CN1418453A - 等离子体加速器装置 - Google Patents

Abstract

在一种具有被引入等离子体室的聚焦的电子束的等离子体加速装置中，提供环形结构的室体和中空的圆柱形的电子束。在多个合适的环形级中，优选地形成束导向磁系统和(如果合适)电极系统。

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，该装置有围绕纵轴的等离子体室，有用于生成电加速场的电极装置，电加速场用于为平行于纵轴的加速部分的带正电荷的离子加速，该装置还有用于将聚焦的电子束引入等离子体室并通过磁系统为其导向的装置。

US 5,329,258A描述了一种霍尔推进器形式的等离子体加速器装置，正如所知道的那样，它具有环形加速室和通过等离子体室的大体上是径向的磁场。等离子体室的阳极和阳极-级部分是磁屏蔽的。气体被引入在纵向的一端开口的等离子体室，气体被电子电离并向远离阳极的方向加速，并被排出，电子来自位于等离子体室外的阴极，并朝向在位于等离子体室的底部的阳极的方向上被加速。径向的磁场迫使电子进入围绕着装置纵轴的封闭圆形回路中，因而增加它们在等离子体室中的驻留时间和发生碰撞的几率。

JP55-102 162A中公开的离子源中，环形的阳极封闭了永久磁铁，离子源又被圆柱形的阴极所包围，中空的离子束从环形的开孔中被排出。

DE198 28 704A1中公开了一种等离子体加速器装置，该装置有围绕纵轴的等离子体室，有电极装置和磁系统，还有用于将电子束引入等离子体室的装置。

在这个已知的装置中，提供了一个圆柱形的等离子体室，其中，由束产生装置生成的高度聚焦的电子束沿圆柱体的纵轴被引入。电子束被磁系统导向到沿着圆柱轴的方向上，这个磁系统，特别地，具有连续区域交替极化的特征。被高速地引入等离子体室的电子束中的电子，穿过沿着等离子体室纵轴的电势差，这种电势差对电子束中的电子起了减速的作用。可电离气体，特别是惰性气体，被充入等离子体室，并被引入的电子束中的电子和二次电子(secondary electron)所电离。这个过程中产生的正离子被电势差沿着等离子体室的纵轴方向加速，并与被引入的电子束按相同的方向移动。离子同样地被导向到沿着纵轴的方向，被磁装置和空间电荷效应聚焦，并与部分电子束中的电子一起，以中性等离子体束的形式出现在等离子体室的末端。

本发明是基于用有益的方式开发这种已知的装置的目的的。

本发明中，电子束不是以高度聚焦的束的形式被引入等离子体室的，而是例如通过环形的阴极表面产生中空的圆柱形束，此束被引入环形的等离子体室。外室壁和内室壁构成等离子体室的径向边界，室壁的厚度比中空圆柱体的半径要小，中空束被充入室壁之间，并被磁系统所导向。整个装置优选地至少是近似旋转对称的，或至少相对于装置的纵轴旋转对称。优选地，磁系统也同样具有双环结构，第一磁装置位于等离子体室径向的外部，第二磁装置位于其内部。

如同已知装置中那样，本发明中的装置优选地也包括至少一个纵轴上等离子室方向(course)的中间电极，中间电极具有沿等离子体室的纵轴方向的电势差的中间电势。低动能的电子被电势差比当前电子的电势低的中间电极所捕获，通过这样，使得将电势细分成多个中间电势会带来显著的效率提升。随着中间电势级的数目的增加，效率不断地增加。

在第一实施例中，磁系统可以被设计成单级的，通过将相反的磁极在纵向上空间分开的方式，使得在每种情况下在外部和内部的磁系统中发生磁极变换。在每一种情况下在纵向上被两个中的至少一个磁极位于等离子体室的纵向范围内。在纵向间隔开的单级磁系统的两个磁极最好位于等离子体室的纵向范围内。特别的优点是：磁系统是这样一种装置，其中，该磁系统是在纵向具有多个连续的子系统的多级设计，每一个子系统都有一个外部的和内部的磁装置，并且，其中的连续的子系统在纵向上按相反的方向交替地取向排列。

