EP1442640A1 - Plasmabeschleuniger-anordnung - Google Patents

Plasmabeschleuniger-anordnung

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Publication number
EP1442640A1
EP1442640A1 EP02785332A EP02785332A EP1442640A1 EP 1442640 A1 EP1442640 A1 EP 1442640A1 EP 02785332 A EP02785332 A EP 02785332A EP 02785332 A EP02785332 A EP 02785332A EP 1442640 A1 EP1442640 A1 EP 1442640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma chamber
plasma
magnetic field
longitudinal direction
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP02785332A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1442640B1 (de
Inventor
Günter KORNFELD
Gregory Coustou
Gregory Emsellem
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 Air Systems and 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 EP1442640A1 publication Critical patent/EP1442640A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1442640B1 publication Critical patent/EP1442640B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
  • Plasma accelerator arrangements serve, for example, as drives for spacecraft.
  • a working gas is ionized in a plasma chamber and the ions are accelerated in an electrostatic field and ejected as a neutralized plasma beam by means of supplied electrons.
  • Hall thruster the annular plasma chamber of which is penetrated by an essentially radial static magnetic field.
  • Hall thrusters are known, for example, from EP 0541309 A1 or US 5847493.
  • an electron source which is arranged on the side of the beam exit of the plasma chamber outside of this and laterally offset relative to it, emits an electron current which is partially conducted as ionization electrons into the plasma chamber and ionized under the influence of the electric field between the electron source and the anode arranged at the bottom of the plasma chamber partially carried as neutralization electrons from ions emerging from the chamber.
  • the ionization electrons are deflected in the plasma chamber under the influence of the magnetic field and form annular drift currents, as a result of which the dwell time and the ionization effect on working gas introduced into the plasma chamber are substantially increased.
  • BESTATIGUNGSKOPIE DE-AS1222589 shows a plasma accelerator arrangement in which an arc discharge is ignited in a plasma chamber delimited by an anode and a cathode by an electrostatic field between the anode and cathode.
  • the resulting ions are isolated by an outside of the plasma chamber and by an isolated one
  • Electrode separately arranged annular ion acceleration electrode removed and accelerated ejected.
  • a high-energy bundled electron beam supplied from the cathode side on the central axis of the arrangement runs through the plasma chamber and emerges with the electrons of the electron beam through the accelerating electrode and neutralizes the ion beam.
  • the electrons generated during the arc discharge and the electrons of the beam supplied, which are braked by impact processes, perform an oscillating movement between the ion acceleration electrode and the cathode.
  • a magnetic collimator field parallel to the longitudinal axis bundles the particle flows around the central axis. Further electrostatic acceleration stages with magnetic bundling can be connected to the acceleration electrode.
  • Patent Abstracts of Japan 09223474 describes a plasma accelerator which has a plasma generator chamber and a plasma accelerator chamber in succession, through which working gas is passed.
  • a coil arrangement generates a magnetic field parallel to the beam.
  • a plurality of stabilizing electrodes comprising the beam are arranged in succession in both chambers.
  • a plasma accelerator arrangement in which an energy-focused, concentrated electron beam is introduced into a plasma chamber delimited in the longitudinal direction by an anode and an end electrode and guided along the central axis through a magnet arrangement becomes.
  • Several intermediate electrodes are provided in the longitudinal direction between the anode and the end electrode, which subdivide the potential difference between the anode and the end electrode into several stages.
  • the magnet arrangement shows the peculiarity that the magnetic field generated by it in the plasma chamber periodically changes the polarity in the longitudinal direction and field sections of the first type and second type alternate in the longitudinal direction, the field lines predominantly radial in the sections of the first type, that is to say perpendicular to the longitudinal direction, and in the sections of the second type, the field lines run predominantly axially, ie parallel to the longitudinal direction.
  • the sections of the first type preferably lie between two electrodes which follow one another in the longitudinal direction and form barriers for electrons accelerated towards the anode. Such a multi-stage arrangement with the electron barriers enables an increase in the efficiency of the plasma accelerator.
  • DE 10014033 A1 describes a plasma accelerator arrangement with a similar magnetic field arrangement for an annular plasma chamber and an electron source located at the end of the plasma chamber.
  • a plasma accelerator arrangement known from DE 10014033 A1 provides for the introduction of electrons accelerated from the anode side into the annular plasma chamber in the form of a cylindrical hollow beam into the plasma chamber.
  • US 6215124 B1 describes an ion accelerator in the manner of a Hall thruster with an annular plasma chamber and an essentially radial magnetic field between a radially inner first and a radially outer second magnetic pole.
  • a plurality of electrodes are arranged at different radial distances from the exit of the plasma chamber on the end face of the plasma chamber on its end face pointing in the beam direction, essentially transverse to the beam direction and outside the plasma chamber, which electrodes are arranged at different radial distances from the plasma chamber Intermediate potentials between the cathode potential and the anode potential or even below.
  • a magnetic short circuit around the anode region shifts a maximum of the longitudinal gradient of the magnetic field in the direction of the exit of the plasma chamber and preferably to the outside.
  • the object of the present invention is to further improve such a plasma accelerator arrangement, in particular with regard to the efficiency.
  • the acceleration stage and thus at one position, where the ion concentration due to ionization of the previous stages is already high, a high potential difference for accelerating the ions to a high speed and thus a large impulse is available, whereas the small potential difference of the preceding stages is particularly favorable for the ionization of the working gas.
  • the acceleration stage is also available for the multiplication of the ionization electrons supplied there by impact ionization and the secondary electrons that are produced in the process.
  • Ionization electrons are understood here and in the following to mean the electrons which are accelerated towards the anode in the electrostatic field and produce positively charged ions of the working gas when they are influenced by the magnetic field.
