-
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der
Ionenplasmatechnologien, insbesondere einen Plasmabeschleuniger mit
geschlossener Elektronenlaufbahn.
STAND DER TECHNIK
-
Es ist ein Plasmabeschleuniger mit geschlossener
Elektronenlaufbahn bekannt, der für die Erzeugung von
Schubkraft an Bord eines Raumschiffes konstruiert ist (C. D.
Grishin, L. V. Leskov "Electrical rocket engines for
spacecrafts" / Moskau/ Mashinostrojenie 1989, S. 143).
-
Der bekannte Beschleuniger enthält eine ringförmige
Entladungskammer mit Seitenwänden aus dielektrischem Material
und einen Kanal, in dem sich eine kastenähnliche Anode
befindet, die als eine integrale Einheit mit einem
Gasverteiler hergestellt ist.
-
Darüber hinaus weist der Beschleuniger ein Magnetsystem
mit Magnetpolen, die sich zu beiden Seiten der
Entladungskammer befinden und durch Magnetkreise mit
Magnetspulen miteinander verbunden sind, und einen
Kathodenneutralisator auf.
-
Die beschriebene Ausführungsform des bekannten
Beschleunigers gewährleistet eine Ionisierung des
zugeführten Betriebsgases durch Bombardieren von Elektronen,
die innerhalb gekreuzter radialer magnetischer und
longitudinaler elektrischer Felder umlaufen. Nach der
Ionisierung werden einige der erzeugten Ionen in dem
elektrischen Feld beschleunigt, das durch die zwischen der
Kathode und der Anode aufgebaute Potentialdifferenz
erzeugt wird. Der beschleunigte Ionenstrom wird am
Beschleunigerauslaß durch Elektronen, die vom
Kathodenneutralisator Stammen, neutralisiert.
-
Jedoch erfährt ein bedeutender Anteil an Ionen während der
Ionisierung und Beschleunigung Kollisionen gegen
Seitenwände der Entladungskammer, und dies führt zu einer
Ionenrekombination und folglich zu Energieverlusten.
Darüber hinaus bewirkt eine Kollision der beschleunigten
Ionen mit Wänden am Auslaß der Entladungskammer ein
Sputtern des Wandmaterials und somit eine Verringerung der
Beschleunigerlebensdauer.
-
Außerdem ist ein Plasmabeschleuniger mit geschlossener
Elektronenlaufbahn bekannt (EP-A-0541309), der eine
ringförmige Entladungskammer aufweist, die durch innere und
äußere kreisförmige Seitenwände begrenzt ist, und einen
Kanal aufweist, der eine Ionisierungszone für das
Betriebsgas und eine Beschleunigungszone für die Gasionen
beinhaltet. Im Entladungskammerkanal gibt einen
kastenförmigen Anodengasverteiler, der sich am Auslaß der
Entladungskammer in einem Abstand befindet, der nicht
kleiner ist als der Abstand zwischen ihren Seitenwänden.
Darüber hinaus weist der Beschleuniger ein Magnetsystem
mit inneren und äußeren magnetischen Polen, die durch
Magnetkreise miteinander verbunden sind, wobei
Magnetfeldquellen darauf angebracht sind und sich eine innere
magnetische Abschirmung und eine äußere magnetische
Abschirmung auf der Außenseite der Entladungskammer in der
Nähe ihrer inneren bzw. äußeren Seitenwände mit
Zwischenspalten zu den entsprechenden Magnetpolen befinden, und
einen Kathodenneutralisator auf.
-
Das Vorhandensein der magnetischen Abschirmungen
ermöglicht es, im Kanal der Entladungskammer eine solche
Magnetfeldkonfiguration auszubilden, die den Gradienten
der radialen Komponente des Magnetfelds bedeutend
verstärkt. Dies ermöglicht es, die Länge der Ionisierungszone
und der Beschleunigungszone zu verringern und entsprechend
die Länge der Entladungskammerseitenwände, die mit dem
ionisierten Betriebsgas in Berührung kommen, zu verringern
und den Fokussierungseffekt auf den beschleunigten
Ionenstrom durch die Kraftlinien des Magnetfeldes, die am
Einlaß der Beschleunigungszone stärker konkav sind, leicht
zu erhöhen.
