CN104583589A - 离子加速器 - Google Patents

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Abstract

一种离子加速器，包括：内磁体(10)，具有沿轴向延伸通过所述内磁体的通道(34)；以及外磁体(12)，围绕内磁体(10)延伸，所述内磁体和所述外磁体具有相似的极性，以产生两个具有零磁场强度的位置的磁场。所述位置沿轴向间隔开；以及阳极(38)和阴极(36)，布置为在所述位置之间产生电势差。

Description

离子加速器
技术领域
本发明涉及离子加速器。本发明主要应用在于等离子推进器，例如用于在对空间探测器和卫星的控制，还应用于需要等离子源的照明系统中的化学气相沉积(CVD)。
背景技术
等离子推进器是已知的，其包括具有阳极和阴极的等离子腔腔室，阳极和阴极建立了腔室中的电场，并且阴极充当电子源。磁体在腔室中提供具有高磁场的区域。推进剂(通常是惰性气体)被引入到腔室中。来自阴极的等电子加速通过所述腔室，将推进剂电离以形成等离子体。等离子体中的正离子向着位于所述腔室的开放端的阴极加速，而电子则由于其高电荷/质量比而被偏转并捕获。随着更多的推进剂馈送至腔室中，来自阴极的初级电子和来自电离过程的二次电子继续对推进剂进行电离，从推进器的开放端射出连续的离子流，以产生推力。
US2003/0048053中描述了多阶段离子推进器的示例，并且发散尖端场(DCF)推进器也是已知的。
发明内容
本发明提供了一种离子加速器，包括：第一磁体，其可以是内磁体，并且可以具有例如沿轴向延伸通过所述内磁体的通道；以及第二磁体，其可以是外磁体，并且可以围绕第一磁体延伸，所述磁体具有相似的极性，以产生具有两个零磁场强度位置的磁场。所述位置可以是例如沿轴向间隔开。所述加速器还可包括阳极和阴极，所述阳极和阴极可以布置为在所述位置之间产生电势差。
所述通道可具有中心轴。例如，所述通道可以是圆柱形的。所述中心轴可以是旋转对称轴。所述位置之一可以是围绕中心轴延伸的线。所述位置之一可以是一个点。作为点的位置可以位于另一位置之前，从而当离子在位置之间移动时将趋于汇聚。
所述电极之一(可以是阳极)沿径向位于内磁体和外磁体之间。该电极可以包括管状部分，所述管状部分的内径可以大于内磁体的外径，并且所述管状部分的外径可以小于外磁体的内径。所述电极之一(可以是阴极)可以沿径向位于内磁体内部，并且可以位于中心轴上或附近。
所述通道可具有进口端和出口端。这些端口可以位于内磁体的相应极处。外磁体可以围绕内磁体的至少一部分延伸，并且可以具有进口端和出口端，这两端可以位于外磁体的相应极处。两个磁体的进口端可以具有相似的极性。磁体可以具有环状截面。
所述加速器还可以包括外壳，所述外壳可以布置成支持所述磁体的任一个或两个。加速器还可以包括热沉，所述热沉可以与内磁体和外磁体的任意一个或更多个以及外壳热连接。
本发明还提供了一种离子推进器，包括根据本发明的加速器和布置为将推进剂馈送到加速器中的推进剂源。推进剂源可以布置为将推进剂馈送至阴极。作为备选或补充，推进剂源可以布置为将推进剂馈送至内磁体和外磁体之间的空间中。
加速器可以包括本发明的任意一个或更多个实施例的任意一个或更多个特征(采用任何组合)，下面参照附图以示例的方式描述本发明的实施例。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的离子加速器的部分切割透视图；
图2是图1的加速器中的磁场的图；以及
图3是本发明的第二实施例的加速器中的磁场的图。
具体实施方式
参见图1，离子加速器(在本发明中形成等离子推进器的一部分)包括内磁体10和外磁体12。磁体10、12中的每一个都采用中空圆柱体或管的形式，并且磁体是同轴布置的，其中内磁体10位于外磁体12的内部。内磁体和外磁体沿轴向重叠，从而外磁体12围绕内磁体10的一部分(以及在所述实施例中是全部)。外壳14支持磁体10、12，并且包括：外部环形壁16，所述外部环形壁覆盖位于推进器前端20处的外磁体12的环形端18；外部柱状壁22，位于外磁体12的内部并且沿其长度方向延伸超出其后端24；后部环形壁26，从外部柱状壁22的后端起向内延伸；中部柱状壁28，从后部环形壁26的内沿开始向前延伸，并且沿内磁体10的外表面延伸；内部环形壁30，从中部柱状壁28的前端开始向内延伸，覆盖内磁体10的前端；以及内部柱状壁32，从内部环形壁的内沿起沿内磁体10的内表面向后延伸。内部柱状壁32围绕并在其中限定通道34，通道34延伸通过内磁体12的中心，以及中空阴极36位于通道的后端处并且布置为产生等离子体并将等离子体引入通道34。管状阳极38位于外部柱状壁22和中部柱状壁28之间的空间内，其前端刚好在内磁体10的前端之前并且在外磁体12的前端之后。阳极或其管状部分的内径大于内磁体10的外径，以及其外径小于外磁体12的内径。阴极36和阳极38布置为设置加速器按如下建立所需的静电场。在其它实施例中，用于提供静电场的阴极可与等离子源分离。
