EP1269803A2 - Plasma-beschleuniger-anordnung - Google Patents

Plasma-beschleuniger-anordnung

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Publication number
EP1269803A2
EP1269803A2 EP01933575A EP01933575A EP1269803A2 EP 1269803 A2 EP1269803 A2 EP 1269803A2 EP 01933575 A EP01933575 A EP 01933575A EP 01933575 A EP01933575 A EP 01933575A EP 1269803 A2 EP1269803 A2 EP 1269803A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arrangement
plasma
magnet
plasma chamber
longitudinal axis
Prior art date
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Granted
Application number
EP01933575A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1269803B1 (de
Inventor
Günter KORNFELD
Werner Schwertfeger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales Electron Devices GmbH
Original Assignee
Thales Electron Devices GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales Electron Devices GmbH filed Critical Thales Electron Devices GmbH
Publication of EP1269803A2 publication Critical patent/EP1269803A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1269803B1 publication Critical patent/EP1269803B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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 invention relates to a plasma accelerator arrangement with a plasma chamber about a longitudinal axis, with an electrode arrangement for generating an electrical acceleration field for positively charged ions over an acceleration path parallel to the longitudinal axis and with means for introducing a focused electron beam into the plasma chamber and its guidance through a magnet system.
  • US 5 329 258 A shows a plasma accelerator arrangement in the form of a so-called Hall thruster with an annular acceleration chamber and an essentially radial magnetic field through the plasma chamber.
  • the anode and the anode-stage part of the plasma chamber are magnetically shielded.
  • a gas is introduced into the plasma chamber, which is open on one side in the longitudinal direction, and is ionized by electrons, which are accelerated from a cathode located outside the piasma chamber to an anode located at the base of the plasma chamber, and is accelerated and expelled away from the anode.
  • the radial magnetic field forces the electrons on closed circular orbits around the longitudinal axis of the arrangement and thus increases their residence time and probability of impact in the plasma chamber.
  • a hollow ion beam is ejected from an annular opening.
  • DE 198 28 704 A1 discloses a plasma accelerator arrangement with a plasma chamber about a longitudinal axis, with an electrode arrangement and a magnet system, and means for introducing an electron beam into the plasma chamber
  • a circular-cylindrical plasma chamber into which a sharply focused electron beam generated by a beam generating device is introduced along the longitudinal axis of the cylinder.
  • the electron beam is along the cylinder axis through a magnet system
  • the i plasma Chamber is an ionizable gas, in particular a noble gas which is ionized by the electrons of the introduced electron beam and by secondary electrons.
  • the positive ions that are created are accelerated along the longitudinal axis of the plasma chamber by the potential difference and move in the same direction as the Introduced electron beam
  • the ions are also guided along the longitudinal axis by the magnet arrangement and by space charge effects and occur together with some of the electrons of the electron beam at the end of the plasma chamber in the form of a neutral plasma beam
  • the electron beam is not introduced as a sharply focused beam into a circular cylindrical plasma chamber, but which, for example, generates a cylindrical hollow jet via an annular cathode surface which is introduced into a toroidal plasma chamber.
  • the plasma chamber is radially delimited by an outer chamber wall and an inner chamber wall and the hollow jet is small with respect to the radius s of the hollow cylinder
  • the wall thickness is fed between these walls and guided through a magnet system.
  • the entire arrangement is preferably at least approximately rotationally symmetrical or at least rotationally symmetrical about a longitudinal axis of the arrangement.
  • the magnet system preferably also has a double toroidal structure with a first magnet arrangement lying radially outside with respect to the plasma chamber and one second internal magnet arrangement
  • the arrangement according to the invention preferably also contains at least one intermediate electrode in the longitudinal direction of the plasma chamber, the intermediate electrode being on a
  • the intermediate potential of the potential difference lies along the longitudinal direction of the plasma chamber.
  • the division into several intermediate potentials enables a significant improvement in the efficiency by capturing electrons with a lower kinetic on an intermediate electrode with a small potential difference compared to the current potential of an electron.
  • the efficiency increases monotonically with the number of hissing potential stages
  • the magnet system can be designed in one stage, with one pole change for the external and the internal magnet system by opposite magnetic poles spaced in the longitudinal direction. At least one of the two magnetic poles is located in the longitudinal direction in the region of the plasma chamber. Both are preferably spaced in the longitudinal direction Poles of the single-stage magnet system within the longitudinal extension of the plasma chamber. tion in which the magnet system is designed in several stages with a plurality of successive subsystems in the longitudinal direction, each of which has an external and an internal magnet arrangement, and in which the subsystems which are successive in the longitudinal direction are alternately oriented in opposite directions
  • a plasma accelerator arrangement according to the invention is particularly advantageous, in which at least one intermediate electrode arrangement is arranged in the longitudinal direction of the plasma chamber in the region of the side walls of the plasma chamber.
