EP2103198A1 - Plasma accelerator arrangement - Google Patents

Plasma accelerator arrangement

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EP2103198A1
EP2103198A1 EP07846645A EP07846645A EP2103198A1 EP 2103198 A1 EP2103198 A1 EP 2103198A1 EP 07846645 A EP07846645 A EP 07846645A EP 07846645 A EP07846645 A EP 07846645A EP 2103198 A1 EP2103198 A1 EP 2103198A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic
arrangement
plasma chamber
plasma
region
Prior art date
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Granted
Application number
EP07846645A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2103198B1 (en
Inventor
Hans-Peter Harmann
Norbert Koch
Günter KORNFELD
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Thales Electronic Systems GmbH
Original Assignee
Thales Electron Devices GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2103198A1 publication Critical patent/EP2103198A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP2103198B1 publication Critical patent/EP2103198B1/en
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54Plasma accelerators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field

Definitions

  • the invention relates to a plasma accelerator arrangement for generating a directed plasma jet.
  • Plasma accelerator arrangements are of particular importance in spacecraft drives.
  • electrothermal plasma accelerators which emit gas pulses by means of electrical discharges are known.
  • Other pulsed plasma accelerators generate an arc in a chamber penetrated by a magnetic field.
  • plasma patterns operate with magnetic acceleration of a concentrated plasma ring.
  • An important group among the plasma accelerators are the embodiments with acceleration of ions by an electrostatic field, wherein ions are generated and accelerated in an electrostatic field by ionization of a working gas in an open-ended cavity called a plasma chamber or ionization chamber.
  • Hall accelerator with annular plasma chamber and a magnetic field which extends substantially radially through the annular plasma chamber, and an electrostatic acceleration field between an anode in the plasma chamber and a cathode disposed outside the plasma chamber, which also serves as an electron source.
  • FIG. 1 Another group of plasma accelerators, in contrast to the annular geometries of the Hall accelerators, has chamber geometries with a simply connected, in particular circular, cross-sectional area in FIG a sectional plane transverse to the beam direction of the plasma jet.
  • the longitudinal axis of the plasma chamber running parallel to the beam direction in the longitudinal direction lies within the cross-sectional area.
  • the plasma jet is formed in an area around the central longitudinal axis of the chamber.
  • the cross-sectional area is typically substantially uniform in the longitudinal direction, which is why accelerators of such geometry are also referred to as cylindrical accelerators.
  • the Kaufman type accelerators at the exit of the plasma chamber have gratings spaced apart in the beam direction, between which there is an electrical voltage which accelerates ions passing through the gratings.
  • a similar geometry with a first center magnetic at the foot of a cylindrical plasma chamber and a second wall of the plasma chamber surrounding magnetic pole is made of "Plume Measurements and Miniaturazition of the Hall Thrusters with Circular Cross-sectional Discharge Chambers" of Shi rasaki and Tahara, 29 th Electric Propulsion Conf., Princeton, 2005.
  • the annular magnetic pole may be formed by soft iron magnetic shoes or by radially magnetized permanent magnet segments.
  • Yet another embodiment of a cylindrical thruster is described in DE 101 30 464 A1 and has a magnet arrangement at least two consecutive pole changes in the longitudinal direction magnetic ring arrangements surrounding the plasma chamber and / or in the region of the output of the plasma chamber a permanent magnet ring surrounding the plasma chamber with longitudinally spaced magnetic poles on.
  • the permanent magnet ring generates a special form of the magnetic field.
  • the annular chamber geometries form between the inner and outer chamber wall an annular channel, which is penetrated by a radial magnetic field through which electrons move as annular drift currents.
  • the cylindrical chamber geometries have substantially different magnetic fields and motion patterns of the electrons and ions, so typically the design features between electrostatic thrusters of different chamber geometries are not interchangeable.
