-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet der Plasmatechnologie und spezieller Beschleuniger mit
geschlossener Elektronenlaufbahn (Accelerators with Closed Electron
Drift – ACED),
die als elektrische Antriebswerke (Electric Propulsion Thrusters – EPT) verwendet
werden, oder die Oberflächenbehandlung
von lonenplasmamaterial in einem Vakuum.
-
STAND DER TECHNIK
-
Es gibt bekannte Plasmatriebwerke
oder „Beschleuniger"
mit einer geschlossenen Elektronenlaufbahn, die für verschiedene
technische Anwendungen verwendet werden. Siehe L. Artsimovitch, „Plasma
accelerators", Moskau, Mashinostroenie, 1974. pp. 54–95.
-
Ein solcher Beschleuniger mit geschlossener Elektronenlaufbahn
weist einen erweiterten Beschleunigerbereich auf (ACEDE – Accelerator
with Closed Electron Drift that has an extended acceleration region)
und umfasst eine dielektrische Entladungskammer mit einem ringförmigen Beschleunigungskanal,
dessen Austrittsteil sich zwischen zwei Magnetpolen befindet. Dieser
Beschleuniger enthält außerdem einen
Anoden-Gasverteiler, der tief im Inneren des Beschleunigungskanals
angeordnet ist. Siehe L. Artsimovitch, „Plasma accelerators", Moskau,
Mashinostroenie, 1974. pp. 75–81.
Ein weiterer Beschleuniger vom Typ ACED ist als Anodenschicht-Beschleuniger
(anode layer accelerator – ALA)
bekannt. Er weist eine Entladungskammer aus Metall und einen verkürzten Beschleunigungsbereich auf.
-
Der Hauptunterschied zwischen ACEDE
und ALA besteht darin, dass ACEDE Beschleuniger ein im Grunde ungleichförmiges Magnetfeld
in einem verhältnismäßig langen
Beschleunigungskanal aufweisen, dessen Wände den beschleunigten Plasmafluss
begrenzen. Siehe A. Bober, V. Kim, et al., „State of Work on Electrical
Thrusters in the USSR". AIAA Paper IEPC-91-003, 6 pp. Die folgenden
Verhältnisse
definieren ACEDE und ALA Parameter:
ACEDE:
LC/LB ~ 1, LC/bC ≥ 1, bO/bC ~ 1
ALA: LC/LB < 1,
LC/bB < 1, bO/bC < 1 (1)
wobei:
LC und LB die Länge des
Beschleunigungskanals beziehungsweise die Länge des Bereiches mit einem genügend hohen
Wert von magnetischer Induktion sind.
bC und
bO die Breite des Beschleunigungskanals
beziehungsweise die charakteristische radiale Abmessung des Flusses
im Beschleunigungsbereich sind.
-
Die oben erwähnten Unterschiede sind bedeutend,
da sie Unterschiede in den Betriebsabläufen der jeweiligen Beschleuniger
definieren. Insbesondere wird die Potentialverteilung in den Beschleunigungskanälen des
ALA-Beschleunigers (sowohl, in einstufiger als auch zweistufiger
Ausführung)
hauptsächlich
durch äußere Spannungsquellen
und Elektroden- (Anoden- und Kathoden-) Positionen, die die Längsabmessungen
der Beschleunigerstufen definieren, bestimmt.
-
Die Lage der Ionisierungs- und Beschleunigungsschicht
(ionization and acceleration layer – IAL) im ACEDE-Beschleuniger
ist eine Funktion der Magnetfeldverteilung im Beschleunigungskanal
und der Wechselwirkung des Plasmaflusses mit den Entladungskammerwänden. Damit
wird, anders als bei den ALA-Beschleunigern, die Verteilung des
elektrischen Feldes im größeren Teil
des ACEDE-Beschleunigungskanals
ohne bedeutende Auswirkung auf die Lage der Elektroden erzeugt.
-
Ein weiterer bekannter Plasmabeschleuniger mit
einer geschlossenen Elektronenlaufbahn umfasst eine dielektrische
Entladungskammer mit ringförmigen äußeren und
inneren Wänden,
um einen Beschleunigungskanal zu bilden, ein Magnetsystem mit Magnetfeldquellen,
einen Kraftlinienweg, äußere und innere
Magnetpole, um einen Arbeitsspalt am Austrittsteil der Entladungskammerwände zu bilden,
eine Gasverteileranode, die innerhalb des Beschleunigungskanals
mit einem Abstand von der Austrittsfläche der Entladungskammer angeordnet
ist, der die Breite des Beschleunigungskanals überschreitet und einen Kathoden-Kompensator.
