DE69835020T2 - Plasmabrenner und verwendungsverfahren dieses plasmabrenners - Google Patents

Plasmabrenner und verwendungsverfahren dieses plasmabrenners Download PDF

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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05G2/001X-ray radiation generated from plasma
    • H05G2/003X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • HELECTRICITY
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    • HELECTRICITY
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    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54Plasma accelerators

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmakanone der im Oberbegriff von Anspruch 1 unten definierten Art (siehe z.B. US-A-4 821509).
  • Triebwerke, die derzeit für Satelliten oder andere Raumstationshalte- und -manövrieranwendungen eingesetzt werden, arbeiten mit Treibgasen mit relativ niedrigen Austrittsgeschwindigkeiten (im Bereich von etwa 500 m/sec bis 2000 m/sec). Beispiele für solche Triebwerke sind unter anderem Kaltgastriebwerke, die gewöhnlich ventilgesteuerten Stickstoff als Treibmittel verwenden und sehr niedrige spezifische Impulse haben, und Hydrazin-Triebwerke, die die am häufigsten eingesetzten Triebwerke sind, die aber niedrige spezifische Impulse erzeugen (wenn auch das Vierfache von denen von Kaltgastriebwerken). Hydrazin-Triebwerke haben auch Tankraumprobleme in Verbindung mit der Flüssigkeitshandhabung bei Schwerelosigkeit und mit der Lagerung eines unstabilen und hoch korrosiven Treibstoffs. Andere verfügbare Triebwerkstechnologien, wie u.a. Teflonablative Triebwerke, Hall-Triebwerke, Ionentriebwerke und MPD-Triebwerke, bieten zwar höhere spezifische Impulse, leiden aber an verschiedenen anderen Problemen, wie z.B., dass sie relativ massiv und zeitlich wenig agil sind und/oder einen erheblichen elektrischen Energiespeicher brauchen. All dies stand ihrem Einsatz für Raumstationshalte- und -manövrieranwendungen im Weg.
  • Da das Hubgewicht eines Satelliten oder eines anderen Raumfahrzeugs normalerweise vorbestimmt ist, ist umso weniger Gewicht für Nutzlast verfügbar, je größer das Gewicht oder die Masse ist, die für Triebwerkstreibstoffe nötig ist. Daher ist es wünschenswert, die Treibstoffmasse minimal zu halten. Da also die Antriebskraft, die mit einer bestimmten Treibstoffmasse erzielt werden kann, im Wesentlichen linear zur Ausströmgeschwindigkeit zunimmt, kann die Treibstoffmasse, wenn die Austrittsgeschwindigkeit z.B. um einen Faktor 10 erhöht wird, entweder um einen Faktor 10 reduziert werden oder dieselbe Treibstoffmasse oder -menge reicht zehnmal länger, wodurch die Nutzungsdauer des Raumfahrzeugs potentiell verlängert wird.
  • Ein weiteres Problem, mit dem die Industrie konfrontiert ist, besteht darin, dass mit zunehmender Dichte von integrierten Schaltungen und anderen mit Lithografietechniken gebildeten Mikroprodukten die Wellenlänge der für lithografisches Ätzen verwendeten Strahlung entsprechend reduziert werden muss. Insbesondere wird für die nächste Lithografiegeneration Strahlung im extremen UV-Band (EUV), das von etwa 10 Å (1 nm) bis 1000 Å (100 nm) reicht, und insbesondere bei einer Wellenlänge von etwa 130 Å (13 nm), als kritisch angesehen. Die einzige Strahlungsquelle, die in diesem Band arbeiten kann, ist jedoch groß, aufwändig, teuer und arbeitet bei einer zu niedrigen Impulswiederholfrequenz (PRF) für Lithografie und viele andere Anwendungen. Eine praktische Quelle zum Erzeugen von Strahlung in diesem Band, und insbesondere eine Quelle, die Strahlung bei 13 nm erzeugt, gibt es derzeit nicht. Daher besteht Bedarf an einer Strahlungsquelle, die in diesem Wellenlängenband arbeitet, die eine nützliche Größe hat und zu sinnvollen Kosten erhältlich ist und die Strahlung bei Wellenlängen und PRFs erzeugt, die für Lithografie und andere Anwendungen geeignet sind. Allgemeiner, es besteht Bedarf an einer EUV-Strahlungsquelle, die Strahlung über wenigstens einen erheblichen Teil dieses Bandes erzeugen kann, wobei diese Quelle relativ leicht und vorhersehbar konstruiert oder programmiert werden kann, indem verschiedene Parameter zum Erzeugen von Strahlung mit einer gewünschten Wellenlänge innerhalb dieses Bandes gewählt werden können. Zusätzlich zu Lithografie kann eine solche Quelle auch in verschiedenen Bilderzeugungs- oder Erfassungssystemen Anwendung finden.
  • Wie später erörtert wird, kann zur Lösung der obigen Probleme Plasmakanonentechnik angewandt werden. Existierende Plasmakanonen sind jedoch im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Impulswiederholfrequenz (PRF) begrenzt, so dass sie für Raumanwendungen ungeeignet waren, bei denen ein langfristiger wartungsfreier Betrieb und hohe PRFs verlangt werden, und die relativ niedrigen PRFs haben den Einsatz solcher Plasmakanonen für Lithografie ebenfalls ausgeschlossen. Insbesondere brauchen koaxiale Plasmakanonen des Standes der Technik eine sehr hohe Leistung und eine äußerst schnelle Umschaltung, um die Antriebskraft sofort zu erzeugen. Schalter mit großen Funkenstrecken, die die einzigen verfügbaren Komponenten waren, die die nötigen Spezifikationen erfüllten, arbeiteten nie wartungsfrei bei PFRs über 100 Hz oder für mehr als einige Millionen Zündungen. Infolgedessen hatten Plasmakanonen nie PRFs über 10 Hz. Für Raumanwendungen sind PRFs über 5000 Hz (Impulse/sec) und wartungsfreie Zyklen von mehr als 100 Millionen Impulse wünschenswert, während für Lithografie PRFs von wenigstens 500 Hz und vorzugsweise 1000 Hz erforderlich sind.
  • Ferner verwendeten Plasmakanonen des Standes der Technik einen dielektrischen Isolator an der Basis einer koaxialen Säule zum Schaffen einer Spannungserhöhung, die dazu beiträgt, einen Durchbruch oder eine Plasmaeinleitung an dieser Stelle zu bewirken. Eine zuverlässige und gleichförmige Plasmaeinleitung konnte nur dadurch erzielt werden, dass sehr schnell eine sehr hohe Spannung angelegt wurde, und durch den resultierenden Durchbruch wurde das Dielektrikum häufig schnell beschädigt. Probleme mit der Zuverlässigkeit und niedrigen PRFs haben daher eine Nutzung von Plasmakanonen als Triebwerke in Raumanwendungen oder als EUV-Strahlungsquellen für Lithografie oder andere Anwendungen ausgeschlossen. Daher besteht Bedarf an einer verbesserten Plasmakanone, die die für Raumanwendungen erforderliche wartungsfreie Zuverlässigkeit zusammen mit relativ hohen PRFs, vorzugsweise über 5000 Hz für Raumanwendungen, bietet und gleichzeitig zur Erzeugung von Austrittsgeschwindigkeiten von 10.000 bis 100.000 m/sec für Raumanwendungen und vorzugsweise von über 1000 Hz für Strahlungsanwendungen angepasst werden kann.
  • Das US-Patent 3271001 beschreibt ein Plasmabeschleunigungssystem, bei dem eine konische Elektrode koaxial in einer zylindrischen Elektrode so montiert ist, dass ein Raum dazwischen bleibt. Die äußere zylindrische Elektrode ist von einem Leiter in Form einer Wicklung umgeben, die ein axiales Magnetfeld in dem Beschleunigerelektrodensystem erzeugt. Hochspannungsimpulse können zwischen den Elektroden angelegt werden, und ein Gas kann in den Raum zwischen den Elektroden zum Erzeugen eines Plasmas eingeleitet werden.
