CN1418290A - 等离子体加速器装置 - Google Patents

Abstract

对于具有环形等离子体室的等离子体加速器装置，提出了一种新的磁和/或电场结构，其中，特别地，允许具有效率得到实质性改善的多级实施例。

Description

等离子体加速器装置

本发明涉及一种等离子体加速器装置。

等离子体加速器装置为人们所了解，特别是以所谓霍尔装置的形式而被人们所了解。这里，可电离气体，特别是惰性气体，被充入等离子体室。等离子体室基本上是围绕于中央纵轴的环形，并在与纵轴平行的主要排出方向上开放。阳极被设置在等离子体室的底部，与排出方向相对。作为电子源的阴极被设置在等离子体室的外面，相对于等离子体室被径向地偏离。等离子体室壁由绝缘材料组成。等离子体室中磁系统通过第一、内部、和第二外部磁极产生大体上是径向的磁场。阴极发射的电子流在阴极和阳极之间的电场中加速，并被充入等离子体室中，在等离子体室中，电子被径向磁场向电势梯度偏转了90°(right angle)并向磁力线偏转90°角，并在室中电离推进气体。通过在这个过程中形成的等离子体中，带正电荷的离子在排出方向上被加速。阴极发出的部分电子被用于中和(neutralize)离子束。

这种类型的装置(比如在EP 0 541 309A1中)是已知的，其中的特殊的磁场设计是为了增加效率和寿命。通过相反极化的磁极靴(magnetic pole shoe)，(它们在环形的等离子体室的排出区是相对的和径向空间分开的，)内部和外部的线圈系统在等离子体室的这一区域产生大体上是径向的磁场。在等离子体室的深处有环形电极，那里被磁屏蔽所环绕。

US 5 847 493A展示了基于霍尔效应的等离子体加速器，其中内部和外部的线圈装置在每一种情况下都在排出方向上产生两个空间上分离的磁极。内部和外部的线圈装置的各自径向相对的磁极被相反地极化，并依次产生大体上是径向的磁场。EP 0 982 976A1中描述的类似的等离子体加速器装置有部分圆锥形极靴。

DE 198 28 704A1中描述了一种等离子体加速器装置，其中，在室外被加速的聚焦的电子束在轴向上被引入圆柱形等离子体室，并被永久循环磁装置沿轴导入，该装置以圆柱形地环绕着等离子体室，并具有交替排列的级。

本发明的目的是提出一种有利的等离子体加速器装置，特别地，它可以作为宇宙飞船的动力源。

本发明在权利要求1中被描述。从属权利要求包括优选的改进和对本发明的发展。

本发明的一个重要的方面是：与已知装置相比，穿过等离子体室的磁场具有完全不同的组成形式。在已知的装置中，对于环形的等离子体室来说，磁系统在内部有一个磁极系统，在外部有第二个磁极系统，磁系统基本上是径向取向的，并通常经过在等离子体室后面的返回磁路是闭合的。本发明提出的磁系统包括一个磁装置，对于等离子体室来说，该磁装置无论是在内部的径向上还是外部的径向上，都有磁极的纵向变化，也就是说，轴向是指与装置的纵轴平行的方向。特别地，在优选的装置中，外部和内部的磁装置的磁极变化可以发生在同一个方向上，这使得被等离子体室径向地分开的，而且分别属于两个分开的磁装置的同样的磁极是彼此相反的。

在第一实施例中，磁系统可以被设计成单级的，在每一种情况下，这种外部和内部的磁系统的磁极变化是通过纵向上空间分开的相反的磁极实现的。每种情况下，两个磁极中的至少一个位于等离子体室的纵向的区域中。在纵向上被空间分开的单级磁系统中的靴极优选地位于等离子体室的轴向范围内。特别的有利的是，装置中有多级设计的磁系统，并在纵向上有多个连续的子系统，它们中的每一个都有外部和内部的磁装置，并且，其中纵向上连续的子系统是交替地反向取向的。优选地，径向上的反相对应的磁极具有相同的方向，这导致特别有利的电子漂移分布。

