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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einkopplung von Ionisationsenergie
in eine induktiv oder induktiv-kapazitiv angeregte Ionen- oder Elektronenquelle.
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Bei
einem Ionentriebwerk befindet sich ein hochfrequent anzuregendes
Plasma innerhalb eines isolierten Gefäßes, des sog. Entladungsgefäßes. Um das
Entladungsgefäß ist eine
Koppelspule zur Einspeisung einer zur Plasma-Anregung notwendigen Hochfrequenz-Energie
gewickelt. Das Plasma befindet sich damit innerhalb der Koppelspule.
Kommt es durch Zustandsänderungen,
z. B. Änderungen
der Dichte oder Leitfähigkeit,
des Plasmas zu Impedanzänderungen,
so bewirken diese Verstimmungen des Resonanzkreises.
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Bei
Hochfrequenzgeneratoren, die mit einer festen Frequenz, z. B. 13,56
MHz, betrieben werden, muss die sich durch Plasmazustände ändernde
Impedanz eines den Hochfrequenzgenerator mit der Koppelspule verbindenden
Einkoppelnetzwerks einstellende Fehlanpassung durch ein manuelles
Nachbestimmen eines Impedanzanpassungsnetzwerks (sog. Matchbox)
oder einen Stellantrieb kompensiert werden. Die Kompensation hat
zur Folge, dass die Kapazität
eines Kondensators des Impedanzanpassungsnetzwerks in ihrer Größe, z. B.
durch Oberflächenveränderung,
geeignet justiert wird oder die Induktivität einer Spule des Impedanzanpassungsnetzwerks
durch das Einfahren eines Ferrites verändert wird. Die Impedanzanpassung über ein
Impedanzanpassungsnetzwerk kann meist nicht sehr schnell und nur über einen
kleinen Frequenz-Lastbereich optimal nachjustiert werden. Nicht
schnell bedeutet, dass eine Nachjustierung im Bereich von Sekunden
liegen kann. Hierdurch treten in den Impedanzanpassungsnetzwerken
zum Teil erhebliche Verlustleistungen auf.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
Einkopplung von Ionisationsenergie in eine induktiv oder induktiv-kapazitiv angeregte Ionen-
oder Elektronenquelle für
den Einsatz in einem Ionentriebwerk anzugeben, welche die oben aufgeführten Nachteile
nicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Einkopplung von Ionisationsenergie in eine induktiv oder induktiv-kapazitiv
angeregte Ionen- oder Elektronenquelle umfasst: ein Entladungsgefäß für ein zu
ionisierendes Gas, wie z. B. Xe, Kr, Ar, Ne, He, H2,
O2, CO2, Cs oder
Hg; einer um das Entladungsgefäß gewickelten
Koppelspule zur Einspeisung einer zur Plasma-Anregung notwendigen
Hochfrequenz-Energie; einen mit der Koppelspule elektrisch gekoppelten
Koppelkondensator; und einen mit der Koppelspule elektronisch gekoppelten
Hochfrequenzgenerator, der zusammen mit dem zumindest einen Koppelkondensator
einen Resonanzkreis ausbildet, wobei der Hochfrequenzgenerator eine
PLL-Regelungsvorrichtung
zur automatischen Impedanzanpassung des Resonanzkreises aufweist,
so dass der Resonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz betreibbar
ist.
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Die
Koppelspule wird an den Hochfrequenzgenerator angeschlossen und
bildet mit dem Koppelkondensator des Hochfrequenzgenerators einen
Serien- oder Parallelresonanzkreis.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
korrigiert Phasenfehler von Strom und Spannung in der Leistungsendstufe
des Hochfrequenzgenerators durch selbsttätiges Nachführen von Frequenz und Phase der
Resonanzfrequenz des Lastkreises. Das Regelprinzip beruht darin,
dass die PLL-Regelschaltung kontinuierlich die Phasenlage des sinusförmigen Hochfrequenzausgangsstroms
und die Phasenlage der Generatorausgangsspannung über einen
digitalen Phasendetektor vergleicht und einen auftretenden Phasenfehler
durch Nachstellen der Generatorfrequenz über einen spannungskontrollierten
Oszillator (VCO) auf die Frequenz des Resonanzkreises nachstimmt
bis der Phasenfehler Null vorliegt. Da die Reaktionszeit der PLL-Regelungsvorrichtung
sehr kurz ist (je nach Auslegung < 100 μsec) kommt
es auch bei schnellen Änderungen
der Resonanzfrequenzen zu keinen länger anhaltenden Phasenfehlern.
Die Anpassung des Hochfrequenzgenerators an den Verbraucher erfolgt
dadurch mit höchstmöglichem
Wirkungsgrad. Durch die sehr schnelle Frequenznachführung und
den Phasenabgleich mittels des digitalen Phasenkomparators sorgt
die PLL-Regelungsvorrichtung
dafür,
dass Strom und Spannung immer in Phase sind und damit die maximale
Leistung über
die Koppelspule in das Plasma eingekoppelt werden kann. Dies kann
dabei ohne mechanische Bewegung oder auf andere Weise erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich durch ihre Einfachheit und große Flexibilität und die
Verwendbarkeit über
einen großen
Frequenzbereich aus.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
zur optimalen Impedanz- und Leistungsanpassung besteht somit darin,
die von dem Hochfrequenzgenerator abgegebene Leistung über einen
PLL-Regelkreis (PLL = Phase Locked Loop), auf Resonanz und Phasenfehler
Null abzugleichen und an das Plasma zu übertragen. Die Übertragung
der Leistung mit einem Phasenfehler Null bedeutet, dass Strom und
Spannung in dem Resonanzkreis in Phase liegen und damit keine Blindströme fließen. Somit
können
auch keine Blindleistungsverluste auftreten, wodurch Schaltverluste
nahezu eliminiert sind.
