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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmaerzeuger gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern
eines Plasmaerzeugers, bei welchem ein im Plasmaerzeuger erzeugtes
Plasma mittels eines hochfrequenten elektrischen oder elektromagnetischen
Wechselfeldes in kontrolliert wird.
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STAND DER TECHNIK
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Gattungsgemäße Plasmaerzeuger,
sind als Ionenquellen, Elektronenquellen oder Plasmaquellen allgemein
bekannt und werden als Ionenquelle beispielsweise in Ionentriebwerken
für die
Raumfahrttechnik eingesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger
handelt es sich um einen Hochfrequenz-Plasmaerzeuger. Wird dieser
Plasmaerzeuger in einem Hochfrequenz-Ionentriebwerk eingesetzt, so
wird ein in die Ionisationskammer eingeleitetes Arbeitsfluid, das
auch als Treibstoff oder Stützfluid
bezeichnet wird, mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfeldes
ionisiert und dann zur Schuberzeugung im elektrostatischen Feld
eines an einer offenen Seite der Ionisationskammer vorgesehenen
Extraktions-Gittersystems beschleunigt. Die Ionisation erfolgt in
der Ionisationskammer, die von einer Spule umgeben ist. Die Spule
wird von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen. Der Wechselstrom erzeugt
ein axiales magnetisches Feld im Inneren der Ionisationskammer.
Dieses sich zeitlich ändernde magnetische
Feld induziert ein zirkulares elektrisches Wechselfeld in der Ionisationskammer.
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Dieses
elektrische Wechselfeld beschleunigt freie Elektronen, so dass diese
schließlich
die notwendige Energie zur Elektronenstoß-Ionisation aufnehmen können. Atome
des Treibstoffs werden dadurch ionisiert. Die Ionen werden entweder
im Extraktions-Gittersystem beschleunigt oder sie rekombinieren
an den Wänden
mit Elektronen. Die frei werdenden Elektronen werden entweder im
Feld beschleunigt oder können
ihrerseits die notwendige Energie zur Ionisation aufnehmen oder
laufen auf die Wände
der Ionisationskammer auf und rekombinieren dort.
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Grundsätzlich kann
der in einer Ionenquelle erzeugte Ionenstrom zum Aufprägen einer
definierten Energie für
unterschiedlichste Prozesse verwendet werden, beim Einsatz als Ionen-Triebwerk
wird die Beschleunigung der Ionen zur Schuberzeugung nach dem Rückstoßprinzip
genutzt.
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In
herkömmlichen
Ionenquellen, insbesondere in herkömmlichen Ionen-Triebwerken,
findet nur eine geringe Anzahl der Ionen den Weg zum Extraktions-Gittersystem, während der
größte Teil
der erzeugten Ionen an den Wänden
der Ionisationskammer rekombiniert. Nur jene Ionen, die das Extraktions-Gittersystem
erreichen, stehen beim Einsatz als Ionen-Triebwerk für die Schuberzeugung
oder beim Einsatz als allgemeine Ionenquelle für die Nutzung in anderen Prozessen
zur Verfügung.
Von der insgesamt zugeführten
elektrischen Leistung können
bisher nur etwa 5% bis 20% der elektrischen Leistung für diese
Nutzung von Ionen in einer allgemeinen Ionenquelle beziehungsweise
in einem Ionen-Triebwerk umgesetzt werden. Die verbleibende zugeführte elektrische
Leistung wird größtenteils
durch die Rekombination der Ionen an den Wänden der Ionisationskammer
in Wärme
und in Strahlung umgesetzt. Zur Erzeugung eines Ions ist eine minimale
Ionisationsenergie Wi erforderlich. Bei der Rekombination an den
Wänden
wird Wi in Form von Wärme
und Strahlung frei und steht somit weder für eine weitere Ionisation,
noch für
die Nutzung durch Beschleunigung im Extraktionsgitter zur Verfügung. Die
Wandrekombination ist somit der größte Verlustfaktor bei der Hochfrequenzionisation.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen Plasmaerzeuger
so auszugestalten, dass der durch Rekombination der Ionen und/oder
Elektronen an den Wänden
der Ionisationskammer auftretende Leistungsverlust deutlich reduziert
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch den Plasmaerzeuger mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Dabei
ist zusätzlich
zu der bekannten Hochfrequenz-Wechselstrom eine weitere Stromquelle oder
Spannungsquelle vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass zumindest
eine Spule der Spulenanordnung mit einem Gleichstrom oder mit einem
Wechselstrom von niedrigerer Frequenz, als der von der Hochfrequenz-Wechselstromquelle
gelieferte Strom, beaufschlagt wird. Der hierdurch zusätzlich in
die Spulenanordnung eingespeiste Gleichstrom beziehungsweise Wechselstrom
niedrigerer Frequenz überlagert
dem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld einen magnetischen Gleichfeldanteil oder
zumindest einen Anteil eines niedriger frequenten magnetischen Wechselfelds.
