EP1353352A1 - Hochfrequenz-Elektronenquelle, insbesondere Neutralisator - Google Patents

Hochfrequenz-Elektronenquelle, insbesondere Neutralisator Download PDF

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EP1353352A1
EP1353352A1 EP03007602A EP03007602A EP1353352A1 EP 1353352 A1 EP1353352 A1 EP 1353352A1 EP 03007602 A EP03007602 A EP 03007602A EP 03007602 A EP03007602 A EP 03007602A EP 1353352 A1 EP1353352 A1 EP 1353352A1
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EP
European Patent Office
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frequency
electron source
electrode
electrons
frequency electron
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EP03007602A
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EP1353352B1 (de
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Karl-Heinz Prof. Dr. Schartner
Horst Prof. Dr. Loeb
Hans Jürgen Leiter
Hans-Peter Harmann
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Airbus DS GmbH
Original Assignee
EADS Space Transportation GmbH
Astrium GmbH
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Publication of EP1353352B1 publication Critical patent/EP1353352B1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/02—Electron guns
    • H01J3/025—Electron guns using a discharge in a gas or a vapour as electron source

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency electron source, in particular as Neutralizer of an ion source, in particular an ion drive comprising a Discharge space with at least one gas inlet for a to be ionized Gas and at least one extraction opening for electrons.
  • Hollow Cathode Plasma Bridge Neutralizers used with electron emitter The neutralizer exists here from a cathode tube in the flow direction through a cathode disc is completed with a centric bore and an anode disc with also centric bore. Inside the cathode tube is a Electron emitter, the porous material with alkaline earth metals, u. a. Barium, is interspersed. Outside on the cathode tube is a coil-shaped electric heater attached, which heats the cathode tube and the electron emitter. This in The barium emitted by the electron emitter emits electrons.
  • a disadvantage of this arrangement is that the E-mittermaterial contained in the electron emitter is hygroscopic and also at elevated temperatures with oxygen responding. This draws severe limitations in storage prior to installation, during installation at the satellite and commissioning before starting in the space after itself.
  • Another disadvantage of such complicated and limited in life Electron sources is that before switching on a Pre-heating time of the emitter is preceded by several minutes.
  • Such a high-frequency electron source generates electrons through a plasma, that caused by the induction by a magnetic alternating field is maintained. This field is generated by the radio-frequency coil, through which a high-frequency current flows.
  • the plasma present Electrons are accelerated by induction to velocities in the Trap of impact with a neutral atom in plasma the ionization of the latter can effect. Ionization becomes one or more other electrons released from the neutral atom, resulting in an inflowing working gas yields continuous flux of electrons.
  • the object of the present invention is to provide a high frequency electron source provide, on the one hand has no electron emitter and thus none Heating time requires and manages without complicated, costly components, which are to be protected against oxygen and moisture. On the other hand, one should Be provided electron source, which has a reduced power consumption having.
  • the object is achieved according to the invention in that the discharge space at least one electrode and a keeper electrode at least is partially surrounded and that between the electrodes an electric High frequency field is applied.
  • the high-frequency electron source works with a cold arc discharge, by the electron-supplying plasma with a capacitive high-frequency discharge is generated by a high-frequency electric field between the electrodes is generated in the discharge space. It is for the invention not necessary that the electrodes surround the discharge space and a Form cavity. You just need to be suitable to the plasma in the discharge space to ignite and maintain.
  • the ignition of the discharge of the high-frequency electron source can by a Pressure surge done, for example, by a brief increase in the Mass flow is generated by the electron source. This will be the ignition voltage on the so-called Paschen curve reduced to its minimum and the Gas train fails. The accelerated electrons then hit again more electrons out of neutral particles and ionize them. By this progressive ionization produces a plasma which needed the Supplying electrons.
  • the advantages of the high-frequency electron source are simple, uncomplicated Construction. Thus eliminates heating including electronics and electron emitter, which also the restrictions on storage and environmental conditions during assembly and operation are omitted. For example, a test of functionality after manufacture without affecting the life of the High frequency electron source possible under normal environmental conditions. Furthermore can be used to operate noble gases such as xenon or other suitable gases not specifically used for this purpose of oxygen and residual moisture need to be cleaned. By eliminating the preheating time and the activation processes also results in a fast availability of electrons, so when neutralizing an ion drive this instantly gets its thrust can provide.
