EP0914560B1 - PLASMATRIEBWERK mit einer IONENSTRAHLFOKUSIERUNGSVORRICHTUNG - Google Patents

PLASMATRIEBWERK mit einer IONENSTRAHLFOKUSIERUNGSVORRICHTUNG Download PDF

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EP0914560B1
EP0914560B1 EP97925125A EP97925125A EP0914560B1 EP 0914560 B1 EP0914560 B1 EP 0914560B1 EP 97925125 A EP97925125 A EP 97925125A EP 97925125 A EP97925125 A EP 97925125A EP 0914560 B1 EP0914560 B1 EP 0914560B1
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pole piece
annular channel
flared
magnetic circuit
plasma thruster
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EP97925125A
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EP0914560A1 (de
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Leonid Aleckseevich Latischev
Akhmet Mialikovich Iakubov
Aidar Beksultanovich Jacoupov
Sergey Anatolievich Khartov
Dominique Valentian
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/14—Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field
    • H01J27/143—Hall-effect ion sources with closed electron drift
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the frustoconical pole piece 63 cooperates with the circuit peripheral magnetic device 60 and the pole pieces 3, 4 situated both sides of channel 1 to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel 1.
  • the density of ions is increased in the vicinity of the axis and is greatly diminished in the eccentric zone.
  • the ion beam is better collimated, which optimizes its use in industrial applications and in any case reduces the risk of contamination.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Claims (16)