In dieser Anmeldung wird das Vorsehen von Stromquellen beschrieben;
es können
stattdessen auch Spannungsquellen vorgesehen sein.
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Auf
bewegte Ladungsträger
wirkt im magnetischen Feld die Lorentz-Kraft F
= q(v × b)mit
der Ladung q, der Geschwindigkeit v und der magnetischen Flussdichte
B. Der dem magnetischen Wechselfeld überlagerte Gleichstromanteil
oder auch der Anteil des dem hochfrequenten elektromagnetischen
Wechselfeld überlagerten
niedriger frequenten Wechselstroms bewirkt, dass die Ladungsträger (Elektronen
und Ionen) innerhalb der Spule und damit innerhalb der Ionisationskammer
in Kreisbahnen beziehungsweise Spiralbahnen im Magnetfeld gezwungen
werden. Eine derartige Kreisbahnbewegung beziehungsweise Spiralbahnbewegung
der Elektronen im Magnetfeld führt
dazu, deren Bewegung in Richtung auf die Wände zu reduzieren (sogenanntes „Confinement”). Da die
Bewegung der Elektronen und Ionen aus dem Inneren der Ionisationskammer
zu den Wänden
und zum Extraktions-Gittersystem ambipolar erfolgt, wird der Fluss
der Ionen zu den Wänden
ebenfalls entsprechend reduziert. Auf diese Weise ist die Wahrscheinlichkeit
der Kollision von Ladungsträgern
mit den Wänden
und damit der Rekombination von Ionen und/oder Elektronen an den
Wänden
bei dem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger
deutlich herabgesetzt. Die Ionen, die sich in der Sollrichtung,
das ist bei einem Ionen- Triebwerk die
Richtung parallel zur Längsachse
auf das Extraktions-Gittersystem hin, bewegen, bewegen sich parallel
zu den magnetischen Feldlinien und werden durch das zusätzlich aufgebrachte
magnetische Gleichfeld beziehungsweise Wechselfeld niedrigerer Frequenz,
in ihrer Bewegung dorthin nicht behindert.
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Der
dem durch die Spulenanordnung fließenden hochfrequenten Wechselstrom überlagerte Gleichstrom,
beziehungsweise Wechselstrom niedrigerer Frequenz, ist so zu wählen, dass
er ausreichend ist, um in der Ionisationskammer ein magnetisches
Feld gewünschter
Höhe zu
erhalten. Das Gas im Inneren der Ionenquelle, also in der Ionisationskammer,
stellt ein Plasma dar. Wird einem Plasma ein inhomogenes Magnetfeld überlagert,
so bewegt sich das Plasma in Richtung des schwächer werdenden Magnetfelds
(Gradientendrift): Unter entsprechender Gestaltung der Geometrie
der Spulenanordnung ist es möglich,
durch Gradientendrift die Ladungsträger im Plasma verstärkt in der
Sollrichtung, z. B. in Richtung auf das Extraktions-Gittersystem
hin zu bewegen.
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Mit
der Erfindung ist es somit möglich,
die Wandverluste in der Ionisationskammer von Plasmaerzeuger, wie
Ionenquellen, insbesondere von Ionen-Triebwerken, zu reduzieren,
ohne die grundlegende Konstruktionsweise der bisher bekannten Ionenquellen
beziehungsweise Ionen-Triebwerken ändern zu müssen. Die Erfindung kann zudem
dazu verwendet werden, um die Verteilung der Plasmadichte in der
Ionisationskammer zu steuern. Sie kann auch dazu verwendet werden,
um zusammen mit der Gestaltung der Ionisationskammer und der Spulenanordnung
die Wandverluste zu minimieren. Außerdem kann beim Plasmaerzeuger
gemäß der vorliegenden
Erfindung bei geeigneter Gestaltung der Ionisationskammer und der
Spulenanordnung die Homogenität
des Plasmas in der Ionisationskammer optimiert werden. Die Erfindung
kann auch dazu verwendet werden, um die Plasmadichte in gewünschten Bereichen
der Ionisationskammer zu erhöhen.
