高周波発振器（高周波発生手段）（図７に示す）が高周波を発生する。発生させられる高周波は、好適には、マイクロ波である。この高周波は、推進剤ガスをプラズマ化するためのものであり、イオンの加速には寄与しない。従って、この高周波の出力はプラズマ化のためのエネルギーとして機能するものであり、プラズマ化制御量として、プラズマの生成をイオンの加速とは独立して制御することを可能とするものである。発生させられた高周波は、まず導波管２１３に導入される。導波管２１３は、同軸ケーブルなどの他の電磁波伝達手段であってもよい。導入された高周波は、導波管２１３内を伝搬して高周波導入プローブ２１４から空洞共振器２１１内に放射され、その中で共振（共鳴）させられる。このマイクロ波の共振によって、空洞共振器２１１内部に導入された高周波の電圧振幅が整えられ（好適には増幅され）、プラズマへの安定したエネルギー供給が可能になる。ここで、空洞共振器２１１に代えて、単なる空洞部であってもよい。空洞共振器２１１内の高周波は、高周波透過窓部２１２を通じて加速チャネル２０２内に供給される。加速チャネル２０２内に供給されたマイクロ波は、その中にある推進剤（キセノンガスなど）に対して、電離作用を及ぼす。高周波の周波数が高いほど、局在的にプラズマを生成することが可能となり、プラズマ発生領域の制御という観点から、好適である。なお、この形態のマイクロ波放電は、空洞共鳴器２１１でマイクロ波の電界を強くした上で、その一部をマイクロ波透過窓部２１２から取り出し、電子を短時間の内に加速する。加速された電子は中性粒子と弾性衝突して運動方向が反転するが、その反転する周期とマイクロ波の周波数が一致すると電子加速の効率が上昇する。このためには、ガス密度を比較的高くする必要がある。この形態の高周波放電を、非共鳴型放電と呼ぶことにする。ここで、空洞共振器２１１と高周波透過窓部２１２などの形状を、マイクロ波ランチャーの形状として適切に設計することによって、所望のビーム形状で加速チャネル内に高周波ビームを供給することができ、所望の位置にプラズマを生成することが可能になる。ここで、プラズマの生成位置は、高周波の投入位置で定まるため、精密な磁場設計およびその関連技術は必要とされない。すなわち、磁場設計に際して、プラズマ生成を考慮する必要はなく、イオン加速にのみ最適化された磁場を設計すれば十分である。このため、設計自由度が高くなり、そこに必要な、重量、電力、開発工数などのリソースを削減することができる。高周波の供給方式は、高周波導入プローブ（アンテナ）２１４の形状を変化させたり、高周波の伝搬形式（表面波を利用するかどうかなど）を変化させたり、アプリケータを適宜使用したりすることによって、所望のプラズマ生成特性を実現するように調整することが可能である。高周波の投入は、イオン加速にのみ適するように配された磁場領域に隣接した局所に対して行う。このようにすることによって、高周波によって発生させられたプラズマに含まれるイオンを、効率的に加速領域に導くことが可能となる。
【００５８】
高周波放電によるプラズマ生成は、加速チャネル２０２内の、開口部とは反対の、空洞共振器２１１と接しているアノード２０６側の底面近傍において主として行われる。なお、空洞共振器２１１と加速チャネル２０２のアノード２０６側の底面端との間に、高周波透過窓部２１２を設けない構成とすることも可能である。後述の本発明の他の実施形態では、そのような構成の一例を示す。発生させられたプラズマに含まれる推進剤イオンは、アノード２０６とカソード２０７との間に印加された加速電圧による電界によって、加速チャネル２０２の開口部に向かって加速され、そこから噴射される。
【００５９】
カソード２０７は、噴射された推進剤イオンの電荷を中和するための電子を放出する熱陰極としても機能する。中和器電源２１０は、熱陰極を加熱するための電力をカソード２０７に対して供給する。
【００６０】
請求項の構成要素と二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成要素との対応では、環状加速チャネルは加速チャネル２０２に対応し、ガス導入口は推進剤放出口２０５ｂに対応し、アノードはアノード２０６に対応し、カソードはカソード２０７に対応し、中和電子発生部はカソード２０７と中和器電源２１０とに対応し、磁界発生手段は磁極２０１とコイル２０３ａとコイル２０３ｂとコイル２０４とに対応し、高周波発生手段は高周波発振器２１５に対応し、高周波導入手段は導波管２１３と高周波導入プローブ２１４とに対応し、加速制御量としての加速電圧は加速電源２０９によって発生させられ、プラズマ化制御量としての高周波出力は高周波発振器２１５によって発生させられる。
【００６１】
本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００のプラズマの生成機構およびイオンの加速機構をこれから説明する。まず、静電加速機構のモデルにしたがって説明する。図５は、二段式ホール効果プラズマ加速器２００の静電加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。図５では、加速チャネル２０２が一部切り欠き斜視断面図で表わされ、磁界Ｂ、電界Ｅ、推進剤中性粒子（ｎと表記）、電子（ｅと表記）、推進剤イオン（ｐと表記）がモデル的に表わされている。
【００６２】
プラズマの静電加速モデルによる加速機構は以下のとおりである。加速チャネル２０２内には、上流から下流へと軸方向に印加された加速電圧による直流電界である電界Ｅが存在する。加速チャネル２０２における半径方向の磁界Ｂの強さは、イオンの加速に適したように分布させられており、従来のホール効果プラズマ加速器１００とは違って、プラズマ生成を考慮して上流で磁界を弱く設計するような必要はない。磁界Ｂの強さとそれが存する空間領域は、電子が磁力線の周りを旋回して磁界Ｂに拘束される一方、推進剤イオンがほぼ直進運動を行って磁界Ｂに拘束されないように適当に設定されている。
【００６３】
加速機構について具体的に説明する。加速チャネル２０２の下流に配置されたカソード２０７から放出された電子は、その一部がアノード２０６に引き寄せられて加速チャネル２０２内に入る。加速チャネル２０２に入った電子は、加速部の空間電荷制限効果を緩和して推進剤イオンの加速を補助する働きを行う。電子Ｅ５３は、ラーマー運動が誘起させられることによって、磁界Ｂに拘束されている電子である。電子Ｅ５３は徐々にアノード２０６に引き寄せられて加速チャネル２０２の上流に移動する。