  • the term ionization electrons also distinguishes these electrons from the electrons referred to as neutralization electrons, which are emitted to the outside with the accelerated ion beam and ensure a charge-neutral plasma beam.
  • Ionization electrons and neutralization electrons can, at least in part, originate from the same electron source.
  • the section between an end electrode arranged when the plasma jet emerges from the plasma chamber and an intermediate electrode closest to it in the direction of the anode is referred to as the last or exit-side potential stage.
  • the potential difference occurring in this potential level between the end electrode and the next intermediate electrode is referred to as the last potential difference.
  • the magnetic field configuration present in the plasma chamber in connection with the electrode arrangement within the plasma chamber, preferably in the form of a longitudinally alternating sequence of sections of the first type with predominantly radial, i.e. perpendicular to the longitudinal direction of the plasma chamber, field lines and sections of the second type with predominantly axial field lines, ie field lines running parallel to the longitudinal direction of the plasma chamber, and in particular the magnetic field existing in the plasma chamber with the magnetic field section in the last potential stage in connection with the large potential difference of the outlet-side last potential stage.
  • the intermediate electrodes are preferably between adjacent magnetic field sections of the first type with a predominantly radial course of the magnetic field.
  • a magnetic field section of the first type prevents the ionization electrons supplied to the last potential stage from being accelerated highly and hitting one of the next electrodes while losing the energy absorbed in the process. Rather, a magnetic field section of the first type forms a barrier for the electrons accelerated in the electrostatic field by forcing them onto drift tracks with predominantly transverse movement components and by gradually passing the energy from the electrostatic field
  • the magnetic field section of the first type in the last potential stage advantageously lies between the electrodes forming the last stage, in particular in a region where the electrostatic field is essentially axial and has high values.
  • the ions are not significantly influenced in their movement by the magnetic field and accelerated axially high by the electrostatic field of the last potential stage, the high acceleration in the longitudinal course of the plasma chamber advantageously due to the strong inequality of the potential stages according to the invention only begins in a range in which the degree of ionization of the working gas is very high, so that the last potential stage, which comprises almost the entire potential difference of the arrangement, can be used essentially for acceleration for all working gas ions.
  • the last potential difference is advantageously at least 4 times, in particular at least 10 times the first potential difference, i. H. the potential difference between the electrode facing away from the plasma outlet and the intermediate electrode closest to it in the direction of the plasma outlet.
  • the section between the anode and that next intermediate electrode is referred to as the first potential stage.
  • the potential difference of the last potential level is then advantageously at least 4 times, in particular at least 10 times the largest potential difference of the other potential levels.
  • the last potential difference is advantageously greater than the sum of the other potential differences and is preferably at least 2 times, in particular at least 4 times the sum of the other potential differences.
  • the end electrode can be formed by an electrode surrounding and / or laterally delimiting the plasma chamber when the plasma jet emerges.
  • the end electrode can also be arranged laterally offset when the plasma jet emerges outside the plasma chamber, in particular also in the manner of the cathodes of the Hall thruster arrangements.
  • the ionization electrons initiating the ionization can be supplied to the last potential stage in a manner known per se.
  • an accelerated electron beam can be introduced into the plasma chamber from the anode side and can be guided centrally in the longitudinal direction by the magnetic field arrangement.
  • the electrons of the electron beam ES are braked in the electric field.
  • Some of the electrons in the electron beam are deflected at the end of the last potential stage and accelerated towards the anode as ionization electrons. Another part of the
  • Electrons of the electron beam emerge from the chamber with the working gas ions as an electrically neutral plasma jet.
  • an electron source is laterally offset outside the plasma chamber when the plasma jet emerges and emits an electron current, which is partly as ionization electrons through the
  • an electrode can be provided when the plasma jet emerges from the plasma chamber
  • a gas discharge can be ignited by briefly increasing the gas pressure and / or the potential difference of the last potential stage. However, it can also be started by spontaneous ionization, for example by high-energy radiation.
  • the different types of electron sources can also be implemented in combination.
  • Fig. 3 shows an arrangement with an ion-loaded electrode as an electron source.
  • a plasma chamber PK is constructed essentially in a circular cylindrical manner about a longitudinal axis LA.
  • the plasma chamber is surrounded by several, preferably annular electrodes EA, EZ1, EZ2, EE at different potentials, spaced one after the other in the longitudinal direction LR.
  • a working gas AG, in particular xenon, is supplied to the plasma chamber.
  • a closely focused, highly accelerated electron beam ES from a beam source is guided on the longitudinal axis from the side of the first electrode EA, also referred to as an anode, into the plasma chamber and is guided centrally through the magnetic field MF of a magnet arrangement surrounding the plasma chamber on the longitudinal axis LA.
  • the course of the potential across the different potentials of the separated electrodes is monotonous in the longitudinal direction LR and is directed in such a way that the electrons of the electron beam slow down along their path through the plasma chamber and positively charged ions of the working gas generated in the plasma chamber in the direction of the end electrode EE, which is the last electrode the row at the beam exit SA of the plasma chamber is arranged to be accelerated.
  • Ions and electrons NE leave the plasma chamber at the beam exit as an electrically neutral plasma beam PB.
  • the magnet arrangement is represented schematically by a plurality of magnetic rings MR surrounding the plasma chamber, which are alternately polarized in opposite directions in the longitudinal direction.