特别有益的是，在本发明的等离子体加速装置中，在等离子体室的侧壁区域的等离子体室的纵向上，那里仍然至少有一个具有电势差的中间电势的中间电极装置，用于加速正离子或延迟引入的电子束。在这个中间电极上，只有具有较低动能的电子才能被截获。结果，阴极和阳极之间的电势差可以被细分成两个或多个加速电势。因此，由于针对引入的电子束的被加速电子所带来的损失可以被显著地降低。特别地，随着电势级的数目的增加，电的效率单调地提高。在每种情况下，纵向电极最好位于磁系统或磁子系统的磁极端点之间。这导致了电和磁场的特别有益的指向。

下面通过参考图和利用参考图中所示的优选地实施例，对本发明进行更详细地解释，这些参考图中：

图1所示为从侧面看的剖视图；

图2所示为沿纵轴方向的视图；

图3所示为单级磁装置；

图4所示为多级装置中的等离子体分布。

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稳定的电势为止，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，才能够维持不同的电势。有益的高度的各向异性的导电率可以通过本发明中的装置中用有优益的方法来得到。因为，由于洛伦兹力的作用，当电子横穿磁力线的时候，尽管电子很容易在磁力线方向上移动，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，也就是说，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差容易被平衡。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，那么这是特别有益的。

图1所示为本发明中的多级装置，其中，等离子体室(等离子体室大体上是以纵轴LA为对称轴的环形，形状因个体的变化而不同)被中空的柱形电子束ES所填充，电子束的圆柱轴与纵轴LA一致，束壁的厚度DS(见图2)与中空的柱形束的半径RS相比是小的。中空的束可以通过(例如)环形的阴极和与之匹配的束系统产生。当它们进入等离子体室的时候，电子束中的电子的动能通常＞1keV。环形等离子体室PK在横截面上的边界是由内壁WI和外壁WA构成的。

图1中所示装置的一个重要要素是，磁系统不再包含一个围绕纵轴LA的单环，而是在等离子体室的外部有一个磁装置RMA，这个磁装置本身在纵向LR上有空间分开的两个相反的磁极。同样地，在等离子体室的内部的径向上有一个磁装置RMI，这个磁装置本身在纵向LR上有空间分开的两个磁极。

这两种磁装置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。这两个磁装置以同样的取向排列，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，两个磁装置的磁场本身都是闭合的。径向上相对的两个磁装置RMA和RMI的磁场组合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B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，在这个中心表面径向的每一侧，这两个磁装置RMA和RMI中，基本上只有一个产生的磁场起作用。

上述实施例也被应用于只有一个内部和外部磁装置的磁系统中。这种磁装置可以通过(例如)大体上平行于对称轴LA的、磁极在空间上分离的、两个同心的环形永磁铁构成。这种装置在图3中被单独的表示出来。

本发明的一个特别有益的实施例提供两个或更多在纵向LR上一个接着一个地排列着的这种装置，连续的磁装置的磁极是相反的，就像开头提到的已知装置那样，这使得纵向上相互相对的并属于连续的磁装置的磁极是相同类型的，因此，不会发生磁场短路现象，并且，在对于单级设计中描述的场曲线主要被用于维持所有的连续级。

连续的磁场首先对充入等离子体室中的初始电子产生聚焦作用，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。离子势垒IB阻止离子通过到达阴极KA。

优选的等离子体加速装置是，其中，除了阴极和阳极之外，在等离子体室的纵向方向至少还提供一个中间电极，它处在电势梯度中的中间电势。这个中间电极被有益地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相互相反的两部分电极。在纵向上的两个磁极之间的位置放置电极是特别有益的。在图1所示的装置中，提供了纵向的多个级S0，S1，S2，它们每一个都有磁子系统，在每一种情况下都有电极系统。每一个磁子系统都包括内部的RMI和外部的RMA磁环，这已经在图3中说明和描绘了。在每一种情况下，在连续的级S0，S1，S2中，部分电极系统包括外部电极环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可能具有特殊的地电势。内部和外部的电极AA0，AA1…和磁装置的磁极还可以分别集成到外壁和内壁。