【００６４】
加速チャネル２０２の上流では、高周波透過窓部２１２を通じて空洞共振器２１１から供給されてきた高周波Ｍ５１によって、推進剤中性粒子Ｎ５２が電離させられ、プラズマ化する。プラズマは、電子Ｅ５２と推進剤イオンＰ５２を含む。
【００６５】
発生した推進剤イオンＰ５２は、質量が十分に大きいため、磁界Ｂによってラーマー運動が誘起されて軸方向に拘束されることなく、電界Ｅによって下流に加速され、高速の推進剤イオンＰ５５として加速チャネル２０２の開口部から噴射させられ、その反作用として推力を生じる。推進剤イオンＰ５２の上側の矢印は、下流への加速が開始されたことを表わしている。また、推進剤イオンＰ５４の上側の矢印は、加速チャネル２０２の上流から中間部まで加速された推進剤イオンＰ５４が、磁界Ｂによって拘束されずにさらに下流に加速されることを表わしている。ここで、加速チャネル２０２の下流付近は、磁界Ｂによって電子Ｅ５３を拘束するため、加速チャネル２０２において、正電荷の推進剤イオンのみならず、電子も多量に存在させることができる。このため、加速チャネル２０２内を電気的に準中性のプラズマ状態に維持できる。したがって、空間電荷制限電流則による制約を受けることなく、カソード２０７とアノード２０６との間に大きい電圧をかけて大きい電流を流すことができ、それによって多くの推進剤イオンを加速・噴射させて大きい推力を得ることができる。カソード２０７から放出された電子の一部は加速チャネル２０２から下流方向に移動し、この電子Ｅ５５が推進剤イオンＰ５５を中和する。推進剤イオンＰ５５によるイオン電流と等しい強さの、電子Ｅ５５による電子電流が流れることになる。一方、加速チャネル２０２内の電子は、最終的にはアノード２０６に吸収される。
【００６６】
次に、電磁加速機構のモデルにしたがって説明する。図６は、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００の電磁加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。図６では、加速チャネル２０２が一部切り欠き斜視断面図で表わされ、磁界Ｂ、電界Ｅ、電流Ｊ、ローレンツ力Ｆ、電子（ｅと表記）、推進剤イオン（ｐと表記）がモデル的に表わされている。
【００６７】
図６においても、図２に関して上記で説明したプラズマの電磁加速モデルによる加速機構によって、プラズマが加速チャネル２０２内で上流から下流に向かって加速され、その開口部から外部に噴射させられ、その反作用として推力を生じる。
【００６８】
加速機構について具体的に説明する。電子Ｅ６３と推進剤イオンＰ６３とはプラズマを構成している。ここで、電子Ｅ６３は、磁界Ｂの磁力線の周りを回転するラーマー運動をしながら、Ｅ×Ｂドリフトにより、周方向に移動する。この移動方向と逆方向に電流Ｊが流れる。電流Ｊが流れているプラズマは、磁界Ｂとの相互作用によりローレンツ力を下流方向に受ける。これによって電子Ｅ６３と推進剤イオンＰ６３とからなるプラズマが加速チャネル２０２の下流に加速・噴射させられ、その反作用として推力を生じる。なお、この電磁加速モデルにおいても、前述の静電加速モデルと同様の機構により、プラズマは主として上流のプラズマ発生部において生成されている。すなわち、加速チャネル２０２の上流では、高周波透過窓部２１２を通じて空洞共振器２１１から供給されてきた高周波Ｍ６１によって、推進剤中性粒子Ｎ６２が電離させられ、プラズマ化する。プラズマは、電子Ｅ６２と推進剤イオンＰ６２を含む。
【００６９】
以上、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００について、静電加速モデルと電磁加速モデルとにより加速機構を説明してきた。そのいずれの場合においても、高周波によってプラズマの生成が行われ、加速電圧により軸方向に印加した直流電界によって推進剤イオンの加速が行われている。このため、加速電圧と高周波電力とは、それぞれ加速制御量、プラズマ化制御量として独立して制御することが可能である。
【００７０】
次に、推進剤ガスのプラズマ化を電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によって実施する本発明の他の実施形態について説明する。この実施形態は、二段式ホール効果プラズマ加速器２００が有する高周波透過窓部２１２に相当する構成を有しない。図８は、本発明の他の実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器３００（以下、「二段式ホール効果プラズマ加速器３００」と略す。）の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。二段式ホール効果プラズマ加速器３００は、磁極３０１、加速チャネル３０２、コイル３０３ａ、コイル３０３ｂ、コイル３０４、推進剤投入口３０５ａ、推進剤放出口３０５ｂ、アノード３０６、カソード３０７、配線３０８、加速電源３０９、中和器電源３１０、導波管３１３，高周波導入プローブ３１４、高周波発振器３１５（図８には図示しないが、図７において示した高周波発振器２１５と同様のもの。）、および磁場発生手段３１６から構成される。図８に示す二段式ホール効果プラズマ加速器３００においては、二段式ホール効果プラズマ加速器２００の有する構成要素に対応する構成要素には、二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成要素の符号に１００を加えた符号を付している。
【００７１】
磁極３０１、加速チャネル３０２、コイル３０３ａ、コイル３０３ｂ、コイル３０４、推進剤投入口３０５ａ、推進剤放出口３０５ｂ、アノード３０６、カソード３０７、配線３０８、加速電源３０９、中和器電源３１０、導波管３１３，高周波導入プローブ３１４、高周波発振器３１５の構成は、対応する二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成要素と同様の構成である。
【００７２】
ただし、加速チャネル３０２においては、出口と反対側である上流付近にアノード３０６が設置され、アノード３０６のさらに上流側に高周波導入プローブ３１４が配置され、高周波導入プローブ３１４のさらに上流側に磁場発生手段３１６が配置される。