  • the shape of the magnetic field is typical of the different modes of operation of the different types. It is stated in US Pat. No. 6,448,721 B2 that a potential gradient between magnetic field lines can be generated by means of intermediate electrodes and such a potential gradient can be placed close to an annular ionization zone at the anode. Furthermore, the toroid around the output should support a focusing of the plasma jet.
  • US 2,956,666 describes an electrostatic accelerator having an acceleration grid at the exit of a plasma chamber and a magnetic field extending in the beam direction.
  • GB 2 295 485 A describes an ion accelerator arrangement with an acceleration grid, which is followed by a brake grid in the beam direction. That of a plurality of elongated coils on the outside of the ionization chamber magnetic field extends in the ionization chamber of a central magnetic pole at a cathode in the direction of a plasma chamber surrounding the second magnetic pole obliquely outward.
  • US Pat. No. 5,847,493 shows a Hall plasma accelerator with a magnet arrangement which, in addition to the toroidal coils for generating the essentially radial magnetic field, has a plurality of further coils distributed through the annular chamber on the outer circumference of the chamber, by means of which the rotational symmetry of the magnetic field is specifically disturbed and the mean beam direction of the plasma jet can be influenced.
  • a short-length plasma chamber is surrounded by permanent magnets whose poles are radially spaced and which produce a cusp field in the plasma chamber. Ions are extracted from the plasma chamber by means of an electrode spanning the output of the plasma chamber.
  • GB 2 295 485 A shows a cylindrical plasma chamber containing an annular anode at the chamber wall and an acceleration grid spanning the chamber exit.
  • a magnetic field extends obliquely outwardly from an inner pole at the axis of the chamber towards the anode.
  • US Pat. No. 3,735,591 discloses an arrangement with a coil arrangement around a cylindrical anode forming the wall of a plasma chamber, producing a substantially axial magnetic field in which a central cylinder located within the plasma chamber comprises a pole piece and a ring at the exit the plasma chamber forms another pole piece.
  • a plasma accelerator is described in which in an ionization chamber an accelerated electron beam is introduced through an anode and passed through an axial magnetic field of a toroidal coil on the axis.
  • An axial electrostatic field accelerates generated ions in the direction of an exit opening of the plasma chamber.
  • An arrangement with an electron beam supplied from the anode side is also known from DE 108 28 704 A1, in which a generation of the beam-guiding magnetic field is also provided by a series of permanent magnet rings with alternating polarity.
  • US 6,448,721 shows a plasma accelerator having a cylindrical chamber geometry in which a coil arrangement generates a magnetic field leading from an inner magnetic pole at the longitudinal axis of the chamber obliquely outwards to an annular second magnetic pole. Another annular coil surrounding the chamber may be provided to reinforce radial magnetic field components. Acceleration of ions occurs electrostatically in a field between an anode at the bottom of the chamber and a cathode located laterally outside the chamber.
  • DE 101 30 464 A1 describes a plasma accelerator arrangement in which a multi-stage magnet arrangement is provided with longitudinally successive alternating pole changes, which preferably comprises permanent magnet rings with magnetic poles arranged opposite to one another in the longitudinal direction.
  • Plasma accelerators with cylindrical chamber geometry are advantageous from the transverse dimensions of the chamber.
  • the present invention has for its object to further improve such a plasma accelerator.
  • the term of a chamber geometry with a simply coherent cross-sectional area of the plasma chamber is chosen, since advantageous embodiments of the invention also include chamber geometries widening in the beam direction.
  • the simply connected cross-sectional area is preferably a circular area.
  • Single continuous planar cross-sectional areas here have an unbroken boundary line, whereas the annular cross-sectional areas of the central inner-body Hall configurations each have an inner and an outer uninterrupted boundary line.
  • the form of the electrostatic acceleration field which is disposed between a cathode located in the beam direction at or preferably after the exit of the plasma chamber and an anode disposed opposite the exit of the plasma chamber at the foot of the plasma chamber substantially parallel to the plasma chamber extending in the longitudinal direction of the central longitudinal axis of the plasma chamber.
