DE2053929B2 - High frequency ion thruster - Google Patents

High frequency ion thruster

Info

Publication number
DE2053929B2
DE2053929B2 DE2053929A DE2053929A DE2053929B2 DE 2053929 B2 DE2053929 B2 DE 2053929B2 DE 2053929 A DE2053929 A DE 2053929A DE 2053929 A DE2053929 A DE 2053929A DE 2053929 B2 DE2053929 B2 DE 2053929B2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
frequency
discharge space
ion
engine according
electrons
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE2053929A
Other languages
German (de)
Other versions
DE2053929C3 (en
DE2053929A1 (en
Inventor
Alfred Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Bahr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messerschmitt Bolkow Blohm AG filed Critical Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Priority to DE19702053929 priority Critical patent/DE2053929C3/en
Priority claimed from DE19702053929 external-priority patent/DE2053929C3/en
Priority to US00190981A priority patent/US3757518A/en
Publication of DE2053929A1 publication Critical patent/DE2053929A1/en
Publication of DE2053929B2 publication Critical patent/DE2053929B2/en
Application granted granted Critical
Publication of DE2053929C3 publication Critical patent/DE2053929C3/en
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037Electrostatic ion thrusters
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochfrequenz-Ionentriebwerk mit einem Treibstoffördersystem, einem Hochfrequenzgenerator zur Ionisation des in Gasform vorliegenden Treibstoffes mittels Hochfrequenzenergie in einem Gasentladungsraum, mit einer Elektrode zur Extraktion und Beschleunigung der Ionen aus dem Gasentladungsraum und mit einer Vorrichtung zur Neutralisation des Ionenstrahlenbündels nach dem Durchtritt durch die Extraklions- und Beschleunigungselektrode. The invention relates to a high frequency ion thruster with a fuel delivery system, a High-frequency generator for ionizing the fuel, which is in gaseous form, by means of high-frequency energy in a gas discharge space, with an electrode for extraction and acceleration of the Ions from the gas discharge space and with a device for neutralizing the ion beam after passing through the extraction and acceleration electrode.

Bei derartigen, in Raumfahrzeugen verwendeten Hochfrequenz-Ionentriebwerken wird Nculralgas in einem aus dielektrischem Material, /.. B. Quarz, bestehenden Entladungsraum durch Slnßionisalion auf induktive Weise ionisiert, indem um den Entladungsraum eine von einem 11ochfrequenzgeneralor gespeiste Induktionsspule angeordnet ist, vgl. H.W. Loch. State of the Art and Recent Developments of the Radio Frequency lonmotors, AIAA Paper 69 285. 1969. Die Ionen weiden mittels einer Bcschleunigungs-In such high-frequency ion thrusters used in spacecraft, Nculralgas is used in a discharge space consisting of dielectric material, for example quartz, by means of ionization Ionized inductively by adding a high-frequency general to the discharge space Induction coil is arranged, see H.W. Hole. State of the Art and Recent Developments of the Radio Frequency lonmotors, AIAA Paper 69 285. 1969. The ions graze by means of an acceleration

929 2 929 2

elektrode elektrostatisch beschleunigt und nach Pas sieren der Beschleunigungselektrode durch Injektior von Elektronen neutralisiert.Electrostatically accelerated electrode and after passing the acceleration electrode through injector neutralized by electrons.

Bei der Ionisation des Neutralgases mit Hochfre quenzwechselfeldern werden zwar die bei herkömm liehen lonenquellen auftretenden, die Lebensdauei von Kathoden und Anoden betreffenden Problem« eleminiert, demgegenüber sind aber der mechanisch! Aufbau der bekanntgewordenen Hochfrequenztrieb werke ebenso wie die elektronischen Schaltungen zui Erzeugung und Regelung der Hochfrequenzenergü kompliziert und aufwendig. Dadurch wird wiederun die an sich hohe Lebensdauer und Betriebssicherhei dieser Ionentriebwerke verringert.During the ionization of the neutral gas with high fre Frequency alternating fields are those that occur with conventional ion sources, the lifetime problems related to cathodes and anodes are eliminated, but on the other hand they are mechanical! Construction of the well-known high-frequency drive works as well as the electronic circuits zui Generation and regulation of the high frequency energy is complicated and time-consuming. This will do it again reduces the inherently long service life and operational safety of these ion thrusters.

Ein weiteres, sowohl bei den bekannten Hoch frequenztriebwerken als auch bei den elektrostatischer lonenquellen auftretendes Problem ist die sowohl ir radialer als auch in axialer Richtung des Entladungs raumes mehr oder weniger ungleichförmige Plasma dichteverteilung, die neben hohen Wand- und Di(Tu sionsverlusten auch einen geringen Wirkungsgrat dieser Ionentriebwerke bedingt.Another, both in the known high-frequency engines and in the electrostatic The problem that arises from ion sources is that of both the radial and axial directions of the discharge more or less non-uniform plasma density distribution in the room, which, in addition to high wall and di (Tu sion losses also caused a low degree of effectiveness of these ion thrusters.