【００７３】
請求項の構成要素と二段式ホール効果プラズマ加速器３００の構成要素との対応では、環状加速チャネルは加速チャネル３０２に対応し、ガス導入口は推進剤放出口３０５ｂに対応し、アノードはアノード３０６に対応し、カソードはカソード３０７に対応し、中和電子発生部はカソード３０７と中和器電源３１０とに対応し、磁界発生手段は磁極３０１とコイル３０３ａとコイル３０３ｂとコイル３０４とに対応し、高周波発生手段は高周波発振器３１５に対応し、高周波導入手段は導波管３１３と高周波導入プローブ３１４とに対応し、加速制御量としての加速電圧は加速電源３０９によって発生させられ、プラズマ化制御量としての高周波出力は高周波発振器３１５によって発生させられる。
【００７４】
磁場発生手段３１６は、異なる磁極が向かい合うように対向させられた２つの磁石群からなる。図８では、円柱形状の永久磁石を二重の環状に配置している。内環上の永久磁石の磁極と外環上の永久磁石の磁極とは異なるものが対向するように配置される。例えば、内環上の永久磁石は上側がＳ極で下側がＮ極とした場合、外環上の永久磁石は上側がＮ極で下側がＳ極となる。このように永久磁石を配置することによって、磁場発生手段３１６はプラズマを閉じ込めるミラー磁場を発生する。ミラー磁場は、両端の永久磁石付近では強く、中央面では弱い磁束密度分布を有する磁場であり、このような形態の磁場とすることによって、プラズマを両端近傍において中央へと反射させることができ、プラズマを磁場の中に拘束することができる。さらに、ミラー磁場中の特定の場所（電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）領域）においては、導入される高周波の周波数において電子サイクロトロン共鳴を起こすような磁場の強さとされている。こうすることによって、ＥＣＲ領域を通過するときに推進剤ガスの電子が電子サイクロトロン共鳴によって加速されて電離させられる。
【００７５】
ここで、一般的な、ミラー磁場を用いた電子サイクロトロン共鳴の機構について説明する。図９は、電子サイクロトロン共鳴によるプラズマ生成機構モデル３５０を説明する概念図である。プラズマ生成機構モデル３５０においては、異なる磁極が向かい合うように対向させられた２つの永久磁石群からなる永久磁石３５１によって０．２１Ｔの磁界３５２が発生させられ、両端の永久磁石付近では強く中央面では弱い磁束密度分布を有するミラー磁場３５３が形成されている。ミラー磁場３５３の磁力線に直交するように、電子サイクロトロン共鳴に適したＥＣＲ領域３５４が広がる。図９に示したミラー磁場３５３とＥＣＲ領域３５４は図示した断面におけるものであり、実際には、永久磁石３５１に沿って同じように広がっている。図９において、磁場は∇Ｂ（ｇｒａｄ Ｂ）として矢印で示す方向にそれの強さの勾配があり、Ｂとして示した方向の磁場があるため、その中では電子は∇Ｂ×Ｂドリフトを生じて∇Ｂ×Ｂとして矢印で示す方向にドリフトする。電子３５５は、電子のラーマー運動３５６によって磁力線の周りを旋回するが、∇Ｂ×Ｂドリフトとミラー磁界３５３による閉じ込めによって、電子の飛行軌跡３５８に沿って移動することになる。この際に、電子はミラー磁界反射領域３５７で反射される。そして、移動する電子がＥＣＲ領域３５４を通過するときに電子サイクロトロン共鳴によってさらに加速されて電離が促進されることになる。このようにして、推進剤ガスのプラズマ化が行なわれる。電子サイクロトロン共鳴においては、ミラー磁場内に電子が捕捉され、往復運動をする。そして電子がＥＣＲ領域を通過するたびに加速される。このように電子が捕捉されて加速されるため、二段式ホール効果プラズマ加速器２００における非共鳴型放電と比較すると、弱いマイクロ波電界でも時間をかけることによって十分に加速することができるという特徴がある。
【００７６】
発生したプラズマに含まれるイオンは、二段式ホール効果プラズマ加速器２００と同じ加速機構によって加速チャネル３０２の開口部に向かって加速され、そこから噴射されて推力を生じる。
【００７７】
発明者は、本発明に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器の性能を検証するために、一段式ホール加速と二段式ホール加速とをそれぞれ実施しうる装置を試作して、それぞれの特性を測定した。図１０は、直流放電プラズマ生成およびマイクロ波放電プラズマ生成における、加速電圧-抽出イオン電流特性を表わすグラフである。抽出イオン電流は、噴射されるイオンの単位時間当たりの量に比例する。同図で、中空の四角形（□）は、高周波放電によるプラズマ生成における測定結果のプロット点であり、塗りつぶされた四角形（■）は、直流放電によるプラズマ生成（従来の一段式ホール効果プラズマ加速器の）における測定結果のプロット点である。同図より、加速電圧が６０〜１３０Ｖの比較的低電圧の領域において、高周波放電は、直流放電の場合と比較して、より大きい抽出イオン電流が得られることがわかる。すなわち、低電圧（低比推力）領域において引き出し電流の増加が観測されている。このように、本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００では、低い加速電圧領域へも作動領域が拡張され、良好なイオン噴射特性が得られる。
【００７８】
本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００では、従来とは異なる機構によるプラズマを発生させることができ、効率的な推進剤ガスのプラズマ化が可能である。図１１は、直流放電プラズマ生成における、噴射されたイオンのイオンエネルギー分布の測定結果を表わすグラフである。図１２は、マイクロ波放電プラズマ生成における、噴射されたイオンのイオンエネルギー分布の測定結果を表わすグラフである。図１１および図１２において、三角（△）で表わされたプロット点はＬ＝２４ｍｍのグラフのものであり、丸（○）で表わされたプロット点はＬ＝９ｍｍのグラフのものである。図１１より、従来の直流放電プラズマ生成では、イオンエネルギーが、Ｌ（加速チャネル長）にもよるが、１００〜１２０ｅＶにピークを有するようなプラズマが生成されることが分かる。しかし図１２を参照すると、発明に係る高周波放電によるプラズマ生成では、イオンエネルギーが、１１０〜１２０ｅＶ以外にも１６０ｅＶ付近でもピークを有するようなプラズマが生成されることが分かる。このように、発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００では、従来にはなかった高周波放電を発生機構とするプラズマが新たに生成されており、効率的にプラズマを生成することが可能となっている。
