DE2053929C3

DE2053929C3 - High frequency ion thruster

Info

Publication number: DE2053929C3
Application number: DE19702053929
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Phys. 8000 München Bahr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Filing date: 1970-11-03
Publication date: 1976-03-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochfrequenz-Ionentriebwerk mit einem Treibstoffördersvstem, 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. The invention relates to a high frequency ion thruster with a propellant 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 Neutralgas in einem aus dielektrischem Material, z. B. Quarz, bestehenden Entladungsraum durch Stoßionisation auf induktive Weise ionisiert, indem um den Entladungsraum eine von einem Hochfrequenzgenerator gespeiste Induktionsspule angeordnet ist. vgl. H.W. Loch, State of the Art and Recent Developments of the Radio Frequency Ionmotors, AIAA Paper 69 285. 1969. Die Ionen werden mittels einer Beschleunigungselektrode elektrostatisch beschleunigt und nach Passieren der Beschleunigungselektrode durch Injektion von Elektronen neutralisiert.In such high-frequency ion thrusters used in spacecraft, neutral gas is in one made of dielectric material, e.g. B. quartz, existing discharge space by impact ionization Ionized inductively by adding a high-frequency generator to the discharge space Induction coil is arranged. see H.W. Loch, State of the Art and Recent Developments of the Radio Frequency Ionmotors, AIAA Paper 69 285. 1969. The ions are electrostatically accelerated by means of an acceleration electrode and after passing through the acceleration electrode is neutralized by injecting electrons.

Bei der Ionisation des Neutralgases mit HochfrequenzAechselfeidern werden zwar die bei herkömmlichen Ionenquellen auftretenden, die Lebensdauer von Kathoden und Anoden betreffenden Probleme eleminiert, demgegenüber sind aber der mechanische Aufbau der bekanntgewordenen Hochfrequenztriebwerke ebenso wie die elektronischen Schaltungen zur Erzeugung und Regelung der Hochfrequenzenergie kompliziert und aufwendig. Dadurch wird wiederum die an sich hohe Lebensdauer und Betriebssicherheit dieser Ionentriebwerke verringert.When ionizing the neutral gas with high-frequency alternating fields However, the problems associated with the service life of cathodes and anodes which occur with conventional ion sources are addressed eliminated, but on the other hand the mechanical structure of the known high-frequency engines just like the electronic circuits for generating and regulating high-frequency energy complicated and time-consuming. This in turn increases the service life and operational reliability these ion thrusters decreased.

Ein weiteres, sowohl bei den bekannten Hochfrequenztriebwerken als auch bei den elektrostatischen Ionenquellen auftretendes Problem ist die sowohl in radialer als auch in axialer Richtung des Entladungsraumes mehr oder weniger ungleichförmige Plasmadichteverteilung, die neben hohen Wand- und Diffusionsverlusten auch einen geringen Wirkungsgrad dieser Ionentriebwerke bedingt.Another, both with the well-known high-frequency engines as well as with the electrostatic ion sources is the problem both in more or less non-uniform plasma density distribution in the radial as well as in the axial direction of the discharge space, which, in addition to high wall and diffusion losses, also results in a low level of efficiency of these ion thrusters.

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

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

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

Es ist zwar bei Ionenquellen bereits bekannt vgl. etwa Helvetia Physica Acta, Bd. 30, 1957, Heft 4. S. 292 bis 296, daß Ionen mittels einer Hochfrequenzionisation erzeugt werden, wobei der Entladungsraum, in dem die Ionisation des gasförmigen Stoffes vorgenommen wird, in einem /./4-Resonator gelegen ist. Gegenüber einem Ionentriebwerk gemäß der Erfindung handelt es sich bei einer derartigen Ionenquelle jeweils um fremderregte Resonatoren, nicht jedoch um Hochfrequenzgeneratoren, die eine einheitliche Bauweise des gesamten Triebwerkes gestatten. Des weiteren ist der Entladungsraum bei den bekannten Ionenquellen nicht wie bei einem Ionentriebwerk gemäß der Erfindung am geschlossenen, sondern am offenen Ende des Resonators angeordnet Am offenen Ende des Resonators ist zwar die lonisationsquote höher als am geschlossenen Ende, du am offenen Ende, also in der Gegend des Schwingungsbauches der stehenden elektrischen Welle, die meiste Energie zur Ionisation zur Verfügung steht jedoch ist durch entsprechende Bemessung der Gasdichte im Eniladungsraum und der Amplitude dei stehenden Welle auch am geschlossenen Ende de; Hochfrequenzgenerators eine vollständige IonisationIt is already known for ion sources, see for example Helvetia Physica Acta, Vol. 30, 1957, No. 4. P. 292 to 296 that ions are generated by means of high-frequency ionization, the discharge space in which the ionization of the gaseous substance is made, is located in a /./4 resonator. Compared to an ion thruster according to the invention such an ion source involves separately excited resonators, not however, about high-frequency generators, which allow a uniform construction of the entire engine. Furthermore, the discharge space in the known ion sources is not like that of an ion thruster arranged according to the invention at the closed, but rather at the open end of the resonator The ionization rate is higher at the open end of the resonator than at the closed end, you at the open end, i.e. in the area of the antinode of the standing electric wave, the Most of the energy for ionization is available, however, is through appropriate dimensioning of the gas density in the cargo space and the amplitude of the standing wave also at the closed end de; High frequency generator complete ionization