Siehe A. Bober, V. Kim, et al., „State of Work on Electrical
Thrusters in the USSR". AIAA Paper IEPC-91-003, 6 pp. Integrale Parameter
dieser Vorrichtung ermöglichten
es, Triebwerke für
die Verwendung am Raumschiff und Beschleuniger für Bodenanwendungen zu konstruieren, die
auf deren Konstruktion basieren.
-
Das bekannte Triebwerk hat jedoch
für viele Aufgaben
keine genügende
Leistungsfähigkeit
und Lebensdauer auf Grund des Sputterns der Entladungskammerwand
durch beschleunigte Ionen und der erheblichen Streuung der Abluftfahne.
Damit übersteigt
die Leistungsfähigkeit
des derzeitigen ACEDE (Typ SPT-100) keine 50 % und seine Lebensdauer
beträgt
7000 Stunden bei einer Ausströmgeschwindigkeit
von ~ 16 km/sec. In diesem Fall ist der Halbwinkel ß0 95 der Streuung der Abluftfahne ~ 45° für 95% der
beschleunigten Ionen im Abgasstrom.
-
Noch ein weiteres bekannten Plasmatriebwerk
mit einer geschlossenen Elektronenlaufbahn umfasst eine dielektrische
Entladungskammer mit ringförmigen
. äußeren und
inneren Wänden,
um einen Beschleunigungskanal zu bilden, ein Magnetsystem mit Magnetfeldquellen,
einen Kraftlinienweg, äußere und
innere Magnetpole, eine Anodeneinheit mit einem Gasverteiler und
einen Kathoden-Kompensator.
In diesem Fall besteht ein Teil einer der Wände aus elektrisch leitfähigem Material.
Siehe die internationale Patentanmeldung WO94/02738, veröffentlicht 02/03/94,
F03N1/00, H05H1/54. Die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer dieses
Plasmabeschleunigers wird auch durch das ungenügende Bündeln des Ionenflusses begrenzt,
was außerdem
bedeutende Energieverluste und Ionensputtern der Beschleunigerkomponenten
verursacht.
-
Druckschrift
EP 0781921 , mit dem Priorttätsdatum
vom 29.12.1995 und veröffentlicht
am 2. Juli 1997, einem Datum zwischen dem beanspruchten Prioritätsdatum
und dem Anmeldedatum der vorliegenden Anmeldung, offenbart eine
Ionenquelle mit geschlossener Elektronenlaufbahn. Die Ionenquelle umfasst
einen ringförmigen
Hauptkanal zur Ionisierungsbeschleunigung, der an seinem Ende stromabwärts offen
ist. Die Wände
des Beschleunigungskanals bestehen aus leitfähigem Material und bilden die Anode
der Vorrichtung. Die Vorrichtung ist besonders auf industrielle
Behandlungsverfahren anwendbar. Der Austrittsteil der Entladungskammer
umfasst leitende, ringförmige
eingesetzte Stücke,
die sich auf einem niedrigeren Potential befinden als die dem Inneren
näher liegenden
Entladungskammerwände. Die
Erosion durch das Sputtern der Kammerwände wird dabei verringert.
-
Eine intensive Wechselwirkung des
Plasmaflusses mit den Entladungskammerwänden senkt Leistungsfähigkeit
und Lebensdauer des Beschleunigers. Der Plasmabeschleuniger nach
Anspruch 1 enthält
angrenzend an den dielektrischen Teil der Entladungskammer (6)
angeordnete, leitende eingesetzte Stücke 8, 9 die
das Ausmaß des
Ionenbeschusses der Entladungskammerwände 13 verringern,
die Leistungsfähigkeit
und Lebensdauer des Beschleunigers erhöhen und die Streuung der Abluftfahne
senken.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Diese und andere ausführlichere
und spezifische Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden in der folgenden Beschreibung vollständiger ,
offenbart, wobei Bezug genommen wird auf die begleitenden Zeichnungen,
in denen zeigen:
-
1 eine
Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Beschleunigers;
-
2 eine
schematische Querschnittsansicht der ringförmigen Teilungsnuten und die
Lage der leitenden eingesetzten, Stücke;
-
3 eine
Querschnittsansicht der Entladungskammer mit zusätzlichen ringförmigen Nuten und
Abschirmungen;
-
4 eine
schematische Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels
der ringförmigen
Teilungsnuten und Albschirmungen;
-
S eine
Wertverteilung der Querkomponente Br der
Magnetfeldinduktion längs
des Beschleunigungskanals in seiner mittleren (gedachten) Fläche.
