DE1933409A1 - Ion thruster - Google Patents

Ion thruster

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DE1933409A1 DE19691933409 DE1933409A DE1933409A1 DE 1933409 A1 DE1933409 A1 DE 1933409A1 DE 19691933409 DE19691933409 DE 19691933409 DE 1933409 A DE1933409 A DE 1933409A DE 1933409 A1 DE1933409 A1 DE 1933409A1
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    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
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Description

8063-69/Dr.v.B/E8063-69 / Dr.v.B / E

Institut für Plasmaphysik G.m.b.H. 8046 GarchingInstitute for Plasma Physics G.m.b.H. 8046 Garching

IonentriebwerkIon thruster

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ionentriebwerk für ein Raumfahrzeug, mit einem Bauteil, das eine Oberfläche aufweist, die wenigstens annähernd senkrecht zur Beschleunigungsrichtung der Ionen verläuft und in diese Richtung weist.The present invention relates to an ion thruster for a spacecraft, having a component that has a surface which runs at least approximately perpendicular to the direction of acceleration of the ions and points in this direction.

Es sind bereits Ionentriebwerke bekannt, die eine Ionenquelle und eine mit elektrischen Feldern arbeitende Anordnung zum Beschleunigen der durch die Ionenquelle erzeugten Ionen enthält. Mit den bekannten Ionentriebwerken lassen sich Ionenenergien in der Größenordnung von einigen hundert Elektronenvolt erzeugen. Obwohl die mit solchen Ionentriebwerken erreichbaren Ionenenergien wesentlich größer sind als die Teilchenenergien bei chemischen Triebwerken, ist der mit den bekannten Ionentriebwerken erreichbare Schub sehr klein, da der pro Zeiteinheit erzeugbare Impuls klein ist.There are already known ion thrusters which have an ion source and an arrangement operating with electric fields for accelerating the ions generated by the ion source. The known ion thrusters can be used to generate ion energies on the order of a few hundred electron volts. Although those achievable with such ion thrusters Ion energies are much larger than the particle energies in chemical thrusters, is that with the known ion thrusters achievable thrust is very small, since the pulse that can be generated per unit of time is small.

Aus wissenschaftlichen Untersuchungen ist es ferner bekannt, daß in Plasmen, die durch einen Jfokussierten Laserstrahlungsimpuls hohen Energieinhaltes erzeugt wurden, Ionenenergien bis zu 1000 eV auftreten (William I. Linlor "Ion Energies produced by Laser Giant Pulse" Applied Physics Letters, Band 3 No.11It is also known from scientific studies that in plasmas which are caused by a focused laser radiation pulse high energy content, ion energies of up to 1000 eV occur (William I. Linlor "Ion Energies produced by Laser Giant Pulse "Applied Physics Letters, Volume 3 No.11

009883/0188009883/0188

(1963) Seiten 210 und 211).(1963) pages 210 and 211).

Die Verwendung von Plasmen, die durch Strahlung hoher Intensität erzeugt wurden, als Quelle für gerichtet beschleunigte Ionen in einem Ionentriebwerk ist jedoch auch beim Auftreten von Ionenenergien in der Größenordnung 1000 eV noch nicht sinnvoll und es mußte auch als aussichtslos erscheinen, durch Strahlungsaufheizung thermische Plasmen mit Ionen so hoher Energien zu erzeugen, daß sich brauchbare Rückstoßimpulse auch bei kleinen Massenverlusten und tragbaren Strahlungsleistungen ergeben, auch wenn man eine erheblich über den Stand der Technik hinausgehende Steigerung der Leistungsfähigkeit von Strahlungsquellen, wie La sern und dgl. annimmt.The use of plasmas produced by high intensity radiation as a source of directionally accelerated ions in an ion thruster is also present when Ion energies in the order of magnitude of 1000 eV did not make sense and it had to appear hopeless because of radiant heating to generate thermal plasmas with ions of such high energies that useful recoil impulses are produced even with small mass losses and portable radiation output, even if one goes well beyond the state of the art Increasing the efficiency of radiation sources such as lasers and the like. Assumes.