  • a cusp structure of the magnetic field at a pole which faces away from the exit of the plasma chamber, of a magnetic ring arrangement arranged in front of the exit of the plasma chamber with magnetic poles spaced apart in the longitudinal direction.
  • an advantageous field shaping is provided at the outlet of the plasma chamber with a novel course of a characteristic area designated below as the neutral surface of a magnetic field determined by a magnetic ring arrangement, in particular a permanent magnet ring with longitudinally spaced magnetic poles.
  • such a permanent magnet ring at the outlet of the plasma chamber generates at its end pointing in the beam direction a magnetic field which is within the plasma chamber, ie radially inside the plasma chamber Magneting, closed magnetic field lines and on the outside of the plasma chamber, ie radially outside the plasma chamber and the magnet ring, closed magnetic field lines and between these two groups of magnetic field lines has a fictitious separation surface which spans the output port of the plasma chamber and in the context of the invention as neutral - Area is designated. This neutral surface strikes the magnetic pole along a line designated below as an entry line or a pole shoe arranged thereon.
  • the entry line is in rotationally symmetrical design of the magnet assembly in a plane perpendicular to the central longitudinal axis of the arrangement plane. In the case of an entry line not lying in a plane, its mean position in the longitudinal direction is assumed to be corresponding.
  • the magnetic field of a single toroid or the radial magnetic field of a Hall thruster with annular chamber geometry does not show such a neutral surface spanning the chamber exit.
  • the bulging of the neutral surface in the beam direction of the plasma jet is completely canceled.
  • the neutral surface is retracted against the beam direction against the longitudinal position of the entry line in the plasma chamber, which is hereinafter also referred to as concave course of the neutral surface in contrast to convex course in the known from DE 101 30 464 A1 arrangement.
  • the passage region of the ejected plasma jet through the neutral surface in particular the apex of a curvature of the neutral surface, typically lying on the central longitudinal axis of the plasma jet, is decisive.
  • the magnetic field shaping in the specified manner is the skilled worker with common means, in particular the use of field-shaping pole pieces, variations of the magnetic flux density in the longitudinal direction, etc. possible. Advantageous examples are described with reference to the figures.
  • the plasma chamber in the longitudinal section in front of the exit opening of the plasma chamber provides for the plasma chamber in the longitudinal section in front of the exit opening of the plasma chamber to be widened transversely to the beam direction.
  • the chamber geometry can then no longer be considered cylindrical in the strict sense.
  • leads the expansion of the plasma chamber in the region in front of the exit opening of the chamber does not lead to an expansion, but to a reduction in the divergence of the plasma jet.
  • the widening as an increase in the diameter of the plasma chamber in the longitudinal direction can be linear or non-linear.
  • the cone angle of the expansion in the case of a nonlinear course of the central expansion is at least 5 °, preferably at least 10 ° and at most 30 °, preferably at most 20 °.
  • the widening extends in the longitudinal direction advantageously only over a part of the longitudinal extent of the plasma chamber.
  • the widening in the longitudinal direction extends over at least the predominant part of the spacing of the magnet poles of the magnet ring arrangement at the exit of the plasma chamber, in particular at least over the entire distance of the magnet poles.
  • the longitudinal region of the widening of the plasma chamber can also continue counter to the beam direction via the magnetic ring stage arranged at the exit of the plasma chamber into the next magnetic ring stage in the direction of the anode.
  • the magnetic field in the plasma chamber such that in a longitudinal region between the two magnetic poles the magnetic ring arrangement arranged at the outlet of the plasma chamber, in which the longitudinal component of the magnetic field predominates over the radial component, over the chamber cross section averaged magnetic flux density decreases asymmetrically against a longitudinal mean longitudinal position.
  • the magnetic field expands vividly in the longitudinal direction. It is surprisingly found that such a widening of the magnetic field leads to a lower divergence of the ejected plasma jet.
