CN101855449B - 用于减轻正电离子对表面片段的撞击的器件以及离子加速器装置 - Google Patents
用于减轻正电离子对表面片段的撞击的器件以及离子加速器装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种暴露于离子流，尤其是用于空间飞行器中的驱动装置的表面片段，空间飞行器中包括静电离子加速器装置。根据本发明，为减轻腐蚀，设置中间电位能量面，所述表面的有利之处在于，其允许形成基本上平行于所述表面片段的磁场。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于减轻正电离子对表面片段的撞击的器件，还涉及一种离子加速器装置，尤其是空间飞行器中的驱动装置。
背景技术
对空间飞行器，例如尤其是卫星或者航天探测器中的驱动装置而言，不仅仅是化学驱动设备和脉冲热驱动设备，静电动驱动设备也是已知的。静电动驱动设备尤其利用高压在静态高压电场内对电离室中被电离的工作气体正电离子进行加速，并使这些正电离子作为等离子束经由电离室中的开口射出。关于这一点，根据反冲原理，空间飞行器得以在相反方向上加速。优选地将惰性气体，如氙用作工件气体。此类静电驱动设备因其高比冲量而尤其有利。
在此类装置的运行过程中，环绕射束出口孔并面向射出等离子束方向的离子加速器装置的表面或者空间飞行器的表面被腐蚀。离子造成的损坏还可能出现在其它表面片段上，尤其是具有敏感表面或者部件的表面片段上，因此，这样的损坏对空间飞行器而言更严重，且不能进行维修。
发明内容
本发明以介绍减轻对离子撞击的表面的损坏，尤其是减轻对环绕出口孔的表面片段的腐蚀为出发点。
根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的优选实施例和进一步发展。
尽管具有基本平行于表面片段的磁场方向的磁场对正电离子的影响很小，但还是可利用该磁场，在位于空间区域前面的表面片段的表面法线方向上，令人惊讶地实现离子对表面片段的撞击的减轻。替代地，磁场的影响基于这样的事实，即，表面片段的正电荷形成抵御其他离子的电场，而且通过上述电场受到表面片段方向加速的电子因其低质量和高速度而偏离并远离表面片段，上述表面片段的正电荷由表面片段上的最初撞击形成。结果，保持表面片段的正电荷以及抵御离子所形成的电场。
表面片段优选地具有非导电表面，或者以大欧姆值与包括表面片段的整个设备，如空间飞行器的导电表面分离。该表面片段有利地为电气设备，特别地空间飞行器太阳能电池组的一部分。磁场优选地具有至少一个波峰结构，该波峰结构借助强场梯度反射性地作用于沿着磁力线移动的电子。
在离子加速装置中，令人惊讶地示出，通过围绕射束出口孔并面向射出等离子束的表面(在下文以及权利要求中称之为屏蔽表面)来实现表面腐蚀的大量减轻，该表面在离子加速装置的运行过程中空间上位于射出等离子束(尤其是所谓的喷流区域)与某些部分之间，这些部分尤其处于空间飞行器的地电位，而且处于与空间飞行器的地电位分离的电位。
屏蔽表面在离子加速器装置的运行过程中，亦即等离子束从射束出口孔射出期间相对于空间飞行器的地电位处于滑动电位的实施例尤其有利。这尤其能通过屏蔽表面的非导电实施例和/或通过屏蔽表面相对于空间飞行器地电位电绝缘来实现。在驱动操作过程中，与地电位分离的电位随即自动出现在屏蔽表面上。
本发明基于检测到的腐蚀必定由于射束方向上的射出等离子束的认识，正电离子所谓的喷流电位(plume potential)高于空间飞行器的地电位，因此，喷流区域中产生并存在的离子偏离等离子束，并得以在空间飞行器地电位方向上加速，关于这一点上，离子优选地在围绕射束出口孔的区域内的屏蔽表面片段中进行撞击。喷流电位本身不能以目标方式改变。气体密度随着与喷流区域中心的距离增加而迅速增大。喷流区域射束方向上的通常范围大小在电离室出口孔之后处于10cm-40cm之间。
在驱动操作过程中通过屏蔽表面与地电位的电位分离，尤其通过滑动电位很快在屏蔽表面上出现电位，该电位处于喷流电位与较低地电位之间并屏蔽射出等离子束的离子的地电位。
