DE1222589B - Device for generating a space-charge-neutralized beam of charged particles - Google Patents

Device for generating a space-charge-neutralized beam of charged particles

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DE1222589B
DE1222589B DEU8813A DEU0008813A DE1222589B DE 1222589 B DE1222589 B DE 1222589B DE U8813 A DEU8813 A DE U8813A DE U0008813 A DEU0008813 A DE U0008813A DE 1222589 B DE1222589 B DE 1222589B
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John Wilson Flowers
John Sidney Luce
William Leake Stirling
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Description

Vorrichtung zum Erzeugen eines raumladungsneutralisierten Strahles geladener Teilchen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines raumladungsneutralisierten Strahles geladener Teilchen mit einer Ionenquelle und einer Quelle hochenergetischer Elektronen, die nebeneinander auf einer gemeinsamen Symmetrie- und Strahlachse angeordnet sind.Device for generating a space-charge-neutralized beam charged particles The invention relates to a device for generating a space-charge-neutralized particle Beam of charged particles with an ion source and a source of high energy Electrons arranged next to each other on a common symmetry and beam axis are.

Es ist bekannt, eine Raumladungsneutralisation zu bewirken, indem eine Elektronenquelle nahe am Ausgang der Ionenquelle vorgesehen wird, um eine die Ionen umgebende Elektronenwolke zu erzeugen. Es ist infolge der Änderungen der Ionendichte schwierig, immer die richtige Menge und die geeignete räumliche Verteilung der Elektronen zu erhalten. Hierzu kommt, daß Plasmaschwingungen infolge der ungleichförmigen Elektronenverteilung quer zu dem lonenaustrittsstrahl erzeugt werden. Ebenfalls findet bei einer Raumladungsneutralisation am Austrittsende der Ionen aus der Ionenquelle und lediglich nach deren Beschleunigung keine vollständige Neutralisation innerhalb der Vorrichtung statt. Deshalb werden, ehe die Beschleunigung erfolgt, Raumladungskräfte in der Vorrichtung auftreten und den Ionenstrom einschränken, so daß impulsarme Ionen ei-zeugt werden. Der Impuls des neutralisierten Strahles ist aber wichtig bei Verwendung der vorliegenden Ionenquelle für den Ionenantrieb eines Raumschiffs. Wenn die Raumladung nicht vollständig neutralisiert wird, ist der Schub, der mit dem Ionenantrieb erreichbar ist, klein.It is known to effect space charge neutralization by an electron source is provided close to the exit of the ion source to produce a die To generate ions surrounding electron cloud. It is due to the changes in ion density difficult to always have the right amount and the appropriate spatial distribution of electrons to obtain. In addition, the plasma oscillations due to the non-uniform distribution of electrons be generated transversely to the ion exit beam. Also takes place with a space charge neutralization at the exit end of the ions from the ion source and only after its acceleration no complete neutralization takes place within the device. Therefore, Before the acceleration takes place, space charge forces occur in the device and limit the ion current so that low-momentum ions are generated. The impulse of the neutralized beam is important when using the present ion source for the ion propulsion of a spaceship. When the space charge is not completely neutralized the thrust that can be achieved with the ion drive is small.

Es ist bekannt, daß große Schwierigkeiten infolge der Raumladungswirkung dadurch auftreten können, daß infolge einer elektrostatischen Aufweitung des Ionenstrahles eine gute Fokussierung verhindert wird. Die Plasmaphysik kennt viele Anwendungen, für die eine Hochstromionenquelle mit definiertem Ionenstrahl wünschenswert ist. Außer der Verwendung einer solchen Ionenquelle für den Ionenantrieb von Raumfahrzeugen, der oben erwähnt wurde, ist ein anderes bevorzugtes Anwendungsgebiet die Injektion von Ionen in Vorrichtungen, die zur Erzeugung eines energiereichen Plasmas für die Neutronenerzeugung geeignet sind. Ein weiterer Verwendungszweck für eine Ionenquelle ist die Ioneninjektion in Versuchsanordnungen, um die Möglichkeit gesteuerter thermonuklearer Reaktionen zu studieren.It is known that there are great difficulties due to the space charge effect can occur as a result of an electrostatic expansion of the ion beam good focus is prevented. Plasma physics has many applications for which a high current ion source with a defined ion beam is desirable. In addition to the use of such an ion source for the ion propulsion of spacecraft, mentioned above, another preferred area of application is injection of ions in devices that are used to generate a high-energy plasma for the Neutron generation are suitable. Another use for an ion source is ion injection in experimental set-ups to investigate the possibility of controlled thermonuclear Study reactions.

Es ist ein Vakuumgefäß bekannt, in dem sowohl Kanalstrahlen als auch Kathodenstrahlen erzeugt und gegen ein Lenard-Fenster gerichtet werden. Bei dieser bekannten Anordnung ist in einem Raum, der von Kanalstrahlen durchsetzt wird, eine Glühkathode, die Elektronen emittiert, angeordnet. Eine Raumladungsneutralisation der Kanalstrahlen findet dabei nur teilweise statt. Das bekannte Vakuumgefäß dient zur Ausführung chemischer Reaktionen, wobei jenseits des Lenard-Fensters ein Luftstrom vorbeigeleitet wird.A vacuum vessel is known in which both canal rays and Cathode rays are generated and directed against a Lenard window. At this known arrangement is in a space which is penetrated by canal rays, a Hot cathode, which emits electrons, arranged. A space charge neutralization of the canal rays takes place only partially. The well-known vacuum vessel is used to carry out chemical reactions, with an air stream beyond the Lenard window is passed by.

In Anbetracht der Beschränkungen, denen Ionenquellen nach dem Stand der Technik unterworfen sind und im Gegensatz zu der zuletzt genannten bekannten Anordnung, bei der die Raumladungskompensation teilweise in einem Vakuumgefäß erfolgt, besteht die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Erzeugung eines gerichteten, völlig raumladungsneutralisierten Ionenstrahles, der beispielsweise als Antrieb für ein Raumschiff verwendet werden kann.In view of the limitations imposed by prior art ion sources are subject to the technology and in contrast to the latter known Arrangement in which the space charge compensation takes place partially in a vacuum vessel, is the main object of the present invention in the generation of a directed, completely space-charge-neutralized ion beam, which is used, for example, as a drive can be used for a spaceship.