【００７９】
本発明に係る二段式ホール効果プラズマ加速器２００および３００は、宇宙用推進機関としてのみならず、プラズマ化されるガスはイオン源であるイオン加速装置（地上用など）、プラズマ化されるガスはスパッタリング用イオン源であるプラズマエッチング装置などにも利用することが可能である。さらに中和器を有しない、すなわち中和器電源を有せず、イオンが噴射されるビームターゲットをアノードとの間に加速電圧を印加することによってカソードとして機能させるイオン加速装置やプラズマエッチング装置を構成することが可能である。
【００８０】
上述の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の実施形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来のホール効果プラズマ加速器１００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。
【図２】従来のホール効果プラズマ加速器１００の静電加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。
【図３】従来のホール効果プラズマ加速器１００の電磁加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００の静電加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００の電磁加速モデルによる加速機構を説明する概念図である。
【図７】本発明に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器２００の回路構成を表わす回路図とそれの断面を示す概略断面図とを組み合わせた図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器３００の構成を表わす一部切り欠き斜視断面図である。
【図９】電子サイクロトロン共鳴によるプラズマ生成機構モデル３５０を説明する概念図である。
【図１０】直流放電プラズマ生成およびマイクロ波放電プラズマ生成における、加速電圧-抽出イオン電流特性を表わすグラフである。
【図１１】直流放電プラズマ生成における、噴射されたイオンのイオンエネルギー分布の測定結果を表わすグラフである。
【図１２】マイクロ波放電プラズマ生成における、噴射されたイオンのイオンエネルギー分布の測定結果を表わすグラフである。
【符号の説明】
【００８２】
１００ ホール効果プラズマ加速器
１０１ 磁極
１０２ 加速チャネル
１０３ａ コイル
１０３ｂ コイル
１０４ コイル
１０５ａ 推進剤投入口
１０５ｂ 推進剤放出口
１０６ アノード
１０７ カソード
１０８ 配線
１０９ 加速電源
１１０ 中和器電源
２００ 高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器
２０１ 磁極
２０２ 加速チャネル
２０３ａ コイル
２０３ｂ コイル
２０４ コイル
２０５ａ 推進剤投入口
２０５ｂ 推進剤放出口
２０６ アノード
２０７ カソード
２０８ 配線
２０９ 加速電源
２１０ 中和器電源
２１１ 空洞共振器
２１２ 高周波透過窓部
２１３ 導波管
２１４ 高周波導入プローブ
２１５ 高周波発振器
３００ 二段式ホール効果プラズマ加速器
３０１ 磁極
３０２ 加速チャネル
３０３ａ コイル
３０３ｂ コイル
３０４ コイル
３０５ａ 推進剤投入口
３０５ｂ 推進剤放出口
３０６ アノード
３０７ カソード
３０８ 配線
３０９ 加速電源
３１０ 中和器電源
３１３ 導波管
３１４ 高周波導入プローブ
３１５ 高周波発振器
３５０ プラズマ生成機構モデル
３５１ 永久磁石
３５２ ０．２１Ｔの磁界
３５３ ミラー磁場
３５４ ＥＣＲ領域
３５５ 電子
３５６ 電子のラーマー運動
３５７ ミラー磁界反射領域
３５８ 電子の飛行軌跡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、
異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、
プラズマ化するためのガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、
前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、
前記環状加速チャネルの開口部の近傍に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加されたカソードと、
前記環状加速チャネルから噴射されるイオンの電荷を中和するための電子を発生する中和電子発生部と、
前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、
前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、
発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記カソードとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって外部に噴射され、
発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、
前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段を有する、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、
前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、
前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項２】
請求項１に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記高周波供給部は、