-
6-9 andere Schaltungen für die elektrische
Verbindung zwischen leitenden eingesetzten Stücken und Kathoden-Kompensator.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Mit Bezug jetzt auf 1 besteht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Beschleunigers mit geschlossener Elektronenlaufbahn aus: einem Kathoden-Kompensator 1,
einem Kraftlinienweg 2, Hauptquellen 3 des magnetischen
Feldes, einem äußeren ringförmigen Pol 4,
einem inneren ringförmigen
Pol 5, einer dielektrischen Entladungskammer 6, einem
Anoden-Gasverteiler 7 (in diesem Ausführungsbeispiel sind Anode und
Gasverteiler als eine Einheit gestaltet, obwohl sie auch getrennte
Einheiten sein können),
einem inneren eingesetzten Stück 8 und
einem äußeren eingesetzten
Stück 9,
die aus elektrisch leitfähigem
Material mit hoher Widerstandsfestigkeit gegenüber dem Sputtern von beschleunigten
Ionen hergestellt sind, und einem Gaszuführungsrohr 10. Wände des
Hauptteils der Entladungskammer bestehen aus oder sind beschichtet mit
einem Material 11 mit hohem Haftvermögen, um die Kondensation von
gesputtertem Materialien von den leitenden eingesetzten Stücken 8,
9 zu erleichtern. Die leitenden eingesetzten Stücke 8, 9 sind
mit dem beschleunigten Ionenfluss in Kontakt, wobei der Fluss deren
Sputtern bewirkt. Die leitenden eingesetzten Stücke sind vom Hauptteil der
Entladungskammer durch ringförmige
Teilungsnuten 12 getrennt (2).
Der Abstand zwischen den sich am nächsten zu den Teilungsnuten 12 befindlichen
Teilen der Entladungskammerwände
und der mittleren (gedachten) Fläche 14 des
Beschleunigungskanals 6 ist gleich oder kleiner als die
entsprechenden Abstände zwischen
der mittleren Fläche 14 und
den eingesetzten Stücken 8, 9.
Die Teilungsnuten 12 sind so gestaltet, dass gerade Linien,
die jeden Punkt der Oberfläche
des leitenden eingesetzten Stückes
von einer der dem Beschleunigungskanal 6 zugewandten Wände mit
Punkten auf zumindest einigen ringförmigen Teilen der Flächen, die
die Teilungsnut 12 bilden und an der gegenüberliegenden
Wand der Entladungskammer 6 jeweils zu dem zuvor erwähnten eingesetzten Stück angeordnet
sind, verbinden, einen Teil des die entsprechende ringförmige Nut
bildenden Wandvolumens kreuzen.
-
In einem Ausführungsbeispiel enthält der Beschleuniger
zusätzliche
ringförmige
Abschirmungen 15 und 16 (3), die in den ringförmigen Nuten 17 angeordnet
sind. Zwischen den ringförmigen
Abschirmungen 15 und 16 und den Wänden der
Entladungskammer 6 gibt es einen Spalt, der dabei zusätzliche
Nuten (17) bildet. Wenn zusätzliche ringförmige Nuten
und Abschirmungen ausgeführt
werden, können
Teilungsnuten 12 kürzer
werden öder
werden entfernt (4).
Die vorzuziehende Länge
der leitenden eingesetzten Stücke 8, 9 ist
so, dass sich die eingesetzten Stücke 8, 9 in
einem Bereich zwischen Kanalquerschnitten befinden; in dem sich
die Werte der Komponente Br der Magnetfeldinduktion
quer zur Beschleunigungsrichtung in der mittleren Fläche vom Wert
von 0,9 ~ Br max auf
den Wert von Br max ändern, wobei
Br max der Maximalwert
von Br auf der zuvor erwähnten Fläche ist (5). Wenn es zusätzliche ringförmige Nuten 17 und
Abschirmungen 15, 16 gibt, sind die Seiten der
der Austrittsfläche 30 der
Entladungskammer am, nächsten
befindlichen Abschirmung im Bereich zwischen Kanalquerschnitten
angeordnet, in dem sich die Werte des Querbestandteils der Magnetfeldinduktion
Br
vom Wert von
0,7 Br max auf den
Wert von 0,85 Br max ändern.
-
Für
eine aktivere Einwirkung auf die Abläufe im Beschleuniger könnten die
leitenden eingesetzten Stücke 8, 9 durch
eine Gleichrichterkomponente, die einen Stromfluss in
die Richtung von den eingesetzten Stücken zum Kathoden-Kompensator 1 ermöglicht,
mit dem Kathoden-Kompensator 1 elektrisch verbunden werden.