Hier setzt nun die Erfindung ein. deren Aufgabe e.< ist, ein Ionentriebwerk der eingangs genannten An zu schaffen, das mechanisch einfach aufgebaut lsi und bei dem durch eine neuartige Gestaltung de; Entladungsraumes eine den Wirkungsgrad des Ionentriebwerks verbessernde Plasmadichte erreicht wirdThis is where the invention comes in. whose task e. <is an ion thruster of the type mentioned at the beginning to create the mechanically simple lsi and with a new design de; Discharge space one the efficiency of the ion engine improving plasma density is achieved

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Gasentladungsraum in einem / 4-Hochfreq'uenzresonator an dessen durch eine der Extraktions- und Beschleunigungselektrode gegenüberlie gende Viellochblende geschlossenen Ende und dei Hochfrequenzgenerator am anderen, offenen Ende ir dem Hochfrequenzresonator angeordnet ist.This object is achieved according to the invention in that the gas discharge space is in a / 4 high frequency resonator at its by one of the extraction and acceleration electrodes opposite Gende multi-pinhole closed end and the high frequency generator at the other, open end ir the high frequency resonator is arranged.

Ein derartiges Ionentriebwerk bildet im Gegensat/ zu den bekannten Hochfrequenz-Ionentriebwerkcr eine organische Einheit, besteht nur aus Metall unc weist keine elektrischen bzw. elektronischen Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren, Transistoren usw auf. deren Beschallung für Fehler- und Bruchsteller anfällig ist. Der mechanische und der elektrische Auf bau eines Ionentriebwerkes gemäß der Erfindung isi einfach und robust.Such an ion thruster forms in contrast to the known high-frequency ion thrusters an organic unit, consists only of metal and has no electrical or electronic components such as resistors, capacitors, transistors, etc. their sound for faults and breakers is prone to. The mechanical and electrical construction of an ion engine according to the invention isi simple and robust.

Es ist zwar bei lonenquellen bereits bekannt, viii etwa Helvetia Physica Acta. Bd. 30. 1957, HeM S. 292 bis 296. daß Ionen mittels einer Hochfrequenz ionisation erzeugt werden, wobei der Entladungs raum, in dem die Ionisation des gasförmigen Stoffe; vorgenommen wird, in einem /. 4-Resonator geleger ist. Gegenüber einem Ionentriebwerk gemäß der Er findung handelt es sich bei einer derartigen Ionen quelle jeweils um fremderregte Resonatoren, nich jedoch um Hochfrequenzgeneratoren, die eine ein heitliche Bauweise des gesamten Triebwerkes ge stalten. Des weiteren ist der Entladungsraum bei dei bekannten lonenquellen nicht wie bei einem Ionen triebwerk gemäß der Erfindung am geschlossenen sondern am offenen Ende des Resonators angeordnet Am offenen Ende des Resonators ist zwar die loni sationsquote höher als am geschlossenen Ende, d; am offenen Ende, also in der Gegend des Schwin gungsbauches der stehenden elektrischen Welle. di< meiste Energie zur Ionisation zur Verfugung steht jedoch ist durch entsprechende Bemessung der Gas· dichte im Entladungsraum und der Amplitude dei stehenden Welle auch am geschlossenen Ende de: Hochfrequenzgenerators eine vollständige IonisaiioiIt is already known in the case of ion sources, viii such as Helvetia Physica Acta. Vol. 30. 1957, HeM p. 292 to 296. that ions by means of a high frequency ionization is generated, the discharge space in which the ionization of the gaseous substances; is made in a /. 4-resonator laid is. Compared to an ion thruster according to the invention, it is such an ion source around separately excited resonators, but not around high-frequency generators, the one uniform design of the entire engine. Furthermore, the discharge space is at dei known ion sources not as in an ion engine according to the invention on the closed but arranged at the open end of the resonator At the open end of the resonator there is the loni sation rate higher than at the closed end, d; at the open end, i.e. in the area of the Schwin belly of the standing electric wave. that most of the energy is available for ionization however, by appropriately dimensioning the gas density in the discharge space and the amplitude dei standing wave also at the closed end de: high frequency generator a complete ionisaiioi

des gasförmigen Treibstoffes zu erreichen. Hier kommt absr dann zusätzlich ein wesentlicher Vorteil hinzu.of gaseous fuel. Here, however, there is an additional significant advantage.

Dieser Vorteil ist darin zu sehen, daß durch die stehende hochfrequente elektrische Well·; in dem Entladungsraum Lorentzkräfte auf die Ionen und Elektronen der Gasentladung wirken welche, wie später gezeigt wird, diese in Richtung auf das geschlossene Ende des Hochfrequenzgenerators, d. h. in Richtung auf die der Beschleunigungselektrode gegenüberliegende Viellochblende beschleunigen. Dadurch nimmt die Plasmadichte in der Umgebung der Viellochblende zu; des weiteren wird durch die hohe Konzentration der Ladungsträger und durch deren axiale Geschwincligkeitskomponente an der Viellochblende, d.h. an dem Knotenpunkt der stehenden Welle, eine größere Stromdichte als bei bekannten Ionentriebwerken erreicht. Zudem sind die Wand- und Rekombinationsverluste geringer, da Elektronen und Ionen sogleich nach ihrer Entstehung durch die hochfrequente elektrische Welle in Richtung der Grenzelektrode beschleunigt werden.This advantage can be seen in the fact that the standing high-frequency electrical wave ·; by doing Discharge space Lorentz forces act on the ions and electrons of the gas discharge which how shown later, this towards the closed end of the high frequency generator, i.e. H. Accelerate in the direction of the multi-hole diaphragm opposite the acceleration electrode. Through this the plasma density increases in the vicinity of the multi-pinhole diaphragm; further is due to the high Concentration of the charge carriers and their axial velocity component at the multi-hole diaphragm, i.e. at the junction of the standing wave, a greater current density than in known ones Reached ion thrusters. In addition, the wall and recombination losses are lower because electrons and ions immediately after their formation by the high-frequency electrical wave in the direction of the Boundary electrode are accelerated.

