CN100512592C - 等离子加速器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及等离子加速器装置、特别是用于电离工作气体和/或者中和发出的等离子射束的电子源的结构和设计的各种有利的实施例。所述等离子加速器装置用于沿纵向发射加速的等离子射束，其具有侧面以室壁为界的等离子室，该等离子室处于阳极和设置在等离子室等离子射束输出端上的加速电极之间；以及电子源，该电子源从等离子射束输出端的一侧向等离子室输送电子，这些电子受到等离子室内的电场和磁场的作用以便电离等离子室内的工作气体，其中电子源由等离子室内部的无源电极表面构成，该表面被等离子射束的一部分冲击并在离子轰击时释放电子。

Description

等离子加速器装置
技术领域
本发明涉及等离子加速器装置。
背景技术
特别是霍尔-推力器形式的等离子加速器装置是已知的，其具有环绕中心纵轴线的等离子室。在等离子室的底部设置有环形阳极，从这里等离子室基本上以环形圆柱体的方式在纵轴线方向上向等离子射束输出端延伸。在等离子室等离子射束输出端的一侧上，并且典型地在等离子室的外面，设置有作为电子源的有源阴极，该有源阴极特别是带有气体放电的等离子同轴阴极或者热离子阴极的形式，一方面向等离子室内发射电子，另一方面在发出等离子射束的方向上中和处理发射电子。射入等离子室内的电子通过电场在阳极的方向上加速，并通过磁场强制进入环形漂移轨迹上。磁场基本上径向穿过等离子室，并且该磁场通过中心纵轴线周围由环形等离子室环绕的第一极装置和从外面环绕等离子室的作为磁对称极的第二极装置产生。这类霍尔加速器装置例如由EP 0 541 309 A1中公开。
US 5 847 493中介绍的霍尔加速器装置具有更为复杂的磁场，其中相反定位的第二极偶在纵向上与第一极偶隔开。两个极偶各自具有由等离子室环绕的内部的第一极和环绕等离子室的外部的第二极。
DE 198 28 704 A1介绍了一种带有基本上圆柱形等离子室的等离子加速器装置，等离子室包括作为中轴线的纵轴线。外部产生的聚束的电子束通过环绕等离子室的磁性装置被引导在中轴线上，极性在纵向上相继交变，并且不仅用于电离工作气体，而且还特别用于中和处理以相同方向从等离子室发出的等离子射束。
DE-AS 1222589介绍的等离子加速器装置同样通过纵向延伸的电离室传导聚束的电子射束，因此中和以相同方向从等离子室发出的等离子射束。等离子室中的电极部分可由钨构成。
在US 4 296 327介绍的粒子加速器中，高能脉冲电子射束从阴极发射并通过阳极光阑传导，该阳极光阑的光阑边缘设有塑性材料。碰到塑性材料的高能电子撞击塑性材料的质子，所述质子由于空间电荷效应被穿过光阑孔径的电子射束吸引并在射束方向上加速。
US 3 735 591介绍了一种磁等离子体动力学(MPD)推力器，其中，在等离子室外面设置有阴极，等离子室的室壁由圆柱体形的阳极构成，室壁在等离子室中轴线的延长线上沿等离子射束的方向远离等离子室，并且因此处于等离子射束的中心。阴极被供给气体以起动推力器。在正在进行的工作中，阴极通过离子轰击被加热到近2000K，并在阳极的方向上发射热电子。
发明内容
本发明的目的在于提供另一种结构特别简单的等离子加速器装置。
依据本发明的解决方案在独立权利要求中予以说明。从属权利要求包括本发明有利的实施例和进一步的改进。
本发明的第一方案是等离子加速器装置，其中，无源电极表面设在等离子室的内部、优选设在等离子射束输出端的范围内，以作为电离工作气体的电子源，所述电极表面被等离子射束的离子的一部分、特别是来自射束的边缘区域的离子的冲击，并且在离子冲击时所述电极表面释放电子。这里以及下文中可以理解，作为发射电子的无源电极或者无源阴极与上述有源阴极的区别在于，它是一种既不加热，也不利用气体放电工作的电极。这样释放的电子至少部分通过加速电极之间的电场逆着等离子射束的运动方向在阳极的方向上加速，并以其已知的方式受穿过等离子室磁场的影响，特别是为了提高停留时间和电离效果，强制来到与等离子室的纵向垂直的漂移轨迹上。工作气体的碰冲电离同时释放其他电子。