另一实施例中，可使得屏蔽表面导电，并将其设定为相对于地电位偏离规定电压的屏蔽电位。
在尤其有利的实施例中，基本平行于表面片段的磁场能转变成位于射束出口孔的波峰结构，由此，磁场方向基本垂直于位于波峰结构处的等离子束的射束方向，而且产生比前述表面片段更强的场梯度。波峰结构以环状围绕射束轴，并径向位于室壁的横向边界内。波峰结构尤其可朝着磁体装置的软极靴行进。如果波峰结构在布置于电离室中的阴极与阳极之间用于电子的电位梯度的方向上以相对于表面片段的基本平行路径相对于磁场区域偏离，则是有利的。波峰结构发挥作用以反射沿磁力线朝室壁移动的电子。
在常用的方式中，有利地将阴电极布置在等离子室的外部且相对于射束出口孔横向偏离。相对于阴电极处于高压的阳极装置被布置在电离室的底部。阴电极发射电子，这些电子被用作用于工作气体的电离并使得发射的等离子束呈中性的原电子。有利地将阴电极布置为相对于中心纵轴比屏蔽表面径向距离外面更远，或者屏蔽表面的至少一部分在径向方向上位于阴电极与射束出口孔之间。关于这一点，在射束出口孔的方向上移动的电子以及来自阴电极的等离子束在高压的作用下穿过屏蔽表面与射出等离子束之间的空间区域。有利的是，离子加速器装置包括用以产生磁场的磁体装置，该磁场相对于屏蔽表面与等离子束之间的空间区域中的屏蔽表面以基本平行的场分量呈现出弯曲的磁场路径。如此，在很大程度上阻挡电子向屏蔽表面移动。
可有利地将屏蔽表面构造成至少在其主要表面范围内以漏斗状远离空间飞行器而变宽。屏蔽表面可部分地由射束出口孔区域内的极靴装置的表面形成。
屏蔽表面有利地例如由通过离子喷射来抑制腐蚀的材料组成，例如陶瓷或者石墨。尤其还可通过将耐喷射材料涂覆到由耐喷射能力更弱的材料组成的支座本体上来形成耐喷射屏蔽表面。
附图说明
下面使用优选的示例性实施例并参照附图更详细说明本发明。
图1一种用于防护表面片段的普通器件，
图2离子加速器装置的详图。
具体实施方式
在图1中，采用表面片段FA1，该表面片段尤其可以是空间飞行器的太阳能电池组的光电活性表面。来自周围空间的正电离子尤其通过处于空间飞行器地电位的导电表面FL方向上的用于离子的电位梯度在其移动方向上朝向表面片段FA1，且上述导电表面位于表面片段的后方。应将表面片段FA1的侧面上未覆盖用以防止离子碰撞的半空间VR看作是位于表面片段的前面，而应将相对侧上的半空间HR看作是位于表面片段FA1的后面，表面片段通过壳体、支座装置或者通过空间飞行器本身从上述相对侧被大范围遮蔽。
优选地包括永磁体PK的磁体装置AS布置于表面片段FA1，并在空间区域RS内，在表面片段前面的表面片段FA的表面法线方向上产生具有基本上平行于表面片段的场方向的磁场MS，换言之，磁力线相对于表面法线倾斜大于45°，并相对于表面平行方向倾斜小于45°。磁体装置包括表面片段后面的所示例的永磁体PK1、PK2，这些永磁体以相同磁极定向平行于表面片段的平面而间隔开，并通过软磁轭相连。相邻表面片段FA2后面类似于PK1、PK2和JS的另一部分磁体装置如永磁体PK3所示，其中，附加部分磁体装置的磁极定向被设定为与第一部分磁体装置PK1、PK2和JS相反，从而，相同磁极S在永磁体PK2和PK3内彼此相反。软极靴SS被插入在永磁体PK2与PK3之间。在极靴SS处，磁场以相当强的场梯度在前半空间VR内具有波峰结构。可将另一极靴SE布置于永久磁铁PK1。
如果来自表面片段FA1的电中性表面的离子和电子根据其移动方向朝向表面片段FA1，正电离子几乎不受磁场的影响，并撞击表面片段FA1的表面而且对其充正电，从而快速形成用以抵御附加离子的电场。在表面片段FA1方向上来自半空间VR和/或通过带正电表面得以表面片段FA1方向加速的电子因其自身质量借助磁场强制到达圆形或螺旋形轨道上，这些电子还能沿着这些轨道朝永磁体PK1或者位于极靴SS的波峰结构漂移，电子因强场梯度在永磁体或者波峰结构处得以明显反射。由于磁场对电子的阻挡效应，因此，在优选为不导电或者以大ohm值与其它导电部分(例如表面FL)分离的表面片段FA1的表面上保持抵御场。