-
Jedoch tritt eine maximale Konzentration der
Betriebsgasionen, ebenso wie beim vorstehend beschriebenen
Beschleuniger, im Zentrum der Entladungskammer am Einlaß in
die Beschleunigungszone auf, und radiale elektrische
Felder, die durch die Differenz der Ionenkonzentrationen
im Zentrum der Entladungskammer und in den Bereichen nahe
der Wand bewirkt werden, treiben einen beträchtlichen
Anteil an Ionen zu den Seitenwänden der Entladungskammer.
Es ist offensichtlich, daß Energieverluste auf den Wänden
in der Ionisierungszone der Entladungskammer mit einer
Verringerung des Verhältnisses des Oberflächenbereichs der
Seitenwände zum Plasmavolumen zwischen diesen Wänden
abnehmen.
-
Jedoch erlaubt es die spezifizierte Ausführungsform der
Entladungskammer nicht, dieses Verhältnis zu verringern.
-
Darüber hinaus ist es möglich, den durchschnittlichen
Massendivergenzwinkel des beschleunigten Ionenstrahls zu
verringern und den Anteil teilweise beschleunigter Ionen,
die in der Beschleunigungszone auf die Seitenwände der
Entladungskammer einschlagen und zu deren bedeutsamer
Errosion führen, zu verringern, wenn die
Ionenkonzentration über die Breite der Entladungskammer am Einlaß in
die Beschleunigungszone ausgeglichen wird. Jedoch macht es
die vorstehend angegebene Ausführungsform der Anode in dem
Beschleuniger, insbesondere ihre Anordnung im selben und
bedeutsamen Abstand von der Ionisierungszone, unmöglich,
die Ionenkonzentration über die Breite der
Entladungskammer am Einlaß in die Beschleunigungszone auszugleichen.
-
Aus diesem Grund bewirkt der Ionenkonzentrationsgradient
am Einlaß in die Beschleunigungszone einen wesentlichen
Ionenfluß zu den Seitenwänden der Entladungskammer - ein
Faktor, der die Beschleunigereffizienz verringert.
Hierdurch bewirken die radialen elektrischen Felder, die durch
diesen Gradienten im Einlaßabschnitt der
Beschleunigungszone erzeugt werden, eine defokussierenden Effekt auf
den beschleunigten Ionenstrahl.
OFFENBARUNG DER ERFINGUNG
-
Der Zweck der Erfindung ist es, einen Plasmabeschleuniger
mit geschlossener Elektronenlaufbahn zu entwickeln, der
eine solche Entladungskammer aufweist, wobei die
gegenseitige Anordnung dieser Komponenten es ermöglicht, die
Länge seiner mit dem Plasma in Berührung kommenden
Seitenwände zu verringern und die Ionenkonzentration über
die Breite des Entladungskammerkanals am Einlaß in die
Beschleunigungszone zu einem hohen Grad auszugleichen, was
es ermöglichen würde, die Effizienz des Beschleunigers zu
steigern und die Fokussierung des beschleunigten
Ionenstrahls zu verbessern.
-
Dieses Problem wird durch die Entwicklung eines
Plasmabeschleunigers mit geschlossener Elektronenlaufbahn
gelöst, der eine ringförmige Entladungskammer mit einer
äußeren Seitenwand und einer inneren Seitenwand und einem
Kanal aufweist, der von inneren Oberflächen dieser Wände
gebildet wird und eine Ionisierungszone zum Ionisieren von
Gas und eine Beschleunigungszone für Ionen dieses Gases
aufweist, wobei die Zonen innerhalb des Auslaßabschnittes
der Entladungskammer in einem Kanal gelegen sind, auf
dessen Seite, die ihrem Auslaßabschnitt gegenüber liegt,
eine ringförmige Anode angeordnet ist, hinter der ein
ringförmiger Gasverteiler gelegen ist, der mindestens
einen Kanal zur Einleitung von Betriebsgas in ihn und
mindestens einen Kanal zur Einleitung von Betriebsgas in
die Ionisierungszone des Kanals der Entladungskammer
aufweist, die mit einem Magnetsystem verbunden ist, das
einen äußeren Magnetpol, der auf der äußeren Seite der
äußeren Seitenwand der Entladungskammer etwa innerhalb
ihres Auslaßabschnittes abgebracht ist, und einen inneren
Magnetpol aufweist, der auf der äußeren Seite der inneren