Damit wird der Wirkungsgrad eines derartigen Ionentriebwerkes gegenüber den bekannten vergrößert, so daß z. B. bei einer bestimmten Beschleunigungsspannung pro Zeiteinheit mehr Ionen als bei bekannten Ionentriebwerken durch die Beschleunigungselektrode aus dem Entladungsraum extrahiert und beschleunigt werden; damit ist eine Schuberhöhung des Ionentriebwerkes erreichbar.This increases the efficiency of such an ion thruster compared to the known ones, so that z. B. at a certain acceleration voltage per unit of time more ions than at known ion thrusters extracted from the discharge space by the acceleration electrode and be accelerated; an increase in the thrust of the ion thruster can thus be achieved.

Die nach der elektrostatischen Beschleunigung der Ionen innerhalb des Entladungsraumes zurückbleibenden, bei der Ionisation frei gewordenen Elektronen werden, wie an sich bekannt, über eine Neutralisalorelektrode in den beschleunigten Ionenstrahl injiziert.The remaining after the electrostatic acceleration of the ions within the discharge space, Electrons released during ionization are, as is known per se, via a neutralizing electrode injected into the accelerated ion beam.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weit der Hochfrequenzresonator zwei konzentrisch angeordnete Hohlzylinder auf, die zusammen eine koaxiale /.4-Lecherleitung bilden, so daß die Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten Ionenstrahls und Teile des Treibstofffördersyslems im inneren Hohlzylinder angeordnet wer η können.In a further preferred embodiment of the invention, the high frequency resonator has two concentrically arranged hollow cylinders, which together form a coaxial /.4- Lecher line, see above that the device for neutralizing the accelerated ion beam and parts of the propellant delivery system arranged in the inner hollow cylinder who can η.

Nl >en der Raumersparnis bringt diese Anordnung zudem den Vorteil, daß die Vorrichtung zu Neutralisation des lonenstrLhls im Zentrum des bescr. leunigten Ionenstrahl liegt, wodurch eine ungünstige Beeinflussung und ungleichförmige Neutralisation des Ionenstrahl vermieden ist.This arrangement brings no space savings also has the advantage that the device can be used for neutralization of the ion beam in the center of the bescr. downward ion beam lies, which has an unfavorable influence and uneven neutralization of the ion beam is avoided.

Die Vorrichtung zur Neutralisation des Ionenstrahls kann dabei, wie an sich bekannt, eine Hohlkathode sein, die die in dem Entladungsraum nach der Ionisation verbleibenden Elektronen über eine mittels einer Gasentladung in der Hohlkathode erzeugte Plasmabrücke in den Ionenstrahl injiziert.The device for neutralizing the ion beam can, as is known per se, a hollow cathode be that the electrons remaining in the discharge space after ionization via a means A plasma bridge generated by a gas discharge in the hollow cathode is injected into the ion beam.

Sie kann aber wesentlich vereinfacht werden, und zwar durch einen ebenfalls zentrisch angeordneten rohrförmigen Hohlkörper, der auf einer Seile dein Entludungsraum zugeordnete öffnungen und auf seiner anderen Seite dem beschleunigten Ionenstrahl zugewandte öffnungen aufweist.It can, however, be simplified considerably, by means of a likewise arranged centrally tubular hollow body, the openings assigned to the discharge space on a cable and on its other side has openings facing the accelerated ion beam.

Bei dieser Anordnung und Ausführung der Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten Ionenstrahls wird von einer Stelle innerhalb des Entladungsraums mit hohem Plasmadruck nahe der Grenzelektrode über den durch die Beschleunigungselektrode geführten Hohlkörper eine Plasmabrücke zum beschleunigten Ionenstrahl gebildet, ohne daß eine zusätzliche Gasentladung erzeugt weiden muß.With this arrangement and design of the device for neutralizing the accelerated ion beam is from a location within the discharge space with high plasma pressure near the boundary electrode A plasma bridge to the accelerated via the hollow body guided through the acceleration electrode Ion beam formed without an additional gas discharge must be generated.

Auf diese Weise sind sämtliche, die Lebensdauer eines Triebwekes verkürzenden Hohl- oder Oxidkathoden vermieden. Durch den Foitfall der beheizten Hohlkathode und der dazugehörigen Energieversorgung und Regelung vereinfacht sich das Triebwerk weiter, wodurch die Betriebssicherheit weiter gesteigert wird.In this way, all that shorten the life of an engine are hollow or oxide cathodes avoided. Due to the failure of the heated hollow cathode and the associated energy supply and control, the engine is further simplified, which further increases operational reliability will.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispieien an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt dieThe invention is described in more detail in two exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows the

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ionentriebwerkes und dieFig. 1 shows a first embodiment of an ion thruster and the

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel.F i g. 2 another embodiment.