des gasförmigen Treibstoffes zu erreichen. Hier kommt aber dann zusätzlich ein wesentlicher Vorteil hinzu.of gaseous fuel. Here comes but then an additional significant advantage.

Dieser Vorteil ist darin zu sehe;, daß durch die stehende hochfrequente elektrische Welle in dem tntladungsraum Lorentzkräfte auf die Ionen und Elektronen der Gasentladung wirken, welche, wie später gezeigt wird, diese in Richtung auf das geschlossene Hnde 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 Geschwindigkeitskomponente 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 Gren2:elektrode beschleunigt werden.This advantage is to be seen in the fact that through the standing high-frequency electric wave in the discharge space Lorentz forces on the ions and Electrons of the gas discharge act, which, as will be shown later, move them towards the closed Hands of the high frequency generator, d. H. in the direction of the accelerating electrode Accelerate opposite multi-hole diaphragm. This increases the plasma density in the vicinity of the Multi-hole diaphragm to; Furthermore, due to the high concentration of charge carriers and their axial velocity component at the multi-pinhole diaphragm, i.e. at the junction of the stationary one Wave, a greater current density than with known ion thrusters is achieved. In addition, the wall and lower recombination losses, since electrons and ions immediately after their formation by the high-frequency electric wave in the direction of the Gren2: 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 Neutralisatorelektrode in den beschleunigten Ionenstrahl injiziert.The remaining after the electrostatic acceleration of the ions within the discharge space, As is known per se, electrons released during ionization are passed through a neutralizer electrode injected into the accelerated ion beam.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist 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 Treibstofffördersystems im inneren Hohlzylinder angeordnet werden 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 fuel delivery system can be arranged in the inner hollow cylinder.

Neben der Raumersparnis bringt diese Anordnung zudem den Vorteil, daß die Vorrichtung zur Neutralisation des Ionenstrahl im Zentrum des beschleunigten Ionenstrahl liegt, wodurch eine ungünstige Beeinflussung und ungleichförmige Neutralisation des Ionenstrahls vermieden ist.In addition to saving space, this arrangement also has the advantage that the device for neutralization of the ion beam lies in the center of the accelerated ion beam, causing 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 Seite dem Entladungsraum 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 one side 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 werden 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 Üxidkathoden vermieden. Durch den Fortfall 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 a drive train are hollow or oxide cathodes avoided. By eliminating 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 Ausführungsbeispielen 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 Ausführungsbeispie! eines Ionentriebwerkes und dieFig. 1 is a first Ausführungsbeispie! an ion thruster and the

F i g. 2 ein weiteres Ausfiihrungsbeispiel.F i g. 2 another exemplary 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 Sekundärelektronenmission größer als 1, z. B. Nickel oder Silber, und einer zwischen den Dynoden 61 und 62 angeordneten zylinderförmigen, gitterformigen Anode 63. Zwischen Viellochblende 5 und Anode 63 ist eine Spannungsquelle 7 derart geschaltet, daß die Anode 63 gegenüber den Dynoden 61 ein positives Poteniial besitzt.An ion thruster 1 consists of two metallic hollow cylinders arranged concentrically to one another 2 and 3, both of which together form a coaxial /./4 Lecher line and theirs between them lying space 4 is closed on one side by an annular multi-hole diaphragm 5. At the the multi-hole diaphragm 5 opposite side of the resonator formed by the two hollow cylinders 2 and 3 a Farnsworth tube 6 is arranged. It consists of two dynodes 61, 62 made of one material with a secondary electron emission greater than 1, e.g. B. nickel or silver, and one between the Cylindrical, lattice-shaped anode 63 arranged between dynodes 61 and 62 and anode 63, a voltage source 7 is connected in such a way that the anode 63 is opposite to the dynodes 61 has a positive potential.