Seitenwand der Entladungskammer etwa innerhalb ihres
Auslaßabschnittes angebracht ist, wobei die Pole durch einen
Magnetkreis des Magnetsystems verbunden sind, der
mindestens eine Magnetfeldquelle aufweist, um eine bestimmte
Konfiguration magnetischer Kraftlinien zu erzeugen, die
Magnetkraftoberflächen in der Entladungskammer bilden,
innerhalb und außerhalb derer ringförmige magnetische
Abschirmungen koaxial gelegen sind, die durch den
Magnetkreis miteinander verbunden sind und entsprechend in der
Nähe ihrer äußeren und inneren Seitenwände mit Spalten zu
entsprechenden Magnetpolen angeordnet sind, wobei der
Beschleuniger mindestens einen Kathodenneutralisator
beschleunigter Ionen des Betriebsgases aufweist, wobei die
inneren Oberflächen der äußeren und inneren Seitenwände
der Entladungskammer in der Ionisierungszone
erfindungsgemäß zumindest teilweise unter einem Winkel zur
Longitudinalachse A-A des Beschleunigers ausgebildet sind und
wobei eine Anodenoberfläche, die zur Ionisierungszone auf
der Seite des Auslaßabschnittes der Entladungskammer
gerichtet ist, eine konkave Form aufweist, die die
Magnetkraftoberflächen der Ionisierungszone umfaßt, wobei
die Kanten der konkaven Oberfläche der Anode im Bereich
der inneren Oberflächen der äußeren und inneren
Seitenwände der Entladungskammer gelegen sind.
-
Die konzeptuelle Möglichkeit des Verringerns der Länge der
Wandoberfläche der Entladungskammer in der
Ionisierungszone hängt mit der Tatsache zusammen, daß die Breite
dieser Zone, die durch den Abstand der
Magnetfeldoberfläche am Beginn der Ionenbeschleunigungszone von der
Magnetkraftoberfläche, hinter der die Intensität des
Magnetfeldes bereits niedrig genug für eine effektive
Elektronensammlung auf der Anode ist, bestimmt ist, nicht
über das gesamte Volumen dieser Zone gleich ist. Dies wird
direkt durch die Konfiguration der Magnetlinse bestimmt,
wobei dieser Abstand im zentralen Teil maximal ist und
näher an den Bereichen in der Nähe der Wand, d. h. der
magnetischen Pole, abnimmt. Dadurch ermöglicht die
spezifizierte Ausführungsform der Anode, bei der die Oberfläche
die Ionisierungszone umgibt, die Länge der Seitenwände der
Entladungskammer in dieser Zone signifikant zu verringern.
Damit behindert die spezifizierte Ausführungsform der
Anode nicht die freie Drift der Elektronen entlang den
Kraftoberflächen des Magnetfeldes in der Ionisierungszone
und ermöglicht ihre Sammlung auf der Anode in den
energieeffizientesten Bereichen. Da ein solches
Designschema der Entladungskammer es ermöglicht, die Bereiche
der Betriebsgaszufuhr und die Bereiche der
Elektronensammlung auf der Anode zu trennen, ergibt sich die
Möglichkeit, die Gaszufuhr in den Bereichen fern des
zentralen Abschnitts der Anode zu gewährleisten, wo die
Breite der Ionisierungszone kleiner ist als im Zentrum und
in den Bereichen nahe der Wand dieser Zone extrem schmal
wird. Dadurch ermöglicht es die Gaszufuhr zu den
Anodenbereichen, die sich in der Ionisierungszone mit
ausreichend geringer Breite befinden, die Verteilung der
Ionenkonzentration am Ionisierungszonenauslaß zu
beeinflussen.
-
Somit wird durch die vorgeschlagene Konstruktion der
Entladungskammer eine Möglichkeit geschaffen, die Länge
ihrer Seitenwände, die mit dem Plasma in der
Ionisierungszone in Berührung kommen, um ein Vielfaches zu
verringern und die Plasmakonzentration in den Bereichen in
der Nähe der Wand beim Einlaß in die Beschleunigungszone
zu erhöhen, was entsprechend eine Verringerung von
Energieverlusten im Plasma in der Nähe der Wand zur Folge
hat, das Fokussieren des beschleunigten Ionenstromes
verbessert und die Beschleunigereffizienz erhöht.