überraschenderweise hat es sich jedoch gezeigt, daß beim Auffallen von Strahlung hoher Energie auf ein Plasma bisher unbekannte, niehtlineare Effekte auftreten, wenn die Strahlungsintensität eine bestimmte, Schwellintensität überschreitet. Aufgrund dieser neu entdeckten nichtlinearen Effekte ergibt sich eine von der Ionenmasse unabhängige, nur von der Ionenlasung Z abhängige Endenergie der beschleunigten Ionen, wobei Beschleunigung der Ionen unabhängig von der Einfallsrichtung der Strahlung in Richtung des Gradienten der Abnahme der Elektronendichte im Plasma erfolgt.Surprisingly, however, it has been shown that the If radiation of high energy is incident on a plasma, hitherto unknown, non-linear effects occur when the radiation intensity is increased exceeds a certain threshold intensity. Because of These newly discovered non-linear effects are independent of the ion mass and only depend on the ionic dissipation Z dependent final energy of the accelerated ions, the acceleration of the ions being independent of the direction of incidence of the radiation takes place in the direction of the gradient of the decrease in electron density in the plasma.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Ionentriebwerk für ein Raumfahrzeug, mit einem Bauteil, das eine Oberfläche aufweist, die wenigstens annähernd senkrecht zur Beschleunigungsrichtung der Ionen verläuft und in diese Richtung weist, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Erzeugen eines auf die Oberfläche gerichteten Strahlungsbündels, indem die elektrische Feldstärke Ey (bez°Sen auf das Vakuum) größer ist alsAccording to the present invention is accordingly an ion thruster for a spacecraft, with a component which has a surface which runs at least approximately perpendicular to the direction of acceleration of the ions and points in this direction, characterized by an arrangement for generating a beam of radiation directed onto the surface by the electric field strength e y (based ° S s o f the vacuum) is greater than

ecoeco

wobei bedeutenwhere mean

009883/0 188009 883/0 188

InIn

.η e.η e

a =a =

8* γΕ (2 k) 3/2 8 * γ Ε (2 k) 3/2

ω =. Plasmafrequenzω =. Plasma frequency

m = Elektronenmasse
em = electron mass
e

β = Elektronenladungβ = electron charge

Z = Kernladungszahl der IonenZ = atomic number of the ions

In Λ : Coulomb-LogarithmusIn Λ: Coulomb logarithm

(in der Praxis ca 5···!°)(in practice approx. 5 ···! °)

YE(Z) * Korrekturwert nach Spitzer zur Berücksichtigung von Elektronen-Elektronen-Stößen neben den Elektronen-Ionen-Stößen (ca 0,5....Ij siehe L. Spitzer, Jr.,"Physics of Fully ionized Gases" Interscience Publishers, Inc. New York, 1956) Y E (Z) * Correction value according to Spitzer to take into account electron-electron collisions in addition to electron-ion collisions (approx. 0.5 .... Ij see L. Spitzer, Jr., "Physics of Fully ionized Gases" Interscience Publishers, Inc. New York, 1956)

k = Boltzmannkonstantek = Boltzmann constant

neco s kritische Elektronendichte (Elektronendichte, bei der die Plasmafrequenz gleich der Schwingungsfrequenz der Strahlung ist) n eco s critical electron density (electron density at which the plasma frequency is equal to the oscillation frequency of the radiation)

T = ElektronentemperaturT = electron temperature

Mit dem Ionentriebwerk gemäß der Erfindung können die Ionen auf Energien bis zu einigen hundert keV beschleunigt werden. Das .Verhältnis von Impuls zu Masseverlust ist also hoch und es lassen sich mit dem Ionentriebwerk gemäß der Erfindung auch bei kleinem Massenverbrauch nutzbare Schubkräfte erzeugen, wie sie z.B. zur Steuerung von Raumfahrzeugen benötigt werden.With the ion thruster according to the invention, the ions can be accelerated to energies of up to a few hundred keV. The ratio of momentum to loss of mass is high and it can be achieved with the ion thruster according to the invention Generate usable thrust forces even with low mass consumption, such as those required for the control of spacecraft.

Da die Beschleunigungsrichtung der Ionen mit der Richtung des Gradienten abnehmender Elektronendichte im Plasma und nicht mit der Einfallsrichtung des Strahlungsbündels zusammenfällt, istSince the direction of acceleration of the ions with the direction of the gradient of decreasing electron density in the plasma and not coincides with the direction of incidence of the radiation beam is

009883/0186009883/0186

-lies möglich, das Strahlungsbündel schräg einfallen zu lassen, so' daß keine Beschädigung der Strahlungsquelle durch die beschleunigten Ionen eintritt.- it is possible to let the radiation beam fall obliquely, so ' that the radiation source is not damaged by the accelerated ions.