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Zur
Durchführung
der automatischen Impedanzanpassung des Resonanzkreises werden Strom und
Spannung in dem Resonanzkreis erfasst und der PLL-Regelungsvorrichtung
als Regelgrößen zugeführt.
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Der
Hochfrequenzgenerator zeichnet sich dadurch aus, dass ein Betrieb
bei Resonanz und optimalem Phasenabgleich möglich ist. Durch die PLL-Regelungsvorrichtung
fließen
nur sinusförmige Ströme, sowohl
in dem Hochfrequenzgenerator als auch im Resonanzkreis und damit
in der Koppelspule. Der sinusförmige
Strom erlaubt einen hohen Wirkungsgrad des Hochfrequenz generators
und beträgt daher
auch bei hohen Betriebsfrequenzen, d. h. Frequenzen oberhalb von
0,5 MHz, zwischen 90 und 95%.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einem Hochfrequenzgenerator mit PLL-Regelung arbeitet immer auf der Resonanzfrequenz
des Einkoppelnetzwerkes der Ionen- oder Elektronenquelle. Das Einkoppelnetzwerk
der Erfindung ist durch den Resonanzkreis aus Koppelspule und Koppelkondensator gebildet.
Dies bedeutet, der Hochfrequenzgenerator folgt allen Frequenzänderungen
unabhängig
von einer Frequenzverstimmung und einer Frequenzbandbreiten-Kreisgüte phasengenau
durch die PLL-Regelung. Die Leistungsanpassung des Hochfrequenzgenerators
erfolgt im Mikrosekunden-Bereich und führt durch den exakten Phasenabgleich
von Strom und Spannung in Schaltelementen des Hochfrequenzgenerators
und dem Resonanzkreis zu einem nahezu verlustfreien Schalten und
einer optimalen Leistungseinkopplung in das Plasma.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich deshalb besonders für
die Hochfrequenzenergieversorgung von Ionenquellen (TWK) und Elektronenquellen
(NTR) mit induktiver Anregung und für Anwendungen, bei denen es
auf geringsten Energieverbrauch ankommt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird durch die PLL-Regelungsvorrichtung eine Frequenz- und/oder
Phasenregelung zur Impedanzanpassung des Resonanzkreises durchgeführt. Die
Leistungsregelung des Hochfrequenzgenerators ist durch Einstellung
einer Eingangsgleichspannung und eines Eingangsstroms des Hochfrequenzgenerators
vornehmbar. Der Hochfrequenzgenerator zeichnet sich somit dadurch
aus, dass er aus einer in Spannungs- und Stromstärke steuerbaren Gleichspannungsquelle
eine hochfrequente Ausgangsspannung erzeugt. Diese Wechselspannungsquelle
wird unter Einbeziehung der für
eine induktive Einkopplung notwendigen Koppelspule und des zusätzlichen
Koppelkondensators zu einem Resonanzkreis verschaltet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Hochfrequenzgenerator der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Zwischenschaltung
eines Impedanzanpassungsnetzwerks, einer sog. Matchbox, mit der Koppelspule
verbunden. Die Ankopplung des Hochfrequenzgenerators mit PLL-Regelung
erlaubt es dennoch, über
einen großen
Leistungs- und Frequenzbereich, die elektrische Energie direkt in
das Plasma der Ionen- oder Elektronenquelle einzukoppeln.
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Der
Resonanzkreis, der aus Koppelspule und Koppelkondensator gebildet
ist, kann wahlweise als Serien- oder Parallel-Resonanzkreis ausgebildet sein.
Die Impedanzanpassung erfolgt dabei dadurch, dass die Koppelspule
sowie konstruktive Koppelkapazitäten
zwischen dem Plasma und dem Entladungsgefäß und entsprechender Zuleitungen
zu dem Serien- oder Parallel-/Resonanzkreis einbezogen werden, wobei
eine automatische Frequenz- und Phasenregelung durch den PLL-geregelten
Hochfrequenzgenerator erfolgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Koppelspule über
eine Mittelpunktanzapfung verfügen,
an welche der Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist. Dies erlaubt
die Kühlung
der Koppelspule durch Zuführung
eines Kühlmediums
ohne die Zwischenschaltung von Isolatoren, da die Spulenenden der
Koppelspule auf einem Bezugspotential liegen. Als Kühlmedium
wird vorzugsweise Wasser verwendet. Als Bezugspotential kann beispielsweise das
Massepotential dienen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Koppelspule zwischen zwei oder mehreren Koppelkondensatoren
angeordnet sein. Zweckmäßig ist
dabei, wenn der sich bildende Resonanzkreis eine Resonanzfrequenz
bildet, welche innerhalb der sog. Lockfrequenz der PLL-Regelvorrichtung
liegt. Der Hochfrequenzgenerator führt die Frequenz z. B. mittels
eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO = Voltage Controlled
Oscillator) und einem digitalen Phasenvergleich von Strom und Spannung
im Resonanzkreis so lange nach, bis der Phasenfehler Null wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
sieht vor, dass der Hochfrequenzgenerator ohne Zwischenschaltung
von elektronischen Bauelementen für eine Zwischentransformation
mit der Koppelspule verbunden ist. Eine alternative Ausführungsform
sieht vor, dass der zumindest eine Koppelkondensator und die Koppelspule über einen
Transformator an den Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind. Dies
kann beispielsweise für
den Fall zweckmäßig sein,
dass sehr große
Impedanzanpassungen erforderlich sind. Dabei ist vorgesehen, dass
der Transformator primärseitig
kapazitiv mit dem Hochfrequenzgenerator gekoppelt ist und sekundärseitig
mit dem zumindest einen Koppelkondensator und der Koppelspule den Resonanzkreis
bildet. Zweckmäßigerweise
ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Strom und Spannung in dem
Resonanzkreis vorgesehen, welche mit der PLL-Regelungsvorrichtung
gekoppelt ist, um dieser den gemessenen Strom und die gemessene
Spannung als Regelgrößen zuzuführen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass der zumindest eine Koppelkondensator
in dem Hochfrequenzgenerator oder außerhalb von diesem (als externes
Bauelement) angeordnet ist.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass die Koppelspule einseitig geerdet oder
isoliert zu einem Massepotential betrieben wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
sieht vor, dass die Koppelspule und das Plasma einen Transformator
ausbilden, wobei das Plasma eine Sekundärwicklung des Transformators
darstellt.