-
Bei den Beschleunigern, deren charakteristische
Abmessungen es erlauben, eine Entladungskammer mit einer
optimalen Konfiguration zu verwenden, ist es vorteilhaft,
einen Winkel zwischen den inneren Oberflächen der äußeren
und inneren Seitenwände der Entladungskammer in der
Ionisierungszone zu haben, der im Bereich von 45 bis 135
Grad liegt.
-
Es ist offensichtlich, daß mit derartigen Werten dieses
Winkels die Länge der Seitenwände in der Ionisierungszone
minimal ist, und die vorstehend beschriebenen positiven
Effekte entfalten sich auf bestmögliche Art. Die Auswahl
eines spezifischen Winkels aus dem obigen Bereich ist in
jedem besonderen Fall mit einer Anzahl an Betrachtungen
verbunden, beispielsweise ausgewähltes Betriebsgas und
Erfordernisse in bezug auf Plasmastrahldichte und
dergleichen. Dabei muß die Länge der Seitenwände, wenn der
Winkel größer ist als 135 Grad oder kleiner als 45 Grad,
vergrößert werden, was eine Zunahme der Energieverluste in
der Nähe der Wand zur Folge hat und somit zu einer
Verringerung der Beschleunigereffizienz führt.
-
Bei Beschleunigern mit kleinen charakteristischen
Abmessungen ist es wünschenswert, daß der Magnetkreis, der die
ringförmigen Magnetabschirmungen miteinander verbindet,
eine magnetisch leitende Brücke darstellt, die die
Schirmenden direkt verbindet, welche sich auf der dem
Auslaßabschnitt der Entladungskammer gegenüberliegenden
Seite befinden, wobei die magnetischen Abschirmungen von
den Komponenten des magnetischen Systems dadurch isoliert
werden müssen.
-
Bei Beschleunigern mit kleinen charakteristischen
Abmessungen kann die Situation auftreten, daß die Breite der
Ionisierungszone im Bereich in der Nähe der Wand gleich
groß ist wie die Länge der tatsächlichen Ionisierung des
Betriebsgases oder kürzer als diese, wobei neutrale Atome
in diese Zone eintreten. Deshalb ist es zum Vergrößern
dieser Zone praktisch, die Anodenoberfläche so nahe wie
möglich an den Magnetabschirmungen zu plazieren, welche in
ihrer Konstruktion die Möglichkeit des Verbreiterns der
Entladungskammer beschränken. Unter diesem Aspekt besteht
die vorgeschlagene technische Lösung in einer Version, bei
der die Magnetabschirmungen selbst ein Teil des
Entladungskammerkörpers sind und deshalb auf Anoden- oder
nicht geerdetem Anodenpotential sein können.
-
Es ist vorzuziehen, daß der Gasverteiler drei isolierte
Teilabschnitte aufweist, von denen jeder einen Kanal zur
Einleitung von Betriebsgas in ihn und einen Kanal zur
Einleitung von Betriebsgas in die Ionisierungszone
aufweist, und daß die Anode vier Kanäle für die Einleitung
von Betriebsgas in die Ionisierungszone aufweist, wobei
zwei Kanäle derselben in der Nähe der Kanten der konkaven
Oberfläche der Anode gelegen sind und mit dem Kanal des
Teilabschnitts verbunden sind, der jedem von ihnen
entspricht, und wobei zwei andere Kanäle im Bereich der
konkaven Oberfläche der Anode gelegen sind, wobei die
Oberfläche vom Einlaßabschnitt der Entladungskammer
entfernt ist, wobei die anderen Kanäle mit dem Kanal des
dritten isolierten Teilabschnitts des Gasverteilers
verbunden sind.
-
Die Verwendung zusätzlicher Kanäle, um Betriebsgas in die
Entladungskammer einzuleiten, gewährleistet eine optimale
Plasmadichteverteilung über die Breite der
Entladungskammer am Einlaß der Beschleunigungszone, wodurch die
maximale Effizienz und die beste Fokussierung des
beschleunigten Ionenstrahls erreicht werden. Die optimale
Plasmakonzentrationsverteilung wird aufgrund der
Überlagerung von Ionenströmen aus Zentral- und Umfangsabschnitten
der Ionisierungszone, wo sich die entsprechenden Kanäle
der Betriebsgaszuleitung befinden, durch Auswahl der
Strömungsratenverhältnisse von Betriebsgas möglich, das in
die Kanäle eingeleitet wird, die Gas zu den entsprechenden
Teilabschnitten des Gasverteilers liefern. Die Verwendung
einer derartigen konstruktiven Ausführungsform ist
insbesondere im Zusammenhang mit einem
Vielfachmodenbeschleuniger effektiv, bei dem es notwendig ist, seinen
Betrieb zu optimieren.