  • the magnetic ring arrangement preferably contains a permanent magnet ring with longitudinally oppositely directed magnetic poles. Possibilities for such a design of the internal magnetic flux are familiar to the person skilled in the art and can in particular an inhomogeneous magnetization of a permanent magnetic material and / or decreasing in the beam direction cross-sectional area of a permanent magnet ring as internal properties of a permanent magnet ring, but also a magnetic shielding device on the outside of the magnetic ring arrangement and or include a magnetic shorting arrangement on the outside of the magnet assembly, each having a longitudinally varying action.
  • Fig. 3 is a counter to the beam direction vaulted course of
  • Fig. 7 shows another embodiment.
  • FIG. 1 an arrangement known from DE 101 30464 A1 is schematically sketched as a sectional image in a cutting plane containing the central longitudinal axis of the plasma chamber, wherein due to the rotational symmetry of the plasma chamber PK with the chamber wall KW and the magnet arrangement about the central longitudinal axis ML for clarity only one Half of the sectional image in the figure is drawn to the right of the central longitudinal axis.
  • the central longitudinal axis ML coincides with an indicated z-axis, which indicates the beam direction of the ejected plasma jet.
  • the plasma jet is spatially distributed around the z-axis and diverges after the exit of the plasma chamber at zA.
  • a common cathode KA is indicated, which serves as a source of primary electrons for igniting the plasma and for neutralizing the ejected plasma jet.
  • an electrostatic field which within the Plasma chamber in a known manner is substantially parallel to the z-axis.
  • the magnet arrangement arranged outside the chamber wall KW is constructed in three stages with a first magnetic ring MR1, a second magnetic ring MR2 and a third magnetic ring MR3, which surround the plasma chamber and whose magnetic poles are offset from each other in the z-direction.
  • the pole alignment of the successive magnetic rings made of permanent magnetic material is alternately set opposite, so that in each case the same poles NN, SS immediately adjacent magnetic rings facing each other, resulting in the areas between the first and second magnetic ring and between the second and third magnetic ring respectively cusp structures of the magnetic field in the chamber.
  • pole pieces P12 or P23 can be inserted between successive magnet rings.
  • the magnet rings can be magnetized in the same or different strengths.
  • the magnetic rings MR1, MR2, MR3 are substantially the same length in the longitudinal direction.
  • the length LS1 of the first magnet stage of the magnet arrangement is from the beam pointing pole N of the first magnet ring MR1 at ZE to the center of gravity of the magnetic field lines in the pole piece P12, the length LS2 of the second magnet stage from pole piece P12 to pole piece P23 and the length LS3 the third magnetic stage measured from the pole piece P23 to the anode AN.
  • the magnetic stages M1, M2, M3 are correspondingly assigned to the longitudinal areas of LS1, LS2, LS3.
  • the magnetic poles designated N and S can also be reversed.
  • the plasma chamber is circular cylindrical about the central longitudinal axis with a length LS1 + LS2 + LS3 which is greater than the diameter 2RK of the chamber.
  • the magnetic field generated with such a magnet arrangement shows magnetic fields compared to magnetic fields, z. B. with toroids around the plasma chamber and / or with a central pole in the chamber and an annular pole around the chamber and / or annular chamber geomethe and substantially radial magnetic field some peculiarities which hereinafter with particular reference to the first magnetic stage at the output of Plasma chamber are essential.
  • the magnetic field of the first magnetic stage extends within the plasma chamber in the cusp structure in the pole piece P12 with high density of the magnetic field lines predominantly transverse to the longitudinal direction z.
  • a central longitudinal region LM between the opposite poles of the first magnetic stage whose magnetic field extends predominantly parallel to the longitudinal direction z in particular in a central longitudinal region which is spaced from both ends of the first magnetic stage by about 20% of the length LS1 of the first magnetic stage.
  • the magnetic flux density typically increases in the radial direction toward the chamber wall.
  • the drawn field lines are not to be understood quantitatively.
  • the magnetic field originating from the magnetic pole N of the first magnetic ring MR1 pointing in the beam direction is partially closed by field lines designated Ml by the plasma chamber radially inside the first magnetic ring and partly by magnetic field lines designated ME outside the plasma chamber radially outside the first magnetic ring.
