CN1606517A - 等离子加速器装置 - Google Patents

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Abstract

为等离子加速器装置提供具有优点的结构，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装置和结构。

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
等离子加速器装置特别是以具有环绕中心纵轴线分布等离子室的霍尔-推力器的方式公知。在等离子室的底部设置环形阳极，等离子室从阳极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和典型地是在等离子室的外面，设置作为电子源的特别是带有气体放电等离子同轴阴极或者热离子阴极方式的有源阴极，一方面向等离子室内发射电子和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，通过由环形等离子室环绕中心纵轴线的第一极装置和从外面环绕等离子室的第二极装置作为磁对称极产生。这类霍尔加速器装置例如由EP 0 541 309 A1有所公开。
US 5 847 493中介绍的霍尔加速器装置是一种更为整体的磁场，其中相反取向上的第二极偶在纵向上与第一极偶隔开。两个极偶各自具有内部的由等离子室环绕的第一极和外部的环绕等离子室的第二极。
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利用纵向上相继交变的极性变换被输送到中轴线上，除了电离工作气体的作用外，特别是用于中和处理同方向上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，因此中和在同方向上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，从阴极发射高能脉冲电子射束并通过光阑边缘具有塑性材料的阳极光阑传导。偏转到塑性材料产生的高能电子上的是来自塑性材料的质子，它们由于空间电荷效应受穿过光阑孔径电子射束的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(MPD)推力器，其中，在室壁由圆柱体形阳极电极构成的等离子室外面，在延长等离子室中轴线情况下，等离子射束的方向上远离等离子室，因此在等离子射束的中心设置阴极。阴极为起动推力器供给气体。在连续工作中，阴极通过离子轰击加热到近2000K，并在阳极的方向上发射热电极。
发明内容
本发明的目的在于，提供另一种特别是具有结构简单特征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具有优点的构成和进一步构成。
本发明的第一方案是等离子加速器装置，其中，作为电离工作气体的电子源在等离子室的内部、最好是在等离子射束输出端的范围内，具有无源的电极表面，它特别是从射束的边缘区域得到一部分等离子射束的离子，在离子冲击时释放电子。在这种情况下，作为发射电子的无源电极或者无源阴极和下面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等离子射束的运动方向在阳极的方向上加速，并以其公知的方式受穿过等离子室磁场的影响，特别是为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。工作气体的冲击电离同时释放其他电子。
通过将无源电极面作为电离电子的电子源使用，可以大大简化等离子加速器装置。最好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受到吸引和携带。电子源为此最好通过加速器电极的部分面构成。
为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材料，最好是金属，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。
电子源设置在等离子室的等离子射束输出端范围内，产生加速的等离子射束冲击电子源离子的高能量，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强发散部分的离子冲击电子源，这些离子本来也是通过发散有助于减少等离子射束的反冲脉冲部分。
用于产生电离工作气体电子的电子源也可以与加速电极相距设置在该电极和阳极之间，然后在中心供给动能小于等离子室输出端上的离子。这样做的特别的优点是，具有带有加速电极和阳极之间一个或者多个中间电极的纵向上多级的电极设置。在一个中间电极中产生电离工作气体电子的情况下，优选地具有单独的电子源，用于中和来自等离子室等离子射束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的，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连续工作时的参数得到释放和/或者支持。
借助于无源的、不加热的和供给等离子射束离子的电子源产生电离工作气体和/或者中和发出的等离子射束的电子，优选地可用于大多数公知几何形状的等离子室，特别是霍尔推力器的环形和带有等离子室内包括中心纵轴线的圆柱体形。特别具有优点的是，在与带有在等离子室纵向上多个连续级的等离子室结构结合下使用无源电子源，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径向磁场成分具有特别高倍增率的电子。通过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具有优点的。
本发明的第二方案是，使用设置在等离子室外面的，特别是在等离子室结构上活性电子源的由霍尔推力器本身公知的装置，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，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，磁场装置具有加速电极和阳极之间至少一个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相距的作为对称极的第二磁极。与此相比在霍尔推力器中，对等离子室内磁场产生重要影响的相应的磁极基本上径向相对。
外部的电子源可以本身常用的方式，除了为电离工作气体向等离子室内输送电子外，也可以提供为中和发出的等离子射束需要的电子。有益的是，可以根据丰富的经验采用霍尔推力器中的那类外部电子源结构。
公知的等离子加速器装置采用具有包括纵轴线和可比较磁场装置的等离子室结构，室内输入纵轴线上的电子射束，与其不同之处在于，不需要为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。特别是等离子室阳极侧可以向后封闭。
具有优点的是，磁场设置利用纵向上相继交变的极性变换多级构成，最好与不同电位上电极纵向上多级设置相组合，带有加速电极和阳极之间中间电位上等离子室纵向分布中的至少一个中间电极。中间电极最好处于连续反向磁极之间的纵向上。
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以纵断面示出的等离子室的结构大大简化。等离子室PK侧面以不传导的室壁KW为界。等离子室可以具有本身公知的形状，例如环绕通过等离子室分布，基本上圆柱体形的第一中间纵轴线LA(A)旋转对称构成，或者按照霍尔推力器的方式，环绕不通过等离子室分布的第二中间纵轴线LA(B)环形构成。在后一种情况下第二纵断面可以反射对称补充纵轴线LA(B)。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。
在阳极AO和处于等离子射束PB输出端PA中作为例如氙工作气体正电荷离子加速电极的阴极KA之间延伸的等离子室内，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同时示出。
在等离子室PK和环绕其的室壁KW外面，安装最好环形环绕等离子室PK的磁性装置。
磁性装置置纵向上连续级的极性从级到级交变。各级的磁极优选分别处于纵向上连续级之间的空隙中。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，离子也出现在距中心纵轴线相当远的等离子射束的边缘区域RB内，从而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。在此方面，通过离子的高动能可以从无源阴极的表面发出电子。这些从无源阴极释放的电子通过相邻电位的差值一方面向阳极的方向上加速，在等离子室内占主导地位的电场和磁场的影响下在等离子室内运动，并通过作为中和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可以完全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，离子也可以在其他部位上，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部位上平均动能更小而较少。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系数，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，也可以具有特殊的电极，用于通过离子轰击释放电子。此外，如果由于借助于离子轰击产生的自由电子中和效果不够，可以具有附加加热的电子源，作为等离子室输出端上的中和剂。但是，由于结构特别简单，优选一种结构，即完全没有有源电子源，利用从无源电极中仅通过来自等离子射束离子的轰击产生电离和中和的自由电子。
工作气体电离的启动可以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完成。但是，为支持和/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触发气体放电。
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，它设置在等离子射束输出端的范围内，特别是可以加热和/或者利用气体放电工作。
在霍尔推力器装置中，等离子室环形构成，磁性装置具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，与此相反，在图2示出的装置中，重要的是外部电子源与等离子室包括中间纵轴线在内的中心形状和磁性装置的组合，如已经对图1所介绍的那样，磁性装置具有在纵向上相距的、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。特别具有优点的是多级结构，带有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。此外具有优点的是，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具有优点地实现。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某种方式变化。