  • the inventive High frequency electron source has a very low power consumption.
  • the discharge space is surrounded by a plasma chamber. hereby a possible loss of gas is minimized.
  • an electrode is designed that it forms the plasma chamber.
  • an electrode forms the plasma chamber, it is preferably used as a hollow cathode educated. This provides an optimal geometry for inclusion the plasma is formed and also the capacitive coupling of the high frequency field supported in the plasma by such a geometry.
  • the orientation of the electric high-frequency field with respect to the extraction direction the electrons can be arbitrary, preferably the electrical High frequency field but parallel to the extraction direction.
  • the field can also be perpendicular to the extraction direction issue.
  • the discharge frequency is freely selectable within wide limits and can thus be optimally adapted to the requirements become.
  • the frequency of the electrical Hochfreqenzfeldes however between 100 KHz and 50 MHz.
  • a high frequency generator HF generator
  • RF generator radio-frequency generator
  • the matching network is a toroidal transformer.
  • the field strength of the electric High frequency field are optimally adapted to the discharge conditions.
  • the plasma chamber is formed as an electrode is, it has been found that it is beneficial to the Keeper electrode to the active output of the HF generator and the electrode to ground potential to lay.
  • the electrode and the keeper electrode of a shield electrode be surrounded.
  • the electrode is active Output of the HF generator and the Keeper electrode to ground potential.
  • the shield electrode can be omitted.
  • the high-frequency electron source can between the electrodes in addition to the application of electrical High frequency field to be applied a DC voltage. This is the plasma electrons the exit from the electron source facilitates.
  • the DC voltage but also over the auxiliary electrodes are applied, for which they are around the discharge space be grouped.
  • the electrodes are preferably made of a metallic Material such as titanium, molybdenum, tungsten, steel, especially stainless steel or aluminum or tantalum. As non-metallic materials are coming especially graphite, carbon composites or conductive ceramics into consideration.
  • Fig. 1 shows the high-frequency electron source 10 with an electrode 12 a, the formed as a hollow cathode plasma chamber and the discharge space 11 surrounds.
  • This has a circular cross-section and on one side a gas inlet 14 for the operating gas to be ionized, for example xenon.
  • Coaxially arranged at the other end of the plasma chamber is the extraction opening 16 provided for removing the plasma, including electrons.
  • the as plasma chamber formed electrode 12a is partially formed by the keeper electrode 12b surround. The latter is additionally surrounded by a shield electrode 13. there also have the keeper electrode 12 b and the shield electrode 13 coaxial with the extraction opening 16 on the plasma chamber an opening to a removal of the plasma with electrons.
  • the gas inlet 14 guided by the shield electrode 13.
  • For electrical decoupling is the gas inlet 14 by means of an insulator 15 electrically from the electrodes 12a, 13th separated.
  • the conductive regions in particular the electrode 12a designed as a plasma chamber, must fulfill further conditions in addition to their primary function of ensuring the electrostatic confinement of the electrons. On the one hand, it must be resistant to the plasma in order to outlast the required operating time with justifiable loss of quality; on the other hand, it must not shield the coupling of the electrical high-frequency field and the concomitant maintenance of the plasma. During operation, ions continuously strike the electrode 12a, resulting in erosion.
  • the temperature of the high frequency electron source may be 300 ° C - 400 ° C. In space technology applications, there are also relatively stringent requirements for a high frequency electron source.
  • the high frequency electron source as a neutralizer for ion engines in aerospace currently 8000 to 15000 hours of operation to guarantee.
  • the high-frequency electron source is operated in a high vacuum, which means that the material - should not have outgassing - a low vapor pressure.
  • the high-frequency electron source should survive the starting loads in transporting the device having such a high-frequency electron source into space.
  • the conductive regions, in particular the electrode 12a are made of titanium, molybdenum, tungsten, steel, aluminum, tantalum, graphite, conductive ceramics or carbon composites.