Sie kann aber auch dazu verwendet werden, um den Elektronenstrom
aus einer Elektronenquelle zu erhöhen.
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Weitere
bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Plasmaerzeuger kann als Plasmaquelle, als Elektronenquelle oder
als Ionenquelle ausgebildet sein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich der
Auslassöffnung
eine Beschleunigungseinrichtung für in der Ionisationskammer
gebildete Ionen oder Elektronen vorgesehen.
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Diese
Beschleunigungseinrichtung, die im Falle einer Ionenquelle vorzugsweise
ein elektrisch positiv aufgeladenes Gitter und ein in Ausströmrichtung
der Ionen aus der Ionisationskammer hinter dem positiven Gitter
gelegenes negativ aufgeladenes Gitter aufweist, dient dazu, die
in der Ionisationskammer entstehenden Ionen in eine Richtung rechtwinklig
zur Ebene der Gitter aus der Ionisationskammer heraus zu beschleunigen
und so einen Ionenausstoß aus
der Ionenquelle herbeizuführen.
Die Gitter bilden ein Extraktions-Gittersystem. Im Fall einer Elektronenquelle ist
die Reihenfolge der Gitter und damit die Polarität vertauscht.
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Vorzugsweise
ist eine derartige Ionenquelle Bestandteil eines Ionen-Triebwerks.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist in Stromabwärtsrichtung des die Ionisationskammer verlassenden
Ionenstroms ein Elektroneninjektor vorgesehen, der auf den Ionenstrom
gerichtet ist und der zur Neutralisation des Ionenstroms eingerichtet ist,
wobei der Elektroneninjektor vorzugsweise eine Hohlkathode aufweist.
Mittels einer derartigen Neutralisation kann verhindert werden,
dass sich die Ionenquelle beziehungsweise das mit der Ionenquelle verbundene
Gerät elektrostatisch
auflädt.
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In
einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist eine Magnetanordnung
vorgesehen, die die Ionisationskammer umgibt.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass die Spulenanordnung eine Hochfrequenz-Spule aufweist,
die an eine hochfrequente elektrische Wechselspannung angeschlossen
ist, um den Hochfrequenz-Wechselstrom in die Spule einzuleiten,
und dass der von einer Gleichspannung erzeugte Gleichstrom ebenfalls
direkt in die Hochfrequenz-Spule eingeleitet wird.
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Die
Einspeisung des Gleichstroms kann dabei vorzugsweise an einem anderen
Ort der Hochfrequenz-Spule erfolgen, als die Einspeisung des hochfrequenten
Wechselstroms.
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Alternativ
kann die Einspeisung des Gleichstroms in eine parallel zur Hochfrequenz-Spule angeordnete
Gleichstrom-Spule erfolgen.
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Vorzugsweise
ist der Gleichstrom regelbar und es ist eine Regelungseinrichtung
vorgesehen, die den Gleichstrom zum Beispiel proportional zum aus
der Ionisationskammer austretenden Ionenstrom regelt.
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Der
das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bei diesem Verfahren
wird das Plasma zusätzlich
zum hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld einem elektromagnetischen
Gleichfeld unterworfen. Anstelle des elektromagnetischen Gleichfelds
kann das Plasma auch einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einer niedrigeren
Frequenz als das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld unterworfen
werden.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit zusätzlichen
Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 Einen
schematischen Längsschnitt durch
ein Ionen-Triebwerk;
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2 ein
elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle
ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle
ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle
ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle
ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle
ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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7A ein
schematisches Schaltbild einer Spulenanordnung für einen erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger
als Elektronenquelle oder Ionenquelle mit außenliegender Spule;
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7B ein
schematisches Schaltbild einer Spulenanordnung für einen erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger
als Elektronenquelle oder Ionenquelle mit innenliegender Spule;
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8A eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers als Plasmaquelle;
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8B eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers als Plasmaquelle
zur Durchführung
von plasmachemischen Prozessen;
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9 ein
Schaubild betreffend den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms, des
induzierten magnetischen Flusses und des elektrischen Feldes bei einem
erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger;
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10 ein
Schaubild betreffend den Spulenstrom im Falle einer Gleichstrom-Überlagerung; und
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11 den
vom Spulenstrom bei aufgeprägtem
Gleichstromanteil induzierten magnetischen Fluss.