  • Das US-Patent 4821509 beschreibt ein Plasmatriebwerk mit einer mittleren Elektrode, einer äußeren Elektrode, die im Wesentlichen koaxial zur mittleren Elektrode ist, einem Isolator zum Halten der Elektroden in jeweiligen Positionen und zum Isolieren der Elektroden voneinander, einem Einlassventil zum Einleiten einer Flüssigkeit in eine axial durch die mittlere Elektrode verlaufende Bohrung, um Gas an einem inneren Ende der mittleren Elektrode in einer durch den Isolator verlaufenden Bohrung zu leiten, und einem Impulsformungsnetz, das mit den Elektroden gekoppelt ist und nach Plasmaeinleitung betätigt werden kann, um einen Hochspannungsimpuls über die Elektroden anzulegen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Plasmakanone gemäß Anspruch 1 unten bereitgestellt, auf den nunmehr Bezug genommen werden sollte.
  • Eine die vorliegende Erfindung ausgestaltende Plasmakanone mit hoher PRF hat eine mittlere Elektrode und eine mit der mittleren Elektrode im Wesentlichen koaxiale äußere Elektrode, wobei eine koaxiale Säule zwischen den Elektroden ausgebildet ist. Es ist ein Einlassmechanismus zum Einleiten eines gewählten Gases in die Säule vorgesehen und ein Plasmainitiator ist am Basisende der Säule vorgesehen. Ferner ist ein Festkörper-Impulstreiber mit hoher Wiederholrate vorgesehen, der bei Plasmaeinleitung an der Basis der Säule betätigt werden kann, um einen Hochspannungsimpuls über die Elektroden anzulegen, wobei das Plasma vom Basisende der Säule und aus ihrem Austrittsende expandiert. Die Spannung jedes der Impulse nimmt über die Dauer des Impulses ab und für eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Plasmakanone als Triebwerk eingesetzt wird, werden die Impulsspannung und die Elektrodenlänge so gewählt, dass die Spannung über die Elektroden einen Wert von im Wesentlichen null erreicht, wenn das Plasma die Säule verlässt. Für diese Ausgestaltung leitet der Einlassmechanismus das gewählte Gas am Basisende der Säule ein. Spezieller, für diese Ausgestaltung leitet der Einlassmechanismus das Gas vorzugsweise radial von der mittleren Elektrode ein, um die Plasmageschwindigkeit gleichförmig über die Säule zu erhöhen, und Plasma verlässt die Säule für diese Ausgestaltung mit Austrittsgeschwindigkeiten, die derzeit im Bereich von etwa 10.000 bis 100.000 m/sec liegen, wobei die benutzte Austrittsgeschwindigkeit mit der Anwendung etwas variiert.
  • Für einige Ausgestaltungen beinhaltet der Plasmainitiator wenigstens ein Loch, das im Basisende der Kathodenelektrode ausgebildet ist, wobei bevorzugt wird, dass solche Löcher gleichmäßig um die Elektrode beabstandet sind, um eine gleichförmigere Plasmaeinleitung zu erzielen. Das gewählte Gas kann durch die Löcher oder so eingeleitet werden, dass es an den Löchern geleitet wird. Der Plasmainitiator beinhaltet vorzugsweise auch wenigstens eine Trigger-Elektrode, die in den Löchern oder ansonsten an der Basis der Säule montiert werden kann, wobei sich diese Elektroden vorzugsweise außerhalb der Säule, aber dicht daneben befinden und zum Einleiten des Plasmas gezündet werden. Für bevorzugte Ausgestaltungen werden die Trigger-Elektroden im Wesentlichen gleichmäßig um das Basisende der Säule beabstandet und im Wesentlichen gleichzeitig gezündet, um eine gleichzeitige Einleitung des Plasmas am Basisende zu erzielen.
  • Der Einlassmechanismus beinhaltet vorzugsweise ein pulsiertes Ventil. Da dieses Ventil im Vergleich zum Plasmainitiator und zum Impulstreiber gewöhnlich relativ langsam ist, werden der Treiber und der Initiator typischerweise eine gewählte Anzahl von Malen für jede Betätigung des pulsierten Ventils betätigt.
  • Für eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Plasmakanone als Strahlungsquelle im EUV-Band verwendet wird, sind die Impulsspannung und die Elektrodenlängen derart, dass der Strom für jeden Spannungsimpuls beim Austritt des Plasmas aus der Säule im Wesentlichen auf seinem Maximalwert ist.
  • Die äußere Elektrode für diese Ausgestaltung der Erfindung ist vorzugsweise die Kathodenelektrode und kann massiv oder die Form mehrerer im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeter, in einem Kreis angeordneter Stäbe haben. Der Einlassmechanismus für diese Ausgestaltung der Erfindung bietet eine im Wesentlichen gleichförmige Gasfüllung in der Säule, was zur Folge hat, dass das Plasma zunächst aus der mittleren Elektrode ausgetrieben wird, wobei das Plasma bei seinem Austritt aus der Säule magnetisch gepincht wird, um dadurch die Plasmatemperatur für eine thermische Strahlung bei gewünschten Wellenlängen zu erhöhen, und diese Wellenlängen liegen vorzugsweise im extremen UV-(EUV)-Band, das grob als ein Wellenlängenband von 1 nm bis etwa 100 nm definiert ist. Wie zuvor angedeutet, gibt es derzeit keinen praktischen Mechanismus zum Erzeugen von Strahlung in diesem Band. Die gewünschte Wellenlänge im EUV-Band wird durch sorgfältiges Auswählen verschiedener Plasmakanonenparameter wie u.a. dem verwendeten gewählten Gas, dem Strom für den Impulstreiber, der Plasmatemperatur im Pinch-Bereich und dem Gasdruck in der Säule erzielt. Wenn die gewünschte Wellenlänge etwa 13 nm beträgt, dann ist das gewählte Gas Xenon und/oder Lithiumdampf und die Plasmatemperatur im magnetischen Pinch-Bereich liegt bei etwa 500.000°K.
  • Der Impulstreiber für diese Erfindung sollte Impulse mit einer Spannung anlegen, die wenigstens gleich der Paschen-Mindestdurchbruchspannung für eine Kanone mit schnellen Anstiegszeiten ist. Diese Spannung beträgt für bevorzugte Ausgestaltungen im Allgemeinen wenigstens 100 Volt und liegt für viele Ausgestaltungen im Bereich von 400 bis 800 Volt. Für bevorzugte Ausgestaltungen beinhaltet der Impulstreiber eine DC-Potentialquelle, einen DC-DC-Wandler und ein Energiespeichermedium, das vom Wandler gespeist wird, wobei das Speichermedium über die Elektroden entlädt, wenn das Plasma eingeleitet wird. Das Speichermedium kann ein Kondensator oder eine Kondensatorgruppe sein oder kann Bestandteil von wenigstens einem nichtlinearen Magnetimpuls-Kompressor sein. Der Plasmainitiator wird betätigt, wenn eine gewählte Energie oder Spannung im Energiespeichermedium gespeichert ist, und vorzugsweise dann, wenn das Energiespeichermedium voll geladen ist. Wenn Trigger-Elektroden verwendet werden, kann ein separater nichtlinearer Magnetimpuls-Kompressor, der von derselben DC-Quelle arbeitet, für diese Elektroden vorgesehen werden, wobei die Trigger-Elektroden vorzugsweise bei höherer Spannung und niedrigerer Leistung betrieben werden als die mittlere und die äußere Elektrode. Der DC-DC-Wandler gewinnt von der Elektrode reflektierte Abenergie vorzugsweise zurück und speichert sie für die Verwendung beim nächsten Hochspannungsimpuls.