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Der
Hochfrequenzgenerator umfasst eine Leistungsendstufe, die wahlweise
als eine der nachfolgend aufgeführten
Varianten ausgebildet sein kann: Halbbrücken-Klasse-D-Endstufe; Vollbrücken-Klasse-D-Endstufe;
Push-Pull-Endstufe; Endstufe der Klasse E; Endstufe der Klasse F;
Endstufe der Klasse C. Die Auswahl, welche Leistungsendstufe in
dem Hochfrequenzgenerator vorgesehen wird, hängt im Wesentlichen von dem
geforderten Frequenz- und Leistungsbereich ab. Die Impedanzanpassung
an den Einkoppelresonanzkreis erfolgt in allen Fällen über eine Frequenz-Phasenregelung
mittels der PLL-Regelungsvorrichtung.
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Als
Endstufen für
den Hochfrequenzgenerator werden vorzugsweise Klasse-D- und Klasse-E-Endstufen
verwendet, welche sich durch einen maximalen Stromflusswinkel von
180° in
den Schaltelementen der Endstufen (mit Bipolar- oder MOSFET-Transistoren)
auszeichnen. Werden Klasse-D-Endstufen ohne PLL-Regelung im Zusammenhang mit Resonanzkreisen
eingesetzt, so kommt es schon bei kleinsten Frequenz-Phasenverstimmungen,
abhängig
von der Kreisgüte
des Resonanzkreises, zu erheblichen Blindströmen, sowohl kapazitiven oder
induktiven Charakters, je nach Richtung der Phasen-Frequenzverstimmung.
Die Folge davon sind sehr hohe Strombelastungen der Endstufe und demzufolge
hohe Verluste in den Endstufen und Koppelnetzwerken. Die Verluste
treten in Form von Blindstromverlusten auf. Sie führen zu
einem starken Absinken der zum Verbraucher übertragenen Leistung. Durch
den Einsatz der PLL-Regelung werden die erwähnten Probleme, d. h. Phasenfehler
in den Endstufen, auch bei Klasse-D-, Klasse-E- und Klasse-F-Endstufen
vollständig
vermieden. Der Einsatz der PLL-Regelung ermöglicht die volle Performanzausnutzung
dieser Endstufentypen, d. h. einen Stromflusswinkel von 180°.
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Durch
den Hochfrequenzgenerator ist eine Resonanzfrequenz im Bereich von
0,5 MHz bis 30 MHz einstellbar. Die in den Hochfrequenzgenerator eingekoppelte
Leistung liegt im Bereich von 1 W bis 10 kW. Die an den Hochfrequenzgenerator
gekoppelte Lastimpedanz liegt in einem Bereich von 0,1 Ohm bis 1
Ohm oder in einem Bereich von 1 Ohm bis 50 Ohm.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist das Entladungsgefäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung
einen Gaseinlass und einen gegenüberliegend angeordneten
Auslass mit zumindest zwei Extraktionsgittern mit jeweils einer
Multilochmaske auf, welche als elektrische Linse zur Fokussierung
der zu extrahierenden Ionenstrahlen dient. Die Extraktion erfolgt
durch ein elektrisches Feld, das an die Extraktionsgitter anlegbar
ist. Das Entladungsgefäß ist aus einem
nicht leitenden Material mit geringen Hochfrequenzverlusten gebildet,
wie z. B. Quarz, Keramik, Vespel oder Bor-Nitrid. Das Entladegefäß dient
als Entladeraum für
das zu ionisierende Gas.
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Die
Koppelspule umfasst gemäß einer
weiteren Ausführungsform
eine einlagige oder eine mehrlagige oder eine bifilare Wicklung.
Dabei ist die Koppelspule um das Entladungsgefäß oder innerhalb des Entladungsgefäßes angeordnet.
Die Koppelspule ist zylindrisch, kegelig, sphärisch oder teilkonisch mit
zylindrischem Übergangskörper um
das Entladungsgefäß gewickelt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einkopplung von
Ionisationsenergie in eine Ionen- oder Elektronenquelle;
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2 ein
elektrisches Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 ein
vereinfachtes erfindungsgemäßes Ersatzschaltbild
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 ein
Prinzipschaltbild einer als Halbbrücke ausgeführten Endstufe eines Hochfrequenzgenerators
mit einem Serienresonanzkreis;
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5 ein
Prinzipschaltbild einer als Vollbrücke ausgestalteten Endstufe
eines Hochfrequenzgenerators mit einem Serienresonanzkreis;
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6 eine
schematische Darstellung der in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
notwendigen Komponenten;
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7 die
zeitlichen Verläufe
von Strom und Spannung an einem Ausgang des Hochfrequenzgenerators;
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8 ein
elektrisches Schaltbild zweier möglicher
Ankopplungen von Koppelspulen an einen Hochfrequenzgenerator;
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9 eine
beispielhafte Darstellung der Ankopplung einer Koppelspule über einen
Zusatz-Transformator an den Hochfrequenzgenerator;
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10 eine
Darstellung von Frequenzbandbreite und Resonanzkreisgüte bzw.
