DE69902589T2

DE69902589T2 - Magnetfeldgestaltung in ionenbeschleunigern mit geschlossener elektronenlaufbahn

Info

Publication number: DE69902589T2
Application number: DE69902589T
Authority: DE
Inventors: S. Aadland; H. De Grys; Q. King; L. Tilley; W. Voigt
Original assignee: General Dynamics OTS Aerospace Inc
Current assignee: Aerojet Rocketdyne Inc
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2019-06-04
Also published as: IL139487A0; DE69902589D1; EP1082540B1; JP4294867B2; EP1082540A2; WO1999063221A3; IL139487A; AU4818699A; JP2002517661A; WO1999063221A2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum "Konfigurieren" des magnetischen Feldes in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss, dass heißt, auf ein System zum Steuern des Verlaufs der magnetischen Feldlinien und der Stärke des magnetischen Feldes in einer Längsrichtung des Beschleunigers, insbesondere im Bereich des Ionenaustrittsendes.

Stand der Technik

Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss, die auch als "Hall effect thrusters" (Halleffekttriebwerke) (HET) bekannt sind, werden als Quelle gerichteter Ionen in der plasmagestützten Produktion und für den Antrieb von Raumfahrzeugen verwendet. Repräsentative Anwendungen in der Raumfahrt sind: (1) Änderung der Umlaufbahn von Raumfahrzeugen von einer Höhe oder Bahnneigung auf eine andere; (2) Kompensation der Bremswirkung der Atmosphäre; und (3) "Orbitsteuerung", wobei der Antrieb genutzt wird, um der natürlichen Drift der Orbitalposition infolge der Wirkung des Sonnenwindes und des Monddurchgangs entgegenzuwirken. Halleffekttriebwerke erzeugen eine Antriebswirkung, indem sie einer ringförmigen Gasaustrittsfläche ein Treibgas zuführen. Eine derartige Kammer weist ein geschlossenes Ende auf, an dem sich eine Anode befindet und ein offenes Ende, durch welches das Gas austritt. Freie Elektronen werden dem Bereich der Austrittsfläche aus einer Kathode zugeführt. Die Elektronen werden so induziert, dass sie in der ringförmigen Gasaustrittsfläche auf einer Kreisbahn driften, mit Hilfe eines im Allgemeinen radial ausgerichteten Magnetfeldes in Kombination mit einem in Längsrichtung wirkenden elektrischen Feld. Die Elektronen stoßen mit den Atomen des Treibgases zusammen und erzeugen Ionen, die in Richtung zum Ausgang durch das elektrische Feld in Längsrichtung beschleunigt werden. Dadurch wird die Rückstoßkraft erzeugt, die das Raumfahrzeug antreibt, siehe zum Beispiel WO 97/37517, veröffentlicht am 9. Oktober 1997.
Es ist seit längerer Zeit bekannt, dass der Gradient der magnetischen Flussdichte in Längsrichtung einen wichtigen Einfluss auf die Betriebsparameter von Halleffekttriebwerken ausübt, zum Beispiel auf die Anwesenheit oder Abwesenheit turbulenter Schwingungen, auf Wechselwirkungen zwischen dem Ionenstrom und den Wänden des Triebwerks, auf die Strahlfokussierung und/oder -divergenz, und so weiter. Derartige Wirkungen sind über lange Zeit erforscht worden. Siehe, zum Beispiel Morozov et al. "Plasma Accelerator With Closed Electron Drift and Extended Acceleration Zone", Soviet Physics-Technical Physics, Vol. 17, No. 1, Seiten 38-45 (Juli 1972); und Morozov et al. "Effect of the Magnetic Field on a Closed-Electron-Drift Accelerator", Soviet Physics-Technical Physics, Vol. 17, No. 3, Seiten 482-487 (September 1972). Es wird allgemein anerkannt, dass die Arbeiten von Professor Morozov und seinen Kollegen die Vorteile der Bereitstellung eines radialen magnetischen Feldes, mit von der Anode in Richtung zum Austrittsende des Beschleunigers ansteigender Feldstärke begründet haben. Zum Beispiel charakterisiert H. R. Kaufman in seinem Aufsatz "Technology of Closed-Drift Thrusters", AIAA Journal, Vol.23, No.1, Seiten 78-87 (Juli 1983) die Arbeiten von Morozov et al. wie folgt:
Der Wirkungsgrad eines langen Beschleunigungskanals wird dadurch verbessert, dass ein größerer Teil des gesamten magnetischen Feldes in der Nähe der Austrittsebene konzentriert wird, wodurch die Länge des Kanals praktisch verkürzt wird. Eine andere, möglicherweise gleichwertige Interpretation ist, dass die in einem weiter stromaufwärts liegenden Teil eines langen Kanals erzeugten Ionen möglicherweise eine geringere Chance haben, zu entweichen, ohne die Kanalwände zu berühren. Die Verdichtung des Magnetfeldes am stromaufwärts liegenden Ende des Kanals sollte deshalb erwartungsgemäß die Erzeugung der Ionen weiter stromaufwärts konzentrieren, was eine Verringerung des elektrischen Wirkungsgrades zur Folge hat.
Derselbe Verfasser, Seiten 82-83. Für experimentelle Zwecke erzeugten Morozov et al. unterschiedliche Profile des radialen magnetischen Feldes, indem sie den Strom in den Spulen separater Elektromagnete regelten. Für eine gegebene magnetische Quelle (Elektromagnet oder Permanentmagneten) gibt es weitere Möglichkeiten zur Beeinflussung des Profils des magnetischen Feldes, durch Konfigurieren der physikalischen Parameter der magnetisch durchlässigen Elemente im magnetischen Kreis (zum Beispiel Anordnen und Konzentrieren der magnetisch durchlässigen Elemente am Austrittsende des Beschleunigers) und durch magnetische "Abschirmung" oder Nebenschlüsse, die zwischen der Quelle, beziehungsweise den Quellen des magnetischen Feldes und Flächen, in denen eine geringere magnetische Feldstärke erwünscht ist, zum Beispiel in der Nähe der Anode, eingebracht werden. Zum Beispiel beschreiben Gavryushin und Kim in ihrem Aufsatz unter dem Titel "Effect of the Characteristics of a Magnetic Field on the Parameters of an Ion Current at the Output of an Accelerator with Closed Electron Drift", Sov. Phys. Tech. Phys., Vol. 26, No. 4, (April 1981) ein Verändern des Gradienten der magnetischen Feldstärke in Längsrichtung durch Variieren des Grades der Abschirmung des Beschleunigerkanals. Ihre Schlussfolgerung war, dass die Kennwerte des magnetischen Feldes im Beschleunigerkanal einen signifikanten Einfluss auf die Divergenz des Ionenplasmastromes haben.
Es scheint gegenwärtig unumstritten zu sein, dass der Gradient der magnetischen Feldstärke in Längsrichtung in Halleffekttriebwerken wichtig ist und dass es wünschenswert ist, das magnetische Feld in der Austrittsebene oder in deren Nähe zu konzentrieren oder zu verstärken, im Vergleich mit der magnetischen Feldstärke weiter stromaufwärts.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein verbessertes System zum Konfigurieren des magnetischen Feldes in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss (Halleffekttriebwerk oder HET) bereit. Es wird ein speziell bemessener magnetischer Nebenschluss, der als "magnetischer Nebenschlusskäfig" bezeichnet wird, bereitgestellt, der die Anodenregion und / oder die ringförmige Gasaustrittsfläche des Triebwerks sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite der zylinderförmigen Wand umschließt. Die Mantelflächen des "magnetischen Nebenschlusskäfigs" sind hinter der Anode verbunden. Ursprünglich war der Käfig als ein vollwandiger Drehkörper mit u-förmigem Querschnitt ausgebildet, wobei dessen Innen- und Außenseiten den Anodenbereich des Triebwerks im Wesentlichen vollständig umschlossen. Es wurde nachgewiesen, dass diese Konstruktion wirkungsvoll war, um den axialen Gradienten der magnetischen Feldstärke steiler zu machen und die Zone, in der Ionen erzeugt wurden, stromabwärts zu verschieben, wie durch Messungen des Erosionsprofils an den keramischen Isolatoren, die an das Austrittsende des Triebwerks grenzen, bestätigt wurde. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der magnetische Nebenschlusskäfig jedoch große Öffnungen in den inneren und äußeren Mantelflächen auf. Die offenen Flächenbereiche können den Hauptteil sowohl der inneren als auch der äußeren Mantelflächen ausmachen, daher kommt die Bezeichnung "Käfig". Der magnetische Nebenschlusskäfig ähnelt dann über den Umfang verteilten, sich in Längsrichtung erstreckenden Seitenstäben, die am geschlossenen Ende (hinter der Anode) und am Austrittsende durch Ringe miteinander verbunden sind. Bei dieser Konstruktion hat sich gezeigt, dass die gewünschten Konturen des magnetischen Feldes mit einer wesentlich geringeren erforderlichen magnetischen Gesamt-Koerzitivkraft erzielt werden können. Aus diesem Grunde kommen die Elektromagnete mit einer geringeren Amperewindungszahl aus sowie mit leichteren Kernen und selbsttragenden Bauelementen, und die Verringerung der Masse setzt die Anforderungen an die selbsttragenden Bauelemente des Triebwerks selbst herab. In Systemen, bei denen Permanentmagnete eingesetzt werden, können kleinere und leichtere Magnete verwendet werden. Ein weiteres Merkmal der Käfigkonstruktion ist, dass der Konstrukteur die Kontrolle über die Form der magnetischen Feldvektoren in der Ionenentladungsfläche hat. So kann ein vollwandiger Nebenschluss zum Beispiel Äquipotentiallinien mit steilen Winkeln relativ zur Mittellinie der Gasaustrittsfläche erzeugen. Das Ergebnis ist, dass der Ionenstrahl "überfokussiert" sein kann, das heißt, dass Ionen an den inneren und äußeren Seiten stärker zur Mittellinie des Zentralkanals gerichtet sind, als dies für maximalen Wirkungsgrad erwünscht ist. Große offene Flächen im Käfig erlauben auch eine Strahlungskühlung des Triebwerks, wodurch die Notwendigkeit für den Einsatz voluminöser thermischer Brücken zum Abführen der Wärme aus dem Kern des Triebwerks heraus, reduziert oder eliminiert wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Magnetpole am Austrittsende des Halleffekttriebwerks mit einem isolierenden Material überzogen, was die Formgebung des magnetischen Feldes mit dem Ziel eines höheren Wirkungsgrades und einer längeren Lebensdauer weiter verbessert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die oben genannten Aspekte und zahlreiche der damit verbundenen Vorteile der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung anhand der Zeichnungen besser ersichtlich, auf denen folgendes dargestellt ist:
Fig. 1 ist eine teilweise schematische, perspektivische Draufsicht auf ein Austrittsende eines Ionenbeschleunigers mit geschlossenem Elektronenfluss, eines für die Erfindung repräsentativen Typs;
Fig. 2 ist ein teilweise schematischer Längsschnitt entlang der Linie 2--2 auf Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das den Einfluss eines magnetischen Nebenschlusses auf den Verlauf des magnetischen Feldes in einem Beschleuniger des Typs zeigt, wie er für die Erfindung repräsentativ ist;
Fig. 4 ist eine vergrößerte, schematische Teilschnittansicht des Ionenaustrittsendes in einem Beschleuniger des erfindungsgemäßen Typs;
Fig. 5A ist eine perspektivische Draufsicht auf die Rückseite eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen magnetischen Nebenschlusskäfigs, für die Verwendung in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss;
Fig. 5B ist eine perspektivische Draufsicht auf die Rückseite eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen magnetischen Nebenschlusskäfigs für die Verwendung in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss;