特别有利的是，本发明的等离子体加速器装置中，在等离子体室的侧壁区的阴极和阳极之间至少还有一个电极装置，这个装置具有阴极和阳极之间的中间电势。在这个电极上，仅仅从阴极和阳极之间的部分电势差中获得能量的电子可能被截取。结果，阴极和阳极之间的电势差可以被细分为两个或多个加速级。因而，电子-壁之间的碰状所造成的损耗可以被充分地减少。特别地，随着电势级数目的增加，电效率也单调地增长。在每一种情况下纵向的电极最好放在磁系统或磁子系统的磁极端之间。这导致特别有利的电、磁场过程。

下面通过优选的实施例并参考附图，对本发明进行更详细的解释。这些参考图中：

图1所示为已知的等离子体室的侧视图；

图2所示为本发明中等离子体室中的场方向和电流；

图3所示为沿图2的对称轴的方向的视图；

图4所示为磁装置中的一级；

图5所示为优选结构的侧视图。

在等离子体物理中，众所周知，因为电子比普通的带正电荷的离子的质量低，使得它们具有很高的迁移率，等离子体的性能类似于金属导体，并且具有恒定的电势。

可是，如果等离子体位于电势不同的两个电极之间，那么等离子体的电势就差不多为电势高于正离子(阳极)的电极的电势，这是因为电子迅速地向阳极移动，直到等离子体的电势差不多达到阳极的恒定的电势为止，因而，等离子体是与场无关的。正如所知的那样，只有在阴极相对较窄的边界层，阴极压降处的电势才急剧地下降。

因此，在等离子体中，只有等离子体的导电率不是各向同性的时候，才能够维持电势差。高度的各向异性的导电率可以通过本发明中的装置中以有利的方式得到。因为，由于洛伦兹力的作用，当电子横穿磁力线运动的时候，尽管电子很容易在磁力线方向上位移，但电子会受到与磁力线成直角、并与运动方向成直角的力的作用，因此说，在磁力线方的向上具有高的导电率，并且在此方向上的电势梯度容易被平衡。由与磁力线成直角的电场分量导致的电子加速作用，与前面所说的洛伦兹力相互抵消，使得电子围绕磁力线做螺旋运动。相应地，在与磁力线成直角的方向上，产生的电场可能不会立即被电子的流动所补偿。为了这个电场的稳定性，如果相关的电场等势面延伸到差不多与电力线平行，并且，因此电场和磁场大体上相交，那么这是特别有利的。

在图1中，示意地画出了基于霍尔原理的(霍尔推进器)的传统的等离子体加速器的基本结构。等离子体室PK被设计成环绕对称中央轴SA放置，并且有绝缘的侧壁WA，WI和后壁RW。等离子体室在平行于对称轴SA的纵向上的一边开放，并且，在这一点上，也可以有加速栅极。

在等离子体室外，阴极KA被设置为电子源。阳极AN被设置于等离子体室的底部，背离排出孔AU。在等离子体室的阴极和阳极之间有一个电场E，电场大体上与纵向LR平行。磁系统有一个径向的外部第一磁极MA(比如北极)和一个径向的内部的第二磁极MI(比如南极)。这两个磁极被设计成大体上环形对称地围绕对称轴SA，并通过等离子体室后面的磁返回通路MR连接起来。磁系统在等离子体室PK中生成一个大体上是径向的磁场。

阴极发射的部分电子在阴极和阳极之间的电场中被加速，并被引入等离子体室中，它们相对于电子运动方向被磁场B偏转直角，并且相对于磁力线成直角，也就是说，大体上是与图中的平面成直角的角度。作为按这种方式受力并围绕对称轴的电子漂移运动的结果，使这些电子在到达阳极AN之前，可以在等离子体室多呆一段时间。在等离子体室中运动期间，由于与引入等离子体室中的气体(比如氙)发生碰撞，这些电子产生正离子和二次电子(secondary electron)。这些离子和电子在等离子体室中形成高导电率的等离子体。离子在等离子体室的纵向上被排出。为了避免装置充电，在被排出的离子流中加入从阴极KA发出的电子，使得被排出的等离子体流PB是中性的。这种已知装置本身在多种实施例中被使用。