Die zu beschleunigenden Ionen werden von einem Plasma geliefert, das vor der erwähnten Oberfläche des Bauteils entweder ausschließlich durch die auffallende Strahlung oder unter Mitwirkung anderer Mittel, z.B. radioaktiver, thermischer, elektrischer oder elektromagnetischer Energiequellen erzeugt wird. Die Ionen können aus verdampftem Material des Bauteils und/oder anderem Material, z.B. absorbierten Gasen oder Gasen, die durch Poren oder Öffnungen des Bauteiles vor die Oberfläche geliefert werden, bestehen. The ions to be accelerated are supplied by a plasma that is either in front of the mentioned surface of the component exclusively through the incident radiation or with the participation of other means, e.g. radioactive, thermal, electrical or electromagnetic energy sources. The ions can consist of evaporated material of the component and / or other material, e.g. absorbed gases or gases that are delivered through pores or openings in the component in front of the surface.

Die Elektronendichte im Plasma muß in Beschleunigungsrichtung der Ionen von einem über der kritischen Dichte η liegenden Wert auf einen unterhalb der kritischen Dichte liegenden Wert abnehmen. Der Gradient darf dabei weder zu steil noch zu flach sein, da sonst die Strahlungsverluste durch Reflexion bzw. Absorption der einfallenden Strahlung zu groß werden. Günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn die Elektronendichte innerhalb einer Vakuumwellenlänge der einfallenden Strahlung von 0,1 ηThe electron density in the plasma must be above the critical density η in the direction of acceleration of the ions Decrease the value to a value below the critical density. The gradient must neither be too steep nor too flat otherwise the radiation losses due to reflection or absorption of the incident radiation will be too great. Favorable conditions arise when the electron density is within a vacuum wavelength of the incident radiation of 0.1 η

eco auf η ansteigt.eco increases to η.

Die Erfindung ist an sich nicht auf Strahlung bestimmter Wellenlänge beschränkt, da im Laser jedoch derzeit eine sehr leistungsfähige Strahlungsquelle zur Verfügung steht, wird vorzugsweise Laserstrahlung verwendet.The invention is not limited to radiation of a specific wavelength, but since a very powerful radiation source is currently available in the laser, it is preferred Laser radiation used.

Bei Verwendung eines Neodymglaslasers ist die Endenergie cQ der beschleunigten Ionen durch die folgende Formel gegeben:When using a neodymium glass laser, the final energy c Q of the accelerated ions is given by the following formula:

ZEZE

e = Σ (eV) (2)e = Σ (eV) (2)

ß5 ß 5

wobei die Amplitude des elektrischen Feldes E der Laserstrahlungwhere the amplitude of the electric field E of the laser radiation

0 09883/0 1860 09883/0 186

in V/cm angegeben wird. Der Schwellwert liegt in diesem Falleis given in V / cm. The threshold is in this case

bei einer Feldstärke von 3 * 10 V/cm. Man kann daher einfach ionisierte Ionen auf Energien von HKeV beschleunigen, wenn Ev = 6,45 * 1O8 V/cm, die Strahlungsintensität also 5,7 * 10111 W/cm2 beträgt.at a field strength of 3 * 10 V / cm. One can therefore simply accelerate ionized ions to energies of HKeV if E v = 6.45 * 10 8 V / cm, the radiation intensity is 5.7 * 10 111 W / cm 2 .

Die Energie ε der beschleunigten Ionen hängt von der zehnten Potenz der Wellenlänge der einfallenden Strahlung ab. Bei einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 1 cm ist eine elektriste Feldstärke E von 1,5 · ΙΟ·' V/cm erforderlich, um eine Ionenenergie von 1CP eV zu erzeugen. Notwendig ist dabei, daß die Expansion des Plasmas gegen Vakuum erfolgt und eine inhomogene Übergangsschicht von ca 1 bis 3 Wellenlängen bestehen muß, wenn die eingestrahlte Mikrowellenenergie z.B. an einem Metall das Plasma erzeugt.The energy ε of the accelerated ions depends on the the tenth power of the wavelength of the incident radiation. In the case of radiation with a wavelength of 1 cm, there is an electric current Field strength E of 1.5 · ΙΟ · 'V / cm required to generate an ion energy of 1CP eV. It is necessary that the expansion of the plasma takes place against vacuum and an inhomogeneous transition layer of approx. 1 to 3 wavelengths must exist if the radiated microwave energy e.g. on a metal that generates the plasma.