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 stellt
einen schematischen Längsschnitt
durch ein Ionen-Triebwerk 1 mit einem als Ionenquelle 2 ausgebildeten
Plasmaerzeuger dar. Die Ionenquelle 2 weist ein Gehäuse 20 aus
elektrisch nichtleitendem Material mit einer Gehäusewand 22 auf.
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Das
Gehäuse 20 besitzt
eine becherförmige Gestalt
und ist an der in 1 rechten Seite mit einer Öffnung versehen,
die eine Austrittsöffnung 21 bildet. Das
Gehäuse 20 ist
im Wesentlichen als polygonal oder rotationssymmetrisch um die Längsachse
X geformt. Im Bereich der Austrittsöffnung 21 bildet das Gehäuse 20 einen
ersten zylindrischen Abschnitt 23 größeren Durchmessers. Auf der
von der Austrittsöffnung 21 in
Richtung der Achse X abgewandten Seite ist ein rechtwinklig zur
Achse X verlaufender Gehäuseboden 24 vorgesehen.
Der Außendurchmesser des
Gehäusebodens 24 ist
geringer als der Durchmesser des ersten zylindrischen Gehäuseabschnitts 23.
An den Gehäuseboden 24 schließt sich
ein zweiter zylindrischer Gehäuseabschnitt 25 an,
dessen Durchmesser ebenfalls geringer ist als der des ersten zylindrischen
Gehäuseabschnitts 23.
Die beiden zylindrischen Gehäuseabschnitte 23 und 25 sind über einen
kegelstumpfförmigen Gehäuseabschnitt 26 miteinander
verbunden. Das Gehäuse 20 kann
im Längsschnitt
auch andere Formen einnehmen, wie zum Beispiel Kegel-, Zylinder- oder Halbellipsen-Form.
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Der
Gehäuseboden 24 weist
im Bereich der Achse X eine zentrale Öffnung 27 auf, durch
die ein Rohr 3 in Axialrichtung von außen hindurchgeführt ist.
Das Rohr 3 öffnet
sich im Inneren des Gehäuses 20 der
Ionenquelle 2. Außerhalb
der Ionenquelle 2 ist die das Rohr 3 mit einer
(nicht gezeichneten) Quelle für
ein Arbeitsfluid derart verbunden, dass das Arbeitsfluid mittels
einer (nicht gezeichneten) Fördereinrichtung
durch das Rohr 3 in das Innere der Ionenquelle 2 eingeleitet
werden kann. Das Rohr 3 bildet so eine Arbeitsfluidzuführung 30 für die Ionenquelle.
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Das
Gehäuse 20 der
Ionenquelle 2 ist in seinem ersten zylindrischen Abschnitt 23 mit
Wicklungen 40 einer elektrischen Spulenanordnung 4 umgeben.
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Im
Inneren des Gehäuses 20 der
wie vorstehend ausgebildeten Ionenquelle 2 ist somit eine
Ionisationskammer 5 gebildet. Vor der Austrittsöffnung 21 des
Gehäuses 20 ist
eine Extraktions-Gitteranordnung 6 vorgesehen, die ein
der Austrittsöffnung 21 zugewandtes,
elektrisch positiv geladenes Gitter 60 und ein von der
Austrittsöffnung 21 abgewandtes, elektrisch
negativ geladenes Gitter 62 aufweist. Durch die Extraktions-Gitteranordnung 6 können Ionen,
wie weiter unten noch beschrieben wird, beim Betrieb der Ionenquelle 2 nach
außen
parallel zur Achse X (in 1 nach rechts) als Ionenstrom 8 austreten.
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Außerhalb
des Gehäuses 20 der
Ionenquelle 2 ist in der Nähe der Austrittsöffnung 21 und
des Extraktions-Gitters 6 ein Elektroneninjektor 7 vorgesehen,
der als Hohlkathode ausgebildet ist und der an einen Arbeitsfluidvorrat
angeschlossen ist. Mittels des Elektroneninjektors 7 können Elektronen
in den aus der Ionenquelle 2 austretenden Ionenstrom 8 injiziert
werden, um so den Ionenstrom 8 elektrisch zu neutralisieren.
