DE69903425T2 - Gleichmässige gasverteilung in ionenbeschleunigern mit geschlossener ionenbahn - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft Halleffekt-Antriebe, insbesondere ein System zur Zuführung des Gases gleichförmiger Verteilung zu einer Entladungszone eines Halleffekt-Antriebs (Hall effect thruster).
Hintergrund der Erfindung
• Ionenbeschleuniger mit geschlossener Elektronendrift, auch bekannt als "Hall effect thrusters" (HETs) sind als Quelle für gelenkte Ionen bei der plasmagestützten Fertigung und beim Antrieb von Raumfahrzeugen eingesetzt worden. Repräsentative Raumfahrt-Anwendungen sind: (1) Umlaufbahn-Änderungen des Raumfahrzeugs von einer Flughöhe oder Neigung zu einer anderen; (2) Kompensation von atmosphärischem Widerstand; und (3) "Positionshaltung", bei der Vorschub dazu eingesetzt wird, der natürlichen Drift einer Umlaufbahnposition entgegenzuwirken, die durch Effekte wie Sonnenwind und dem Vorbeigang des Monds hervorgerufen wird. HETs erzeugen Vorschub dadurch, daß sie ein Antriebsgas in eine ringförmige Gasentladungszone bringen. Diese Zone besitzt ein geschlossenes Ende mit einer Anode und ein offenes oder Austrittsende, durch das das Gas austritt. Das Antriebsgas wird typischerweise in die ringförmige Gasentladungszone in der Nähe der Anode, bei einigen Systemen auch durch die Anode selbst eingebracht. Von einer Kathode werden in die Nähe des Austrittsendes der ringförmigen Gasentladungszone freie Elektronen eingeleitet. Entsprechend dem Halleffekt driften die Elektronen in Umfangsrichtung innerhalb der ringförmigen Entladungszone aufgrund eines im wesentlichen radial verlaufenden Magnetfelds im Verein mit einem longitudi nalen elektrischen Feld. Die Elektronen kollidieren mit den Atomen des Antriebsgases und erzeugen Ionen. Da die Ionen im allgemeinen eine um Größenordnungen höhere Masse als Elektronen haben, wird die Ionenbewegung durch das Magnetfeld nicht signifikant beeinflußt. Im Ergebnis beschleunigt das longitudinale elektrische Feld die Ionen durch das Austrittsende der ringförmigen Gasentladungszone nach außen und erzeugt dadurch eine Reaktionskraft zum Antreiben des Raumfahrzeugs, vergleiche beispielsweise die US-A-5581155 und die US-A-5357747.
• Einer der Parameter, die Einfluß auf die Leistungsfähigkeit eines HETs haben, ist die Gleichförmigkeit, mit der das Antriebsgas in die ringförmige Gasentladungszone eingeleitet wird. Wissenschaftler glauben, daß, wenn das neutrale Antriebsgas (das heißt vor der Ionisierung) in Bereichen nahe der Anode konzentriert wird, die Elektronenbeweglichkeit in Richtung der Anode erhöht wird. Dieser Effekt führt zu einem lokal stärkeren Elektronenstrom zu der Anode, was in unerwünschter Weise die Verlustleistung erhöht und die Anode aufheizt. Eine nicht gleichförmige azimuthale Gasverteilung innerhalb der ringförmigen Entladungszone verursacht tendenziell eine ungleichförmige azimuthale Elektronendichte. Man kann zeigen, daß die ungleichförmige azimuthale Elektronendichte eine Verringerung des Hall-Parameters β verursacht, was im allgemeinen bei HET-Anwendungen unerwünscht ist. Der Halleffekt und der Hall-Parameter sind auf dem Gebiet der HETs bekannt.
• Bei einigen herkömmlichen HETs dienen Prallplatten zur Steigerung der Gleichmäßigkeit des Gases, wenn das Gas in die Gasentladungszone eingeleitet wird. Diese Prallsysteme erhöhen die Gasverteilungs-Gleichförmigkeit in einem gewissen Maß, aber natürlich ist eine noch größere Gleichförmigkeit allgemein erwünscht. Darüber hinaus muß bei einigen herkömmlichen Prallsystemen die axiale Länge der Gasentladungszone lang genug sein, damit eine gleichmäßige Verteilung des Gases möglich ist, nachdem dieses das Prallsy stem verlassen hat. Eine erhöhte axiale Länge der Gasentladungszone macht jedoch den HET empfindlich für Probleme, die durch extreme Vibrationen und Beschleunigungen verursacht werden, wie sie auftreten, wenn das Raumfahrzeug in die Umlaufbahn geschössen wird. Um diese Probleme zu vermeiden, erhöhen diese Systeme im allgemeinen die Dicke und die Festigkeit der HET- Strukturen, damit sie den Vibrationen widerstehen. Diese Lösung erhöht aber in unerwünschterweise Kosten und Gewicht des HETs.
• Andere herkömmliche Systeme können von Gasinjektoren Gebrauch machen, um die Gleichförmigkeit der Gasverteilung zu steigern. Die Gasinjektoren besitzen eine große Anzahl von Injektorlöchern, die gleichmäßig beabstandet und mit exakten Toleranzen gefertigt sind, um eine hohe Gleichmäßigkeit zu erzielen. Allerdings sind diese Injektoren in der Herstellung ziemlich schwierig und kostspielig. Es besteht also Bedarf an einem billigen Antriebsgas-Verteilungssystem, welches eine hohe Gasverteilungs-Gleichförmigkeit ermöglicht und dabei geringe Größe und wenig Gewicht hat.
Offenbarung
• Erfindungsgemäß wird ein System zum gleichmäßigen Verteilen eines Antriebsgases in einem HET geschaffen. Bei einer Ausführungsform ist das System Teil einer Anodenanordnung, die eine Anode und einen Gasverteiler enthält. Antriebsgas wird von einem Vorrat der Anodenanordnung zur Verteilung in der Gasentladungszone des HETs zugeleitet. Bei einem Aspekt der Erfindung enthält der Gasverteiler eine poröse "Düse" aus Metall mit einer Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche. Die Eintrittsfläche der Düse nimmt ein Antriebsgas aus dem Vorrat auf. Aufgrund der Druckdifferenz des Antriebsgases an der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche der porösen Metalldüse strömt das Antriebsgas durch die poröse Metalldüse und aus der Austrittsfläche in die ringförmige Gasentladungszone. Die poröse Metalldüse hat eine durchschnittliche Porengröße und eine Dicke, die optimiert ist für die Steuerung des Stroms des Antriebsgases von der Eintrittsfläche zu der Austrittsfläche mit einem Soll- Strömungsdurchsatz, einem Soll-Druckabfall und einer Soll-Verteilungsgleichförmigkeit. Im Gegensatz zu den oben erläuterten herkömmlichen Prallsystemen, die eine Gleichförmigkeit der Gasverteilung typischerweise in signifikantem Abstand von dem Prallsystem-Ausgang erreichen, erzielt das poröse Metall eine stark gleichförmige Gasaustrittsströmung nahezu direkt an der Austrittsfläche des Gasverteilers. Dieses Merkmal macht es möglich, daß die Gasentladungszone eine im Vergleich zu herkömmlichen Systemen kürzere Länge besitzt, so daß der HET ein kompaktes Bauteil mit niedrigem Profil ist, welches weniger anfällig für beim Raumfahrzeug-Abschuß anzutreffende Vibrationsprobleme ist. Darüber hinaus wird das poröse Metall so hergestellt, daß es die gewünschte durchschnittliche Porengröße, Porenverteilung und Dicke aufweist, und dies zu Kosten, die wesentlich niedriger sind als die Kosten für die Herstellung des oben beschriebenen konventionellen Injektorsystems.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der Gasverteiler eine Abschirmung und/oder eine Prallplatte, um zu verhindern, daß Verunreinigungen an der gesamten oder einem Teil der Austrittsfläche der porösen Metalldüse haften bleiben. Bei einer Ausführungsform wird eine Abschirmung mit einem nicht-porösen Material implementiert, und sie befindet sich in der Gasentladungszone stromabwärts bezüglich der Anodenanordnung. Auf diese Weise werden stromaufwärts in Richtung der Anodenanordnung gerichtete Verunreinigungen von der Abschirmung gesperrt. Ohne die Abschirmung könnten die Verunreinigungen die Poren des porösen Metall-Gasverteilers verstopfen, was die Gleichförmigkeit des Antriebsgasstroms in die Gasentladungszone mindern könnte. Die Abschirmung unterbricht die Gleichförmigkeit des Antriebsgasstroms und muß weit genug stromaufwärts von der Ionenerzeugungszone liegen, um das Antriebsgas wiederum in eine gleichförmige Dichte zu diffundieren. Bei einer weiteren Verfeinerung kann die Abschirmung kreisförmig oder längliche Perforationen aufweisen, damit das Antriebsgas durch die Antiverstopfungsstruktur gelangen kann, was den zur Erzielung einer gleichförmigen Gasverteilung benötigten Abstand weiter verringert. Die Perforationen sind größer als die Porengröße des porösen Metall-Gasverteilers, so daß die Verunreinigungen die Perforationen nicht so leicht verstopfen. Obschon es möglich sein kann, daß Verunreinigungen durch die Perforationen hindurch strömen und kleine Bereiche des porösen Metall-Gasverteilers verstopfen, haben die schmalen Flächen der verstopften Poren einen signifikanten abträglichen Einfluß auf die gleichförmige Gasverteilung, die durch das poröse Metall erzielt wird.
• In einer alternativen Ausführungsform kann die Antiverstopfungsstruktur dadurch implementiert werden, daß man eine Oberfläche des aus porösem Metall bestehenden Gasverteilers, welche im großen und ganzen stromabwärts zu der Gasentladungskammer gewandt ist, beschichtet. Diese Beschichtung ist nicht porös und so konfiguriert, daß eine Fläche des porösen Metall-Gasverteilers, die nicht stromabwärts zu der Gasentladungszone gerichtet ist, unbedeckt bleibt (zum Beispiel weist die unbedeckte Fläche in eine Richtung rechtwinklig zu der Gasentladungszone). Das heißt: die Austrittsfläche der Düse weist in eine radiale Richtung relativ zu dem Netto-Gasstrom in die Gasentladungszone. Damit wird in signifikanter Weise die Wahrscheinlichkeit dafür vermindert, daß von der Gasentladungszone stromaufwärts in Richtung der Anodenanordnung gelenkte Verunreinigungen an der nicht bedeckten Oberfläche des porösen Metall-Gasverteilers haften bleiben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die obigen Aspekte und zahlreiche damit einhergehende Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Be schreibung, wenn sie im Verein mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, die im folgenden aufgeführt sind:
• Fig. 1 ist eine etwas schematisierte Ansicht eines Ionenbeschleunigers mit geschlossener Elektronendrift eines repräsentativen Typs, mit dem die Erfindung befaßt ist, wobei die Darstellung von oben und vom Eintrittsende her dargestellt ist.
• Fig. 2 ist eine etwas schematisierte Längsschnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht einer Anodenanordnung, die einen keilförmigen Gasverteiler aus porösem Metall enthält, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
• Fig. 4 ist eine Längsschnittansicht einer Anodenanordnung, die einen keilförmigen Radialstrom-Gasverteiler aus porösem Metall mit einer integrierten Verunreinigungsabschirmung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält.
• Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch eine Anodenanordnung, die einen flachen Gasverteiler aus porösem Metall mit einer Abschirmung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält.
• Fig. 6 ist eine Längsschnittansicht einer Anodenanordnung, die einen keilförmigen Axialstrom-Gasverteiler aus porösem Metall mit integrierter Verunreinigungsabschirmung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält.
• Fig. 7 ist eine Längsschnittansicht einer Anodenanordnung, die einen flachen Gasverteiler aus porösem Metall mit einer keilförmigem Abschirmungselektrode enthält.
• Fig. 8 ist eine Längsschnittansicht einer Anodenanordnung, die einen Gasverteiler aus porösem Metall mit einer der Gasentladungszone zugewandten gekrümmten Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält.
• Fig. 9 und 10 sind entsprechende Längsschnittansichten von Anodenanordnungen, die poröse Metall-Gasverteiler mit radialem Gasstrom gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
• Fig. 11 ist eine schematische Teilschnittansicht eines Beschleunigers von dem Typ, der die Erfindung betrifft, wobei eine Anode des allgemeinen, in Fig. 5 dargestellten Typs verwendet wird, allerdings mit Perforationen in der stromabwärtigen Abschirmung oder Pralleinrichtung.
• Fig. 12 ist eine schematische Teilschnittansicht entsprechend der Fig. 11, allerdings mit einer modifizierten Anode, die eine stromabwärtige Abschirmung oder Pralleinrichtung mit länglichen Perforationen oder Schlitzen enthält.
• Fig. 13 ist eine perspektivische Teildarstellung und zeigt die geschlitzte Pralleinrichtung der Ausführungsform nach Fig. 10.
Detaillierte Beschreibung
• Fig. 1 zeigt einen repräsentativen Halleffekt-Antrieb (HET; Hall effect thruster) des Typs, mit dem sich die vorliegende Erfindung befaßt, und wie er für einen Raumfahrzeug-Antrieb ausgestaltet sein kann. Der HET 10 wird von am Raumfahrzeug angebrachten Halteträger 11 getragen. Einige Einzelheiten des HETs sind von außen sichtbar, wenngleich die Elektronenemissions-Kathode 12, das Austrittsende 14 der ringförmigen Entladungskammer oder -zone 16 und die äußeren Elektromagneten 18 in dieser Ansicht zu sehen sind. Wie weiter unten im einzelnen beschrieben wird, wird der Vorschub erreicht durch nach außen, in Richtung des Betrachters und gemäß Fig. 1 nach rechts aus der ringförmigen Entladungszone oder Austrittszone 16 beschleunigte Ionen.
• Mehr Einzelheiten sind in der Schnittansicht der Fig. 2 zu erkennen. Die endlose ringförmige Ionenerzeugungs- und Austrittszone 16 ist zwischen einem äußeren Keramikring 20 und einem inneren Keramikring 22 gebildet. Das Keramikmaterial ist elektrisch isolierend, robust sowie licht- und erosionsbeständig. Es ist wünschenswert, ein im wesentlichen radial gerichtetes Magnetfeld in der Entladungszone zu erzeugen, und zwar zwischen einem äußeren ferromagnetischen Polstück 24 und einem inneren ferromagnetischen Polstück 26. Bei der dargestellten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, daß die äußeren Elektromagnete 18 Wicklungen 28 auf Spulenkörpern 30 mit inneren ferromagnetischen Kernen 32 besitzen. An dem Austrittsende des Beschleunigers sind die Kerne 32 magnetisch mit dem äußeren Polstück 24 gekoppelt. An dem hinteren oder geschlossenen Ende des Beschleunigers sind die Kerne 32 magnetisch mit einer ferromagnetischen Rückplatte 34 gekoppelt, die magnetisch mit dem ferromagnetischen Mittelkern oder -schaff 36 gekoppelt ist. Der Schaft 36 ist magnetisch mit dem inneren Pol 26 gekoppelt. Diese Elemente bilden einen durchgängigen magnetischen Weg von dem äußeren Pol 24 zu dem inneren Pol 26, und sie sind derart konfiguriert, daß der magnetische Fluß mehr oder weniger am Austrittsendbereich der ringförmigen Entladungszone 16 konzentriert wird. Zusätzlicher magnetischer Fluß kann durch einen inneren Elektromagneten mit Wicklungen 38 um den Zentralkern 36 bereitgestellt werden.
• Struktur-Abstützung wird durch ein äußeres Strukturkörperelement 39 aus isolierendem und nicht magnetischem Material gebildet, welches den Bereich zwischen dem äußeren Keramikring 20 und dem Außenpol 24 an einem Ende und der Rückplatte 34 an dem anderen Ende überbrückt. Ein ähnliches inneres Strukturkörperelement 40 erstreckt sich zwischen dem Innenring 22 und der Rückplatte 34. Eine Tellerfeder 41 liegt zwischen den hinteren Enden der Strukturelemente 39 und 40 und der Rückplatte 34, um hauptsächlich eine thermisch bedingte Ausdehnung und Kontraktion des gesamten Antriebsgestells zu ermöglichen.
• Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Kathode 12 ist elektrisch mit der Beschleunigeranode 32 gekoppelt, die sich stromaufwärts bezüglich des Austrittsendes der ringförmigen Gasentladungszone 16 befindet, welche zwischen dem äußeren und dem inneren Keramikring 20 und 22 definiert ist. Das elektrische Potential zwischen der Kathode 12 und der Anode 42 wird bereitgestellt durch eine Stromversorgungs- und Konditionierelektronik 44, wobei das Potential zu der Anode über eine oder mehrere elektrisch leitende Stäbe 46 geführt wird, die sich durch die Rückplatte 34 des HETs 10 erstrecken. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält die Anode eine elektrisch leitende Innenwand und eine Außenwand 48 und 50 und einen ringförmigen vorstehenden Abschnitt 52 zwischen Innenwand und Außenwand. Der Endbereich des vorstehenden Abschnitts erstreckt sich stromabwärts in der Nähe der stromaufwärtigen Ränder der Austrittsringe 20 und 22.
• Die Rückseite der Anode besitzt ein oder mehrere Gasverteilungskammern 54. Von einem Gasvorratssystem 56 kommendes Antriebsgas, beispielsweise Xenon, wird den Kammern 54 über eine oder mehrere Zuführleitungen 58 zugespeist. Erfindungsgemäß wird das Antriebsgas dann durch einen Gasverteiler 60 aus porösem Metall zu der Entladungszone 16 verteilt. Der poröse Metall- Gasverteiler 60 wird weiter unten in Verbindung mit den Fig. 3 bis 12 näher erläutert.
• Ein weiteres, magnetisch permeables Element ist als speziell ausgebildetes Fluß-Bypassbauteil 61 mit Umfangsseiten im Inneren der inneren Anodenwand 48 und außerhalb der äußeren Anodenwand 50 sowie als ein rückwärtiger Abschnitt oder ein Steg hinter der Anode 42 vorgesehen, um die innere und die äußere Seite der Bypasskomponente zu verbinden.
• Im allgemeinen werden Elektronen von der Kathode 12 in Richtung der Entladungszone 16 aufgrund der Differenz des elektrischen Potentials zwischen Kathode und Anode 42 gezogen. Die Elektronen kollidieren mit Atomen des Antriebsgases und erzeugen Ionen und Sekundärelektronen. Die Sekundärelektronen setzen ihren Weg in Richtung der Anode fort, die Ionen werden in Form eines Strahls beschleunigt, der aus der Entladungszone heraus gerichtet ist, wodurch eine Reaktionskraft entsteht, die zur Beschleunigung eines Raumfahrzeugs genutzt werden kann.
• Das Magnetfeld zwischen dem äußeren und dem inneren Pol 24 und 26 hat mehrere wichtige Eigenschaften, darunter die Steuerung des Verhaltens der Elektronen. Wenn Elektronen in Richtung der Anode gezogen werden, vollziehen sie eine komplexe Bewegung, die sich hauptsächlich aus einer Cyclotron- Bewegung, einer gekreuzten Felddrift und der Ablenkung durch gelegentliche Kollisionen zusammensetzt. Elektronen werden als in hohem Maß magnetisiert angesehen, da sie eine schraubenförmige Bewegung bei der sogenannten Kreiselfrequenz ωb = qB/m vollziehen, die viel größer ist als die Häufigkeit von Kollisionen mit Wänden oder ungleichen Partikeln, νc, wobei q die Elektronenladung, B die Stärke des Magnetfelds und m die Masse eines Elektrons ist. Das Verhältnis der Kreiselfrequenz zu der Kollisionshäufigkeit νc wird als Hall-Parameter β = ωb/νc bezeichnet. Dieser schraubenförmigen Bewegung ist eine Drift überlagert, die aus einer Kombination gekreuzter elektrischer und magnetischer Felder zustande kommt. Diese Drift verläuft rechtwinklig zur Richtung des elektrischen Feldes und rechtwinklig zu dem Magnetfeld. Da das elektrische Feld sich in Längsrichtung und das magnetische Feld sich in radialer Richtung erstreckt, wird die Drift etwa in Umfangsrichtung innerhalb der ringförmigen Entladungszone 16 erzeugt. Der Elektronenstrom aufgrund dieser Drift wird als der Hall-Strom bezeichnet und ist gegeben durch