Es wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines raumladungsneutralisierten, gerichteten Strahles geladener Teilchen geschaffen, bei der gemäß der Erfindung der Elektronenstrahl in Richtung des Ionenstrahles gerichtet durch die Ionenquelle und die Ionenextraktionselektrode hindurchtritt und ein gemeinsames magnetisches Führungsfeld für die Ionen-und Elektronenquelle vorgesehen ist, dessen Kraftlinien parallel zur gemeinsamen Strahl- und Symmetrieachse gerichtet sind.A device for generating a space-charge-neutralized, directed beam of charged particles created in accordance with the invention the electron beam is directed in the direction of the ion beam by the ion source and the ion extraction electrode passes through and a common magnetic Guiding field for the ion and electron source is provided, whose lines of force are directed parallel to the common ray and symmetry axis.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. F i g.1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines raumladungsneutralisierten Strahles geladener Teilchen, bestehend aus einer Elektronen-IonenquellenKombination; F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Injektoreinrichtung, in der die Ionenquelle und der Elektronenbeschleuniger, welche in F i g.1 dargestellt sind, für die Erzeugung eines energiereichen, neutralisierten Strahles aus Elektronen und Ionen verwendet wird; F i g. 3 zeigt einen Schnitt einer Injektoreinrichtung in der die in F i g. 1 dargestellte Teilchenquelle zur Erzeugung eines neutralen Plasmas hoher Dichte verwendet wird; - F i g. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Teilchenquelle, welche als Antrieb für Raumschiffe verwendet werden kann; F i g. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Antriebs für Raumschiffe.The invention is explained in more detail, for example, using the figures. F. i g.1 shows schematically a device for generating a space charge neutralized Charged particle beam, consisting of an electron-ion source combination; F i g. 2 shows a section through an injector device in which the ion source and the electron accelerator shown in Fig.1 for the generation an energetic, neutralized beam of electrons and ions is used will; F i g. 3 shows a section of an injector device in which the FIG. 1 illustrated particle source for generating a neutral high density plasma is used; - F i g. 4 shows a schematic view of a particle source, which can be used as a propulsion system for spaceships; F i g. 5 shows a schematic View of another embodiment of a drive for spaceships.

Die genannte Aufgabe wird mit einer gasbeschickten Bogenentladung für die Ionenerzeugung und mit einer Elektronenquelle gelöst, die einen gesteuerten monoenergetischen Elektronenstrahl durch die Bogenentladung schießt. Dadurch wird eine innige Mischung von beschleunigten Ionen und Elektronen innerhalb der Ionenquelle und jenseits der Ionenquelle und eine wirksame Neutralisation der Raumladung erreicht. Die Raumladungsneutralisation in der Ionenquelle und in dem Beschleunigungsspalt wird durch oszillierende Elektronen niederer Energie und die Raumladungsneutralisation in dem aus der Ionenquelle ausgetretenen Strahl wird durch den monoenergetischen Elektronenstrom jenseits des auftrittsseitigen Endes der Ionenquelle bewirkt. Der neutralisierte Strahl kann auf irgendeine gewünschte Energie in einer Dichte beschleunigt werden, die weit über der Grenze dessen liegt, was bisher erzielt wurde. Die Elektronen-Ionenquelle ist gut geeignet für den Antrieb von Raumschiffen, denn durch die Raumladungsneutralisation wird eine Aufladung des Raumfahrzeugs verhindert. Wenn eine der üblichen Ionenquellen auf dem Raumfahrzeug verwendet wird, können die Ionen nach einer gewissen Zeit durch die Aufladung des Raumschiffes von diesem angezogen werden; und das Antriebssystem wird unwirksam.This task is accomplished with a gas-charged arc discharge for ion generation and solved with an electron source that is a controlled shoots a monoenergetic electron beam through the arc discharge. This will an intimate mixture of accelerated ions and electrons within the ion source and beyond the ion source and an effective neutralization of the space charge is achieved. The space charge neutralization in the ion source and in the acceleration gap is caused by oscillating electrons of low energy and space charge neutralization in the beam that has emerged from the ion source is caused by the monoenergetic Electron flow caused beyond the occurrence-side end of the ion source. Of the neutralized beam can be accelerated to any desired energy in a density that is well above the limit of what has been achieved so far. The electron ion source is well suited for the propulsion of spaceships, because of the space charge neutralization the spacecraft is prevented from charging. If one of the usual ion sources is used on the spacecraft, the ions can pass through after a certain time the charge of the spaceship will be attracted to it; and the drive system becomes ineffective.

Die energiereichen Elektronen in der in F i g.1 dargestellten Teilchenquelle werden mit einem Elektronenbeschleuniger erzeugt, der nachfolgend beschrieben wird. Eine Katode 1, die entweder direkt oder indirekt beheizt sein kann, ist mit einer hohlen beidseitig offenen Anode 2 auf einer gemeinsamen Symmetrieachse angeordnet. Aus einer Gasquelle 4 wird ein Gas, beispielsweise Argon, über die Leitung 3 in das Innere der Anode 2 geleitet. Eine Gleichstromquelle 5 mit einet Spannung von 150V ist mittels Leitungen 6 und 7 zwischen die Katode 1 und Anode 2 eingeschaltet. Zwischen der Katode l und der Anode 2 wird eine Gasentladung gezündet. Das Gleichspannungspotential von 150 V liegt an der kleinen Plasmaschicht, die durch den Plasmabogen auf der Oberfläche der Fadenkatode gebildet wird. Auf diese Weise befinden sich die Elektronen in einem elektrischen Feld mit einem sehr steilen Feldgradienten. Diese Anordnung ermöglicht, daß Ionen, die durch die Bogenentladung gebildet werden, Raumladungskräfte neutralisieren, wodurch ein dichter Elektronenstrom 11 bei Verwendung eines geeigneten Beschleunigungspotentials erhalten und durch die Anode 2 geführt werden kann. Die Elektronenschleuder befindet sich in einem starken axialen Magnetfeld von etwa 6000 Gauß, das durch nicht dargestellte Magnetspulen erzeugt wird, so daß der Elektronenstrom 11 scharf gebündelt ist. Die Richtung des Magnetfeldes wird durch den Pfeil H angedeutet: Eine Hochspannungsabschirmung 8 umgibt die Elektronenschleuder. Die Abschirmung erhöht den Wirkungsgrad der Elektronenschleuder und vermindert die durch den elektrischen Durchschlag auftretenden Schwierigkeiten bei hohen Beschleunigungsspannungen. Eine Beschleunigungselektrode 10 ist unmittelbar nach der Abschirmung 8 vorgesehen und ist mit dieser Abschirmung 8 durch eine Leitung 9 elektrisch verbunden. Die Abschirmung 8 und die Elektrode 10 sind mit einer Hochspannungsquelle von etwa 39 bis 43 kV verbunden, welches Potential bezüglich der Ionenquelle negativ ist, wie unten beschrieben werden wird.The high-energy electrons in the particle source shown in FIG. 1 are generated with an electron accelerator, which is described below. A cathode 1, which can be heated either directly or indirectly, is arranged with a hollow anode 2 open on both sides on a common axis of symmetry. A gas, for example argon, is passed from a gas source 4 into the interior of the anode 2 via the line 3. A direct current source 5 with a voltage of 150V is connected between the cathode 1 and anode 2 by means of lines 6 and 7. A gas discharge is ignited between the cathode 1 and the anode 2. The direct voltage potential of 150 V is applied to the small plasma layer that is formed by the plasma arc on the surface of the filament cathode. In this way the electrons are in an electric field with a very steep field gradient. This arrangement enables ions formed by the arc discharge to neutralize space charge forces, whereby a dense electron stream 11 can be obtained and passed through the anode 2 using a suitable accelerating potential. The electron gun is located in a strong axial magnetic field of about 6000 Gauss, which is generated by magnetic coils, not shown, so that the electron stream 11 is sharply focused. The direction of the magnetic field is indicated by the arrow H: A high-voltage shield 8 surrounds the electron gun. The shielding increases the efficiency of the electron centrifuge and reduces the difficulties caused by electrical breakdown at high acceleration voltages. An acceleration electrode 10 is provided immediately after the shield 8 and is electrically connected to this shield 8 by a line 9. The shield 8 and the electrode 10 are connected to a high voltage source of about 39 to 43 kV, which potential with respect to the ion source is negative, as will be described below.