Frequenzverstimmung sowie Phasengang einer Ionenquelle bei verschiedenen
Plasmazuständen;
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11 ein
elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung mit einem Hochfrequenzgenerator, der
eine Klasse-D-Halbbrücke
mit PLL-Regelung aufweist;
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12 ein
elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung mit einem Hochfrequenzgenerator, der
eine Klasse-D-Vollbrücke
mit PLL-Regelung
aufweist;
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13 ein
elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung mit einem Hochfrequenzgenerator, der
eine Klasse-E-Endstufe mit PLL-Regelung
aufweist;
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14 ein
elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung mit einem Hochfrequenzgenerator, der
eine Klasse-D-Halbbrücke
mit PLL-Regelung
und zusätzlicher
transformatorischer Aufwärtsanpassung aufweist;
und
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15 eine
schematische Darstellung einer Impedanztransformation am Ausgang
des Hochfrequenzgenerators.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Einkopplung von Ionisationsenergie in eine Ionen- oder Elektronenquelle.
Ein Gastank 1, in dem ein zu ionisierendes Gas unter hohem
Druck bevorratet ist, ist über eine
Leitung mit einem Füll-
und Abflussbereich 2 gekoppelt. Der Füll- und Abflussbereich 2 ist über eine weitere
Leitung mit einer Flusssteuereinheit 3 gekoppelt. Diese
weist zwei Ausgänge
auf. Ein erster Ausgang ist mit einem Einlass 6 eines Entladungsgefäßes 4 zur
Ionisation des Gases verbunden. Ein zweiter Ausgang der Flusssteuereinheit 3 ist
mit einem Neutralisator 10 verbunden. Das Entladungsgefäß 4 besteht
aus einem nichtleitenden Material, das nur geringe Hochfrequenz
(HF)-Verluste aufweist. Das Entladungsgefäß 4 kann beispielsweise
aus Quarz, einer Keramik, Vespel oder Bor-Nitrid bestehen. Das Entladungsgefäß 4 dient
als Entladeraum für
das zu ionisierende Gas, z. B. Xe, Kr, Ar, Ne, He, H2,
O2, CO2, Cs oder
Hg.
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An
dem Einlass 6 des Entladungsgefäßes 4 befinden sich
ein Isolator 14 sowie ein Flussbegrenzer 15. Um
einen zylinderförmigen
Abschnitt des Entladungsgefäßes 4,
der mit dem Einlass 6 gekoppelt ist, ist eine Koppelspule 5 angeordnet.
Die Koppelspule 5 kann aus einer einlagigen, mehrlagigen
oder bifilaren Wicklung bestehen, welche sowohl um als auch innerhalb
des Entladungsgefäßes gewickelt
ist. Die Form der Wicklung der Koppelspule ist dabei beliebig. Sie
kann zylindrisch, kegelig, sphärisch
oder teilkonisch mit zylindrischem Übergangskörper sein. Das Entladungsgefäß 4 mit
der dieses umgebenden Koppelspule 5 sowie der Neutralisator 10 sind
von einem Triebwerksgehäuse 21 umgeben.
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Die
Koppelspule 5 ist mit einem Hochfrequenzgenerator 16 verbunden,
der aus einer in Spannung und Stromstärke steuerbaren Gleichspannungsquelle
eine hochfrequente Ausgangsspannung erzeugt. Zusammen mit einem
in dem Hochfrequenzgenerator 16 vorgesehenen Koppelkondensator (nicht
dargestellt) bildet die Koppelspule 5 einen Resonanzkreis
aus. Der Hochfrequenzgenerator, der eine Feldeinkopplung auf induktiver
bzw. kombinierter induktiver und kapa zitiver Basis vornehmen kann, ist
für einen
Einsatz im Frequenzbereich von 0,5 MHz bis 30 MHz geeignet. Dabei
lässt sich
ein Wirkungsgrad des Hochfrequenzgenerators erreichen, der im Bereich
zwischen 90 und 95% liegt.
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An
einem Auslass 7 des Entladungsgefäßes 4 sind zumindest
zwei, bevorzugt zwei oder drei, Extraktionsgitter 8 angeordnet,
die jeweils zumindest eine Multilochmaske aufweisen. Die Extraktionsgitter 8 dienen
als elektrische Linse zur Fokussierung der zu extrahierenden Ionenstrahlen.
Die Extraktion erfolgt durch ein elektrisches Feld, das an die Extraktionsgitter 8 angelegt
wird. Zu diesem Zweck sind die Extraktionsgitter 8 mit
einem Beschleuniger 18 und einer Plasmaaufnahme 17 (auch
Plasma Holder genannt) verbunden, die unterschiedliche Potentiale aufweisen.
Während
die Plasmaaufnahme 17 die Funktion einer Anode hat und
eine Spannung von +1200 V erzeugt, stellt der Beschleuniger 18 eine Spannung
von –250
V bereit. An die Extraktionsgitter ist ferner ein Verzögerer 19 angeschlossen.
Mit dem Bezugszeichen 9 ist die Richtung des Ausstoßes des positiv
geladenen Ionenstrahls e+ aus dem Extraktionsgitter 8 gekennzeichnet.
Der positiv geladene Ionenstrahl wird am Ausgang des Entladungsgefäßes 4 mittels
negativ geladener Elektronen kompensiert, um eine elektrische Aufladung
der Vorrichtung zu verhindern. Mit dem Bezugszeichen 13 ist
die Ausstoßrichtung
von Elektronen e– gekennzeichnet,
wobei diese aus dem Neutralisator 10 ausgestoßen werden.