Ein Ionentriebwerk 1 besteht aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten metallischen Hohlzylindern 2 und 3, die beide zusammen eine koaxiale /./4-Lecherleitung bilden und deren zwischen ihnen liegender Raum 4 auf einer Seite durch eine kreisringförmige Viellochblende 5 abgeschlossen ist. An der der Viellochblende 5 gegenüberliegenden Seite des durch die zwei Hohlzylinder 2 und 3 gebildeten Resonators ist eine Farnsworth-Röhre 6 angeordnet. Sie besteht aus zwei Dynoden 61, 62 aus einem Material mit einer Sekundiirelektronenmission größer als 1. z. B. Nickel oder Silber, und einer zwischen den Dynoden 61 und 62 angeordneten zylinderfönniuen. gitterförmigen Anode 63. Zwischen Viellochblende 5 und Anode 63 ist eine Spannungsquelle 7 derart geschaltet, daß die Anode 63 gegenüber den Dynoden 61 ein positives Potential besitzt.An ion engine 1 consists of two metallic hollow cylinders 2 and 3 arranged concentrically to one another, both of which together form a coaxial /./4- Lecher line and the space 4 between them is closed on one side by an annular multi-hole diaphragm 5. A Farnsworth tube 6 is arranged on the side of the resonator formed by the two hollow cylinders 2 and 3 opposite the multi-hole diaphragm 5. It consists of two dynodes 61, 62 made of a material with a secondary electron emission greater than 1. z. B. nickel or silver, and arranged between the dynodes 61 and 62 cylinder hair dryer. Lattice-shaped anode 63. A voltage source 7 is connected between the multi-pinhole diaphragm 5 and anode 63 in such a way that the anode 63 has a positive potential with respect to the dynodes 61.

Zwischen Viellochblende 5 und der Farnswoi tli-Röhre6 ist eine aus dielektrischem Material, vorzugsweise Quarz, bestehende Wand 8 angeordnet, die einen zwischen Viellochblende 5 und Wand 8 befindlichen Entladungsraum 9 von dem Hochfrequenzgenerator 6 abtrennt.Between the multi-hole diaphragm 5 and the Farnswoi tli tube 6 is one made of dielectric material, preferably Quartz, existing wall 8 arranged, which is located between a multi-hole diaphragm 5 and wall 8 Discharge space 9 separates from the high-frequency generator 6.

Emittiert eine der Dynoden 61 oder 62 der Farnsworth-Röhre 6 z.B. durch kurzzeitiges Aufheizen Elektronen, so werden diese durch das an der Anode liegende positive Potential zu dieser hin beschleunigt und nach dem Durchgang durch dieselbe abgebremst. Das Potential der Anode 63 ist dabei so bemessen. daß die Elektronen nach dem Bremsvorgang mit einer bestimmten Restgeschwindigkeit aufeine der Dynoden aufprallen und aus dieser Sekundärelektronen auslösen. Emits one of the dynodes 61 or 62 of the Farnsworth tube 6, e.g. through brief heating Electrons, they are accelerated towards the anode by the positive potential and braked after passing through it. The potential of the anode 63 is dimensioned in this way. that the electrons hit one of the dynodes with a certain residual speed after the braking process impact and trigger secondary electrons from this.

Diese werden nun ihrerseits ebenso wie die umkehrenden Primärelektronen zur Anode 62 hin beschleunigt und schlagen aus der gegenüberliegenden Dynode bei ihrem Auftreffen zusätzliche Sekundiirelektronen heraus, so daß die anfänglich vorhandenen Primärelektronen lawinenartig vermehrt werden. Auf diese Weise können sehr große Strom- und Spannungsamplituden erzeugt werden. These in turn, like the reversing primary electrons, are now towards the anode 62 accelerates and strike additional secondary electrons from the opposite dynode when they strike out, so that the initially present primary electrons are multiplied like an avalanche. on In this way, very large current and voltage amplitudes can be generated.

Um die Funktion dieses als Farnsworth-Röhre ausgebildeten Hochfrequenzgenerators 6 zu ermöglichen, muß die Länge des zwischen die beiden Dynoden und Anode geschalteten, aus den beiden konzentrischen Hohlzylindern 2 und 3 bestehenden /. 4-Resonatois derart abgestimmt werden, daß dessen Eigenperiode auf die Hiektroncnlaufzeil zwischen den beiden Dynoden 61 und 62 abgestimmt ist. Im Rcsonatonaum 4 bildet sich dadurch eine stehende hochfrequente elektrische Welle, deren Knoten an der Viellochblende 5 und deren Bauch auf dem Hochfrequenzgenerator 6 liegt.In order to enable the function of this high-frequency generator 6, which is designed as a Farnsworth tube, must be the length of the connected between the two dynodes and anode, from the two concentric Hollow cylinders 2 and 3 existing /. 4-Resonatois are tuned in such a way that its natural period on the drum running line between the two dynodes 61 and 62 is coordinated. In the Rcsonatonaum 4 This creates a standing high-frequency electrical wave, the node of which is at the multi-pinhole diaphragm 5 and whose belly lies on the high-frequency generator 6.