通过将无源电极面作为用于电离电子的电子源使用，可以大大简化等离子加速器装置。优选地完全取消有源的电子源，其中，无源电子源在等离子射束离子的轰击下也发射中和等离子射束的电子，通过离子的空间电荷在等离子射束的方向上被吸引和携带。电子源为此优选通过加速器电极的部分面构成。
为了在电子源利用等离子射束的离子轰击时有效产生自由电子，电子源优选地包括一种优选为金属的材料，其具有较低的固有溅射性，在离子轰击下使用寿命也较长和/或者具有较高的电子发射系数，该系数表示离子冲击时发射的电子簇射范围的程度。
由于电子源设置在等离子室的等离子射束输出端范围内，因此加速的等离子射束的高能量的离子冲击电子源，并因此产生足够数量的电子。如果电子源优选地仅设置在等离子射束的边缘区域内，特别是等离子室的室壁上，那么特别是来自等离子射束的强发散部分的离子冲击电子源，这些离子由于发散总是有助于减少等离子射束的反冲脉冲。
用于产生电离工作气体的电子的电子源也可以与加速电极隔开设置在该加速电极和阳极之间，然后由动能小于等离子室输出端上的离子的离子撞击。如果提供纵向上多级的具有在加速电极和阳极之间的一个或者多个中间电极的电极设置，这是特别有利的。在一个中间电极中产生电离工作气体电子的情况下，优选地设有单独的电子源，其用于中和来自等离子室等离子射束的在输出端范围内的等离子射束。
等离子室内电离的启动可以通过自发完成，例如通过构成高能量宇宙辐射影响的电子离子偶完成，它们在加速电极和阳极之间外加电场时彼此漂移，通过碰冲电离继续载流子分离，通过离子冲击电子源释放电子并进入产生等离子过程。初始的电离也可以通过短时间提高电场和/或者等离子室内工作气体的压力超过正在进行的工作时的参数得到释放和/或者支持。
借助于无源的、不加热的和通过等离子射束的离子冲击的电子源产生用于电离工作气体和/或者中和发出的等离子射束的电子，优选地可使用大多数已知几何形状的等离子室，特别是霍尔推力器的环形和带有在等离子室内包括的中心纵轴线的圆柱体形。特别有利的是，无源电子源与在等离子室纵向上带有多个连续级的等离子室结构结合使用，这些连续级各自具有加速电极和阳极之间中间电位上自己的电极，并通过连续电极之间强的径向磁场分量具有特别高的电子倍增率。因为在等离子室内产生电子，这些电子具有较低的速度，这对工作气体的碰冲电离是有利的。
本发明的第二方案是，使用电子源设置在等离子室外面的结构、特别是从霍尔推力器中已知的活性电子源来构造等离子室，其中，等离子室具有基本上旋转对称的形状，与霍尔推力器的区别在于，等离子室不是环形环绕中间纵轴线留出一个中心区域，而是包括中间纵轴线。在此方面，磁场装置具有至少一个在加速电极和阳极之间环绕等离子室的第一磁极，和至少另一个在纵向上与第一磁极隔开的作为对称极的第二磁极。与此相比在霍尔推力器中，限定等离子室内的磁场的相应的磁极基本上径向相对。
外部的电子源以通常的方式，不仅提供为了电离工作气体而进入等离子室的电子，还提供为了中和发出的等离子射束所需要的电子。有益的是，可以将从霍尔推力器中的这种外部电子源获得的丰富经验作为基础。
与已知的等离子加速器装置相反，采用具有包括纵轴线的磁场装置和类似装置的等离子室结构，其中电子射束被引入到纵轴线上，，因而不需要用于产生聚束电子射束的射束系统，由此简化了装置结构并缩短了结构长度。特别是等离子室在阳极侧可以向后封闭。
有利的是，磁场装置构造为多级，在纵向上极性相继交变，并且优选地在纵向上与不同电位的电极的多级装置相组合，沿等离子室的纵向上带有至少一个在加速电极和阳极之间的处于中间电位的中间电极。中间电极优选地在纵向上处于反向的连续磁极之间。