Diese Komponente kann eine Diode 18 (6) oder eine Gleichrichterkomponente 19
mit einem einstellbaren Filtrationsbereich (7) sein. Eine starke Einwirkung kann
außerdem
auftreten, wenn leitende eingesetzte Stücke mit dem Kathoden-Kompensator 1 durch
eine Komponente elektrisch verbunden werden, die einen niedrigen
Gesamtwiderstand gegenüber
Wechselstrom innerhalb des Bereiches von 5 kHz bis 250 kHz und einen
hohen Gesamtwiderstand gegenüber
Gleichstrom aufweist. Eine solche Komponente kann entweder ein Kondensator 20 (8) oder die Schaltung eines LC-Filters 21 (9) mit in Reihe geschaltetem
Kondensator C und Induktionsspule L sein.
-
Der Beschleuniger arbeitet in der
folgenden Weise. Die Quellen 3 des Magnetfeldes (z. B.
Magnetisierungsspule) erzeugen ein hauptsächlich radiales Magnetfeld
(quer zur Beschleunigungsrichtung) im Beschleunigungskanal der Entladungskammer 6 im
Bereich der Magnetpole 4 und 5. Das Arbeitsgas (z.
B. Xenon) wird der Entladungskammer durch einen Anoden-Gasverteiler 7 zugeführt (es
kann auch andere Varianten für
die Gaszuführung
geben). Zwischen Anode 7 und Kathode 1 wird eine
Entladungsspannung angelegt und im Fluss des Arbeitsgases wird eine
Entladung gezündet.
Das radiale Magnetfeld verhindert die freie Bewegung der Elektronen
im linearen elektrischen Feld zwischen Kathode 1 und Anode 7.
Das Vorhandensein der sich kreuzenden elektrischen und magnetischen
Felder bewirkt eine Elektronenlaufbahn längs des Azimuts. Die Zusammenstöße der driftenden
Elektronen mit Teilchen und Kanalwänden, sowie die Schwingungsvorgänge im Plasma
bewirken, dass die Elektronen zur Anode 7 gestreut werden.
Die driftenden Elektronen ionisieren Atome des Arbeitsgases. Eine
zwischen Anode 7 und Kathode 1 angelegte Spannung erzeugt
im gebildeten Plasma ein elektrisches Feld. Dieses Feld beschleunigt
Ionen hauptsächlich
in der axialen Richtung. Die Bildung und Beschleunigung des Ionenflusses
treten hauptsächlich
im Bereich des maximalen Magnetfeldes auf. Dieser Bereich ist an
der Austrittsfläche
der Entladungskammer 6 angeordnet und wird Ionisierungs-
und Beschleunigungsschicht (IAL) genannt. Die Operationsprozesse
in dieser Schicht bestimmen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Beschleunigers.
-
ACEDE integrale Parameter werden
größtenteils
durch die Lagebeziehung und den Wert des Magnetfeldes im Beschleunigungskanal
bestimmt, wobei die Parameter konstant bleiben, selbst wenn der
Austrittsteil der Entladungskammer als Ergebnis des Ionensputterns
beträchtlich
aufgeweitet ist. Ein wahrnehmbares Absinken der Leistungsfähigkeit
des Beschleunigers wird nur bestätigt,
wenn die Entladungskammerwände 6 im
interpolaren Spalt (1) des
Magnetsystems vollständig
gesputtert werden und wenn die Pole 4 und 5 beträchtlich
gesputtert werden. Die durch den beschleunigten Ionenbeschuss verursachte
Erosion des Austrittsteils der Entladungskammer 6 ist der
Hauptprozess, der die Lebensdauer des Beschleunigers bestimmt. Unerwünschte Veränderungen
in Größe und Stärke des Magnetfeldes
sind der Hauptgrund für
das oben erwähnte
Absinken der Leistungsfähigkeit.
-
Die Installation der eingesetzten
Stücke 8 und 9,
die aus leitendem Material mit hoher Widerstandsfestigkeit gegenüber beschleunigten
Ionensputterns an den Austrittsteilen der Entladungskammerwände bestehen,
erhöht
die Leistungsfähigkeit und
verlängert
die Lebensdauer des Beschleunigers. Die Implementierung von eingesetzten
Stücken 8,
9 mit niedrigen Werten des freien Potentials erhöhen die Potentialverschiebung
der Entladungskammerwand relativ zum Potential der an dieser Wand
angrenzenden Plasmaschichten, was zu einem Absinken der Intensität der Wechselwirkung
der Elektronen mit der Wand führt.