  • Das gewählte Gas ist vorzugsweise Argon, Xenon, Stickstoff, Hydrazin, Lithiumdampf, Helium, Wasserstoff oder Neon. Damit die Plasmakanone ordnungsgemäß arbeiten kann, muss der Gasdruck in einer Säule niedrig genug sein, damit ein Durchbruch für die Plasmaeinleitung auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve erfolgen kann, und es wird bevorzugt, dass die Plasmakanone in einer Umgebung mit einem Umgebungsdruck im Bereich von 0,01 bis 10 Torr gehalten wird, wobei der Druck etwa 1 Torr für bevorzugte Ausgestaltungen nicht übersteigt. Der Impulstreiber und der Plasmainitiator sollen beide eine solche Impulswiederholfrequenz (PRF) haben, dass die PRF der Plasmakanone über 100 Hz und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 500 Hz bis wenigstens 5.000 Hz liegt.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung für die Anwendung in einer im Wesentlichen luftleeren Umgebung beinhaltet ein Triebwerk die zuvor beschriebenen Elektroden, einen Einlassmechanismus zum Einleiten eines gewählten Gases am Basisende der Säule, einen Plasmainitiator am Basisende und den Spannungstreiber, wobei die Spannung jedes Impulses über die Dauer des Impulses abnimmt und wobei die Impulsspannung und die Elektrodenlängen derart sind, dass die Spannung über die Elektroden einen Wert von im Wesentlichen null erreicht, wenn das Plasma die Säule verlässt. Austrittsgeschwindigkeiten im Bereich von etwa 10.000 bis 100.000 m/sec können derzeit mit solchen Triebwerken erreicht werden.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung kann die Form einer EUV-Strahlungsquelle haben, die die zuvor beschriebenen Elektroden, den Einlassmechanismus und einen Impulstreiber umfasst, wobei ein Strom für jeden Spannungsimpuls zunächst auf ein Maximum ansteigt und dann auf null abfällt, wobei die Impulsspannung und die Elektrodenlängen derart sind, dass das Plasma das Ende der Elektroden erreicht, wenn der Strom auf seinem Maximum ist. Das Plasma wird zunächst von der mittleren Elektrode getrieben und dann beim Verlassen der Säule magnetisch gepincht, so dass die Plasmatemperatur zur Erzielung von thermischer Strahlung mit gewünschten Wellenlängen ansteigt, wobei die gewünschte(n) Wellenlänge(n) durch Wählen des/der richtigen Gases, Hochspannungsstroms, Plasmatemperatur im Pinch-Bereich und Gasdruck in der Säule reguliert werden kann/können.
  • Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zur Verwendung einer Plasmakanone des zuvor beschriebenen Typs als Triebwerk, um einen gewählten Schub in einer im Wesentlichen luftleeren Umgebung bereitzustellen, die die folgenden Schritte umfasst: Einlassen eines gewählten Gases in das Basisende der Säule mit einem Ventil; Laden eines Festkörperimpulstreibers mit hoher Wiederholrate auf eine gewählte hohe Spannung, wobei die Spannung über die Elektroden angelegt wird; Einleiten eines Plasmadurchbruchs am Basisende, wenn der Treiber im Wesentlichen auf der gewählten hohen Spannung ist, wobei das Plasma sich vom Basisende der Säule ausbreitet und aus dem Austrittsende der Säule mit hoher Austrittsgeschwindigkeit abgelassen wird, die im Wesentlichen mit dem völlig entladenen Treiber übereinstimmt; und Wiederholen der Lade- und Plasmadurchbrucheinleitungsschritte mit hoher PRF, bis ein gewählter Schub erzielt ist. Der Ventileinlassschritt kann beendet werden, wenn eine Menge des gewählten Gases in die Säule eingeleitet wurde, die ausreicht, um den gewählten Schub zu erzielen.
  • Schließlich umfasst in einem Beispiel für ein Verfahren zum Verwenden einer die Erfindung ausgestaltenden Plasmakanone zum Erzeugen einer EUV-Strahlung mit einer gewünschten Wellenlänge das Verfahren die folgenden Schritte: Einleiten eines gewählten Gases in die Säule mit einem Ventil; Laden eines Festkörperimpulstreibers mit hoher Wiederholrate auf eine gewählte hohe Spannung, wobei die Spannung über die Elektroden angelegt wird; Einleiten eines Plasmadurchbruchs am Basisende der Säule, wenn der Treiber im Wesentlichen auf der gewählten Spannung ist, wobei sich das Plasma von der Basis der Säule ausbreitet und vom Austrittsende der Säule neben der mittleren Elektrode ausgestoßen wird, im Wesentlichen gleichzeitig damit, dass der Treiberstrom über die Elektroden auf seinem Maximum ist. Das Plasma wird beim Austritt aus der Säule magnetisch gepincht, so dass sich die Plasmatemperatur zum Erzielen einer thermischen Strahlung mit (der) gewünschten Wellenlänge(n) erhöht, wobei diese Wellenlänge wie zuvor angegeben ermittelt werden kann. Die Schritte des Ladens des Impulstreibers und des Einleitens des Plasmadurchbruchs können mit einer hohen PRF eine gewählte Anzahl von Malen wiederholt werden, um die Strahlung für eine gewünschte Dauer aufrechtzuerhalten.
  • Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden spezielleren Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung wie in den Begleitzeichnungen illustriert hervor.
  • In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 eine teilschematische, an der Seite teilweise weggeschnittene Ansicht einer ersten illustrativen Triebwerksausgestaltung der Erfindung;
  • 2 eine teilschematische, an der Seite teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer alternativen Triebwerksausgestaltung der Erfindung;
  • 3 eine teilschematische, an der Seite teilweise weggeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Strahlungsquelle.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Zunächst mit Bezug auf 1, das Triebwerk 10 hat eine mittlere Elektrode 12, die für diese Ausgestaltung die positive oder Anodenelektrode ist, und eine konzentrische Kathoden-, Masse- oder Rückführungselektrode 14, wobei ein allgemein zylinderförmiger Kanal 16 zwischen den beiden Elektroden ausgebildet ist. Der Kanal 16 wird an seinem Basisende von einem Isolator 18 definiert, in dem die mittlere Elektrode 12 montiert ist. Die äußere Elektrode 14 ist an einem leitenden Gehäuseelement 20 montiert, das durch ein leitendes Gehäuseelement 22 mit Masse verbunden ist. Die mittlere Elektrode 12 ist an ihrem Basisende in einem Isolator 24 montiert, der wiederum in einem Isolator 26 montiert ist. Ein zylindrisches Außengehäuse 28 umgibt die äußere Elektrode 14 und ist in einem Bereich 30 hinter dem Front- oder Austrittsende der Elektroden aufgeweitet. Die Elektroden 12 und 14 können beispielsweise aus thoriertem Wolfram, Titan oder Edelstahl hergestellt sein.
  • Eine positive Spannung kann von einer Gleichspannungsquelle 12 durch einen DC-DC-Inverter 34, einen nichtlinearen magnetischen Kompressor 36 und einen mit der mittleren Elektrode 12 verbundenen Anschluss 38 an die mittlere Elektrode 12 angelegt werden. Der DC-DC-Inverter 34 hat einen Speicherkondensator 42, der ein einzelner großer Kondensator oder eine Kondensatorgruppe sein kann, einen Steuertransistor 44, ein Paar Dioden 46 und 48 und einen Energierückgewinnungsinduktor 50. Der Transistor 44 ist vorzugsweise ein bipolarer Sperrschichttransistor. Der Inverter 34 wird auf eine in der Technik bekannte Weise zum Übertragen von Leistung von der Gleichstromquelle 32 zum nichtlinearen magnetischen Kompressor 36 verwendet. Wie später erörtert wird, dient der Inverter 34 auch zum Wiederherstellen von von einer fehlangepassten Last, insbesondere von Elektroden 12 und 14, reflektierten Abenergie, um die Impulserzeugungseffizienz zu verbessern.
  • In der Figur hat der nichtlineare magnetische Kompressor 36 zwei Stufen, eine erste Stufe, die einen Speicherkondensator 52, einen siliciumgesteuerten Gleichrichter 54 und einen Induktor oder sättigbaren Induktor 56 beinhaltet, und eine zweite Stufe mit einem Speicherkondensator 58 und einem sättigbaren Induktor 60. Zusätzliche Kompressionsstufen können bei Bedarf vorgesehen werden, um kürzere, schneller ansteigende Impulse und höhere Spannungen zu erzielen. Die Art und Weise, in der die nichtlineare magnetische Kompression in einer Schaltung dieses Typs erzielt wird, ist im US-Patent 5,142,166 erörtert. Grundsätzlich arbeitet die Schaltung 36 mit den sättigbaren Kernen als Induktoren in einer Resonanzschaltung. Der Kern jeder Stufe wird gesättigt, bevor ein erheblicher Anteil der in den Kondensatoren der vorherigen Stufe gespeicherten Energie übertragen wird. Das nichtlineare Sättigungsphänomen erhöht die Resonanzfrequenz der Schaltung um die Quadratwurzel der Abnahme der Permeabilität während der Sättigung des Kerns. Energie wird immer schneller von einer Stufe zur nächsten gekoppelt. Es ist zu bemerken, dass die Kompressionsschaltung 36 beim Übertragen von Leistung in beiden Richtungen effizient ist, da sie nicht nur zum Hochsetzen der Frequenz in der Vorwärtsrichtung dient, sondern die Frequenz auch heruntersetzt, wenn ein Spannungsimpuls reflektiert wird und in der Kette wieder nach oben kaskadiert. Energie, die von der/den fehlangepassten Last/Elektroden reflektiert wird, kann in der Kette wieder nach oben kaskadieren, so dass sie als im Kondensator 42 gespeicherte Umkehrspannung erscheint und zum nächsten Impuls addiert werden kann. Insbesondere beginnt, wenn die reflektierte Ladung neu in den anfänglichen Energiespeicherkondensator 42 kommutiert wird, der Strom im Energierückgewinnungsinduktor 50 zu fließen. Die Kombination aus Kondensator 42 und Spule 50 bildet eine Resonanzschaltung. Nach einem halben Punkt [wobei t = π/(L50C42)1/2] ist die Polarität der Spannung am Kondensator 42 umgekehrt und diese Energie reduziert die Energie, die zum Neuladen dieses Kondensators von der Spannungsquelle 32 nötig ist.