附图说明
下面借助参照附图的优选实施例对本发明作详细说明。其中：
图1示出带有无源电子源的等离子室纵断面；
图2示出带有外部电子源的等离子室纵断面。
具体实施方式
图1中非常简单地以纵断面示出等离子室的结构。等离子室PK的侧面以不导电的室壁KW为界。等离子室可以具有已知的形状，例如可以构造为环绕穿过等离子室的第一中间纵轴线LA(A)的基本上圆柱体形的旋转对称体，或者按照霍尔推力器的方式，构造为环绕不穿过等离子室的第二中间纵轴线LA(B)的环形。在后一种情况下必须补充关于纵轴线LA(B)镜面对称的第二纵断面。下面进一步介绍图1带有中心纵轴线LA(A)的第一结构。
等离子室具有阳极侧的法兰FA和输出端侧的法兰FB，用于固定在更大装置的内部。室壁KW例如可以由陶瓷构成。
等离子室在阳极AO和位于等离子射束PB的输出端PA作为例如氙的工作气体的正电荷离子的加速电极的阴极KA之间延伸，在该等离子室内，可以具有在纵向LR上连续的其他中间电极Z1至Zn，图例中为Z1和Z2。中间电极Z1、Z2处于阳极AO和阴极KA之间不同的中间电位上。到各电极的馈电线没有在图中示出。
在等离子室PK和环绕等离子室PK的室壁KW的外面，安装有优选为环形环绕等离子室PK的磁性装置。
磁性装置在纵向上连续级的极性逐级交变。各级的磁极优选分别处于纵向上连续级之间的空隙中。因为磁性装置的连续级的交变的极性，因此在等离子室中形成特别有利的磁场分布，其在连续的电极之间的间隙中具有强的径向分量。
等离子射束绕纵向轴(或者，在环形等离子室的情况下，绕等离子室的中心)形成没有尖的边缘的束的形式，并且通常沿纵向方向向输出端PA稍微地分散。等离子室内的电场在等离子射束输出端PA的方向上加速工作气体的离子。在此方面，离子也出现在等离子射束的边缘区域RB内，远离中心纵轴线使得它们从侧面击中电极表面，特别是射束输出端PA的范围内击中阴极KA。在这种情况下因为离子的高动能，因此电子能够从无源阴极的表面发出。这些从无源阴极释放的电子通过外加的电位的差值在阳极的方向上加速，并且能够在等离子室内存在的电场和磁场的影响下在等离子室内运动，并通过作为中性气体导入阳极范围内的工作气体的碰冲电离，既产生正电荷离子也产生其他电子。通过离子冲击从阴极中释放出来的这部分电子在图1中采用e1标注。
另一方面，从阴极释放出来的电子在尚未中和的等离子射束的正空间电荷的影响下作为e2部分向等离子射束方向运动，并对其进行中和。
阴极KA的全部表面或者至少在靠近冲击离子的部分表面上具有低固有喷溅性的材料，在离子轰击下不会从中释放材料固有的原子，为此还具有专门制备的部分表面或者部件ES。
随着电子的释放，离子也可以在其他位置上，特别是对中间电极Z1，Z2进行冲击，其中，等离子射束中的能量损失由于冲击离子在该位置上平均动能较小而较少。但是，离子对等离子室纵向分布中作为最后电极的阴极的冲击，由于离子在那里更高的能量能够发出更多的电子，它们在通过等离子室的更长的路程上表现出明显增加的倍增因数，特别是在电极-和磁性装置的多级结构情况下。
作为对加速电极KA本身的替代或者附加，也可以设有通过离子轰击释放电子的特殊的电极。此外，如果借助于离子轰击产生的自由电子中和效果不够，可以设有附加加热的电子源，作为等离子室输出端上的中和器。但是，这种结构由于特别简单因而是优选的，即所述结构完全没有有源电子源，并且具有仅通过来自等离子射束的离子的轰击从无源电极中产生电离和中和的自由电子。
工作气体电离的启动能在一些情况下进行，例如在将工作气体导入等离子室情况下，必要时通过自发的载流子分离或者带有等离子室内分离的载流子电极跟踪倍增的高能量宇宙辐射的作用。但是，为了支持和/或者确保电离启动，在导入工作气体情况下，从一开始就通过短时间提高工作气体的压力和/或者提高两个电极之间的电压点燃气体放电。