Zwischen Viellochblende 5 und der Farnsworth-Röhre 6 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 Farnsworth 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 such a way that 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 Sekundärelektronen 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 beat 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-Resonators derart abgestimmt werden, daß dessen Eigenperiode auf die Eleklronenlaufzeit zwischen den beiden Dynoden 61 und 62 abgestimmt ist. Im Resonatorraum 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 resonators are tuned in such a way that its natural period on the electron runtime between the two dynodes 61 and 62 is coordinated. As a result, a standing high frequency is formed in the resonator chamber 4 electric wave, its node on the multi-hole diaphragm 5 and its belly on the high-frequency generator 6 lies.

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

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

In dem inneren Hohlzylinder 3 ist ein gegenüber diesem durch Stützelemente 10, 11 und 12 elektrisch isolierter TreibstofTverdampfer 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 Viellochblende 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 propellant 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 which is provided with a heating winding 15 and which passes through an opening in the middle of the accelerating electrode 17 formed as a multi-hole diaphragm 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 1(T² bis 10~³Torr eine Gasentladung des Quecksilbers erzeugt, die danach durch das hochfrequente Wechselfcld aufrechterhalten wird, so daß das Quecksilber ionisiert wird.A gas discharge of the mercury is generated in the discharge space 9 by means of an ignition electrode 22 at a pressure of 1 (T ² to 10 ^-3 Torr, which is then maintained by the high-frequency alternating current so that the mercury is ionized.

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

E(r, z, r) = £^(r, z)cos(wi), E (r, z, r) = £ ^ (r, z) cos (wi),

(1)(1)

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

r in r in

coscos

(2)(2)

dE,- _ 1 dE, - _ 1

Ύ7 ~ ~ 7Ύ7 ~ ~ 7

dtGerman

(3,(3,

ί 1ί 1 ^υυ

W 2 1 r ■ In Ir₂T₁) W 2 1 r ■ In Ir ₂ T ₁ )

die analog zu Gleichung (1) auch alswhich is analogous to equation (1) also as

B_e(r.z. I) = Β_θ()(ι:ζ) sin(wf)
geschrieben werden kann. B _e (rz I) = Β _{θ ()} (ι: ζ) sin (wf)
can be written.

(4)(4)

(4 a)(4 a)

Ein Vergleich mit Gleichung(l) zeigt, daß B« gegenüber dem radialen elektrischen Feld E_r um 90' phasenverschoben ist.A comparison with equation (1) shows that B «is 90 'out of phase with the radial electric field E _r.

Die Bewegungen der im elektrischen Feld E_r radial pendelnden Elektronen un i Ionen sind aber gegenüber E_r ebenfalls um 90" phasenverschoben, so daß sie mit dem Magnetfeld Β_θ in Phase sind, wie im folgenden gezeigt ist.The movements of the radially oscillating in the electric field E _r electrons un i but ions are also out of phase with E _r 90 ", so that they are with the magnetic field _Β θ in phase, as shown in the following.

Die Bewegungsgleichungen für die geladenen Teilchen lautenThe equations of motion for the charged particles ring

wobei r die radiale, ζ die axiale Koordinate, bezogen auf die beiden Hohlzylinder, und t die Zeit bedeutet. Die für ί = 0 vorhandene Feldkomponente E₀ läßt sich dabei für einen Wert U 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 existing for ί = 0 field component E ₀ can in this case for a value U of the voltage source 7 to represent

wobei r₂ der innere Radius des äußeren Hohlzylinders 2 und r, der äußere Radius des inneren Hohlzylinders 3 und / = /4 die Länge der Hohlzylinder 2, 3 bedeutet. Das durch die hochfrequente elektrische Welle induzierte Magnetfeld B ist mit dem elektrischen Feld E über die 1. Maxwellsche Gleichung verbunden, die sich unter der Berücksichtigung, daß in dem Resonator lediglich die radiale Komponente £_r des elektrischen und Winkelkomponente des magnetischen Feldes vorhanden ist, in Zylinderkoordinaten zuwhere r _{2 is} the inner radius of the outer hollow cylinder 2 and r, the outer radius of the inner hollow cylinder 3 and / = / 4 is the length of the hollow cylinder 2, 3. The magnetic field B induced by the high-frequency electric wave is connected to the electric field E via Maxwell's 1st equation, which, taking into account that only the radial component £ _{r of} the electric and angular component of the magnetic field is present in the resonator, is shown 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

di ~ ^Ct' di ~ ^Ct '

d V_n d V _n

(51)(51)

(52)(52)

wobei der Index e bzw. 1 eine mit einem Elektron bzw. einem lon verbundene Größe kennzeichnet und \'\ die jeweiligen radialen Geschwindigkeitskomponenten bedeutet.where the index e or 1 denotes a quantity associated with an electron or an ion and \ '\ denotes the respective radial velocity components.