  • the discharge frequency is within wide limits freely selectable, so that instead of 1 MHz also values between 100 kHz to 50 MHz are possible.
  • the electric high frequency field is above the Lead 21b a DC voltage to the keeper electrode 12b.
  • the electron leakage from the discharge plasma can be facilitated and the efficiency the electron source can be improved.
  • the supply lines 21a, 21b via further insulators 17 with respect to the shield electrode 13 and the Keeper electrode 12b shielded.
  • the operating gas xenon flows via the gas inlet 14 in the discharge space 10.
  • the electrode formed as a plasma chamber 12a and the keeper electrode 12b is applied to the high-frequency electric field. This is capacitively coupled into the discharge space 11. This will be the few free electrons that are in the working gas in thermal equilibrium are present, accelerate and thus ionize with sufficient energy from the high-frequency electric field, the operating gas. By this ionization In turn secondary electrons are generated, which participate in the process. It thus creates an electron avalanche, which ultimately leads to the plasma.
  • the xenon gas jet exits to the outside.
  • it is designed as a supersonic jet 30 (shaded outlined).
  • the Gas jet 30 thus transports the high-frequency plasma to the outside.
  • Through constant Replenishment of operating gas via the gas inlet is constantly new replenished ionizing gas, so that the system despite removal of a part of the plasma remains in equilibrium.
  • FIG. 2 shows the high frequency electron source 10 with electrodes 12a and 12b, between which an alternating electric field is applied.
  • the alternating field is located thereby perpendicular to the extraction direction of the electrons passing through a Plasmajet 30 exit.
  • the discharge space is of a dielectric discharge chamber 19 electrically isolated from the electrodes 12a and 12b. to Supporting the extraction lies between the electrically isolated ones Auxiliary electrodes 18a and 18b to a DC voltage through the power supply 23 is generated.

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Abstract

Die Erfindung umfasst eine Hochfrequenz-Elektronenquelle (10), insbesondere als Neutralisator einer lonenquelle, insbesondere eines lonenantriebs umfassend einen Entladungsraum (11) mit mindestens einem Gaseinlass (14) für ein zu ionisierendes Gas und mindestens einer Extraktionsöffnung (16) für Elektronen, wobei der Entladungsraum (11) von mindestens einer Elektrode (12a) und einer Keeper-Elektrode (12b) zumindest teilweise umgeben ist und dass zwischen den Elektroden (12a, 12b) ein elektrisches Hochfrequenzfeld anliegt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Elektronenquelle, insbesondere als Neutralisator einer lonenquelle, insbesondere eines lonenantriebs umfassend einen Entladungsraum mit mindestens einem Gaseinlass für ein zu ionisierendes Gas und mindestens einer Extraktionsöffnung für Elektronen.
Überall dort, wo beschleunigte, elektrisch geladene Teilchen benötigt werden-wie dies z. B. auch bei der Oberflächenbehandlung der Fall ist - müssen lonenstrahlen nach dem Beschleunigungsverfahren neutralisiert werden. So werden in der Raumfahrt in steigendem Umfang elektrische Triebwerke benutzt, um Satelliten oder Raumsonden nach ihrer Trennung von der Trägerrakete anzutreiben. Speziell für das Stationskeeping von geostationären Kommunikationssatelliten werden elektrische Triebwerke bereits heute eingesetzt. Hierzu werden vor allem lonentriebwerke und SPT-Plasmatriebwerke genutzt. Beide Typen erzeugen ihren Schub, indem beschleunigte lonen ausgestoßen werden. Um eine Aufladung des Satelliten jedoch zu vermeiden, muss dieser lonenstrahl neutralisiert werden.
Die hierzu benötigten Elektronen werden aus einer Elektronenquelle bereitgestellt und mittels Plasmakopplung in den lonenstrahl eingebracht.