  • Such a magnet arrangement generates a magnetic field in the plasma chamber, which in the longitudinal direction at positions between successive ones
  • the magnetic field sections of the first type form electron barriers in the potential stages formed by two successive electrodes each with a first potential difference PDA for the first anode-side potential stage between the anode EA and the first intermediate electrode EZ1, an intermediate potential difference PDZ for an intermediate stage between the first (EZ1) and second (EZ2) intermediate electrode and a last, outlet-side potential difference PDE for the last potential stage between the second
  • the potential difference PDE of the last potential level is at least 4 times, in particular at least 10 times the potential difference PDA of the first potential level or, in the case of more than two potential levels, at least 4 times, in particular at least 10 times the largest of the potential differences PDA , PDZ of the other potential levels.
  • Potential levels advantageously less than the last potential difference PDE and is preferably a maximum of 50%, in particular a maximum of 25% of the last potential difference PDE.
  • PDA 50 V
  • PDZ 50 V
  • the number of electrons suitable for ionization rises steeply due to the multiplication factor from stage to stage from the last potential stage to the first potential stage.
  • the main part of the ionization of the working gas therefore lies in the potential stages PDA and PDZ. Due to the magnetic field section MA1 E of the first type in the last potential stage, strong decelerated electrons in the introduced electron beam are held in this stage for a long time and thereby already generate a large number of secondary electrons, which are transferred to the next stage in the direction of the anode.
  • the concentration of the ions accelerated in the direction from the anode EA to the end electrode EE has almost reached its maximum when it enters the last potential stage, so that the high potential difference of this last potential stage is essentially available as acceleration potential for the entire ion current.
  • the combination of the high last potential difference PDE and the magnetic field section MA1 E in the last potential stage thus leads to a particularly good efficiency of the plasma accelerator arrangement.
  • Magnetic field sections MA1A, MA1Z of the first type which alternate in the longitudinal direction in succession with magnetic field sections MA2 of the second type, in which the magnetic field in the plasma chamber is predominantly axial, ie. H. runs parallel to the longitudinal direction.
  • a particularly high proportion of ionization is achieved in the first potential stage.
  • magnetic field sections of the first and second types are shown spaced apart by transition sections in the figures.
  • the electrons Due to the course of the magnetic field diverging towards the longitudinal axis in the sections of the first type and the predominantly axial course in the sections of the second type, the electrons are largely kept away from the lateral electrodes and remain as ionization electrons.
  • the initial ionization electrons IE in the last potential stage are obtained in the arrangement sketched in FIG. 1 in that a part of the electrons of the introduced electron beam does not overcome the potential of the end electrode and is branched off from the electron beam and accelerated in the opposite direction, one sees in FIG 2 for the region of the plasma jet exit SA, a cathode arranged in the manner of the Hall thruster outside the plasma chamber PKT as the electron source QE, the emitted electron current of which is guided to a first part as ionization electrons IE through the beam outlet SA into the plasma chamber and to a different extent than Neutralization electrons NE is carried by the plasma beam PB.
  • the end electrode can be formed by this cathode, so that the last potential stage is formed between the cathode EQ and the intermediate electrode closest to the outlet.
  • the plasma chamber there is again a magnetic field section MA1 E of the first type between the beam exit SA and the intermediate electrode EZ2 with the described mode of action on the ionization electrons accelerated by the cathode EQ in the direction of the intermediate electrode.
  • the plasma chamber in contrast to FIG. 1, is assumed to be ring-shaped around a longitudinal axis LAT in a conventional manner.
  • the magnet arrangement then contains radial inner and outer magnetic rings MRI or MRA with the same polarity.
  • the generation of the primary electrodes is, however, independent of the cylindrical or ring-shaped chamber geometry, and the external cathode EQ is particularly suitable as an electron source for both geometries.
  • FIG. 3 Another possibility for generating ionization electrons in the last potential stage is outlined in FIG. 3.
  • the end electrode EEB is exposed to the bombardment and / or field influence by ions from an edge area RP of the plasma jet. Ions striking the end electrode release electron showers, for example, which are accelerated towards the intermediate electrode EZ2 as ionization electrons IE and are also carried along by the plasma beam as a neutralization electron current NE.
  • the end electrode EEB advantageously consists of the ion bombardment-resistant material with a high secondary electron emission coefficient.
  • the magnetic field section MA1 E is again provided between the end electrode EE4 and the intermediate electrode EZ2, without the field course being explicit here is drawn.
  • the passive electrode is also particularly advantageous in connection with intermediate electrodes at floating intermediate potentials.

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Abstract

Für eine Plasmabeschleuniger-Anordnung wird ein mehrstufiger Aufbau mit wenigstens einer Zwischenelektrode zwischen einer Plasmakammer zwischen sich einschliessenden Elektroden beschrieben, bei welchen durch eine ungleichmässige Potentialaufteilung auf die durch die mehreren Elektroden gebildeten Potentialstufen mit hoher Potentialdifferenz der letzten Stufe beim Austritt des Plasmastrahls und durch eine besondere Gestaltung eines die Plasmakammer in dieser letzten Stufe durchsetzenden Magnetfelds ein besonders guter Wirkungsgrad erreicht wird.

Description

Plasmabeschleuniger-Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Plasmabeschleuniger-Anordnung
Plasmabeschleuniger-Anordnungen dienen beispielsweise als Antriebe für Raumflugkörper. Dabei wird in einer Plasmakammer ein Arbeitsgas ionisiert und die Ionen werden in einem elektrostatischen Feld beschleunigt und mittels zugeführter Elektronen als neutralisierter Plasmastrahl ausgestossen.
Die gebräuchlichste Ausführungsart solcher Plasmabeschleuniger- Anordnungen ist der sogenannte Hall-Thruster, dessen ringförmige Plasma- Kammer von einem im wesentlichen radialen statischen Magnetfeld durchsetzt ist. Solche Hall-Thruster sind beispielsweise bekannt aus der EP 0541309 A1 oder der US 5847493.
