DE1958122A1

DE1958122A1 - Accelerator for electrostatic ion thrusters

Info

Publication number: DE1958122A1
Application number: DE19691958122
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Junge Hinrich J
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1969-11-19
Filing date: 1969-11-19
Publication date: 1971-05-19

Description

Beschleuniger für elektrostatische lonentriebwerke Die Erfindung betrifft einen Beschleuniger für elektrostatische Ionentriebwerke zum Antrieb oder zur Lagestabilisierung von Weltraumflugkörpern, mit einem als gelochte Platte aus Isoliermaterial ausgebildeten Grenzgitter und einem dazu parallelen elektrisch leitenden Beschleunigungsgitter mit einer der Lochung des Grenzgitters kong-ruenten Lochung, bei dem das Grenzgitter und das Beschleunigungsgitter mit ihren angrenzenden Oberflächen fest miteinander verbunden sind. Electrostatic Ion Thruster Accelerators The Invention relates to an accelerator for electrostatic ion thrusters to propel or to stabilize the position of spacecraft, with a perforated plate Insulating material formed boundary grid and an electrically conductive parallel thereto Accelerator grid with one of the perforations of the border grid congruent perforations, in which the boundary grid and the acceleration grid with their adjoining surfaces are firmly connected to each other.

Bei bekannten Ionentriebwerken mit Kontaktionenquellen (beschrieben durch G. Baldwin et al.: Experimental Investigation Pertinent to an Ionic Propulsion Ooncept. General Electric, Rep. 58 GL 355 (Dez. 1958), A.T. Forrester, R.C. Speiser: Design Criteria for Ion Rockets. Rocketdyne Res. Rep. 59 - 30 (1959)), Hochfrequenzionenquellen (beschrieben durch J. Freisinger, H. Löb: Ein elektrostatisches Triebwerk mit Hochfrequenzionenquelle. Jahrbuch 1964 der WGLR, S. 396/402. Vieweg, Braunschweig 1964) und Elektronenstoßionenquellen (beschrieben durch H.R. Kaufmann: An Ion Rocket with an Electron-Bombardment Ion Source. NASA GN-D-585 (Jan. 1961), W.R. Kerslake: Accelerator Grid Tests on an Electron-Bombardment Ion Rocket. NASA TN-D-1168 (Febr. 1962)) lassen sich drei Bauarten von Beachleunigungssystemen unterscheiden.In known ion thrusters with contact ion sources (described by G. Baldwin et al .: Experimental Investigation Pertinent to an Ionic Propulsion Ooncept. General Electric, Rep. 58 GL 355 (Dec. 1958), A.T. Forrester, R.C. Riser: Design Criteria for Ion Rockets. Rocketdyne Res. Rep. 59-30 (1959)), radio frequency ion sources (described by J. Freisinger, H. Löb: An electrostatic drive mechanism with high frequency ion source. 1964 yearbook of the WGLR, p. 396/402. Vieweg, Braunschweig 1964) and electron impact ion sources (Described by H.R. Kaufmann: An Ion Rocket with an Electron-Bombardment Ion Source. NASA GN-D-585 (Jan. 1961), W.R. Kerslake: Accelerator Grid Tests on an Electron Bombardment Ion Rocket. NASA TN-D-1168 (Febr. 1962)) there are three types of beach acceleration systems differentiate.

Bei der verbreitetsten Bauart bestehen das Grenzgitter und das Beschleunigungsgitter aus dünnen MetallplattenX die im Abstand von wenigen Millimetern parallel zueinander angeordnet und deckungsgleich mit einer Vielzahl von Löchern versehen sind (Kerslake a.a.O.).The most common design consists of the boundary grid and the acceleration grid made of thin metal platesX which are parallel to each other at a distance of a few millimeters arranged and provided with a large number of holes congruently (Kerslake loc. cit.).

Bei einer Abwandlung der vorgenannten Bauart besteht das Grenzgitter aus einer gelochten selbsttragenden Platte aus einem Isoliermaterial. Derartig ausgebildete Grenzgitter werden auch ls Plasmagrenzanker bezeichnet (Freisinger, Löb a.a.O.). Das Beschleunigungsgitter ist auch hier als kongruent gelochte etallplatte ausgebildet, die im Abstand vom Grenzgitter angeordnet ist.In a modification of the aforementioned design, there is a boundary grid from a perforated self-supporting plate made of an insulating material. Such trained Boundary grids are also known as plasma boundary anchors (Freisinger, Löb a.a.O.). The acceleration grid is also designed here as a congruently perforated metal plate, which is arranged at a distance from the boundary grid.