Folglich könnte
der „parasitäre" Elektronenfluss
in der Nähe
der Wand längs
des Kanals auf den optimalen Wert gesenkt werden, die längsgerichtete
Länge der
IAL könnte
in die Austrittsrichtung gesenkt werden, wobei der gesamte Ionenfluss
zu den Entladungskammerwänden
drastisch abfällt.
Dieses führt
zu einer verbesserten ionenflussbündelung (Werte von ß0 95 sinken um das 1,5 fache), verbesserter
Antriebseffektivität
und verlängerter
Lebensdauer des Beschleunigers: Die Abmessungen der eingesetzten
Stücke 8 und 9 (2) werden derart gewählt, dass
sie zwischen Kanalquerschnitten angeordnet werden, in denen sich
die Werte der Komponente Br der Magnetfeldinduktion
quer zur Richtung der Plasmabeschleunigung zwischen 0,9 Br max bzw. Br max auf der (gedachten)
mittleren Kanalfläche
befinden (wobei Br max Maximalwert der Magnetfeldinduktion
auf der zuvor erwähnten
Fläche
ist). Das geschieht so, dass die Ionisierungs- und Beschleunigungsschicht,
die den Bereich der Maximalwerte des elektrischen Feldes darstellt,
im Bereich mit maximalen Br Werten angeordnet
wird. Eine solche Lage von eingesetzten Stücken ermöglicht es somit dem Plasma
in der IAL zu den eingesetzten Stücken 8, 9 zu
kontaktieren und damit das Gewünschte zu
bewirken.
-
Die Verengung der Ionisierungs- und
Beschleunigungsschicht wird durch ein Absinken in der Intensität der Wechselwirkung
der Elektronen mit den Entladungskammerwänden bewirkt. Dieses wird durch
ein bekanntes Verhältnis
für die
längsgerichtete
Länge der
IAL nachgewiesen:
δ = RLe(γeo/γi)½ (2)
wobei
: RLe der für Elektronenenergie entsprechend der
Entladungsspannung und Magnetfeldinduktion des Betriebszustandes
berechneten Larmor-Elektronenradius ist. γeo ist
die Gesamtfrequenz der Elektronenzusammenstöße, die durch die Summe der
Frequenzen der Elektronenzusammenstöße mit Ionen (γel)
Atomen (γea), Entladungskammerwänden (γew) und
effektiver Frequenz (γeff) entsprechend den Schwingungen bestimmt
werden.
-
γi ist die Frequenz der Ionisationsstöße.
-
Die Hauptkomponente von γ ist γ Damit bewirkt
die drastische Reduzierung der IAL, dass δ beträchtlich sinkt
(Experimente durch die Erfinder haben einen Absinken vom bis zum
zweifachen gezeigt) und der längsgerichtete
Wert der Wahlstromkomponente im Kanal optimiert wird. Eine solche
Reduzierung tritt nur auf, wenn die eingesetzten Stücke 8, 9 im
Bereich der Maximalwerte der Magnetfeldinduktion angeordnet sind.
Experimente durch die Erfinder haben bestätigt, dass das gewünschte Ergebnis
erreicht wird, wenn eingesetzte Stücke in dem Bereich angeordnet
werden, in dem die Br Werte zwischen 0,9
Br max und Br max (von der Anodenseite)
variieren. Speziell erreichten die Erfinder ein Ansteigen der Antriebsleistungsfähigkeit
um 5–10%
(vom Ausgangsniveau von 40–50%),
eine Abnahme der linearen Geschwindigkeiten der Erosion um mindestens das
Zweifache und eine Abnahme von ß 0 95 um das annähernd 1,5-fache.
-
Grafit oder Materialien auf der Grundlage von
Grafit können
zur Herstellung leitender, eingesetzter Stücke 8, 9 verwendet
werden, da diese Materialien eine hohe Widerstandsfestigkeit gegenüber dem
beschleunigten Ionensputtern aufweisen. Experimente durch die Erfinder
haben gezeigt, dass, wenn alle oben erwähnten Maßnahmen ausgeführt werden,
die Lebensdauer des Beschleunigers um mehr als das Zweifache erhöht werden
kann.
-
Durch das Sputtern der eingesetzten
Stücke lagert
sich das gesputterte Material auf den inneren Flächen der Entladungskammerwände 13 ab.