  • the electrodes are placed in the longitudinal direction between the pole ends of a magnet system or magnet subsystem favorable course of electrical and magnetic fields
  • Fig. 1 is a sectional view of a side view
  • Fig. 2 is a view in the direction of the longitudinal axis
  • FIG. 3 shows a stage of a magnet arrangement 4 shows a plasma distribution in a multi-stage arrangement
  • the plasma approximates the potential of the electrode with the higher potential for the positive ions (anode) because the electrons move very quickly to the anode until the potential of the plasma rises is the approximately constant potential of the anode and the plasma is thus field-free. Only in a comparatively thin boundary layer on the cathode does the potential drop steeply in the so-called cathode case
  • FIG. 1 shows a multi-stage arrangement according to the present invention in which a hollow cylindrical electron beam ES is supplied to a plasma chamber which is toroidal essentially about a longitudinal axis LA as the axis of symmetry, the shape of which is accessible in individual variations, the cylinder axis of which coincides with the longitudinal axis LA and whose beam wall thickness DS (FIG. 2) is small compared to the radius RS of the hollow cylindrical beam shape.
  • a hollow beam can be generated, for example, by means of an annular cathode and an adapted beam system.
  • the electrons of the electron beam have a kinetic energy of typically> 1 when they enter the plasma chamber keV
  • the annular plasma chamber PK is laterally delimited by an inner wall W1 and an outer wall WA
  • the magnet system no longer has a single ring about the longitudinal axis LA, but that there is a magnet arrangement RMA with respect to the outside of the plasma chamber, which has mutually opposite magnetic poles spaced apart in the longitudinal direction LR
  • a further magnet arrangement RMI which is located radially on the inside of the plasma chamber, is provided, which in turn has both magnetic poles spaced apart in the longitudinal direction LR
  • the two magnet arrangements RMA and RMI are radially opposite one another with essentially the same extent in the longitudinal direction LR.
  • the two magnet arrangements are aligned with the same orientation, ie in the longitudinal direction LR with the same pole sequence.
  • the same poles (NN or SS) are radially opposed and the magnetic fields are for each of the two closed magnetic arrangements
  • the course of the magnetic fields of radially opposed magnetic arrangements RMA and RMI can thus be viewed separately by a central surface lying essentially in the middle of the plasma chamber.
  • the magnetic field lines B run between the magnetic poles of each arrangement without being curved through this central surface, which is not necessarily so is to pass through it.
  • essentially only the magnetic field of one of the two magnet arrangements RMA or RMI acts on each radial side of such a center surface
  • Such a magnet arrangement can be formed, for example, by two concentric annular permanent magnets with poles spaced essentially parallel to the axis of symmetry LA. Such an arrangement is isolated in FIG. sheet
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides for two or more such arrangements to be arranged one behind the other in the longitudinal direction LR, the pole orientation of successive magnet arrangements as in the known arrangement mentioned at the outset being opposite, so that the poles of successive magnet arrangements opposing one another in the longitudinal direction are of the same type and are therefore not a magnetic field short circuit occurs and the field courses described for the single-stage execution remain essentially for all successive stages
  • a plasma accelerator arrangement is preferred in which at least one further intermediate electrode is provided in the longitudinal course of the plasma chamber and is at an intermediate potential of the potential drop.
  • Such an intermediate electrode is advantageously on at least one side wall, preferably in the form of two sub-electrodes on the inner and outer side wall of the plasma chamber
  • the electrode 10 arranged It is particularly advantageous to position the electrode in the longitudinal direction between two magnetic poles.
  • several stages SO S1 S2 are provided in the longitudinal direction, each with a magnetic subsystem and an electrode system in each case.
  • the magnetic subsystems each consist of an inner one RMI and an outer RMA magnetic ring as outlined in FIG. 3.
  • the partial electrode systems each comprise an outer electrode ring AAO, AA1 AA2 in the successive stages SO S1 S2 and an inner electrode ring AlO, AM, AI2 radially opposite one another, the extension of the electrodes in the longitudinal direction for the outer and inner rings are essentially the same.
