DE10215660B4

DE10215660B4 - Hochfrequenz-Elektronenquelle, insbesondere Neutralisator

Info

Publication number: DE10215660B4
Application number: DE10215660A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Prof. Dr. Schartner; Horst Prof. Dr. Loeb; Hans Jürgen Dipl.-Phys. Leiter; Hans-Peter Dipl.-Phys. Harmann
Original assignee: EADS Space Transportation GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: US6870321B2; RU2270491C2; DE10215660A1; JP4409846B2; DE50313006D1; KR100876052B1; EP1353352A1; JP2003301768A; ATE479196T1; KR20030081060A; US20030209961A1; EP1353352B1

Abstract

Hochfrequenz-Elektronenquelle, insbesondere als Neutralisator einer Ionenquelle, insbesondere eines Ionenantriebs, umfassend einen Entladungsraum (11) mit mindestens einem Gaseinlass (14) für ein zu ionisierendes Gas und mindestens einer Extraktionsöffnung (16) für Elektronen, wobei der Entladungsraum (11) von mindestens einer ersten Elektrode (12a) umgeben ist, der eine zweite Elektrode (12b) zumindest teilweise topfförmig in Extraktionsrichtung vorgelagert ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) ein elektrisches Hochfrequenzfeld anliegt und die zweite Elektrode (12b) weiterhin von einer Schirmelektrode (13) umgeben ist und zwischen der ersten Elektrode (12a) und der zweiten Elektrode (12b) zusätzlich zum elektrischen Hochfrequenzfeld eine Gleichspannung beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Elektronenquelle, insbesondere als Neutralisator einer Ionenquelle, insbesondere eines Ionenantriebs umfassend einen Entladungsraum mit mindestens einem Gaseinlass für ein zu ionisierendes Gas und mindestens einer Extraktionsöffnung für Elektronen.
Überall dort, wo beschleunigte, elektrisch geladene Teilchen benötigt werden – wie dies z. B. auch bei der Oberflächenbehandlung der Fall ist – müssen Ionenstrahlen nach dem Beschleunigungsverfahren neutralisiert werden. So werden in der Raumfahrt in steigendem Umfang elektrische Triebwerke benutzt, um Satelliten oder Raumsonden nach ihrer Trennung von der Trägerrakete anzutreiben. Speziell für das Stationskeeping von geostationären Kommunikationssatelliten werden elektrische Triebwerke bereits heute eingesetzt. Hierzu werden vor allem Ionentriebwerke und stationäre (SPT)-Plasmatriebwerke genutzt. Beide Typen erzeugen ihren Schub, indem beschleunigte Ionen ausgestoßen werden. Um eine Aufladung des Satelliten jedoch zu vermeiden, muss dieser Ionenstrahl neutralisiert werden. Die hierzu benötigten Elektronen werden aus einer Elektronenquelle bereitgestellt und mittels Plasmakopplung in den Ionenstrahl eingebracht.
Bisher werden in der Raumfahrt zur Neutralisierung dieser elektrischen Triebwerke (Ionentriebwerke und SPT-Plasmatriebwerke) Hohlkathoden-Plasmabrücken-Neutralisatoren mit Elektronenemitter verwendet. Der Neutralisator besteht hierbei aus einem Kathodenrohr, das in Strömungsrichtung durch eine Kathodenscheibe mit einer zentrischen Bohrung abgeschlossen ist und einer Anodenscheibe mit ebenfalls zentrischer Bohrung. Im Inneren des Kathodenrohres befindet sich ein Elektronenemitter, dessen poröses Material mit Erdalkalimetallen, u. a. Barium, durchsetzt ist. Außen am Kathodenrohr ist eine spulenförmige elektrische Heizung angebracht, die das Kathodenrohr und den Elektronenemitter erwärmt. Das in dem Elektronenemitter enthaltene Barium emittiert dabei Elektronen. Durch eine zwischen Anodenscheibe und Kathodenscheibe angelegte Spannung werden diese beschleunigt. Wird das Kathodenrohr mit einem Neutralgas, z. B. Xenon durchströmt, stoßen die Elektronen mit den neutralen Gasatomen zusammen, ionisieren diese, womit sich ein Plasma bildet, das durch die Bohrung in der Anodenscheibe austritt.
Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass das im Elektronenemitter enthaltende Emittermaterial hygroskopisch ist und zudem bei erhöhten Temperaturen mit Sauerstoff reagiert. Dies zieht starke Einschränkungen in der Lagerung vor dem Einbau, während der Montage am Satelliten und der Inbetriebnahme vor dem Start in den Weltraum nach sich. Ein weiterer Nachteil derartiger komplizierter und lebensdauerbegrenzter Elektronenquellen liegt darin, dass vor dem Einschalten eine mehrminütige Vorheizzeit des Emitters vorgeschaltet ist.
Weiterhin ist aus US 5,198,718 A ein Neutralisator für eine Ionenquelle bekannt, die aus einer Plasmakammer mit aus dielektrischem Material bestehenden Wänden besteht und von einer Hochfrequenzspule umgeben ist.
Eine derartige Hochfrequenzelektronenquelle erzeugt Elektronen durch ein Plasma, das durch die Induktion hervorgerufen durch ein magnetisches Wechselfeld aufrecht erhalten wird. Dieses Feld wird dabei durch die Hochfrequenzspule erzeugt, durch die ein hochfrequenter Strom fließt. Die im Plasma vorhandenen Elektronen werden durch die Induktion auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die im Falle des Stoßes mit einem Neutralatom im Plasma die Ionisation des letzteren bewirken können. Bei der Ionisation werden ein oder mehrere weitere Elektronen vom Neutralatom freigeschlagen, woraus sich bei nachströmendem Arbeitsgas ein kontinuierlicher Fluss an Elektronen ergibt.
Nachteilig wirkt sich bei einer derartigen Elektronenquelle aus, dass ein großer Teil der zur Aufrechterhaltung des Plasmas in der Plasmakammer benötigten Leistung dadurch verloren geht, dass hochenergetische Elektronen aus dem Plasma auf die Kammerwand treffen und dabei wieder an Atome gebunden werden. Durch diesen Prozess gehen zum einen diese Elektronen verloren, zum anderen wird dadurch ein Großteil der Energie abgegeben, die die Elektronen durch das Wechselfeld gewonnen haben. Zudem wird durch die Hochfrequenzspule in der Plasmakammerwand ein Ringstrom (Wirbelstrom) induziert, wodurch Energie verloren geht, welche nicht mehr an das Plasma abgegeben werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochfrequenz-Elektronenquelle bereitzustellen, die einerseits keinen Elektronenemitter aufweist und somit keiner Aufheizzeit bedarf sowie ohne komplizierte, kostenintensive Bauteile auskommt, welche gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit zu schützen sind. Andererseits soll eine Elektronenquelle bereitgestellt werden, die einen verringerten Leistungsbedarf aufweist.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß arbeitet die Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer kalten Bogenentladung, indem das Elektronen liefernde Plasma mit einer kapazitiven Hochfrequenzentladung erzeugt wird, die durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld zwischen den Elektroden im Entladungsraum erzeugt wird. Für die Erfindung ist es nicht notwendig, dass die Elektroden den Entladungsraum umgeben und einen Hohlraum bilden. Sie müssen lediglich dazu geeignet sein, das Plasma im Entladungsraum zu zünden und aufrechtzuerhalten.
Das Zünden der Entladung der Hochfrequenz-Elektronenquelle kann durch einen Druckstoß erfolgen, der beispielsweise durch eine kurzzeitige Erhöhung des Massenflusses durch die Elektronenquelle erzeugt wird. Damit wird die Zündspannung auf der sogenannten Paschen-Kurve auf ihr Minimum reduziert und die Gasstrecke schlägt durch. Die beschleunigten Elektronen schlagen dann wiederum weitere Elektronen aus Neutralteilchen heraus und ionisieren diese. Durch diese fortschreitende Ionisation entsteht ein Plasma, welches die benötigten Elektronen liefert.
Die Vorteile der Hochfrequenz-Elektronenquelle liegen im einfachen, unkomplizierten Aufbau. So entfallen Heizung samt Elektronik und Elektronenemitter, womit auch die Einschränkungen zu Lagerung und bezüglich der Umgebungsbedingungen während Montage und Betrieb entfallen. Beispielsweise ist ein Test der Funktionstauglichkeit nach der Herstellung ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer der Hochfrequenz-Elektronenquelle unter normalen Umweltbedingungen möglich. Außerdem können zum Betrieb Edelgase wie Xenon oder andere geeignete Gase verwendet werden, die hierfür nicht speziell von Sauerstoff und Restfeuchtigkeit gereinigt werden müssen. Durch den Wegfall der Vorheizzeit und der Aktivierungsprozesse ergibt sich außerdem eine schnelle Verfügbarkeit der Elektronen, so dass bei einer Neutralisierung eines Ionenantriebs dieser sofort seinen Schub zur Verfügung stellen kann.