Aus (51) und (52) erhalten wird unter Berücksichtigung der Gleichung (I)From (51) and (52) is obtained, taking into account the equation (I)

V_n = -w m,V _n = -wm,

sin (wl) . sin (wl).

sin (wt). sin (wt).

(611(611

(62)(62)

Da sich somit sowohl das Magnetfeld Β_θ als auchSince both the magnetic field Β _θ and

die radialen Geschwindigkeiten der Elektronen undthe radial velocities of the electrons and

Ionen sinusförmig ändern, sie also in Phase sind, wirk en auf die geladenen Teilchen Lorentzkräfte. die sich aus dem Produkt der Ladung mit dem Vektorprodukt ausIons change sinusoidally, i.e. they are in phase, act Lorentz forces on the charged particles. resulting from the product of the charge with the vector product

Geschwindigkeit der Ladungsträger und dem Magnet-Speed of the charge carriers and the magnetic

feld darstellen lassen:display field:

(71)
(72)(71)
(72)

F,= -C(V_n-B₉), F₁-= C(V_n Β_θ). F, = -C (V _n -B ₉ ), F ₁ - = C (V _n Β _θ ).

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

F = F =

w m_r wm _r

£(,((·.-) - B₀(r,z) ■ siir(ivi). (7laI£ (, ((· .-) - B ₀ (r, z) ■ siir (ivi). (7laI

'' W 171, W 171,

S₀(C. r)· sin² (wt) . (72a)S ₀ (C. r) • sin ² (wt). (72a)

Man sieht, daß die auf die Elektronen und Ionen wirkende Lorentzkraft immer positiv, d. h. zum Knotenpunkt der stehenden Welle gerichtet ist.You can see that they affect the electrons and ions acting Lorentz force always positive, d. H. is directed to the node of the standing wave.

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

idial
Jbcr
mil
denideal
Jbcr
mil
the

(ο(ο

Bcwcgungsglcichung des PlasmasEqualization of the plasma

dVdV
"df"df

^Bf>)Bf>)

crhiili man daher für K₁. = K₁- = Kcrhiili one therefore for K ₁ . = K ₁ - = K

('",+ '".·) ^d _dY = -C(K,.- VJB₉ ('", +'". ·) ^D _d Y = -C (K, .- VJB ₉

^v,i ■ B₉) ^v , i ■ B ₉ ) WW.

(8 a)(8 a)

Da K₁- sehr klein gegen Κ,· ^und ebenso m,. sehr klein gegen »i,- ist, vereinfacht sich die Gleichung (8a) zuSince K ₁ - very small compared to Κ, · ^and d also m ,. is very small compared to »i, -, equation (8a) simplifies to

dK
d ( ^Γι dK
d ( ^Γι

---- ,— ξ, (r, z) · ß„ (r. z) sin² (\\7) ---- , - ξ, (r, z) · ß "(r. Z) sin ² (\\ 7)

erc_ ji ( U_ γ . / .-τ \ erc_ ji (U_ γ. /.-τ \

i7m_r 2/ Kr]_nJr₂Jr₁)) ^Sl"\2l ~) i7m _r 2 / Kr] _n Jr ₂ Jr ₁ )) ^Sl "\ 2l ~)

^os ( "—, z) · sin² (Mf). (9) \2/ J ^ os ("- , z) · sin ² (Mf). (9) \ 2 / J

2020th

χ cos ( ₇—χ cos ( ₇ -

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

d V
^-Richtung -^- zwischen ζ = 0 und 2=1, d.h. bis zur Viellochblendc5 positiv ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Ionen und Elektronen zur Vicllochblendc 5 gedrückt werden, so daU sich unmittelbar davor eine hohe Plasma- und eine hohe Stromdichte ausbildet.d V
^ -Direction - ^ - between ζ = 0 and 2 = 1, ie until the multi-hole aperture c5 is positive. In other words, this means that the ions and electrons are pressed towards the Vicllochblendc 5, so that a high plasma and a high current density is formed immediately in front of it.