Die Erzeugung der hochfrequenten Welle ist selbstverständlich auch auf andere Weise möglich, so z. B.The generation of the high-frequency wave is a matter of course also possible in other ways, e.g. B.

durch Avalanche-Dioden, handelsübliche Scheibentrioden oder auch mittels Transistorschalhmgen.by means of avalanche diodes, commercially available disc triodes or by means of transistor switches.

In dem inneren Hohlzylinder 3 ist ein gegenüber diesem durch Stützelemente 10, 11 und 12 elektrisch isolierter Treibstoffverdampfer 13 angeordnet. In dem Verdampfer 13 wird flüssiges Quecksilber verdampft, das über mehrere Kanäle 14 in den Entladungsraum 9 gelangt. Ein geringer Teil des dampfförmigen Quecksilbers gelangt in eine mit einer Heizwicklung 15 versehene Hohlkathode 16, welche durch eine öffnung in der Mitte der als ViellochbJende ausgebildeten Beschleunigungselektrode 17 hindurchragt. Vor der Hohlkathode 16 ist eine Zündelektrode 18 isoliert angeordnet. Zwischen der Viellochblende 5 und der Beschleunigungselektrode 17 ist eine Gleichspannung angelegt, deren negativer Pol mit der Beschleunigungselektrode verbunden ist. Dabei ist die Beschleunigungselektrode 17 über Haltebügel 19 und Isolatoren 20 mit einem auf den äußeren Hohlzylinder 2 angeordneten Flansch 21 mechanisch verbunden.In the inner hollow cylinder 3 is a relative to this by support elements 10, 11 and 12 electrical isolated fuel evaporator 13 arranged. Liquid mercury is evaporated in the evaporator 13, which reaches the discharge space 9 via several channels 14. A small part of the vapor Mercury enters a hollow cathode 16 provided with a heating coil 15, which cathode 16 passes through an opening in the middle of the multi-hole acceleration electrode 17 protrudes. Before the Hollow cathode 16, an ignition electrode 18 is arranged in an insulated manner. Between the multi-hole diaphragm 5 and the Accelerating electrode 17 is applied a DC voltage, the negative pole of which with the accelerating electrode connected is. The acceleration electrode 17 is connected to the outer hollow cylinder via retaining clips 19 and insulators 20 2 arranged flange 21 mechanically connected.

Die Funktionsweise des Ionentriebwerkes 1 ist nun folgende:The mode of operation of the ion thruster 1 is now as follows:

In dem Entladungsraum 9 wird mittels einer Zündelektrode 22 bei einem Druck von 10"2 bis 10"3Torr eine Gasentladung des Quecksilbers erzeugt, die danach durch das hochfrequente Wechselfeld aufrechterhalten wird, so daß das Quecksilber ionisiert wird.In the discharge space 9 a gas discharge of the mercury is generated by means of an ignition electrode 22 at a pressure of 10 " 2 to 10" 3 Torr, which is then maintained by the high-frequency alternating field so that the mercury is ionized.

Das auf die bei der Ionisation entstehenden Ladungsträger wirkende elektrische Feld £ ist in Zylinderkoordinaten geschriebenThe electric field E acting on the charge carriers generated during ionization is in cylindrical coordinates written

E (r, 2, f) = E0 (r, z) · cos (w t), E (r, 2, f) = E 0 (r, z) cos (wt) ,

(D(D

wobei r die radiale, ζ die axiale Koordinate, bezogen auf die beiden Hohlzylinder, und t die Zeit bedeutet. Die Tür ί = 0 vorhandene Feldkomponente E0 läßt sich dabei für einen Wert L' der Spannungsquelle 7 darstellen zuwhere r is the radial, ζ is the axial coordinate, based on the two hollow cylinders, and t is the time. The door ί = 0 existing field component E 0 can be represented for a value L 'of the voltage source 7

E (r. z. 0) =E (r. Z. 0) =

)· In)· In

coscos

(2)(2)

(3)(3)

3535

4040

wobei T1 der innere Radius des äußeren Hohlzylinders 2 und r, der äußere Radius des inneren Hohlzylinders 3 und / = λ/4 die Länge der Hohlzylinder 2, 3 bedeutet.where T 1 is the inner radius of the outer hollow cylinder 2 and r, the outer radius of the inner hollow cylinder 3 and / = λ / 4 the length of the hollow cylinder 2, 3.

Das durch die hochfrequente elektrische Welle induzierte Magnetfeld ß ist mit dem elektrischen Feld £ über die 1. Maxwellschc Gleichung verbunden, die sich unter der Berücksichtigung, daß in dem Resonator lediglich die radiale Komponente E1. des elektrischen und Winkelkomponente des magnetischen Feldes vorhanden ist, in Zylinderkoordinaten zuThe magnetic field β induced by the high-frequency electrical wave is connected to the electrical field β via the 1st Maxwell's equation, which is calculated taking into account that only the radial component E 1 . of the electric and angular component of the magnetic field is present in cylindrical coordinates too

vereinfacht.simplified.

Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) in die Gleichung (3) und anschließende partielle Integration nach der Zeit erhält man für das MagnetfeldBy substituting equations (1) and (2) into equation (3) and then integrating them in parts after the time one obtains for the magnetic field

1.-7 U . / .τ \ . 11.-7 U. / .τ \. 1

,·,- ,--; : · sin ι ^j ζ } sin (uf = - B„. , ·, -, -; : · Sin ι ^ j ζ} sin (uf = - B ".