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Im
Betrieb der Ionenquelle 2 wird ein Arbeitsfluid, beispielsweise
Xenon-Gas, durch die Arbeitsfluidzuführung 30 in die Ionisationskammer 5 der
Ionenquelle 2 eingeleitet. Durch Anlegen einer hochfrequenten
elektrischen Wechselspannung an eine Hochfrequenz-Spule der Spulenanordnung 4 wird
innerhalb der Ionisationskammer 5 ein Plasma erzeugt, indem
Elektronen zur Kollision mit Atomen gebracht werden, um Ionen zu
erzeugen. Die Ionen, die aufgrund des mittels der Spule 4 angelegten
elektrischen Wechselfelds parallel zur Längsachse X in Richtung der
Austrittsöffnung 21 wandern,
werden in der Extraktions-Gitteranordnung 6 beschleunigt
und treten als Ionenstrom 8 mit hoher Geschwindigkeit aus
der Ionenquelle 2 aus, wodurch eine Schubkraft auf die
Ionenquelle 2 als Rückstoßkraft der
austretenden Ionen wirkt.
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Das
Gas im Inneren des Gehäuses 20 der
Ionenquelle 2, also in der Ionisationskammer 5,
stellt ein Plasma dar. Wird einem Plasma ein inhomogenes Magnetfeld überlagert,
so bewegt sich das Plasma in Richtung des schwächer werdenden Magnetfelds, was
als „Gradientendrift” bezeichnet
wird. Durch geeignete Gestaltung der Spulengeometrie der Spulen in
der Spulenanordnung 4 ist es möglich, durch Gradientendrift
die Ladungsträger
im Plasma verstärkt
in Richtung auf die Austrittsöffnung 21 hin,
also auf die Extraktions-Gitteranordnung 6 hin, zu bewegen.
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Dazu
wird in eine Hochfrequenz-Spule der Spulenanordnung 4 ein
hochfrequenter Wechselstrom eingespeist. Zudem wird bei dieser Ionenquelle
in einen Schwingkreis, der die Hochfrequenz-Spule und einen Hochfrequenz-Generator
als Wechselstromquelle aufweist, ein Gleichstrom eingespeist. Die
Größe des Gleichstroms
wird durch entsprechende Steuervorrichtungen einer zugeordneten
Gleichstromquelle gesteuert. Der Stromkreis, der die Gleichstromquelle
enthält,
wird durch geeignete Filter gegen die Hochfrequenzanteile abgeschottet. Derartige
Filter sind in bekannter Weise durch ein Netzwerk aus zumindest
einer Spule und zumindest einem Kondensator gebildet. Alternativ
ist es auch möglich,
einen Generator zu verwenden, der neben dem Wechselstrom einen Gleichstromanteil
liefert.
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2 zeigt
ein Schaltungsschema der hier mit dem Bezugszeichen ”S” bezeichneten
elektrischen Spulenanordnung 4 sowie einer Hochfrequenz-Wechselstromquelle
AC und einer Gleichstromquelle DC. Weiterhin sind in der Schaltung
zwei Netzwerke N1 und N2 am Eingang und am Ausgang der Spulenwicklung 40 vorgesehen.
Die Spule der Spulenanordnung S wird von einem Strom I durchflossen,
der einen periodisch wechselnden, von der Hochfrequenz-Wechselstromquelle
AC erzeugten Wechselstromanteil und einen Gleichstromanteil oder
schwach veränderlichen
Anteil aufweist, welcher von der Gleichstromquelle DC erzeugt wird.
Die Wechselstromquelle AC weist einen Generator auf, der den Wechselstromanteil
liefert, und die Gleichstromquelle DC ist modulierbar ausgestaltet
und erzeugt den konstanten oder schwach veränderlichen Anteil des die Spule
durchfließenden
Stroms I. Die Netzwerke N1 und N2 blocken die Gleichspannungsanteile
gegenüber
der Wechselstromquelle AC und die Wechselspannungsanteile gegenüber der
Gleichstromquelle DC. Dazu können
in den Netzwerken N1 und N2 entsprechende R-, C- oder L-Netzwerke
verwendet werden.
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Alternativ
zu der Schaltung aus 2 kann gemäß der Darstellung in 3 der
konstante oder schwach veränderliche
Strom nicht der gesamten Spulenwicklung, sondern nur einzelnen Windungen oder
einem Teil der gesamten Spulenwicklung aufgeprägt werden, wobei es sich hierbei
nicht um vollständige
Windungen handeln muss.
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In
der in 4 dargestellten alternativen Ausführungsform
ist ein Verstärker
AMP vorgesehen, um den Spulenstrom zu erzeugen, wobei der Verstärker von
einem Wechselstromgenerator (Wechselstromquelle AC) für das periodische
Signal (Wechselstromanteil des Stroms I) und einem Gleichstromgenerator
(Gleichstromquelle DC) für
den konstanten oder schwach veränderlichen
Anteil des Stroms I angesteuert wird. Bei dem Verstärker AMP
kann es sich um einen so genannten Class-A oder Class-AB-Verstärker handeln.