Fig. 5C ist eine perspektivische Draufsicht auf die Rückseite eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen magnetischen Nebenschlusskäfigs für die Verwendung in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss;
Fig. 5D ist eine perspektivische Draufsicht auf die Rückseite eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen magnetischen Nebenschlusskäfigs für die Verwendung in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss;
Fig. 6 ist eine sehr schematische Teilschnittansicht eines Beschleunigers mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Nebenschlusskäfig;
Fig. 7 ist eine schematische Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Beschleunigers, zur Veranschaulichung der magnetischen Feldlinien und Weglängen;
Fig. 8 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungen unterschiedlicher Nebenschlussbauteile auf die magnetische Feldstärke und den Feldverlauf in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss;
Fig. 9 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Winkel der magnetischen Feldvektoren für unterschiedliche Nebenschlussbauteile in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss;
Fig. 10 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungen unterschiedlicher Nebenschlussbauteile auf die magnetische Feldstärke und den Verlauf des magnetischen Feldes in einem Ionenbeschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss; und
Fig. 11, 12 und 13 sind entsprechende schematische Teilschnittansichten eines erfindungsgemäßen Beschleunigers zur Veranschaulichung der magnetischen und elektrischen Feldlinien und Weglängen.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 veranschaulicht ein repräsentatives erfindungsgemäßes Halleffekttriebwerk (HET), wie es für den Antrieb von Raumfahrzeugen konfiguriert werden kann. HET 10 wird von einer am Raumfahrzeug befestigten Montagekonsole 11 gehalten. Von außen sind nur wenige Einzelheiten des Halleffekttriebwerks erkennbar, obwohl die, Elektronen emittierende Kathode 12, das Austrittsende 14 der ringförmigen Gasaustrittsfläche 16 und die äußeren Elektromagnete 18 auf dieser Darstellung zu erkennen sind. Wie dies im Einzelnen noch beschrieben wird, wird der Antrieb durch die aus der ringförmigen Gasaustrittsfläche 16 nach draußen, in Richtung auf den Betrachter und nach rechts beschleunigten Ionen erzeugt, wie dies auf Fig. 1 dargestellt ist.
Weitere Einzelheiten sind auf der Schnittansicht von Fig. 2 zu erkennen. Die endlose ringförmige Ionenerzeugungs- und Gasaustrittsfläche 16 wird zwischen einem äußeren Keramikring 20 und einem inneren Keramikring 22 gebildet. Die Keramik ist elektrisch isolierend und widerstandsfähig, massearm und beständig gegen Erosion. Es ist erstrebenswert, ein im Wesentlichen radial gerichtetes magnetische Feld in der Gasaustrittsfläche zu erzeugen, zwischen einem äußeren ferromagnetischen Pol24 und einem inneren ferromagnetischen Pol 26. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird dies durch die äußeren Elektromagnete 18, mit Windungen 28 auf Wickelkörpern 30, mit darin befindlichen ferromagnetischen Kernen 32 erreicht. Am Austrittsende des. Beschleunigers sind die Kerne 32 mit dem äußeren magnetischen Pol 24 magnetisch gekoppelt. An der Rückseite oder dem geschlossenen Ende des Beschleunigers sind die Kerne 32 mit einer ferromagnetischen Rückplatte 34 magnetisch gekoppelt, die mit einem ferromagnetischen Zentralkern oder Schaft 36 magnetisch gekoppelt ist. Schaft 36 ist mit dem inneren magnetischen Pol 26 magnetisch gekoppelt. Diese Elemente bilden einen geschlossenen magnetischen Weg, vom äußeren magnetischen Pol 24 zum inneren magnetischen Pol 26, und sie sind so ausgelegt, dass der magnetische Fluss mehr oder weniger im Austrittsende der ringförmigen Gasaustrittsfläche 16 konzentriert wird. Ein zusätzlicher Magnetfluss kann mit Hilfe eines inneren Elektromagneten bereitgestellt werden, der Windungen 38 um den zentrischen Kern 36 aufweist.
Abstützmittel werden durch ein externes selbsttragendes Bauelement 39 aus isolierendem und nichtmagnetischen Material bereitgestellt, das zwischen dem äußeren Keramikring 20 und dem äußeren Pol 24 an einem Ende und der Rückplatte 34 am anderen Ende eine Brücke bildet. Ein ähnliches, innenliegendes selbsttragendes Bauelement 40 erstreckt sich durchgängig zwischen dem inneren Ring 22 und der Rückplatte 34. Eine Tellerfeder 41 ist zwischen den rückseitigen Enden der selbsttragenden Bauelemente 39 und 40 und der Rückplatte 34 eingebracht, hauptsächlich, um die temperaturbedingte Ausdehnung und Kontraktion des gesamten Triebwerkrahmens zu ermöglichen.
Kathode 12, die schematisch auf Fig. 2 dargestellt ist, ist elektrisch mit der Anode 42 des Beschleunigers verbunden, die stromaufwärts vom Austrittsende der ringförmigen Gasaustrittsfläche 16, die zwischen den äußeren und inneren keramischen Ringen 20 und 22 definiert ist, angeordnet ist. Das elektrische Potential zwischen Kathode 12 und Anode 42 wird von der Stromversorgung und der Steuerelektronik 44 bereitgestellt, wobei das Potential der Anode durch einen oder mehrere elektrisch leitende Stäbe 46 zugeführt wird, welche sich durch die Rückplatte 34 des Halleffekttriebwerks 10 erstrecken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Anode aus elektrisch leitfähigen inneren und äußeren Wänden 48 und 50 und einem ringförmigen vorspringenden Teil 52 zwischen den inneren und äußeren Wänden. Die Spitze des vorspringenden Teils ragt stromabwärts bis in die Nähe der stromaufwärts liegenden Kanten der Austrittsringe 20 und 22.
An der Rückseite der Anode befinden sich eine oder mehrere Gasverteilungskammern 54. Das Antriebsgas, zum Beispiel Xenon, wird aus einem Gasversorgungssystem 56 durch eine oder mehrere Versorgungsleitungen 58 in die Kammern 54 geleitet. Vorzugsweise ist eine Reihe kleiner Öffnungen in einem Leitblech zwischen den vorderen und hinteren Gasverteilungskammern vorgesehen und zwischen der vorderen Kammer und einer Reihe von im Allgemeinen radial erweiterten Gasversorgungsöffnungen 60, damit der Gasstrom an den gegenüberliegenden Seiten des vorspringenden Teils 52 der Anode entlang in Richtung zur Gasaustrittsfläche 16 austreten kann.
Wie dies nachfolgend im Detail noch beschrieben wird, ist erfindungsgemäß ein magnetisch hochpermeables Element vorgesehen, ein speziell konstruiertes Bauteil 61 zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses, das sowohl eine kreisförmige Mantelfläche innerhalb der inneren Anodenwand 48 und außerhalb der äußeren Anodenwand 50 als auch einen hinteren Teil oder ein Netz hinter der Anode 42 aufweist, um die inneren und äußeren Mantelflächen des Bauteils zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses zu verbinden.
Im Allgemeinen werden die Elektronen von der Kathode 12 zur Gasaustrittsfläche 16 auf Grund der elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode 42 gezogen. Die Elektronen stoßen mit den Atomen des Antriebsgases zusammen und erzeugen Ionen und Sekundärelektronen. Die Sekundärelektronen wandern weiter zur Anode, und die Ionen werden in einem Strahl beschleunigt, der im Allgemeinen aus der Gasaustrittsfläche heraus gerichtet ist, wodurch eine Rückstoßkraft erzeugt wird, die genutzt werden kann, um ein Raumfahrzeug zu beschleunigen.
Das magnetische Feld zwischen den äußeren und den inneren Polen 24 und 26 hat einige wichtige Eigenheiten, dazu gehört die Steuerung des Verhaltens der Elektronen. Wenn die Elektronen von der Anode angezogen werden, führen sie eine komplizierte Bewegung aus, die sich im Wesentlichen aus einer Kreiselbewegung, einer Kreuzfelddrift und einer Ablenkung auf Grund zufälliger Zusammenstöße zusammensetzt. Die Elektronen gelten als im starken Maße magnetisiert, weil sie eine schraubenförmige Bewegung mit der sogenannten Gyrofrequenz ωb = qB/m ausführen, die viel höher ist, als die Häufigkeit der Zusammenstöße mit Wänden oder fremden Partikeln vc, wobei q die Ladung des Elektrons, B die Größe des magnetischen Feldes und m die Masse eines Elektrons ist. Der Quotient aus Gyrofrequenz und Häufigkeit der Zusammenstöße vc wird als Hallparameter β = ωb/vc bezeichnet. Dieser schraubenförmigen Bewegung ist eine Drift überlagert, die aus einer Kombination von sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Feldlinien herrührt. Diese Drift findet rechtwinklig zur Richtung des elektrischen Feldes und zur Richtung des magnetischen Feldes statt. Weil sich das elektrische Feld in Längsrichtung erstreckt und das magnetische Feld sich radial ausbreitet, wird die Drift in einer Richtung induziert, die gewöhnlich auf dem Kreisumfang innerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche 16 liegt. Der Elektronenstrom auf Grund dieser Drift, wird als Hall-Strom bezeichnet und er ist durch folgende Gleichung gegeben:
wobei ne die Elektronendichte, der elektrische Feldvektor und B der magnetische Feldvektor sind. Es kann gezeigt werden, dass der Elektronenstrom rechtwinklig zu B gleich
ist, dabei sind ue die skalare Elektronenbeweglichkeit und P der Elektronendruck. Der Quotient aus dem Hallstrom und dem dazu im rechten Winkel fließenden Strom kann dargestellt werden als: jh/j = β. Das elektrische Feld ist bei dieser Einrichtung generell im rechten Winkel zum magnetischen Feld ausgerichtet. Dies hat seine Ursache darin, dass die Mobilität der Elektronen in den Richtungen parallel zum magnetischen Feld im Verhältnis zur Mobilität im rechten Winkel zum magnetischen Feld unterschiedlich ist. Die Bewegung der Elektronen parallel zum magnetischen Feld ist unbehindert und vor Zusammenstößen und elektrischen Feldkräften sicher. Die rechtwinklige Bewegung ist auf eine gyromagnetische Umlaufbahn beschränkt, abgelenkt durch selten auftretende Zusammenstöße. Im Resultat ist das Verhältnis der parallelen Mobilität zur rechtwinkligen Mobilität gleich
wodurch für β = 100 Potentialschwankungen in der Richtung des magnetischen Feldes wirksam kurzgeschlossen werden. Aus diesem Grunde haben die Kurven, die das magnetische Feld definieren, annähernd einen äquipotentialen Verlauf. Somit verläuft das elektrische Feld in Hall-Beschleunigern praktisch rechtwinklig zum magnetischen Feld.
Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Einheitlichkeit der Dichte und des Magnetfeldes in Richtung der Driftgeschwindigkeit. Für einen Kreisbeschleuniger, ist dies die azimuthale Richtung, das heißt, sie hat in der Gasaustrittsfläche 16 generell einen kreisförmigen Verlauf Fluktuationen in der neutralen Dichte haben Schwankungen der Elektronendichte zur Folge. Weil der Hallstrom Bereiche schwankender Dichte passiert, werden Elektronen beschleunigt und abgebremst, die Bewegung durch das magnetische Feld wird verstärkt. Dies hat eine effektive Sättigung der Hallparameter zur Folge. Schwankungen der magnetischen Feldstärke in Richtung der Drift haben eine ähnliche Wirkung. Zum Beispiel kann eine Schwankung der Elektronendichte um 5% zur Folge haben, dass der wirksame Hallparameter auf einen Höchstwert von etwa 20 begrenzt ist.