Bei diesen Hall-Thrustern emittiert eine auf der Seite des Strahlaustritts der Plasmakammer außerhalb dieser und seitlich gegen diesen versetzt angeordnete Elektronenquelle einen Elektronenstrom, welcher teilweise unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zwischen Elektronenquelle und am Boden der Plasmakammer angeordneter Anode als lonisationselektronen in die Plasmakammer geleitet und teilweise als Neutralisationselektronen von aus der Kammer austretenden Ionen mitgetragen werden. Die lonisationselektronen werden in der Plasmakammer unter dem Einfluß des Magnetfelds umgelenkt und bilden ringförmige Driftströme, wodurch die Verweildauer und die lonisationswirkung auf in die Plasmakammer eingeleitetes Arbeitsgas wesentlich erhöht wird.
BESTATIGUNGSKOPIE DE-AS1222589 zeigt eine Plasmabeschleuniger-Anordnung, bei welcher in einer durch eine Anode und eine Kathode längsbegrenzten Plasmakammer durch ein elektrostatisches Feld zwischen Anode und Kathode eine Bogenentladung gezündet wird. Die dabei entstehenden Ionen werden durch eine außerhalb der Plasmakammer und von dieser durch eine isolierte
Elektrode getrennt angeordnete ringförmige lonen-Beschleunigungselektrode abgezogen und beschleunigt ausgestoßen. Ein von der Kathodenseite auf der Mittelachse der Anordnung zugeführter energiereicher gebündelter Elektronenstrahl läuft durch die Plasmakammer und tritt mit den Elektronen des Elektronenstrahls durch die Beschleunigungselektrode aus und neutralisiert den lonenstrahl. Die bei der Bogenentladung entstehenden Elektronen und die durch Stoßvorgänge abgebremsten Elektronen des zugeführten Strahls führen eine oszillierende Bewegung zwischen der lonen-Beschleunigungselektrode und der Kathode aus. Ein zur Längsachse paralleles magnetisches Kollimatorfeld bündelt die Teilchenströme um die Mittelachse. An die Beschleunigungselektrode können sich weitere elektrostatische Beschleunigungsstufen mit magnetischer Bündelung anschließen.
In Patent Abstracts of Japan 09223474 ist ein Plasmabeschleuniger beschrieben, welcher nacheinander eine Plasma-Generatorkammer und eine Plasma-Beschleunigerkammer aufweist, durch welche jeweils Arbeitsgas durchgeleitet ist. Eine Spulanordnung erzeugt ein strahlparalleles magnetisches Feld. In beiden Kammern sind aufeinanderfolgend mehrere den Strahl umfassende Stabilisierungselektroden angeordnet.
Aus der DE19828704A1 ist eine Plasmabeschleuniger-Anordnung bekannt, bei welcher ein energiereicher gebündelter Elektronenstrahl in eine von einer Anode und einer Endelektrode in Längsrichtung begrenzte Plasmakammer eingeleitet und längs der Mittelachse durch eine Magnetanordnung geführt wird. In Längsrichtung zwischen Anode und Endelektrode sind mehrere Zwischenelektroden vorgesehen, welche die Potentialdifferenz zwischen Anode und Endelektrode in mehrere Stufen unterteilen. Die Magnetanordnung zeigt die Besonderheit, dass das von ihr in der Plasmakammer erzeugte Magnetfeld in Längsrichtung periodisch die Polarität wechselt und in Längsrichtung alternierend Feldabschnitte erster Art und zweiter Art auftreten, wobei in den Abschnitten erster Art die Feldlinien überwiegend radial, d. h. senkrecht zur Längsrichtung, und in den Abschnitten zweiter Art die Feldlinien überwiegend achsial, d. h. parallel zur Längsrichtung verlaufen. Die Abschnitte erster Art liegen vorzugsweise zwischen zwei in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Elektroden und bilden Barrieren für zur Anode hin beschleunigte Elektronen. Eine derart mehrstufig mit den Elektronenbarrieren aufgebaute Anordnung ermöglicht eine Steigerung des Wirkungsgrads des Plasmabeschleunigers. Die DE 10014033 A1 beschreibt eine Plasmabeschleuniger-Anordnung mit einer ähnlichen Magnetfeldanordnung für eine ringförmige Plasmakammer und eine am Ende der Plasmakammer außen liegende Elektronenquelle. Eine aus der DE 10014033 A1 bekannte Plasmabeschleuniger-Anordnung sieht vor, in eine ringförmige Plasmakammer von der Anodenseite her beschleunigte Elektronen in Form eines zylindrischen Hohlstrahls in die Plasmakammer einzuleiten.