图2所示为本发明中的多级装置，其中，在主要的大体环形等离子体室中(等离子体室的形式因个体的变化而不同)，阳极被安排在后壁上，背面排出方向。图2中的装置的重要要素是磁系统不再包含外部和内部的、连接到磁返回通路的磁极，但是，等离子体室的外部是一个磁装置RMA，在它的平行于对称轴的纵向的每一个连续的级S0，S1，S2中，包括纵向LR上的，在空间上分开的两种极性相反的磁极。同样的，在等离子体室的内部，径向地设置着多级磁装置RMI，同样，它的每一级都包括纵向LR上的，在空间上分开的两个磁极。每一级的这两个磁装置RMA和RMI在径向上互相相对，在轴向LR上具有大体上相同的作用范围。这两种磁装置同样方式对齐，也就是说，在纵向LR上具有相同的磁极顺序。因此，同样的磁极(N-N和S-S)在径向上互相相对，对于两个磁装置的每一个，磁场都是闭合的。来自径向上相对的两个磁装置RMA和RMI的磁场指向可以看作是被大体上位于等离子体室中心的中心表面所分开。磁力线在每个装置的磁极之间按曲线的形状延伸，而不穿过这个中心表面，中心表面不一定是平面的。因此，这两个磁装置PMA或RMI中只有一个产生的磁场作用在这个中心表面径向的每一边。

图2中所示的装置一个显著的不同点是，等离子体室中的磁场在两个相反的磁极之间基本上不是单调的，而在环形等离子体室的中心表面的同一径向侧，磁力线是闭合的。

上述实施例也被应用于只有一个内部和外部级的磁系统中。这种单一磁级的装置可以通过(例如)大体上平行于对称轴SA的、磁极在空间上分开的，两个同心的环形永磁铁构成。这种装置在图4中被单独的表示出来。

参照图2中本发明的实施例，其中两个或更多的这种装置在纵向LR上一个接着一个地排列着，连续的磁装置的磁极是相反的排列，这样，轴向上连续的磁装置向对的磁极是相同类型的，因此，不会发生磁场短路现象，上述设计的场方向基本上被用于所有的连续级中。

连续的磁场首先对阴极发射出的原始电子产生聚焦作用，并将它们充入等离子体室中，然后，防止在一级接着一级的等离子体室中产生的二次电子溢流。

优选的是等离子体加速装置中，除了阴极和阳极之外，至少还提供一个电极，它具有在阴极电势和阳极电势之间的中间电势。这个中间电极最好设置在至少一个侧壁上，优选地，在等离子体室的内壁和外壁上设置两部分相互相对的电极。在纵向上的两个磁极之间放置电极是特别有利的。在图2所示的装置中，在每种情况下为纵向的多个级S0、S1、S2提供磁子系统，并且在每一种情况下都提供电极系统。在每一种情况下的磁子系统都包括内部和外部的磁环，这已经在图4的中说明和描绘了。在连续的级S0，S1，S2中的部分电极系统中，每一个都包括外部电极环AA0，AA1，AA2，和径向相对的内部电极环AI0，AI1，AI2，内部和外部环纵向的电极的作用范围是大体上相同的。每个子系统中相互相对的电极环，也就是说AA0与AI0，和AA1与AI1，和AA2与AI2，在每一种情况下都具有相同的电势，在整个装置中，电极AA0与AI0很可能具有地电势。在对于形成等离子体很重要的区域，电极产生的电场与磁力线大致成直角。特别的，在连续级的电极之间电势梯度最高的区域，磁力线和电力线大体上相互交叉，使得沿原始电子的运行路线产生的二次电子不会导致任何直接的电极的短路。由于二次电子只能沿着大致环形多级磁系统中的磁力线移动，生成的等离子体射流大体上被限制性地保持在聚焦的初始电子的柱状层容积中。等离子体隆起只发生在轴向磁场分量正负符号变换的区域，这里的磁场大体上径向的指向磁装置的磁极。