Die magnetische Feldstärke wird so justiert, dass die Länge des Elektronen-Gyroradius rg = ν /ωb, die auch als Larmor-Radius bekannt ist, kleiner als die radiale Breite ΔR der Gasaustrittsfläche 16 ist, dabei ist ν die Geschwindigkeitskomponente der Elektronen rechtwinklig zum magnetischen Feld. Der Gyroradius der Ionen ist um den Quotienten aus Ionenmasse zu Elektronenmasse größer, ein Faktor von einigen tausend. Aus diesem Grunde ist der Radius der Krümmung der Ionenbahn groß, im Vergleich zu den Abmessungen der Vorrichtung und die Ionen werden von der Anode weg beschleunigt, relativ unbeeinflusst durch das magnetische Feld.
Das magnetische Feld formt das elektrische Potential, das seinerseits wiederum die Beschleunigung der Teilchen beeinflusst. Eine konkave Form (entgegen der Strömungsrichtung) und eine konvexe Form (in Strömungsrichtung) hat linsenähnliche Eigenschaften, die den Ionenstrahl fokussieren, beziehungsweise defokussieren. Insbesondere tendieren die Elektronen dazu, in einer Richtung beschleunigt zu werden, die rechtwinklig zu einer Tangente an eine Äquipotentiallinie liegt. Falls diese Linie konvex ist, wenn man sie von stromaufwärts in Strömungsrichtung (stromabwärts) sieht, werden Ionen in Richtung zum Zentrum der Gasaustrittsfläche hin beschleunigt, und es tritt eine fokussierende Wirkung auf. Mit solchen fokussierenden Eigenschaften wird dieses Merkmal des magnetischen Systems als Plasmalinse bezeichnet.
Es gibt einen Zusammenhang zwischen der Größe des magnetischen Feldes, das in der Mitte zwischen den Isolatorringen 20 und 22 gemessen wird und der elektrischen Feldstärke. Es wurde postuliert, dass das elektrische Feld stark ist, wenn es in einem gewissen Abstand von der Anode beginnt, wo die magnetische Feldlinie in der Mitte des Kanals eine Stärke von B/Bmax = 0,6 aufweist. Dies kann als der Ort der Ionenbildung angesehen werden Siehe zum Beispiel Belan et al., Stationary Plasma Engines, NASA Technical Translation Report No. TT-21002, Oktober 1991, auf Seite 210.
Das allgemeine Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Erzeugung und die Entladung der Ionen von einer stationären magnetischen Feldlinie oder Kurve ausgeht, die ebenfalls einer Linie oder Kurve gleichen Potentials annähernd entspricht und dass durch Verschieben und Verformen dieser Kurve die Erzeugung der Ionen und der Ort ihrer Beschleunigung (und Richtung) beeinflusst werden können. So wurde zum Beispiel ein Triebwerk, dessen allgemeine Konstruktion auf Fig. 1 und 2 dargestellt ist, jedoch ohne das Bauteil 61 zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses, mit unterschiedlichen Formen und Positionen des zentralen Magnetpols betrieben. Durch Verschieben des zentralen Magnetpols in Strömungsrichtung, in bezug auf den äußeren Pol, fand man heraus, dass sich die Stelle der Erosion an den Austrittsringen 20 und 22 stromabwärts verschob. Dies bestätigte die Hypothese, dass die Stelle der Isolatorerosion durch Verschieben der magnetischen Feldlinien verschoben werden kann. Es stellte sich heraus, dass die magnetischen Feldlinien zwischen den Magnetpolen eine mittlere Neigung aufwiesen, welche die Ionen in Richtung auf die Mittellinie und den inneren Isolatorring ausrichtet, was durch den Ort der Erosion des inneren Isolatorrings, verglichen mit dem Ort der Erosion des äußeren Isolatorrings, bestätigt wurde. Nach Hinzufügen einer weiteren elektromagnetischen Spule um den mittleren Kern oder Kern 36, stellte sich heraus, dass sich das magnetische Feld justieren ließ, um die Neigung zu eliminieren. Dies wurde durch Kurzzeitprüfungen bestätigt, die aufzeigten, dass das Erosionsmuster der inneren und äußeren Isolatoren in axialer Richtung nivelliert würde, wenn die mittlere Spule verwendet wurde. Der Strombedarf der Elektromagnete wurde konstantgehalten, indem bei allen Elektromagneten die gleiche Gesamtzahl von Amperewindungen beibehalten wurde. Ein Verhältnis von 7 : 3 für die Gesamtzahl der Amperewindüngen der mittleren Spule zur Gesamtzahl der Amperewindungen der äußeren Spulen (alle vier äußeren Elektromagnete) eliminierte die Neigung, so dass beide, die inneren und die äußeren Isolatorringe, in Längsrichtung an der gleichen Stelle erodierten, ein anderes Verhältnis wäre jedoch für andere Geometrien, Materialien und Betriebsparameter des Triebwerks erforderlich. Auf jeden Fall war der erzeugte magnetische Gesamtfluss etwa derselbe, unabhängig davon, ob eine mittlere Spule benutzt wurde oder nicht.
Um die Entladung nennenswert in Strömungsrichtung zu verschieben, dies fand man heraus, ist eine beträchtliche Beeinflussung des magnetischen Feldes erforderlich. Erste Berechnungen hatten gezeigt, dass durch Hinzufügen eines u-förmigen Querschnitts, einer ringförmigen ferromagnetischen Hülle 61 um die Anode unter Einschluss der inneren und äußeren kreisförmigen Mantelflächen, der Magnetfluss an der Anodenregion vorbei und nach hinten gelenkt werden konnte. Die Bezeichnung "magnetischer Nebenschluss" wurde auf Grund dieser Charakteristik gewählt. Es stellte sich weiterhin heraus, dass sowohl die Linie der höchsten magnetischen Feldstärke (Bmax) in Strömungsrichtung verschoben wurde als auch die Lage der Linie einer gegebenen Verhältnisgröße dieser Feldstärke, zum Beispiel dem 0,6fachen, wo vereinbarungsgemäß die Erzeugung von Ionen einsetzt, stromabwärts und dichter an die Linie Bmax heran verschoben wurde. Der magnetische Nebenschluss führt zu einem Versteilern des axialen Gradienten der magnetischen Feldstärke, zusätzlich zur Verschiebung des Ortes Bmax weiter stromabwärts. Weil die Bildung der Ionen und deren Entladung weiter stromabwärts erfolgt, kann das Triebwerk über längere Zeiträume arbeiten, bevor die Magnetpole durchgehend erodiert sind. Das Gesamtresultat der Feldbeeinflussung war, dass sie die Lebensdauer des Triebwerks um einen Faktor zwei oder mehr erhöhte.
Insbesondere wurden Tests an einem Halleffekttriebwerk durchgeführt, dessen allgemeine Konstruktion auf den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, das bei Messung von der Mittellinie A einen Radius des Zentralkanals von 41 mm und zwischen den Austrittsringen eine radiale Breite ΔR von 12 mm aufwies. Die axiale Länge der Isolatorringe 20 und 22 entlang ihrer gegenüberliegenden Oberflächen betrug 12 mm, einschließlich des äußeren abgeschrägten Teils, und die radiale Breite eines jeden Isolatorringes betrug 6 mm, an einer Stelle, die mit dem benachbarten Magnetpol in einer Linie ausgerichtet war. Das Windungszahlverhältnis der vier äußeren Spulen und der mittleren Spule wurde oben angegeben, wobei der Strom ausreichte, um eine maximale Feldstärke von etwa 690 Gauß zu erreichen, bei Messung entlang der freiliegenden äußeren Längsseite des inneren Isolatorringes 22. Die Stromversorgung mit Ansteuerelektronik stellte zwischen Kathode 12 und Anode 42 ein Potential von 350 V bei 1,7 kW bereit. Das Xenongas wurde durch die hohle Anode mit einer Rate von 5,4 mg/s zugeführt. Die magnetische Feldstärke wurde mit und ohne einem magnetischen Nebenschluss 61 gemessen, der eine zylindrische Innen- und Außenwand aus Vollblech aufweist, welche die inneren und äußeren Wände 48 und 50 der Anode umgibt und einen zwischen die Isolatorringe 20, 22 ragenden Teil, wie dies auf Fig. 2 dargestellt ist. Erfindungsgemäß wurde die Rückseite des Nebenschlusses durch radiale Rippen mit großen Öffnungen zwischen den Rippen geformt, um die Reluktanz der magnetischen Wegstrecke von der Außenseite des Nebenschlusses zur Innenseite des Nebenschlusses zu steuern.
Linie 63 in Fig. 3 zeigt den Verlauf des magnetischen Feldes bei Messung von der stromaufwärts liegenden Kante des inneren Isolatorringes, ohne dass ein magnetischer Nebenschlussbauteil an der vorgesehenen Stelle angebracht war. Linie 65 in Fig. 3 zeigt den Verlauf des magnetischen Feldes, wenn ein magnetischer Nebenschluss mit inneren und äußeren Wänden aus Vollblech, die hinter der Anode verbunden sind, eingesetzt wurde. Wie dies auf Fig. 3 dargestellt ist, wird er Gradient des Magnetflusses durch den Einsatz des Bauteils zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses wesentlich erhöht und der Ort maximaler magnetischer Feldstärke wird weiter stromabwärts verschoben.
Die Erosion der Isolatorringe wurde in unterschiedlichen Stufen der Prüfung gemessen. Gemäß Fig. 4 (einer vergrößerten, schematischen Teilschnittansicht des stromabwärts liegenden Endabschnittes des äußeren Isolatorringes 20 und des angrenzenden Magnetpols 24, nach außen von der Mittellinie A' des Entladungskanals 16) wird das Erosionsprofil, wenn kein magnetisches Nebenschlussbauteil verwendet wurde, durch Linie 66 angegeben, die mit der Bildung der Ionen stromaufwärts von der Linie 68 in der Gasaustrittsfläche 16 korrespondiert. Durch Hinzufügen des magnetischen Nebenschlussbauteils des oben beschriebenen Typs verschob sich das Erosionsprofil zur Linie 70, auf Fig. 4, korrespondierend mit der Bildung der Ionen stromaufwärts von Linie 72, wesentlich weiter stromabwärts, als bei dem Halleffekttriebwerk ohne Nebenschlusskäfig.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein Bauteil zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses mit großen Öffnungen in einer Seitenwand oder in beiden Seitenwänden und einem innenliegenden, verbundenen Ende (hinter der Anode) des Nebenschlusskörpers geformt, um einen Käfig zu bilden, wie dies auf Fig. 5A und Fig. 5C dargestellt ist. Der Käfig 61 fügt sich passend um das Gehäuse der Anode, so dass die offenen Ringe 80 und 82 am Austrittsende in die keramischen Isolatorringe eingebettet sind. Insbesondere ist, wie dies schematisch auf Fig. 6 dargestellt ist, der äußere Ring 80 am Austrittsende in die Innenseite des inneren Isolators 20 eingebettet und der innere Ring 82 am Austrittsende ist in die Innenseite des inneren Isolators 22 eingebettet. Die seitlichen Wandöffnungen 81 können wesentlich mehr als nur den Hauptteil der Umfangsfläche des Käfigs umschließen. In dem auf Fig. 5A und 5C dargestellten Ausführungsbeispiel verbinden vier dünne Streifen 84 aus magnetisch durchlässigem Material den äußeren Ring am Austrittsende und einen ähnlichen Ring 68 am hinteren oder geschlossenen Ende des Käfigs. Die Streifen 84 sind radial ausgerichtet mit ähnlichen Streifen 88, die sich zwischen dem inneren Austrittsring 82 und einem korrespondierenden Ring 90 am entgegengesetzten Ende des Käfigs erstrecken. Die Streifen können im Winkel von 45º zu den vier äußeren Elektromagneten angeordnet werden, damit ein größerer Anteil des Magnetflusses durch die offenen Seiten des Käfigs hindurchtreten kann. In den Ausführungsbeispielen nach 5A und 5B wird der magnetische Kreis zwischen den äußeren Ringen und den inneren Ringen durch kurze radiale. Speichen 92 geschlossen, die sich zwischen den Ringen 86 und 90 am geschlossenen Ende des Käfigs hinter der Anode erstrecken. Die großen Öffnungen 94 am geschlossenen Ende erlauben es, den Treibstoff und die Stromversorgungsleitungen direkt in die Anode einzuführen. Obwohl vier Streifen 84, vier Streifen 88 und vier Rippen oder Speichen 92 dargestellt sind, kann eine größere Anzahl verwendet werden, vorzugsweise gleichmäßig beabstandet, wie dies auf Fig. 5B und 5D dargestellt ist, um den gewünschten magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises zu erreichen, der durch den Käfig definiert wird. In den auf Fig. 5C und 5D dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Reluktanz des hinteren Teils des Käfigs durch die Breite eines ringförmigen Spalts 95 zwischen den hinteren Endringen 86 und 90 gesteuert, die eine größere radiale Abmessung als die entsprechenden Ringe der Ausführungsbeispiele nach Fig. 5A und 5B aufweisen.