Bei einer dritten Bauart wird unmittelbar auf das als gelochte Metallplatte ausgebildete Beschleunigungsgitter eine Glas-Schicht aufgebracht, die die Aufgabe des Grenzgitters bzw. des Plasmagrenzankers übernimmt (beschrieben durch P.M. Margosian:, reliminary Tests of Insulated Acoelerator Grid for Electronombardment Thruster, NASA TM X-1342, 1967).In a third design, this is directly applied as a perforated metal plate formed accelerating grid applied a glass layer that did the job of the boundary grid or the plasma boundary anchor takes over (described by P.M. Margosian :, reliminary Tests of Insulated Acoelerator Grid for Electronombardment Thruster, NASA ™ X-1342, 1967).

ie vorstehend beschriebenen bekannten Bauarten von Beschleunigungssystemen weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Ein allen auarten gemeinsamer Nachteil besteht darin, daß das Bechleunigungsgitter selbsttragend ausgeführt werden mußte und aher eine Metallplatte mit wohldefinierter Dicke darstellt. ie known types of acceleration systems described above have a number of disadvantages. There is one disadvantage common to all types in that the acceleration grid had to be made self-supporting, and so on represents a metal plate with a well-defined thickness.

roh diese endliche Dicke des Beschleunigungsgitters besteht ie Gefahr, -daß defokussierte Ionen auf das Gitter auftreffen md den Beschleunigungsverluststrom erhöhen. Bei der ersten Bauart besteht zusätzlich die Gefahr, daß zwischen Grenz- und eschleunigungsgitter aus Neutralteilchen zusätzliche Ionen durch Ladungsaustausch entstehen und damit eine weitere Erhöhung des Beschleunigerverluststromes bewirkt wird. Ein weiterer Nachteil der ersten Bauart ist, daß die beiden Metallgitter unter der UarmeeinwirkNng der Ionenquelle sich verbiegen und danit den zur Fokussierung der Innen wichtigen Abstand zwischen den Gittern verändern können. Ein besonderer Nachteil der dritten Bauart ist, daß es bei der Aufbringung der Glasschicht auf das Beschleunigungs gitter technologisch schwierig ist, die ionenoptisch optimale Dicke und Form der Glasschicht herzustellen. Weiter muß bei dieser Bauart sichergestellt werden, daß die Glasschicht und das Beschleunigungsgitter Ausdehnungskoeffizienten haben, die über den weiten Temperaturbereich, in dem das Ionentriebwerk arbeiten muß, zumindest annähernd gleich sind.Because of this finite thickness of the accelerating grid, there is a risk that -that defocused ions impinge on the grid and the acceleration leakage current raise. With the first type there is also the risk that between and acceleration grid made of neutral particles, additional ions by Charge exchange occurs and thus a further increase in the accelerator leakage current is effected. Another disadvantage of the first type is that the two metal grids bend under the influence of the ion source, causing them to focus the inside important distance between the grids can change. A special The disadvantage of the third type is that it is on when the glass layer is applied the acceleration grid is technologically difficult, the optically optimal one Establish the thickness and shape of the glass layer. Further must be ensured with this type of construction that the glass layer and the accelerating grid expansion coefficients over the wide temperature range in which the ion thruster will work must be at least approximately the same.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschleuniger zu schaffen, der die angeführten Nachteile der bekannten Beschleunigungssysteme vermeidet, insbesondere optimale elektronenoptische Eigenschaften ermöglicht, einen sehr geringen Beschleunigungsverluststrom hat und bei dem weiter keine Probleme hinsichtlich der Wärmeausdehnung auftreten.The object of the invention is to create an accelerator that avoids the listed disadvantages of the known acceleration systems, in particular optimum electron-optical properties enables a very low acceleration leakage current and in which there are no further problems with regard to thermal expansion.

Diese Aufgabe wird gemaß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Grenzgitter als selbsttragende gelochte Platte aus Isoliermaterial ausgebildet ist, auf deren einer Oberfläche eine in situ erzeugte dünne elektrisch leitende Schicht als Beschleunigungskathode aufgebracht ist.This object is achieved according to the invention in that the boundary grid is designed as a self-supporting perforated plate made of insulating material, on the a surface a thin electrically conductive layer produced in situ as an accelerating cathode is upset.

In die das Grenzgitter bildende Platte können dabei VerstärEuagsfasern oder -fäden eingebettet sein. Vorzugsweise besteht diese Platte aus Quarz.Reinforcing fibers can be inserted into the plate forming the boundary grid or threads be embedded. Preferably this exists plate made of quartz.