Dieses ändert
die elektrischen Eigenschaften der Wände 13 und die Parameter
des Beschleunigers. Es ist notwendig, die eingesetzten Stücke 8, 9 von
solcher Ablagerungsschicht elektrisch zu isolieren, oder die Zeit,
in der der Beschleuniger mit hoher Leistungsfähigkeit arbeitet, ist ansonsten
auf die Zeitbegrenzt, die erforderlich ist, um eine Schicht mit
gleichem Potential zu bilden, die das Plasma im Entladungsbereich
von der Anode 7 zu den eingesetzten Stücken 8, 9 umgeht.
Um diese Erscheinung zu verhindern, sind ringförmige Teilungsnuten 12 an
den Kammerwänden 6 von
der Seite her ausgebildet (siehe 2),
die dem Beschleunigungskanal zwischen den Bereichen der Entladungskammer
mit eingesetzten Stücken
8 und 9 und anderen Flächen
der Entladungskammer, die den Beschleunigungskanal bilden, zugewandt
ist. In diesem Fall sind die Nuten 12 derart angefertigt, dass eine
gerade Linie, die jeden Punkt auf jeder beliebigen dem Beschleunigungskanal
zugewandten Fläche
des leitenden eingesetzten Stückes
8 oder 9 mit Punkten auf zumindest einigen ringförmigen Teilen der Flächen, die Teilungsnuten 12 an
der gegenüberliegenden
Wand ausbilden, verbindet, zumindest einen Teil des die entsprechenden ringförmigen Nuten 12 bildenden
Wandvolumens kreuzen soll. Das heißt, zumindest ein Teil der
die Nuten 12 bildenden Flächen soll außerhalb
direkter Sicht von einem beliebigen Punkt der zuvor erwähnten Flächen vom
eingesetzten Stück 8, 9 angeordnet werden,
die dem Beschleunigungskanal zugewandt und an der gegenüberliegenden
Wand angeordnet sind. Dieses verhindert eine elektrische Verbindung der
eingesetzten Stücke 8, 9 mit
anderen Teilen der Entladungskammer 6, die durch Ablagerung
gesputterten Materials der eingesetzten Stücke bewirkt wird. Außerdem soll
die längsgerichtete
Länge δk der Nuten 12 die
Dicke der Schicht überschreiten,
die sich aus der Ablagerung von gesputtertem Material auf den die
Nuten 12 verbindenden Flächen ergibt, die sich während der
gesamten Betriebszeit des Beschleunigers bilden könnte. Diese
Nuten 12 sind, außerdem
ein Hindernis für
die Elektronenlaufbahn längs
der Wand und in Folge dessen wird der Energieverlust im Beschleuniger
gesenkt. Die Nut 12 wird ein Hindernis, wenn der Wert ihrer
Länge längs des Beschleunigungskanals δk ≥ RLe ist, wobei RLe der
für Elektronenenergie
entsprechend der Entladungsspannung und Magnetfeldinduktion des
Betriebszustandes berechneten Larmor-Elektronenradius ist: Um den
Stromfluss in der Nähe
der Kammerwände zu
senken, können
zusätzliche
Nuten geschaffen werden. Experimente und Analysen der Erfinder zeigen
an, dass eine zuverlässige
Isolation der leitenden Bereiche der Entladungskammerwände 13 erreicht
werden kann, wenn die Wände 13 der
Entladungskammer 6 zwischen den zuvor erwähnten Bereichen
und der Anode mit zusätzlichen
ringförmigen Nuten 17 (4) versehen werden und wenn
ringförmige
Abschirmungen 15 und 16 in die ringförmigen Nuten
mit einem Spalt (3)
zwischen der ringförmigen
Nut 17 und den Entladungskammerwänden 13 installiert
werden. Die ringförmigen
Hauptteilungsnuten 12 (2)
sind nicht erforderlich, wenn es zusätzliche ringförmige Nuten 17 und
Abschirmungen 15, 16 gibt (4). Zusätzlich soll der Abstand zwischen
der mittleren Fläche
des Beschleunigungskanals 6 und diesen Abschirmungen 15, 16 den
Abstand zwischen dieser Fläche
und den zwischen zusätzlichen
ringförmigen
Nuten 17 und leitenden eingesetzten Stücken 8 und 9 (3, 4) angeordneten Bereichen der Entladungskammerwände 13 überschreiten.
Der Spalt (4) ist groß genug,
so dass er nicht durch das Sputtern von Material während des Betriebes
des Beschleunigers verschlossen wird.