在对于形成等离子体很重要的区域，电极生成的电场与磁力线近似成直角。特别地，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，使得在初始电子(包括完全减速的初始电子)的运行路线沿线产生的二次电子不会导致任何直接的电极短路。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，产生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。等离子体隆起主要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地指向磁装置的磁极。被提供到等离子体室中的工作气体AG(比如氙气)被初始电子和部分二次电子电离。被加速的离子与引入的电子束中的被减速的初始电子一起，以中性离子射流(PB)的形式被排出。

在所示的装置中，等离子体集中在纵向连续电极之间的位置，同时，与连续的磁装置的磁极点一致。在图1中所示的装置中，单独的连续级中的等离子体可以有益地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，纵向安排电极和磁装置，使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，磁力线和设置在等离子体室的侧壁上的电极之间的接触可以实现，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，集中在不同的连续级的等离子体具有不同的电势。

因此，轴向的最高电势梯度位于等离子体层，等离子体层的特征在于，由具有轴向电子绝缘效果的径向磁场曲线所确定。在这些点，正离子的加速大多发生在电场方向，所述电场纵向上加速所述的离子。就象霍尔电流一样，由于有足够多的二次电子在环形结构中的闭合的漂移路径上循环，大体上的中性等离子体朝等离子体室的排出孔的纵向上被加速。正如图1和图2中所示，在这个过程中，在装置的纵向LR的特殊位置的一层平面上，在纵轴LA周围以不同的半径有相反的霍尔电流II和IA。

前述有益的准周期的磁和电结构的相漂移首先可以通过图2中所述装置实现，这个装置的电极的最大允许位移为前述的+/-45°，在特别情况下，最大值为+/-15°。在图4中描绘了一种可选的变化，这种情况下，电极级ALi，AIi+1的在纵向分开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1中级的长度的两倍，在每种情况下包括两个相对的磁子系统和电极系统。

在图4中描绘的装置中，在电极桥接连续的磁子系统的磁极点的地方，产生接触区，在这里，沿着磁力线的第二电子被电极拾取，因此，在等离子体和电极之间形成了接触区域KZ，然而，与此同时，位于在纵向上的两个连续的电极之间的磁极点位置，具有高的电势梯度的隔离区IZ在等离子体中产生。

在另一个实施例中，也可以提供具有反向的磁极的，相对的外部磁环和内部磁环磁系统的和磁子系统的相对的外部磁环和内部磁环，使得在穿过每一级的装置的并对应于图1的纵向部分产生磁四极子场。在与纵向成直角的平面上，曲线IA、I1的方向是相同取向的。本发明中描绘出的其它的措施可以在这个装置中以相应的方式中使用。

可以有益地独立或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，可以在专业知识的范围内通过多种方法对其进行修改。特别地，严格的关于对称轴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，电极和磁装置不必要具有真正的圆柱形状，它们也可以不采用纵向的旋转对称或柱状的形式。

Claims (6)

1.一种等离子体加速器装置，其具有围绕纵轴的等离子体室，具有用于生成具有电势差的加速场的电极装置，加速场用于为平行于纵轴的加速部分区域中的带正电荷的离子加速，该装置还具有用于将聚焦的电子束引入等离子体室、并通过磁系统为其导向的装置，所述等离子体室环形地围绕着纵轴、具有径向的内部的和径向的外部室壁，所述电子束作为中空的圆柱形束的形式供给。

2.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，对于所述等离子体室来说，磁系统有径向的内部磁装置和径向的外部磁装置。

3.如权利要求1或2中所述的装置，其特征在于，所述磁系统同样具有环形结构。

4.如权利要求1至3中之一所述的装置，其特征在于，在所述等离子体室指向的轴向，提供至少一个具有在外部室壁上的第一部分电极装置和在内部室壁上相对定位的第二电极装置，所述部分电极具有电势差的中间电势。

5.如权利要求1至4中之一所述的装置，其特征在于，所述磁系统包括多个相互之间空间分开的、平行于纵轴的、并有在纵向具有相反磁极取向的连续磁装置。

6.如权利要求4和5中所述的装置，其特征在于，至少有一个部分地或完全地覆盖磁装置的连续磁极之间的磁极间隙的中间电极。

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