Dennoch sind die inneren und äußeren Ringe über den Spalt magnetisch gekoppelt. Ein Hauptvorzug der offenen Käfigkonstruktion gegenüber einem Nebenschluss mit Wänden aus Vollblech besteht darin, dass diese die Anforderungen hinsichtlich der Amperewindungszahl reduziert und das Gewicht des Triebwerks herabsetzt. In einem typischen Beschleuniger mit geschlossenem Elektronenfluss und mit magnetischem Nebenschluss gibt es drei Hauptflusswege, wie dies auf Fig. 7 dargestellt ist. Der erste Flussweg 96 zeigt die magnetischen Flusslinien, die den radialen Spalt zwischen den Magnetpolen 24 und 26 durchqueren. Der zweite Flussweg 98 verbindet den inneren Pol 26 mit der inneren Ecke des magnetischen Nebenschlusskäfigs 61 und die äußere Ecke des Nebenschlusskäfigs mit dem äußeren Pol 24. Der dritte Flussweg 100 verbindet das Zentrum des Nebenschlusses mit der inneren und äußeren Magnetkonstruktion. Die Einsparungen an Gewicht und Amperewindungen bei der Konstruktion mit offenem Käfig werden durch Vergrößern des durchschnittlichen magnetischen Widerstandes der Kreise 98 und 100 erzielt, wodurch der prozentuale Anteil des Gesamtflusses erhöht wird, der den Kreis 96 durchsetzt. Verglichen mit einer Abschirmung mittels einer Wand aus Vollmaterial, welche die Anode und den mittleren Kern umschließt, ist der berechnete Fluss durch den Kreis 100 um 30-40% geringer und durch den Kreis 98 um 15-25% geringer.
Fig. 8 zeigt die Feldstärke im Zentralkanal der Gasaustrittsfläche 16, für ein Bauteil zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses mit Wänden aus Vollmaterial (Linie 99) und für eine Version der Konstruktion mit offenem Käfig (Linie 101). Diese Daten wurden mit einem Gaußmeter durch Messungen ermittelt, die an einem Labormuster eines Beschleunigers des auf den Fig. 1 und 2 dargestellten Typs durchgeführt wurden, der folgende Parameter aufwies: Radius des Zentralkanals 65 mm, bei Messung von der Mittellinie, 65 mm; radiale Breite -R zwischen den Austrittsringen, 18 mm; axiale Länge der Isolatorringe entlang ihrer gegenüberliegenden Oberflächen, 15 mm; die radiale Breite eines jeden Isolatorringes betrug 8 mm, an einer Stelle, die mit dem benachbarten Magnetpol in einer Reihe ausgerichtet war; Stromversorgung und Ansteuerelektronik stellten ein Potential von 350 V bei 4 kW bereit; Xenongas wurde durch die hohle Anode mit einer Rate von 12,8 mg je Sekunde zugeführt. Die Abszisse in Fig. 8 entspricht dem axialen Abstand entlang des äußeren Isolatorringes 20. Der Wert Null wird dem Punkt zugeordnet, der am Isolator entlang am weitesten stromaufwärts liegt. In jedem Fall setzte die Erosion etwa 4,5 mm von der stromaufwärts liegenden Kante ein. Bei der Konstruktion mit offenem Käfig entspricht dies einer magnetischen Feldstärke im Zentralkanal von etwa 0,85 des Maximalwertes, das heißt 0,85 Bmax. Außerdem liegt der Ort der Bmax-Kurve im Zentralkanal in jedem Fall stromabwärts von den Magnetpolen. Die Messungen zeigen, dass für eine gegebene Anzahl von Amperewindungen die Feldstärke im Zentralkanal bei der Konstruktion mit offenem Käfig etwa 15% höher ist, weil ein größerer prozentualer Anteil des Gesamtmagnetflusses durch den schmalen Spalt zwischen den Polen tritt. Die Reduzierung des erforderlichen Gesamtflusses ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen in Raumfahrzeugen, wo eine möglichst geringe Masse wichtig ist. Das Gewicht des ferromagnetischen Leiters und der elektromagnetischen Spule wird durch die erforderliche Magnetflussdichte diametral zu den Anforderungen an die mechanische Stabilität in die Höhe getrieben. Aus diesem Grunde hat jede Verringerung des Gesamtflusses eine beträchtliche Gewichtseinsparung zur Folge.
Einweiteres charakteristisches Merkmal der Käfigbauweise ist, das sie dem Konstrukteur die Kontrolle über die Form der magnetischen Feldvektoren im Entladungskanal gibt. Durch Justieren der Dicke und Breite der Käfigstäbe kann der Winkel, den die magnetischen Feldlinien zu den inneren und äußeren Isolatoren annehmen, vergrößert oder verkleinert werden. Zum Beispiel zeigt Fig. 9 die am äußeren Isolatorring 20 erzielten Änderungen des Winkels für einen Käfig mit komplett aus Vollmaterial bestehenden Seitenwänden und im Wesentlichen offene Käfigrückseite (Linie 103) und für einen Käfig mit Öffnungen in den Seiten, wie dies auf Fig. 5A (Linie 105) dargestellt ist. Die physikalischen Parameter des Triebwerks waren mit denen identisch, die weiter oben unter Bezug auf Fig. 8 beschrieben wurden. Das Maß der x-Achse ist der Abstand entlang des äußeren Isolatorrings. Der Wert Null wird dem Punkt zugeordnet, der am Isolator entlang am weitesten stromaufwärts liegt. In diesem Fall wurde der Winkel entlang des äußeren Isolatorrings um 50% verringert. Der Punkt, an dem die Feldlinien keine axiale Komponente aufweisen, wurde stromabwärts etwa um 1 mm verschoben. Durch Einstellen des Verlaufs des magnetischen Feldes wird die Dynamik des Plasmas und die Erosion des Isolators gesteuert, insbesondere die Konvergenz und die Divergenz des Ionenstromes. Wie dies oben diskutiert wurde, beeinflusst der Verlauf der Feldlinien stark die Form der Äquipotentialflächen und somit auch den Ort der Bildung von Ionen und die Richtung der Beschleunigung. Der korrekte Winkel der Feldvektoren längs der Isolatorringe orientiert die Ionen von den Wänden weg und setzt die Erosion herab. Aus diesem Grunde macht es die Kontrolle dieses Parameters möglich, die Lebensdauer des Triebwerks zu verlängern. Der Verlauf der Feldlinien kann auch durch Modifizieren der Gestalt der Austrittsringe 80 und 82 und durch Justieren von -R, dem radialen Abstand zwischen den Isolatorringen, gesteuert werden.
Es gibt weitere Faktoren, die den Verlauf der magnetischen Feldlinien und folglich die Winkel der magnetischen Feldvektoren und die Divergenz oder die Konvergenz des Ionensträhles beeinflussen. Elektrische Potentiale werden durch Randwerte bestimmt, und Gradienten werden durch die Bewegung der Elektronen in Längsrichtung und quer zu den magnetischen Feldlinien gesteuert. Die Stromversorgung legt die Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode fest. Für das magnetisierte Plasma in einem Hallbeschleuniger sind die elektrischen Potentialunterschiede entlang der magnetischen Kraftlinien gering. Die geringen Potentialunterschiede korrespondieren mit der relativ freien Bewegung der Elektronen in Richtung einer magnetischen Feldlinie. An den Stellen, wo die magnetischen Feldlinien auf eine isolierende Oberfläche treffen, werden die elektrischen Potentialgradienten von der Mobilität der Elektronen bestimmt. Weil die Mobilität der Elektronen quer zu den Feldlinien gering ist, entwickeln sich quer zu den magnetischen Feldlinien hohe elektrische Potentiale, welche die Elektronen zur Anode treiben. Anden Stellen, wo die magnetischen Feldlinien auf eine leitende Oberfläche treffen, zum Beispiel einen Magnetpol aus Eisen, bei stromabwärts liegenden magnetischen Feldlinien, nähern sich die elektrischen Potentiale an diesen Feldlinien dem Spannungswert des Eisens an. Anders gesagt bedeutet dies, das Eisen legt die Randspannung für die auftreffenden Feldlinien fest. Praktisch nehmen alle diese magnetischen Feldlinien ein gemeinsames elektrisches Potential an. Aus diesem Grunde schließt das Eisen die Potentialunterschiede für den Bereich der Feldlinien kurz, welche direkt auf die nichtisolierte Oberfläche treffen. Ein Ergebnis für die Triebwerkgeometrien des Typs, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist, dass das elektrische Feld am stärksten stromaufwärts von der Linie Bmax ist, so dass die größte Beschleunigung der Elektronen in dieser Region auftritt. Für stromabwärts liegende Orte treffen die magnetischen Feldlinien auf die Magnetpole und erzeugen eine Zone geringer oder fehlender Beschleunigung. Nach der vorliegenden Erfindung kann diese Wirkung verringert werden, indem ein isolierender Überzug auf die freiliegenden Oberflächen der Pole aufgebracht wird.
Ein Vergleich der Erosionsprofile isolierter und nichtisolierter Polstücke zeigt, dass die Erosionsstellen günstiger sind, das heißt weiter stromabwärts liegen, wenn auf die Magnetpolstücke ein isolierender Überzug aufgebracht wird. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für den Beschleuniger ein magnetisches Feld von einem Durchmesser des Zentralkanals verwendet, das stromabwärts von der Magnetpolfläche ein Maximum hat, vorzugsweise von 1 bis 10 mm. Die Polfläche kann mit Hilfe der unterschiedlichsten Materialien isoliert werden. Der Einsatz eines mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragenen Nickelüberzuges auf dem ferromagnetischen Pol ermöglicht die außergewöhnlich gute Haftung eines isolierenden Überzugs aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von etwa 0,5 mm, der mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragen wurde. Der Überzug verbessert im Gegensatz zu einer separaten dünnen Lage aus isolierendem Material die thermische Abstrahlung vom magnetischen Polstück, was für Anwendungen beim Antrieb von Raumfahrzeugen in höchstem Maße erwünscht ist.
Die Zusammenfassung wichtiger Aspekte der vorliegenden Erfindung zeigt: die Wirkung des verbesserten Beschleunigers besteht darin, dass ein hoher Wirkungsgrad des Antriebs und gleichzeitig eine lange Betriebsdauer erzielt wird. Es gibt drei allgemeine Aspekte des magnetischen Feldes, die kontrolliert werden müssen, um die Betriebsweise zu verbessern, die Feldstärke, die axialen Gradienten und der Verlauf des magnetischen Feldes.
Die lange Lebensdauer wird durch Verschieben der Grundparameter des magnetischen Feldes erreicht, die in Fig. 10 zusammenfassend aufgeführt sind, wo die Stärke des magnetischen Feldes entlang einer Linie im Zentralkanal der Gasaustrittsfläche zwischen den Austrittsringen dargestellt ist. Die Berechnungen des magnetischen Feldes werden mit herkömmlichen automatischen Computerberechnungswerkzeugen durchgeführt, wie zum Beispiel EMAG, von Engineering Mechanics Research Center Corporation. Dies ist ein Berechnungsprogramm, das nach der Finite-Element-Methode arbeitet, mit der sich eine gute Annäherung an die gemessenen Magnetfelder ergibt. Bei diesen Berechnungen werden die physikalischen Parameter und Betriebswerte verwendet, die mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben wurden.
Die auf Fig. 10 mit 1, 2 und 3 bezeichneten Punkte bedeuten der Reihe nach: maximale magnetische Feldstärke im Zentralkanal, Bmax, für ein magnetisches System ohne magnetischen Nebenschluss (Punkt 1); mit magnetischen Nebenschluss aus Vollmaterial (Punkt 2); und mit einem magnetischen Nebenschlusskäfig (Punkt 3). Diese Punkte kennzeichnen spezielle Fußlinien in den zweidimensionalen magnetischen Feldberechnungen für Fig. 11, welche den Fall ohne Nebenschluss darstellt, Fig. 12, welche ein Nebenschlussbauteil mit Seitenwänden aus Vollmaterial darstellt, und Fig. 13, die ein Nebenschlussbauteil mit Öffnungen in den Seitenwänden darstellt.