-
Wie zuvor dargelegt, lagert sich
das gesputterte Material an den Wänden 13 der Entladungskammer 6 während des
Betriebes des Beschleunigers ab. Das Reißen der abgelagerten Schichtblättchen kann
auftreten, wenn der Beschleuniger in Zyklen arbeitet, wobei solches
Reißen
zeitweilige Störungen
in den Betriebsabläufen
verursacht, was zu erhöhtem
Entladestrom und verminderter Leistungsfähigkeit führt. Zusätzlich ist die örtliche
Gleichmäßigkeit
der elektrischen Eigenschaften der IAL ein Ergebnis des Reißens der
Schicht von den Kammerwänden 13.
Dieses verursacht Plasmainstabilität, die wiederum zu verminderter
Leistungsfähigkeit
führt. Die
Teile der Entladungskammerwände 13,
die dem Beschleunigungskanal 6 zugewandt sind, bestehen aus
einem Material 11 (1) mit einem hohem Haftvermögen für kondensierendes,
von den eingesetzten Stücken 8, 9 gesputtertes
Material oder sind damit beschichtet, um den Einfluss des Reißens zu
vermindern. Insbesondere ist es möglich, eine Grafitunterschicht
auf die Entladungskammerwände 13 (die Flächen sind
dem Beschleunigungskanal zugewandt) aufzubringen, außer für die Flächen, die
Teilungsnuten 12 bilden, wenn die eingesetzten Stücke aus
Grafit bestehen.
-
Eine der Möglichkeiten, die Intensität der Wechselwirkung
der Elektronen mit den Entladungskammerwänden 13 in der Ionisierungs-
und Beschleunigungsschicht zu steuern, ist den Abstand zwischen
den leitenden eingesetzten Stücken 8, 9 und
der mittleren Fläche
des Beschleunigungskanals zu optimieren. Um dieses zu erreichen,
soll der Abstand zwischen der mittleren Fläche 14 des Beschleunigungskanals 6 und
den eingesetzten Stücken 8, 9 dem
Abstand von der erwähnten
mittleren Fläche 14 zu
den ihr am nächsten
liegenden dielektrischen Teilen 13 der Entladungskammerwände 6 entsprechen
oder überschreiten,
die außerdem
den Flächen
benachbart sind, die die Nuten von der Seite des Anoden-Gasverteilers 7 begrenzen.
-
Die Ionenflussbündelung kann durch das Ändern des
Betriebsablaufes im nahen Anodenbereich der Entladungskammer 6 verbessert
werden. Insbesondere kann in der Entladungskammer 6 die
Potentialverteilung reguliert werden und damit entsprechende Verluste
gesenkt werden. Außerdem
kann auch die Schwingungsintensität in diesem Bereich vermindert
werden. Experimente zeigen, dass die zuvor erwähnten Verbesserungen erreicht
werden können,
wenn die Abschirmungen 15 und 16 aus leitendem
Material bestehen. In diesem Fall sollen die Seiten der Abschirmungen 15, 16 ausreichend
nahe zu den leitenden eingesetzten Stücken 8, 9 angeordnet sein
(3, 4), speziell zwischen Querschnitten,
in denen Br max Werte
0,7-0,85 Br max der mittleren Fläche des
Beschleunigungskanals 6 abstandsgleich von den Kammerwänden (S) sind. Natürlich soll sich die Lage der
zuvor erwähnten
Seiten in Übereinstimmung
mit der Länge
der leitendeneingesetzten Hauptstücke 8, 9 befinden.
Das heißt,
wenn die Länge
der leitenden eingesetzten Stücke 8, 9 so
ist, dass deren am nächsten
zur Anode 7 befindlichen Seiten in dem Querschnitt angeordnet
sind, in dem Br = 0,9 Br max ist,
dann können
sie natürlich
nur in dem Querschnitt angeordnet werden, der näher zur Anode 7 ist,
zum Beispiel, in dem Querschnitt, in dem Br ≤ 0,8 Br max ist.
-
Es ist außerdem vorzuziehen; dass die
Abstände
von den Abschirmungsflächen 15, 16 zur
mittleren Fläche 14 des
Beschleunigungskanals 6 länger sind als Abstände von
Flächen
der Abschirmungen 15, 16 zu den Flächen der
Winde 13 des zwischen den eingesetzten Stücken, 8,
9 angeordneten Hauptteils der Entladungskammer 6 (siehe 4), wobei die Abschirmungen 15, 16 wegen
der zuvor erwähnten
Gründe
aus einem Material mit hohem Haftvermögen für das von den eingesetzten
Stücken
8, 9 gesputterte Material bestehen müssen.