• wobei, ne die Elektronendichte ist, der Vektor des elektrischen Feldes ist und der Vektor des magnetischen Feldes ist. Man kann zeigen, daß der Elektronenstrom rechtwinklig zu
• ist, wobei ue die skalare Elektronenbeweglichkeit und pe der Elektronendruck ist. Das Verhältnis des Hall-Stroms zu dem rechtwinkligen Strom erweist sich zu jh/j = β.
• Das elektrische Feld für diese Vorrichtung ist etwa rechtwinklig zu dem Magnetfeld. Dies ergibt sich aus der Beweglichkeit der Elektronen, die in den Richtungen parallel zu dem Magnetfeld und senkrecht zu diesem verschieden ist. Die parallele Elektronenbeweglichkeit ist unbehindert sicher für Kollisionen und elektrische Feldkräfte. Die senkrechte Bewegung ist beschränkt durch eine Cyclotron-Umlaufbahn, abgelenkt durch seltene Kollisionen. Im Ergebnis ist das Verhältnis von paralleler zu rechtwinkliger Mobilität
• der für β = 100 effektiv potentielle Schwankungen in Richtung des Magnetfelds ausschließt. Damit bilden Kurven, die die Richtung des Magnetfelds definieren, eine Annäherung an Äquipotentialkonturen. Damit verläuft das elektrische Feld effektiv rechtwinklig zu dem magnetischen Feld in Hall-Beschleunigern.
• Eine weitere bedeutsame Eigenschaft ist die Gleichförmigkeit der Dichte des Magnetfelds in Richtung der Driftgeschwindigkeit. Bei einem kreisförmigen Beschleuniger ist dies die azimuthale Richtung, das heißt die Richtung etwa in Umfangsrichtung in der Entladungszone 16. Schwankungen in der neutralen Dichte führen zu Schwankungen in der Elektronendichte. Wenn der Hall-Strom durch Zonen variierender Dichte fließt, werden Elektronen beschleunigt und verzögert, was die Bewegung quer zu dem Magnetfeld erhöht. Dies führt zu einer effektiven Sättigung des Hall-Parameters. Schwankungen der Magnetfeldstärke in Driftrichtung haben einen ähnlichen Effekt. Beispielsweise kann eine 5% betragende Schwankung der Elektronendichte dazu führen, daß der effektive Hall-Parameter auf ein Maximum von etwa 20 beschränkt wird.
• Die Magrietfeldstärke wird so eingestellt, daß die Länge des Elektronen-Kreiselradius, auch bekannt als der Larmor-Radius, rg = V /ωb, wobei v die Geschwindigkeitskomponente von Elektronen rechtwinklig zu dem Magnetfeld ist, kleiner ist als die radiale Breite ΔR der Entladungszone 16. Der Ionen-Kreiselradius ist um das Verhältnis der Ionenmasse zur Elektronenmasse, ein Faktor von einigen Tausend, größer. Folglich ist der Krümmungsradius der Ionen groß im Vergleich zu den Vorrichtungsabmessungen, und Ionen werden von der Anode weg relativ unbeeinflußt durch das Magnetfeld beschleunigt.
• Das Magnetfeld formt das elektrische Potential, welches wiederum Einfluß auf die Beschleunigung der Partikel hat. Eine konkave (stromaufwärte) und konvexe (stromabwärtige) Gestalt hat linsenähnliche Eigenschaften, indem sie den Ionenstrom fokussiert bzw. defokussiert. Genauer gesagt, neigen Ionen dazu, in eine Richtung rechtwinklig zu einer Tangente an eine Äquipotentiallinie beschleunigt zu werden. Wenn diese Linie bei Betrachtung von der stromaufwärtigen zu der stromabwärtigen Seite konvex ist, werden Ionen in Richtung der Mitte der Entladungszone beschleunigt, und es kommt zu einem Fokussiereffekt. Bei solchen Fokussiereigenschaften wird diese Besonderheit des magnetischen Systems als Plasmalinse bezeichnet.
• Fig. 3 veranschaulicht einen aus porösem Metall bestehenden Gasverteiler 60 mit einem keilförmigen Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der Erfin dung. Bei dieser Ausführungsform ist der Gasverteiler 60 für den Einsatz in einem MET des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Typs ausgebildet.
• Der Gasverteiler 60 ist an das Ausgangsende einer Zuführleitung 58 angeschlossen. Der Gasverteiler 60 enthält eine Austrittsfläche 71, die sich in der Nähe der Zone befindet, an der die Zuführleitung 58 an den Gasverteiler 60 angeschlossen ist. Die Austrittsfläche 71 ist im wesentlichen in Quer- oder radialer Richtung relativ zur Längsachse des HETs 10 (Fig. 1) orientiert. Folglich strömt das Antriebsgas zunächst aus dem Gasverteiler 60 heraus in einer Richtung, die im wesentlichen radial von der Längsachse des HETs 10 (Fig. 1) weg verläuft. Dieser Typ von Gasverteiler wird hier als Radialstrom-Gasverteiler bezeichnet.
• Der Gasverteiler 60 ist aus einem porösen Metall hergestellt. Das poröse Metall ist zu einem Ring mit keilförmigem Querschnitt unter Einsatz herkömmlicher Fertigungsmethoden zum Herstellen von porösem Metall ausgebildet. Diese üblichen Fertigungsmethoden für poröses Metall dienen auch zum Ausarbeiten der Poren in dem porösen Metall in der Weise, daß die Poren eine gewünschte mittlere Größe besitzen. Bei dieser Ausführungsform ist das poröse Metall aus einem Pulver aus nicht magnetischem Edelstahl gebildet. Edelstahl wird vorzugsweise verwendet, um die Ausdehnungskoeffizienten bezüglich der anderen Strukturen in dem HET 10 (Fig. 1) anzupassen. Im allgemeinen stehen Porengröße und Porendichte in Beziehung zur Größe des Pulvers, wobei eine Zunahme der Pulverkorngröße zu einer größeren Porosität führt (und zu einer stärkeren Strömung durch das poröse Material). Derartiges poröses Material ist im Handel erhältlich von SSI Sintered Specialities, Janesville Wisconsin, GKN Sinter Metal, Terryville, Connecticut und Mott Industrial, Farmington, Connecticut. Diese kommerziellen Quellen können häufig das poröse Metallmaterial in jeder beliebigen Form liefern, beispielsweise in der ringförmigen keilförmigen Konfiguration dieser Ausführungsform. Bei alternativen Ausführungsformen, bei denen der Gasverteiler 60 nicht als Anode füngiert und eine von der Anode 42 separate Struktur darstellt, kann der Gasverteiler 60 aus einem nicht leitenden Material hergestellt sein, beispielsweise Keramik.
• Der Gasverteiler 60 enthält außerdem eine Ausnehmung oder ein Plenum 73, welches eine Eingangsfläche 75 des Gasverteilers bildet. Die Größe und Form des Plenums 73 sind so gewählt, daß eine gewünschte Dicke zwischen den Eintritts- und Austrittsflächen des Gasverteilers 60 erhalten wird. Die Konfiguration der Eintritts- und Austrittsflächen bildet im Verein mit der Dicke des porösen Metalls zwischen diesen Oberflächenformen eine Düse zum Verteilen von Antriebsgas. Bei einer Ausführungsform bestand das poröse Metall aus Pulver mit einer Größe von 5 um bei einer Dicke von etwa 1,5 mm zwischen Eintritts- und Austrittsfläche.
• Zusätzlich enthält der Gasverteiler 60 ein nicht-poröses Finish 77, das diejenigen Bereiche des porösen Metall-Gasverteilers abdeckt, die Verunreinigungen ausgesetzt sind, die aus der Gasentladungszone stromaufwärts strömen. Damit trägt das Finish 77 zur Definierung der Austrittsfläche 71 bei. Das Finish 77 wird gebildet durch Niederschlagen eines Metallfilms auf die gewünschten Bereiche des Gasverteilers. Beispielsweise kann man zur Bildung des Finish 77 von herkömmlichem Sputtern, Aufdampfen oder von Plasmasprühverfahren Gebrauch machen. Alternativ kann man eine mechanische Oberflächenverformung einsetzen, um Porenöffnungen zur Bildung des Finish 77 zu versiegeln.
• Im Betrieb tritt Antriebsgas in das Plenum 73 aus der Zuführleitung 58 ein. Bei dieser Ausführungsform ist das Antriebsgas Xenon-Gas, das eine Viskosität von etwa 4,5 · 10&supmin;&sup4; Poise unter den erwarteten Betriebsbedingungen aufweist. Das Antriebsgas gelangt dann von der Eingangsfläche 75 durch das poröse Metall des Gasverteilers 60 zu der Austrittsfläche 71 hinaus in die Gasentladungszone 16 (Fig. 2). Das poröse Metall des Gasverteilers 60 dient als Strö mungswiderstand, der dazu beiträgt, die Gleichförmigkeit zu steigern. Insbesondere ist der Gasverteiler 60 als Ring geformt, so daß er der ringförmigen Gasentladungszone des HET 10 entspricht (Fig. 1). Die Strömungsdrosselung, die durch den porösen Metall-Gasverteiler gebildet wird, ist an sämtlichen Punkten des "Rings" im wesentlichen gleichförmig. Unter der Annahme, daß der Druck des Antriebsgases an sämtlichen Punkten der Eintrittsfläche des Gasverteilers 60 im wesentlichen gleichförmig ist, sorgt das poröse Metall für einen gleichförmigen Strom des Antriebsgases aus der Austrittsfläche 71. Das Antriebsgas diffundiert dann stromabwärts von der Eintrittsfläche 71 in die ringförmige Entladungszone 16. Obschon die Austrittsfläche 71 radial orientiert ist, bildet das Antriebsgas eine gleichförmige axiale Strömung (das heißt von der Austrittsfläche 71 zu der ringförmigen Entladungszone 16), weil das Antriebsgas hinter der Austrittsfläche 71 eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung besitzt. Insbesondere wird ein radialer Gasstrom von der Anode 42 in axialer Richtung umgelenkt, so daß der axiale Gasstrom am Anfang nicht gleichmäßig verteilt sein kann. Allerdings ermöglicht der relativ niedrige Druck in der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) im Verein mit dem anfänglichen gleichförmigen radialen Gasstrom, daß der axiale Gasstrom so verläuft, daß er nach relativ kurzer Distanz eine gleichförmige Verteilung erreicht (etwa fünf bis 10 Millimeter stromabwärts von der Austrittsfläche 71).