Die Elektronenschleuder erzeugt einen parallelen Elektronenstrahl mit einer maximalen Energie von 5 keV einer Stromstärke von 1 A und mit einem Durchmesser von 0,635 cm. Dieser entspricht einer Teilchendichte von 5. 1010/cm2 oder einer Stromdichte 5 A/cm2.The electron spinner creates a parallel electron beam with a maximum energy of 5 keV, a current of 1 A and with a diameter of 0.635 cm. This corresponds to a particle density of 5.1010 / cm2 or one Current density 5 A / cm2.

Nun wird die Anordnung zum Erzeugen der Ionen in der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung beschrieben. Eine hohlzylindrische Wolframkatode 16 ist in einer Endplatte 12 befestigt. Eine hohlzylindrische Anode 17 befindet sich in einem röhrenförmigen Teil 14. Der Teil 14 ist an jedem Ende mit Flanschen versehen. Ein ringförmiger Isolator 13 ist zwischen der Endplatte 12 ünd einem Endflansch des Teils 14 angeordnet. Eine ringförmige Abschirmung 15, die die Katode 16 umgibt, befindet sich innerhalb des ringförmigen Isolators 13. Der Teil 14 ist mit einem inneren, verbreiterten Abschnitt versehen, der die Anode 16, wie dargestellt, eng umschließt, um zu verhindern, daß Ionen aus der Bogenentladung in den Raum, in dem sich die Abschirmung 15 befindet, eintreten. Die Katode 16 und die Anode 17 sind gleichachsig mit den Elektroden der Elektronenschleuder angeordnet. Eine ringförmige Endplatte 20 mit einem Wolframeinsatz 21 ist auf dem äußeren Endflansch des Teils 14 befestigt. Die Platten 12 und 20 sind mit nicht dargestellten Gleichstromquellen mit Spannungen von 99,85 bzw. 100 keV verbunden. Eine ringförmige Elektrode 22 ist jenseits der Endplatte 20 angeordnet. Diese Elektrode 22 ist isoliert angeordnet, und deshalb ist deren elektrisches Potential unbestimmt. Das Gas, welches beispielsweise Deuterium sein kann, wird von einer Quelle 19 über ein Rohr 18 zu dem Inneren der Anode 17 geleitet. Ein Rückstromgasentladungsbogen 23 wird zwischen der Katode 16 und er Anode 17 in der Weise gezündet. Das axiale magnetische Feld von 6000 Gauß, in dem sich die Elektronenschleuder befindet, schließt ebenfalls die Ionenquelle ein. Die Elektronenschleuder und die Ionenquelle sind beide in einer Kammer (nicht dargestellt) eingeschlossen, die auf einen Druck von etwa 3.10-5 mm Hg evakuiert ist. Die Ionenquelle erzeugt einen Ionenstrahl mit einer Stromstärke von 0,5 A und einer Energie von 6 keV unter Verwendung von Deuterium als Gas. Die energiereichen Elektronen 11 aus der Elektronenquelle werden durch die Mitte des Rückstromentladungsbogens 23 geschossen. Es findet eine innige Mischung der beschleunigten Ionen und der Elektronen innerhalb der Zonenquelle und dem Beschleunigungsspalt infolge der Elektronenschwingungen innerhalb der Quelle und ebenso eine innige Mischung der beschleunigten Ionen und der beschleunigten Elektronen über das Austrittsende aus der Ionenquelle hinaus statt, da energiereiche Elektronen in den austretenden Zonenstrahl gelangen. Auf diese Weise wird eine wirksame Raumladungsneutralisation innerhalb und nach der Zonenquelle bewirkt. Eine Beschleunigungselektrode 24, die geerdet ist, ist zum Abziehen der Ionen aus der Quelle durch die Endplatte 20 und die Elektrode 22 vorgesehen. Einige der Elektronen aus dem energiereichen Elektronenstrom 11 werden die Beschleunigungselektrode erreichen und eine hinreichende Energie besitzen, um durch diese Elektrode zusammen mit den Ionen aus der Zonenquelle auszuströmen und dadurch einen neutralisierten Strahl 25 aus Elektronen und Ionen zu erzeugen. Dadurch, daß die Raumladungsneutralisation innerhalb des Bogenspaltes geschaffen wird, ist der Ausgangsstrom des Strahles 25 wesentlich größer als einer, der mit einer üblichen Zonenquelle erhalten wird, da die Emission aus einer üblichen Zonenquelle durch die Raumladungskräfte begrenzt ist. Die isolierte Elektrode 22 wird als eine Abschirmelektrode verwendet, und es wurde gefunden, daß die Anordnung dieser Elektrode ebenfalls den Ausgangsstrom des neutralisierten Strahles 25 erhöht. Die relativ kalten Elektronen der Bogenentladung 23 und diejenigen des energiereichen Strahles 11, welche durch Stoßvorgänge verlangsamt werden, besitzen keine ausreichende Energie, um durch die Elektrode 24 hindurchgeleitet zu werden, da diese Elektrode die Elektronen mit niederer Energie reflektiert. Diese Elektronen oszillieren zwischen der Elektrode 24 und der Katode 16. Die oszillierenden Elektronen werden für die Raumladungsneutralisation innerhalb der Zonenquelle und dem Beschleunigungsspalt, wie oben ausgeführt wurde, ausgenützt. Es wird festgestellt, daß die Elektronen und Ionen in der Zonenquelle denselben magnetischen und elektrostatischen Feldern ausgesetzt sind. Durch entsprechende Steuerung der Dichte des gesamten Elektronenstroms wird der resultierende Strahl immer neutralisiert. Eine Raumladungsneutralisation findet innerhalb der Zonenquelle und in dem Beschleunigungsspalt sowie jenseits der Beschleunigungselektrode statt.The arrangement for generating the ions will now be described in the manner shown in FIG. 1 described device shown. A hollow cylindrical tungsten cathode 16 is fastened in an end plate 12. A hollow cylindrical anode 17 is located in a tubular part 14. The part 14 is flanged at each end. An annular insulator 13 is disposed between the end plate 12 and an end flange of the part 14 . An annular shield 15 surrounding the cathode 16 is located within the annular insulator 13. The portion 14 is provided with an inner, enlarged portion which tightly encloses the anode 16, as shown, to prevent ions from escaping from the Arc discharge into the space in which the shield 15 is located. The cathode 16 and the anode 17 are arranged coaxially with the electrodes of the electron gun. An annular end plate 20 with a tungsten insert 21 is mounted on the outer end flange of the part 14. The plates 12 and 20 are connected to direct current sources (not shown) with voltages of 99.85 and 100 keV, respectively. An annular electrode 22 is disposed beyond the end plate 20. This electrode 22 is arranged in an insulated manner, and therefore its electrical potential is indeterminate. The gas, which can be, for example, deuterium, is conducted from a source 19 via a tube 18 to the interior of the anode 17 . A reverse gas discharge arc 23 is ignited between the cathode 16 and the anode 17 in the manner. The axial magnetic field of 6000 Gauss in which the electron ejector is located also includes the ion source. The electron gun and the ion source are both enclosed in a chamber (not shown) which is evacuated to a pressure of about 3.10-5 mm Hg. The ion source generates an ion beam with a current of 0.5 A and an energy of 6 keV using deuterium as the gas. The energetic electrons 11 from the electron source are shot through the center of the return current discharge arc 23. There is an intimate mixture of the accelerated ions and the electrons within the zone source and the acceleration gap as a result of the electron oscillations within the source and also an intimate mixture of the accelerated ions and the accelerated electrons beyond the exit end of the ion source, since energetic electrons in the exiting ones Zone beam arrive. In this way, an effective space charge neutralization is brought about within and after the zone source. An accelerating electrode 24, which is grounded, is provided through end plate 20 and electrode 22 for drawing the ions from the source. Some of the electrons from the high-energy electron stream 11 will reach the acceleration electrode and have sufficient energy to flow out through this electrode together with the ions from the zone source and thereby generate a neutralized beam 25 of electrons and ions. Because the space charge neutralization is created within the arc gap, the output current of the beam 25 is substantially greater than that obtained with a conventional zone source, since the emission from a conventional zone source is limited by the space charge forces. The insulated electrode 22 is used as a shield electrode, and it has been found that the arrangement of this electrode also increases the output current of the neutralized beam 25. The relatively cold electrons of the arc discharge 23 and those of the high-energy beam 11, which are slowed down by impact processes, do not have sufficient energy to be passed through the electrode 24, since this electrode reflects the electrons with low energy. These electrons oscillate between the electrode 24 and the cathode 16. The oscillating electrons are used for the space charge neutralization within the zone source and the acceleration gap, as explained above. It is found that the electrons and ions in the zone source are exposed to the same magnetic and electrostatic fields. By appropriately controlling the density of the entire electron flow, the resulting beam is always neutralized. Space charge neutralization takes place within the zone source and in the acceleration gap as well as beyond the acceleration electrode.