Bisher werden in der Raumfahrt zur Neutralisierung dieser elektrischen Triebwerke (lonentriebwerke und SPT-Plasmatriebwerke) Hohlkathoden-Plasmabrücken-Neutralisatoren mit Elektronenemitter verwendet. Der Neutralisator besteht hierbei aus einem Kathodenrohr, das in Strömungsrichtung durch eine Kathodenscheibe mit einer zentrischen Bohrung abgeschlossen ist und einer Anodenscheibe mit ebenfalls zentrischer Bohrung. Im Inneren des Kathodenrohres befindet sich ein Elektronenemitter, dessen poröses Material mit Erdalkalimetallen, u. a. Barium, durchsetzt ist. Außen am Kathodenrohr ist eine spulenförmige elektrische Heizung angebracht, die das Kathodenrohr und den Elektronenemitter erwärmt. Das in dem Elektronenemitter enthaltene Barium emittiert dabei Elektronen. Durch eine zwischen Anodenscheibe und Kathodenscheibe angelegte Spannung werden diese beschleunigt, Wird das Kathodenrohr mit einem Neutralgas, z. B. Xenon durchströmt, stoßen die Elektronen mit den neutralen Gasatomen zusammen, ionisieren diese, womit sich ein Plasma bildet, das durch die Bohrung in der Anodenscheibe austritt.
Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass das im Elektronenemitter enthaltende E-mittermaterial hygroskopisch ist und zudem bei erhöhten Temperaturen mit Sauerstoff reagiert. Dies zieht starke Einschränkungen in der Lagerung vor dem Einbau, während der Montage am Satelliten und der Inbetriebnahme vor dem Start in den Weltraum nach sich. Ein weiterer Nachteil derartiger komplizierter und lebensdauerbegrenzter Elektronenquellen liegt darin, dass vor dem Einschalten eine mehrminütige Vorheizzeit des Emitters vorgeschaltet ist.
Weiterhin ist aus US 5,198,718 ein Neutralisator für eine lonenquelle bekannt, die aus einer Plasmakammer mit aus dielektrischem Material bestehenden Wänden besteht und von einer Hochfrequenzspule umgeben ist.
Eine derartige Hochfrequenzelektronenquelle erzeugt Elektronen durch ein Plasma, das durch die Induktion hervorgerufen durch ein magnetisches Wechselfeld aufrecht erhalten wird. Dieses Feld wird dabei durch die Hochfrequenzspule erzeugt, durch die ein hochfrequenter Strom fließt. Die im Plasma vorhandenen Elektronen werden durch die Induktion auf Geschwindigkeiten bescheunigt, die im Falle des Stoßes mit einem Neutralatom im Plasma die Ionisation des letzteren bewirken können. Bei der Ionisation werden ein oder mehrere weitere Elektronen vom Neutralatom freigeschlagen, woraus sich bei nachströmendem Arbeitsgas ein kontinuierlicher Fluss an Elektronen ergibt.
Nachteilig wirkt sich bei einer derartigen Elektronenquelle aus, dass ein großer Teil der zur Aufrechterhaltung des Plasmas in der Plasmakammer benötigten Leistung dadurch verloren geht, dass hochenergetische Elektronen aus dem Plasma auf die Kammerwand treffen und dabei wieder an Atome gebunden werden. Durch diesen Prozess gehen zum einen diese Elektronen verloren, zum anderen wird dadurch ein Großteil der Energie abgegeben, die die Elektronen durch das Wechselfeld gewonnen haben. Zudem wird durch die Hochfrequenzspule in der Plasmakammerwand ein Ringstrom (Wirbelstrom) induziert, wodurch Energie verloren geht, welche nicht mehr an das Plasma abgegeben werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochfrequenz-Elektronenquelle bereitzustellen, die einerseits keinen Elektronenemitter aufweist und somit keiner Aufheizzeit bedarf sowie ohne komplizierte, kostenintensive Bauteile auskommt, welche gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit zu schützen sind. Andererseits soll eine Elektronenquelle bereitgestellt werden, die einen verringerten Leistungsbedarf aufweist.
Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass der Entladungsraum von mindestens einer Elektrode und einer Keeper-Elektrode zumindest teilweise umgeben ist und dass zwischen den Elektroden ein elektrisches Hochfrequenzfeld anliegt.