η 2/ r In Ir2T1) \2 1 J c θ η 2 / r In Ir 2 T 1 ) \ 2 1 J c θ

(4)
die analog zu Gleichung Il) auch als
(4)
which is analogous to equation II) also as

ße(r. r. 1) = ße<1(r. ζ) sin (Mf) (4a)ß e (rr 1) = ß e <1 (r. ζ) sin (Mf) (4a)

geschrieben werden kann.can be written.

tin Vergleich mit Gleichung (1) zeigt, daß Be gegenüber dem radialen elektrischen Feld £r um 90° phasenverschoben ist.A comparison with equation (1) shows that B e is phase-shifted by 90 ° with respect to the radial electric field £ r.

Die Bewegungen der im elektrischen Feld £r radial pendelnden Elektronen und I onen sind aber gegenüber Er ebenfalls um 90" phasenverschoben, so daß sie mit dem Magnetfeld ße in Phase sind, wie im folgenden gezeigt ist.However, the movements of the electrons and ions oscillating radially in the electric field r are also phase-shifted by 90 ″ with respect to E r , so that they are in phase with the magnetic field ß e , as shown below.

Die Bewegungsgleichungen für die geladenen Teilchen lautenThe equations of motion for the charged particles are as follows

m,m,

d(d (

atat

= — e Er ,= - e E r ,

= e£r.= e £ r .

(51)(51)

(52)(52)

wobei der Index c bzw. i eine mit einem Elektron bzw. einem Ion verbundene Größe kennzeichnet und VT die jeweiligen radialen Geschwindigkeitskomponenten bedeutet.where the index c or i denotes a variable associated with an electron or an ion, and V T denotes the respective radial velocity components.

Aus (51) und (52) erhalten wird unter Berücksichtigung der Gleichung (1)Obtained from (51) and (52) taking into account the equation (1)

e
w ih„
e
w ih "

(r, 2)-sin(r, 2) -sin

E0(^z) ■ sin E 0 (^ z) ■ sin

(61)(61)

(62)(62)

Da sich somit sowohl das Magnetfeld B9 als auch die radialen Geschwindigkeiten der Elektronen und Ionen sinusformigändern, sie also in Phase sind, wirken auf die geladenen Teilchen Lorentzkräfte, die sich aus dem Produkt der Ladung mit dem Vektorprodukt aus Geschwindigkeit der Ladungsträger und dem Magnetfeld darstellen lassen:Since both the magnetic field B 9 and the radial velocities of the electrons and ions change sinusoidally, i.e. they are in phase, Lorentz forces act on the charged particles, which are represented by the product of the charge with the vector product of the speed of the charge carriers and the magnetic field permit:

F1,= -F 1 , = -

F1= e(Friße).F 1 = E (f ri ß e).

(71)(71)

(72)(72)

Setzt man in (71) und (72) die Ausdrücke für die Geschwindigkeiten und das Magnetfeld (61). (62) und (4a) ein. so wirdIf we put the expressions for the velocities and the magnetic field (61) in (71) and (72). (62) and (4a) a. so will

= ■—— in ir. ζ) · B0 ir. ζ) · sin2 (\vt). = ■ —— in ir. Ζ) · B 0 ir. Ζ) · sin 2 (\ vt).

55 F' = 55 F ' =

w mw m

(71a)(71a)

(72a)(72a)

Man sieht, daß die auf die Elektronen und Ionen wirkende Lorentzkraft immer positiv, d. h. zum Knotenpunkt der stehenden Welle gerichtet ist.It can be seen that the Lorentz force acting on the electrons and ions is always positive, i. H. to the junction the standing wave is directed.

Obwohl die an den Elektronen und Ionen angreifenden Kräfte auf Grund deren unterschiedlicher Masse unterschiedliche Geschwindigkeiten in axialer Richtung bewirken, werden diese Geschwindigkeitsunterschiede durch Ladungstrennungskräfte beseitigt, so daß sich Elektronen und Ionen mit der gleichen Geschwindigkeit V. in r-Richtung bewegen. Aus derAlthough the forces acting on the electrons and ions cause different speeds in the axial direction due to their different mass, these speed differences are eliminated by charge separation forces, so that electrons and ions move at the same speed V. in the r-direction. From the

Bcwcgungsgleichung des PlasmasEquation of equation for the plasma

'"'■ ~df + '"'■ 'ι' = ~e(K'- ' Βθ) + C{V" Βθ) '"' ■ ~ df + '"' ■ 'ι' = ~ e (K '- ' Βθ) + C {V " Βθ)

(8)
erhalt man daher für K.,, = K11- = K.
(8th)
one therefore obtains for K. ,, = K 11 - = K

dK
('», + '«,.) rf = -C(Vn. - Kn-) ße . (Hai
dK
('», +'«,.) Rf = -C (V n . - K n -) ß e . (Shark

IOIO

Da Kn sehr klein gegen Kri. und ebenso in,, sehr klein gegen hi, ist. vereinfacht sieh die Gleichung (8a) zuSince K n is very small compared to K ri . and also in, very small versus hi, is. for a simplified see equation (8a)

W Hl. W St.

e2,e 2 ,

£,,(/·. 2) ■ ßo(r. r) siir («·£ ,, (/ ·. 2) ■ ß o (r. R) siir («·

(f c .-τ / L V . / .τ \(f c.-τ / L V. / .τ \

χ cosχ cos

rJrJ

sin2 (ui)sin 2 (ui)