  • Die in 1 gezeigten Antriebsschaltungen können auch auf sehr niederimpedante Lasten abgeglichen werden und können bei Bedarf komplizierte Impulsformen erzeugen. Die Schaltungen sind auch für einen Betrieb mit sehr hohen PRFs geeignet und können auf die Erzeugung von Spannungen von über einem Kv zugeschnitten werden.
  • 1 zeigt die Zuführung von Treibgas von einer Leitung 64 durch ein Ventil 66 unter der Steuerung eines Signals auf Leitung 68 zu einem Verteiler 70, der eine Reihe von Einlässen 72 im Gehäuse 28 speist. Es kann z.B. vier bis acht Einlässe 72 geben, die im Wesentlichen gleichmäßig um die Peripherie des Gehäuses 28 in der Nähe seines Basisendes beabstandet sind. Die Einlässe 72 münden in Löcher 74, die in der Elektrode 14 ausgebildet sind, und diese Löcher sind abgewinkelt, so dass sie das Teibgas radial und einwärts in Richtung auf die Basis des Kanals 16 in der Nähe der mittleren Elektrode 12 leiten. Treibgas kann auch von der Rückseite des Kanals 16 zugeführt werden.
  • Das Triebwerk 10 ist so ausgelegt, dass es im Raum oder in anderen Niederdruck-, nahezu luftleeren Umgebungen und insbesondere bei einem solchen Druck arbeiten kann, dass es zu einem Durchbruch auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve kommt. Während die Druckkurve, für die dies gilt, mit dem verwendeten Gas und anderen Parametern des Triebwerks etwas variiert, liegt dieser Druck typischerweise im Bereich von 0,01 bis 10 Torr und beträgt für bevorzugte Ausgestaltungen etwa 1 Torr. Für Drücke in diesem Bereich reduziert der zunehmende Druck in einer Region das Durchbruchpotential in dieser Region, so dass die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass es in einer solchen Region zu einem Durchbruch kommt. Daher kann theoretisch lediglich das Einleiten des Treibgases an der Basis der Säule 16, und daher die Erhöhung des Drucks an dieser Stelle, zu einem/r Durchbruch/Plasmaeinleitung an dieser Stelle nach Bedarf führen. In der Praxis ist es jedoch schwierig, sowohl den Gasdruck ausreichend zu regulieren, um einen vorhersehbaren Durchbruch zu bewirken, als auch zu erreichen, dass der Druck um die Peripherie der Säule 16 so gleichförmig ist, dass es in der ganzen Säule und nicht nur in einem gewählten Abschnitt der Säule zu einem gleichförmigen Durchbruch kommt.
  • Wenigstens zwei Dinge können getan werden, um zu gewährleisten, dass es zu einer gleichförmigen Plasmaeinleitung an der Basis der Säule 16 kommt und dass ein solcher Durchbruch zum gewünschten Zeitpunkt stattfindet. Um zu verstehen, wie diese Durchbruchverbesserungen erzielt werden, muss man verstehen, dass die erfindungsgemäßen Plasmakanonen bei Drücken zwischen 0,1 Torr und 10 Torr und insbesondere bei solchen Drücken arbeiten, dass es auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve zu einem Durchbruch kommt. Für bevorzugte Ausgestaltungen liegt der Druck in der Säule 16 bei etwa 1 Torr. Bei einer solchen Niederdruckentladung gibt es zwei Hauptkritieren, die den Gasdurchbruch oder die Einleitung bestimmen:
    • 1. Das elektrische Feld in dem Gas muss das Durchbruchfeld für das Gas übersteigen, das von dem verwendeten Gas und dem Gasdruck abhängig ist. Das Durchbruchfeld geht von einer Elektronenquelle an der Kathode 14 aus, was als Paschen-Kriterium bekannt ist. In der Niederdruckregion, in der die Kanone arbeitet, und für die Abmessungen dieser Vorrichtung, nimmt das elektrische Durchbruchfeld mit zunehmendem Druck ab (dies erfolgt auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve). Daher erfolgt der Durchbruch in der Säule 16 an dem Punkt, an dem der Gasdruck am höchsten ist.
    • 2. Zweitens muss es eine Elektronenquelle geben. Selbst wenn das durchschnittliche elektrische Feld das Durchbruchfeld übersteigt, geschieht erst dann etwas, wenn die negative Oberfläche beginnt, Elektronen zu emittieren. Um Elektronen von einer Oberfläche extrahieren, muss eine von zwei Bedingungen erfüllt sein. Für die erste Bedingung muss eine Potentialdifferenz in der Nähe der Oberfläche erzeugt werden, die den Kathodenabfall oder das Kathodenpotential übersteigt. Der/das Kathodenabfall/Kathodenpotential ist vom Gasdruck und von der Zusammensetzung und Geometrie der Oberfläche abhängig. Je höher der lokale Gasdruck, desto niedriger die benötigte Spannung. Eine in sich zurückkehrende Geometrie wie z.B. ein Loch bietet ein stark verbessertes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und reduziert auch den Kathodenabfall. Dieser Effekt, bei dem ein Loch vorzugsweise als Elektronenquelle in Bezug auf die benachbarte Fläche wirkt, wird als Hohlkathodeneffekt bezeichnet. Die zweite Bedingung ist, dass eine Elektronenquelle von einer Oberflächen-Flashous – Trigger-Quelle erzeugt werden kann. Diese Bedingungen können einzeln oder beide erfüllt werden. Die Spannung über die Elektroden sollte jedoch niedriger sein als die Summe aus Gasdurchbruchpotential und Kathodenabfallpotential, um eine Störeinleitung zu verhüten.
  • So werden in 1 mehrere Löcher 74 in der Kathode 14 gebildet, durch die Gas zur Basis der Säule 16 geleitet wird, und diese Löcher enden nahe an der Basis der Säule. In bevorzugten Ausgestaltungen wären mehrere solcher Löcher gleichmäßig um die Peripherie der Säule 16 beabstandet. Das durch diese Löcher eintretende Gas, in Verbindung mit dem Hohlkathodeneffekt, der aus der Anwesenheit dieser Löcher entsteht, resultiert in einem stark erhöhten Druck im Bereich dieser Löcher in der Nähe der Basis der Säule 16 und somit in einer Plasmaeinleitung an dieser Stelle in der Säule. Dieses Verfahren der Plasmaeinleitung reicht zwar für eine Plasmaeinleitung in einigen Anwendungen aus, aber für die meisten Anwendungen der erfindungsgemäßen Plasmakanone, besonders Anwendungen mit hoher PRF, wird es bevorzugt, auch Trigger-Elektroden in der oben für nachfolgende Ausgestaltungen beschriebenen Weise vorzusehen, so dass beide Bedingungen erfüllt sind, um sowohl die Gleichförmigkeit als auch die Rechtzeitigkeit der Plasmaeinleitung zu gewährleisten.