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Der
Neutralisator 10 umfasst eine Kathodenheizung 11 sowie
eine Neutralisationseinheit 12. Eine Elektrode der Kathodenheizung 11 ist
mit einer Elektrode der Neutralisationseinheit 12 verbunden.
Eine jeweils andere Elektrode der Kathodenheizung 11 und
der Neutralisationseinheit 12 ist mit dem Neutralisator 10 gekoppelt.
Zwischen den Elektroden der Kathodenheizung 10 besteht
beispielsweise ein Potentialunterschied von 9 V, während zwischen
den Elektroden der Neutralisationseinheit 12 ein Potentialunterschied
von 15 V besteht.
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Ein
einfaches elektrisches Ersatzschaltbild der Erfindung ist in 2 dargestellt.
in dem elektrischen Ersatzschaltbild wird das neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung
das in dem Entladungsgefäß befindliche
Plasma berücksichtigt.
Die Koppelspule 5 und das Plasma arbeiten im vereinfachten Sinne
wie ein Transformator (Bezugszeichen 36), wobei das Plasma
einer Sekundärwicklung 37 des Transformators 36 entspricht.
Die Primärwicklung wird
durch die Koppelspule 5 gebildet. Die Widerstände 35 und 38 repräsentieren
Leitungswiderstände.
Mit dem Bezugszeichen 22 ist der Koppelkondensator gekennzeichnet,
der mit der Koppelspule 5 den Resonanzkreis ausbildet.
In dem Resonanzkreis sind parasitäre Bauelemente (Widerstand 35 und
Kondensator 46) enthalten. Der parasitäre Kondensator 46 repräsentiert
z. B. Kapazitäten
eines (Koaxial-)kabels
und von Ausgangstransistoren. Bei kurzen Leitungslängen und
Frequenzen unterhalb von 3 MHz kann die Kapazität des parasitären Kondensators 46 vernachlässigt werden.
Ein Hochfrequenzgenerator 16 ist mit der speisenden Spannungsquelle
verbunden, so dass die Eingangsspannung Uin und der Eingangsstrom
Jin anliegen. Ausgangsseitig ist der Hochfrequenzgenerator 16 an
den Koppelkondensator 22 angeschlossen. Der Hochfrequenzgenerator ist
in den Figuren auch mit RFG (Radio Frequency Generator) gekennzeichnet.
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3 zeigt
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der Hochfrequenzgenerator 16 ist mit der speisenden Spannungsquelle
verbunden, so dass die Eingangsspannung Uin und der Eingangsstrom
Jin anliegen. Ausgangsseitig ist der Hochfrequenzgenerator 16 über den
Koppelkondensator 22 seriell mit der Koppelspule 5 verbunden.
Der Widerstand 35 repräsentiert
einen Leitungswiderstand. Vereinfacht ausgedrückt, bedeutet dies, dass die
Koppelspule 5, welche üblicherweise
um das Entladungsgefäß gewickelt
ist, mit dem Koppelkondensator zu einem Serien- oder Parallelresonanzkreis
verschaltet ist.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung der in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
notwendigen Komponenten. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
dass der Hochfrequenzgenerator 16 aus einer in Spannungs-
und Stromstärke
steuerbaren Gleichspannungsquelle (Energieversorgung 33)
eine hochfrequente Ausgangsspannung erzeugt. Der Hochfrequenzgenerator 16 wird
unter Ein beziehung der für
die induktive Einkopplung notwendigen Koppelspule 5 und
eines zusätzlichen
Resonanzkondensators, dem sog. Koppelkondensator 22, zu
einem Resonanzkreis verschaltet. Zur optimalen Impedanz- und Leistungsanpassung
wird die von dem Hochfrequenzgenerator 16 erzeugte Leistung über einen
frequenz- und phasengeführten
Regelkreis, auf Resonanz und Phasenfehler Null abgeglichen, übertragen.
Dies kann beispielsweise den zeitlichen Verläufen von Strom und Spannung
am Ausgang des Hochfrequenzgenerators der 7 entnommen
werden. Die obere (Rechteck-)Kurve bildet die Spannung U, die mittlere
(Sinus-)Kurve den Strom I und die untere die Ansteuerung der Endstufe
ab. In der oberen Abbildung ist zusätzlich der Strom dargestellt
um die Phasengleichheit zu verdeutlichen. Phasenfehler Null bedeutet,
dass Strom und Spannung in dem Resonanzkreis in Phase liegen und
somit keine Blindströme
fließen.
Damit können
keine Blindleistungsverluste auftreten, wodurch Schaltverluste nahezu eliminiert
sind. Durch den Betrieb bei Resonanz und optimalem Phasenabgleich,
hergestellt durch eine PLL-Regelungsvorrichtung, fließen nur
sinusförmige Ströme sowohl
in den Schaltelementen des Hochfrequenzgenerators 16 als
auch im Resonanzkreis und damit in der Koppelspule 5. Der
sinusförmige
Strom erlaubt das Schalten von Schaltelementen im Strom-Nulldurchgang. Damit
ist ein hoher Wirkungsgrad im Bereich von 90 bis 95% erzielbar.
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Der
Regelkreis wird, wie bereits erläutert, durch
die Koppelspule 5 und die Koppelkapazität 22 gebildet, die
im Ausführungsbeispiel
der 6 im Inneren des Hochfrequenzgenerators 16 angeordnet ist.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform, könnte der
Koppelkondensator 22 auch als externes Bauteil ausgebildet
sein. In dem Resonanzkreis sind ferner zwei Widerstände 35 und 40 verschaltet,
welche Leitungswiderstände
repräsentieren.