Bei Verwendung eines Nebenschlusskäfigs verschiebt sich der Spitzenwert der magnetischen Feldstärke stromabwärts. Ohne magnetischen Nebenschlusskäfig tritt Bmax in der Nähe des axialen Mittelpunktes der Pole auf. Bei den Punkten 2 und 3 ist anzumerken, dass die maximale magnetische Feldstärke stromabwärts von den Magnetpolen auftritt, deren axiale Ausdehnung zwischen den gestrichelten Linien 107 auf Fig. 10 liegt.
Als Nächstes werden die auf Fig. 10 mit 4, 5 und 6 bezeichneten Punkte betrachtet, die den Ort von 0,85 Bmax repräsentieren, dies ist der Ort, welcher auf der Basis der Erosionsmuster des unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschriebenen Prototyps für das erfindungsgemäße verbesserte Triebwerk der ungefähre Ort der Ionenerzeugung darstellt. Diese Punkte korrespondieren mit spezifischen, zweidimensionalen magnetischen Feldlinien, die auf Fig. 11 (ohne Nebenschluss), Fig. 12 (Nebenschlusskäfig mit Seitenwänden aus Vollmaterial) und Fig. 13 (Nebenschlusskäfig mit offenen Seitenwänden) mit den Punkten 4, 5 und 6, gekennzeichnet sind. Auch hier ist bei Verwendung eines Nebenschlusskäfigs der Ort von 0,85 Bmax stromabwärts verschoben, im Vergleich zum Fall ohne Nebenschlusskäfig. An unserer Vorrichtung wurde für die durch 0,85 Bmax gehende magnetische Flusslinie experimentell bestimmt, dass sie mit dem Anfang des erodierend wirkenden Teils der Entladung korrespondiert, das heißt der am weitesten stromaufwärts liegenden Stelle der Isolatorerosion. Daher hat die Verschiebung des Ortes dieser magnetischen Feldstärke gezeigt, dass der Ort des erodierend wirkenden Teils der Entladung verändert wird. Wenn man im Zentralkanal den axialen Ort der Punkte 4 und 5 vergleicht, ist zu erkennen, dass bei Verwendung eines magnetischen Nebenschlusskäfigs aus Vollmaterial (Fig. 12) der erodierend wirkende Teil der Entladung stromabwärts verschoben werden kann. Der axiale Ort von Punkt 5 kann durch Verändern der axialen Position des magnetischen Nebenschlusskäfigs justiert werden. Eine Verschiebung des Käfigs stromabwärts verschiebt die Punkte 2 und 5 um den gleichen Anteil stromabwärts. Nach Fig. 13 gilt dieser allgemeine Effekt für den magnetischen Nebenschlusskäfig (mit offenen Seiten) - eine Verschiebung des Käfigs weiter stromabwärts verschiebt die Punkte 3 und 6 weiter stromabwärts. Die Orte der Punkte 3 und 6 unterscheiden sich jedoch von dem Nebenschluss mit Seitenwänden aus Vollmaterial, auf Grund des Verlaufs der Feldlinien und des Grades der Unterschiede der magnetischen Nebenschlusswirkung.
Der Verlauf oder die Kontur der magnetischen Feldlinien beeinflusst die Fokussierwirkung der Plasmalinse. Diese Fokussierung übt einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad aus. Auf Fig. 11 (ohne Nebenschluss) hat die mit 4 bezeichnete magnetische Feldlinie einen Krümmungsradius von etwa 80 mm. Dies ist der Ort des Wertes von 0,85 Bmax. Wenn ein magnetischer Nebenschluss mit Wänden aus Vollmaterial verwendet wird, wie er auf Fig. 12 dargestellt ist, beträgt der Krümmungsradius der mit 5 bezeichneten magnetischen Feldlinie (0,85 Bmax), annähernd 20 mm. Wenn der magnetische Nebenschlusskäfig Öffnungen in den Seiten hat, wie dies auf Fig. 13 dargestellt ist, beträgt der Krümmungsradius der mit 6 bezeichneten magnetischen Feldlinie (0,85 Bmax) annähernd 40 mm. Dabei ist weiterhin anzumerken, dass die Feldlinie 6 in Fig. 13 die Isolatorwände an der Stelle schneidet, die praktisch zu einer Kante wird, die den erodierten vom nicht erodierten Isolator trennt.
Bei Verwendung eines magnetischen Nebenschlusskäfigs mit variablen, offenen Flächen können die fokussierenden Eigenschaften der magnetischen Linse ohne signifikante Verschiebung der Erosionskante verändert werden. Das Justieren der Querschnittsfläche der Gesamtheit der radialen Speichen an der Rückseite des Käfigs (hinter der Anode) verändert die Größe des an der Anodenregion vorbeigeleiteten Flusses und beeinflusst die Krümmung der Feldlinie, die auf Fig. 13 mit 6 bezeichnet ist.
Durch Messung der Verteilung des Ionenstromes gegenüber einer Position, die ausreichend weit stromabwärts vom Beschleuniger liegt, kann der Grad der Divergenz der Plasmalinse bestimmt werden. Bei Beschleunigern mit einer Charakteristik der Plasmalinse, wie sie auf Fig. 12 dargestellt ist, findet man eine größere Divergenz als bei Linsencharakteristiken nach Fig. 13, bei einer 350 V Entladung. So hat die längere Brennweite der magnetischen Linse in Fig. 13 verbesserte Eigenschaften der Linse unter dem Gesichtspunkt des Divergenzwinkels zur Folge.
Der Spitzenwert der magnetischen Feldstärke im Zentralkanal wird auch durch den Betrag des an der Anode vorbeigeleiteten Flusses beeinflusst. Die Kurven auf Fig. 10 repräsentieren magnetische Feldstärken im Zentralkanal für eine Koerzitivkraft von 1 000 Amperewindungen. Unter der Voraussetzung, dass das magnetische Feld im primären magnetischen Kreis die permeablen Elemente nicht sättigt, ist die maximale Feldstärke für jeden Fall annähernd der Koerzitivkraft proportional. Um die Feldstärke am Punkt 2 so zu erhöhen, dass sie gleich der Feldstärke am Punkt 1 ist, muss bei der Ausführung mit Nebenschluss aus Vollmaterial die Koerzitivkraft um die Verhältniszahl des magnetischen Feldes an Punkt 1 über Punkt 2, oder 42%, erhöht werden. Der magnetische Nebenschlusskäfig erfordert lediglich eine Vergrößerung der Koerzitivkraft um 20%, um die gleiche magnetische Spitzenfeldstärke wie an Punkt 1 zu erreichen. Die Verringerung der Anzahl der Amperewindungen kann bei einem Beschleuniger, der als Triebwerk für Raumfahrzeuge verwendet wird, kann eine sehr nützliche Verringerung der Masse des magnetischen Systems zur Folge haben.
Die Konstruktion des Käfigs ist auch unter thermischen Gesichtspunkten vorteilhaft. Ein Nachteil der Abschirmungen, die von der Anode getrennt sind, diese und den mittleren Kern jedoch umschließen, ist, dass sie die Strahlungskühlung der Anode behindern. Die Strahlungskühlung verringert die Wärmeleitung zum Raumfahrzeug und macht es möglich, dass der mittlere Kern bei niedrigeren Temperaturen arbeiten kann, was dessen Sättigungsflussdichte erhöht. Außerdem setzt die reduzierte Anforderung hinsichtlich der Amperewindungszahl, für den magnetischen Nebenschluss vom Käfigtyp die ohmsche Verlustleistung herab, die in den Spulen umgesetzt wird. Diese Verringerung der Verlustwärme und die Erhöhung der Strahlungskühlung verringern die Notwendigkeit von thermischen Nebenschlüssen, welche die Wärme vom Kern des Triebwerks abführen.
Es ist bis heute schwierig, auf der Grundlage von Experimenten und Berechnungen die optimalen physikalischen Kennwerte für den magnetischen Nebenschlusskäfig sowie dessen Positionierung relativ zu den Isolatorringen und magnetischen Polflächen festzulegen. Trotzdem wurden einige favorisierte Beziehungen berücksichtigt, um die erwünschten Aspekte bei der Formung des magnetischen Feldes zu erreichen, dazu gehören die Positionierung der Feldlinie maximaler Feldstärke (Bmax), der Gradient der magnetischen Feldstärke (hauptsächlich der Ort der Linie 0,85 Bmax), die Gesamtkoerzitivkraft, die erforderlich ist, um die gewünschte maximale Feldstärke und Krümmung der magnetischen Feldlinien zu erreichen, um eine Fokussierung für einen erhöhten Wirkungsgrad zu erzielen. Nach Fig. 6 ist ein wichtiger Parameter der Winkel Θ zwischen einer radialen Linie an der stromaufwärts liegenden Kante des inneren magnetischen Pols 26 und einer Linie von der inneren, stromaufwärts liegenden Ecke des Polstücks zur benachbarten Ecke des Nebenschlusskäfigs. Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn Θ etwa 45º betrug, und die gewünschten Resultate wurden für Θ in einem Bereich zwischen 20º und 80º berechnet und beobachtet. Wenn der Winkel zu groß ist, reicht der Abstand des Nebenschlusskäfigs von den Magnetpolen nicht aus, um einen zufriedenstellenden Nebenschluss des Magnetflusses zu erreichen, wogegen für Θ kleiner als 20º die magnetische Feldstärke im Zentralkanal auf einen Punkt reduziert wird, wo eine größere Gesamtkoerzitivkraft erforderlich ist, um die gewünschte Feldstärke zu erreichen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der magnetische Widerstand der Kopplung zwischen der inneren Seite des Käfigs und der Außenseite des Käfigs, die mit Hilfe der Masse des magnetischen Materials eingestellt werden kann, das die Innen- und Außenseiten miteinander verbindet. Die bis heute besten Ergebnisse wurden beobachtet, wenn die offene Fläche am hinteren Ende des Käfigs etwa 97% der Gesamtfläche betrug, das heißt, wenn nur einige dünne radiale Speichen benutzt wurden, um die Innenseite und die Außenseite des Käfigs miteinander zu verbinden. Dieselbe Wirkung kann mit einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5B erzielt werden, bei dem der Spalt 95 sehr schmal ist. Auf jeden Fall nimmt man an, dass zumindest der Hauptteil und vorzugsweise über 90% des hinteren Käfigendes zwischen den Innen- und Außenseiten des Käfigs offen sein kann.
Ein weiterer Aspekt ist die Größe der offenen Fläche in den Seitenwänden des Käfigs. Die bis heute besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Öffnungen in den Seitenwänden den Hauptteil der Kreisfläche umschließen und es dem Fluss ermöglichen, durch die Öffnungen zu treten und die erforderliche Gesamtkoerzitivkraft herabzusetzen.
Was die fokussierende beziehungsweise defokussierende Wirkung des 15 Nebenschlusskäfigs betrifft, wurden für den beschriebenen Prototyp nach Fig. 8 die besten Ergebnisse erzielt, wenn der Krümmungsradius der Linie 0,85 Bmax etwa 40 mm beträgt. Dies stimmt etwa mit dem 0,85fachen des Abstands -RP zwischen den Magnetpolflächen überein (siehe Fig. 6). Eine Überfokussierung und ein geringerer Wirkungsgrad ist bei einem Krümmungsradius von 20 mm, und eine Unterfokussierung (größere Divergenz), bei einem 0 Krümmungsradius von 80 mm zu beobachten. Auf der Grundlage der bis heute verfügbaren Informationen liegt der bevorzugte Bereich zwischen 30 mm (0,9-RP) und 50 mm (1,5-RP). Der Grad der erreichten Fokussierung mit Feldlinien, die den festgelegten Krümmungsradius aufweisen, ergibt einen hohen Wirkungsgrad, wenn die Linie für Bmax zu einem Ort gedrängt wird, der stromabwärts von den Magnetpolen liegt.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung anschaulich dargestellt und beschrieben wurde, ist es einleuchtend, dass die verschiedenartigsten Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne den Geltungsbereich der Ansprüche der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Ionenbeschleuniger (10) mit geschlossenem Elektronenfluss, mit einer ringförmigen Gasaustrittsfläche (16), die ein Austrittsende (14) aufweist, wobei das durch das Austrittsende (14) austretende Gas eine stromabwärts liegende Richtung definiert, wobei der Ionenbeschleuniger (10) umfasst:

einen inneren magnetischen Pol (26), der in der Nähe des Austrittsendes (14) innerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird;

einen äußeren magnetischen Pol (24), der in der Nähe des Austrittsendes (14) außerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt;

eine Quelle (18) eines magnetischen Feldes, um ein im Allgemeinen radial verlaufendes Magnetfeld zwischen dem inneren Pol (26) und dem äußern Pol (24), in unmittelbarer Nähe des Austrittsendes (14) der Gasaustrittsfläche (16) zu erzeugen;

eine Anode (42), die stromaufwärts vom Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist;

eine Gasquelle (56), die ein ionisierbares Gas an die Gasaustrittsfläche (16) abgibt, für eine stromabwärts gerichtete Strömung in Richtung zum Austrittsende (14);

eine Elektronenquelle (12), die freie Elektronen abgibt, die in Richtung zum Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16) im Allgemeinen stromaufwärts gerichtet eingeleitet werden;

eine Quelle (44) eines elektrischen Feldes, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das sich von der Anode (42) in einer stromabwärts liegenden Richtung durch das Austrittsende (14) hindurch erstreckt, mit einer Wechselwirkung zwischen dem ionisierbaren Gas aus der Gasquelle (56) und freien Elektronen aus der Elektronenquelle (12), wodurch Ionen erzeugt werden, die durch das elektrische Feld in eine Richtung stromabwärts beschleunigt werden, um eine Rückstoßantriebskraft zu erzeugen;

gekennzeichnet durch:

ein Bauteil (61) zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses, zur Formung des Magnetfeldes im Bereich des Austrittsendes (14) der Gasaustrittsfläche (16), wobei das Bauteil (61) umfasst:

einen stromabwärts liegenden inneren Ring (82) aus magnetisch durchlässigem Material, der in der Nähe des Austrittsendes (14) innerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird;

einen stromaufwärts liegenden inneren Ring (90) aus magnetisch durchlässigem Material, der innerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird, an einer Stelle, die in stromaufwärts liegender Richtung einen beträchtlichen Abstand zum stromabwärts liegenden inneren Ring (82) aufweist;

eine innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material, die den stromabwärts liegenden inneren Ring (82) und den stromaufwärts liegenden inneren Ring (90) magnetisch koppelt;

einen stromabwärts liegenden äußeren Ring (80) aus magnetisch durchlässigem Material, der in der Nähe des Austrittsendes (14) an der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt;

einen stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) aus magnetisch durchlässigem Material, der außerhalb der Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt, an einer Stelle, die in stromaufwärts liegender Richtung einen beträchtlichen Abstand zum stromabwärts liegenden äußeren Ring (80) aufweist;

eine äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material, die den stromabwärts liegenden äußeren Ring (80) und den stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) magnetisch koppelt; und

eine stromaufwärts liegende Masse (92) aus magnetisch durchlässigem Material oder einen ringförmigen Spalt (95), die, beziehungsweise der den stromaufwärts liegenden inneren Ring (90) und den stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) magnetisch koppelt, um einen geschlossenen magnetischen Weg zu bilden, vom stromabwärts liegenden inneren Ring (82) durch die innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material zum stromaufwärts liegenden inneren Ring (90), durch die stromaufwärts liegende Masse (92) aus magnetisch durchlässigem Material zum stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) und über die äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material zum stromabwärts liegenden äußeren Ring (80), wobei zumindest eine der Massen aus magnetischem Material dort hindurchgehende Öffnungen (81, 94) aufweist, um den magnetischen Widerstand des magnetischen Weges zu regulieren, um die Form des Magnetfeldes in unmittelbarer Nähe des Austrittsendes (14) der Gasaustrittsfläche (16) zu steuern.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, in welchem die inneren Ringe (82, 90) denselben Durchmesser aufweisen und in einer stromabwärts - stromaufwärts liegenden Richtung axial ausgerichtet sind, wobei sie eine periphere Innenseite des Bauteils (61) zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses definieren, und die äußeren Ringe (80, 86) denselben Durchmesser aufweisen und in einer stromaufwärts-stromabwärts liegenden Richtung ausgerichtet sind, damit sie eine periphere Außenseite des Bauteils zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses definieren.