在图2示出的方案中，对等离子室来说，前提条件是带有包括中心纵轴线在内的等离子室结构，正如从上述DE 198 28 704 A1中类似公开的那样。但在图2示出的实施方式中，电离工作气体的电子e1和中和发出的等离子射束的e2在外部的电子源EQ中产生，如常用的霍尔推力器装置中那样，所述电子源设置在等离子射束输出端的范围内，特别地可以被加热和/或者利用气体放电而工作。
虽然在霍尔推力器装置中，等离子室环形构成，并且磁性装置设有由等离子室环绕的第一内部磁极和环绕等离子室的第二外部磁极，但是在图2示出的装置中，重要的是外部电子源与等离子室的包括中间纵轴线在内的中心形状和磁性装置的组合，所述磁性装置如已经在图1中所介绍的那样，具有在纵向上隔开的、环形环绕等离子室的、在纵向上交变的磁极。这种特征组合产生特别有益的环形电流比和装置的高效率。特别有利的是多级结构，其带有在纵向上磁性装置多于两个的极位置和带有处于外部阴极EQ和阳极AO之间中间电位上的中间电极。此外有利的是，纵向上的磁极在等离子室内纵向上连续的电极之间的空隙中定位。
前面和权利要求书中介绍的以及附图中引用的特征，无论是单独还是在不同的组合下均可有利地实现。本发明并未局限在所介绍的实施例上，而是在专业人员能力所及的范围内以一些方式变化。

Claims (12)

1.一种等离子加速器装置，用于沿纵向发射加速的等离子射束，其具有侧面以室壁为界的等离子室，该等离子室处于阳极和设置在等离子室等离子射束输出端上的加速电极之间；以及电子源，该电子源从等离子射束输出端的一侧向等离子室输送电子，这些电子受到等离子室内的电场和磁场的作用以便电离等离子室内的工作气体，其中电子源由等离子室内部的无源电极表面构成，该表面被等离子射束的一部分冲击并在离子轰击时释放电子。
2.按权利要求1所述装置，其特征在于，无源电极表面与等离子室的中间纵轴线横向隔开。
3.按权利要求1所述装置，其特征在于，无源电极表面设置在室壁上。
4.按权利要求1所述装置，其特征在于，无源电极表面构造为环形表面或者作为环形环绕中间纵轴线设置的单独表面构成。
5.按权利要求1所述装置，其特征在于，电子源由加速电极的部分表面构成。
6.按权利要求1所述装置，其特征在于，电子源为金属的。
7.按权利要求1所述装置，其特征在于，电子源另外提供电子以中和出现的等离子射束的电子。
8.按权利要求1-7之一所述装置，其特征在于，在阳极和加速电极之间的纵向上设置一个或者多个中间电极，所述中间电极处于中间电位上；并且纵向上的多级磁性装置产生带有在连续电极之间径向磁场分量的聚焦的磁场。
9.一种等离子加速器装置，用于发射有定向的加速的等离子射束，其具有位于阳极和设置在等离子射束输出端上的加速电极之间的等离子室；磁场装置；以及电子源，该电子源从等离子射束输出端的一侧向等离子室输送电子，这些电子受到等离子室内的电场和磁场的作用以电离等离子室内的工作气体，其中等离子室由环绕纵轴线的旋转对称体构成并包括该纵轴线；并且其中该磁场装置在纵向上具有至少一个环绕等离子室的第一磁极，第一磁极的对称极在纵向上与第一磁极隔开；并且电子源包括设置在等离子室外面、等离子射束输出端一侧上的电极，并且其中该磁场装置具有沿纵向的两个以上的连续交变的极。
10.按权利要求9所述装置，其特征在于，在阳极和加速电极之间设有一个或者多个其他电极，所述电极处于加速电极电位和阳极之间的中间电位上。
11.按权利要求9所述装置，其特征在于，外部电子源另外提供用于从等离子室发出的未中和的等离子射束的中和电流。
12.按权利要求9所述装置，其特征在于，等离子室在阳极侧封闭，并且从沿纵向与等离子射束输出端相反的阳极侧不向等离子室内输送电子射束。
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