具体而言，应将表面片段前面的区域看作是表面片段FA1前面的空间区域RS，该空间区域在表面法线的方向上的跨度小于朝外面作用的磁体装置的磁极或者极靴(例如磁靴SE和SS)之间的距离。
以剖面展示且具有包括等离子束射束轴的横截面图的图2示出了空间飞行器RF中的离子加速器装置的示意性详图。
有利的是，具有中心纵轴LA的电离室IK具有围绕该中心纵轴呈圆形的横截面，并优选地通过电介室壁RW与中心纵轴交叉而得以限定。磁体装置MA布置在室壁的径向远离电离室的侧面上，该磁体装置环绕电离室并在其内产生磁场。电离室利用射束开口孔AO在纵向方向LR上在一侧开口，在静电场的影响下产生的正电离子通过工作气体在电离室中的电离作为等离子束PB在纵向方向上射出。
磁体装置的部分和/或离子发生器装置的其它部分或者空间飞行器的导电部分处于空间飞行器的地电位M。布置在电离室外部且相对于射束出口孔AO横向偏离的阴极装置KA通常也处于地电位。图1中未示出的布置在电离室底部且与射束出口孔相对的阳极装置相对于地电位处于1kV大小的高压。
在等离子束的移动方向上位于射束出口孔之后的等离子束区域(称之为喷流区域)内，存在通常处于比地电位大20V到100V的用于正电离子的喷流电位，从而为来自喷流区域的离子形成在处于地电位的部分方向上的电位梯度，且离子得以在地电位方向上的加速。在射束出口孔之后的喷流区域在射束方向上的跨度通常处于10cm至40cm之间。
在所示的示例中，极靴PR设置于射束出口孔，并以环状环绕射束出口孔。环状极靴通常由铁组成。极靴通过绝缘体IR相对于处于地电位的磁体装置的部分和/或处于处于地电位的其它部分绝缘。在纵向方向LR上或朝着等离子束的射束方向变宽的漏斗状本体TR分别紧随环状极靴本体PR之后。该漏斗状本体可由金属组成，此类金属不具有软磁性，而且不影响磁场，或者具有不具有介电性。
阴极装置在径向上位于漏斗本体TR的表面片段外部，而且有利地被布置为在纵向方向LR上相对于漏斗状本体偏离。
在离子加速装置打开时，如果假设极靴本体PR和漏斗状本体TR处于地电位或者接近地电位，则离子在喷流区域PL的外部在处于地电位的部件方向上得以加速，并撞击极靴本体PR和漏斗状本体TR的面向喷流区域的表面，而且对这些本体进行静电充电，或者在漏斗状本体为电介本体的实施例的情况下，对该漏斗状本体的面向喷流区域的表面进行充电。关于这一点，这些本体或者它们的表面分别升高到超过地电位的中间电位。用于来自喷流区域的离子电位梯度(仍仅只是中间电位)因此而明显减小，而且出现不具有或者只有一点本体PR、TR方向上来自喷流区域的离子流的平衡状态。
从喷流区域到本体PR、TR的剩余离子流尤其可导致电子，尤其是从阴极装置KA射出的电子也撞击本体PR、TR，该阴极装置相对于出口孔横向偏离。阴极装置供应原电子以用于电离电离室中的工作气体，并被用作射出等离子束PB的中和器。
为了保持到达本体PR、TR上的电子流低速，假设由磁场MFE来表示与本体表面基本平行的磁力线的路径，该磁场MFE由电离室外部的磁体装置产生，并进入喷流区域与本体PR、TR之间的空间区域，尤其是靠近本体表面的区域NB。关于这一点，将基本平行的路径理解为在区域NB内，对本体PR、TR表面的主要表面片段(＞50％)上方的表面法线方向上的这些表面片段而言，弯曲磁力线的方向更加平行于该表面，而不是更垂直于表面。然后，以距离上述表面一定的距离沿着基本平行于该表面的磁力线对电子进行导向，而不会撞击该表面。离子因其大质量和低速基本上不会受到磁场的影响。
磁场从相对于支座本体TR的表面片段具有基本平行路径的区域NB转移到电离室射束出口孔处的波峰结构CS中，其中，磁场的场向基本径向行进，而且存在强径向场梯度。位于波峰结构的径向场分量与区域NB中的径向场分量相对，从而，区域NB与波峰结构之间的场力线经受径向反向。由阴极装置发射的电子借助磁场保持与区域NB中的漏斗状本体的表面远离，并分别得以在喷流区域PL或者电离室方向上的导向，而且，尤其被导向至波峰结构，这些电子由于波峰结构的影响而保持较长停留时间。在离子加速器装置情况下波峰结构的效应例如可从最初提及的现有技术获知。