前記環状加速チャネルの前記同心円筒状構造体の前記他方の底面端の近傍に設けられた、高周波が内部に導入される空洞からなる空洞部、をさらに有し、
前記高周波導入手段は、前記空洞部内に高周波を導入することによって前記環状加速チャネルの内部に当該高周波を導入することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項３】
請求項２に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記空洞部は、内部に導入される高周波の共振を起こさせる空洞共振器であることを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項４】
請求項２または３に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記高周波供給部は、前記空洞部と前記環状加速チャネルの同心円筒状構造体の前記他方の底面端との間に、高周波を透過する材料から構成され、かつ、ガスを透過させない高周波透過窓部をさらに有することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項５】
請求項１に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記高周波導入手段に関して前記環状加速チャネルの開口部と反対側に配置された、電子サイクロトロン共鳴周波数の高周波が導入されたときに電子サイクロトロン共鳴を誘導するための磁場を発生する磁場発生手段、をさらに有し、
前記高周波導入手段によって前記環状加速チャネルの内部に導入された高周波は、前記磁場発生手段が発生した磁場に応じた位置で、電子サイクロトロン共鳴によって前記ガスを電離させてプラズマ化することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項６】
請求項５に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記磁場発生手段は、プラズマを閉じ込めるためのミラー磁場を発生することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記アノード近傍に不活性プラズマが導かれるように構成されていることを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、
前記プラズマ化されるガスは推進剤であることを特徴とする宇宙用推進機関。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、
前記プラズマ化されるガスはイオン源であることを特徴とするイオン加速装置。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、
前記プラズマ化されるガスはスパッタリング用イオン源であることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項１１】
高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器とビームターゲットとを含む地上用イオン加速装置であって、
前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器は、イオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、
異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、
プラズマ化するためのイオン源であるガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、
前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、
前記環状加速チャネルの開口部側に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加された前記ビームターゲットと、
前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、
前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、
発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記ビームターゲットとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって前記ビームターゲットに噴射され、
発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、
前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段を有する、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、
前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、
前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とする地上用イオン加速装置。
【請求項１２】
高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器とビームターゲットとを含むプラズマエッチング装置であって、
前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器は、イオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、
異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、
プラズマ化するためのスパッタリング用イオン源であるガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、
前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、