-
Somit ermöglicht es die Verwendung der vorgeschlagenen
Erfindung, die Länge der Seitenwände der Entladungskammer,
welche mit Plasma in Berührung kommen, zu verringern und
die Ionenkonzentration über die Breite des
Entladungskammerkanals am Einlaß zur Beschleunigungszone im
wesentlichen auszugleichen, was es ermöglicht, die
Beschleunigereffizienz und -lebensdauer zu erhöhen und die
Fokussierung des beschleunigten Ionenstrahls zu verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die Vorteile dieser Erfindung werden aus dem folgenden
Beispiel ihrer Ausführungsform und der beigefügten Figur
deutlicher, welche schematisch einen longitudinalen
Querschnitt eines erfindungsgemäßen Plasmabeschleunigers mit
geschlossener Elektronenlaufbahn zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
-
Der erfindungsgemäße Plasmabeschleuniger mit geschlossener
Elektronenlaufbahn, der in der Figur dargestellt ist,
weist einen Tragflansch 1 auf, auf dem alle Komponenten
eines Magnetsystems 2 und einer Entladungskammer 3
angebracht sind. Am zentralen Abschnitt des Flansches 1
ist ein Kern 4 einer zentralen Magnetisierungsspule 5
angebracht, welche eine interne Quelle des Magnetfeldes
ist, und am Umfangsabschnitt des Flansches 1 sind vier
gleichmäßig beabstandete Kerne 6 externer
Magnetisierungsspulen 7 angebracht, welche externe Quellen des
Magnetfeldes sind. Der Flansch 1, der Kern 4 und die Kerne
6 sind Komponenten eines Magnetkreises 8, der einen
inneren Magnetpol 9 und einen äußeren Magnetpol 10
miteinander verbindet, und bilden ein einziges Traggerüst.
-
Die zentrale Magnetisierungsspule 5 ist in Serie mit den
äußeren Magnetisierungsspulen 7 verbunden, und sie bilden
eine Magnetfeldquelle in der Entladungskammer 3. Auf den
inneren und äußeren Endseiten ist die Entladungskammer 3
durch Tragringe 11 am Flansch 1 befestigt. Tragende Teile
in der Entladungskammer 3 sind: eine innere
Magnetabschirmung 12 und eine äußere Magnetabschirmung 13, die
durch eine magnetisch leitende Brücke 14 miteinander
verbunden sind, wodurch ein Magnetkreis gebildet wird. An
der inneren Magnetabschirmung 12 ist eine innere
Seitenwand 15 der Entladungskammer 3 angebracht, wobei die
Wand außerhalb des inneren Magnetpols 9 angeordnet ist,
zwischen welchem Pol und der inneren Magnetabschirmung 12
ein bestimmter Spalt besteht. Auf gleiche Weise ist an der
äußeren Magnetabschirmung 13 eine äußere Seitenwand 16 der
Entladungskammer 3 angebracht, wobei die Wand innerhalb
des äußeren Magnetpols 10 angeordnet ist, zwischen welchem
Pol und der äußeren Magnetabschirmung 13 ebenfalls ein
bestimmter Spalt besteht. Somit stellen die innere
Magnetabschirmung 12, die äußere Magnetabschirmung 13 und
die magnetisch leitende Brücke 14, die sie verbindet,
gleichzeitig einen Tragkörper der Entladungskammer 3 und
eine Komponente des Magnetsystems 2 dar, und gewährleisten
somit die Topologie der Kraftlinien des Magnetfeldes in
der Entladungskammer 3, wie dies für den effektiven
Betrieb des Plasmabeschleunigers notwendig ist.