• Als Ergebnis der relativ rasch erreichten gleichförmigen axialen Gasströmung läßt sich die axiale Länge der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) signifikant kürzer halten als bei den oben erläuterten herkömmlichen Gasverteilungsystemen. Dieses Merkmal ermöglicht, daß der HET 10 (Fig. 1) signifikant kompakter gestaltet werden kann, was in vorteilhafter Weise ermöglicht, daß der HET 10 ( Fig. 1) weniger Gewicht und Baugröße hat als herkömmliche HETs. Die geringere Länge ermöglicht eine weitere Größen- und Gewichtsabnahme, weil die zusätzliche Strukturfestigkeit zum Widerstehen der intensiven Beschleunigun gen und Vibrationen beim Raketenabschuß bei einem kompakten HET signifikant reduziert sind.
• Im allgemeinen hängen die Porengröße, die Porendichte, die Dicke und die Austrittsfläche von dem verwendeten Antriebsgas ab, weiterhin von dem für das Antriebsgas gewünschten Strömungsdurchsatz in die Gasentladungszone und dem Druckunterschied, der zwischen Eintritts- und Austrittsfläche des Gasverteilers angestrebt wird. Bei dieser Ausführungsform sind Porengröße, Porenverteilung, Dicke des porösen Metalls und Austrittsflächengröße so konfiguriert, daß ein Strömungsdurchsatz von etwa 10 mg Xenon-Gas erreicht wird, wenn die Gaszahldichte an der Eintrittsfläche etwa 1 · 10²&sup4;/m³ beträgt und die Gaszahldichte in der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) etwa 4 · 10¹&sup9;/m³ beträgt. Eine Zunahme der durchschnittlichen Porengröße, Porendichte oder der Austrittsflächengröße hätte die Wirkung, den Durchsatz zu erhöhen und die Druckdifferenz zu senken, während eine Zunahme der Dicke des porösen Metalls oder der Viskosität des Antriebsgases die Wirkung hätte, den Strömungsdurchsatz zu verringern und die Druckdifferenz zu erhöhen. Fertigungsmethoden für poröses Metall sind im allgemeinen deutlich weniger kostspielig und zeitraubend als die oben erläuterten Systeme, die Injektoren verwenden.
• Weil die Austrittsfläche 71 im wesentlichen parallel zur Längsachse des HETs 10 (Fig. 1) verläuft, bleiben Verunreinigungen, die von der Gasentladungszone 14 stromaufwärts strömen, weniger wahrscheinlich an der Austrittsfläche 71 haften. Wenn der HET 10 (Fig. 1) in Betrieb ist, erodiert das in der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) gebildete Plasma dielektrische Abschnitte des HETs 10, die einen Teil der Gasentladungszone 16 definieren. Weil das Gas verdünnt ist, können einige der Partikel oder Verunreinigungen, die von diesen dielektrischen Bereichen des HETs 10 (Fig. 1) erodiert sind, stromaufwärts in Richtung des Gasverteilers 60 strömen. Diese Partikel können die Poren des porösen Metalls verstopfen und dadurch die Gleichmäßigkeit des Gasstroms durch das poröse Metall verringern. Weil die Austrittsfläche 71 des Gasverteilers 60 parallel zu der allgemeinen Richtung der dielektrischen Bereiche des HETs 10 (Fig. 1) orientiert ist, ist es unwahrscheinlich, daß die Verunreinigungen auf die Austrittsfläche 71 auftreffen.
• Der keilförmige Querschnitt des porösen Metall-Gasverteilers kann dazu beitragen, das elektrische Feld in der Zone nahe dem Gasverteiler 60 zu formen. Es ist daran gedacht, daß durch elektrisches Verbinden des Gasverteilers 60 mit der Anode 42 das Potential des Gasverteilers 60 im wesentlichen dem der Anode gleicht, um dadurch das elektrische Feld in der Nähe des Gasverteilers 60 zu beeinflussen. Dieser Effekt ist in dem US-Patent 6 075 321 von V. Hruby, eingereicht am 30. Juni 1998, beschrieben. Bei Ausführungsformen, die nicht- leitendes poröses Material zur Herstellung des Gasverteilers 60 verwenden, kann das Finish 77 aus leitendem Material bestehen und kann elektrisch mit der Anode 42 verbunden sein.
• Fig. 4 ist eine Querschnittansicht einer Anodenanordnung, die einen keilförmigen Radialstrom-Gasverteiler 60 aus porösem Metall gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Diese Ausführungsform des Gasverteilers 60 ist im wesentlichen ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 3, nur daß bei dieser Ausführungsform der Gasverteiler 60 eine Schürze oder einen Überhang 79 enthält, der sich stromabwärts bezüglich der Austrittsfläche 71 befindet. Die Schürze 79 verhindert zusätzlich, daß Verunreinigungen die Austrittsfläche 71 erreichen.
• Fig. 5 ist eine Längsschnittansicht einer Anodenanordnung, die den porösen Metall-Gasverteiler 60 enthält, welcher eine flache Bauweise mit einer Abschirmung 80 und einer Plenum-Struktur 82 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Bei dieser Ausführungsform bilden die flache ringförmige Struktur aus porösem Metall und die Plenum-Struktur 82 ein Plenum 73, wel ches strömungsverbunden zwischen der Gasleitung 58 und der Eintrittsfläche 75 angeordnet ist. Die Abschirmung 80 befindet sich stromabwärts bezüglich der Austrittsfläche 71 und ist mit dieser ausgerichtet. Die Abschirmung kann durch dünne radiale Speichen 81, hier durch gestrichelte Linien dargestellt, welche sich zwischen den Umfangsrändern der Abschirmung und den leitenden Innen- und Außenwänden der Anode erstrecken, in ihrer Lage gehalten werden. Bei dieser Ausgestaltung verhindert die Abschirmung 80, daß ein Großteil der Verunreinigungen, die von der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) stromaufwärts wandern, die Austrittsfläche 71 treffen. Allerdings läßt die Abschirmung 80 einige Bereiche entlang den Rändern der flachen, ringförmigen Struktur aus porösem Metall unbedeckt, so daß der Strom des Antriebsgases in die Gasentladungszone 16 möglich ist. Diese freiliegenden Bereiche sind empfindlich für Verstopfung, wobei allerdings durch die relativ große Fläche der Austrittsfläche 71, die von der Abschirmung 80 geschützt wird, eine solche Verstopfung die Leistungsfähigkeit des HETs 10 (Fig. 1) nicht signifikant beeinträchtigt. Da der anfängliche Strom des Antriebsgases aus der Austrittsfläche 71 allgemein parallel zur Längsachse des HETs 10 (Fig. 1) gerichtet ist, wird diese Ausführungsform des Gasverteilers 60 hier als Axialstrom-Gasverteiler bezeichnet.
• Die Abschirmung 80 stört ein wenig die gleichförmige Gasverteilung, wenn das Antriebsgas in Richtung der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) strömt. Das heißt, der Effekt der Abschirmung 80 ist ähnlich dem Effekt der Anode 42 bei der Radialstrom-Ausführungsform, die oben in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde. Wie oben ausgeführt ist, wird, weil am Anfang von der Austrittsfläche 71 ausgehend eine gleichförmige Gasverteilung erfolgt, der Strom in Richtung der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) gleichmäßig innerhalb einer kurzen Spanne stromabwärts bezüglich der Abschirmung 80 verteilt. Damit trägt die Abschirmung 80 dazu bei, einen Gasstrom mit gleichmäßiger Verteilung ausgehend von der Austrittsfläche 71 während der Lebensdauer des HETs 10 (Fig. 1) zu garantieren, indem verhindert wird, daß eine Aufwärtsbewegung von Verunreinigungen das poröse Metall an der Austrittsfläche 71 verstopft.
• Fig. 6 ist ein Querschnitt einer Anodenanordnung, die einen keilförmigen Axialstrom-Gasverteiler 60 aus porösem Metall gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform des Gasverteilers 60 ist der Ausführungsform nach Fig. 4 ähnlich, nur daß bei dieser Ausführungsform die Austrittsfläche 71 stromabwärts weist, so daß es am Anfang einen axialen Gasstrom gibt. Stromabwärts bezüglich der Austrittsfläche 71 befindet sich eine Schürze oder ein Überhang 79, der dazu beiträgt, Verunreinigungen am Erreichen der Austrittsfläche 71 zu hindern. Die Schürze 79 bewirkt eine relativ schwache Unterbrechung der Gleichförmigkeit der Gasdichte, die aber wieder durch Diffusion des Antriebsgases rasch gleichmäßig gemacht wird.
• Fig. 7 ist ein Längsschnitt einer Anodenanordnung, die einen flachen Gasverteiler 60 aus porösem Metall mit einer keilförmigen Abschirmungselektrode 80 enthält. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 5, nur daß bei dieser Ausführungsform die Abschirmung 80 keilförmig und elektrisch mit der Anode 42 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform bildet die Keilform und die Leitfähigkeit der Abschirmung 80 die vorteilhaften Merkmale der Ausführungsform der Fig. 3 und 4.
• Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch eine Anodenanordnung, die einen kombinierten Anoden/Gasverteiler (kombinierte Anode) 85 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Diese Ausführungsform ist ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 5, nur daß hier die Abschirmung 80 ersetzt ist durch einen stromabwärtigen Abschnitt 85&sub1;, der in Berührung mit einem flachen, ringförmigen Abschnitt aus porösem Metall des Gasverteilers 80 steht. Der flache, ringförmige Abschnitt aus porösem Metall des Gasverteilers 80 ist in Fig. 8 als Gasverteilerabschnitt 85&sub2; bezeichnet. Der stromaufwärtige Abschnitt 85&sub1; und der Gasverteilerabschnitt 85&sub2; bilden eine kombinierte Anode 85, die auf Anodenpotential gehalten wird, damit sie sowohl als Gasverteiler als auch als Anode 42 arbeitet (Fig. 5).