前記環状加速チャネルの開口部側に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加された前記ビームターゲットと、
前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、
前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、
発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記ビームターゲットとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって前記ビームターゲットに噴射され、
発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、
前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段を有する、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、
前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、
前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項１】
イオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、
異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、
プラズマ化するためのガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、
前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、
前記環状加速チャネルの開口部の近傍に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加されたカソードと、
前記環状加速チャネルから噴射されるイオンの電荷を中和するための電子を発生する中和電子発生部と、
前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、
前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、
発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記カソードとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって外部に噴射され、
発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、
前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段を有する、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、
前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、
前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項２】
請求項１に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記高周波供給部は、
前記環状加速チャネルの前記同心円筒状構造体の前記他方の底面端の近傍に設けられた、高周波が内部に導入される空洞からなる空洞部、をさらに有し、
前記高周波導入手段は、前記空洞部内に高周波を導入することによって前記環状加速チャネルの内部に当該高周波を導入することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項３】
請求項２に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記空洞部は、内部に導入される高周波の共振を起こさせる空洞共振器であることを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項４】
請求項２または３に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記高周波供給部は、前記空洞部と前記環状加速チャネルの同心円筒状構造体の前記他方の底面端との間に、高周波を透過する材料から構成され、かつ、ガスを透過させない高周波透過窓部をさらに有することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項５】
請求項１に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記高周波導入手段に関して前記環状加速チャネルの開口部と反対側に配置された、電子サイクロトロン共鳴周波数の高周波が導入されたときに電子サイクロトロン共鳴を誘導するための磁場を発生する磁場発生手段、をさらに有し、
前記高周波導入手段によって前記環状加速チャネルの内部に導入された高周波は、前記磁場発生手段が発生した磁場に応じた位置で、電子サイクロトロン共鳴によって前記ガスを電離させてプラズマ化することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項６】
請求項５に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記磁場発生手段は、プラズマを閉じ込めるためのミラー磁場を発生することを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器において、
前記アノード近傍に不活性プラズマが導かれるように構成されていることを特徴とする高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、
前記プラズマ化されるガスは推進剤であることを特徴とする宇宙用推進機関。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、
前記プラズマ化されるガスはイオン源であることを特徴とするイオン加速装置。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器を含み、