Erfindungsgemäß arbeitet die Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer kalten Bogenentladung, indem das Elektronen liefernde Plasma mit einer kapazitiven Hochfrequenzentladung erzeugt wird, die durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld zwischen den Elektroden im Entladungsraum erzeugt wird. Für die Erfindung ist es nicht notwendig, dass die Elektroden den Entladungsraum umgeben und einen Hohlraum bilden. Sie müssen lediglich dazu geeignet sein, das Plasma im Entladungsraum zu zünden und aufrechtzuerhalten.
Das Zünden der Entladung der Hochfrequenz-Elektronenquelle kann durch einen Druckstoß erfolgen, der beispielsweise durch eine kurzzeitige Erhöhung des Massenflusses durch die Elektronenquelle erzeugt wird. Damit wird die Zündspannung auf der sogenannten Paschen-Kurve auf ihr Minimum reduziert und die Gasstrecke schlägt durch. Die beschleunigten Elektronen schlagen dann wiederum weitere Elektronen aus Neutralteilchen heraus und ionisieren diese. Durch diese fortschreitende Ionisation entsteht ein Plasma, welches die benötigten Elektronen liefert.
Die Vorteile der Hochfrequenz-Elektronenquelle liegen im einfachen, unkomplizierten Aufbau. So entfallen Heizung samt Elektronik und Elektronenemitter, womit auch die Einschränkungen zu Lagerung und bezüglich der Umgebungsbedingungen während Montage und Betrieb entfallen. Beispielsweise ist ein Test der Funktionstauglichkeit nach der Herstellung ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer der Hochfrequenz-Elektronenquelle unter normalen Umweltbedingungen möglich. Außerdem können zum Betrieb Edelgase wie Xenon oder andere geeignete Gase verwendet werden, die hierfür nicht speziell von Sauerstoff und Restfeuchtigkeit gereinigt werden müssen. Durch den Wegfall der Vorheizzeit und der Aktivierungsprozesse ergibt sich außerdem eine schnelle Verfügbarkeit der Elektronen, so dass bei einer Neutralisierung eines lonenantriebs dieser sofort seinen Schub zur Verfügung stellen kann.
Durch die Möglichkeit, die Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer relativ geringen Frequenz zu betreiben, ist es auf der Elektronikseite zusätzlich möglich, hohe elektrische Wirkungsgrade zu erzielen. Hinzu kommt, dass die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Elektronenquelle einen sehr geringen Leistungsbedarf aufweist.
Bevorzugt ist der Entladungsraum von einer Plasmakammer umgeben. Hierdurch wird ein möglicher Gasverlust minimiert. Insbesondere ist eine Elektrode so gestaltet, dass sie die Plasmakammer bildet.
Bildet eine Elektrode die Plasmakammer, so wird diese bevorzugt als Hohlkathode ausgebildet. Hierdurch ist zum einen eine optimale Geometrie für den Einschluss des Plasmas gebildet und außerdem wird die kapazitive Einkopplung des Hochfrequenzfeldes in das Plasma durch eine derartige Geometrie unterstützt.
Die Ausrichtung des elektrischen Hochfrequenzfeldes bezogen auf die Extraktionsrichtung der Elektronen kann beliebig sein, bevorzugt liegt das elektrische Hochfrequenzfeld aber parallel zur Extraktionsrichtung an. In einer alternativen vorzugsweisen Ausführungsform kann das Feld auch senkrecht zur Extraktionsrichtung anliegen.
Da keine Resonanzeffekte ausgenutzt werden müssen, ist die Entladungsfrequenz in weiten Grenzen frei wählbar und kann somit an die Erfordernisse optimal angepasst werden. Vorzugsweise liegt die Frequenz des elektrischen Hochfreqenzfeldes jedoch zwischen 100 KHz und 50 MHz .
Zur Erzeugung des elektrischen Hochfrequenzfeldes ist vorteilhafterweise zwischen die Elektrode und die Keeper-Elektrode ein Hochfrequenzgenerator (HF-Generator) und hier besonders vorteilhaft ein Radiofrequenzgenerator (RF-Generator) geschaltet, wobei der Anschluss an die Elektroden mittels eines Anpassungsnetzwerkes bewerkstelligt wird. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass es sich bei dem Anpassungsnetzwerk um einen Ringkerntransformator handelt. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann die Feldstärke des elektrischen Hochfrequenzfeldes den Entladebedingungen optimal angepasst werden.