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Eine
andere alternative Ausgestaltungsform ist in 5 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform wird
die Spule der Spulenanordnung S von einem Generator ACDC angesteuert,
dessen Gleichstromanteil nicht gegenüber dem Wechselstromanteil
abgeblockt ist. Der Gleichstromanteil ist idealerweise steuerbar
oder regelbar.
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Bei
der in 6 dargestellten weiteren alternativen Ausführungsform
weist die Spulenanordnung S eine neben der mit der Hochfrequenz-Wechselstromquelle
AC verbundenen Spule S1 eine separate Spule S2 auf, die von der
Gleichstromquelle DC mit Gleichstrom oder einem schwach veränderlichen Strom
versorgt wird. Dabei ist die Gleichstromquelle DC mittels der am
Eingang und am Ausgang der Spule S2 vorgesehenen Netzwerke N1 und
N2 gegen einen von der Spule S1 des Wechselstromkreises induzierten
Strom geschützt.
Anstelle einer einzigen Spule im Wechselstromkreis können auch
mehrere Spulen vorgesehen sein. Ebenso können auch im Gleichstromkreis
anstelle einer einzelnen Spule S2 mehrere Spulen vorgesehen sein.
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Für die Überlagerung
des Hochfrequenz-Wechselstroms in der Spulenanordnung S mit einem
Gleichstrom oder einem schwach veränderlichen Strom (Wechselstrom
niedrigerer Frequenz) kann die Ionenquelle 1' als Ionenquelle mit außenliegender
Spule beziehungsweise außenliegenden Spulen
ausgestaltet sein, wie dies in 7 schematisch
dargestellt ist. Die Ionenquelle 1'' kann
aber auch, wie dies in 8 dargestellt
ist, mit einer oder mehreren innenliegenden Spule(n) ausgebildet
sein. Die Ausführungsform
der Ionenquelle 1' in 7 ist mit zwei Spulen S1 und S2 versehen,
wobei die Spule S1 einen Abgriff A1 aufweist, an welchem ein Überlagerungsstrom
partiell in die Spule S1 eingespeist werden kann. 7 zeigt
zusätzlich
zur Spulenanordnung S auch eine Extraktions-Gitteranordnung G.
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In 8 sind ebenfalls zwei Spulen S1 und S2
und zusätzlich
eine dritte Spule S3 vorgesehen. Auch die in 8 schematisch
dargestellte Ionenquelle 1'' ist mit einer
Extraktions-Gitteranordnung G versehen.
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Die
in den 7 und 8 schematisch
dargestellten Plasmaerzeuger können
verwendet werden in Ionen-Triebwerken mit einer Extraktions-Gitteranordnung,
bei der das der Ionisationskammer benachbarte erste Gitter G1 positiv
und das zweite Gitter G2 negativ geladen ist, in Elektronenquellen
mit Extraktions-Gitteranordnung, bei der das der Ionisationskammer
benachbarte erste Gitter G1 negativ und das zweite Gitter G2 positiv
geladen ist, in Elektronenquellen ohne Extraktions-Gitteranordnung oder
in Elektronenquellen, die über
eine Plasmabrücke
emittieren. Grundsätzlich
können
auch Substrate T in die Ionisationskammer eingebracht sein.
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Die
gezeigten Plasmaerzeuger können
auch in einer Plasmaquelle Verwendung finden, in die ein Arbeitsgas
A eingeleitet wird und aus der ein Gemisch C aus Ionen, Elektronen
und neutralen Teilchen (Plasma) austritt, wie in 8A symbolisch
dargestellt ist. Am Auslass für
das Gemisch C kann auch eine Plasmabrücke ausgebildet sein. Das Plasma kann
auch mit höherem
Druck austreten und einen Plasmajet bilden.
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Wie
in 8B symbolisch dargestellt ist, können in
den Plasmaerzeuger auch mehrere Arbeitsgase A, B, ... N eingeleitet
werden. In der Ionisationskammer finden dann plasmachemische Prozesse
statt, so dass ein gewünschtes
Reaktionsprodukt R an einer geeigneten Stelle Y des Plasmaerzeugers entnommen
werden kann oder direkt mit einem in der Plasmaquelle vorgesehenen
Substrat T Wechselwirken kann.