两个磁体10、12的后端沿轴向彼此对齐，并且外磁体12比内磁体10长并且延伸到内磁体的前端之前。在外磁体12的前端内部并且在内磁体10之前的区域形成腔室40，在腔室40中发生等离子体产生和离子加速，下文将对此详述。外壳14将磁体10、12与通道34和等离子腔室40隔开。在加速器的后端处，热沉42(本发明中采用铜块的形式)紧靠外壳14的后端和内磁体10和外磁体12的后端(并与它们热接触)。热沉42具有缝隙，可通过该缝隙插入中空阴极36并且可通过该缝隙将气体提供给中空阴极36。在外部柱状壁22的后端，提供了四个推进剂通道44，它们径向延伸通过热沉42并连接到外壳中的缝隙46。由于阳极38与外部柱状壁22和中部柱状壁28具有空间，所以引入到这些推进剂通道44中的推进剂可流入外部柱状壁22和中部柱状壁28之间的空间，并因此流入内磁体10和外磁体12之间、经过阳极38并流入主等离子腔室40。
在操作中，加速器的一般原理与已知加速器相似。阳极38和阴极36建立对等离子腔室40中的电子和离子加速的电场。被加速的电子将引入到腔室40中的推进剂电离，产生正离子和进一步的二次电子。电子被腔室中的磁场偏转(由于其相对较高的电荷质量比)并趋于跟随磁场，而正离子则相对来讲受到磁场影响较小并因此趋于沿电场所指示的方向移动。
参见图2，内磁体10和外磁体12的极性沿相同的方向。例如，如果外磁体12的前端是其北极，而后端是其南极，则内磁体10的前端也是其北极，而且后端也是其南极。因此，它们的极性是彼此相对的，而不像极性彼此相反的情况中那样彼此互补。这建立了复杂的磁场，该磁场具有位于加速器的中心轴上并且位于外磁体12的前端之前的零磁场点50以及环形的且在内磁体10的前端之前围绕中心轴延伸的零磁场线52。在磁体10、12的后部还建立有类似的零点54和零线56，但它们与加速器的操作不相关。
如本领域技术人员所熟知，在等离子中，由于电子被磁场偏转，所以磁场对于试图相对于磁场垂直移动的电子来讲充当电阻，但对于在与其垂直的方向不具有显著磁场的线来讲，其电“阻”很低，并因此可被认为充当“导体”(由于电子可以相对自由地沿其移动)。因此，应该理解的是，位于加速器前端的零点50保持在接近阴极电势的电势处，这是因为在其和阴极之间的“通道”具有低的横向磁场。类似地，磁场为零的线52保持在与阳极类似的电势处，这是因为在它们之间的方向的横向几乎没有任何磁场，并且在阳极38的前端和零线52之间可以看到具有低横向场的类似“通道”，从而电子可以相对自由地在它们之间移动。
本领域技术人员熟知的与加速器的操作有关的另一效应是，在磁场为零的点处趋于发生高度电离并因此出现高密度的离子。这是由于这些点周围的磁场趋于封闭电子并防止电子从中移开。
在所示的加速器中，当进行操作时，将等离子体从中空阴极引入通道34，而且由于通道和等离子腔室40中的电场，电子和离子被加速。电子趋于引起对添加到等离子腔室40中的任意推进剂的进一步电离，并由此取代离开所述腔室的任意离子和电子。带正电的离子向着低电势的区域加速。由于在零场线52的区域中发生了大量电离，所以大量正离子从所述线附近的区域(具有圆环面的形状)向零场点50加速。这形成了向加速器的前端移动的离子汇聚流。由于零点50之前的电场强度相对较弱，所以在经过零点50之后，正离子并不会显著减速并且形成从加速器的前端射出的连续离子流。同时，电子逐渐移向阳极38并在此被收集。
虽然这一结构可用来针对许多应用产生离子束，但在本实施例中，由于加速器构成离子推进器的一部分，所以在加速器操作期间经由进口通道44向等离子腔室40中引入推进剂，以保持产生推进的连续离子束。当然，还可使用推进剂供应的其它结构。在离子加速器的其它应用中，中空阴极能够提供足够的等离子体，以及不需要单独提供用于电离的气体。在另一实施例中，由简单阴极取代中空阴极并且唯一的气体供应是经由进口通道44进行的。
应该注意的是，零点50之前的磁场近似与离子束行进方向平行。这有助于控制离子束(由于正离子趋于跟随磁场方向，尽管与电子相比其跟随程度要小得多(由于电荷质量比的差别))。
应该理解的是，可以通过多种方式改变加速器的几何结构。例如，加速器的前端处的零点50和零线52沿轴向(向前/向后)具有的间隔比加速器后方的零点54和零线56的间距大得多。这是由于内磁体10和外磁体12的前端沿轴向不是平齐的，其中外磁体12的前端在内磁体10的前端之前，而它们的后端在轴向是平齐的。应该理解的是，可以对两个磁体的相对长度和轴向位置以及它们的相对尺寸进行选择，以使得磁场为零的两个区域的轴向间隔和它们的相对尺寸适于特定应用。例如，内磁体和外磁体可在一些情况中长度相等。在一些情况中，它们的前端可以近似地沿轴向平齐。然而，这意味着两个零场区域之间的轴向偏移将小于图1的实施例中的偏移。
参见图3，在进一步的实施例中，内磁体110和外磁体112的位置与第一实施例中相同，但相对强度不同，在这一情况中，内磁体强于外磁体。这导致在磁场图案中，零点150仍然在加速器的中心轴上并且零线52仍然具有围绕该轴的圆环形式，只不过在这一情况中，圆环在点152之前。因此，为了使加速器沿前向加速正离子，沿径向位于内磁体110和外磁体112之间的电极138是阴极，而阳极则位于中心轴上或附近，并沿径向位于内磁体110的内部。所得到的离子束是发散的，这在某些情况下是期望的。