  • Wenn ein Triebwerk 10 verwendet werden soll, dann wird das Ventil 66 zunächst geöffnet, um Gas von einer Gasquelle einzulassen, so dass es durch den Verteiler 70 in Löcher 74 zum Kanal 16 fließt. Da das Ventil 66 im Vergleich zu anderen Komponenten des Systems relativ langsam arbeitet, wird das Ventil 66 lange genug offen gelassen, so dass eine Gasmenge in den Kanal 16 fließt, die ausreicht, um den gewünschten Schub durch mehrere Plasmaeinleitungen zu entwickeln. So beträgt beispielsweise die Zykluszeit eines Magnetventils, das als Ventil 66 verwendet werden könnte, eine Millisekunde oder mehr. Da es zu Plasmabursts in zwei bis drei Mikrosekunden kommen kann und da Gas typischerweise über die Länge der 5 bis 10 cm langen Elektroden, die für Triebwerke bevorzugter Ausgestaltungen verwendet werden, in etwa 1/4000 einer Sekunde fließen kann, würde, wenn es für jeden Ventilzyklus nur einen Impuls gäbe, nur etwa 1/10 des Treibgases genutzt. Daher erfolgen zum Erzielen einer hohen Treibgaseffizienz mehrere Bursts oder Impulse, z.B. wenigstens zehn, während einer einzelnen Öffnung des Ventils. Bei jedem einzelnen Impulsburst betrüge die Spitzenleistung etwa mehrere hundert Kilowatt, um die benötigten Kräfte zu erzeugen. Die Spitzen-PRF wird anhand von zwei Kriterien bestimmt. Die Impulszeit muss lang genug sein, damit das vom vorherigen Impuls resultierende Plasma den Triebwerksausgang entweder verlassen oder sich rekombiniert hat. Außerdem muss die Impulszeit kürzer sein als die Zeit, die nötig ist, damit kaltes Treibmittel die Länge der Elektroden zurücklegen kann. Das letztere Kriterium wird zu einem gewissen Grad durch das verwendete Gas bestimmt. Für Argon, mit einer typischen Länge von 5 cm für die Säule 16, beträgt die Zeitdauer für die Verteilung von Treibmittel über die Triebwerkselektrodenfläche nur 0,1 ms, während die Zeit für ein schwereres Gas wie Xenon auf etwa 0,2 ms ansteigt. Daher lässt es eine höhere Triebwerks-Impulswiederholrate (d.h. etwa 5000 pps oder größer) zu, dass die Plasmakanone einen höheren Treibmittelwirkungsgrad von näherungsweise 90% erzielt. Die Burstlängen der Impulse bei einer einzigen Ventilsteuerung des Fluids kann von ein paar Impulsen bis zu mehreren Millionen variieren, wobei ein Teil des Treibstoffs vergeudet wird und daher für kurze Burstlängen ein niedrigerer Treibstoffwirkungsgrad erzielt wird. Daher sollte der Burstzyklus nach Möglichkeit lang genug sein, damit wenigstens der bei einem Mindestzeitzyklus des Ventils 66 vorhandene Treibstoff voll genutzt werden kann.
  • Bevor der Treibstoff das Ende der Säule 16 erreicht, wird der Gate-Transistor 44 aktiviert oder geöffnet, was zur Folge hat, dass der Kondensator 58 voll aufgeladen wird, um eine hohe Spannung über die Elektroden anzulegen (400 bis 800 Volt für bevorzugte Ausgestaltungen), die entweder alleine oder in Verbindung mit der Zündung einer Trigger-Elektrode auf eine später beschriebene Weise zu einer Plasmaeinleitung an der Basis der Säule 16 führt. Dies hat zur Folge, dass eine Plasmahülle mit dem inneren und äußeren Leiter in Verbindung kommt, dass Strom leicht zwischen den Elektroden durch die Plasmahülle fließt und ein Magnetfeld entsteht. Der resultierende magnetische Druck drückt axial auf die Plasmahülle und erzeugt eine JxB-Lorentz-Kraft, die die Plasmamasse bei ihrer Bewegung entlang den Elektroden beschleunigt. Dies führt zu einer sehr hohen Plasmageschwindigkeit und die Elektrodenlänge und Anfangsladung werden so gewählt, dass der Effektivstrom über die Elektroden, der zunächst mit der Zeit ansteigt und dann auf null abnimmt, und die Spannung, die beim Entladen des Kondensators 58 abnimmt, beide genau in dem Augenblick auf null zurückkehren, wenn das Plasma von der Spitze der Elektroden abgestoßen wird. Wenn das Plasma das Ende der koaxialen Struktur erreicht, dann wurde das gesamte Gas mitgeführt oder in das Plasma eingesaugt und vom Ende der Elektroden abgestoßen. Dies ergibt eine maximale Gasmasse und somit maximales/n Moment/Schub für jeden Impuls. Wenn die Länge der Struktur so gewählt wurde, dass der Kondensator völlig entladen ist, wenn das Plasma die Elektrode verlässt, dann sind Strom und Spannung null und der ionisierte Gasstrom verlässt das Triebwerk 10 mit hoher Geschwindigkeit. Eine Austrittsgeschwindigkeit z.B. in einem Bereich von 10.000 bis 100.000 Metern/Sekunde kann mit Triebwerken erzielt werden, die auf diese Weise arbeiten, wobei die angewendete Austrittsgeschwindigkeit für eine bestimmte Triebwerksanwendung optimal ist. Das aufgeweitete Ende 30 des Triebwerks ermöglicht, durch Erleichtern einer regulierten Ausdehnung der austretenden Gase, eine Umwandlung eines Teils der thermischen Restenergie in Schub über isentropische, thermodynamische Ausdehnung, aber dieser Effekt hat sich als recht vernachlässigbar herausgestellt und ein konischer Teil 30 wird im Allgemeinen nicht verwendet. In der Tat kann, mit Ausnahme des Schutzes der Elektrode 12, der im Raum im Allgemeinen nicht erforderlich ist, das Gewicht des Triebwerks 10 reduziert werden, indem das Gehäuse 28 vollständig weggelassen wird. Ein Impulsburst kann dadurch beendet werden, dass der Gate-Transistor 44 gesperrt oder die Quelle 32 auf andere Weise von der Schaltung 36 getrennt wird.
  • 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Triebwerks 10', die sich in einigen Hinsichten von der in 1 gezeigten unterscheidet. Erstens, der nichtlineare magnetische Kompressor 36 wurde durch einen einzelnen Speicherkondensator 80 ersetzt, der in praktischen Anwendungen typischerweise eine Gruppe von Kondensatoren wäre, um eine Kapazität von etwa 100 Mikrofarad zu erzielen. Zweitens, die Kathode 14 verjüngt sich in Richtung auf ihr Austrittsende konisch etwas. Drittens, die Figur zeigt die zündkerzenähnlichen Trigger-Elektroden 82 als in jedem der Löcher 74 mit einer entsprechenden Ansteuerungsschaltung 86 für die Trigger-Elektroden steckend; ein von einem Gehäuseelement 77 gebildeter interner Gasverteiler 72' ist vorgesehen, um Treibgas zu den Löchern 74 zu führen, dabei ist ein Gaseinlassloch (nicht gezeigt) im Element 77 vorgesehen und Gasauslasslöcher 84 sind im Isolator 24 und in der mittleren Elektrode 12 ausgebildet dargestellt. Wie für die Ausgestaltung von 1, gäbe es gewöhnlich mehrere, z.B. vier bis acht, gleichmäßig um die Peripherie der Kathode 14 beabstandete Löcher 74 mit einer Trigger-Elektrode 82 in jedem Loch 74 und einem Gasauslass 84 vorzugsweise gegenüber jedem Loch 74, um Gas daran zu leiten.
  • Der Kondensator 80 kann zwar in einigen Anwendungen anstatt der nichtlinearen magnetischen Kompressorschaltung 36 zum Speichern von Spannung zum Erzeugen von Hochspannungsansteuerungsimpulsen verwendet werden, aber eine solche Anordnung käme gewöhnlich in Anwendungen zum Einsatz, bei denen niedrigere PRFs und/oder niedrigere Spannungen nötig sind, da der Kompressor 36 die Aufgabe hat, sowohl kürzere als auch höhere Spannungsimpulse zu erzeugen. Die Schaltung 36 erzeugt auch die Impulse zu einem Zeitpunkt, der durch die Spannung über den Kondensator 58 und einen Durchbruch der nichtlinearen Spule 60 bestimmt wird, was ein besser vorhersehbarer Zeitpunkt ist, als dies mit dem Kondensator 80 möglich ist, der grundsätzlich lädt, bis ein Durchbruch an der Basis der Säule 16 auftritt, so dass sich der Kondensator entladen kann.