Bei einer Anordnung in der Form, dass die Plasmakammer als Elektrode ausgebildet ist, hat es sich herausgestellt, dass es von Vorteil ist, die Keeper-Elektrode auf den aktiven Ausgang des HF-Generators und die Elektrode auf Massepotential zu legen.
Aus Gründen der elektrischen Abschirmung gegenüber der Umgebung ist es hierbei von Vorteil, dass die Elektrode und die Keeper-Elektrode von einer Schirmelektrode umgeben werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegt die Elektrode am aktiven Ausgang des HF-Generators und die Keeper-Elektrode auf Massepotential. Hier kann die Schirmelektrode entfallen.
Zur Steigerung des Wirkungsgrades der Hochfrequenz-Elektronenquelle kann zwischen den Elektroden zusätzlich zur Beaufschlagung mit dem elektrischen Hochfrequenzfeld eine Gleichspannung angelegt sein. Hiermit wird den Plasmaelektronen der Austritt aus der Elektronenquelle erleichtert.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Gleichspannung aber auch über die Hilfselektroden angelegt werden, wofür diese um den Entladungsraum herum gruppiert werden.
Für die Elektroden kann grundsätzlich jedes geeignete Material gewählt werden, das den Anforderungen an eine solche Elektronenquelle und ihrem speziellen Einsatzgebiet gerecht wird. Bevorzugt sind die Elektroden jedoch aus einem metallischen Werkstoff, wie Titan, Molybdän, Wolfram, Stahl, speziell rostfreier Stahl oder auch aus Aluminium oder Tantal. Als nichtmetallische Werkstoffe sind kommen besonders Graphit, Kohlenstoffverbundwerkstoffe oder leitfähige Keramiken in Betracht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier in zwei Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.
Es zeigen
Fig. 1
einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen HochfrequenzElektronenquelle in einer Ausgestaltung mit einer als Hohlkathode ausgebildeten Plasmakammer und Schirmelektrode.
Fig. 2
einen schematischen Aufbau in einer Ausgestaltung mit einer gegenüber den Elektroden elektrisch isolierten Plasmakammer.
Die Fig. 1 zeigt die Hochfrequenz-Elektronenquelle 10 mit einer Elektrode 12a, die eine als Hohlkathode ausgebildeten Plasmakammer bildet und den Entladungsraum 11 umgibt. Diese hat einen kreisförmigen Querschnitt und auf der einen Seite einen Gaseinlass 14 für das zu ionisierende Betriebsgas, beispielsweise Xenon. Koaxial am anderen Ende der Plasmakammer angeordnet ist die Extraktionsöffnung 16 zur Entnahme des Plasmas samt Elektronen vorgesehen. Die als Plasmakammer ausgebildete Elektrode 12a ist von der Keeper-Elektrode 12b teilweise umgeben. Letztere ist zusätzlich von einer Schirmelektrode 13 umgeben. Dabei weisen auch die Keeper-Elektrode 12 b und die Schirmelektrode 13 koaxial mit der Extraktionsöffnung 16 an der Plasmakammer eine Öffnung auf, um eine Entnahme des Plasmas mit Elektronen zu ermöglichen. Aus Gründen der vollständigen Umschließung der Plasmakammer 12a mit der Schirmelektrode ist der Gaseinlass 14 durch die Schirmelektrode 13 geführt . Zur elektrischen Entkopplung ist der Gaseinlass 14 mittels eines Isolators 15 elektrisch von den Elektroden 12a, 13 getrennt.
Die leitfähigen Bereiche, insbesondere die als Plasmakammer ausgebildete Elektrode 12a muss neben ihrer primären Funktion zur Gewährleistung des elektrostatischen Einschlusses der Elektronen weitere Bedingungen erfüllen. Zum einen muss sie gegenüber dem Plasma resistent sein, um die geforderte Betriebszeit mit vertretbarem Qualitätsverlust zu überdauern, zum anderen darf sie die Einkopplung des elektrischen Hochfrequenzfeldes und die damit einhergehende Aufrechtherhaltung des Plasmas nicht abschirmen. Während des Betriebs treffen laufend lonen auf der Elektrode 12a auf, was zu einer Erosion führt. Außerdem kann die Temperatur der Hochfrequenz-Elektronenquelle bei 300° - 400° C liegen.