Die Beschleunigungskathode kann als metallische Schicht im Vakuum aufgedampft oder galvanisch aufgebracht werden.The accelerating cathode can be used as a metallic layer in a vacuum vapor-deposited or galvanically applied.

Für die Zuführung der Kathodenspannung wird zweckmäßig ein Molybdän- oder Invar-Draht in die Grenzgitterplatte eingesetzt, in die Quarzplatte beispielsweise eingeschmolzen.For the supply of the cathode voltage, it is advisable to use a molybdenum or Invar wire inserted into the boundary grid plate, in the quartz plate for example melted down.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbilduhg des Beschleuniger; gemäß der Erfindung ist die Beschleunigungskathodens chicht in mehrere voneinander elektrisch isolierte Zonen mit eigenen Spannungszuführungen aufgeteilt. Diese Aufteilung kann insbesondere sektorförmig erfolgen.In a particularly advantageous development of the accelerator; According to the invention, the accelerating cathode layer is divided into several of each other electrically isolated zones with their own power supply lines divided. This division can in particular take place in a sector-shaped manner.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeisniel veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated in the drawing in an exemplary embodiment and described in detail below with reference to the drawing.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Beschleuniger.1 shows a section through an accelerator according to the invention.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Beschleuniger.Fig. 2 shows a plan view of an accelerator.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform des Beschbunigers.3 shows a plan view of a modified embodiment the accelerator.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht der Beschleuniger aus einem Grenzgitter, das als selbsttragende Platte 1 aus einem geeigneten Isoliermaterial besteht, die in iiblicher Weise mit einer Vielzahl von Löchern 2 versehen ist. Auf der von der Ionenquelle abgewandten Seite trägt die Platte 1 die aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Beschleunigungskathod 3.As can be seen from Fig. 1, the accelerator consists of a boundary grid, which consists of a suitable insulating material as a self-supporting plate 1, the is provided with a plurality of holes 2 in the usual way. On the from the The side facing away from the ion source carries the plate 1 from an electrically conductive Material existing accelerator cathode 3.

Zur Erhöhung der Festigkeit der Grenzgitterplatte gegen bestimmte Beanspruchungen, insbesondere Vibrationen, können in das Isoliermaterial Verstärkungsfasern oder -fäden 4 eingebettet sein. Dabei kommen vor allem metallische Fasern oder Fäden in Betracht, die den gleichen Wärmeausdehnungskoeffiziente wie das Isoliermaterial aufweisen. Wegen seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften sowie des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird als Isoliermaterial vorzugsweise Quarz als Werkstoff für das Grenzgitter vorgesehen.To increase the strength of the boundary grid plate against certain Stresses, in particular vibrations, can build reinforcement fibers into the insulating material or threads 4 be embedded. Mainly metallic fibers or threads are used into consideration having the same coefficient of thermal expansion as the insulating material exhibit. Because of its excellent thermal and electrical properties and the low coefficient of thermal expansion is preferred as the insulating material Quartz is intended as the material for the boundary grid.

Das Beschleunigungsgitter 3 kann bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Beschleunigers extrem dünn ausgebildet sein, wobei die untere Grenze ausschließlich durch den noch zulässigen Widerstand bestimmt ist. Größenordnungsmäßig reichen Schichtdicken im Bereich von 1 µm aus. Für die Praxis wird dabei das Verhältnis der Dicke des Grenzgitters zur Dicke des Beschleunigungsgitters 1000 : 1 und größer sein können Bei der angegebenen Dicke des Beschleunigungsgitters kann dieses als hochelastisch angesehen werden, so daß bei auftretenden Wärmedehnungen des Grenzgitters von dem Beschleunigungsgitter keine Spannungen auf das Grenzgitter übertragen werden.The acceleration grid 3 can in the embodiment according to the invention of the accelerator can be made extremely thin, the lower limit being exclusively is determined by the still permissible resistance. Layer thicknesses are of the order of magnitude in the range of 1 µm. In practice, the ratio of the thickness of the Limit grid to the thickness of the acceleration grid 1000: 1 and larger With the specified thickness of the acceleration grid, it can be considered highly elastic be viewed, so that when thermal expansions occur in the boundary grid of the Acceleration grid no voltages are transferred to the boundary grid.

Das Beschleunigungsgitter wird auf der Grenzgitterplatte 1 in situ aufgebracht.Bevorzugt wird dabei die Herstellung des BeschleunigungsgSkers durch Aufdampfen eines Metalls, vorzugsweise Molybdän oder eines anderen elektrisch leitfähigen Stoffes im Vakuum. Das Beschleunigungsgitter kann aber auch galvanisch aufgebracht werden.The acceleration grid is placed on the boundary grid plate 1 in situ The production of the accelerator is preferred Vapor deposition of a metal, preferably molybdenum or another electrically conductive one Substance in a vacuum. The acceleration grid can also be applied galvanically will.