  • the outside closed magnetic field lines are drawn only in their approach.
  • the spatial regions of the magnetic field lines M1 and the magnetic field lines ME are separated from one another by a fictitious separation surface NF, which is referred to below as the neutral surface. This neutral surface spans the exit opening of the plasma chamber and strikes the magnetic ring along a line designated as entry line EL.
  • the neutral surface NF Due to the rotational symmetry of the arrangement is the neutral surface NF also rotationally symmetric and the entrance line forms a circular line in the plane of the magnetic pole at zE.
  • the radius of the entry line EL about the z-axis is denoted by RE.
  • the ratio WS / RE in the known arrangement is typically between 0.5 and 1.
  • the magnetic field of a ring coil commonly used in the prior art does not show such a neutral area spanning the chamber exit.
  • a first embodiment of the invention is sketched, in which the bulge of the neutral surface NF denoted by WS in beam direction z is considerably reduced with respect to the plane of the entry line EL of this neutral surface into the magnet arrangement with respect to the field sketched in FIG. It turns out that with such a reduced bulge, which can be continued to a substantially even neutral surface or even to a counter to the beam direction concave curved neutral surface continues, in conjunction with the magnetic field in the output at the magnetic stage a significantly reduced divergence of the ejected plasma jet, without giving up the advantages of the magnetic field arrangement known from the prior art according to FIG.
  • the magnetic field in the magnetic stage in front of the outlet is characterized in particular by two magnetic poles N and S annularly surrounding the plasma chamber PK and spaced apart from each other in the longitudinal direction z, which are preferably provided by a magnet Longitudinal z magnetized ring magnet body MR1 are formed.
  • the magnetic field within the chamber extends in a central region predominantly parallel to the longitudinal direction and extends in the region between the first and the second magnetic stage M1, M2 in the region of the pole piece P12 substantially radially.
  • the magnetic field between the first magnet stage with magnet ring arrangement MR1 and the second magnet stage with magnet ring arrangement MR2 forms a cusp structure CS, as known per se from the prior art.
  • the field lines are deflected away from the longitudinal axis parallel to the longitudinal axis ML away from the center and extend in the sketched embodiment with the pole piece on this to substantially radially.
  • the ratio of the size WS in the z-direction to the diameter 2RE of the entry line EL is advantageously at most 0.1.
  • the value for WS should be regarded as negative, so that regardless of the amount of the concave concavity, the aforementioned relation WS / 2RE ⁇ 0.1 always applies.
  • a further contribution to reducing the bulge WS of the neutral surface NF can be done by dimensioning the magnetic stage at the outlet of the plasma chamber in such a way that the distance of the magnetic poles or when using pole pieces, the distance of the corresponding longitudinal positions on the pole pieces as the length LS1 of the magnetic stage Differing from the state of the art according to FIG. 1, larger than the diameter of the plasma chamber, preferably greater than 1, 5 times the diameter of the plasma chamber is selected.
  • FIG. 4 shows a further measure for the advantageous shaping of the magnetic field, in particular in a central longitudinal region LD between longitudinal positions Z1 and Z2.
  • a pole piece PSA is arranged in FIG. 4 at the pole N of the magnetic ring arrangement MT1 pointing in the beam direction.
  • the magnetic field between the longitudinally spaced opposite magnetic poles of the magnetic ring arrangement at the outlet of the plasma chamber in the central longitudinal region LD for which preferably a longitudinal region at a distance of about 20% of the length of the magnetic stage of the two Magnet poles is considered, in the direction Z1 widening in the longitudinal direction in the longitudinal direction in the sense that the corresponding FeId- lines in the field region F1 relative to the center of the magnetic stage M1 in the longitudinal direction symmetrically to F1 lying field region F2 radially further outward and
  • the magnetic flux density and the total magnetic flux at least in a predominant radial region of the diameter of the plasma chamber about the central longitudinal axis ML in Strahlrich- decrease weight. It turns out that such a divergence of the magnetic field lines in such a central longitudinal region surprisingly leads to a reduced divergence of the ejected plasma jet.