Die US 6215124 B1 beschreibt einen lonenbeschleuniger nach Art eines Hall- Thrusters mit einer ringförmigen Plasmakammer und einem im wesentlichen radialen Magnetfeld zwischen einem radial innenliegenden ersten und einem radial außenliegenden zweiten Magnetpol. Als Besonderheit ist hier vorgesehen, dass an der Strahlaustrittsseite der Plasmakammer an deren in Strahlrichtung weisender, im wesentlichen quer zur Strahlrichtung und außerhalb der Plasmakammer liegender Stirnfläche elektrisch isoliert mehrere Elektroden in unterschiedlichen radialen Abständen zum Ausgang der Plasmakammer angeordnet sind, welche auf unterschiedlichen Zwischenpotentialen zwischen dem Kathodenpotential und dem Anodenpotential oder auch darunter liegen. Durch einen magnetischen Kurzschluss um den Anodenbereich wird ein Maximum des Longitudinalgradienten des magnetischen Felds in Richtung des Ausgangs der Plasmakammer und vorzugsweise nach außerhalb verschoben. Durch die Zwischenelektroden an der außen liegenden Stirnfläche kann in dem elektrostatischen Beschleunigungsfeld eine der Divergenz des lonenstrahls entgegenwirkende Feldlinse erzeugt und das Maximum des Beschleunigungsfelds in Strahlrichtung hinter die Strahlaustrittsöffnung verlegt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Plasmabeschleuniger-Anordnung, insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrads weiter zu verbessern.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Durch die erfindungsgemäße Stufung der über die Länge der Plasmakammer anstehenden Potentialdifferenz in eine ausgangsseitige letzte Potentialstufe mit relativ hoher und eine oder mehrere anodenseitige Potentialstufen mit demgegenüber kleiner Potentialdifferenz in in den Ansprüchen und nachfolgend noch präziser angegebenen Verhältnissen steht in der Beschleunigungsstufe und damit an einer Position, wo die lonenkonzentration durch Ionisation der vorhergehenden Stufen bereits hoch ist, eine hohe Potentialdifferenz zur Beschleunigung der Ionen auf eine große Geschwindigkeit und damit großem Impuls zur Verfügung, wogegen die demgegenüber geringe Potentialdifferenz der vorangehenden Stufen besonders günstig für die Ionisation des Arbeitsgases ist. Zugleich steht aber auch die Beschleunigungsstufe für die Vervielfältigung der dort zugeführten lonisationselektronen durch Stoßionisation und dabei entstehende Sekundärelektronen zur Verfügung.
Mit lonisationselektronen seien dabei und im folgenden die Elektronen verstanden, welche in dem elektrostatischen Feld zur Anode hin beschleunigt werden und bei ihrer durch das Magnetfeld beeinflussten Bewegung positiv geladene Ionen des Arbeitsgases erzeugen. Die Bezeichnung lonisationselektronen grenzt diese Elektronen zugleich von den als Neutralisationselektronen bezeichneten Elektronen ab, welche mit dem beschleunigten lonenstrahl nach außen abgegeben werden und einen ladungsneutralen Plasmastrahl gewährleisten, lonisationselektronen und Neutralisationselektronen können, zumindest teilweise, derselben Elektronenquelle entstammen.
Als letzte oder austrittsseitige Potentialstufe sei der Abschnitt zwischen einer beim Austritt des Plasmastrahls aus der Plasmakammer angeordneten Endelektrode und einer dieser in Richtung zur Anode nächsten Zwischenelektrode bezeichnet. Die in dieser Potentialstufe auftretende Potentialdifferenz zwischen der Endelektrode und der nächsten Zwischenelektrode ist als letzte Potentialdifferenz bezeichnet.
Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist die in der Plasmakammer vorliegende Magnetfeldkonfiguration in Verbindung mit der Elektrodenanordnung innerhalb der Plasmakammer, vorzugsweise in Form einer in Längsrichtung alternierenden Folge von Abschnitten erster Art mit überwiegend radial, d. h. senkrecht zur Längsrichtung der Plasmakammer verlaufenden Feldlinien und Abschnitten zweiter Art mit überwiegend achsialen, d. h. parallel zur Längsrichtung der Plasmakammer verlaufenden Feldlinien, und insbesondere das in der Plasmakammer bestehende Magnetfeld mit dem Magnetfeldabschnitt in der letzten Potentialstufe in Verbindung mit der großen Potentialdifferenz der austrittsseitigen letzten Potentialstufe. Die Zwischenelektroden liegen vorzugsweise zwischen benachbarten Magnetfeldabschnitten erster Art mit überwiegend radialem Verlauf des Magnetfelds.
Insbesondere in der letzten Potentialstufe verhindert ein Magnetfeldabschnitt erster Art, dass die der letzten Potentialstufe zugeführten lonisationselektronen hoch beschleunigt werden und unter Verlust der dabei aufgenommenen Energie auf eine der nächsten Elektroden aufschlagen. Vielmehr bildet ein Magnetfeldabschnitt erster Art eine Barriere für die im elektrostatischen Feld beschleunigten Elektronen, indem diese auf Driftbahnen mit überwiegend quer zur Längsrichtung verlaufender Bewegungskomponente gezwungen werden und die Energie aus dem elektrostatischen Feld schrittweise durch
Stoßionisation abbauen bis sie die Barriere überwinden. Dabei ergibt sich auch bereits in der dem Plasmastrahlaustritt nächsten, als letzte Stufe bezeichneten Potentialstufe ein hoher Vervielfältigungsfaktor der lonisationselektronen, so dass bereits die letzte Potentialstufe eine hohe Zahl von Elektronen an die vorletzte Potentialstufe übergibt.
Der Magnetfeldabschnitt erster Art in der letzten Potentialstufe liegt dabei vorteilhafterweise zwischen den die letzte Stufe bildenden Elektroden, insbesondere in einem Bereich, wo das elektrostatische Feld im wesentlichen achsial verläuft und hohe Werte aufweist. Die Ionen werden durch das magnetische Feld nicht nennenswert in ihrer Bewegung beeinflusst und durch das elektrostatische Feld der letzten Potentialstufe achsial hoch beschleunigt, wobei durch die erfindungsgemäße starke Ungleichheit der Potentialstufen die hohe Beschleunigung im Längsverlauf der Plasmakammer vorteilhafterweise erst in einem Bereich einsetzt, in welchem der lonisationsgrad des Arbeitsgases sehr hoch ist, so dass die letzte Potentialstufe, die fast die gesamte Potentialdifferenz der Anordnung umfasst, im wesentlichen für alle Arbeitsgasionen zur Beschleunigung ausgenutzt werden kann.