(9)(9)

Daraus ist ersichtlich, daß die Beschleunigung inIt can be seen from this that the acceleration in

d V
r-Richtung --r-= zwischen ζ = O und r = 1, d.h. bis
d V
r-direction --r- = between ζ = O and r = 1, ie up to

zur Viellochblende 5 positiv ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Ionen und Elektronen zur Viellochblende 5 gedrückt werden, so daß sich unmittelbar davor eine hohe Plasma- und eine hohe Stromdichte ausbildet.to the multi-hole diaphragm 5 is positive. Expressed differently this means that the ions and electrons to the multi-pinhole 5 are pressed, so that there is a high plasma and a high current density immediately in front of it trains.

Die an der Viellochblende 5 mil der Geschwindigkeil V. ankommenden Ionen werden in bekannter Weise durch die Beschlcunigungsclektrode 17 aus dem Entladungsraum 9 gezogen und elektrostatisch weiterbeschlcunigt. Die in dem Entladungsraum 9The ions arriving at the multi- pinhole diaphragm 5 at the speed V are drawn in a known manner by the acceleration electrode 17 from the discharge space 9 and further accelerated electrostatically. The in the discharge space 9

verbleibenden Elektronen werden über die sich nach Zündung der Hohlkathode 16 durch die Zündelektrode 18 ausbildende Plasmabrücke in den beschleunigten Ionenstrahl injiziert, so daß dieser neutralisiert istAny remaining electrons are transferred to the ignition electrode after the hollow cathode 16 has been ignited 18 forming plasma bridge is injected into the accelerated ion beam so that it is neutralized is

Wie aus Gleichung (9) zu sehen ist. kann durch die Lange des Entladungsraumes die von Elektronen und Ionen an der Viellochblende 5 erreichte Geschwindigkeit und damit auch die dort vorhandene Plasmadichtc eingestellt werden.As can be seen from equation (9). can, through the length of the discharge space, that of electrons and Ions at the multi-hole diaphragm 5 reached speed and thus also the plasma density present there can be set.

Durch die in Richtung der Viellochblende zunehmende Plasmadichtc ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten lonenstrahlcs möglich, vergleiche F i g. 2. Der Entladungsraum 9 weist an seiner der Viellochblende 5 zugewandten Seite Öffnungen 31 auf. die den Entladungsraum 9 mit einem rohrförmigen Hohlkörper 32 verbinden. Der rohrförmige Hohlkörper 32. der durch eine öffnung 33 der Beschleunigungscleklrode 17 hindurchragt, ist an seiner dem Triebwerk abgewandten Seite ebenfalls mit Öffnungen 34 versehen. Wird das Plasma in dem Entladungsraum 9 gegen die Viellochblende 5 gedrückt, so wird ein geringer Teil des Plasmas durch die Öffnungen 31 in den Hohlkörper 32 und von diesem über die Öffnungen 34 zum beschleunigten Ionenstrahl gelangen und so eine Plasmabrücke bilden. Die in dem Entladungsraum zurückgebliebenen Elektronen werden über diese Plasmabrückc in den beschleunigten Ionenstrahl gezogen, der für die Elektronen eine positive Anode darstellt. Der Ionenstrahl wird dadurch neutralisiert.The plasma density increasing in the direction of the multi-hole diaphragm is a further embodiment the device for neutralizing the accelerated ion beam is possible, compare FIG. 2. The discharge space 9 has openings 31 on its side facing the multi-hole diaphragm 5. which the discharge space 9 connect to a tubular hollow body 32. The tubular hollow body 32. by an opening 33 of the accelerator rod 17 protrudes, is also provided with openings 34 on its side facing away from the engine. It will Plasma in the discharge space 9 pressed against the multi-hole diaphragm 5, so a small part of the Plasma through the openings 31 into the hollow body 32 and from this via the openings 34 to the accelerated Ion beam and thus form a plasma bridge. Those left in the discharge space Electrons are drawn into the accelerated ion beam via this plasma bridge, which is responsible for the Electrons represents a positive anode. The ion beam is thereby neutralized.

Diese zweite Auführungsform des Ionentriebwerkes besitzt zusätzlich den Vorteil, daß keine thermisch belasteten Elektroden mehr verwendet werden. Selbstverständlich ist die in dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgeschlagene Ausbildung des Neutralisatori auch bei anderen Ionentriebwerken möglich, solange diese in der Gegend der Viellochblende eine aus reichende Plasmadichtc aufweisen.This second embodiment of the ion thruster has the additional advantage that none is thermally loaded electrodes can be used more. It goes without saying that this is the case in the second exemplary embodiment proposed design of the neutralizer also possible with other ion thrusters, as long as these have a sufficient plasma density in the area of the multi-hole diaphragm.