Bei der Anwendung in der Raumfahrttechnik bestehen zudem relativ strenge Anforderungen an eine Hochfrequenz-Elektronenquelle . So sind für die Anwendung der Hochfrequenz-Elektronenquelle als Neutralisator für lonentriebwerke in der Raumfahrt derzeit 8000 bis 15000 Stunden Betriebszeit zu garantieren. Hinzu kommt, dass die Hochfrequenz-Elektronenquelle im Hochvakuum betrieben wird, womit der Werkstoff - um nicht auszugasen - einen niedrigen Dampfdruck aufweisen sollte. Letztlich sollte die Hochfrequenz-Elektronenquelle die Startlasten beim Transport der Einrichtung, die eine solche Hochfrequenz-Elektronenquelle aufweist, in den Weltraum überstehen. Hierfür gibt es insbesondere einige metallische und nichtmetallische Werkstoffe, die diesen Anforderungen gerecht werden, so dass die leitfähigen Bereiche, insbesondere die Elektrode 12a, aus Titan, Molybdän, Wolfram, Stahl, Aluminium, Tantal, Graphit, leitfähiger Keramik oder Kohlenstoffverbundwerkstoffen hergestellt ist.
Die Ansteuerung der Elektrode 12a und der Keeper-Elektrode 12b zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes mit der Frequenz von z.B. 1 MHz zur Herstellung eines Plasmas erfolgt über einen Radiofrequenzgenerator 22, der mittels eines Ringkerntransformators 21 über Zuleitungen 21a, 21b an die Elektroden 12a, 12b angeschlossen ist. Dabei liegt die Zuleitung 21a und somit die Plasmakammer 12a auf Massepotential und die Zuleitung 21b und damit auch die Keeper-Elektrode 12b am aktiven Ausgang des Radiofrequenz-Netzes an. Da keine Resonanzeffekte ausgenutzt werden, ist die Entladungsfrequenz in weiten Grenzen frei wählbar, so dass anstelle von 1 MHz auch Werte zwischen 100 KHz bis 50 MHz möglich sind. Zusätzlich zum elektrischen Hochfrequenzfeld liegt über die Zuleitung 21b eine Gleichspannung an der Keeper-Elektrode 12b an. Hierdurch können der Elektronenaustritt aus dem Entladungsplasma erleichtert und der Wirkungsgrad der Elektronenquelle verbessert werden. Um die elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Elektroden zu gewährleisten, sind die Zuleitungen 21a, 21b über weitere Isolatoren 17 gegenüber der Schirmelektrode 13 bzw. der Keeper-Elektrode 12b abgeschirmt.
Zum Zünden des Plasmas strömt das Betriebsgas Xenon über den Gaseinlass 14 in den Entladungsraum 10. Zwischen der als Plasmakammer ausgebildeten Elektrode 12a und der Keeper-Elektrode 12b liegt das elektrische Hochfrequenzfeld an. Dieses wird kapazitiv in den Entladungsraum 11 eingekoppelt. Hierdurch werden die wenigen freien Elektronen, die im Arbeitsgas im thermischen Gleichgewicht vorhanden sind, beschleunigt und stoßionisieren somit bei ausreichender Energie aus dem elektrischen Hochfrequenzfeld das Betriebsgas. Durch diese Ionisation werden wiederum Sekundärelektronen erzeugt, die am Prozess teilnehmen. Es entsteht somit eine Elektronenlawine, die letztendlich zum Plasma führt. Das Plasma im Entladungsraum 11 befindet sich jedoch nicht im thermischen Gleichgewicht, da fast die gesamte Leistung des elektrischen Hochfrequenzfeldes von den Elektronen des Plasmas absorbiert wird und diese aufgrund ihrer geringen Masse im Vergleich zu den lonen mehr Leistung aufnehmen als die lonen. Dies hat zur Folge, dass die Elektronentemperatur um mehr als einen Faktor 100 über der Ionen- und Neutralteilchentemperatur liegt.