  • Trigger-Elektroden 82 werden von einer separaten Ansteuerungsschaltung 86 ausgelöst, die Spannung von der Quelle 32 erhält, aber ansonsten vom Inverter 34 und vom Kompressor 36 oder vom Kondensator 80 unabhängig ist. Die Ansteuerungsschaltung 86 hat zwei nichtlineare Kompressionsstufen und kann als Reaktion auf ein Eingangssignal zum SCR 87 zum Einleiten der Zündung der Trigger-Elektroden aktiviert werden. Das Signal zum SCR 87 kann beispielsweise als Reaktion auf die Erfassung der Spannung oder Ladung über den Kondensator 80 und das Einleiten der Zündung erfolgen, wenn diese Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht, oder als Reaktion auf einen Zeitgeber, der zu Beginn des Ladens des Kondensators 80 eingeleitet wird, wobei es dann zu einer Zündung kommt, wenn genügend Zeit verstrichen ist, damit der Kondensator den gewünschten Wert erreichen kann. Bei einem Kompressor 36 könnte die Aktivierung zeitlich so gesteuert werden, dass sie erfolgt, wenn der Induktor 60 gesättigt ist. Eine regulierte Einleitung an der Basis der Säule 84 wird durch die in sich zurückkehrende Geometrie des Lochs 74 sowie durch die Tatsache erhöht, dass der Kanal 16 an seinem Basisende schmäler ist, was den Druck in diesem Bereich weiter erhöht und somit, aus den zuvor erörterten Gründen, eine Durchbrucheinleitung in diesem Bereich gewährleistet.
  • Jede Trigger-Elektrode 82 ist eine zündkerzenähnliche Struktur mit einem Schraubabschnitt, der in eine Öffnung 89 im Gehäuse 77 passt und darin eingeschraubt wird, um die Elektrode zu befestigen. Das vordere Ende der Elektrode 82 hat einen Durchmesser, der geringer ist als der der Öffnung, so dass Treibgas durch das Loch 74 um die Trigger- Elektrode herum strömen kann. Das Loch kann beispielsweise einen Durchmesser von 0,44 Zoll haben, während die Trigger-Elektrode an ihrem tiefsten Punkt einen Durchmesser von 0,40 Zoll hat. Das Trigger-Element 91 der Trigger-Elektrode verläuft in der Nähe des Endes des Lochs 74 neben der Säule 16, verläuft aber vorzugsweise nicht in die Säule 16, um die Elektrode gegen die in der Säule 16 entstehenden Plasmakräfte zu schützen. Das Ende der Elektrode kann beispielsweise vom Ende des Lochs 74 um eine Distanz beabstandet sein, die etwa gleich dem Durchmesser des Lochs ist (7/16 Zoll).
  • Die Trigger-Elektrode 82 und die Plasma-Elektroden 12 und 14 werden zwar von der gemeinsamen Spannungsquelle 32 aktiviert, aber die Ansteuerungsschaltungen für die beiden Elektroden sind unabhängig und erzeugen, während sie im Wesentlichen gleichzeitig arbeiten, unterschiedliche Spannungen und Leistungen. Zum Beispiel, während die Plasmaelektroden typischerweise bei 400 bis 800 Volt arbeiten, kann an der Trigger-Elektrode eine Spannung von 5 Kv anliegen. Diese Spannung liegt jedoch für eine weitaus kürzere Zeitdauer von beispielsweise 100 ns an, so dass die Leistung weitaus geringer ist, z.B. 1/20 Joule.
  • Ein weiteres potentielles Problem mit Triebwerken des in den 1 und 2 gezeigten Typs ist, dass die Lorenz-Kräfte über die Säule 16 nicht gleichförmig sind, sondern in der Nähe der mittleren Elektrode 12 am größten sind und von dort nach außen zur äußeren Kathodenelektrode 14 mehr oder weniger gleichförmig abnehmen. Infolgedessen tritt Gasplasma entlang einer abgewinkelten Vorderseite aus, wobei zunächst von der mittleren Elektrode austretendes Gas und später für Gas, das in Richtung auf die äußere Elektrode austritt. Die äußere Elektrode 14 könnte daher kürzer sein, um einen gleichförmigen Austritt von Gas aus dem Triebwerk über das Triebwerk zu erleichtern, aber dies erfolgt für bevorzugte Ausgestaltungen nicht. Die Konizität dieser äußeren Elektrode hat denselben Grund wie die Konizität in der Region 30 des Gehäuses 28 und ist aus denselben Gründen wie oben in Verbindung mit dieser konischen Region erörtert fakultativ.
  • Das Problem der ungleichmäßigen Geschwindigkeit in der Säule 16 wird auch in 2 dadurch gelöst, dass Gas von der mittleren Elektrode in die Säule 16 eintritt, was dazu führt, dass eine größere Gasmasse an der mittleren Elektrode vorliegt als an der äußeren Elektrode. Wenn dies sorgfältig so geschieht, dass die größere Masse in der Nähe der mittleren Elektrode die größeren Beschleunigungskräfte daran ausgleicht, dann kann eine gleichförmigere Geschwindigkeit radial über die Säule 16 erzielt werden, so dass Gas/Plasma gleichförmig (d.h. mit einer Front lotrecht zu den Elektroden) aus dem Ende des Triebwerks austritt. Diese Korrektur ist ein Grund dafür, warum eine kürzere äußere Elektrode im Allgemeinen nicht erforderlich ist.
  • Mit Ausnahme der oben erörterten Unterschiede, arbeitet das Triebwerk von 2 in derselben Weise wie das Triebwerk von 1. Ferner ist in den Figuren zwar ein einzelnes Triebwerk in einer Raum- oder anderen Anwendung dargestellt, aber es könnten auch mehrere solcher Triebwerke, z.B. zwölf, verwendet werden, die jeweils mit weniger als 1 Joule/Impuls arbeiten und jeweils weniger als 1 kg wiegen. Alle Triebwerke würden mit einer zentralen Stromversorgung gespeist, würden mit einem zentralen Steuersystem arbeiten und würden Treibstoff von einer gemeinsamen Quelle erhalten. Letzteres ist von besonderem Vorteil für das Triebwerk der vorliegenden Erfindung, da die Manövrierlebensdauer eines das Triebwerk verwendenden Raumfahrzeugs nicht durch die Treibstoffversorgung für das/die am häufigsten benutzte(n) Triebwerk(e) diktiert wurde, wie dies für einige Feststofftriebwerke der Fall ist, sondern nur von dem an Bord des Fahrzeugs befindlichen Treibstoff.
  • 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Plasmakanone gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung, und diese Kanone ist für den Einsatz als Strahlungsquelle anstatt als Triebwerk adaptiert. Diese Ausgestaltung der Erfindung verwendet einen Treiber wie den in 1 gezeigten mit einem DC-DC-Inverter 34 und einem nichtlinearen magnetischen Kompressor 36, und hat auch einen Verteiler 72', der Gas durch Löcher 74 der Kathoden- und um Trigger-Elektroden 82 zuführt. Für diese Ausgestaltung wird jedoch kein Treibstoffgas von der mittleren Elektrode 12 eingeleitet. Die Kathodenelektrode ist für diese Ausgestaltung der Erfindung auch nicht konisch und hat im Wesentlichen dieselbe Länge wie die mittlere Elektrode 12. Schließlich, und das ist am wichtigsten, sind die Elektroden 12 und 14 für diese Ausgestaltung der Erfindung kürzer als für die Triebwerksausgestaltungen, so dass Gas/Plasma das Ende der Elektroden/Säule 16 erreicht, wenn der Entladestrom maximal ist. Der Kondensator nähert sich zu diesem Zeitpunkt dem Halbspannungspunkt. Für die Strahlungsquellenanwendung kann ferner die äußere Elektrode 14 massiv oder perforiert sein. Es wurde gefunden, dass beste Ergebnisse typischerweise mit einer äußeren Elektrode erzielt werden, die aus einer Sammlung gleichmäßig beabstandeter Stäbe besteht, die einen Kreis bilden. Mit der oben beschriebenen Konfiguration erzeugt das Magnetfeld, wenn das Plasma vom Ende der mittleren Elektrode abgetrieben wird, eine Kraft, die das Plasma in einen Pinch treibt und seine Temperatur drastisch erhöht. Je höher der Strom, und somit das Magnetfeld, desto höher die endgültige Plasmatemperatur. Auch die Gasdichte kann mühelos profiliert werden, so dass eine gleichförmigere Geschwindigkeit über die Säule 16 erzielt wird, und es wird typischerweise eine statische, gleichförmige Gasfüllung benutzt. Daher braucht das Gas nicht am Basisende der Säule 16 eingeleitet zu werden, obwohl dies weiterhin bevorzugt wird. Da das Gas nicht profiliert wird, ergibt sich eine Geschwindigkeit, die am mittleren Leiter 12 weitaus höher ist als am äußeren Leiter 14. Die Kapazität am Treiber, die Gasdichte und die Elektrodenlänge werden so eingestellt, dass gewährleistet ist, dass die Plasmaoberfläche vom Ende der mittleren Elektrode abgetrieben wird, während sich der Strom seinem Maximalwert nähert.