在所述装置的草图中，等离子体最后集中在纵向连续电极之间的位置上，同时，电极与连续的磁装置的磁极点一致。对于图2所示的装置，各个连续级中的等离子体最好可被连接到一级挨着一级的连续电极的不同电势。出于这种目的，特别地，纵向的电极和磁装置按照这种方式设置，即与准周期性的电场相比，在电极中心和轴向磁场的绝对最小值之间测量到的准周期的磁场的物理相角被最大移动+/-45°，在特别情况下，最大值为+/-15°。在这种情况下，可以实现磁力线和布置在等离子体室的侧壁上的电极之间的接触，这使得沿着磁力线的电子具有容易移动的性质，等离子体的电势可以被设置为这一级的电极的电势。因此，聚集在不同的连续级的等离子体具有不同的电势。

轴向的最高电势梯度位置在等离子体层，等离子体层由具有轴向电子绝缘效果的径向磁场曲线识别。从这些点，正离子的加速大体上发生在纵向上。就像封闭的漂移路径上的霍尔电流一样，由于有足够多的二次电子穿过环形结构，因此大体上是的中性等离子体在朝向等离子体室的排出孔方向上被加速。正如图2和图3所示，在这个过程中，在装置的纵向LR的特殊位置的一层平面上，在不同的半径上有相反的环形霍尔电流II和IA。

前述有利的半周期的磁和电结构的相移首先可以通过图2中所述的装置实现，相对于这里所示的位置，电极的前述允许位移为前述最大值+/-45°，在特别情况下，最大值为+/-15°的范围内。在图5中描绘了一种可选的变化，其中，电极级AAi，AAi+1和AIi，AIi+1的周期长度是连续的磁环装置周期等级的两倍。这种装置还可以被更细的分级，这些级的长度是图2中级的长度的两倍，在每种情况下级中包括两个相对的磁子系统和电极系统。

在图5中描绘的装置中，在电极桥接连续的磁子系统的极点的地方，产生接触区域，在这里，沿着磁力线的二次电子被电极拾取，因此，在等离子体和电极之间形成了接触区域，然而，同时位于在纵向上的两个连续的电极之间的极点位置，具有高的电势梯度的隔离区在等离子体中生成。

在纵向具有多个级的磁系统的另一个实施例中，也可以为每级的相对的外部磁环和内部磁环提供相对的磁极取向，使得在穿过每一级的装置的对应于图2的纵向部分产生磁四极子场。本发明中描绘出的其它的措施可以按相应的方式在这个装置中使用。与图3不同，在与纵向成直角的平面上，漂移电流曲线的方向是相同的。

有利地，能够独立地或以不同组合地实现上述特征和权利要求书中特别说明的特征。本发明并不局限于所描述的特殊实施例，它可以在专业知识的上下文中通过多种方法被修改。特别地，严格的相对于对称轴SA对称不是绝对必要的。相反，可以使用特殊的不对称结构。这些环形结构的场、电极或磁装置不必要具有真正圆的圆柱形状，它们也可以不采用纵向的旋转对称或柱状的形式。

Claims (8)

1.一种具有阴极、阳极和置于阴极和阳极之间的并有可电离气体的等离子体室的等离子体加速器装置，所述电离室大体上是围绕于中心纵轴的环形，并有一个有外部和内部磁装置的磁系统，所述磁装置在径向被等离子体室分隔开，并在纵向上有至少一个纵向的磁极改变，纵向的磁极改变对于两个磁装置发生在相同方向上。

2.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，至少一个所述磁极，优选地为两个所述磁装置位于所述等离子体室的纵向范围内。

3.如权利要求1或2中所述的装置，其特征在于，在所述等离子体室的至少一个侧壁上提供电极装置，该装置被电连接到在阴极和阳极的电势之间的中间电势。

4.如权利要求3中所述的装置，其特征在于，所述电极装置包括被设置在所述等离子体室的相对的侧壁上的至少两个部分电极。

5.如权利要求3或4中所述的装置，其特征在于，所述电极位于所述磁极和所述磁装置之间的纵向上。

6.如权利要求1至5中之一所述的装置，其特征在于，在纵向上提供了多个磁极交替取向的、依次排列的磁装置。

7.如权利要求6中所述的装置，其特征在于，在所述等离子体室的侧壁上设置了多个中间电极，它们在纵向上依次排列，并连接到阶梯式变化的中间电势。

8.如权利要求7中所述的装置，其特征在于，至少在纵向上的所述部分中间电极部分地或完全地覆盖了连续的磁装置的磁极点。

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