Die an der Viellochblcnde 5 mit der Geschwindigkeit K ankommenden Ionen werden in bekannter Weise durch die Bcschleunigungsclcktrodc 17 aus dem Entladungsraum 9 gezogen und elektrostatisch wcilcrbeschlcunigt. Die in dem Hntladungsraum 9 verbleibenden l'leklronen werden über die sich nach Zündung der Hohlkathode 16 durch die Zündelektrode 18 ausbildende Plasmabrückc in den beschleunigten Ionenstrahl inji/iert. so daü dieser neutralisiert ist.The ions arriving at the multi-hole diaphragm 5 with the speed K are known Wise pulled out of the discharge space 9 by the accelerator 17 and electrostatically accelerated. The l'leklronen remaining in the discharge space 9 are moved over the Ignition of the hollow cathode 16 by the ignition electrode 18 forming the plasma bridge in the accelerated Ion beam injected. so that it is neutralized.

Wie aus Gleichung |9| zu sehen ist. kann durch die Länge des Knlladungsraumes die von 1 Elektronen und Ionen an der Viellochblendc5 erreichte Geschwindigkeit und damit auch die dort vorhandene Plasmadichte eingestellt werden.As from equation | 9 | you can see. can by the length of the charge space that of 1 electrons and Ions at the multi-hole aperturec5 reached speed and thus also the plasma density present there can be set.

Durch die in Richtung der Viellochblcnde zunehmende Plasmadichle ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten loncnstrahles möglich, vergleiche I- i g. 2. Der \m\- ladungsraum 9 weist an seiner der Viellochblende 5 zugewandten Seile Öffnungen 31 auf. die den Hntladungsraum 9 mit einem rohrförmigen 1 lohlkörper 32 verbinden. Der rohrförmige Hohlkörper 32. der durch eine öffnung 33 der Beschleunigungselektrode 17 hindurchragt, ist an seiner dem Triebwerk abgewandten Seite ebenfalls mit öffnungen 34 versehen. Wird das Plasma in dem Hniladungsraum 9 gegen die Viellochblcnde 5 gedrückt, so wird ein geringer Teil des Plasmas durch die öffnungen 31 in den 1 lohlkörper 32 und von diesem über die öffnungen 34 /um beschleunigten Ionenstrahl gelangen und so eine Plasmabrücke bilden. Die in dem Knlladungsraum zurückgebliebenen Elektronen werden über diese Plasmabrücke in den beschleunigten Ionenstrahl gezogen, der für die Elektronen eine positive Anode darstellt. Der Ionenstrahl wird dadurch neutralisiert.A further embodiment of the device for neutralizing the accelerated ion beam is possible due to the plasma dichle increasing in the direction of the multi-hole aperture, compare FIG. 2. The \ m \ - loading chamber 9 has facing openings 31 on its ropes of the multi-aperture plate. 5 which connect the discharge space 9 to a tubular 1 hollow body 32. The tubular hollow body 32, which protrudes through an opening 33 in the acceleration electrode 17, is also provided with openings 34 on its side facing away from the engine. If the plasma in the charge space 9 is pressed against the multi-hole screen 5, a small part of the plasma will pass through the openings 31 into the hollow body 32 and from there via the openings 34 μm accelerated ion beam and thus form a plasma bridge. The electrons remaining in the charge space are drawn via this plasma bridge into the accelerated ion beam, which represents a positive anode for the electrons. This neutralizes the ion beam.

Diese zweite Auführungsform des Ionentriebwerkes besitzt zusätzlich den Vorteil. daU keine thermisch belasteten Elektroden mehr verwendet werden. Selbstverständlich ist die in dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgeschlagene Ausbildung des Neutralisators auch bei anderen Ionentriebwerken möglich, solange diese in der Gegend der Vieilochblcnde eine ausreichende Plasmadichtc aufweisen.This second embodiment of the ion thruster has the additional advantage. there is no thermal 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 blinds.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

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 /./4 high frequency resonator through it a multi-hole diaphragm (5) opposite the extraction and acceleration electrode (17) is closed End and the high frequency generator at the other, open end in the high frequency resonator is arranged.

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. 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. High-frequency ion engine according to claim 1, characterized in that the high-frequency generator (6) is a Farnsworth tube.

5. High-frequency ion engine according to claim I, characterized in that the high-frequency generator (6) is a disc triode.