• Bei dieser Ausführungsform ist der stromabwärtige Abschnitt 85&sub1; ebenfalls aus porösem Material gefertigt, damit Antriebsgas aus dem Gasverteilerabschnitt 85&sub2; strömen und aus der Austrittsfläche 87 in die Gasentladungszone 16 (Fig. 2) austreten kann. Der stromabwärtige Abschnitt 85&sub1; ist vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material gefertigt, beispielsweise austenitischem Edelstahl, während der stromaufwärtige Abschnitt 85&sub2; und die Anode 42 vorzugsweise aus magnetisch permeablem Material gefertigt sind, beispielsweise aus ferritischem Edelstahl.
• Der stromabwärtige Abschnitt 85&sub1; besitzt eine Porengröße und Porendichte, die für relativ geringen Strömungswiderstand sorgen und dadurch dem stromaufwärtigen Abschnitt 85&sub2; ermöglichen, in wirksamer Weise den Durchsatz und die Dichte des Gasstroms in die Gasentladungszone 16 (Fig. 2) zu steuern. Der Abschnitt 85&sub1; ist vorzugsweise leitend, so daß er als Anode fungieren kann. Der stromaufwärtige Abschnitt 85&sub1; besitzt eine gekrümmte Austrittsfläche 87, die der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) zugewandt ist. Die Krümmung der gekrümmten Austrittsfläche 87 ist so gestaltet, daß sie an die Krümmung der Magnetfeldlinien angepaßt ist (welche annähernd Äquipotentiallinien sind), die während des Betriebs zu der oben angesprochenen, von dem HET 10 (Fig. 1) erzeugten Plasmalinse gehören. Dieses Merkmal ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Ionisierung des Antriebsgases auf im wesentlichen gleichem, gut definierten Potential, was die Fokussierung durch die Plasmalinse verbessert. Darüber hinaus ermöglichen die Zusammensetzung und die Form der kombinierten Anode 85, daß die Gasentladung einen Anodenschicht-Ionisierungsmechanismus anstelle eines Magnetschicht-Ionisierungsmechanismus bildet.
• Fig. 9 ist eine Längsschnittansicht einer Anodenanordnung, die einen Radialstrom-Gasverteiler 89 aus porösem Metall gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält. Bei dieser Ausführungsform besitzt der Gasverteiler 89 einen U-förmigen Querschnitt mit einem nicht-porösen Finish 77 auf den stromabwärts weisenden Flächen. Das Finish 77 kann in der oben in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Weise gebildet werden. Der Gasverteiler 89 ist dem Gasverteiler nach Fig. 5 im wesentlichen ähnlich, nur daß die Abschirmung 80 weggelassen und die Austrittsfläche 71 so orientiert ist, daß sie in eine Richtung etwa rechtwinklig zur Längsachse des HETs 10 (Fig. 1) und in Richtung der Innenfläche der gegenüberliegenden Anoden-Seitenwand weist. Folglich verläuft der anfängliche Antriebsgasstrom aus dem Gasverteiler 89 radial "nach innen" (das heißt von den Seitenwänden der Anodenstruktur nach innen), und nicht "nach außen" wie bei dem Gasverteiler nach Fig. 3. Wie bei dem Gasverteiler nach Fig. 3 unterstützt die senkrechte Orientierung der Austrittsfläche 71 die Vermeidung von Verstopfungen durch stromaufwärts wandernde Verunreinigungen.
• Bei der in Fig. 10 dargestellten Variante führt die Gaszuführleitung 58 zu einem Plenum 73 rechteckigen Querschnitts. Der Hauptanteil der Auslaßseite des Plenums ist von einer ringförmigen Platte 150 verschlossen, die eine Reihe von mittigen Perforationen oder Auslaßschlitzen 152 aufweist. Diese Perforationen oder Schlitze führen zu der Einlaßseite 75 eines aus porösem Metall bestehenden Gasdiffusors 120, der sich radial nach innen und nach außen über die einander abgewandten Ränder der Schlitze 152 erstreckt. Die Oberfläche des aus porösern Metall bestehenden Gasdiffusors gegenüber der Einlaßfläche 75 kann mit einem nicht-porösen Material überzogen sein, vorzugsweise ist sie aber mit einer dünnen massiven Flachstückabschirmung 80 bedeckt, die sich über die Innen- und Außenränder des aus porösem Metall bestehenden Gasdiffusors radial nach innen und nach außen erstreckt. Diese Innen- und Außenrän der des aus porösem Metall bestehenden Gasdiffusors bilden nach außen weisende Auslaßflächen 71 des Gasverteilers.
• Fig. 11 zeigt eine Anode 42' des oben allgemein in Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Typs, eingebaut in einen HET des in Fig. 1 und 2 dargestellten allgemeinen Typs. Die Anode 42' enthält einen rückwärtigen Plenum-Abschnitt 73. Eine aus porösem Metall bestehende Gasverteilerplatte 120 erstreckt sich quer über die Front des Plenums, um eine gleichmäßige Verteilung von Gas zu erreichen, welches das Plenum in Richtung des Ionisierungs-Beschleunigungsbereichs 16 verläßt. Die Platte 120 ist ringförmig und verschließt den Gasverteilungsbereich, der zu der Ionisierungs- und Beschleunigungszone 16 führt. Die Abschirmung 80 befindet sich stromabwärts bezüglich der Platte 120. Die Abschirmung ist ein dünner, flacher Ring mit kreisförmigen Perforationen 81, damit das Antriebsgas durch die Abschirmung in der Weise strömen kann, daß die Gasverteilung näher an der stromabwärtigen Seite bezüglich der Abschirmung zunehmend gleichmäßiger wird. Die Perforationen haben einen Durchmesser von etwa 1 mm, können aber von etwa 0,5 mm bis etwa 4 mm reichen, vorausgesetzt, der Anteil der offenen Fläche der Perforationen ist beschränkt auf etwa zwanzig bis fünfzig Prozent. Darüber hinaus ist der Perforationsdurchmesser so gewählt, daß ein Verhältnis von Eins-zu-Zehn erreicht wird zwischen dem Abstand zwischen der stromabwärtigen Oberfläche der Abschirmung 80 und dem Austrittsende der Anode 42 (in Fig. 11 mit "H" bezeichnet). Wenngleich die Perforationen ermöglichen, daß einige stromaufwärts wandernde Verunreinigungen auf einige Bereiche der Austrittsfläche 71 auftreffen und die Poren dieser nicht abgeschirmten Bereiche verstopfen, so reichen doch die verbleibenden abgeschirmten Bereiche der Austrittsfläche 71 aus, um den gewünschten Gasstrom, die Gleichmäßigkeit und die Gasdichte innerhalb der Gasentladungszone 16 (Fig. 2) zu erzielen.
• Die Wände 128 der Anode 42' sind elektrisch leitend, und es wird bevorzugt, daß die poröse Gasverteilungsplatte 120 ebenfalls elektrisch leitend ist. Damit haben die Wände und die Platte gleiches Potential (das Anodenpotential). Die modifizierte Anode 42' kann im wesentlichen von einem Käfig-Shunt 61 umgeben sein, um eine gewünschte Formung des Magnetfelds innerhalb des Austrittsbereichs des HETs zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann die poröse Gasverteilungsplatte 120 aus einem Material gefertigt sein, welches sowohl elektrisch leitend als auch magnetisch permeabel ist, wie dies auch für die Anodenwände 128 zutreffen kann, um dadurch die gewünschte Formung mit oder ohne den Einsatz eines Käfig-Shunts zu erreichen.
• Ein geeignetes unmagnetisches, jedoch elektrisch leitendes Material für die poröse Gasverteilungsplatte ist austenitischer oder martensitischer Edelstahl, ein repräsentatives magnetisch permeables Metall ist ferritischer Edelstahl. Die Porengröße, die Porendichte, die Dicke und die Austrittsflächengröße der Gasverteilungsplatte 120 hängen von den gleichen Faktoren ab, wie sie oben beschrieben wurden.
• Außer der Anode 42' sind die Teile des HETs in Fig. 11 schematisch dargestellt, weil sie mit anderen Ausführungsformen von HETs übereinstimmen können. Vorzugsweise besitzt der die modifizierte Anode 42' enthaltende HET äußere Polflächen, die mit einer Isolierschicht 130 überzogen sind. Ein oder mehrere äußere Elektrodenringe 132, 134, 136, 138, 140 und 142 können vorgesehen sein, vorgespannt auf andere Potentiale als das Anoden- oder Kathodenpotential, um eine zusätzliche Formung des magnetischen und des elektrischen Feldes zu erreichen, obschon die Anode gemäß der Erfindung gleichermaßen mit Polflächen verwendbar ist, die keine zusätzlichen Elektroden aufweisen.
• Gemäß Fig. 12 und Fig. 13 ist bei einer alternativen Ausführungsform die stromabwärtige Abschirmung oder Prallplatte 80 mit etwa radial verlaufenden länglichen Schlitzen 81' anstatt mit kreisförmigen Perforationen ausgestattet. Jeder Schlitz verläuft von nahezu der inneren Anodenwand bis fast zu der äußeren Anodenwand und hat eine Breite von etwa 2 mm, vorzugsweise 0,5 bis 4 mm. Es ist auch bevorzugt, daß die offene Fläche der Schlitze nicht mehr als etwa 20 bis etwa 50 Prozent der Gesamtfläche der Prallplatte 80 ausmacht, vorzugsweise etwa 30 Prozent, und die Breite jedes Schlitzes so gewählt ist, daß ein Verhältnis von Eins-zu-Zehn erreicht wird, wenn man den Abstand zwischen der stromabwärtigen Oberfläche der Prallplatte und dem Austrittsende der Anode vergleicht. Abhängig von der Anwendung kann die Prallplatte aus magnetischem Material bestehen, um Einfluß zu haben auf die Formung des Magnetfelds in dem Bereich des Austrittsendes des Antriebs, oder die Prallplatte kann auch aus nicht magnetischem Material bestehen, um nicht die Formung des Magnetfelds durch andere Bauteile als einen Shunt 61 zu stören.
• Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, versteht sich, daß verschiedene Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang und Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (26)