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Die 9 bis 11 zeigen
Diagrammdarstellungen der zeitlichen Variation des Stroms I(t),
der magnetischen Flussdichte B(t) und der induzierten elektrischen
Feldstärke
E(t) anhand einer Sinusfunktion. Die Darstellung als Sinusfunktion
ist lediglich beispielhaft und es kann sich um eine beliebige periodische
Funktion handeln.
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9 zeigt
die zeitliche Änderung
es Stroms I(t), der durch die Wechselstromspule der Spulenanordnung 4 fließt, sowie
den dadurch induzierten magnetischen Fluss B(t) und des am Plasmaerzeuger anliegenden
elektrischen Feldes E(t). Dabei ist der Verlauf des Stroms I(t)
als durchgezogene Linie gezeichnet, der zeitliche Verlauf der magnetischen Flussdichte
B(t) ist als gepunktete Linie gezeichnet und der Verlauf der elektrischen
Feldstärke
E(t) ist als strichpunktierte Linie gezeichnet. Bei der Darstellung der 9 ist
noch keine zusätzliche
Aufprägung
eines Gleichstroms erfolgt.
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In 10 sind
drei Stromverläufe
dargestellt, bei welchen dem durch die Spule fließenden Wechselstrom
I(t) = I0sin(wt) ein geringer Gleichstrom
I1 und alternativ ein höherer Gleichstrom I2 aufgeprägt
ist. Die Kurve des zeitlichen Verlaufs des Wechselstroms wird dadurch
zum positiven Bereich des Stroms hin, beziehungsweise vollständig in
den positiven Bereich des Stroms, verschoben. Anstelle des Gleichstroms
kann dem Wechselstrom auch ein schwach veränderlicher Strom, also ein
Gleichstrom mit niedrigerer Frequenz als der hochfrequente Wechselstrom
I(t) aufgeprägt
werden. Die Aufprägung
des Gleichstroms beziehungsweise des schwach veränderlichen Stroms kann entweder
für die
gesamte Spule oder nur für
einen Teil der Windungen der Spule erfolgen.
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11 zeigt
den sich aufgrund des Stromverlaufs gemäß der drei Beispiele der 10 ergebenden
magnetischen Fluss. Es wird deutlich, dass auch hier der magnetische
Fluss B(t) = B0sin(wt) durch die Aufprägung des
Gleichstromanteils I1 um einen konstanten
magnetischen Fluss B1 zum positiven Bereich
hin parallel verschoben wird. In gleicher Weise erfolgt eine Parallelverschiebung
vollständig
in den positiven Bereich bei der dritten Beispielkurve, dadurch
dass aufgrund des aufgeprägten
größeren Gleichstromanteils
I2 ein entsprechend hoher gleichbleibender
magnetischer Fluss B2 dem magnetischen Wechselfeld
B0sin(wt) aufgeprägt wird. Der überlagerte
gleichförmige
Stromanteil führt
somit zu einem zusätzlichen
magnetischen Fluss. Wie aus den Darstellungen der 10 und 11 zu
erkennen ist, lässt
sich das Verhältnis
von Zeiträumen
mit negativer zu positiver Flussrichtung durch entsprechende Wahl
der Größe des zusätzlich eingespeisten Gleichstroms
beeinflussen und es kann so eine Vorzeichenumkehr des magnetischen
Flusses unterdrückt
werden. Ebenso wird es möglich,
eine im Vergleich zur Amplitude der periodischen Flussänderung hohe
Flussdichte zu erzeugen. Weiterhin kann diese Flussdichte gezielt
auf Plasmabedingungen (ECR- und
ICR-Resonanzfrequenz) abgestimmt werden. Das induzierte elektrische
Feld E(t) bleibt von der zusätzlichen
Aufprägung
eines Gleichstroms und der daraus resultierenden zusätzlichen
Aufprägung
eines konstanten magnetischen Flusses unbeeinflusst.
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Kern
der vorliegenden Erfindung ist somit die Überlagerung des Wechselstroms
in der Hochfrequenzspule der Spulenanordnung 4 eines Plasmaerzeugers,
z. B. einer Elektronenquelle, einer Plasmaquelle, einer Ionenquelle
oder eines Ionentriebwerks. Dadurch werden die Wandverluste durch
magnetischen Einschluss der Elektronen in der Ionisationskammer
reduziert. Dieser Einschluss der Elektronen in der Ionisationskammer
kann auch zeitlich gesteuert erfolgen. Der magnetische Einschluss
der Elektronen in der Ionisationskammer kann außerdem zur Kontrolle oder Steuerung
der Plasmadichte-Verteilung in der Ionisationskammer erfolgen. Auch
hier kann der magnetische Einschluss zeitgesteuert durchgeführt werden,
um die Plasmadichte-Verteilung in Abhängigkeit von der Zeit zu steuern.