Der Koppelkondensator 22 ist über eine Leitung mit einer
Leistungsstufe (Endstufe) 24 gekoppelt, wobei der in dieser
Leitung fließende
Strom mit einer Strommesseinrichtung 23 erfasst wird. Die Endstufe 24 ist
beispielhaft als Klasse-D-Endstufe ausgebildet und wird von einer
Ansteuerschaltung 25 angesteuert, welche ein Flip-Flop 47 und
Treiberstufen 48, 49 umfasst. Die Treiberstufen 48, 49 treiben über Transformatoren
Endstufen 52, 53 der Endstufe 24. Die
Ansteuerschaltung 25 ihrerseits ist mit einer PLL-Regelungseinrichtung 34 verbunden.
Diese umfasst einen spannungsgesteuerten Oszillator 26 (VCO
= Voltage Controlled Oscillator), ein damit gekoppeltes Filter 27 sowie
einen mit dem Filter 27 gekoppelten digitalen Phasenkomparator 28.
Die PLL-Regelungsvorrichtung 34 ist über ein Eingangsfilter 31 mit
der externen Energieversorgung 33 gekoppelt. Über ein
Eingangsfilter 32 ist ebenfalls die Endstufe 24 mit
der Energieversorgung 33 verbunden. Die PLL-Regelungsvorrichtung 34,
genauer der digitale Phasenkomparator 28, erhält als Eingangssignal
einen durch die Strommesseinrichtung 23 gemessenen Strom,
der durch einen Signalverstärker 29 verstärkt ist.
Ferner wird eine am Ausgang der Endstufe 24 anliegende
Spannung über
einen weiteren Signalverstärker 30 einem
Eingang des digitalen Phasencomparators 28 zugeführt. Eine
Leistungsanpassung kann im Mikrosekunden-Bereich durch den exakten Phasenabgleich
von Strom und Spannung in den Schaltelementen der Ansteuerschaltung 25 und dem
Resonanzkreis erfolgen und führt
zu einem nahezu verlustfreien Schalten der Endstufe 24 und
damit einer optimalen Leistungseinkopplung in das in das Entladungsgefäß 4 eingeleitete
Plasma.
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Ein
derartiger Hochfrequenzgenerator mit PLL-Regelung eignet sich deshalb
besonders für
die hochfrequente Energieversorgung von Ionenquellen (TWK) sowie
in Elektronenquellen (NTR) mit induktiver Anregung sowie für Anwendungen,
bei denen es auf geringsten Energieverbrauch ankommt.
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Die
Erfindung ermöglicht
als Endstufe in dem Hochfrequenzgenerator 16 den Einsatz
von Halbbrücken
in Verbindung mit einer PLL-Frequenz- und Phasenregelung sowie einer
Resonanzkreisankopplung. Im Ausführungsbeispiel
der 4 ist ein Serienresonanzkreis dargestellt, welcher
im Frequenz- und Leistungsbereich von 600 kHz bis 14 MHz bzw. 1
W bis 3 kW arbeiten kann. Die als Halbbrücke ausgebildete Endstufe 24 ist
zwischen einem Versorgungs- und einem Bezugspotentialanschluss verschaltet
und umfasst in bekannter Weise zwei mit ihren Laststrecken seriell
zueinander verschaltete Schaltelemente 44, im Ausführungsbeispiel
in Form von MOSFETs. Diese werden durch die Ansteuerschaltung 25 angesteuert.
Die Koppelkapazität 22 ist mit
einem Knotenpunkt 38, welcher jeweils mit einem Hauptanschluss
der Schaltelemente 44 verbunden ist, gekoppelt. Ein Widerstand 45 des
Resonanzkreises, der einen Spulenwiderstand repräsentiert, ist mit Bezugspotential,
z. B. Masse, verbunden. Die Schaltelemente 44 werden durch
die Ansteuerschaltung 25 angesteuert, die mit einer in
Strom und Spannung veränderlichen
Energieversorgung verbunden ist.
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5 zeigt
ein weiteres Prinzipschaltbild einer als Vollbrücke ausgestalteten Endstufe 24 des Hochfrequenzgenerators.
Eine als Vollbrücke
ausgebildete Endstufe eignet sich für einen Frequenzbereich von
600 kHz bis 5 MHz und einen Leistungsbereich von 2 kW bis 10 kW.
In bekannter Weise umfasst die Endstufe 24 jeweils zwei
parallel verschaltene Halbbrückenzweige,
die zwischen einem Versorgungs- und einem Bezugspotentialanschluss
verschaltet sind und jeweils zwei mit ihren Laststrecken seriell
verschaltete Schaltelemente 44 in Form von MOSFETS umfassen.
Der Resonanzkreis, umfassend die Koppelspule 5, den Koppelkondensator 22 sowie
den Leitungswiderstand 35, ist mit einem Knotenpunkt 39 einer
ersten Halbbrücke
und einem Knotenpunkt 41 einer zweiten Halbbrücke der
Endstufe 24 verbunden. Ferner ist der Energieversorgung 33 ein
Glättungskondensator 54 parallel
geschaltet.
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Der Übersichtlichkeit
halber sind in den 4 und 5 weder
die Ansteuerschaltung zur Ansteuerung der Schaltelemente 44 noch
die PLL-Regelungsvorrichtung zur Anpassung der Frequenz und Phase
dargestellt.
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8 stellt
ein elektrisches Schaltbild möglicher
Ankopplungen von Koppelspulen an einen Hochfrequenzgenerator dar.