Durch die Möglichkeit, die Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer relativ geringen Frequenz zu betreiben, ist es auf der Elektronikseite zusätzlich möglich, hohe elektrische Wirkungsgrade zu erzielen. Hinzu kommt, dass die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Elektronenquelle einen sehr geringen Leistungsbedarf aufweist.
Bevorzugt ist der Entladungsraum von einer Plasmakammer umgeben. Hierdurch wird ein möglicher Gasverlust minimiert. Insbesondere ist eine Elektrode so gestaltet, dass sie die Plasmakammer bildet.
Bildet eine Elektrode die Plasmakammer, so wird diese bevorzugt als Hohlkathode ausgebildet. Hierdurch ist zum einen eine optimale Geometrie für den Einschluss des Plasmas gebildet und außerdem wird die kapazitive Einkopplung des Hochfrequenzfeldes in das Plasma durch eine derartige Geometrie unterstützt.
Die Ausrichtung des elektrischen Hochfrequenzfeldes bezogen auf die Extraktionsrichtung der Elektronen kann beliebig sein, bevorzugt liegt das elektrische Hochfrequenzfeld aber parallel zur Extraktionsrichtung an. In einer alternativen vorzugsweisen Ausführungsform kann das Feld auch senkrecht zur Extraktionsrichtung anliegen.
Da keine Resonanzeffekte ausgenutzt werden müssen, ist die Entladungsfrequenz in weiten Grenzen frei wählbar und kann somit an die Erfordernisse optimal angepasst werden. Vorzugsweise liegt die Frequenz des elektrischen Hochfreqenzfeldes jedoch zwischen 100 KHz und 50 MHz.
Zur Erzeugung des elektrischen Hochfrequenzfeldes ist vorteilhafterweise zwischen die Elektrode und die Keeper-Elektrode ein Hochfrequenzgenerator (HF-Generator) und hier besonders vorteilhaft ein Radiofrequenzgenerator (RF-Generator) geschaltet, wobei der Anschluss an die Elektroden mittels eines Anpassungsnetzwerkes bewerkstelligt wird. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass es sich bei dem Anpassungsnetzwerk um einen Ringkerntransformator handelt. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann die Feldstärke des elektrischen Hochfrequenzfeldes den Entladebedingungen optimal angepasst werden.
Bei einer Anordnung in der Form, dass die Plasmakammer als Elektrode ausgebildet ist, hat es sich herausgestellt, dass es von Vorteil ist, die Keeper-Elektrode auf den aktiven Ausgang des HF-Generators und die Elektrode auf Massepotential zu legen.
Aus Gründen der elektrischen Abschirmung gegenüber der Umgebung ist es hierbei von Vorteil, dass die Elektrode und die Keeper-Elektrode von einer Schirmelektrode umgeben werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegt die Elektrode am aktiven Ausgang des HF-Generators und die Keeper-Elektrode auf Massepotential. Hier kann die Schirmelektrode entfallen.
Zur Steigerung des Wirkungsgrades der Hochfrequenz-Elektronenquelle kann zwischen den Elektroden zusätzlich zur Beaufschlagung mit dem elektrischen Hochfrequenzfeld eine Gleichspannung angelegt sein. Hiermit wird den Plasmaelektronen der Austritt aus der Elektronenquelle erleichtert.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Gleichspannung aber auch über die Hilfselektroden angelegt werden, wofür diese um den Entladungsraum herum gruppiert werden.
Für die Elektroden kann grundsätzlich jedes geeignete Material gewählt werden, das den Anforderungen an eine solche Elektronenquelle und ihr spezielles Einsatzgebiet gerecht wird. Bevorzugt sind die Elektroden jedoch aus einem metallischen Werkstoff, wie Titan, Molybdän, Wolfram, Stahl, speziellem rostfreien Stahl oder auch aus Aluminium oder Tantal. Als nichtmetallische Werkstoffe kom men besonders Graphit, Kohlenstoffverbundwerkstoffe oder leitfähige Keramiken in Betracht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.
Es zeigt die
Fig. einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Elektronenquelle in einer Ausgestaltung mit einer als Hohlkathode ausgebildeten Plasmakammer und Schirmelektrode.