  • Wenn das Plasma vom Ende des mittleren Leiters abgetrieben ist, wird die Plasmaoberfläche nach innen gedrückt. Das Plasma bildet die Form eines Schirms oder einer Wasserfontäne. Der durch die Plasmasäule fließende Strom unmittelbar neben der Spitze des mittleren Leiters erzeugt einen Einlassdruck, der das Plasma nach innen pincht, bis der Plasmadruck ein Gleichgewicht mit dem einwärts gerichteten Magnetdruck erreicht.
  • Mit dieser Technik können Temperaturen von mehr als dem 100-fachen der Sonnenoberfläche am Pinch erzielt werden. Die Strahlungsintensität bei einer bestimmten Wellenlänge wird in Watt/Meter2/Hertz angegeben und variiert in Abhängigkeit von der Frequenz oder Wellenlänge der Strahlung, der Temperatur und dem Emissionsvermögen. Das Emissionsvermögen ist eine Funktion, die einen Maximalwert von eins hat, und es ist wichtig, ein Gas zu wählen, das bei der gewünschten Ausgangsfrequenz/wellenlänge ein maximales Emissionsvermögen hat. Für den Fall von Strahlung mit einer Wellenlänge von 13 nm wird die Strahlung dann am effizientesten erzeugt, wenn die Temperatur am Pinch 500.000°K beträgt, und die beste Wahl von Gasen zum Erzeugen dieser Frequenz sind Xenon und Lithiumdampf. Wenn Xenon verwendet wird, dann muss es auf die unmittelbare Nähe der Pinch-Stelle beschränkt werden, weil es bei dieser Wellenlänge so absorptiv ist. Für eine illustrative Ausgestaltung wurde der Kern des mittleren Leiters mit Lithium gefüllt, das vom Pinch vaporisiert und kontinuierlich von hinten ersetzt wird. Die Säule 16 wird mit Argon oder Helium mit einem Statikdruck von etwa 1 Torr gefüllt, wobei Helium bevorzugt wird. Was die Triebwerksausgestaltungen betrifft, so erfordern diese, dass die gesamte Strahlungsquelle 90 in einer nahezu luftleeren Umgebung gehalten wird, und dies ist ferner deshalb erforderlich, weil Strahlung im EUV-Band leicht absorbiert wird und nicht für nützliche Arbeiten in einer anderen als einer nahezu luftleeren Umgebung genutzt werden kann. Da Treibstoffeffizienz für diese Ausgestaltung nicht so wesentlich ist, kann es für jeden Ventilzyklus einen einzelnen Strahlungsburst geben, oder die Ventilzyklusdauer und die Zahl der Impulse/Bursts können so gewählt werden, dass die Strahlung für eine gewünschte Dauer erzielt wird.
  • Es wurden zwar oben Parameter zum Erzeugen von Strahlung bei 13 nm erörtert, aber auch Strahlung bei anderen Wellenlängen innerhalb des EUV-Bands kann durch Regulieren verschiedener Parameter der Strahlungsquelle 90 und insbesondere durch eine sorgfältige Wahl des verwendeten Gases, des maximalen Stroms von der Hochspannungsquelle, der Plasmatemperatur im Pinch-Bereich und dem Gasdruck in der Säule erzielt werden.
  • Während viele verschiedene Gase für die oben beschriebenen Plasmakanonen zum Einsatz kommen können, werden Inertgase wie Argon und Xenon häufig bevorzugt. Es können auch andere Gase zum Einsatz kommen, wie z.B. Stickstoff, Hydrazin, Helium, Wasserstoff, Neon und wenigstens für die 13 nm Strahlungsquelle – Lithiumdampf. Es könnten auch andere Gase verwendet werden, um gewählte EUV-Wellenlängen zu erzielen, wobei die Plasmakanone als Strahlungsquelle verwendet wird.
  • Es wurden zwar oben verschiedene Ausgestaltungen erörtert, aber es ist offensichtlich, dass diese Ausgestaltungen lediglich beispielhaft sind und die Erfindung nicht beschränken sollen. So sind beispielsweise die illustrierten Treiber für die Anwendungen vorteilhaft, aber es können auch andere Hoch-PRF-Treiber mit geeigneter Spannung und geeigneten Anstiegszeiten verwendet werden, die keine Hochspannungsumschaltung benötigen. Ebenso wurden zwar verschiedene Plasmaeinleitungsmechanismen beschrieben, wobei der Elektroden-Trigger bevorzugt wird, aber es könnten auch andere Methoden zum Einleiten eines Plasmadurchbruchs in geeigneten Anwendungen zum Einsatz kommen. Auch die für die Plasmakanone angegebenen Konfigurationen der Elektroden und der Anwendungen sind lediglich illustrativ zu verstehen. Somit wurde zwar die Erfindung oben mit Bezug auf bevorzugte Ausgestaltungen speziell dargestellt und beschrieben, aber die Fachperson kann die obigen und andere Änderungen im Hinblick auf Details vornehmen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, und die Erfindung ist lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt.

Claims (30)

  1. Plasmakanone, die Folgendes umfasst: eine mittlere Elektrode (12); eine äußere Elektrode (14), die im Wesentlichen koaxial zu der mittleren Elektrode (12) ist; Mittel (22, 24, 26) zum Halten der Elektroden (12, 14) in jeweiligen Positionen und zum Isolieren der Elektroden (12, 14) voneinander; einen Einlassmechanismus (60, 70, 72) zum Einleiten eines gewählten Gases in die Plasmakanone; und einen Impulstreiber (34, 45), der mit den Elektroden (12, 14) gekoppelt ist und bei Plasmaeinleitung zum Anlegen eines Hochspannungsimpulses über die Elektroden (12, 14) aktiviert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12, 14) koaxial dazwischen einen säulenartigen Raum (16) definieren, der ein offenes Austrittsende und ein geschlossenes Basisende hat, wobei das Basisende von dem genannten Mittel (22, 24, 26) definiert wird, um die Elektroden (12, 14) in jeweiligen Positionen zu halten und um die Elektroden (12, 14) voneinander zu isolieren; wobei der Einlassmechanismus (60, 70, 72) die Aufgabe hat, das genannte Gas in den säulenförmigen Raum (16) einzuleiten; wobei der Impulstreiber (34, 45) ein Festkörperimpulstreiber mit hoher Wiederholrate ist; und wobei ein Plasmainitiator (74, 82) am geschlossenen Basisende des säulenförmigen Raums (16) vorgesehen ist, so dass sich das Plasma beim Betrieb von dem genannten geschlossenen Basisende aus dem Austrittsende des säulenförmigen Raums (16) ausdehnt.
  2. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei beim Gebrauch die Spannung jedes der genannten Impulse über die Dauer des Impulses abnimmt, und wobei die Impulsspannung und die Elektrodenlänge derart sind, dass die Spannung über die Elektroden (12, 14) einen Wert von im Wesentlichen null erreicht, wenn das Plasma den säulenförmigen Raum (16) verlässt.
  3. Plasmakanone nach Anspruch 2, wobei der genannte Einlassmechanismus (60, 70, 72) die Aufgabe hat, das gewählte Gas am Basisende des säulenförmigen Raums (16) zuzuführen.
  4. Plasmakanone nach Anspruch 3, wobei der genannte Einlassmechanismus (60, 70, 72) die Aufgabe hat, das Gas radial von der genannten mittleren Elektrode (12) einzuleiten, so dass die Gleichförmigkeit der Plasmageschwindigkeit über den säulenförmigen Raum (16) erhöht wird.
  5. Plasmakanone nach Anspruch 2, wobei der Impulstreiber (34, 45) und die Länge des säulenförmigen Raums (16) derart sind, dass das den säulenförmigen Raum (16) verlassende Plasma mit Austrittsgeschwindigkeiten im Bereich von etwa 10.000 bis 100.000 Metern pro Sekunde austritt.