1. Verfahren zum Verteilen eines Treibgases in eine Gasentladungszone (16) eines Hall-Effekt-Antriebs (HET; Hall effect thruster) (10), wobei der HET außerdem eine Gasversorgung (56), eine Gasleitung (58) und einen Gasverteiler aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverteiler mit einer Düse (60, 85, 89, 112) aus porösem Material hergestellt wird, welches eine durchschnittliche Porengröße, Porendichte, eine Eingangsfläche (75), eine Austrittsfläche (71, 87) und ein Dickenprofil zwischen Eingangs- und Austrittsfläche besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist:

die Düse (60, 85, 89, 112) wird derart ausgebildet, daß das poröse Material der Düse eine vorbestimmte durchschnittliche Porengröße, eine vorbestimmte Porendichte, eine vorbestimmte Flächengröße der Austrittsfläche (71, 87) der Düse besitzt, außerdem ein vorbestimmmtes Dickenprofil, derart, daß ein Strom des Treibgases durch die Düse mit einem vorbestimmten Durchsatz und einem vorbestimmten Druckabfall in die Gasentladungszone (16) erreicht wird, und

während des Betriebs des HET (10) wird das Treibgas von dem Gasvorrat (56) der Düse (60, 85, 89, 112) derart geliefert, daß das Treibgas in der Nähe der Eingangsfläche (75) der Düse eine vorbestimmte Eingangsgasdichte aufweist, wobei das Treibgas durch die Eingangsfläche hin zu der Austrittsfläche der Düse mit einer Nettoströmung in die Gasentladungszone bei einem vorbestimmten Durchsatz und einer vorbestimmten Gasdichte gelangt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Schritt des Konfigurierens der Düse (60, 85, 89, 112) derart, daß aus der Gasentladungszone (16) in Richtung der Düse strömende Verunreinigungen nicht an der Austrittsfläche (71) hatten, außerdem beinhaltet, daß in der Nähe der Düse eine Abschirmung (79, 80) vorgesehen wird, so daß die Abschirmung von der Gasentladungszone (16) kommende Verunreinigungen weniger auf die Austrittsfläche (71) der Düse auftreffen läßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Düse (60) einen als die Abschirmung fungierenden Überhang (79) enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die Abschirmung (80) Perforationen (81, 81') aufweist, wobei die Perforationen eine größere Größe besitzen als die Poren des porösen Materials der Düse.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Abschirmung (80) zu einem Ring mit keilförmigem Querschnitt gebildet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, weiterhin umfassend das Halten der Abschirmung (79, 80) auf einem Anodenpotential.