Die letzte Potentialdifferenz beträgt vorteilhafterweise wenigstens das 4-fache, insbesondere wenigstens das 10-fache der ersten Potentialdifferenz, d. h. der Potentialdifferenz zwischen der dem Plasmaaustritt abgewandten Elektrode und der dieser in Richtung des Plasmaaustritts nächsten Zwischenelektrode. Der Abschnitt zwischen Anode und der dieser nächsten Zwischenelektrode sei als erste Potentialstufe bezeichnet.
Bei mehr als einer Zwischenelektrode zwischen Anode und Endelektrode treten entsprechend weitere Zwischenpotentialstufen zwischen aufeinanderfolgenden Zwischenelektroden auf. Die Potentialdifferenz der letzten Potentialstufe beträgt dann vorteilhafterweise wenigstens das 4-fache, insbesondere wenigstens das 10-fache der größten Potentialdifferenz der übrigen Potentialstufen.
Die letzte Potentialdifferenz ist vorteilhafterweise größer als die Summe der übrigen Potentialdifferenzen und beträgt vorzugsweise wenigstens das 2-fache, insbesondere wenigstens das 4-fache der Summe der übrigen Potentialdifferenzen.
Vorteilhafterweise zeigt sich dass die Zwischenpotentiale der
Zwischenelektroden nicht zwingend fest vorgegeben werden müssen, sondern dass ein oder mehrere Zwischenelektroden auch auf gleitenden Potentialen liegen können. Die Endelektrode kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform durch eine die Plasmakammer beim Austritt des Plasmastrahls umgebende und/oder seitlich begrenzende Elektrode gebildet sein. In anderer vorteilhafter Ausführungsform kann die Endelektrode auch beim Plasmastrahlaustritt außerhalb der Plasmakammer, insbesondere auch nach Art der Kathoden der Hall-Thruster-Anordnungen seitlich versetzt angeordnet sein.
Die die Ionisation einleitenden lonisationselektronen können der letzten Potentialstufe in an sich bekannter Weise zugeführt sein. Beispielsweise kann ein beschleunigter Elektronenstrahl von der Anodenseite der Plasmakammer in diese eingeführt werden und durch die Magnetfeldanordnung in Längsrichtung zentral geführt sein. Die Elektronen des Elektronenstrahls ES werden in dem elektrischen Feld abgebremst. Ein Teil der Elektronen des Elektronenstrahls wird am Ende der letzten Potentialstufe umgelenkt und als lonisationselektronen zur Anode hin beschleunigt. Ein anderer Teil der
Elektronen des Elektronenstrahls tritt mit den Arbeitsgas-Ionen als elektrisch neutraler Plasmastrahl aus der Kammer aus. In anderer, den Hall-Thrustern ähnlicher Weise ist eine Elektronenquelle beim Austritt des Plasmastrahls außerhalb der Plasmakammer seitlich versetzt angeordnet und emittiert einen Elektronenstrom, welcher zum Teil als lonisationselektronen durch den
Plasmastrahlaustritt in die Plasmakammer geleitet wird und zu einem anderen Teil durch Raumladungseffekte eines nicht neutralisierten lonenstroms mitgetragen wird und die Ausgabe eines elektrisch neutralen Plasmastrahls bewirkt. In wieder anderer Ausführung kann beim Austritt des Plasmastrahls aus der Plasmakammer eine Elektrode vorgesehen sein, welche einem
Randbereich des Plasmastrahls ausgesetzt ist. Die an dieser Position bereits hoch beschleunigten Ionen setzen beim Auftreffen auf diese Elektrode einen Elektronenschauer und/oder durch Raumladungseffekte Elektronen frei, welche wieder teilweise als lonisationselektronen in Anodenrichtung beschleunigt und teilweise zur Neutralisierung des Plasmastrahls mitgetragen wird. Zur Erzeugung eines anfänglichen lonenstroms kann, z. B. durch kurzes Erhöhen des Gasdrucks und/oder der Potentialdifferenz der letzten Potentialstufe eine Gasentladung gezündet werden. Ein Start kann aber auch allein durch spontane Ionisation, z.B. durch hochenergetische Höhenstrahlung erfolgen. Die verschiedenen Arten von Elektronenquellen können auch kombiniert realisiert sein.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Plasmakammer,
Fig. 2 eine Anordnung mit außenliegender Elektronenquelle,
Fig. 3 eine Anordnung mit ionenbeaufschlagter Elektrode als Elektronenquelle.
Bei der in Fig. 1 skizzierten Plasmabeschleuniger-Anordnung ist eine Plasmakammer PK im wesentlichen kreiszylindrisch um eine Längsachse LA aufgebaut. Die Plasmakammer ist von mehreren, in Längsrichtung LR beabstandet aufeinanderfolgenden, vorzugsweise kreisringförmigen Elektroden EA, EZ1 , EZ2, EE auf verschiedenen Potentialen umgeben. Der Plasmakammer ist ein Arbeitsgas AG, insbesondere Xenon, zugeführt.
Ein eng gebündelter, hoch beschleunigter Elektronenstrahl ES aus einer nicht eingezeichneten Strahlquelle ist auf der Längsachse von Seiten der ersten, auch als Anode bezeichneten Elektrode EA, in die Plasmakammer geleitet und durch das Magnetfeld MF einer die Plasmakammer umgebenden Magnetanordnung auf der Längsachse LA zentral geführt. Der Potentialverlauf über die verschiedenen Potentiale der getrennten Elektroden ist in Längsrichtung LR monoton und so gerichtet, dass die Elektronen des Elektronenstrahls entlang ihres Wegs durch die Plasmakammer abgebremst und in der Plasmakammer erzeugte positiv geladene Ionen des Arbeitsgases in Richtung der Endelektrode EE, welche als letzte Elektrode der Reihe am Strahlaustritt SA der Plasmakammer angeordnet ist, beschleunigt werden. Ionen und Elektronen NE verlassen die Plasmakammer am Strahlaustritt als elektrisch neutraler Plasmastrahl PB.