Die Anordnung zum Erzeugen des Strahlungsbündels kann beweglich sein und mit mehreren Oberflächen zusammenwirken, so daß die Richtung der mit einer einzigen Strahlungsquelle erzeugbaren Beschleunigungen veränderbar ist.The arrangement for generating the radiation beam can be movable and interact with several surfaces, so that the direction of the accelerations that can be generated with a single radiation source can be changed.

0098 83/01860098 83/0186

Claims (1)

19334 OS19334 OS Patentansprüche ' Claims ' Γ) ' "Γ) '" ll \lj/Ionentriebwerk für ein Raumfahrzeug mit einem Bauteil, das eine Oberfläche aufweist, die wenigstens annähernd senkrecht zur Beschleunigungsrichtung der Ionen verläuft und in diese Richtung weist, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Erzeugen eines auf die Oberfläche gerichteten Strahlungsbündels, in dem die elektrische Feldstärke Ey, bezogen auf das Vakuum, größer ist als \ lj / Ion engine for a spacecraft with a component which has a surface which runs at least approximately perpendicular to the direction of acceleration of the ions and points in this direction, characterized by an arrangement for generating a radiation beam directed onto the surface in which the electric field strength E. y , based on the vacuum, is greater than * { wa ηβηΛ k (1 +* {wa η βηΛ k (1 + eco u eco u worin bedeutenin which mean •χ/ο 1/2 2 • χ / ο 1/2 2 IuJb β z e in λ 1/2 IuJb β ze in λ 1/2 8ir T17- (2 k)3/2 8ir M 17 - (2 k) 3/2 ω = Plasmafrequenzω = plasma frequency me = Elektronenmassem e = electron mass ft = Elektronenladungft = electron charge Z = Kernladungszahl der IonenZ = atomic number of the ions In A s Coulomb -LogarithmusIn A s Coulomb logarithm (in der Praxis ca 5... .10)(in practice approx. 5 ... .10) γΕ(Ζ) = Korrelcturwert nach Spitzer k = Boltzmannkonstante
neco s kritische Elektronendichte T s Elektronentemperatur. γ Ε (Ζ) = correlation value according to Spitzer k = Boltzmann constant
n eco s critical electron density T s electron temperature. 0098 83/01860098 83/0186 2. Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale zur Oberfläche einen spitzen Winkel mit der Einfallsrichtung der Strahlung bildet.2. ion thruster according to claim 1, characterized in that that the normal to the surface forms an acute angle with the direction of incidence of the radiation. 3· Ionentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadur ch gekennzeichnet-, daß der zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität der vorzugsweise impulsförmigen Strahlung so bemessen ist, daß vor der Oberfläche ein Plasma entsteht, in dem die Elektronendichte in Beschleunigungsrichtung der Ionen innerhalb einer Strecke von höchstens einigen Wellenlängen, vorzugsweise innerhalb einer zehntel Wellenlänge, von n_rt_ auf 0,1 neco Abfällt.3 · Ion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the temporal course of the radiation intensity of the preferably pulse-shaped radiation is such that a plasma arises in front of the surface in which the electron density in the direction of acceleration of the ions within a distance of at most a few Wavelengths, preferably within a tenth of a wavelength, decreases from n_ rt _ to 0.1 n eco. Ionentriebwerk
1J. nach einem der vorhergehenden Ansprüche,Ion thruster
1 year according to one of the preceding claims, gekennzeichnet durch eine von der Strahlungsquelle unabhängige Anordnung zum Erzeugen eines Plasmas vor der Oberfläche.characterized by one of the radiation source independent arrangement for generating a plasma in front of the surface. 5. Ionentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen des Strahlungsbündels einen Laser enthält.5. ion thruster according to one of the preceding claims, characterized in that the arrangement for generating the radiation beam contains a laser. 009883/0186009883/0186
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