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Die
Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms und des Gleichstroms
kann vorzugsweise direkt in die Hochfrequenz-Wechselstromspule der Spulenanordnung 4 erfolgen,
so dass Wechselstrom und Gleichstrom in dieselbe Spule eingespeist
werden. Die Hochfrequenzspule kann einlagig oder mehrlagig ausgeführt sein.
Sie kann mit Mittelanzapfung oder Teilanzapfung(en) zur beidseitigen
Erdung der Anschlüsse
ausgeführt
sein, wobei die Wicklungen gegensinnig gewickelt sind. Die Gleichstromeinspeisung
kann über
eine Anzapfung erfolgen, so dass der Gleichstrom nur über einen
Teil der Windungen in die Spule eingeleitet wird.
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Alternativ
kann die Einspeisung des Gleichstroms statt in die Hochfrequenz-Spule
in eine in geeigneter Weise parallel zur Hochfrequenz-Spule liegende
Spule einer bifilaren Anordnung erfolgen. Die Gleichstromspule kann
die gleiche, eine kleinere oder auch eine höhere Windungszahl besitzen,
als die Hochfrequenz-Spule. Die Hochfrequenz-Spule kann einen oder
mehrere Einspeisepunkte aufweisen. Dabei kann die Einspeisung des
Gleichstroms aus einer oder mehreren Gleichstromquellen erfolgen,
wobei im Falle von mehreren Gleichstromquellen diese entweder einen
gleichgroßen
Strom oder unterschiedlich große
Ströme
durch die Spule beziehungsweise die Windungen liefern.
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Die
gesamte Spulenanordnung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich
die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms und die Einspeisung des
Gleichstroms nicht gegenseitig beeinflussen. Die Einspeisung des
hochfrequenten Wechselstroms kann mittels einer PLL-Phasenregelung
erfolgen. Die Hochfrequenz-Wechselstromspule kann Teil eines Serienresonanzkreises
oder eines Parallelresonanzkreises sein.
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Die
Hochfrequenz-Spule und/oder die Gleichstrom-Spule können entweder
außerhalb
oder auch innerhalb des Gehäuses 20 des
Plasmaerzeugers angeordnet sein. Das Gehäuse des Plasmaerzeugers kann
als Zylinder, Kegel oder in anderer Formgestaltung ausgestaltet
sein.
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Zur
optimalen Verteilung des magnetischen Feldes kann die Spule anstatt
eine zylindrischen Gestalt auch jede andere Form aufweisen. So kann
beispielsweise die Steigung der Windungen ungleichförmig sein.
Auch können
die Windungen in unterschiedlichen Abständen voneinander angeordnet sein.
Die Windung kann beispielsweise mäanderförmig sein. Mittels der Spule
kann ein Ringfeld (cusp-Feld) oder ein multipolares Feld erzeugt
werden. Über
eine Vielzahl von entlang der Hochfrequenz-Spule verteilten Einspeisepunkten
kann auch eine beliebige Verteilung des magnetischen Feldes erzielt
werden.
-
Der
Gleichstrom kann zur optimalen Anpassung des magnetischen Feldes
steuerbar oder regelbar sein, zum Beispiel bei einer Ionenquelle
oder einem Ionentriebwerk entsprechend dem austretenden Ionenstrom,
der beim Ionentriebwerk proportional zum Schub ist.
-
Bezugszeichen
in den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
-
- 1
- Ionen-Triebwerk
- 2
- Ionenquelle
- 3
- Rohr
- 4
- elektrische
Spulenanordnung
- 5
- Ionisationskammer
- 6
- Extraktions-Gitteranordnung
- 7
- Elektroneninjektor
- 8
- Ionenstrom
- 20
- Gehäuse
- 21
- Austrittsöffnung
- 22
- Gehäusewand
- 23
- erster
zylindrischer Gehäuseabschnitt
- 24
- Gehäuseboden
- 25
- zweiter
zylindrischer Gehäuseabschnitt
- 26
- kegellstumpfförmiger Gehäuseabschnitt
- 27
- zentrale Öffnung
- 28
- Isolationsabschnitt
- 30
- Arbeitsfluidzuführung
- 40
- Wicklungen
- 60
- elektrisch
positiv geladenes Gitter
- 62
- elektrisch
negativ geladenes Gitter