Der neutralisierte Strahl einer Anordnung nach F i g.1 kann für einen Injektor verwendet werden, um das Strahlenbündel in eine neutronenerzeugende Plasmavorrichtung zu injizieren. Um ein Plasma hoher Dichte in einer solchen Vorrichtung zu erhalten, soll die Dichte der injizierten Ionen so groß wie möglich sein, beispielsweise etwa 109/cm3 bei 600 keV. Bei Anwendung der in F i g.1 dargestellten Vorrichtung für einen solchen Injektor ist es möglich, eine solche Dichte zu erhalten, die andererseits unmöglich mit üblichen Zonenquellen erreicht werden kann, da die elektrostatischen Kräfte, die aus den Raumladungen resultieren, den Strahl auseinandertreiben. F i g. 2 zeigt, wie die Zonenquelle in F i g.1 für einen einen neutralisierten Strahl injizierenden Injektor verwendet werden kann. Ein Elektronenversorgungsrohr 27 trägt eine indirekt beheizte Fadenelektrode 28, die im axialen Abstand von einer hohlen beidseitig offenen Anode 29 angeordnet ist. Der Elektronenstrom 50 aus der Elektronenquelle wird durch eine Vielzahl von ringförmigen elektromagnetischeu Spulen 52, 53, 54, 55 und 56, hierauf durch die Zonenquelle, die unten beschrieben wird, dann durch eine Vielzahl von Magnetspulen 58, 59, 60 und 61 und schließlich durch ein abgeschirmtes Injektionsrohr 49 geleitet. Die Zonenquelle wird von einer Magnetspule 57 umschlossen. Die Spulen 52 bis 61 wirken als Kollimatorspulen, deren Feldstärke etwa 6000 Gauß in der Spulenmitte und etwa 2000 Gauß in dem Spalt zwischen den einzelnen Spulen beträgt. Die Feldrichtung wird durch den Pfeil H angedeutet.The neutralized beam of an arrangement according to FIG. 1 can be used for one Injector used to transfer the beam into a neutron generating plasma device to inject. To obtain a high density plasma in such a device, the density of the injected ions should be as great as possible, for example about 109 / cm3 at 600 keV. When using the device shown in F i g.1 for such an injector it is possible to obtain such a density that on the other hand impossible to achieve with conventional zone sources, since the electrostatic Forces resulting from the space charges drive the beam apart. F i G. Figure 2 shows how the zone source in Figure 1 applies to a neutralized beam injecting injector can be used. An electron supply tube 27 carries an indirectly heated thread electrode 28, which is axially spaced from a hollow anode 29 open on both sides is arranged. The electron flow 50 from the electron source is driven by a plurality of ring-shaped electromagnetic coils 52, 53, 54, 55 and 56, then by the zone source described below a plurality of solenoids 58, 59, 60 and 61 and finally by a shielded Injection tube 49 passed. The zone source is enclosed by a magnetic coil 57. The coils 52 to 61 act as collimator coils, the field strength of which is about 6000 Gauss in the center of the coil and about 2000 Gauss in the gap between the individual coils amounts to. The direction of the field is indicated by the arrow H.

Die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung ist in einer Vakuumkammer 30 eingeschlossen. Diese Kammer 30 wird aus dem Teil 31, einer ringförmigen Platte 32, einer röhrenförmigen Isolation 33, einer Ringplatte 38, einem Rohr 63, einer Ringplatte 40, einer röhrenförmigen Isolierung 41, einer Ringplatte 46 und einem Vakuumstutzen 47 gebildet. Der Teil 31 ist mit zwei Vakuumpumpen 26 und 26' verbunden. Der Vakuumstutzen 47 ist an zwei Vakuumpumpen 48 und 48' angeschlossen. Die Kammer 30 wird durch die Pumpen 26, 26', 48, 48' auf einen Druck von etwa 3 - 10-5 mm Hg evakuiert.The in F i g. The device shown in FIG. 2 is in a vacuum chamber 30 included. This chamber 30 is made up of part 31, an annular plate 32, a tubular insulation 33, an annular plate 38, a tube 63, a Ring plate 40, a tubular insulation 41, a ring plate 46 and a Vacuum nozzle 47 is formed. The part 31 is connected to two vacuum pumps 26 and 26 '. The vacuum port 47 is connected to two vacuum pumps 48 and 48 '. The chamber 30 is pressurized by the pumps 26, 26 ', 48, 48' to a pressure of about 3 - 10-5 mm Hg evacuated.

Die Spulen 52 bis 56 und 58 bis 61 sind in Metallgehäusen eingeschlossen. Die Gehäuse rund um die Spulen 52 und 53 sind an das Null-Potential mittels elektrischer Leitungen, die nicht dargestellt sind, angeschlossen. Die Gehäuse um die Spulen 54, 55 und 56 sind über Teile 34 und 35 und nicht dargestellte elektrische Leitungen mit Gleichspannungswellen von 150, 300 und 450 kV angeschlossen. Die oberen und unteren Platten der Zonenquelle sind über Teile 38 und 40 und nicht dargestellte elektrische Leitungen mit Gleichspannungsquellen von 599,85 und 600 kV verbunden. Die Gehäuse rund um die Spulen 58, 59 und 60 sind über Teile 42 und 43 und elektrische Leitungen (nicht dargestellt) mit Gleichspannungsquellen von 450, 300 und 150 kV verbunden. Das Gehäuse um die Spule 61 ist an das Null-Potential mittels nicht dargestellter Leitungen angeschlossen. Eine Abschirmung 62 ist am Ausgangsende der Spule 61 angeordnet, um zu gewährleisten, daß der Elektronen-Ionenstrahl 51 in das Injektorrohr 49 eintritt.The coils 52 to 56 and 58 to 61 are enclosed in metal housings. The housings around the coils 52 and 53 are connected to zero potential by means of electrical Lines that are not shown connected. The casing around the coils 54, 55 and 56 are via parts 34 and 35 and electrical lines, not shown connected with direct voltage waves of 150, 300 and 450 kV. The top and Lower plates of the zone source are via portions 38 and 40 and not shown electrical lines connected to DC voltage sources of 599.85 and 600 kV. The housings around the coils 58, 59 and 60 are via parts 42 and 43 and electrical Lines (not shown) with direct voltage sources of 450, 300 and 150 kV tied together. The housing around the coil 61 is at the zero potential by means of not shown Lines connected. A shield 62 is placed at the output end of the coil 61, to ensure that the electron ion beam 51 enters the injector tube 49.