Durch die Extraktionsöffnung 16 tritt der Xenon-Gasstrahl nach außen. Im vorliegenden Beispiel ist er als Überschall-Jet 30 ausgebildet (schraffiert skizziert). Der Gasstrahl 30 transportiert somit das Hochfrequenz-Plasma nach außen. Dort kann es als Elektronenquelle für die Zündung eines Triebwerkes oder auch als Brücke zur Einkopplung der Elektronen in den lonenstrahl verwendet werden. Durch ständige Nachlieferung von Betriebsgas über den Gaseinlass wird ständig neues zu ionisierendes Gas nachgeliefert, so dass das System trotz Entnahme eines Teils des Plasmas im Gleichgewicht bleibt.
Die Fig. 2 zeigt die Hochfrequenz-Elektronenquelle 10 mit Elektroden 12a und 12b, zwischen denen ein elektrisches Wechselfeld anliegt. Das Wechselfeld liegt dabei senkrecht zur Extraktionsrichtung der Elektronen, die durch einen Plasmajet 30 austreten. Der Entladungsraum ist von einer dielektrischen Entladungskammer 19 gegenüber den Elektroden 12a und 12b elektrisch isoliert abgeschlossen. Zur Unterstützung der Extraktion liegt zwischen den voneinander elektrisch isolierten Hilfselektroden 18a und 18b eine Gleichspannung an, die durch die Spannungsversorgung 23 erzeugt wird.

Claims (14)

  1. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10), insbesondere als Neutralisator einer lonenquelle, insbesondere eines lonenantriebs, umfassend einen Entladungsraum (11) mit mindestens einem Gaseinlass (14) für ein zu ionisierendes Gas und mindestens einer Extraktionsöffnung (16) für Elektronen, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum (11) von mindestens einer Elektrode (12a) und einer Keeper-Elektrode (12b) zumindest teilweise umgeben ist und dass zwischen den Elektroden ein elektrisches Hochfrequenzfeld anliegt.
  2. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum (11) von einer Plasmakammer umgeben ist.
  3. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakammer als Elektrode (12a, 12b) ausgebildet ist.
  4. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode(12a) als Hohlkathode ausgebildet ist.
  5. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Hochfrequenzfeld parallel zur Extraktionsrichtung der Elektronen angelegt wird.
  6. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Hochfrequenzfeld senkrecht zur Extraktionsrichtung der Elektronen angelegt wird.
  7. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Hochfrequenzfeld eine Frequenz von 100 KHz bis 50 MHz aufweist. Hochfrequenzfeld eine Frequenz von 100 KHz bis 50 MHz aufweist.
  8. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochfrequenzgenerator, insbesondere ein Radiofrequenzgenerator (22) mit Anpassungsnetzwerk, insbesondere Ringkerntransformator (21) das elektrische Hochfrequenzfeld erzeugt.
  9. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Keeper-Elektrode (12b) am aktiven Ausgang des Hochfrequenzgenerators (22) anliegt und die Elektrode (12a) Massepotential aufweist.
  10. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keeper-Elektrode (12b) von einer Schirmelektrode (13) umgeben ist.
  11. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (12a) am aktiven Ausgang des Hochfrequenzgenerators (21) anliegt und die Keeper-Elektrode (12b) Massepotential aufweist.
  12. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektrode (12a) und der Keeper-Elektrode (12b) zusätzlich zum elektrischen Hochfrequenzfeld eine Gleichspannung beaufschlagt ist.
  13. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfselektroden (18a, 18b) am Entladungsraum (11) angebracht sind, zwischen denen eine Gleichspannung anliegt.
  14. Hochfrequenz-Elektronenquelle (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (12a) und/oder Keeper-Elektrode (12b) und/oder die Hilfselektroden (18a, 18b) aus einem metallischen Werkstoff der Gruppe Titan, Molybdän, Wolfram, Aluminium, Tantal, Stahl oder aus einem nichtmetallischen Werkstoff der Gruppe Graphit, Kohlenstoffverbundwerkstoff, Keramik bestehen.
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