  • the 0 opposing electrode rings of each subsystem ie AAO and AlO or AA1 and AM or AA2 and AI2, are each at the same potential, in particular the electrodes AAO and AlO being at ground potential of the entire arrangement k
  • the inner and outer electrodes can AAO AA1, as well as the poles of the magnet arrangements or inner wall may also be integrated in the outer
  • the electric fields generated by the electrodes run approximately perpendicular to the magnetic field lines in areas essential for the formation of the plasma, in particular in the area of the largest electric Potential gradients between the electrodes of successive stages are essentially crossed, so that the secondary electrons generated along the path of the focused primary electrons, including completely decelerated particle electrons, cannot cause a direct short circuit of the electrodes, since the secondary electrons only move along the magnetic field lines of the the toroidal multi-stage magnet system, the plasma beam generated remains essentially limited to the cylinder layer volume of the focused primary electrons.
  • the working gas AG supplied to the plasma chamber in particular xenon, is ionized by the primary electrons and in particular the secondary electrons.
  • the accelerated ions are together with i decelerated primary electrons of the introduced electron beam are expelled as a neutral plasma beam PB
  • the plasma in the individual successive stages can advantageously be adjusted to the stepwise different potentials of the successive electrodes
  • the electrodes and the magnet arrangements are arranged in the longitudinal direction so that the spatial phase positions of the quasi-periodic magnetic field compared to the likewise quasi-periodic electric field measured between the minimum amount of the magnetic axial field and the center of the electrodes by max +/- 45 °, in particular max + / - 15 ° are shifted
  • a contact of the magnetic field lines with that on the Side wall of the plasma chamber arranged electrode is reached and the plasma potential is set to the electrode potential of this stage due to the easy displacement of the electrons along the magnetic field lines.
  • the plasma concentrations at different successive stages are thus at different potentials
  • the location of the greatest potential gradient in the axial direction thus lies in a plasma layer, which is characterized by the radial magnetic field profiles that have an electrically insulating effect in the axial direction.
  • the above-mentioned favorable phase shift of the quasi-periodic magnetic and electrical structures can be achieved on the one hand by an arrangement according to FIG. 2 with the above-mentioned permissible shift by max +/- 45 °, in particular max +/- 15 °.
  • An alternative variant is outlined in FIG , where the penode length of the longitudinally spaced electrode stages AL ,, Al, + ⁇ is twice as large as the period range of successive magnetic ring arrangements.
  • Such an arrangement can also be divided into stages with double length compared to FIG. 1, which then each have two opposing magnetic subsystems and contain an electrode system In the arrangement sketched in FIG.
  • opposing outer magnetization and inner magnetic ring of the magnet system or of a magnet subsystem can also be provided with opposite pole alignment, so that a longitudinal quadrant through the arrangement corresponding to FIG. 1 results in a magnetic quadropole field Currents IA, II lying on a plane perpendicular to the longitudinal direction are then in the same direction.
  • the other measures described according to the invention can be used in a corresponding manner in such an arrangement

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Description

Bezeichnung
Plasma-Beschleuniger-Anordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einer Plasma- Kammer um eine Längsachse, mit einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines elektrischen Beschleunigungsfeldes für positiv geladene Ionen über eine Beschleunigungsstrecke parallel zur Längsachse und mit Mitteln zur Einleitung eines gebündelten Elektronenstrahls in die Plasma-Kammer und dessen Führung durch ein Magnetsystem.
Die US 5 329 258 A zeigt eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung in Form eines sogenannten Hall-Thrusters mit einer ringförmigen Beschleunigungskammer und einem im wesentlichen radialen Magnetfeld durch die Plasmakammer. Anode und anodenstufiger Teil der Plasmakammer sind magnetisch abgeschirmt. In die in Längsrichtung einseitig offene Plasma-Kammer wird ein Gas eingeleitet, welches durch Elektronen, die von einer außerhalb der Piasmakammer lie- genden Kathode zu einer am Fuß der Plasmakammer liegenden Anode beschleunigt werden, ionisiert und von der Anode weg beschleunigt und ausgestoßen wird. Das radiale Magnetfeld zwingt die Elektronen auf geschlossene Kreisbahnen um die Längsachse der Anordnung und erhöht damit deren Verweildauer und Stoßwahrscheinlichkeit in der Plasmakammer.