Der Spannungsabfall zwischen den Spulen 53 bis 56 beschleunigt die Elektronen aus der Elektronenquelle zuerst, und der Spannungsabfall zwischen den Spulen 58 bis 61 verzögert die Elektronen, nachdem sie durch die Zonenquelle hindurchgeleitet wurden. Der Spannungsabfall zwischen den Spulen 58 bis 61 beschleunigt andererseits die Ionen aus der Zonenquelle, so daß der Strahl 51 aus Elektronen und Ionen aus dem Rohr 49 mit im wesentlichen homogener Geschwindigkeit ausgestoßen wird.The voltage drop between the coils 53 to 56 accelerates the Electrons from the electron source first, and the voltage drop between the Coils 58-61 decelerate the electrons after they have passed through the zone source became. The voltage drop between the coils 58 to 61, on the other hand, accelerates the ions from the zone source, so that the beam 51 is made up of electrons and ions ejected from tube 49 at a substantially homogeneous rate.

Dieser Strahl 51 wird im wesentlichen raumladungsneutralisiert sein. Um zu verhindern, daß die Potentialunterschiede zwischen den Spulen, die isolierenden Teile 33 und 41 durchschlagen, sind Abschirmungen 36 oberhalb der Zonenquelle zum Schutze des Teils 33 und Abschirmungen 44 unterhalb der Zonenquelle zum Schutze des Teils 41 vorgesehen.This beam 51 will be essentially space charge neutralized. To prevent the potential differences between the coils, the insulating Parts 33 and 41 penetrate, shields 36 are above the zone source for Protective part 33 and shields 44 below the zone source for protection of part 41 is provided.

Die Zonenquelle nach F i g. 2 besitzt eine hohlzylindrische Katode 65, eine hohlzylindrische Anode 66 und eine Beschleunigungselektrode 64. Das Gas wird in das Innere der Anode 66 durch ein Beschickungsrohr 67 zugeführt. Die Beschleunigungselektrode 64 ist mit einer Beschleunigungsspannungsquelle, die nicht dargestellt ist, von etwa 560 kV verbunden. Die Elektroden 28, 29, 65, 66 und 64, die Spulen 52 bis 56, die Spulen 58 bis 61 und das Rohr 49 sind alle in axialer Flucht um eine gemeinsame Achse angeordnet, und diese Achse verläuft parallel zur Richtung des magnetischen Feldes H.The zone source of FIG. 2 has a hollow cylindrical cathode 65, a hollow cylindrical anode 66 and an accelerating electrode 64. The gas is fed into the interior of the anode 66 through a feed pipe 67. The accelerating electrode 64 is connected to an accelerating voltage source, not shown, of FIG about 560 kV connected. the Electrodes 28, 29, 65, 66 and 64, the Coils 52 to 56, coils 58 to 61 and tube 49 are all in axial alignment arranged around a common axis, and this axis is parallel to the direction of the magnetic field H.

Eine Bogenentladung wird in der Ionenquelfe, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, in derselben Weise erhalten, wie sie im Zusammenhang mit der F i g. 1 beschrieben wurde. Die Dichte des Elektronenstroms `50 wird so gesteuert, daß im wesentlichen eine voll--ständige Raumladungsneutralisation des Austrittsstrahles 51 erfolgt. Deshalb erzeugt die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung einen energiereichen neutralisierten Strahl aus Elektronen und Ionen. Der in F i g. 2 dargestellte Injektor ist besonders für die Injektion von zwei oder mehr Arten von Molekülionen in Plasmavorrichtungen geeignet, die Ionen erzeugen. Da der Strahl in F i g. 2 über die ganze Länge des Injektors gerade verläuft, können sowohl zweiatomige als auch dreiatomige Ionen, die in der Ionenquelle erzeugt werden, gleichzeitig in solche Plasmavorrichtungen injiziert werden.An arc discharge is generated in the ion source as shown in FIG. 2 shown is obtained in the same way as in connection with FIG. 1 described became. The density of the electron stream `50 is controlled so that substantially a complete space charge neutralization of the exit beam 51 takes place. Therefore, the in FIG. 2 device shown a high-energy neutralized Beam of electrons and ions. The in F i g. The injector shown in FIG. 2 is special for the injection of two or more kinds of molecular ions into plasma devices capable of generating ions. Since the beam in FIG. 2 over the entire length of the Injector runs straight, both diatomic and triatomic ions, which are generated in the ion source, at the same time in such plasma devices injected.

Es kann wünschenswert sein, einen neutralisierten Plasmastrahl-Injektor höherer Dichte zu erhalten. Dies kann durch Elimination einiger der Beschleunigungs- und Verzögerungsstufen, die in F i g. 2 dargestellt sind, sowie durch Verwendung geringerer _Beschleunigungs- und Verzögerungsspannungen er-. reicht werden. Eine solche Vorrichtung ist in F i g. 3 dargestellt. Ein Rohr 85, das eine indirekt beheizte Fadenelektrode 86 trägt, ist in einer Endplatte 72 angeordnet. Eine hohlzylindrische Anode 87 ist im Abstand von der Fadenelektrode 86 und gleichachsig mit dieser angeordnet. Die Elektronenquelle erzeugt einen Elektronenstrahl 74. Die- in F i g. 3 dargestellte Ionenquelle besitzt eine ringförmige Endplatte 91, in .der eine hohlzylindrische Katode 82 gehalten wird, ..eine hohlzylindrische Anode 83, die mit einer Gasquelle über eine Versorgungsleitung 84 verbunden ist, eine ringförmige Endplatte 92, eine Beschleunigungselektrode 71 und eine Magnetspule 89, die die Katode 82 und die Anode 83 umgibt. Eine Magnetspule 88 ist auf der Platte 72 befestigt und umgibt -die Fadenkatode 86 und die Anode 87 der Elektronenquelle. Der Raum zwischen der Spule 88 und der Endplatte 91 wird von einer ringförmigen Abschir-=mung 77 eingeschlossen. Eine Magnetspule 90 ist im axialen Abstand von der Beschleunigungselektrode '71 angeordnet und auf der Endplatte 73 befestigt. Der Raum zwischen der Spule 90 und der Platte 92 wird von einer ringförmigen Abschirmung 76 um-_ geben. Die Spulen 88, 89 und 90 erzeugen ein magnetisches Kollimatorfeld; dessen- Richtung durch den Pfeil H angedeutet ist und dessen Feldstärke etwa 6000 Gauß in der Spulenmitte und etwa 2000 Gauß in den Spalten zwischen den Spulen beträgt. Die Elektroden 86 und 87, 82, 83 und 71 und die Spulen 88, 89 und 90 sind gleichachsig angeordnet, und diese Achse verläuft parallel zu der Richtung des magnetischen Feldes H.It may be desirable to have a neutralized jet plasma injector higher density. This can be done by eliminating some of the acceleration and delay stages shown in FIG. 2, as well as by use lower acceleration and deceleration voltages. be enough. One such a device is shown in FIG. 3 shown. A tube 85 that has an indirectly heated Thread electrode 86 carries is arranged in an end plate 72. A hollow cylindrical one Anode 87 is arranged at a distance from the thread electrode 86 and coaxially therewith. The electron source generates an electron beam 74. The figures shown in FIG. 3 shown Ion source has an annular end plate 91, in .der a hollow cylindrical Cathode 82 is held .. a hollow cylindrical anode 83, which is connected to a gas source connected via a supply line 84, an annular end plate 92, a Accelerating electrode 71 and a solenoid 89 that form the cathode 82 and the anode 83 surrounds. A magnetic coil 88 is attached to the plate 72 and surrounds the thread cathode 86 and the anode 87 of the electron source. The space between the coil 88 and the End plate 91 is enclosed by an annular shield 77. A solenoid 90 is arranged at an axial distance from the acceleration electrode '71 and on attached to the end plate 73. The space between the coil 90 and the plate 92 becomes of an annular shield 76 um-_. The coils 88, 89 and 90 generate a collimator magnetic field; the direction of which is indicated by the arrow H. and its field strength about 6000 Gauss in the center of the coil and about 2000 Gauss in the Gaps between the coils is. The electrodes 86 and 87, 82, 83 and 71 and the coils 88, 89 and 90 are coaxially arranged, and this axis runs parallel to the direction of the magnetic field H.