Die Fig. zeigt die Hochfrequenz-Elektronenquelle 10 mit einer Elektrode 12a, die eine als Hohlkathode ausgebildeten Plasmakammer bildet und den Entladungsraum 11 umgibt. Diese hat einen kreisförmigen Querschnitt und auf der einen Seite einen Gaseinlass 14 für das zu ionisierende Betriebsgas, beispielsweise Xenon. Koaxial am anderen Ende der Plasmakammer angeordnet ist die Extraktionsöffnung 16 zur Entnahme des Plasmas samt Elektronen vorgesehen. Die als Plasmakammer ausgebildete Elektrode 12a ist von der Keeper-Elektrode 12b teilweise umgeben. Letztere ist zusätzlich von einer Schirmelektrode 13 umgeben. Dabei weisen auch die Keeper-Elektrode 12b und die Schirmelektrode 13 koaxial mit der Extraktionsöffnung 16 an der Plasmakammer eine Öffnung auf, um eine Entnahme des Plasmas mit Elektronen zu ermöglichen. Aus Gründen der vollständigen Umschließung der Plasmakammer 12a mit der Schirmelektrode ist der Gaseinlass 14 durch die Schirmelektrode 13 geführt. Zur elektrischen Entkopplung ist der Gaseinlass 14 mittels eines Isolators 15 elektrisch von den Elektroden 12a, 13 getrennt.
Die leitfähigen Bereiche, insbesondere die als Plasmakammer ausgebildete Elektrode 12a, müssen neben ihrer primären Funktion zur Gewährleistung des elektrostatischen Einschlusses der Elektronen weitere Bedingungen erfüllen. Zum einen müssen sie gegenüber dem Plasma resistent sein, um die geforderte Betriebszeit mit vertretbarem Qualitätsverlust zu überdauern, zum anderen dürfen die Einkopplung des elektrischen Hochfrequenzfeldes und die damit einhergehende Aufrechtherhaltung des Plasmas nicht abschirmen. Während des Betriebs treffen laufend Ionen auf der Elektrode 12a auf, was zu einer Erosion führt. Außerdem kann die Temperatur der Hochfrequenz-Elektronenquelle bei 300°-400°C liegen. Bei der Anwendung in der Raumfahrttechnik bestehen zudem relativ strenge Anforderungen an eine Hochfrequenz-Elektronenquelle. So sind für die Anwendung der Hochfrequenz-Elektronenquelle als Neutralisator für Ionentriebwerke in der Raumfahrt derzeit 8000 bis 15000 Stunden Betriebszeit zu garantieren. Hinzu kommt, dass die Hochfrequenz-Elektronenquelle im Hochvakuum betrieben wird, womit der Werkstoff – um nicht auszugasen – einen niedrigen Dampfdruck aufweisen sollte. Letztlich sollte die Hochfrequenz-Elektronenquelle die Startlasten beim Transport der Einrichtung, die eine solche Hochfrequenz-Elektronenquelle aufweist, in den Weltraum überstehen. Hierfür gibt es insbesondere einige metallische und nichtmetallische Werkstoffe, die diesen Anforderungen gerecht werden, so dass die leiffähigen Bereiche, insbesondere die Elektrode 12a, aus Titan, Molybdän, Wolfram, Stahl, Aluminium, Tantal, Graphit, leitfähiger Keramik oder Kohlenstoffverbundwerkstoffen hergestellt sind.
Die Ansteuerung der Elektrode 12a und der Keeper-Elektrode 12b zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes mit der Frequenz von z. B. 1 MHz zur Herstellung eines Plasmas erfolgt über einen Radiofrequenzgenerator 22, der mittels eines Ringkerntransformators 21 über Zuleitungen 21a, 21b an die Elektroden 12a, 12b angeschlossen ist. Dabei liegt die Zuleitung 21a und somit die Plasmakammer 12a auf Massepotential und die Zuleitung 21b und damit auch die Keeper-Elektrode 12b am aktiven Ausgang des Radiofrequenz-Netzes an. Da keine Resonanzeffekte ausgenutzt werden, ist die Entladungsfrequenz in weiten Grenzen frei wählbar, so dass anstelle von 1 MHz auch Werte zwischen 100 KHz bis 50 MHz möglich sind. Zusätzlich zum elektrischen Hochfrequenzfeld liegt über die Zuleitung 21b eine Gleichspannung an der Keeper-Elektrode 12b an. Hierdurch können der Elektronenaustritt aus dem Entladungsplasma erleichtert und der Wirkungsgrad der Elektronenquelle verbessert werden. Um die elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Elektroden zu gewährleisten, sind die Zuleitungen 21a, 21b über weitere Isolatoren 17 gegenüber der Schirmelektrode 13 bzw. der Keeper-Elektrode 12b abgeschirmt.