7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Schritt des Konfigurierens der Düse (60, 85, 89, 112) derart, daß von der Gasentladungszone (16) in Richtung der Düse strömende Verunreinigungen nicht an der Austrittsfläche (71) der Düse haften, außerdem beinhaltet, daß die Austrittsfläche (71) der Düse derart konfiguriert wird, daß diese nicht in die Richtung der Gasentladungszone (16) weist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Austrittsfläche (71) der Düse (60, 85, 89, 112) flach ist und derart orientiert ist, daß sie im wesentlichen parallel zu der Nettoströmung des Treibgases in die Gasentladungszone (16) orientiert ist.

9. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Düse (60, 85, 89, 112) derart konfiguriert ist, daß das Treibgas eine Anfangs-Nettoströmung aus der Austrittsfläche (71) der Düse in eine Richtung aufweist, die etwa rechtwinklig zu dem Nettostrom des Treibgases in die Gasentladungszone (16) verläuft.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gasverteiler außerdem einen gekrümmten Abschnitt (85) aufweist, der mit der Austritsfläche (87) der Düse gekoppelt ist, wobei der gekrümmte Abschnitt aus porösem Material mit einer gekrümmten Austrittsfläche besteht, wobei letztere der Gasentladungszone (16) zugewandt ist und eine Krümmung aufweist, die im wesentlichen zu der Krümmung der magnetischen Feldlinie in der Nähe der gekrümmten Austrittsfläche des gekrümmten Abschnitts während des Betriebs des HET (10) paßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das poröse Material des gekrümmten Abschnitts (85) derart konfiguriert ist, daß es einen Gasdurchsatz aufweist, der höher ist als der Gasdurchsatz der Düse (60, 85, 89, 112).