Ein Teil 78 ist mit der Platte 72 und ein Teil 79 mit der Platte 91-fest verbunden. Diese Teile 78 und 79 sind mit Flanschen, wie dargestellt, versehen, um Öffnungen zu bildeng die an nicht dargestellte Vakuumpumpen angeschlossen sind. Ein Teil 80 ist mit der Platte 92 und ein Teil 81 mit der Platte 73 verbunden. Diese Teile 80 und 81 sind mit Flanschen, wie dargestellt, versehen, um Öffnungen zu bilden, die mit Vakuumpumpen (nicht dargestellt) kommunizieren. Der Raum innerhalb der Vorrichtung, die in F i g. 3 dargestellt ist, wird durch diese Pumpen auf einen Druck von etwa 3 - 10-5 mm Hg evakuiert. Die Platten 72 und 73 sind mittels nicht dargestellter Einrichtungen auf Null-Potential gehalten. Die Platten 91 und 92 sind an Spannungsquellen von etwa 99,85 und 100 kV mittels nicht dargestellter Leitungen angeschlossen, und die Beschleunigungselektrode 71 ist mit einer Spannungsquelle mittels nicht dargestellter Einrichtungen von etwa 60 kV verbunden.A part 78 is firmly connected to the plate 72 and a part 79 to the plate 91. These parts 78 and 79 are flanged as shown to form openings which are connected to vacuum pumps, not shown. A part 80 is connected to the plate 92 and a part 81 to the plate 73. These parts 80 and 81 are flanged as shown to form openings which communicate with vacuum pumps (not shown). The space within the device shown in FIG. 3 is evacuated by these pumps to a pressure of about 3 - 10-5 mm Hg. The plates 72 and 73 are held at zero potential by means of devices not shown. The plates 91 and 92 are connected to voltage sources of about 99.85 and 100 kV by means of lines not shown, and the accelerating electrode 71 is connected to a voltage source by means of devices not shown of about 60 kV.

Die Vorrichtung, die in F i g. 3 dargestellt ist, arbeitet in der gleichen Weise wie die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung, mit Ausnahme, daß viel geringere Beschleunigungs- und Verzögerungspotentiale verwendet werden. Der resultierende Strahl 75 der Elektronen und Ionen ist im wesentlichen vollständig raumladungsneutralisiert und besitzt eine wesentlich höherere Dichte als sie mit der Vorrichtung, die in F i g. 2 dargestellt ist, erzeugt werden kann. Durch die Erzeugung eines neutralen Plasmas hoher Dichte ist es möglich, ein solches Plasma quer zu den Magnetfeldlinien in eine Vorrichtung zu injizieren, die zur Erzeugung von einem sehr dichten Plasma 1 für die Neutronenproduktion dient.The device shown in FIG. 3 operates in the same way as that in Fig. 2, except that much lower acceleration and deceleration potentials can be used. The resulting Beam 75 of electrons and ions is essentially completely neutralized in space charge and has a much higher density than with the device shown in F i g. 2 is shown, can be generated. By creating a neutral High density plasmas make it possible to create such a plasma across the magnetic field lines to inject into a device designed to generate a very dense plasma 1 is used for neutron production.

Ein neutralisierter Elektronen-Ionenstrahl kann in einem variablem Schubsystem für den Antrieb von Raumfahrzeugen verwendet werden. Eine solche Anordnung ist in F i g. 4 dargestellt. Diese in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung ist der in F i g.1 gezeigten ähnlich, mit Ausnahme, daß eine unterschiedliche Elektronenquelle verwendet wird. Bei der in F i g. 4 dargestellten Elektronenquelle ist eine hohlzylindrische Katode 98 in einem Trägerteil 97 angeordnet. Gas wird aus einer Gasquelle 95 durch ein Rohr 96 und eine Leitung in dem Teil 97 und eine Leitung in dem Teil 97 zu dem Inneren der Katode 98 geleitet. Eine hohlzylindrische Anode 99 ist im Abstand von und gleichachsig mit der Katode 98 angeordnet. Eine Stromquelle 100 mit einer Spannung von etwa 150 V ist zwischen die Katode 98 und die Anode 99 mittels Leitungen 101 und 102 geschaltet. Ein magnetisches, axiales Kollimatorfeld wird bei der in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung mittels nicht dargestellter Spulen erhalten, und die Richtung des Magnetfeldes ist durch den Pfeil H angedeutet. Zwischen der Katode 98 und der Anode 99 wird ein Bogen aufrechterhalten. Die Elektronenquelle in F i g. 4 erzeugt einen Elektronenstrahl 103 von etwa 3 A bei einem Beschleunigungspotential von 2,5 kV. Die Beschleunigung der Elektronen aus der Elektronenquelle wird durch eine Beschleunigungselektrode (nicht dargestellt) in ähnlicher Weise erhalten, wie es im Zusammenhang mit der F i g.1 beschrieben wurde.A neutralized electron-ion beam can be in a variable Thrust system used for propulsion of spacecraft. Such an arrangement is in Fig. 4 shown. These in FIG. 4 shown device is the similar to those shown in Fig. 1, except that a different electron source is used. In the case of the in FIG. 4 shown electron source is a hollow cylindrical Cathode 98 is arranged in a carrier part 97. Gas is passed through from a gas source 95 a pipe 96 and a conduit in the part 97 and a conduit in the part 97 to the Inside the cathode 98 passed. A hollow cylindrical anode 99 is spaced apart by and arranged coaxially with the cathode 98. A power source 100 with a voltage of about 150 V is between the cathode 98 and the anode 99 by means of lines 101 and 102 switched. A magnetic, axial collimator field is used in the in F i G. 4 is obtained by means of coils not shown, and the direction of the magnetic field is indicated by the arrow H. Between the cathode 98 and the anode 99 an arc is maintained. The electron source in F i G. 4 generates an electron beam 103 of about 3 A at an accelerating potential of 2.5 kV. The acceleration of the electrons from the electron source is due to an accelerating electrode (not shown) can be obtained in a similar manner as it was described in connection with FIG. 1.