  6. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei eine (14) der genannten Elektroden (12, 14) als Kathodenelektrode fungiert und wobei der genannte Plasmainitiator (74, 82) wenigstens ein Loch (74) aufweist, das durch ein Ende der genannten Kathodenelektrode (14) neben dem genannten Basisende ausgebildet ist.
  7. Plasmakanone nach Anspruch 6, wobei der genannte Plasmainitiator eine Mehrzahl der genannten Löcher (74) aufweist, die durch das genannte Basisende der Kathodenelektrode ausgebildet sind, und wobei der genannte Einlassmechanismus (60, 70, 72) einen Einlass (72) zum Einleiten des genannten gewählten Gases in wenigstens gewählte der genannten Löcher (74) aufweist.
  8. Plasmakanone nach Anspruch 7, wobei der Plasmainitiator (74, 82) eine Trigger-Elektrode (82) aufweist, die in wenigstens gewählten der genannten Löcher (74) montiert sind, wobei die Elektroden (82) zum Einleiten des Plasmas aktiviert werden.
  9. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei der genannte Plasmainitiator (74, 82) wenigstens eine Trigger-Elektrode (82) aufweist, die an dem genannten Basisende montiert ist, wobei diese Elektrode 182) zum Einleiten des Plasmas aktiviert wird.
  10. Plasmakanone nach Anspruch 9, wobei eine Mehrzahl der genannten Trigger-Elektroden (82) im Wesentlichen gleichmäßig um das genannte Basisende herum beabstandet sind, wobei die Elektroden (82) im Wesentlichen gleichzeitig aktiviert werden, um gleichmäßige Einleitungen des Plasmas an dem genannten Basisende zu erzielen.
  11. Plasmakanone nach Anspruch 9, wobei wenigstens eine Trigger-Elektrode (82) außerhalb, aber dicht neben, dem genannten säulenförmigen Raum (15) montiert ist.
  12. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei der genannte Einlassmechanismus (60, 70, 72) ein Impulsventil (80) aufweist und wobei der Impulstreiber (34, 45) und der Plasmainitiator (74, 82) für jede Betätigung des genannten Impulsventils (60) eine gewählte Anzahl von Malen betätigt werden.
  13. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei beim Gebrauch ein Strom für jeden Spannungsimpuls vorhanden ist, der zunächst bis auf einen Maximalwert zunimmt und dann über die Dauer des Impulses auf null zurückgeht, und wobei die Impulsspannung und die Elektrodenlängen derart sind, dass der Strom für jeden Impuls im Wesentlichen auf seinem Maximalwert ist, wenn das Plasma aus dem säulenförmigen Raum (16) austritt.
  14. Plasmakanone nach Anspruch 13, wobei die genannte äußere Elektrode (14) eine Kathodenelektrode (14) ist und die Form einer Mehrzahl von im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten, in einem Kreis angeordneten Stäben hat.
  15. Plasmakanone nach Anspruch 13, wobei der Einlassmechanismus (60, 70, 72) eine im Wesentlichen gleichförmige Gasfüllung in dem säulenförmigen Raum (16) bereitstellt, die dazu führt, dass das Plasma zunächst von der mittleren Elektrode (12) weg getrieben wird, wobei das Plasma magnetisch eingesperrt wird, während es den säulenförmigen Raum (16) verlässt, so dass das Plasma auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der thermische Strahlung mit einer gewünschten Wellenlänge erzeugt wird.
  16. Plasmakanone nach Anspruch 15, wobei die gewünschte Wellenlänge beim Gebrauch im Bereich von etwa 13 nm liegt, wobei das genannte gewählte Gas Xenon- und/oder Lithiumdampf ist und wobei die Plasmatemperatur im Bereich der magnetischen Einsperrung im Bereich von etwa 500.000°K liegt.
  17. Plasmakanone nach Anspruch 15, wobei die genannte gewünschte Wellenlänge beim Gebrauch im EUV-Band zwischen etwa 1 nm und 100 nm liegt und wobei die Plasmatemperatur des gewählten Gases bei Hochspannungsstrom im Einsperrbereich und der Gasdruck im säulenförmigen Raum (16) so gewählt werden, dass Strahlung mit der genannten gewünschten Wellenlänge entsteht.
  18. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei der genannte Impulstreiber (34, 45) beim Gebrauch Impulse mit einer Spannung zuführt, die wenigstens gleich der Paschen-Mindestdurchbruchspannung für die Kanone mit schnellen Anstiegszeiten ist.
  19. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei der genannte Impulstreiber (34, 45) eine Gleichstrompotentialquelle (24), einen DC-DC-Inverter (34) und ein von dem Inverter (34) gespeistes Energiespeichermedium aufweist, wobei das Speichermedium (52) über die genannten Elektroden (12, 14) entlädt, wenn das Plasma eingeleitet wird.
  20. Plasmakanone nach Anspruch 19, wobei der genannte Plasmainitiator (74) beim Gebrauch anspricht, wenn eine gewählte Energie/Spannung in dem genannten Energiespeichermedium (52) gespeichert ist.
  21. Plasmakanone nach Anspruch 19, wobei das genannte Speichermedium (52) Teil von wenigstens einem nichtlinearen Magnetimpulskompressor (45) ist.
  22. Plasmakanone nach Anspruch 19, wobei der genannte DC-DC-Wandler (34) von den Elektroden (12, 14) reflektierte Abenergie für den Gebrauch beim nächsten Hochspannungsimpuls zurückgewinnt und speichert.
  23. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei das gewählte Gas beim Gebrauch Argon, Xenon, Stickstoff, Hydrazin, Lithiumdampf, Helium, Wasserstoff oder Neon sein kann.
  24. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei beim Gebrauch ein solcher niedriger Druck im säulenförmigen Raum (16) vorhanden ist, dass ein Durchbruch auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve für eine Plasmaeinleitung erfolgt.
  25. Plasmakanone nach Anspruch 24, wobei die genannte Plasmakanone in einer Umgebung mit einem Umgebungsdruck enthalten ist, die etwa 1 Torr nicht übersteigt.
  26. Plasmakanone nach Anspruch 1, wobei der genannte Impulstreiber (34, 45) und der genannte Plasmainitiator (79) eine solche PRF haben, dass die PRF der genannten Kanone über etwa 100 Hz liegt.
  27. Plasmakanone nach Anspruch 26, wobei die Plasmakanone eine PRF im Bereich von etwa 500 Hz bis 5000 Hz hat.
  28. Plasmakanone nach Anspruch 15, wobei beim Gebrauch die Plasmatemperatur des gewählten Gases bei Hochspannungsstrom im Einsperrbereich und der Gasdruck im säulenförmigen Raum (16) so gewählt werden, dass Strahlung mit der genannten gewünschten Wellenlänge erzeugt wird.
  29. Verfahren zur Verwendung einer Plasmakanone nach Anspruch 1 als Hoch-PRF-Triebwerk zum Erzeugen eines gewählten Schubs in einer im Wesentlichen luftleeren Umgebung, umfassend die folgenden Schritte: (a) Einlassen eines gewählten Gases in das Basisende des genannten Raums (16) mit einem Ventil; (b) Laden eines Festkörperimpulstreibers (34, 45) mit hoher Wiederholrate auf eine gewählte hohe Spannung, wobei die genannte Spannung über die Elektroden (12, 14) angelegt wird; (c) Einleiten eines Plasmadurchbruchs an dem genannten Basisende, wenn der genannte Treiber (34, 45) im Wesentlichen auf der genannten gewählten Spannung ist, wobei das Plasma sich vom Basisende des genannten Raums (16) ausbreitet und aus dem Austrittsende des genannten Raums (16) mit hoher Austrittsgeschwindigkeit abgelassen wird, die im Wesentlichen mit der völlig entladenen Ladung übereinstimmt; und (d) Wiederholen der Schritte (b) und (c) mit hoher PRF, bis der genannte gewählte Schub erreicht ist.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, das den Schritt des Beendens des Ventileinlassschrittes beinhaltet, wenn eine Menge des gewählten Gases in den genannten Raum (16) eingeleitet wurde, die ausreicht, um den gewählten Schub zu erreichen.
DE69835020T 1997-04-28 1998-04-28 Plasmabrenner und verwendungsverfahren dieses plasmabrenners Expired - Lifetime DE69835020T2 (de)

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US08/847,434 US5866871A (en) 1997-04-28 1997-04-28 Plasma gun and methods for the use thereof
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