12. System zum Verteilen eines Treibgases in eine Gasentladungszone (16) eines Hall-Effekt-Antriebs (HET; Hall-effect thruster) (10), wobei der HET eine Gasversorgung (56) aufweist, umfassend:

eine Gasleitung (58), derart konfiguriert, daß sie Treibgas aus dem Gasvorrat (56) mit einer vorbestimmten Eingangsgasdichte liefert; und

eine Gasverteilereinrichtung (60, 85, 89, 120), die an die Gasversorgung (56) gekoppelt ist, um Treibgas aus der Gasversorgung (56) in die Gasentladungs zone (16) des HETs zu verteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteilereinrichtung (60, 85, 89, 120) eine Düse (60, 85, 89, 120) aus porösem Material enthält, wobei das poröse Material der Düse eine vorbestimmte durchschnittliche Porengröße, eine vorbestimmte Porendichte, eine Eingangsfläche (75), eine Austrittsfläche (71, 87) mit einer vorbestimmten Flächenerstreckung und ein vorbestimmtes Dickenprofil zwischen-Eingangs- und Austrittsfläche besitzt,

weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteilereinrichtung (60, 85, 89, 120) derart konfiguriert ist, daß sie während des Betriebs des HETs (10) Treibgas ermöglicht, von der Gasleitung (58) durch die Eingangsfläche (75) zu der Austrittsfläche (71, 87) der Düse mit einem Nettostrom in die Gasentladungszone (16) zu strömen, die einen vorbestimmten Durchsatz und eine vorbestimmte Gasdichte aufweist.

13. Gasverteiler zum Verteilen eines Treibgases in eine Gasentladungszone (16) eines Hall-Effekt-Antriebs (HET; Hall-effect thruster) (10), wobei der HET eine Gasversorgung (56) aufweist, gekennzeichnet durch:

eine Düse (60, 85, 89, 112), die aus einem porösen Material gebildet ist, welches eine vorbestimmte durchschnittliche Porengröße, eine vorbestimmte Porendichte, eine Eingangsfläche (75), eine Austrittsfläche (71, 87) mit einer vorbestimmten Flächengröße, und ein vorbestimmtes Dickenprofil zwischen Eingangs- und Austrittsfläche besitzt; und

ein Plenum (73), das mit der Düse (60, 85, 89, 112) und dem Gasvorrat (56) gekoppelt ist, wobei das Plenum (73) mit der Eingangsfläche (75) der Düse kommuniziert,

weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverteiler während des Betriebs des HETs (10) derart konfiguriert ist, daß ein von dem Gasvorrat (56) kommen des Treibgas in das Plenum (73) und durch die Eingangsfläche (75) zu der Austrittsfläche (71, 87) der Düse strömt, wobei das Treibgas aus der Austrittsfläche (71) der Düse (60, 85, 89, 112) mit einem Nettostrom in die Gasentladungszone (16) bei einem vorbestimmten Durchsatz und einer vorbestimmten Gasdichte strömt.

14. Gasverteilereinrichtung (60, 85, 89, 120) nach Anspruch 12 oder Gasverteiler nach Anspruch 13, wobei das poröse Material der Düse (60, 85, 89, 112) ein poröses Metall aufweist.

15. Gasverteilereinrichtung (60, 85, 89, 120) nach Anspruch 12 oder Gasverteiler nach Anspruch 13, wobei das Material der Düse (60, 85, 89, 112) poröses Keramikmaterial aufweist.

16. Gasverteiler nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Gasverteiler so konfiguriert ist, daß verhindert wird, daß Verunreinigungen, die aus der Gasentladungszone (16) in Richtung der Düse (60, 85, 89, 112) wandern, an der Austrittsfläche (71) der Düse haften bleiben.

17. Gasverteiler nach Anspruch 16, weiterhin umfassend eine Abschirmung (79, 80) zwischen der Austrittsfläche (71) der Düse (60, 85, 89, 112) und der Gasentladungszone (16), wobei die Abschirmung (79, 80) Verunreinigungen, die von der Gasentladungszone (16) kommen, an einem Auftreffen auf die Austrittsfläche (71) hindern.

18. Gasverteiler nach Anspruch 17, bei dem die Düse (60) einen Überhang (79) besitzt, der als die Abschirmung (79) füngiert.

19. Gasverteiler nach Anspruch 17, bei dem die Abschirmung (80) Perforationen (81, 81') aufweist, die eine größere Größe besitzen als die Poren des porösen Materials der Düse.

20. Gasverteiler nach Anspruch 18, bei dem die Abschirmung (80) als ein Ring mit keilförmigem Querschnitt ausgebildet ist.

21. Gasverteiler nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Abschirmung (79, 80) auf einem Anodenpotential gehalten wird.

22. Gasverteiler nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Gasverteiler derart konfiguriert ist, daß die Austrittsfläche (71) der Düse (60, 85, 89, 112) nicht in Richtung der Gasentladungszone (16) weist.

23. Gasverteiler nach Anspruch 22, bei dem die Austrittsfläche (71) der Düse (60, 85, 89, 112) im wesentlichen flach und derart orientiert ist, daß sie etwa parallel zu der Nettoströmung des Treibgases in die Gasentladungszone (16) verläuft.

24. Gasverteiler nach Anspruch 22, bei dem die Düse (60, 85, 89, 112) derart konfiguriert ist, daß das Treibgas einen Anfangs-Nettostrom aus der Austrittsfläche (71) der Düse in einer Richtung aufweist, die im wesentlichen rechtwinklig ist zu dem Nettostrom des Treibgases in die Gasentladungszone (16) hinein.

25. Gasverteiler nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem der Gasverteiler weiterhin einen gekrümmten, mit der Austrittsfläche (87) der Düse gekoppelten Abschnitt (85) aufweist, der aus porösem Material mit einer gekrümmten Austrittsfläche besteht, welche der Gasentladungszone (16) zugewandt ist und eine Krümmung besitzt, die im wesentlichen zu einer Krümmung einer Magnetfeld linie in der Nähe der gekrümmten Austrittsfläche des gekrümmten Abschnitts während des Betriebs des HETs (10) paßt.

26. Gasverteiler nach Anspruch 25, bei dem das poröse Material des gekrümmten Abschnitts (85) derart konfiguriert ist, daß es einen Gasdurchsatz aufweist, der höher ist als der Gasdurchsatz der Düse (60, 85, 89, 112).