Die Magnetanordnung ist schematisch repräsentiert durch mehrere, die Plasmakammer umgebende Magnetringe MR, welche in Längsrichtung aufeinanderfolgend alternierend entgegengesetzt gepolt sind.
Eine solche Magnetanordnung erzeugt in der Plasmakammer ein Magnetfeld, welches in Längsrichtung an Positionen zwischen aufeinanderfolgenden
Magnetringen Abschnitte MA1A, MA1Z, MA1 E erster Art aufweist, in welchen das Magnetfeld MF überwiegend radial gerichtet ist.
Die Magnetfeldabschnitte erster Art bilden Elektronen-Barrieren in den durch je zwei aufeinanderfolgende Elektroden gebildeten Potentialstufen mit einer ersten Potentialdifferenz PDA für die erste, anodenseitige Potentialstufe zwischen der Anode EA und der ersten Zwischenelektrode EZ1 , einer Zwischenpotentialdifferenz PDZ für eine Zwischenstufe zwischen erster (EZ1 ) und zweiter (EZ2) Zwischenelektrode und einer letzten, austrittsseitigen Potentialdifferenz PDE für die letzte Potentialstufe zwischen zweiter
Zwischenelektrode EZ2 und Endelektrode EE, indem von der Längsachse beabstandete, im elektrostatischen Feld EF der Elektrodenanordnung beschleunigte Elektronen durch das Magnetfeld umgelenkt und lange in einer Stufe gehalten werden. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit der ionisierenden Wechselwirkung mit dem Arbeitsgas und damit auch das Maß der Vervielfältigung der Elektronen durch die bei der Ionisation freigesetzten Sekundärelektronen stark erhöht.
Erfindungsgemäß beträgt die Potentialdifferenz PDE der letzten Potentialstufe wenigstens das 4-fache, insbesondere wenigstens das 10-fache der Potentialdifferenz PDA der ersten Potentialstufe bzw. bei mehr als zwei Potentialstufen wenigstens das 4-fache, insbesondere wenigstens das 10-fache der größten der Potentialdifferenzen PDA, PDZ der übrigen Potentialstufen. Diese Potentialdifferenzen PDA, PDZ der übrigen
Potentialstufen vorteilhafterweise geringer als die letzte Potentialdifferenz PDE und beträgt vorzugsweise maximal 50% insbesondere maximal 25% der letzten Potentialdifferenz PDE. Beispielsweise kann PDA = 50 V, PDZ = 50 V und PDE = 900 V gewählt sein.
Die Anzahl von zur Ionisation geeigneten Elektronen steigt durch den Vervielfältigungsfaktor von Stufe zu Stufe von der letzten Potentialstufe zur ersten Potentialstufe steil an. Der Hauptanteil der Ionisation des Arbeitsgases liegt daher in den Potentialstufen PDA und PDZ. Durch den Magnetfeldabschnitt MA1 E erster Art in der letzten Potentialstufe werden aber in dieser Stufe im eingeleiteten Elektronenstrahl starke abgebremste Elektronen lange in dieser Stufe gehalten und erzeugen dadurch bereits eine hohe Zahl von Sekundärelektronen, welche an die in Richtung zur Anode nächstfolgende Stufe übergeben werden. Zugleich hat die Konzentration der in Richtung von der Anode EA zur Endelektrode EE beschleunigten Ionen beim Eintritt in die letzte Potentialstufe ihr Maximum annähernd erreicht, so dass die hohe Potentialdifferenz dieser letzten Potentialstufe im wesentlichen für den gesamten lonenstrom als Beschleunigungspotential zur Verfügung steht. Die Kombination der hohen letzten Potentialdifferenz PDE und des Magnetfeldabschnitts MA1 E in der letzten Potentialstufe führt damit zu einem besonders guten Wirkungsgrad der Plasmabeschleuniger-Anordnung.
Die übrigen Potentialstufen weisen vorteilhafterweise gleichfalls
Magnetfeldabschnitte MA1A, MA1Z erster Art auf, welche sich in Längsrichtung aufeinanderfolgend mit Magnetfeldabschnitten MA2 zweiter Art abwechseln, in welchen das Magnetfeld in der Plasmakammer überwiegend achsial, d. h. parallel zur Längsrichtung verläuft. Ein besonders hoher lonisationsanteil wird in der ersten Potentialstufe erreicht.
In den Abbildungen sind zur besseren Differenzierung Magnetfeldabschnitte erster und zweiter Art durch Übergangsabschnitte beabstandet eingezeichnet.
Durch den zur Längsachse hin divergierenden Verlauf des Magnetfelds in den Abschnitten erster Art und den überwiegend achsialen Verlauf in den Abschnitten zweiter Art werden die Elektronen weitgehend von den seitlichen Elektroden ferngehalten und bleiben als lonisationselektronen erhalten.