Bei einer aus JP 55-102 162 A bekannte lonenquelle, bei welcher eine ringförmige Anode einen Permanentmagnet umschließt und ihrerseits von einer kreiszylindrischen Kathode umgeben ist, wird aus einer ringförmigen Öffnung ein lonen-Hohlstrahl ausgestoßen. Aus der DE 198 28 704 A1 ist eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einer Plasma-Kammer um eine Langsachse, mit einer Elektrodenanordnung und einem Magnetsystem sowie Mitteln zur Einleitung eines Elektronenstrahls in die Plasma-Kammer bekannt
Bei dieser bekannten Anordnung ist eine kreiszylindrische Plasma-Kammer vorgesehen, in welche ein von einer Strahlerzeugungs-Einnchtung generierter scharf gebündelter Elektronenstrahl entlang der Zylinderlangsachse eingeleitet ist Der Elektronenstrahl ist entlang der Zylinderachse durch ein Magnetsystem
I O gefuhrt welches insbesondere durch abwechselnde Polung aufeinanderfolgender Abschnitte gekennzeichnet sein kann Die mit hoher Geschwindigkeit in die Plasma-Kammer eingeleiteten Elektronen des Elektronenstrahls durchlaufen entlang der Langsachse der Plasma-Kammer eine elektrische Potential- Differenz, welche bremsend auf die Elektronen des Elektronenstrahls wirkt Der i Plasma-Kammer ist ein lonisierbares Gas, insbesondere eine Edelgas zugeführt welches durch die Elektronen des eingeleiteten Elektronenstrahls sowie durch Sekundarelektronen ionisiert wird Die dabei entstehenden positiven Ionen werden entlang der Langsachse der Plasma-Kammer durch die Potential- differenz beschleunigt und bewegen sich in gleicher Richtung wie der eingelei- o tete Elektronenstrahl Die Ionen werden gleichfalls durch die Magnetanordnung sowie durch Raumladungseffekte gebündelt entlang der Langsachse gefuhrt und treten zusammen mit einem Teil der Elektronen des Elektronenstrahls am Ende der Plasma-Kammer in Form eines neutralen Plasma-Strahls aus
^ Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Anordnung vorteilhaft weiterzubilden
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Elektronenstrahl nicht als scharf gebündelter Strahl in eine kreiszylindrische Plasma-Kammer eingeleitet son- dem es wird, z B über eine ringförmige Kathodenflache ein zylindrischer Hohlstrahl erzeugt welcher in eine toroidformige Plasma-Kammer eingeleitet wird Die Plasma-Kammer ist radial durch eine äußere Kammerwand und eine innere Kammerwand begrenzt und der Hohlstrahl mit einer gegen den Radius s des Hohlzylinders geringen Wandstarke wird zwischen diesen Wanden eingespeist und durch ein Magnetsystem gefuhrt Die ganze Anordnung ist vorzugsweise zumindest annähernd rotationssymmetrisch oder zumindest drehsymmetrisch um eine Langsachse der Anordnung Das Magnetsystem weist vorzugsweise gleichfalls eine doppelte toroidale Struktur mit einer bezuglich der 10 Plasma-Kammer radial außenliegenden ersten Magnetanordnung und einer zweiten innenliegenden Magnetanordnung auf
Wie bereits bei der bekannten Anordnung enthalt auch die Anordnung gemäß der Erfindung vorzugsweise wenigstens eine Zwischenelektrode im Verlauf der i Plasma-Kammer in Längsrichtung, wobei die Zwischenelektrode auf einem
Zwischenpotential der Potentialdifferenz entlang der Längsrichtung der Plasma- Kammer liegt Die Unterteilung in mehrere Zwischenpotentiale ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads indem Elektronen geringer kinetischer auf einer Zwischenelektrode mit gegenüber dem aktuellen Potential eines 0 Elektrons geringem Potentialunterschied eingefangen werden Der Wirkungsgrad steigt monoton mit der Zahl der Zischenpotentialstufen
Das Magnetsystem kann in einer ersten Ausfuhrung einstufig ausgeführt sein mit für das außenliegende und das innenliegende Magnetsystem jeweils einem 5 Polwechsel durch in Längsrichtung beabstandete entgegengesetzte Magnetpole Wenigstens jeweils einer der beiden Magnetpole befindet sich in Längsrichtung im Bereich der Plasma-Kammer Vorzugsweise liegen beide in Längsrichtung beabstandeten Pole des einstufigen Magnetsystems innerhalb der Langserstreckung der Plasma-Kammer Besonders vorteilhaft ist eine Anord- nung bei welcher das Magnetsystem mehrstufig ausgeführt ist mit in Längsrichtung mehreren aufeinanderfolgenden Teilsystemen von denen jeweils jedes eine außenhegende und eine inπenliegende Magnetanordnung aufweist und bei welchem die in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Teilsysteme alter- s nierend gegensinnig ausgerichtet sind