In der in F i g. 4 dargestellten Ionenquelle ist eine hohlzylindrische Wolframkatode 109 in einer ringförmigen Endplatte 105 befestigt. Eine hohlzylindrische Kohlenanode 110 ist innerhalb eines ringförmigen Teils 108 angeordnet. Der Teil 108 besitzt Flansche an seinen beiden Enden. Der Flanschteil an einem Ende des Teils 108 wird von einer Isolation 106 gehalten, die ihrerseits von der Endplatte 105 getragen wird. Eine ringförmige Abschirmung 107 ist inner-.halb des Teils 106 an diesem befestigt. Die Abschirmung 107 umschließt die Katode 109 eng. Der Flansch an dem anderen Ende des Teils 108 ist mit einer ringförmigen Endplatte 113 verbunden. Die .Platte 113 besitzt einen ringförmigem Wolframeinsatz 114. Eine ringförmige Elektrode 115 ist unmittelbar neben der Endplatte 113 angeordnet. Eine Beschleunigungselektrode 116 ist jenseits der Elektrode 115 vorgesehen und auf Null-Potential gehalten. Gas aus der Gasquelle 19 wird durch ein Rohr 112 in das Innere der Anode 110 geleitet.In the in F i g. 4, a hollow cylindrical tungsten cathode 109 is fastened in an annular end plate 105. A hollow cylindrical carbon anode 110 is arranged within an annular part 108. The part 108 has flanges at both ends. The flange portion at one end of portion 108 is held in place by insulation 106, which in turn is supported by end plate 105. An annular shield 107 is attached to the part 106 inside. The shield 107 closely encloses the cathode 109. The flange at the other end of part 108 is connected to an annular end plate 113. The plate 113 has an annular tungsten insert 114. An annular electrode 115 is arranged directly next to the end plate 113. An acceleration electrode 116 is provided on the other side of the electrode 115 and held at zero potential. Gas from the gas source 19 is fed into the interior of the anode 110 through a tube 112.

Zum Verschließen der Öffnung in der Platte 105, wenn die Elektronenquelle nicht gebraucht wird, ist ein Verschluß 104 vorgesehen. Die Elektronenquelle und die Ionenquelle der Anordnung, wie sie in F i g. 4 dargestellt sind, sind in einem geeigneten Gehäuse eingeschlossen. Wenn die Vorrichtung nach dieser Figur in einem Raumschiff Verwendung findet, kommuniziert der Austrittskanal des Gehäuses mit Bereichen, in denen der vernachlässigbare Atmosphärendruck des Weltenraums herrscht, so daß das Gehäuse auf die Weise auf den in dem Außenraum herrschenden Druck evakuiert wird. Wenn die in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung für andere Zwecke verwendet wird, kann das Gehäuse auf einen Druck von etwa 3 - 10-s mm Hg vermittels nicht dargestellter Pumpen in derselben Weise, wie es im Zusammenhang mit der F i g.1 beschrieben wurde, evakuiert werden. Die Elektroden 98, 99, 109 und 110 sind auf einer gemeinsamen Achse hintereinander angeordnet, und diese Achse verläuft parallel zur Richtung des Magnetfeldes H. Eine Bogenentladung 111 wird in der Ionenquelle in derselben Weise gezündet, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde. Der Elektronenstrahl 103 ist auf diese Bogenentladung 111 gerichtet, so daß im wesentlichen eine vollständige Raumladungsneutralisation an allen Stellen innerhalb und jenseits der Ionenquelle stattfindet, um auf diese Weise einen raumladungsneutralisierten Strahl 117 aus Elektronen und Ionen in derselben Weise zu erzeugen, wie es im Zusammenhang mit der F i g.1 beschrieben wurde.To close the opening in the plate 105 when the electron source is not needed, a shutter 104 is provided. The electron source and the ion source of the arrangement as shown in FIG. 4 are shown in a suitable housing included. If the device according to this figure in a Spacecraft is used, the outlet duct of the housing communicates with areas in which the negligible atmospheric pressure of space prevails, so that the housing is evacuated in this way to the pressure prevailing in the external space will. If the in F i g. 4 is used for other purposes the housing cannot pressurize about 3 - 10-s mm Hg by means of a pressure pumps shown in the same way as in connection with the F i g.1 must be evacuated. Electrodes 98, 99, 109 and 110 are on a common axis arranged one behind the other, and this axis is parallel to the direction of the magnetic field H. An arc discharge 111 is generated in the ion source ignited in the same way as was described in connection with FIG. The electron beam 103 is directed at this arc discharge 111, so that essentially a complete space charge neutralization at all points inside and beyond the ion source takes place in order in this way a space charge-neutralized Create beam 117 from electrons and ions in the same way as it is related with the Fig. 1 was described.

Die Größe des Schubs, der durch eine in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung erhalten wird, ist direkt abhängig von der Art der Atome, welche in das Innere der Anode 110 zur Ionisation eingeführt werden. Bei der Elimination der Raumladungswirkung durch Neutralisation in dem gesamten Antriebssystem können Ionen verschiedener Massen und Energien verwendet werden, um auf diese Weise einen Antriebsmotor mit verschiedenen definierten Schubwirkungen zu schaffen. Andererseits wird der optimale Schub unter verschiedenen Bedingungen erreicht. Bei üblichen Ionenquellen ist die Wahl der den Schub bewirkenden Ionenart begrenzt und eng mit den besonderen Bedingungen Raumladung verbunden. Da es möglich ist, einen größeren Bereich von Brennmaterialien in der in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung zu verwenden, kann das durch die Mitnahme des Brennstoffs bedingte Problem verringert werden, da es möglich ist, als Brennstoff Material zu verwenden, das im Weltenraum gesammelt wird.The magnitude of the thrust caused by one shown in FIG. 4 shown device is obtained is directly dependent on the type of atoms which are in the interior of the Anode 110 are introduced for ionization. In the elimination of the space charge effect by neutralization in the entire propulsion system, ions of different masses and energies are used to create a drive motor with different in this way to create defined shear effects. On the other hand, the optimal thrust is under achieved various conditions. With conventional ion sources, the choice is the The type of ion causing thrust is limited and closely related to the special conditions of space charge tied together. Since it is possible to have a larger range of fuel in the in Fig. 4 can be used by taking along the device the fuel-related problem can be reduced since it is possible to use as fuel To use material that is collected in space.

Ein Vorteil der Verwendung von bestimmten Elementen von größerem Atomgewicht in der in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung, wie z. B. Ti, U usw. (diese sind bei Raumtemperaturen kondensierbar) ist der, daß durch »Pumpen« infolge der Getter-Wirkung diese Treibstoffionen in einer Hochvakuumversuchsanlage dargestellt werden können. Solche Anlagen werden zuerst durch Vakuumpumpen ausgepumpt. Durch Injizieren eines bestimmten dieser Brennstoffionen in die Testanlage mittels einer in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung wird die Anlage durch die Getter-Wirkung dieser Ionen weiter ausgepumpt, wenn sie bei Raumtemperaturen kondensieren. Auf diese Weise ist es möglich, diese Grundphänomene, die mit dem Ionenantrieb im Weltenraum verbunden sind, im Laboratorium eingehend zu studieren.An advantage of using certain elements of greater atomic weight in the in F i g. 4 shown device, such. B. Ti, U etc. (these are at Room temperatures condensable) is that by "pumping" as a result of the getter effect these fuel ions can be represented in a high vacuum test facility. Such systems are first pumped out by vacuum pumps. By injecting one determined these fuel ions in the test facility by means of a device shown in FIG. 4 shown Device, the system is pumped out further by the getter effect of these ions, when they condense at room temperatures. In this way it is possible to do this Basic phenomena associated with ion propulsion in space, in the laboratory to study in depth.