漏斗状本体TR优选地由具有优良导热率的不可磁化金属组成，并与极靴本体相连，从而很好地导热，结果，出现于极靴的损失热量通过漏斗状本体明显更大的表面被快速除去，并能辐射到周围空间。
极靴本体PR和/或漏斗状本体TR有利地可设置有涂层，特别地例如石墨或者陶瓷，该涂层相对这些本体的材料呈现出更强的喷射阻力。
上述和权利要求书中的特征以及通过附图获知的特征能够有利地单独或以各种组合实现。本发明并不局限于所描述的示例性实施例，而是在本领域技术人员力所能及的范围内能够以许多不同的方式修改。
Claims (14)
1.一种离子加速器装置，所述离子加速器装置具有用于减轻正电离子在表面片段上的撞击的器件，具有电离室和用于电离被引入所述电离室的工作气体的器件，还具有电极装置，所述电极装置用于对利用静态高压产生的离子进行静电加速并将离子作为等离子束从所述电离室的射束出口孔射出，所述离子加速器装置的特征在于还包括一个屏蔽表面，该屏蔽表面相对于所述出口孔侧向偏离，该屏蔽表面在所述离子加速装置的运行过程中在空间上位于所射出的等离子束与处于地电位的部分之间，并在电学上处于与空间飞行器的地电位分离的电位。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述屏蔽表面在所述离子加速装置的运行过程中在空间上位于所射出的等离子束与空间飞行器的处于地电位的外表面之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述屏蔽表面至少部分是不导电的。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述屏蔽表面相对于所述离子加速器装置的地电位电绝缘。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述屏蔽表面在驱动装置的驱动操作中处于滑动电位。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述屏蔽表面在驱动装置的驱动操作中相对于所述离子加速器装置的地电位偏离规定电压。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括阴电极，该阴电极布置在所述电离室的外部且相对于所述出口孔侧向偏离。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述屏蔽表面在所述阴电极与所述射束出口孔之间沿径向方向延伸。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括磁体装置用来产生磁场，所述磁场在所述屏蔽表面与从所述射束出口孔射出的等离子束的空间区域之间具有基本上平行于所述屏蔽表面的路径。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述磁体装置产生的磁场在所述电离室的中心纵轴与所述射束出口孔的边缘之间以大致径向的磁场分布形成波峰结构。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述屏蔽表面至少主要漏斗状扩宽。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述屏蔽表面由支座本体上的涂层形成，所述涂层比所述支座本体本身具有更大的喷射阻力。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被布置在空间飞行器上在所述空间飞行器的外侧且具有指向远离所述空间飞行器的等离子束射束方向，并且所述装置被用作驱动器件。
14.根据权利要求1所述的装置，所述屏蔽表面环绕所述出口孔并面向所射出的等离子束。
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