Besonders gunstig ist eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung gemäß der Erfindung, bei welcher im Langsverlauf der Plasma-Kammer im Bereich der Seiten- wande der Plasma-Kammer noch wenigstens eine Zwischenelektrodenanord-
10 nung vorliegt welche auf einem Zwischenpotential der Potentialdifferenz zur Beschleunigung der positiven Ionen bzw Verzögerung des eingeleiteten Elektronenstrahls egt Auf einer solchen Zwischenelektrode können Elektronen eingefangen werden, welche lediglich eine geringe kinetische Energie besitzen Die Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode kann dadurch in zwei oder i s mehr Beschleunigungspotentiale unterteilt werden Verluste durch dem eingeleiteten Elektronenstrahl entgegen beschleunigte Elektronen können dadurch wesentlich verringert werden Insbesondere der elektrische Wirkungsgrad nimmt monoton mit der Anzahl der Potentialstufen zu Vorteilhafterweise sind die Elektroden in Längsrichtung jeweils zwischen die Polenden eines Magnet- 0 Systems bzw Magnetteilsystems gelegt Hierdurch ergibt sich ein besonders gunstiger Verlauf von elektrischen und magnetischen Feldern
Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen anhand bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen 5 noch detailliert erläutert Dabei zeigt
Fig 1 ein Schnittbild einer Seitenansicht
Fig 2 eine Ansicht in Richtung der Langsachse
Fig 3 eine Stufe einer Magnetanordnung Fig 4 eine Plasmaverteilung in einer mehrstufigen Anordnung
In der Plasmaphysik ist bekannt, daß in Folge der hohen Beweglichkeit der Elektronen bedingt durch ihre geringe Masse im Vergleich zu den meist positiv geladenen Ionen das Plasma sich ähnlich wie ein metallischer Leiter verhalt und ein konstantes Potential annimmt
Befindet sich ein Plasma zwischen zwei Elektroden unterschiedlichen Potentials so nimmt das Plasma jedoch naherungsweise das Potential der Elektrode mit dem für die positiven Ionen höheren Potential (Anode) an weil sich die Elektronen so lange sehr schnell zu der Anode bewegen bis sich das Potential des Plasmas auf dem naherungsweise konstanten Potential der Anode befindet und das Plasma damit feldfrei ist Nur in einer vergleichsweise dünnen Grenzschicht an der Kathode fallt das Potential im sogenannten Kathodenfall steil ab i
In einem Plasma lassen sich also nur dann unterschiedliche Potentiale aufrechterhalten, wenn die Leitfähigkeit des Plasmas nicht isotrop ist Eine vorteilhafte starke Anisotropie der Leitfähigkeit laßt sich bei der erfindungsgemaßen Anordnung auf gunstige Weise erzeugen Da Elektronen in Folge der Lorentz- kraft bei einer Bewegung quer zu Magnetfeldlinien eine Kraft senkrecht zu den Magnetfeldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung erfahren lassen sich Elektronen zwar in Richtung der Magnetfeldlinien leicht verschieben d h in Richtung der Magnetfeldlinien besteht eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine Potentialdifferenz in dieser Richtung wird leicht ausgeglichen Einer Beschleunigung der Elektronen durch eine elektrische Feldkomponente senkrecht zu den Magnetfeldlinien wirkt aber die genannte Lorentzkraft entgegen so daß sich die Elektronen spiralförmig um die Magnetfeldlinien bewegen Senkrecht zu den Magnetfeldlinien können demzufolge elektrische Felder ohne sofortigen Ausgleich durch Elektronenfluß bestehen Für die Stabilität solcher elektrischer Felder ist es besonders gunstig, wenn die zugehörigen elektrischen Äquipotentialflächen naherungsweise parallel zu den Magnetfeldlinien verlaufen und damit elektrische und magnetische Felder im wesentlichen gekreuzt sind