Hierzu 2 Blatt ZeichnunucnFor this 2 sheets of drawings

Claims (5)

Patentansprüche: 20Claims: 20 1. Hochfrequenz-Ionentriebwerk mit einem Treibstoffördersystem, einem Hochfrequenzgenerator zur Ionisation des in Gasform vorliegenden Treibstoffes mittels Hochfrequenzenergie in einem Gasentladungsraum, mit einer Elektrode zur Extraktion und Beschleunigung der Ionen aus dem Gasentladungsraum und mit einer Vorrichtung zur Neutralisation des Ionenstrahlenbündels nach dem Durchtritt durch die Extraktions- und Beschleunigungselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasentladungsraum (9) in einem Λ/4-Hochfrequenzresonator an dessen durch eine der Extraktions- und Beschleunigungselektrode (17) gegenüberliegende Viellochblende (5) geschlossenen Ende und der Hochfrequenzgenerator am anderen, offenen Ende in dem Hochfrequenzresonator angeordnet ist.1. High-frequency ion thruster with a fuel delivery system, a high-frequency generator for ionizing the fuel, which is present in gaseous form, by means of high-frequency energy in one Gas discharge space, with an electrode to extract and accelerate the ions from the Gas discharge space and with a device for neutralizing the ion beam the passage through the extraction and acceleration electrode, characterized in that that the gas discharge space (9) in a Λ / 4 high frequency resonator through it one of the extraction and acceleration electrode (17) opposite multi-hole diaphragm (5) closed End and the high frequency generator at the other, open end in the high frequency resonator is arranged. 2. Hochfrequenz-Ionentriebwerk nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzresonator zwei koaxiale metallische Hohlzylinder (2, 3) aufweist, daß im Ringraum (4) zwischen den Hohlzylindern (2, 3) der Entladungsraum (9) angeordnet ist und daß im inneren Hohlzylinder (3) die Vorrichtung zur Neutralisation des Treibstoffördersystems (13) angeordnet ist.2. High-frequency ion engine according to claim 1, characterized in that the high-frequency resonator has two coaxial metallic hollow cylinders (2, 3) that in the annular space (4) between the discharge space (9) is arranged in the hollow cylinders (2, 3) and that in the inner hollow cylinder (3) the device for neutralizing the fuel delivery system (13) is arranged. 3. Hochfrequenz-Ionentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Neutralisation aus einem rohrförmigen Hohlkörper (32) besteht, der auf einer Seite dem Entladungsraum (9) zugeordnete öffrungen (31) und auf einer anderen Seite dem beschleunigten Ionenstrahl zugewandte Öffnungen (34) aufweist.3. High-frequency ion engine according to claim 2, characterized in that the device for neutralization consists of a tubular hollow body (32) which on one side openings (31) assigned to the discharge space (9) and the accelerated one on another side Has openings (34) facing the ion beam. 4. Hochfrequenz-Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (6) eine Farnsworth-Röhre ist.4. High-frequency ion engine according to claim 1, characterized in that the high-frequency generator (6) is a Farnsworth tube. 5. Hochfrequenz-Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (6) eine Scheibentriode ist.5. High-frequency ion engine according to claim 1, characterized in that the high-frequency generator (6) is a disc triode.
DE19702053929 1970-11-03 1970-11-03 High frequency ion thruster Expired DE2053929C3 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19702053929 DE2053929C3 (en) 1970-11-03 High frequency ion thruster
US00190981A US3757518A (en) 1970-11-03 1971-10-20 Ion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19702053929 DE2053929C3 (en) 1970-11-03 High frequency ion thruster

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2053929A1 DE2053929A1 (en) 1972-06-22
DE2053929B2 true DE2053929B2 (en) 1975-08-07
DE2053929C3 DE2053929C3 (en) 1976-03-11

Family

ID=

Also Published As

Publication number Publication date
US3757518A (en) 1973-09-11
DE2053929A1 (en) 1972-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1269020B1 (en) Plasma accelerator arrangement
DE2633778C3 (en) Ion thruster
DE882769C (en) Method and device for the separation of charged particles with different e / m ratios
EP1269803B1 (en) Plasma accelerator arrangement
DE10130464A1 (en) Plasma accelerator configuration
DE2264437A1 (en) DISCHARGE DEVICE OPERATED WITH HIGH FREQUENCY VOLTAGE
DE3914838A1 (en) ION CYCLOTRON RESONANCE SPECTROMETER
DE3019760A1 (en) GAS DISCHARGE SWITCH TUBES WITH CROSSED FIELDS
DE10153723A1 (en) Plasma accelerator configuration
DE1153463B (en) Plasma generator for generating a continuous plasma jet
DE2219545A1 (en) ION ENGINE
DE2321665A1 (en) ARRANGEMENT FOR COLLECTING SUBSTANCES ON DOCUMENTS BY MEANS OF AN ELECTRIC LOW VOLTAGE DISCHARGE
DE2053929B2 (en) High frequency ion thruster
DE2016038B2 (en) ION SOURCE
DE2053929C3 (en) High frequency ion thruster
DE2560528C3 (en) Ion source
DE1228750B (en) Atomizing ion getter pump
DE2454458C3 (en) High frequency plasma engine
DE1573923A1 (en) Ionization vacuum meter
EP1145269B1 (en) Method for generating a pulsed electron beam and a trigger plasma source for carrying out said method
DE2025987C3 (en) Ion source
DE1514097A1 (en) Ionization device for gases
DE1184429B (en) Method and device for generating plasma with directed translational energy
WO2023222155A1 (en) Microwave-cyclotron-resonance plasma thruster and associated operating method, and use
DE864716C (en) Electron tubes for very short waves

Legal Events

Date Code Title Description
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)