-
Unmittelbar zwischen der inneren Magnetabschirmung 12 und
der äußeren Magnetabschirmung 13 befindet sich eine Anode
18, deren eine Oberfläche 19 vom Auslaßabschnitt der
Entladungskammer 3 aus gesehen eine konkave Form aufweist,
damit die Kanten der konkaven Oberfläche 19 der Anode 18
sich im Bereich der inneren Oberflächen 20 der inneren
Seitenwand 15 und der äußeren Seitenwand 16 der
Entladungskammer 3 befinden. Diese Oberflächen 20 und die
konkave Oberfläche 19 der Anode 18 bilden einen Kanal 21
der Entladungskammer 3, in dem sowohl die Ionisierung als
auch die Beschleunigung des Betriebsgases direkt
stattfinden. Hier befindet sich eine Ionisierungszone 22
im Kanal 21 auf der Seite der Anode 18 und ist durch die
konkave Oberfläche 19 der Anode 18, durch die inneren
Oberflächen 20 der Seitenwände 15, 16, welche in dieser
Ionisierungszone 22 unter einem Winkel von beispielsweise
100 Grad zu einer Beschleunigerachse A-A angeordnet sind,
und durch die Grenze zu einer Ionenbeschleunigungszone 23
begrenzt, welche zufälligerweise als Äquipotentiallinie 24
des elektrischen Feldes dargestellt ist, die ihrerseits
auf einer speziellen Magnetkraftoberfläche 25 basiert, die
durch die Kraftlinien 17 des Magnetfeldes gebildet wird.
-
Die gegebene Konfiguration des Kanals 21 in der
Ionisierungszone 22 ermöglicht es, die Länge der inneren
Oberflächen 20 der Seitenwände 15, 16 der Entladungskammer
3 im Kanal 21 zu minimieren und folglich die auf
Ionenrekombination auf diesen Oberflächen 20
zurückzuführenden Energieverluste zu verringern. Darüber hinaus
ermöglicht es die spezifizierte Konfiguration des Kanals
21, die Ionenkonzentration in den Teilabschnitten in der
Nähe der Wand der Äquipotentiallinie 24 des elektrischen
Feldes, welche Linie an die Beschleunigungszone 23 grenzt,
zu erhöhen, und dies führt zu einer Verbesserung der
Fokussierung des beschleunigten Ionenstrahls.
-
Damit können die inneren Oberflächen 20 der äußeren und
inneren Wände 16, 15 der Entladungskammer 3, die sich in
der Ionisierungszone 22 befinden, unter einem beliebigen
Winkel zur Longitudinalachse A-A des Beschleunigers
gemacht werden. Die Größe dieses Winkels hängt von einer
Anzahl an Faktoren ab, beispielsweise von der Auswahl des
Betriebsgases, von den Erfordernissen in bezug auf die
Ionenstrahldichte und dergleichen. Dabei liegen die in
bezug auf den Beschleuniger optimalen Winkel im Bereich
von 45 bis 135 Grad.
-
Die Ionenbeschleunigungszone 23 befindet sich im
Auslaßabschnitt der Entladungskammer 3 und wird auf einer Seite
zufällig durch Äquipotentiallinie 24 des elektrischen
Feldes und durch die inneren Oberflächen 20 der inneren
und äußeren Seitenwände 15, 16 begrenzt, die die Grenzen
des Kanals 21 bilden, die in dieser Beschleunigungszone 23
eine zylindrische Form aufweisen und in bezug zueinander
koaxial angeordnet sind. Zwischen der Anode 18 und der
magnetisch leitenden Brücke 14 ist ein Gasverteiler 26 mit
3 unabhängigen Teilabschnitten 27, welche starr mit der
Anode 18 verbunden sind, angebracht. Jeder Teilabschnitt
27 des Gasverteilers 26 weist Kanäle 28 für die Einleitung
von Betriebsgas in ihn auf, welche in Form von
Metallrohren hergestellt sind, die von den Komponenten des
Magnetsystems 2 durch keramische Muffen 29 elektrisch
isoliert sind, und weist Kanäle 30 zur Einleitung von
Betriebsgas in die Ionisierungszone 22 auf. Damit ist die
Anode 18 mit zwei Kanälen 31 zu Einleitung von Betriebsgas
in die Ionisierungszone 22 versehen, welche sich in jenem
Abschnitt der Anode 18 befinden, der vom Auslaßabschnitt
der Entladungskammer 3 entfernt ist. Jeder der Kanäle 31
für die Einleitung von Betriebsgas steht mit einem der
Kanäle 30 für die Einleitung von Betriebsgas in den
entsprechenden Teilabschnitt 27 des Gasverteilers 26 in
Verbindung.