Die Fig 1 zeigt eine mehrstufige Anordnung nach der vorliegenden Erfindung bei welcher einer im wesentlichen um eine Langsachse LA als Symmetrieachse toroidalen Plasma-Kammer, deren Form im einzelnen Variationen zugänglich ist, ein hohlzylmdrischer Elektronenstrahl ES zugeführt ist, dessen Zylinderachse mit der Langsachse LA zusammenfallt und dessen Strahlwandstarke DS (Fig 2) gering ist gegen den Radius RS der hohlzylindnschen Strahlform Ein solcher Hohlstrahl kann beispielsweise mittels einer ringförmigen Kathode und einem angepaßten Strahlsystem erzeugt werden Die Elektronen des Elektronenstrahls haben beim Eintritt in die Plasma-Kammer eine kinetische Energie von typischerweise > 1 keV Die ringförmige Plasma-Kammer PK ist seitlich durch eine Innenwand Wl und eine Außenwand WA begrenzt
Wesentlich bei der Anordnung nach Fig 1 ist daß das Magnetsystem nicht mehr einen einzelnen Ring um die Langsachse LA aufweist, sondern daß bezüglich der Plasma-Kammer außen egend eine Magnetanordnung RMA vorhanden ist, welche in sich beide entgegengesetzten Magnetpole in Langsπcn- tung LR beabstandet aufweist In gleicher Weise ist eine bezuglich der Plasma- Kammer radial innenliegende weitere Magnetordnung RMI vorgesehen, welche wiederum in sich beide Magnetpole in Längsrichtung LR beabstandet aufweist
Die beiden Magnetanordnungen RMA und RMI stehen sich radial gegenüber mit in Längsrichtung LR im wesentlichen gleicher Erstreckung Die beiden Magnetanordnungen sind mit gleicher Ausrichtung, d h in Längsrichtung LR gleicher Polfolge ausgerichtet Dadurch stehen sich gleiche Pole (N-N bzw S-S) radial gegenüber und die magnetischen Felder sind für jede der beiden Ma- gnetanordnungen in sich geschlossen Der Verlauf der Magnetfelder von radial gegenüberstehenden Magnetanordnungen RMA und RMI kann dadurch durch eine im wesentlichen in der Mitte der Plasma-Kammer liegende Mittenflache getrennt angesehen werden Die Magnetfeldlinien B verlaufen zwischen den Magnetpolen jeder Anordnung gekrümmt ohne durch diese Mittenflache welche nicht notwendigerweise eben ist, hindurchzutreten Auf jeder radialen Seite einer solchen Mittenflache wirkt damit im wesentlichen lediglich das Magnetfeld einer der beiden Magnetanordnungen RMA bzw RMI
Die vorstehenden Ausfuhrungen gelten auch für ein Magnetsystem mit lediglich einer einfachen inneren und äußeren Magnetanordnung bezogen Eine solche Magnetanordnung kann beispielsweise durch zwei konzentrische ringförmige Permanentmagnete mit im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse LA beab- standeten Polen gebildet sein Eine solche Anordnung ist isoliert in Fig 3 skiz- ziert
Eine besonders vorteilhafte Ausfuhrung der Erfindung sieht vor in Längsrichtung LR zwei oder mehrere solcher Anordnungen hintereinander anzuordnen, wobei die Polausrichtung aufeinanderfolgender Magnetanordnungen wie bei der eingangs genannten bekannten Anordnung gegensinnig ist so daß die sich in Längsrichtung gegenüberstehenden Pole aufeinanderfolgender Magnetanordnungen gleichartig sind und somit kein magnetischer Feldkurzschluß auftritt und die zu der einstufigen Ausfuhrung beschriebenen Feldverlaufe im wesentlichen für alle aufeinanderfolgenden Stufen erhalten bleiben
Die aufeinanderfolgenden Magnetfelder wirken zum einen fokusierend auf den in die Plasma-Kammer eingeleiteten Pπmarelektronenstrahl und verhindern zum anderen den Abfluß von in der Plasma-Kammer erzeugten Sekundarelek- fronen von einer Stufe zur nächsten Eine lonenbarπere IB verhindert ein Übertreten von Ionen zu der Kathode KA
Bevorzugt ist eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung bei welcher im s Langsverlauf der Plasma-Kammer noch wenigstens eine weitere Zwischenelektrode vorgesehen ist welche auf einem Zwischenpotential des Potential- gefalles liegt Eine solche Zwischenelektrode ist vorteilhafterweise an wenigstens einer Seitenwand, vorzugsweise in Form von zwei Teilelektroden gegenüberliegend an der inneren und äußeren Seitenwand der Plasma-Kammer an-