  1. Plasmatriebwerk mit geschlossener Elektronendrift, umfassend:
    einen ringförmigen lonisierungs- und Beschleunigungskanal (1), welcher von Teilen (2) aus Isolationsmaterial gebildet ist und an seinem stromabwärtigen Ende eine Öffnung aufweist,
    wenigstens eine Hohlkathode (7), die außerhalb des ringförmigen Kanals (1) und stromabwärts dessen angeordnet ist,
    eine Ringanode (5), welche zu dem ringförmigen Kanal (1) konzentrisch ist und stromaufwärts der Öffnung des Kanals mit Abstand zu dieser angeordnet ist,
    erste (17) und zweite (6) Mittel zum Versorgen mit ionisierbarem Gas, die der Hohlkathode (7) bzw. der Ringanode (5) zugeordnet sind,
    einen Magnetkreis (3, 4, 10, 12) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem ringförmigen Kanal (1), wobei dieser Magnetkreis mehrere unterschiedliche Mittel (10; 11; 15) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, ein Joch (12), einen axial außerhalb des ringförmigen Kanals (1) angeordneten peripheren Magnetkreis (10) sowie einen peripheren Polschuh (3) und einen mittleren Poischuh (4), die über den peripheren Magnetkreis (10) und das Joch (12) miteinander verbunden und auf beiden Seiten des ringförmigen Kanals (1) angeordnet sind, aufweist, um ein im wesentlichen radiales Magnetfeld in einer zu der Achse des ringförmigen Kanals (1) senkrechten Austrittsebene (14) zu erzeugen,
       dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin folgendes umfaßt:
    einen trichterförmig erweiterten, im wesentlichen kegelstumpfförmigen Magnetpolschuh (63), der an seinen beiden Enden offen ist, koaxial zu der Achse des ringförmigen Kanals (1) verläuft, stromabwärts der Austrittsebene (14) gelegen ist und sich stromabwärts ausbaucht, sowie
    wenigstens einen zusätzlichen peripheren Magnetkreis (60; 80), welcher das stromabwärtige Ende des trichterförmig erweiterten Magnetpolschuhs (63) mit dem peripheren, außerhalb des Hilfskanals (1) befindlichen Polschuh (3) verbindet, wobei der trichterförmig erweiterte Magnetpolschuh (63) mit dem zusätzlichen peripheren Magnetkreis (60; 80) und den auf beiden Seiten des ringförmigen Kanals (1) befindlichen Polschuhen (3, 4) zusammenwirkt, um die Form des Magnetfeldes stromabwärts des ringförmigen Kanals (1) zu definieren, derart, daß der durch den ringförmigen Kanal (1) ausgesandte lonenstrahl gezwungen wird, innerhalb eines im wesentlichen konischen Bereichs zu bleiben, dessen vorbestimmter Spitzenwinkel durch den Spitzenwinkel des trichterförmig erweiterten Polschuhs (63) definiert wird.
  2. Plasmatriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Spitzenwinkel (α), welcher zwischen der Achse des ringförmigen Kanals (1) des Triebwerks und der Ausbauchung des trichterförmig erweiterten, im wesentlichen kegelstumpfförmigen Polschuhs (63) gebildet wird, zwischen 30° und 60° liegt.
  3. Plasmatriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Spitzenwinkel (α), welcher zwischen der Achse des ringförmigen Kanals (1) des Triebwerks und der Ausbauchung des trichterförmig erweiterten, im wesentlichen kegelstumpfförmigen Polschuhs (63) gebildet wird, 45° beträgt.
  4. Plasmatriebwerk nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmig erweiterte Polschuh (63) eine derartige Krümmung aufweist, daß der durch den Schuh und die Achse des Motors gebildete Winkel größer wird, wenn man sich von der Austrittsebene (14) stromabwärts entfernt, so daß ein zunehmendes Ausbreiten der Magnetfeldlinien ermöglicht wird.
  5. Plasmatriebwerk nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmig erweiterte Polschuh (63) mit einer Beschichtung (263) überzogen ist, welche dazu bestimmt ist, das Emissionsvermögen der Oberfläche des Schuhs zu erhöhen, eine elektrische Isolierung auszubilden oder einen Schutz gegen eine Kontamination zwischen dem ringförmigen Kanal (1) und dem trichterförmig erweiterten Polschuh (63) zu bilden.
  6. Plasmatriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (263) aus einem Material besteht, das mit demjenigen der Teile (2), welche den ringförmigen Kanal (1) begrenzen, identisch ist.
  7. Plasmatriebwerk nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (263) aus wenigstens einem der folgenden Materialien besteht: Aluminium, Bornitrid, Kieselerde, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Al2O3-TiO2 und TiN.
  8. Plasmatriebwerk nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmig erweiterte Polschuh (63) und der zusätzliche periphere Magnetkreis (60; 80) aus ferromagnetischem Material ohne Hinzufügen eines Permanentmagneten oder einer Magnetspule gefertigt sind.
  9. Plasmatriebwerk nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der von dem trichterförmig erweiterten Polschuh (63) und dem zusätzlichen peripheren Magnetkreis (60; 80) gebildeten Elemente aus elektrisch isolierendem Ferrit gefertigt ist.
  10. Plasmatriebwerk nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche periphere Magnetkreis (80) von einem einzigen ferromagnetischen Ring gebildet ist.
  11. Plasmatriebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmig erweiterte Polschuh (63) und der zusätzliche periphere Magnetkreis (80) von einem einzigen Teil gebildet sind, das an dem außerhalb des ringförmigen Kanals (1) befindlichen peripheren Polschuh (3) befestigt ist.
  12. Plasmatriebwerk nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (7) in einem in dem trichterförmig erweiterten Polschuh (63) gebildeten Loch (163) aufgenommen und mit einer ferromagnetischen Abschirmung (164) zum Schutz gegen das lokale Magnetfeld versehen ist.
  13. Plasmatriebwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Schutzschirm (164) um eine Zündelektrode (72) angeordnet ist, die ihrerseits den Körper (71) der Hohlkathode (7) umgibt.
  14. Plasmatriebwerk nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche periphere Magnetkreis (60) ferromagnetische Stäbe aufweist.
  15. Plasmatriebwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Stäbe von Permanentmagneten gebildet sind.
  16. Plasmatriebwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Stäbe aus Weicheisen bestehen und von Spulen (61) umgeben sind, deren Wicklungssinn derart ist, daß der in dem zusätzlichen peripheren Magnetkreis (60) erzeugte Magnetfluß in eine Richtung gerichtet ist, die zu derjenigen des Magnetflusses, welcher in dem axial außerhalb des ringförmigen Kanals (1) angeordneten peripheren Magnetkreis (10) erzeugt wird, entgegengesetzt ist.
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