Claims (16)

1.一种离子加速器，包括：内磁体，具有沿轴向延伸通过所述内磁体的通道；以及外磁体，围绕内磁体延伸，所述内磁体和所述外磁体具有相似的极性，以产生具有两个零磁场强度位置的磁场，所述位置沿轴向间隔开；以及阳极和阴极，布置为在所述位置之间产生电势差。
2.根据权利要求1所述的离子加速器，其中所述通道具有中心轴，并且所述位置之一是围绕中心轴延伸的线。
3.根据权利要求1或2所述的离子加速器，其中所述位置之一是点。
4.根据权利要求3所述的离子加速器，其中作为点的所述位置位于另一位置之前，使得当离子在所述位置之间移动时离子将趋于汇聚。
5.根据权利要求3或4所述的离子加速器，其中所述点位于所述内磁体的前端之前。
6.根据权利要求3-5中的任一项所述的离子加速器，其中所述点位于所述外磁体的前端之前。
7.根据权利要求2或当从属权利要求2时权利要求3-6中的任一项所述的离子加速器，其中所述线位于所述外磁体的前端之后。
8.根据前述任一权利要求所述的离子加速器，其中所述电极之一沿径向位于所述内磁体和所述外磁体之间。
9.根据前述任一权利要求所述的离子加速器，其中所述电极之一沿径向位于所述内磁体内部。
10.根据前述任一权利要求所述的离子加速器，其中所述外磁体的前端位于所述内磁体的前端之前。
11.根据前述任一权利要求所述的离子加速器，其中所述外磁体的前端位于所述阳极的前端之前。
12.一种离子推进器，包括：根据前述任一权利要求所述的加速器和布置为将推进剂馈送至所述加速器中的推进剂源。
13.根据权利要求12所述的离子推进器，其中所述推进剂源布置为将推进剂馈送至所述阴极。
14.根据权利要求12或13所述的离子推进器，其中所述推进剂源布置为将推进剂馈送至所述内磁体和所述外磁体之间的空间中。
15.一种离子加速器，实质上参考附图描述。
16.一种离子推进器，实质上参考附图描述。
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