3. Beschleuniger nach Anspruch 1, bei dem der stromabwärts liegende innere Ring (82) eine stromabwärts liegende Kante hat, der Winkel zwischen einer Linie, welche die stromabwärts liegende Kante und den inneren magnetischen Pol (26) miteinander verbindet und einem Radius der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16), der den inneren magnetischen Pol (26) schneidet, zwischen 20º und 80º beträgt.

4. Beschleuniger nach Anspruch 3, bei dem der Winkel etwa 45º beträgt.

5. Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Öffnungen (94) in der stromaufwärts liegenden Masse (92) des magnetisch durchlässigen Materials befinden und den Hauptanteil der Fläche zwischen den stromaufwärts liegenden Ringen (90, 86) ausmachen.

6. Beschleuniger nach Anspruch 5, bei dem die Öffnungen (94) in der stromaufwärts liegenden Masse (92) des magnetisch durchlässigen Materials über 90% der Fläche zwischen den stromaufwärts liegenden Ringen (90, 86) ausmachen.

7. Beschleuniger nach Anspruch 5, bei dem die stromaufwärts liegende Masse (92) des magnetisch durchlässigen Materials oder der ringförmige Spalt (95) die stromaufwärts liegenden Ringe (90, 86) an einer Stelle koppelt, die stromaufwärts von der Anode (42) liegt.

8. Beschleuniger nach Anspruch 5, bei dem die stromaufwärts liegende Masse (92) des magnetisch durchlässigen Materials von schmalen, strahlenförmigen Rippen (92) gebildet wird, die sich zwischen den stromaufwärts liegenden Ringen (90, 86) erstrecken.

9. Beschleuniger nach Anspruch 1, bei dem die stromaufwärts liegenden Ringe (90, 86) quer über einen schmalen, ringförmigen Spalt (95) magnetisch gekoppelt sind.

10. Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Öffnungen (81) in der inneren Masse (88) des magnetisch durchlässigen Materials befinden.

11. Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Öffnungen (81) in der äußeren Masse (84) des magnetisch durchlässigen Materials befinden.

12. Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material, jede äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material und jede stromaufwärts liegende Masse (92) aus magnetisch durchlässigem Material Öffnungen (81, 84) darin aufweist und die Öffnungen (81, 84) in jedem Fall den Hauptanteil der Fläche ausmachen, die von der entsprechenden Masse des magnetisch durchlässigen Materials umschlossen wird.

13. Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material auf dem Umfang mit Zwischenraum angebrachte Streifen (88) aus magnetisch durchlässigem Material aufweist, welche die inneren Ringe (82, 90) miteinander verbinden, und die äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material, auf dem Umfang mit Zwischenraum angebrachte Streifen aufweist, welche die äußeren Ringe (80, 86) miteinander verbinden.

14. Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauteil (61) zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses so aufgebaut und angeordnet ist, dass eine magnetische Feldlinie maximaler Feldstärke, die von der Quelle (18) eines magnetischen Feldes erzeugt wird, sich stromabwärts von den inneren und äußeren magnetischen Polen (26, 24) befindet, und eine magnetische Feldlinie, die einen Wert vom 0,85fachen der maximalen Feldstärke aufweist, stromaufwärts von der Linie maximaler Feldstärke einen Krümmungsradius von etwa 40 mm hat.

15. Beschleuniger nach Anspruch 14, bei dem der Krümmungsradius etwa das 0,85fache des Abstandes zwischen den inneren und den äußeren magnetischen Polen (26, 24) beträgt.

16. Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Überzug aus Isoliermaterial auf den Flächen der magnetischen Pole (26, 24) einschließt, die von der Gasaustrittsfläche (16) abgesetzt sind.

17. Beschleuniger nach Anspruch 16, bei dem der Überzug aus mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragenem Aluminiumoxid über mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragenem Nickel besteht.

18. Ionenbeschleuniger (10) mit geschlossenem Elektronenfluss, mit einer ringförmigen Gasaustrittsfläche (16), die ein Austrittsende (14) aufweist, wobei das durch das Austrittsende (14) austretende Gas eine stromabwärts liegende Richtung definiert, wobei der Beschleuniger (10) umfasst:

eine Quelle (18) eines magnetischen Feldes, um ein im Allgemeinen radial verlaufendes Magnetfeld zwischen dem inneren Pol (26) und dem äußeren Pol (24), in unmittelbarer Nähe des Austrittsendes (14) der Gasaustrittsfläche (16) zu erzeugen;

eine Quelle (44) eines elektrischen Feldes, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das sich von der Anode (42) in einer stromabwärts liegenden Richtung durch das Austrittsende (14) hindurch erstreckt, und eine Wechselwirkung zwischen dem ionisierbaren Gas aus der Gasquelle (56) und freien Elektronen aus der Elektronenquelle (12), wodurch Ionen erzeugt werden, die durch das elektrische Feld in eine Richtung stromabwärts beschleunigt werden, um eine Rückstoßantriebskraft zu erzeugen;

gekennzeichnet durch:

eine innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material, welche die inneren Ringe (82, 90) magnetisch koppelt;

einen stromabwärts liegenden äußeren Ring (80), aus magnetisch durchlässigem Material, der in der Nähe des Austrittsendes (14) an der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt;

einen stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) aus magnetisch durchlässigem Material, der außerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt, an einer Stelle, die in stromaufwärts liegender Richtung einen beträchtlichen Abstand zum stromabwärts liegenden äußeren Ring (80) aufweist;

eine äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material, welche die äußeren Ringe (80, 86) magnetisch koppelt; und

eine stromaufwärts liegende Masse (92) aus magnetisch durchlässigem Material oder einen ringförmigen Spalt (95), die beziehungsweise der die stromaufwärts liegenden Ringe (90, 86) koppelt, um einen geschlossenen magnetischen Weg zu bilden, vom stromabwärts liegenden inneren Ring (82) durch die innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material, zum stromaufwärts liegenden inneren Ring (90), durch die stromaufwärts liegende Masse (92) aus magnetisch durchlässigem Material oder den ringförmigen Spalt (95) zum stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) und durch die äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material zum stromabwärts liegenden äußeren Ring (80), wobei das Bauteil (61) zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses so aufgebaut und angeordnet ist, dass sich eine magnetische Feldlinie maximaler Feldstärke stromabwärts vom inneren magnetischen Pol (26) und dem äußeren magnetischen Pol (24) befindet, und dass der Krümmungsradius einer magnetischen Feldlinie, die einen Wert vom 0,85fachen der maximalen magnetischen Feldstärke aufweist, in stromaufwärts liegender Richtung von der Linie maximaler Feldstärke einen Krümmungsradius zwischen einem Faktor von 0,9 und 1, 5 des Abstandes zwischen dem inneren magnetischen Pol (26) und dem äußeren magnetischen Pol (24) aufweist.

19. Beschleuniger nach Anspruch 16, bei dem der Krümmungsradius etwa das 0,85fache des Abstandes zwischen dem inneren magnetischen Pol (26) und dem äußeren magnetischen Pol (24) ist.

20. Beschleuniger nach Anspruch 16, bei dem der Krümmungsradius zwischen 30 mm und 50 mm beträgt.

21. Beschleuniger nach Anspruch 16, bei dem der Krümmungsradius etwa 40 mm beträgt.

22. Beschleuniger nach Anspruch 18, der einen Überzug aus Isoliermaterial auf den Flächen der magnetischen Pole (26, 24) einschließt, die von der Gasäustrittsfläche (16) abgesetzt sind.

23. Beschleuniger nach Anspruch 22, bei dem der Überzug aus mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragenem Aluminiumoxid über mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragenem Nickel besteht.

24. Ionenbeschleuniger (10) mit geschlossenem Elektronenfluss, mit einer ringförmigen Gasaustrittsfläche (16), die ein Austrittsende (14) aufweist, wobei das durch das Austrittsende (14) austretende Gas eine stromabwärts liegende Richtung definiert, wobei der Beschleuniger (10) umfasst:

einen inneren magnetischen Pol(26), der in der Nähe des Austrittsendes (14) innerhalb der ringförmigen. Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird;

eine Anöde (42), die stromaufwärts vom Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist;

eine Gasquelle (56), die ein ionisierbares Gas an die Gasaustrittsfläche (16) abgibt, für eine stromabwärts gerichtete Strömung zum Austrittsende (14);

eine Elektronenquelle (12), die freie Elektronen abgibt, die in Richtung zum Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16), im Allgemeinen stromaufwärts gerichtet, eingeleitet werden;

eine Quelle (44) eines elektrischen Feldes, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das sich von der Anode (42) stromabwärts liegenden Richtung durch das Austrittsende (14) hindurch erstreckt, und eine Wechselwirkung zwischen dem ionisierbaren Gas aus der Gasquelle (56) und freien Elektronen aus der Elektronenquelle(12), wodurch Ionen erzeugt werden, die durch das elektrische Feld in eine Richtung stromabwärts beschleunigt werden, um eine Rückstoßantriebskraft zu erzeugen;

gekennzeichnet durch:

ein Bauteil (61) zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses, zur Formung eines Magnetfeldes im Bereich des Austrittsendes (14) der Gasaustrittsfläche (16), wobei das Bauteil (61) umfasst:

einen stromaufwärts liegenden inneren Ring (90) aus magnetisch durchlässigem Material, der innerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird, an einer Stelle, die in stromaufwärts liegender Richtung einen beträchtlichen Abstand zu dem stromabwärts liegenden inneren Ring (82) aufweist;

eine innere Masse (88), aus magnetisch durchlässigem Material, welche die inneren Ringe (82, 90) magnetisch koppelt;

einen stromabwärts liegenden äußeren Ring (80) aus magnetisch durchlässigem Material, der in der Nähe des Austrittsendes (14) außerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt;

eine stromaufwärts liegende Masse (92) aus magnetisch durchlässigem Material, oder einen ringförmigen Spalt (95), der die stromaufwärts liegenden Ringe (90, 86) koppelt, um einen geschlossenen magnetischen Weg zu bilden, vom stromabwärts liegenden inneren Ring (82) durch die innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material zum stromaufwärts liegenden inneren Ring (90), durch die stromaufwärts liegende Masse (92) aus magnetisch durchlässigem Material oder den ringförmigen Spalt (95) zum stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) und über die äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material zum stromabwärts liegenden äußeren Ring (80), wobei das Bauteil (61) zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses so aufgebaut und angeordnet ist, dass sich die magnetische Feldlinie maximaler Feldstärke stromabwärts vom inneren magnetischen Pol (26) und dem äußeren magnetischen Pol (24) befindet; und dass die Flächen der magnetischen Pole (26, 24), die von der Gasaustrittsfläche (16) abgesetzt angeordnet sind, eine Beschichtung aus Isoliermaterial aufweisen.