  • FIG. 5 an arrangement is sketched, which in a central longitudinal region LD has a comparable to Fig. 4 field profile.
  • a magnetic shield AM z. B. in the form of a soft magnetic material attached, the shielding effect, z. B. by increasing radial thickness, increases in the beam direction z.
  • the longitudinally varying shielding exhibits a similar effect to the decreasing radial thickness of the magnetic ring MT1 according to FIG. 4.
  • the geometry of the permanent magnet ring according to FIG. 3 and the magnetic shielding according to FIG. 5 can be implemented particularly advantageously together.
  • Fig. 6 shows an arrangement with expanding geometry of the plasma chamber.
  • the chamber wall KW is assumed to be cylindrical in an anode-assigning section as in FIG.
  • the radial expansion RM - RC is advantageously in the range between 5% and 75% of RM. It can be seen that the widening of the plasma chamber via a magnetic field M1 at the output of the plasma chamber, in particular at the output of the plasma chamber, contributes to reducing the divergence of the ejected plasma jet.
  • the expansion of the plasma chamber does not necessarily extend over the full length of the magnetic stage M1 at the output of the plasma chamber, but may also continue in the direction of the anode in the magnetic stage M2.
  • the plasma chamber is made substantially cylindrical.
  • a magnetic ring arrangement MS1 in the magnetic stage at the exit of the plasma chamber is embodied in the example sketched in FIG. 6 as a sequence of magnetic rings with an inner diameter progressing in the longitudinal direction.
  • Such a magnet arrangement can advantageously contribute to the effect of the widening field between the longitudinally-spaced end poles of the magnetic ring arrangement MS1 between regions F2 and F1 as described with reference to FIG. 4.
  • a pole piece PSA is again provided on the terminal pole of the magnetic ring arrangement MS1 pointing in the beam direction.
  • a magnet assembly MV1 in which in conjunction with a widening of the chamber wall, a magnet assembly MV1 is provided, which has a decrease in the magnetic flux within the magnet assembly in the longitudinal direction z in the lying at the output of the plasma chamber magnetic stage.
  • a plurality of magnet rings are arranged sequentially in the z-direction. are net, but which have different, in the z-direction gradually decreasing radial wall thicknesses.
  • the effect of the radial widening of the magnetic field in the central longitudinal region described with reference to FIG. 5 is further enhanced here, and the neutral surface NF shows the concave concavity, as described with respect to FIG. 2, against the jet direction.
  • a smoothed or continuous course of the inner and / or outer wall surfaces of these magnetic ring arrangements can also be provided.

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Abstract

The invention relates to a plasma accelerator arrangement with electrostatic acceleration of ions by an electric field running through a plasma chamber essentially parallel to the beam direction with a plasma geometry of the cylindrical type with a preferably circular cross-section. Various measures to reduce divergence of the emitted plasma beam are disclosed, which may be applied individually or advantageously in combination.

Description

Plasmabeschleunigeranordnung Plasma accelerator arrangement
Die Erfindung betrifft eine Plasmabeschleunigeranordnung zur Erzeugung eines gerichteten Plasmastrahls.The invention relates to a plasma accelerator arrangement for generating a directed plasma jet.
Plasmabeschleunigeranordnungen sind insbesondere von Bedeutung in Antrieben von Raumflugkörpern. Bekannt sind beispielsweise elektrothermische Plasmabeschleuniger, welche durch elektrische Entladungen Gaspulse ausstoßen. Andere gepulste Plasmabeschleuniger erzeugen einen Lichtbogen in einer von einem Magnetfeld durchsetzten Kammer. Gleichfalls gepulst arbeiten Plasmathruster mit magnetischer Beschleunigung eines konzentrierten Plasmarings.Plasma accelerator arrangements are of particular importance in spacecraft drives. For example, electrothermal plasma accelerators which emit gas pulses by means of electrical discharges are known. Other pulsed plasma accelerators generate an arc in a chamber penetrated by a magnetic field. Likewise pulsed, plasma patterns operate with magnetic acceleration of a concentrated plasma ring.