Zum Zünden des Plasmas strömt das Betriebsgas Xenon über den Gaseinlass 14 in den Entladungsraum 10. Zwischen der als Plasmakammer ausgebildeten Elektrode 12a und der Keeper-Elektrode 12b liegt das elektrische Hochfrequenzfeld an. Dieses wird kapazitiv in den Entladungsraum 11 eingekoppelt. Hierdurch werden die wenigen freien Elektronen, die im Arbeitsgas im thermischen Gleichgewicht vorhanden sind, beschleunigt und stoßionisieren somit bei ausreichender Energie aus dem elektrischen Hochfrequenzfeld das Betriebsgas. Durch diese Ionisation werden wiederum Sekundärelektronen erzeugt, die am Prozess teilnehmen. Es entsteht somit eine Elektronenlawine, die letztendlich zum Plasma führt. Das Plasma im Entladungsraum 11 befindet sich jedoch nicht im thermischen Gleichgewicht, da fast die gesamte Leistung des elektrischen Hochfrequenzfeldes von den Elektronen des Plasmas absorbiert wird und diese aufgrund ihrer geringen Masse im Vergleich zu den Ionen mehr Leistung aufnehmen als die Ionen. Dies hat zur Folge, dass die Elektronentemperatur um mehr als einen Faktor 100 über der Ionen- und Neutralteilchentemperatur liegt.
Durch die Extraktionsöffnung 16 tritt der Xenon-Gasstrahl nach außen. Im vorliegenden Beispiel ist er als Überschall-Jet 30 ausgebildet (schraffiert skizziert). Der Gasstrahl 30 transportiert somit das Hochfrequenz-Plasma nach außen. Dort kann es als Elektronenquelle für die Zündung eines Triebwerkes oder auch als Brücke zur Einkopplung der Elektronen in den Ionenstrahl verwendet werden. Durch ständige Nachlieferung von Betriebsgas über den Gaseinlass wird ständig neues zu ionisierendes Gas nachgeliefert, so dass das System trotz Entnahme eines Teils des Plasmas im Gleichgewicht bleibt.

Claims

Hochfrequenz-Elektronenquelle, insbesondere als Neutralisator einer Ionenquelle, insbesondere eines Ionenantriebs, umfassend einen Entladungsraum (11) mit mindestens einem Gaseinlass (14) für ein zu ionisierendes Gas und mindestens einer Extraktionsöffnung (16) für Elektronen, wobei der Entladungsraum (11) von mindestens einer ersten Elektrode (12a) umgeben ist, der eine zweite Elektrode (12b) zumindest teilweise topfförmig in Extraktionsrichtung vorgelagert ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) ein elektrisches Hochfrequenzfeld anliegt und die zweite Elektrode (12b) weiterhin von einer Schirmelektrode (13) umgeben ist und zwischen der ersten Elektrode (12a) und der zweiten Elektrode (12b) zusätzlich zum elektrischen Hochfrequenzfeld eine Gleichspannung beaufschlagt ist.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum (11) von einer Plasmakammer umgeben ist.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakammer als Elektrode (12a, 12b) ausgebildet ist.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12a) als Hohlkathode ausgebildet ist.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Hochfrequenzfeld parallel zur Extraktionsrichtung der Elektronen angelegt wird.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Hochfrequenzfeld senkrecht zur Extraktionsrichtung der Elektronen angelegt wird.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Hochfrequenzfeld eine Frequenz von 100 KHz bis 50 MHz aufweist.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochfrequenzgenerator, insbesondere ein Radiofrequenzgenerator (22) mit Anpassungsnetzwerk, insbesondere Ringkerntransformator (21) das elektrische Hochfrequenzfeld erzeugt.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (12b) am aktiven Ausgang des Hochfrequenzgenerators (22) anliegt und die erste Elektrode (12a) Massepotential aufweist.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12a) am aktiven Ausgang des Hochfrequenzgenerators (21) anliegt und die zweite Elektrode (12b) Massepotential aufweist.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung zwischen Hilfselektroden anliegt, die am Entladungsraum (11) angebracht sind.
Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12a) und/oder die zweite Elektrode (12b) und/oder die Hilfselektroden aus einem metallischen Werkstoff der Gruppe Titan, Molybdän, Wolfram, Aluminium, Tantal, Stahl oder aus einem nichtmetallischen Werkstoff der Gruppe Graphit, Kohlenstoffverbundwerkstoff, Keramik bestehen.