Claims (13)

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，带有侧面以室壁为界的等离子室，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，还带有电子源，从等离子射束输出端的侧面向等离子室输送电子，这些电子为电离等离子室内的工作气体经受该室内的电场和磁场，其中，电子源由等离子室内部的无源电极表面构成，该表面得到一部分等离子射束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侧面相距。
3.按权利要求1或2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1-3之一所述装置，其特征在于，无源电极表面作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1-4之一所述装置，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1-5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，处于中间电位上；纵向上多级磁性装置产生带有在连续电极之间径向磁场成分聚焦的磁场。
7.按权利要求1-6之一所述装置，其特征在于，电子源为金属的。
8.按权利要求1-7之一所述装置，其特征在于，电子源附加提供中和出现的等离子射束的电子。
9.一种等离子加速器装置，用于发射有针对性加速的等离子射束，带有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，以及带有电子源，从等离子射束输出端的侧面向等离子室输送电子，这些电子为电离等离子室内的工作气体经受该室内的电场和磁场，其中，等离子室旋转对称环绕纵轴线构成并包括该纵轴线；磁场装置在加速电极之间的纵向上具有至少一个环绕等离子室的第一磁极，其对称极在纵向上与第一磁极相距；电子源包括设置在等离子室外面等离子射束输出端侧面上的电极。
10.按权利要求9所述装置，其特征在于，纵向上的磁场装置具有两个以上的连续交变极。
11.按权利要求9或10所述装置，其特征在于，阳极和加速电极之间具有一个或者多个其他电极，处于加速电极电位和阳极之间的中间电位上。
12.按权利要求9-11之一所述装置，其特征在于，外部电子源附加提供中和电流，用于从等离子室发出的未中和的等离子射束。
13.按权利要求9-12之一所述装置，其特征在于，等离子室在阳极侧封闭，从与纵向上的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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