前記プラズマ化されるガスはスパッタリング用イオン源であることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項１１】
高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器とビームターゲットとを含む地上用イオン加速装置であって、
前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器は、イオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、
異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、
プラズマ化するためのイオン源であるガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、
前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、
前記環状加速チャネルの開口部側に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加された前記ビームターゲットと、
前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、
前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、
発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記ビームターゲットとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって前記ビームターゲットに噴射され、
発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、
前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段を有する、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、
前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、
前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とする地上用イオン加速装置。
【請求項１２】
高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器とビームターゲットとを含むプラズマエッチング装置であって、
前記高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器は、イオン加速部と、当該イオン加速部に高周波を供給する高周波供給部とからなり、
前記イオン加速部は、
異なる半径を有する２つの同心円筒状構造体とそれに挟まれた空間とからなり、一方の底面側がイオン噴射のための開口部となっており、他方の底面端に前記高周波供給部が配された環状加速チャネルと、
プラズマ化するためのスパッタリング用イオン源であるガスを前記環状加速チャネルの外部から内部に導入するための、前記環状加速チャネルの前記高周波供給部側に近接して設けられたガス導入口と、
前記環状加速チャネル内の前記高周波供給部側に近接して設けられたアノードと、
前記環状加速チャネルの開口部側に設けられ、前記アノードとの間に所定の強さの加速電圧が印加された前記ビームターゲットと、
前記環状加速チャネルの中心軸から放射方向に所定の強さの分布の磁界を発生する磁界発生手段と、
前記環状加速チャネルの内部に導入される高周波を発生する高周波発生手段と、を有し、
前記ガス導入口から前記環状加速チャネル内に導入されたガスは、前記高周波供給部から供給される高周波によって電離させられてプラズマ化し、
発生した前記プラズマに含まれる陽イオンは、前記アノードと前記ビームターゲットとの間に印加される加速電圧によって前記環状加速チャネル内からそれの前記開口部方向へ加速されることによって前記ビームターゲットに噴射され、
発生した前記プラズマに含まれる電子は、前記放射方向の磁界との相互作用により前記円筒状構造体の軸方向の移動が制限されるものであり、
前記高周波供給部は、
前記高周波発生手段によって発生させられた高周波を前記環状加速チャネルの内部に導入するための高周波導入手段を有する、高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器であって、
前記イオン加速部は、加速制御量としての加速電圧でイオンの加速度を制御し、
前記高周波供給部は、前記加速制御量と独立して制御されるプラズマ化制御量としての高周波出力でプラズマの発生量を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−１４７４４９（Ｐ２００６−１４７４４９Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３８６７６（Ｐ２００４−３３８６７６）
【出願日】平成１６年１１月２４日（２００４．１１．２４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 研究集会名：第２４回宇宙技術および科学の国際シンポジウム 主催者名 ：社団法人 日本航空宇宙学会 開催期間 ：平成１６年６月２日 開催場所 ：ワールドコンベンションセンターサミット
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２４日（２００４．１１．２４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 研究集会名：第２４回宇宙技術および科学の国際シンポジウム 主催者名 ：社団法人 日本航空宇宙学会 開催期間 ：平成１６年６月２日 開催場所 ：ワールドコンベンションセンターサミット
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
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