Während bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnung die anfänglichen lonisationselektronen IE in der letzten Potentialstufe dadurch gewonnen werden, dass ein Teil der Elektronen des eingeleiteten Elektronenstrahls das Potential der Endelektrode nicht überwindet und aus dem Elektronenstrahl abgezweigt und in Gegenrichtung beschleunigt wird, sieht eine in Fig. 2 für den Bereich des Plasmastrahl-Austritts SA skizzierte Ausführungsform eine nach Art der Hall-Thruster außerhalb der Plasmakammer PKT angeordnete Kathode als Elektronenquelle QE vor, deren emittierter Elektronenstrom zu einem ersten Anteil als lonisationselektronen IE durch den Strahlaustritt SA in die Plasmakammer geleitet ist und zu einem anderen Anteil als Neutralisationselektronen NE von dem Plasmastrahl PB mitgetragen wird. Die Endelektrode kann bei einer solchen Anordnung durch diese Kathode gebildet sein, so dass die letzte Potentialstufe zwischen Kathode EQ und austrittsnächster Zwischenelektrode gebildet ist.
In der Plasmakammer liegt wiederum zwischen Strahlaustritt SA und Zwischenelektrode EZ2 ein Magnetfeldabschnitt MA1 E erster Art mit der beschriebenen Wirkungsweise auf die von der Kathode EQ in Richtung der Zwischenelektrode beschleunigten lonisationselektronen vor. Die Plasmakammer ist im Beispiel nach Fig. 2 abweichend von Fig. 1 in an sich gebräuchlicher Ausführung als ringförmig um eine Längsachse LAT angenommen. Die Magnetanordnung enthält dann radial mit gleicher Polung gegenüberstehend innere und äußere Magnetringe MRI bzw. MRA. Die Erzeugung der primären Elektroden ist aber von der kreiszylindrischen oder ringförmigen Kammergeometrie unabhängig und isnbesondere ist die externe Kathode EQ als Elektronenquelle für beide Geometrien geeignet.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von lonisationselektronen in der letzten Potentialstufe ist in Fig. 3 skizziert. Hierbei ist die Endelektrode EEB dem Beschuss und/oder Feldeinfluss durch Ionen aus einem Randbereich RP des Plasmastrahls ausgesetzt. Auf die Endelektrode aufschlagende Ionen setzen z.B. Elektronenschauer frei, welche teilweise als lonisationselektronen IE zur Zwischenelektrode EZ2 hin beschleunigt werden und teilweise auch als Neutralisationselektronenstrom NE von dem Plasmastrahl mitgetragen werden. Die Endelektrode EEB besteht vorteilhafterweise aus dem lonenbeschuss widerstehendem Material mit hohem Sekundärelektronenemissionskoeffizient. Zwischen Endelektrode EE4 und Zwischenelektrode EZ2 ist wiederum der Magnetfeldabschnitt MA1 E vorgesehen, ohne dass hier der Feldverlauf explizit eingezeichnet ist. Die passive Elektrode ist insbesondere auch vorteilhaft in Verbindung mit Zwischenelektroden auf gleitenden Zwischenpotentialen.
Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedenenen Kombinationen vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Ansprüche
1. Plasmabeschleuniger-Anordnung mit einer Plasmakammer (PK) zwischen einer Anode (EA) und einer in Längsrichtung (LR) der Plasmakammer von der Anode beabstandeten Endelektrode (EE) beim Austritt (SA) des
Plasmastrahls (PB) aus der Plasmakammer, sowie mit einer oder mehreren in Längsrichtung zwischen Anode und Endelektrode angeordneten und elektrisch auf Zwischenpotentialen liegenden Zwischenelektroden (EZ1 , EZ2) und mit einer Magnetanordnung, die ein Magnetfeld (MF) in der Plasmakammer erzeugt, welches in einem in Längsrichtung (LR) die
Endelektrode (EE) und die dieser nächste Zwischenelektrode (EZ2) umfassenden Bereich einen Magnetfeldabschnitt (MA1 E) erster Art überwiegend senkrecht zur Längsrichtung und in dem Magnetfeldabschnitt erster Art in Längsrichtung beidseitig benachbarten Magnetfeldabschnitten zweiter Art überwiegend parallel zur Längsrichtung verläuft, wobei eine letzte Potentialdifferenz (PDE) zwischen der Endelektrode (EE) und der dieser nächsten Zwischenelektrode (EZ2) wenigstens das 4-fache einer ersten Potentialdifferenz (PDA) zwischen der Anode (EA) und der dieser nächsten Zwischenelektrode beträgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zwischenelektroden (EZ1 , EZ2) vorhanden sind und die letzte Potentialdifferenz (PDE) wenigstens das 4-fache der größten der übrigen Potentialdifferenzen (PDA, PDZ) zwischen jeweils in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Elektroden beträgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der außer der letzten Potentialdifferenz (PDE) anderen Potentialdifferenzen (PDA, PDZ) nicht größer als die letzte Potentialdifferenz, vorzugsweise nicht größer als 50%, insbesondere nicht größer als 25% der letzten Potentialdifferenz ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeihnet, dass der Plasmakammer (PK) von der Seite der Endelektrode (EE) her lonisationselektronen (IE) zugeführt sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine auf der Seite des Plasmastrahlaustritts außerhalb der Plasmakammer angeordnete Elektronenquelle (QE).
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (RP)des Plasmastrahls am Austritt aus der Plasmakammer auf die Endelektrode (EEB) geleitet ist und diese dabei lonisationselektronen (IE) freisetzt.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmakammer (PK) von der Seite der Anode (EA) ein gebündelter, beschleunigter Elektronenstrahl (ES) zugeführt ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldabschnitt (MA1 E) erster Art in Längsrichtung zwischen Endelektrode (EE) und erster Zwischenelektrode (EZ2) liegt.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetfeldabschnitte erster Art (MA1A, MA1Z, MA1 E) alternierend mit Magnetfeldabschnitten zweiter Art (MA2) in Längsrichtung (LR) aufeinanderfolgen.
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