Eine bedeutende Gruppe unter den Plasmabeschleunigern bilden die Ausführungen mit Beschleunigung von Ionen durch ein elektrostatisches Feld, wobei durch Ionisation eines Arbeitsgases in einem als Plasmakammer oder Ionisationskammer bezeichneten, nach einer Austrittsseite offenen Hohlraum Ionen erzeugt und in einem elektrostatischen Feld beschleunigt werden.An important group among the plasma accelerators are the embodiments with acceleration of ions by an electrostatic field, wherein ions are generated and accelerated in an electrostatic field by ionization of a working gas in an open-ended cavity called a plasma chamber or ionization chamber.
Gebräuchlich sind insbesondere sogenannte Hall-Beschleuniger mit ringförmiger Plasmakammer und einem Magnetfeld, welches im wesentlichen radial durch die ringförmige Plasmakammer verläuft, sowie einen elektrostatischem Beschleunigungsfeld zwischen einer Anode in der Plasmakammer und einer außerhalb der Plasmakammer angeordneten Kathode, welche auch als Elektronenquelle dient.Commonly used are in particular so-called Hall accelerator with annular plasma chamber and a magnetic field which extends substantially radially through the annular plasma chamber, and an electrostatic acceleration field between an anode in the plasma chamber and a cathode disposed outside the plasma chamber, which also serves as an electron source.
Eine andere Gruppe von Plasmabeschleunigern besitzt im Unterschied zu den ringförmigen Geometrien der Hall-Beschleuniger Kammergeometrien mit einfach zusammenhängender, insbesondere kreisförmiger Querschnittsfläche in einer Schnittebene quer zur Strahlrichtung des Plasmastrahls. Die parallel zur Strahlrichtung in Längsrichtung verlaufende Mittellängsachse der Plasmakammer liegt dabei innerhalb der Querschnittsfläche. Der Plasmastrahl bildet sich in einem Bereich um die Mittellängsachse der Kammer aus. Die Querschnittsflä- che ist typischerweise in Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibend, weshalb Beschleuniger mit solcher Geometrie auch als zylindrische Beschleuniger bezeichnet sind.Another group of plasma accelerators, in contrast to the annular geometries of the Hall accelerators, has chamber geometries with a simply connected, in particular circular, cross-sectional area in FIG a sectional plane transverse to the beam direction of the plasma jet. The longitudinal axis of the plasma chamber running parallel to the beam direction in the longitudinal direction lies within the cross-sectional area. The plasma jet is formed in an area around the central longitudinal axis of the chamber. The cross-sectional area is typically substantially uniform in the longitudinal direction, which is why accelerators of such geometry are also referred to as cylindrical accelerators.
Unter den zylindrischen Beschleunigern weisen die Beschleuniger des Kauf- mann-Typs am Ausgang der Plasmakammer in Strahlrichtung beabstandete Gitter auf, zwischen welchen eine elektrische Spannung liegt, welche durch die Gitter tretende Ionen beschleunigt.Among the cylindrical accelerators, the Kaufman type accelerators at the exit of the plasma chamber have gratings spaced apart in the beam direction, between which there is an electrical voltage which accelerates ions passing through the gratings.
Ein davon grundlegend verschiedener zylindrischer Beschleuniger ist aus der US 6 448 721 B2 bekannt. Dort ist u. a. eine Magnetanordnung mit zwei Magnetspulen vorgesehen, welche ein Magnetfeld in der Kammer erzeugen, welches im Anodenbereich von der Mittellängsachse der Plasmakammer ausgehend zu einem die Plasmakammer ringförmig umgebenden Magnetpol führt und im Bereich des Ausgangs der Plasmakammer die Charakteristik des FeI- des einer Ringspule besitzt.One of them fundamentally different cylindrical accelerator is known from US 6,448,721 B2. There is u. a. a magnet arrangement with two magnet coils is provided, which generate a magnetic field in the chamber, which leads in the anode region from the central longitudinal axis of the plasma chamber starting to a circular surrounding the plasma chamber magnetic pole and in the region of the output of the plasma chamber has the characteristic of the FeI- of a toroidal coil.