10 geordnet Insbesondere gunstig ist es die Elektrode in ihrer Lage in Längsrichtung zwischen zwei Magnetpole zu positionieren In der Anordnung nach Fig 1 sind in Längsrichtung mehrere Stufen SO S1 S2 mit jeweils einem magnetischen Teilsystem und jeweils einem Elektrodensystem vorgesehen Die magnetischen Teilsysteme bestehen jeweils aus einem inneren RMI und einem i s äußeren RMA Magnetring wie in Fig 3 skizziert Die Teilelektrodensysteme umfassen in den aufeinanderfolgenden Stufen SO S1 S2 jeweils einen äußeren Elektrodenring AAO, AA1 AA2 und radial gegenüberstehend einen inneren Elektrodenring AlO, AM , AI2 wobei die Erstreckung der Elektroden in Längsrichtung für die äußeren und die inneren Ringe im wesentlichen gleich ist Die 0 einander gegenüberstehenden Elektrodenringe jedes Teilsystems also AAO und AlO bzw AA1 und AM bzw AA2 und AI2 liegen jeweils auf gleichem Potential, wobei insbesondere die Elektroden AAO und AlO auf Massepotential der gesamten Anordnung liegen können Die inneren und äußeren Elektroden AAO AA1 , sowie die Pole der Magnetanordnungen können auch in die Außen- bzw Innenwand integriert sein
Die durch die Elektroden erzeugten elektrischen Felder verlaufen in für die Ausbildung des Plasmas wesentlichen Bereichen annähernd senkrecht zu den magnetischen Feldlinien Insbesondere im Bereich des größten elektrischen Potentialgradienten zwischen den Elektroden aufeinanderfolgender Stufen verlaufen die magnetischen und elektrischen Feldlinien im wesentlichen gekreuzt so daß die entlang der Bahn der fokusierten Primarelektronen erzeugten Sekundarelektronen einschließlich vollständig abgebremster Pπmarelektro- s nen keinen direkten Kurzschluß der Elektroden verursachen können Da sich die Sekundarelektronen nur entlang der Magnetfeldlinien des im wesentlichen toroidalen mehrstufigen Magnetsystems bewegen können bleibt der erzeugte Plasmastrahl im wesentlichen auf das Zylinderschichtvolumen der fokusierten Primarelektronen begrenzt Ausbuchtungen des Plasmas gibt es im wesentli-
10 chen lediglich im Bereich des Vorzeichenwechseis der achsialen Magnetfeldkomponente wo das Magnetfeld im wesentlichen radial auf die Pole der Magnetanordnungen zeigt Das der Plasma-Kammer zugefuhrte Arbeitsgas AG, insbesondere Xenon, wird durch die Primarelektronen und insbesondere die Sekundarelektronen ionisiert Die beschleunigten Ionen werden zusammen mit i abgebremsten Primarelektronen des eingeleiteten Elektronenstrahls als neutraler Plasmastrahl PB ausgestoßen
Bei der skizzierten Anordnung ergeben sich Plasmakonzentrationen in Längsrichtung in Positionen zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden welche zu- 0 gleich mit den Polstellen der aufeinanderfolgenden Magnetanordnungen zusammenfallen Mit der in Fig 1 skizzierten Anordnung kann vorteilhafterweise das Plasma in den einzelnen aufeinanderfolgenden Stufen auf die stufenweise unterschiedlichen Potentiale der aufeinanderfolgenden Elektroden gelegt werden Hierzu sind insbesondere die Elektroden und die Magnetanordnungen in Längsrichtung so angeordnet, daß die räumlichen Phasenlagen des quasiperiodischen Magnetfelds gegenüber dem gleichfalls quasiperiodischen elektrischen Felds gemessen zwischen Betragsminimum des magnetischen axialen Felds und der Mitte der Elektroden um max +/- 45° insbesondere max +/- 15° verschoben sind Hierbei kann ein Kontakt der Magnetfeldlinien mit der an der Seitenwand der Plasma-Kammer angeordneten Elektrode erreicht und durch die leichte Verschiebbarkeit der Elektronen entlang der Magnetfeldlinien das Plasmapotential auf das Elektrodenpotential dieser Stufe gesetzt werden Die Plasma-Konzentrationen zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen befin- s den sich damit auf unterschiedlichen Potentialen
Der Ort des größten Potentialgradienten in achsialer Richtung liegt damit in einer Plasmaschicht, die durch die in achsialer Richtung elektrisch isolierend wirkenden radialen Magnetfeldverlaufe gekennzeichnet ist An diesen Stellen er-
10 folgt im wesentlichen die Beschleunigung der positiven Ionen in Richtung des für diese in Längsrichtung beschleunigenden elektrischen Feldes Da genügend Sekundarelektronen vorhanden sind, welche als Hallstrome auf geschlossenen Driftbahnen in der toroidalen Struktur kreisen, wird ein im wesentlichen neutrales Plasma in Längsrichtung zur Ausstoßoffnung der Plasma-Kammer hin be- ι s schleunigt Dabei geben sich in einer Schichtebene an einer bestimmten Position in Längsrichtung LR der Anordnung in unterschiedlichen Radien entgegengesetzte ringförmige Hallstrome II bzw IA um die Langsachse LA wie in Fig 1 und Fig 2 skizziert