Eine Ankopplung des Hochfrequenzgenerators 16 an die Ionen-
oder Elektronenquelle kann über
einfache Serienresonanzkreise oder Parallelresonanzkreise in Verbindung
mit einer PLL-Phasenregelung
erfolgen. Ebenso kann die Ankopplung über einen Serien-/Parallelresonanzkreis
erfolgen, wobei die Koppelspule 5 eine Mittelanzapfung besitzt
(linke Hälfte
der 8). Deren zwei freie Enden können jeweils mit einem Bezugspotential,
im Ausführungsbeispiel
Masse, verbunden sein. Parallel dazu ist ein Kondensator 55 verschaltet.
Nicht dargestellt ist der Einfachheit halber die PLL-Frequenz-/Phasenregelung.
Der Resonanzkreis umfasst ferner den Koppelkondensator 22 sowie
den Leitungswiderstand 35. Eine dem PLL-Regelkreis zugeführte Spannung wird über den
Widerstand 35 abgegriffen, wobei diese Punkte mit v gekennzeichnet
sind. Der dem PLL-Regelkreis als Regelgröße zugeführte Strom wird an dem mit
I gekennzeichneten Punkt abgegriffen. In der rechten Hälfte der 8 ist
eine Darstellung gewählt,
bei der die Koppelspule 5 zwischen zwei Koppelkondensatoren 22a und 22b angeordnet
ist. Beide Enden der Koppelspule 5 sind kapazitiv angeschlossen.
Nicht dargestellt ist der Leitungswiderstand. Nicht dargestellt ist
ferner die gemäß dem erfindungsgemäßen Gedanken
vorgesehene PLL-Frequenz-Phasenregelung sowie der Hochfrequenzgenerator.
Durch die beschriebene Ankopplung steigen der Wirkungsgrad des Hochfrequenzgenerators
und der Wirkungsgrad der Ionen- oder Elektronenquelle erheblich.
In beiden Baugruppen treten keine Blindströme auf, wodurch die Verlustleistung
jeweils sinkt. Durch eine optimierte Wahl der Windungszahl der Spule
können
sowohl eine optimale Plasmaeinkopplung als auch optimale Betriebsparameter
(Betriebsspannung und Strom) des Hochfrequenzgenerators erreicht
werden.
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9 zeigt
eine beispielhafte schematische Darstellung der Ankopplung einer
Koppelspule über einen
Zusatz-Transformator 42 an den Hochfrequenzgenerator 16.
Durch den Zusatz-Transformator 42 ist eine zusätzliche
transformatorische Impedanzanpassung, insbesondere im Frequenz-
und Leistungsbereich von 600 kHz bis 5 MHz bzw. 1 W bis 1 kW möglich. Der
Zusatz-Transformator 42 weist im Ausführungsbeispiel eine Mittelanzapfung
auf. Ein dem Hochfrequenzgenerator 16 nachgeschalteter Kondensator 54 dient
zur Gleichspannungsentkopplung des Zusatz-Transformators 42.
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10 zeigt
eine Darstellung von Frequenzbandbreite und Resonanzkreisgüte bzw.
Frequenzverstimmung sowie Phasengang einer Ionenquelle bei verschie denen
Plasmazuständen.
Die unterschiedlichen Gütekurven
des Resonanzkreises sind durch unterschiedliche Impedanzen des Plasmas aufgrund
unterschiedlicher Ionisationsgrade verursacht. So hat die steilste
Kurve in der unteren Graphik die größte Güte und die kleinste Bandbreite.
Die Darstellung veranschaulicht, dass der erfindungsgemäße Regelkreis
auf Güten
unterschiedlichster Art reagiert und stabil einrastet. Die in der
oberen Hälfte der
Figur angegebenen Kurven zeigen, dass sich durch eine Veränderung
der Plasmaimpedanzen Ionenströme
unterschiedlicher Phasenlage ergeben, welche durch den Phasenregelkreis
kompensiert werden.
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11 zeigt
ein weiteres Prinzipschaltbild, das den Einsatz der PLL-Regelungsvorrichtung
zur Steuerung des Hochfrequenzgenerators darstellt. Die Endstufe 24 ist
im Beispiel als Klasse-D-Halbbrücke
ausgebildet, wobei der Resonanzkreis mit dem Knotenpunkt 39 gekoppelt
ist. Zwischen dem Knotenpunkt 39 und einem Widerstand 35 ist
eine Strommesseinrichtung 23 vorgesehen. Der Widerstand 35 stellt
einen Leitungswiderstand dar. Der seriell dazu verschaltete Widerstand 45 repräsentiert
einen Spulenwiderstand. Zwischen dem Knotenpunkt 39 und einem
Bezugspotential wird eine Spannung abgegriffen. Diese Spannung und
ein durch die Strommesseinrichtung 23 gemessener Strom
werden den Eingängen
eines Phasenkomparators 28 zugeführt. Die an dem Phasenkomparator 28 anliegende
Ausgangsspannung wird gefiltert an den Eingang des spannungsgesteuerten
Oszillators 26 zugeführt.
Diese Steuerspannung wird von dem Phasenkomparator, der die Funktion
eines Fehlerverstärkers
hat, verändert,
bis an seinen Eingängen
eine Frequenz- und Phasengleichheit vorliegt. Über ein Flip-Flop 47 werden
Treiberstufen 48, 49 angesteuert, die über Transformatoren 50, 51 Endstufen 52, 53 ansteuern
bzw. treiben.
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12 zeigt
eine Vorrichtung mit einem Hochfrequenzgenerator, der eine Klasse-D-Vollbrücke mit
PLL-Regelung aufweist. Der Resonanzkreis ist als Serienresonanzkreis
ausgebildet. Die übrigen Bauelemente
und deren Verschaltung entsprechen der Beschreibung zu 11.