-
Experimente zeigen, dass die Abschirmungen 15, 16 auch
aus Grafit oder Edelstahl bestehen können, entweder mit oder ohne
einer dünnen
Grafitunterschicht, wenn eingesetzte Stücke 8, 9
aus Grafit bestehen. Es ist außerdem
wichtig, dass zwischen den Flächen
der Abschirmungen 15, 16 der Entladungskammerwände 13 ein
Spalt besteht, wodurch zusätzliche
Nuten 17 gebildet werden. Der Spalt schützt die Wände des Hauptteils der Entladungskammer 6 vor
dem von den eingesetzten Stücken 8, 9 gesputterten
Material.
-
Das Installieren der leitenden eingesetzten Stücke 8, 9 vermindert
die . Schwingungsintensität
in der Ionisierungs- und Beschleunigungsschicht, die durch eine
periodische Dekompensation der volumetrischen Ladung in dieser Schicht
in Folge der unvermeidlichen Pulsierungen des Ionen- und Elektronenflusses
in dieser Schicht verursacht wird. Dieses ist ein Faktor, der bewirkt,
dass δ abnimmt
(siehe Gleichung #2 oben). Für
bestimmte Betriebszustände sind
eingesetzte Stücke 8, 9 allein
nicht wirksam. Es ist vorzuziehen, in solchen Fällen zusätzliche stabilisierende Komponenten
zu verwenden. Somit können die
eingesetzten Stücke 8 und 9 mit
dem Kathoden-Kompensator 1 mittels Gleichrichterelementen (6, 7) elektrisch
gekoppelt werden, die es ermöglichen,
dass der Strom von den eingesetzten Stücken 8, 9 zur
Kathode 1 fließt.
Diese Komponenten können entweder
eine einfache Diode 18 oder eine Gleichrichterkomponente 19 mit
einem einstellbaren Filtrationsbereich sein. Das Letztere bewirkt
einen Elektronenfluss von den eingesetzten Stücken 8, 9 zur
Kathode 1, wenn ein vorgegebenes Potential der eingesetzten
Stücke
erreicht ist, was dein Konstrukteur des Beschleunigers die Möglichkeit
gibt, die optimalsten Bedingungen zum Betreiben des Beschleunigers
auszuwählen.
Solch eine Komponente kann eine elektrische Schaltung mit einem
gesteuerten Halbleiterbauelement, z. B. ein Semistor sein.
-
Schwingungen in der IAL im Bereich
von 2 kHz bis 250 kHz sind am intensivsten und können unterdrückt werden,
wenn leitende eingesetzte Teile 8 und 9 mit Kathoden-Kompensator 1 durch
Komponenten mit niedrigem Gesamtwiderstand gegenüber Wechselstrom in diesem
Frequenzbereich und mit hohem Gesamtwiderstand gegenüber Gleichstrom, elektrisch
gekoppelt sind. Solche Kopplungskomponenten können Kondensator 20 (8) oder Filterschaltung 21 sein,
in der Kondensator C und Induktionsspule L in Reihe geschaltet sind
(9). Durch das Einstellen
der C und L Parameter kann man die Bedingungen steuern, die eine
Resonanz in der Schaltung verursachen und damit die Schwingungen in
einer vorgegebenen Frequenz unterdrücken. Elektrisches Koppelnder
eingesetzten Stücke 8, 9 und des
Kathoden-Kompensators U unterdrückt
wirksam Potentialschwingungen im Beschleunigungskanal und erhöht damit
die Leistungsfähigkeit
des Beschleunigers beträchtlich.
-
Somit erhöht die Realisierung des vorgeschlagenen
Ausführungsbeispiels
des Beschleunigers die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von ACEDE
Plasmabeschleunigern erheblich und vermindert ihre Streuung der
Abluftfahne.
-
Der hier beschriebene Plasmabeschleuniger mit
geschlossener Elektronenlaufbahn Kann in der Luft- und Raumfahrtindustrie
oder zur Behandlung von lonenplasmamaterial in einem Vakuum verwendet
werden. Die Verwendung der Erfindung in der Raumfahrt wird es ermöglichen,
elektrische Antriebssysteme mit angemessener Lebensdauer und Schubleistung
zu erzeugen, um Satelliten in eine Umlaufbahn zu bringen und zu
steuern, zur Lagestabilität
oder zur Fluglagensteuerung. Die Verwendung der Erfindung zur Oberflächenbehandlung
von lonenplasmamaterial in einem Vakuum wird das effiziente Aufbringen
von Beschichtungen auf die Gegenstande ermöglichen und wird einen Ionenträger für verschiedene
Verfahren, und Arbeitsvorgänge
mit selektivem Ionenstrahlätzen
zum Herstellen von mikroelektronischen Bauteilen bereitstellen.