-
Das vorstehend beschriebene Schema der Einleitung von
Betriebsgas in die Ionisierungszone 22 ermöglicht es, die
Überlagerung der Ionenverteilung am Einlaß in die
Beschleunigungszone 23 zu kontrollieren, wobei die Ionen
sowohl aus der Tiefe des Kanals 21 als auch von den
Bereichen in der Nähe der Wand der Ionisierungszone 22
kommen. Dies ermöglicht es, die Fokussierung des
beschleunigten Ionenstrahls in verschiedenen Betriebsmoden des
Plasmabeschleunigers zu regulieren.
-
Auf dem Plasmabeschleuniger ist außerhalb der
Entladungskammer 3 an ihrem Auslaßabschnitt ein
Kathodenneutralisator 33 angebracht.
-
In einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung ist der
Gasverteiler nicht in Teilabschnitte aufgeteilt, wobei er
mindestens einen Kanal für die Einleitung von Betriebsgas
in ihn und mindestens einen Kanal für die Einleitung von
Betriebsgas in die Ionisierungszone 22 der
Entladungskammer 3 aufweisen kann.
-
Der vorgeschlagene Plasmabeschleuniger mit geschlossener
Elektronenlaufbahn arbeitet auf folgende Weise:
-
Da das Prinzip des Betriebs des vorgeschlagenen
Plasmabeschleunigers ähnlich demjenigen der bereits bekannten
Beschleuniger der gleichen Art ist, wird in der Beschreibung
des Betriebs des vorgeschlagenen Beschleunigers nur auf
den Einfluß der in dieser Erfindung vorgeschlagenen
technischen Lösungen auf seinen Betrieb näher eingegangen
werden.
-
Der magnetische Fluß, der von der zentralen
Magnetisierungsspule 5 erzeugt wird, die mit den vier äußeren
Magnetisierungsspulen 7 in Serie verbunden ist, wird
sukzessiv durch den inneren Magnetpol 9, den Kern 4, den
Flasch 1, den Kern 6 und den äußeren Magnetpol 10 sowie
teilweise durch die äußere Magnetabschirmung 13, die
magnetisch leitende Brücke 14 und den inneren Magnetpol 12
geschlossen und erzeugt im Kanal 21 der Entladungskammer 3
eine derartige, hauptsächlich radial ausgerichtete,
Topologie des Magnetfelds, die optimal für den Betrieb des
Plasmabeschleunigers ist. Die Potentialdifferenz, die
zwischen der Anode 18 und dem Kathodenneutralisator 33
angelegt ist, erzeugt ein axiales elektrisches Feld im
Kanal 21 des Beschleunigers. Das Betriebsgas (es kann ein
beliebiges Gas verwendet werden, wenn es für den gleichen
Zweck gedacht ist) tritt durch die Einleitungskanäle 28
mit einer bestimmten Massenströmungsrate für jeden
Teilabschnitt 27 in den in Teilabschnitte aufgeteilten
Gasverteiler 26 ein.
-
Am Auslaß aus den Teilabschnitten 27 tritt das Gas, das in
azimutaler Richtung gleichmäßig verteilt worden ist, durch
die Einleitungskanäle 30, die Kanäle 31 und die Kanäle 32,
die sich über die Anode 18 hinweg erstrecken, in die
Ionisierungszone 22 der Entladungskammer 3 ein.
-
Aus Gründen der Einfachheit werden nacheinander die
Dynamiken der Elektronen- und Ionenkomponenten des Plasmas
beschrieben, wobei von der Startphase des Beschleunigers
ausgegangen wird.