25. Beschleuniger nach Anspruch 24, mit einem Überzug aus Isolierstoff auf den von der Gasaustrittsfläche abgesetzten Flächen der magnetischen Pole (26, 24).

26. Beschleuniger nach Anspruch 25, bei dem der Überzug aus mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragenem Aluminiumoxid über mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragenem Nickel besteht.

27. Bauteil (61) zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses für einen Ionenbeschleuniger (10) mit geschlossenem Elektronenfluss mit:

einer ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) mit einem Austrittsende (14), wobei das durch das Austrittsende (14) austretende Gas eine stromabwärts liegende Richtung definiert;

einem inneren magnetischen Pol (26), der in der Nähe des Austrittsendes (14) innerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird;

einem äußeren magnetischen Pol (24), der in der Nähe des Austrittsendes (14) außerhalb der Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt;

einer Quelle (18) eines magnetischen Feldes, um ein im Allgemeinen radial verlaufendes Magnetfeld zwischen dem inneren Pol (26) und dem äußeren Pol (24) in unmittelbarer Nähe des Austrittsendes (14) der Gasaustriftsfläche (16) zu erzeugen;

einer Anode (42), die stromaufwärts vom Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist;

einer Gasquelle (56), die ein ionisierbares Gas an die Gasaustrittsfläche (16) abgibt, für eine stromabwärts gerichtete Strömung in Richtung zum Austrittsende (14);

einer Elektronenquelle (12), die freie Elektronen abgibt, die in Richtung zum Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16), im Allgemeinen in einer stromaufwärts liegenden Richtung, eingeleitet werden

einer Quelle (44) eines elektrischen Feldes, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das sich von der Anode (42), in einer stromabwärts liegenden Richtung durch das Austrittsende (14) hindurch erstreckt, und einer Wechselwirkung zwischen dem ionisierbaren Gas aus der Gasquelle (56) und freien Elektronen aus der Elektronenquelle (12), wodurch Ionen erzeugt werden, die durch das elektrische Feld in einer Richtung stromabwärts beschleunigt werden, um eine Rückstoßantriebskraft zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass:

das Bauteil (61) zur Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses umfasst: einen stromabwärts liegenden inneren Ring (82) aus magnetisch durchlässigem Material, der in der Nähe des Austrittsendes (14) im Inneren der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird;

einen stromaufwärts liegenden inneren Ring (90) aus magnetisch durchlässigem Material, der im Inneren der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird, an einer Stelle, die in stromaufwärts liegender Richtung einen beträchtlichen Abstand zu dem stromabwärts liegenden inneren Ring (82) aufweist;

eine innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material, welche den stromabwärts liegenden inneren Ring (82) und den stromaufwärts liegenden inneren Ring (90) magnetisch koppelt;

einen stromabwärts liegenden äußeren Ring (80), aus magnetisch durchlässigem Material, der in der Nähe des Austrittsendes (14) außerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt;

eine äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material, welche den stromabwärts liegenden äußeren Ring (80) und den stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) magnetisch koppelt; und

eine stromaufwärts liegende Masse (92), aus magnetisch durchlässigem Material, oder einen ringförmigen Spalt (95), der den stromaufwärts liegenden inneren Ring (90) und den stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) koppelt, um einen geschlossenen magnetischen Weg zu bilden, vom stromabwärts liegenden inneren Ring (82) durch die innere Masse (88) aus magnetisch durchlässigem Material zum stromaufwärts liegenden inneren Ring (90), durch die stromaufwärts liegende Masse (92) aus magnetisch durchlässigem Material oder den ringförmigen Spalt (95) zum stromaufwärts liegenden äußeren Ring (86) und durch die äußere Masse (84) aus magnetisch durchlässigem Material zum stromabwärts liegenden äußeren Ring (80), wobei zumindest eine der Massen aus magnetischem Material Öffnungen (81, 94) dort hindurch aufweist, um den magnetischen Widerstand des magnetischen Weges zu regulieren, um die Form des Magnetfeldes in unmittelbarer Nähe des Austrittsendes (14) der Gasaustrittsfläche (16) des Ionenbeschleunigers (10) zu steuern.

28. Verfahren zum Formen eines im Allgemeinen radial gerichteten Magnetfeldes in einem Ionenbeschleuniger (10) mit geschlossenem Elektronenfluss, wobei der Ionenbeschleuniger (10) aufweist:

eine ringförmige Gasaustrittsfläche (16), die ein Austrittsende (14) aufweist, wobei das durch das Austrittsende (14) austretende Gas eine stromabwärts liegende Richtung definiert;

einen inneren magnetischen Pol (26), der in der Nähe des Austrittsendes (14) innerhalb der ringförmigen Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und von dieser umschlossen wird,

einen äußeren magnetischen Pol (24), der in der Nähe des Austrittsendes (14) außerhalb der Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt;

eine. Anode (42), die stromaufwärts vom Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16) angeordnet ist;

eine Elektronenquelle (12), die freie Elektronen abgibt; die in Richtung zum Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16), im Allgemeinen in einer Richtung stromaufwärts, eingeleitet werden;

eine Quelle (44) eines elektrischen Feldes, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das sich von der Anode (42), stromabwärts gerichtet, durch das Austrittsende (14) hindurch erstreckt, wobei durch die Wechselwirkung zwischen dem ionisierbaren Gas aus der Gasquelle (56) und freien Elektronen aus der Elektronenquelle (12) Ionen erzeugt werden, die durch das elektrische Feld in eine Richtung stromabwärts beschleunigt werden, um eine Rückstoßantriebskraft zu erzeugen;

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass für den durch die Quelle (18) eines magnetischen Feldes erzeugten Magnetfluss ein Nebenschluss erzeugt wird, entlang eines magnetischen Weges, beginnend in der Nähe des inneren magnetischen Pols (26), stromaufwärts gerichtet zu einem Ort, der stromaufwärts von der Anode (42) liegt, nach außen, zu einem Ort außerhalb der Anode (42) und stromabwärts, zu einem Ort in der Nachbarschaft des äußeren magnetischen Pols (24), wobei der Widerstand des magnetischen Weges so gewählt wird, dass die maximale magnetische Feldstärke stromabwärts vom inneren magnetischen Pol (26) und dem äußeren magnetischen Pol (24) liegt und die Krümmung einer magnetischen Feldlinie, die einen Wert vom 0,85fachen der maximalen Magnetfeldstärke aufweist, in stromaufwärts liegender Richtung von der Linie maximaler Feldstärke, einen Krümmungsradius zwischen einem Faktor von 0,9 und 1, 5 des Abstandes zwischen dem inneren magnetischen Pol (26) und dem äußeren magnetischen Pol (24) hat.

29. Verfahren zum Formen eines im Allgemeinen radial gerichteten Magnetfeldes in einem Ionenbeschleuniger (10) mit geschlossenem Elektronenfluss, wobei der Ionenbeschleuniger (10) aufweist:

eine ringförmige Gasaustrittsfläche (16) mit einem Austrittsende (14), wobei das durch das Austrittsende (14) austretende Gas eine stromabwärts liegende Richtung definiert;

einen äußeren magnetischen Pol (24), der in der Nähe des Austrittsendes (14) außerhalb der Gasäustrittsfläche (16) angeordnet ist und diese umschließt;

eine Elektronenquelle (12), die freie Elektronen abgibt, die in Richtung zum Austrittsende (14) der Gasaustrittsfläche (16) im Allgemeinen in einer stromaufwärts liegenden Richtung eingeleitet werden;

eine Quelle (44) eines elektrischen Feldes, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das sich von der Anode (42) in eine Richtung stromabwärts, durch das Austrittsende (14) hindurch erstreckt, wobei durch Wechselwirkung zwischen dem ionisierbaren Gas der Gasquelle (56) und freien Elektronen aus der Elektronenquelle (12) Ionen erzeugt werden, die durch das elektrische Feld in eine Richtung stromabwärts beschleunigt werden, um eine Rückstoßantriebskraft zu erzeugen;

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass für den durch die Quelle (18) eines magnetischen Feldes erzeugten Magnetfluss ein Nebenschluss erzeugt wird, entlang eines magnetischen Weges, ausgehend in der Nachbarschaft des inneren magnetischen Pols (26), stromaufwärts gerichtet, zu einem Ort, der stromaufwärts von der Anode (42) liegt, nach außen, zu einem Ort außerhalb der Anode (42) und stromabwärts zu einem Ort in der Nachbarschaft des äußeren magnetischen Pols (24), wobei der Widerstand des magnetischen Weges so gewählt wird, dass die maximale magnetische Feldstärke stromabwärts vom inneren magnetischen Pol (26) und vom äußeren magnetischen Pol (24) liegt und die Krümmung einer magnetischen Feldlinie, die einen Wert vom 0,85fachen der maximalen Magnetfeldstärke aufweist, in stromaufwärts liegender Richtung von der Linie maximaler Feldstärke einen Krümmungsradius zwischen 30 mm und 50 mm aufweist.

Beschriftung innerhalb der Figuren

FIELD STRENGTH (GAUSS) FELDSTÄRKE (GAUß)

DISTANCE FROM UPSTREAM INSULATOR FACE (MM) ABSTAND ZUR STROMAUFWÄRTS LIEGENDEN ISOLATORFLÄCHE (MM)

FIELD VECTOR ANGLE (DEG.) WINKEL DES FELDVEKTORS (GRAD)

AXIAL DISTANCE, M AXIALER ABSTAND, m

MLD CHANNEL MAGNETIC FIELD STRENGTH, TESLA MAGNETISCHE FELDSTÄRKE IM MLD-KANAL, TESLA