0 Die genannte gunstige Phasenverschiebung der quasiperiodischen magnetischen und elektrischen Strukturen laßt sich zum einen durch eine Anordnung nach Fig 2 mit der genannten zulassigen Verschiebung um max +/- 45°, insbesondere max +/- 15° erreichen Eine alternative Variante ist in Fig 4 skizziert, wo die Penodenlange der in Längsrichtung beabstandeten Elektroden- stufen AL,, Al,+ι doppelt so groß ist wie die Periodenrange aufeinanderfolgender Magnetringanordnungen Eine solche Anordnung kann auch in Stufen mit gegenüber Fig 1 doppelter Lange unterteilt werden welche dann jeweils zwei entgegengerichtete Magnet-Teilsysteme und ein Elektrodensystem enthalten Bei der in Fig 4 skizzierten Anordnung ergeben sich in Bereichen wo die Elektroden die Polstellen aufeinanderfolgender Magnet-Teilsysteme überbrücken, Kontaktzonen, an welchen die den Magnetlinien folgenden Sekundarelektronen von den Elektroden aufgenommen werden und somit eine Kontaktzone KZ zwi- - sehen dem Plasma und einer Elektrode entsteht wogegen an Polstellen welche zugleich zwischen zwei in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Elektroden liegen, eine Isolationszone IZ mit hohem Potentialgradient im Plasma entsteht
In einer anderen Ausfuhrungsform können gegenüberstehender äußerer Ma- I O gnetπng und innerer Magnetring des Magnetsystems bzw eines Magnet- Teilsystems auch mit entgegengesetzter Polausrichtung vorgesehen sein so daß sich in einem Fig 1 entsprechenden Längsschnitt durch die Anordnung zu jeder Stufe eine magnetisches Quadropol-Feld ergibt Die in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung liegenden Strome IA, II sind dann gleichsinnig Die ub- 15 πgen geschilderten Maßnahmen gemäß der Erfindung sind bei einer solchen Anordnung in entsprechender weise anwendbar
Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen vorteilhafte realisierbar Die 0 Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele beschrankt sondern im Rahmen fachmannischen Könnens auf mancherlei Weise abwandelbar Insbesondere ist nicht zwingend eine strenge Symmetrie um die Symmetrieachse SA erforderlich Vielmehr kann eine gezielte Unsymmetne dem symmetrischen Verlauf überlagert sein Die Ringform von Feldern, Elektroden s oder Magnetanordnungen bedeutet nicht notwendigerweise eine kreiszylindπ- sche Form sondern kann von einer solchen sowohl hinsichtlich der Drehsymmetrie als auch des zylindrischen Verlaufs in Längsrichtung abweichen

Claims

Patentansprüche
1 . Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einer Plasma-Kammer um eine Längsachse, mit einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung einer elektri-
5 sehen Potentialdifferenz als Beschleunigungsfeld für positiv geladene Ionen über eine Beschleunigungsstrecke parallel zur Längsachse und mit Mitteln zur Einleitung eines gebündelten Elektronenstrahls in die Plasma- Kammer und dessen Führung durch ein Magnetsystem, wobei die Plasma-Kammer ringförmig um die Längsachse mit einer radial innenliegen- I O den und einer radial außenliegenden Kammerwand ausgebildet und der
Elektronenstrahl als zylindrischer Hohlstrahl zugeführt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem eine bezüglich der Plasma-Kammer radial innenliegende innere
15 Magnetanordnung und eine radial außenliegende äußere Magnetanordnung aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem gleichfalls eine toroidale Struktur aufweist. 0
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung im Verlauf der Plasma-Kammer wenigstens eine Zwischen-elektrodenanordnung mit einer ersten an der äußeren Kammerwand und einer zweiten gegenüberliegend an der inneren Kammer- 5 wand um die Längsachse angeordneten Teilelektrode vorgesehen ist, die auf einem Zwischenpotential der Potentialdifferenz liegt. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet daß das Magnetsystem mehrere parallel zur Langsachse beabstandet aufeinanderfolgende Magnetanordnungen mit in Längsrichtung entgegengesetzter Polausrichtung umfaßt
Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet daß wenigstens eine Zwischenelektrode eine Pollucke zwischen aufeinanderfolgenden Polen der Magnetanordnung teilweise oder vollständig überdeckt
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