Außer der Verwendung des Ionenplasmas für den direkten Antrieb kann das Plasma ebenfalls verwendet werden, um ein getrenntes. Neutralgas zu erhitzen und den erhitzten Gasstrom durch eine Düse auszustoßen, um eine Schubwirkung zu erhalten. Ein solches System ist in F i g. 5 dargestellt. Diese Vorrichtung kann für eine Maschine in einem geringeren spezifischen Schubbereich verwendet werden.In addition to the use of ion plasma for direct propulsion, the plasma also used to separate one. Heat neutral gas and ejecting the heated gas stream through a nozzle to provide a thrust effect obtain. Such a system is shown in FIG. 5 shown. This device can can be used for a machine in a lower specific thrust range.

Die in F i g. 5 dargestellte Vorrichtung entspricht im wesentlichen der Vorrichtung der F i g. 4. Lediglich neben der Endplatte 113 ist an Stelle der Elektrode eine Düse 118 vorgesehen.The in F i g. 5 essentially corresponds to the device shown the device of FIG. 4. Only next to the end plate 113 is in place of the Electrode a nozzle 118 is provided.

Ein Magnetfeld von etwa 6000 Gauß durchschnittlicher Flußdichte wird durch nicht dargestellte Spulen erzeugt. Die Richtung dieses Feldes ist durch den Pfeil H angedeutet und verläuft parallel zu der Achse der Katode 109 und der Anode 110. Die in F i g. 5 dargestellte Vorrichtung ist in einem geeigneten Gehäuse eingeschlossen, und das Gehäuse kommuniziert mit dem Weltenraum, in dem der Atmosphärendruck vernachlässigbar ist, wenn die Vorrichtung für den Antrieb von Raumfahrzeugen verwendet wird. Das in die Anode eingeleitete Treibgas wird durch die Bogenentladung 111 erhitzt, und das erhitzte Gas 119 wird aus der Vorrichtung durch die Düse 118 ausgestoßen.A magnetic field with an average flux density of about 6000 Gauss is generated generated by coils not shown. The direction of this field is through the Arrow H indicated and runs parallel to the axis of the cathode 109 and the anode 110. The in F i g. The device shown in FIG. 5 is enclosed in a suitable housing, and the housing communicates with the cosmic space in which the atmospheric pressure is negligible is when the device is used to propel spacecraft. That Propellant gas introduced into the anode is heated by the arc discharge 111, and the heated gas 119 is expelled from the device through the nozzle 118.

Claims (7)

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Erzeugen eines raumladungsneutralisierten Strahles geladener Teilchen mit einer Ionenquelle und einer Quelle hochenergetischer Elektronen, die nebeneinander auf einer gemeinsamen Symmetrie- und Strahlachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl in Richtung des Ionenstrahles gerichtet durch die Ionenquelle und die Ionenextraktionselektrode hindurchtritt und daß ein gemeinsames magnetisches Führungsfeld für die Ionen- und Elektronenquelle vorgesehen ist, dessen Kraftlinien parallel zur gemeinsamen Strahl- und Symmetrieachse gerichtet sind. Claims: 1. Device for generating a space charge neutralized Beam of charged particles with an ion source and a source of high energy Electrons arranged next to each other on a common symmetry and beam axis are, characterized in that the electron beam in the direction of the ion beam directed through the ion source and the ion extraction electrode and that a common magnetic guiding field for the ion and electron source is provided whose lines of force are parallel to the common beam and symmetry axis are directed. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle aus einer hohlzylindrischen Anode und einer gleichachsig zu dieser angeordneten hohlzylindrischen Katode besteht, die beide an ihren Stirnseiten offen sind, und gegenüber der dem Entladungsraum abgewandten Öffnung der Anode eine Ionenbeschleunigungselektrode angeordnet ist, daß die Elektronenquelle gegenüber der dem Entladungsraum abgewandten Öffnung der Katode angeordnet ist, und eine von einer elektrischen Abschirmung umgebene, an sich bekannte Elektronenquelle mit Zweielektrodensystem mit Plasmakatode ist, und daß zwischen der Abschirmung und der Ionenquelle eine Elektronenbeschleunigungseinrichtung angeordnet ist. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the Ion source consisting of a hollow cylindrical anode and one arranged coaxially to this there is a hollow cylindrical cathode, both of which are open at their end faces, and an ion acceleration electrode opposite the opening of the anode facing away from the discharge space it is arranged that the electron source is opposite to that facing away from the discharge space Opening of the cathode is arranged, and a surrounded by an electrical shield, is known electron source with two-electrode system with plasma cathode, and that between the shield and the ion source an electron accelerator is arranged. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die in Strahlrichtung gesehen, jenseits der Ionenbeschleunigungselektrode angeordnet ist und die die Ionen weiter beschleunigt und die energiereichen Elektronen verzögert. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized by a Device, seen in the direction of the beam, beyond the ion acceleration electrode and which further accelerates the ions and the energetic electrons delayed. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenbeschleunigungseinrichtung zwischen der Elektronenquelle und der Kammer eine stufenweise Beschleunigung der Elektronen bewirkt. 4. Device according to one or more of the claims 1 to 3, characterized in that the electron accelerator between the electron source and the chamber accelerate the electrons gradually causes. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Elektronenbeschleunigungseinrichtung die Elektronen aus der Elektronenquelle auf eine Endenergie von etwa 100 keV beschleunigt und daß die Beschleunigungseinrichtungen für die Ionen diese auf eine Endenergie von etwa 100 keV beschleunigen. 5. Device according to one or more of claims 1 to 4, characterized characterized in that the electron accelerator means from the electrons the electron source is accelerated to a final energy of about 100 keV and that the Accelerators for the ions bring them to a final energy of about 100 accelerate keV. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsstufen für die Elektronen so ausgelegt sind, daß sie die Elektronen aus der Elektronenquelle auf etwa 600 keV beschleunigen und daß die Beschleunigungseinrichtung für die Ionen diese auf etwa 600 keV beschleunigen. 6. Apparatus according to claim 4, characterized in that the Acceleration stages for the electrons are designed in such a way that they move the electrons accelerate from the electron source to about 600 keV and that the accelerator accelerate the ions to about 600 keV. 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Antrieb für ein Raumschiff Verwendung findet. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 661337; USA.-Patentschrift Nr. 2 927 232; M. v. A r d e n n e , Tabellen @ der Elektronenphysik, IonenphysikundÜbermikroskopie, Bd.I,1956,Berlin, S.131.7. Device according to one or several of claims 1 to 6, characterized in that it is used as a drive for a spaceship is used. Publications considered: German Patent No. 661337; U.S. Patent No. 2,927,232; M. v. A r d e n n e , Tables @ of electron physics, ion physics and super microscopy, Volume I, 1956, Berlin, P.131.
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