Die Löcher 2 können entsprechend den ionenoptischen Erforderniss en zylindrisch, konisch oder auch anders ausgebildet sein. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden bei Verwendung von Verstärtungsfasern oder -fäden 4 diese zweckmäßig gerichtet angebracht, so daß insbesondere die am meisten gefährdeten Querschnitte zwischen zwei benachbarten Löchern verstärkt werden.The holes 2 can according to the ion-optical requirements be cylindrical, conical or otherwise. How out Fig. 2, when reinforcing fibers or threads 4 are used, these become appropriately directed, so that especially the most vulnerable Cross-sections between two adjacent holes are reinforced.

Die Zuführung der Kathodenspannung zum Beschleunigungsgitter erfolgt, wie in der Zeichnung dargestellt, durch einen in die Grenzgitterplatte 1 eingebetteten Molybdän- oder Invar-Draht 5, der bei Verwendung von Quarz im Quarz eingeschmolzen wird. Um eine widerstandsarme Verbindung des Anschlußdrahtes zu erreichen, kann das auf der Oberfläche der Platte 1 liegende Ende des Anschlußdrahtes mit einer dünnen Anschlußplatte versehen sein.The cathode voltage is fed to the accelerator grid, as shown in the drawing, by an embedded in the boundary grid plate 1 Molybdenum or Invar wire 5, which is melted into the quartz when using quartz will. In order to achieve a low-resistance connection of the connecting wire, can lying on the surface of the plate 1 end of the connecting wire with a be provided with a thin connection plate.

Da das Beschleunigungsgitter bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Beschleunigers erstmalig keine tragenden Punktionen zu erfüllen hat, kann das Beschleunignngsgitter, wie in Fig. 3 beispielsteise veranschaulicht, in mehrere voneinander elektrisc isolierte Zonen 6 aufgeteilt werden, die jeweils mit eigenen Spannungszuführungen 7 versehen sind. In Fig. 3 sind die Zonen 7 als Kreissektoren ausgebildet. Diese.Aufteilung kann entsprechend den Erfordernissen selbstverständlich auch in anderer Weise erfolgen.As the acceleration grid in the training according to the invention of the accelerator does not have to fulfill any load-bearing punctures for the first time, that can Acceleration grids, as illustrated by way of example in FIG. 3, in several Electrically isolated zones 6 are divided from each other, each with its own Voltage feeds 7 are provided. In Fig. 3, the zones 7 are sectors of a circle educated. This division can of course be made according to requirements also be done in other ways.

Durch die Aufteilung des Beschleunigungsgitters in mehrere voneinander isolierte Zonen können in einfacher Weise durch Änderung der an die einzelnen Zonen angelegten Kathodenspannung Richtungsänderungen des beschleunigten Ionenstrahls und damit Schubsektoränderungen erreicht werden.By dividing the acceleration grid into several of each other isolated zones can be created in a simple manner by changing the number of individual zones applied cathode voltage changes in direction of the accelerated ion beam and thus changes in the thrust sector can be achieved.

Claims

Patent claims

1. Accelerator for electrostatic ion thrusters for propulsion or for position stabilization of spacecraft, with a perforated plate Boundary grid formed from insulating material and an electrical parallel to it conductive acceleration grid with one of the perforation of the boundary grid konehenten Perforation in which the boundary grid and the deceleration grid with their adjoining Surfaces are firmly connected to one another, characterized in that the boundary grid as self-supporting: e perforated plate (1) is formed from insulating material one surface of which is a thin electrically conductive layer produced in situ as Acceleration grid (3) is applied.

2. Accelerator according to claim 1, characterized in that in the Border grid plate (1) reinforcing fibers or threads (4) are embedded.

3. Accelerator according to claim 1 or 2, characterized in that the boundary grid plate (1? is made of quartz.

4. Accelerator according to claim 1, characterized in that the Acceleration grid is vapor-deposited as a metallic layer in a vacuum.

5. Accelerator according to claim 1, characterized in that the Acceleration grid is applied galvanically.

6. Accelerator according to claim 1, characterized in that as The cathode voltage is fed into the boundary grid plate using a molybdenum or invar wire (5) is embedded.

7. Accelerator according to claim 1, characterized in that the Acceleration grid (3) in several electrically isolated zones (6) is divided with its own power supply lines (7).

8. Accelerator according to claim 7, characterized in that the Acceleration grid is divided into sectors.