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In 13 ist
eine Vorrichtung mit einem Hochfrequenzgenerator dargestellt, der
eine Klasse-E-Endstufe mit PLL-Regelung aufweist. Der Resonanzkreis
ist als Serienresonanzkreis ausgebildet und umfasst den Koppelkondensator 22,
die Koppelspule 5 und den Leitungswiderstand 35 und
den Spulenwiderstand 45. Der Einsatz einer Klasse-E-Endstufenschaltung
für den
Hochfrequenzgenerator mit PLL-Frequenz- und Phasenregelung und Resonanzkreisankopplung,
insbesondere einem Serien-/Parallelresonanzkreis einschließlich der
Koppelspule, wird bevorzugt im Frequenz- und Leistungsbereich von 600
kHz bis 30 MHz bzw. 1 W bis 500 W eingesetzt. Die Spule 56 ist
Bestandteil des Klasse-E-Verstärkers und
um ein Vielfaches größer als
die Spule 5. Sie dient als Energiespeicher, wenn die Endstufe 52 gesperrt
ist. Die übrigen
Bauelemente und deren Verschaltung entsprechen der Beschreibung
zu 11.
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14 zeigt
ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung mit einem Hochfrequenzgenerator,
der eine Klasse-D-Halbbrücke
mit PLL-Regelung und zusätzlicher
transformatorischer Aufwärtsanpassung
aufweist. Hierzu sind ein Transformator 57 und ein Kondensator 58 mit
dem Ausgang der Endstufen 52, 53 verschaltet.
Der Kondensator 58 ist dabei in bekannter Weise mit einer
Mittelpunktsanzapfung des Transformators 57 verbunden. Die übrigen Bauelemente
und deren Verschaltung entsprechen der Beschreibung zu 11.
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Schließlich zeigt 15 ein
Ausführungsbeispiel
einer möglichen
kapazitiven Impedanztransformation, welche bei sämtlichen Verstärkerklassen (Klasse
C, Klasse D, Klasse E, Klasse F) zum Einsatz kommen kann. Mit einer
derartigen Impedanztransformation ist es möglich, die Impedanz des Plasmas
bzw. eine Eingangsimpedanz Zi des Resonanzkreises zu variieren und
damit die Effizienz, den Frequenzbereich sowie den Spannungsbereich
(zur Schubauflösung)
zu optimieren. Der Widerstand 38 repräsentiert den Widerstand des
Plasmas. Dem Widerstand 38 kann ein Kondensator 59 parallel
geschaltet sein. Der Widerstand 60 und der dazu parallel
geschaltete Kondensator 61 repräsentieren Elemente des Hochfrequenzgenerators.
Die Kondensatoren 22, 61 repräsentieren Resonanzkondensatoren,
die Spule 5 ist die Koppelspule.
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Der
Vorteil sämtlicher
beschriebener Varianten besteht darin, dass eine Leistungseinkopplung der
von dem Hochfrequenzgenerator erzeugten Energie über einen großen Leistungs-
und Frequenzbereich ohne Zwischentransformation und Impedanzanpassungsnetzwerk
direkt in das Plasma der Ionen- oder Elektronenquelle möglich ist.
Kern der Leistungsanpassung ist dabei die Einbeziehung der Koppelspule,
konstruktionsbedingter Koppelkapazitäten zwischen dem Plasma und
dem Gehäuse
des Entladungsgefäßes sowie
der Verkabelung zu einem Serien-/oder Parallelresonanzkreis, sowie
die automatische Frequenz- und Phasenregelung des Hochfrequenzgenerators.
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- 1
- Gastank
- 2
- Füll- und
Abflussbereich
- 3
- Flusssteuereinheit
- 4
- Entladungsgefäß
- 5
- Koppelspule
- 6
- Einlass
- 7
- Auslass
- 8
- Extraktionsgitter
- 9
- Richtung
des Ionenausstoßes
- 10
- Neutralisator
- 11
- Kathodenheizung
- 12
- Neutralisationseinheit
- 13
- Richtung
des Elektronenausstoßes
- 14
- Isolator
- 15
- Flussbegrenzer
- 16
- Hochfrequenzgenerator
- 17
- Plasmaaufnahme
- 18
- Beschleuniger
- 19
- Verzögerer
- 21
- Triebwerksgehäuse
- 22
- Koppelkondensator
- 23
- Strommesseinrichtung
- 24
- Endstufe
- 25
- Ansteuerschaltung
- 26
- Spannungsgesteuerter
Oszillator
- 27
- Filter
- 28
- Digitaler
Phasen/Komparator
- 29
- Signalverstärker
- 30
- Signalverstärker
- 31
- Eingangsfilter
- 32
- Eingangsfilter
- 33
- Energieversorgung
- 34
- PLL-Regelungsvorrichtung
- 35
- Widerstand
- 36
- Transformator
- 37
- Sekundärseite des
Transformators 36
- 38
- Widerstand
- 39
- Knotenpunkt
- 40
- Widerstand
- 41
- Knotenpunkt
- 42
- Transformator
- 43
- Mittelpunktsanzapfung
- 44
- Schaltelement
- 45
- Widerstand
- 46
- Kondensator
- 47
- Flip-Flop
- 48,
49
- Treiberstufe
- 50,
51
- Transformator
- 52,
53
- Endstufe
- 54
- Kondensator
- 55
- Kondensator
- 56
- Spule
- 57
- Transformator
- 58
- Kondensator
- 59
- Kondensator
- 60
- Widerstand
- 61
- Kondensator
- 62
- Kondensator
- Uin
- Spannung
- Jin
- Strom
- Zi
- Eingangsimpedanz