-
Während des Startens des Beschleunigers treten die durch
den Kathodenneutralisator 33 emittierten Elektronen unter
dem Einfluß des elektrischen Feldes in die
Entladungskammer 3 ein, wo sie ihren Weg durch den
Magnetfeldbereich finden. In den gekreuzten radialen
magnetischen und axialen elektrischen Feldern beginnen die
Elektronen, in azimutale Richtung im Kanal 21 zu laufen,
wobei sie zur Anode diffundieren und über die Oberflächen
20 der inneren Seitenwand 15 und der äußeren Seitenwand 16
der Entladungskammer 3 gestreut werden. Im Verlauf der
Diffusion erreichen die Elektronen, während sie durch die
Potentialdifferenz zwischen der Anode 18 und dem
Kathodenneutralisator 33 fallen, eine ausreichende Energie
für die Ionisierung durch Elektronenbombardierung der
neutralen Atome des Betriebsgases, das in die
Ionisierungszone 22 eintritt. Während des stationären
Betriebs des Beschleunigers neutralisiert der Hauptteil
der Elektronen, die vom Kathodenneutralisator 33 emittiert
werden, die Raumladung der im Kanal 21 beschleunigten
Ionen, und etwa 10 bis 20% der Elektronen diffundieren zur
Anode hin und nehmen an den Ionisierungsprozessen teil. Da
sich die Oberflächen 20 in der Ionisierungszone 22 bei
ihrer Annäherung an die Anode 18 aufgrund ihrer
Winkelanordnung zur Longitudinalachse A-A des Beschleunigers in
den Bereich eines ausreichend starken Feldes erstrecken,
hindert der damit verbundene Effekt des
"Magnetfelderfilters" (englische "magnetic plug") die Elektronen am
Erreichen der Oberfläche 20 der Seitenwände 15, 16 und
verringert die Diffusion von Elektronen in der Nähe der
Wand. Dies bewirkt eine Verringerung des
Elektronendiffusionsgegenflusses, der einen Teil der
Energieverluste im Beschleuniger ausmacht.
-
Die Betriebsgasionen, die in der Ionisierungszone unter
dem Einfluß des Elektronendrucks erzeugt werden, werden an
die Ränder dieser Zone gestreut. Wenn sie die Oberfläche
20 der Wände 15, 16 erreicht haben, rekombinieren die
Ionen in der Regel und machen eine wiederholte
Energieeinspeisung für die Ionisierung erforderlich, und da die
Länge der vorstehend erwähnten Oberflächen 20 bedeutend
verringert ist, werden folglich auch die Energieverluste
im Beschleuniger verringert. Der Anteil der Ionen, der in
die Beschleunigungszone 23 eintritt, wird darin
beschleunigt und verläßt den Beschleuniger.
-
Es ist offensichtlich, daß der Prozentsatz an Ionen, der
die Oberflächen 20 der Wände 15, 16, welche in der
Beschleunigungszone 23 angeordnet sind, um so niedriger
ist, je gleichmäßiger die Ionenkonzentration über die
Breite des Kanals 21 am Einlaß in die Beschleunigungszone
23 verteilt ist. Genau dies wird durch eine zusätzliche
Einleitung von Betriebsgas in die Bereiche in der Nähe der
Wand der Ionisierungszone 22 durch die Kanäle 31 erreicht.
-
Somit ist es durch Neuverteilung der Strömungsrate von
Betriebsgas über die Kanäle 28, die Gas in die
Teilabschnitte 27 des Gasverteilers 26 einleiten, und durch
dessen entsprechende Einleitung in die Bereiche in der
Nähe der Wand der Ionisierungszone 22 durch die Kanäle 31
sowie in den zentralen Teil der Ionisierungszone 22 durch
die Kanäle 32 möglich, einen optimalen Operationsmodus des
Beschleunigers mit der höchsten Effizienz und der längsten
Lebensdauer auszuwählen.
-
Darüber hinaus erlaubt es die Möglichkeit der autonomen
Kontrolle der Einleitung von Betriebsgas in verschiedene
Bereiche der Ionisierungszone 22, den
Ionenstrahl-Fokussierungsmodus zu variieren und dies ist insbesondere in
technologischen Prozessen wichtig, und auch die optimale
Fokussierung und Effizienz des Ionenstrahls
aufrechtzuerhalten, wenn der Betriebsmodus in
Mehrfachmodenbeschleunigern variiert wird.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
-
Die vorliegende Erfindung kann am effektivsten in
elektrischen Antriebssystemen von Raumfahrzeugen als
Antriebsvorrichtungen mit hohen spezifischen Impulsen
sowie im Bereich der Technologien der Plasmabehandlung von
Materialien, beispielsweise in Verfahren der ionischen
Säuberung trocken geätzter Oberflächen, in Spritzungen und
dergleichen, eingesetzt werden. Darüber hinaus kann diese
Erfindung in verschiedenen Anwendungsgebieten von
Plasmabeschleunigern, beispielsweise in astrophysikalischen
Experimenten, als hocheffektive Quelle künstlicher
Plasmaerzeugung eingesetzt werden.