Eine ähnliche Geometrie mit einem ersten zentralen Magnetpol am Fuße einer zylindrischen Plasmakammer und einem zweiten die Wand der Plasmakammer umgebenden Magnetpol ist aus „Plume Measurements and Miniaturazition of the Hall Thrusters with Circular Cross-sectional Discharge Chambers" von Shi- rasaki und Tahara, 29th Int. Electric Propulsion Conf., Princeton, 2005 bekannt. Der ringförmige Magnetpol kann durch Weicheisenmagnetschuhe oder durch radial magnetisierte Permanentmagnetsegmente gebildet sein. Eine wiederum andere Ausführung eines zylindrischen Thrusters ist in DE 101 30 464 A1 beschrieben und weist eine Magnetanordnung wenigstens zwei in Längsrichtung aufeinander folgenden Polwechseln ringförmig die Plasmakammer umgebenden Magnetringanordnungen und/oder im Bereich des Ausgangs der Plasmakammer einen die Plasmakammer umgebenden Permanentmagnetring mit in Längsrichtung beabstandeten Magnetpolen auf. Der Permanentmagnetring erzeugt eine besondere Form des Magnetfelds.A similar geometry with a first center magnetic at the foot of a cylindrical plasma chamber and a second wall of the plasma chamber surrounding magnetic pole is made of "Plume Measurements and Miniaturazition of the Hall Thrusters with Circular Cross-sectional Discharge Chambers" of Shi rasaki and Tahara, 29 th Electric Propulsion Conf., Princeton, 2005. The annular magnetic pole may be formed by soft iron magnetic shoes or by radially magnetized permanent magnet segments. Yet another embodiment of a cylindrical thruster is described in DE 101 30 464 A1 and has a magnet arrangement at least two consecutive pole changes in the longitudinal direction magnetic ring arrangements surrounding the plasma chamber and / or in the region of the output of the plasma chamber a permanent magnet ring surrounding the plasma chamber with longitudinally spaced magnetic poles on. The permanent magnet ring generates a special form of the magnetic field.
Die ringförmigen Kammergeometrien bilden zwischen innerer und äußerer Kammerwand einen ringförmigen Kanal, der von einem radialen Magnetfeld durchsetzt ist, durch welchen sich Elektronen als ringförmige Driftströme bewegen. Die zylindrischen Kammergeometrien weisen davon wesentlich verschiedene Magnetfelder und Bewegungsmuster der Elektronen und Ionen auf, so dass typischerweise die Konstruktionsmerkmale zwischen elektrostatischen Thrustern unterschiedlicher Kammergeometrien nicht austauschbar sind.The annular chamber geometries form between the inner and outer chamber wall an annular channel, which is penetrated by a radial magnetic field through which electrons move as annular drift currents. The cylindrical chamber geometries have substantially different magnetic fields and motion patterns of the electrons and ions, so typically the design features between electrostatic thrusters of different chamber geometries are not interchangeable.
Die Form des Magnetfelds ist typisch für die verschiedenen Funktionsweisen der unterschiedlichen Bauformen. In der US 6 448 721 B2 ist angegeben, dass mittels Zwischenelektroden ein Potentialgefälle zwischen Magnetfeldlinien er- zeugt werden kann und ein solches Potentialgefälle nahe an eine ringförmige lonisationszone bei der Anode gelegt werden kann. Ferner soll die Ringspule um den Ausgang eine Fokussierung des Plasmastrahls unterstützen.The shape of the magnetic field is typical of the different modes of operation of the different types. It is stated in US Pat. No. 6,448,721 B2 that a potential gradient between magnetic field lines can be generated by means of intermediate electrodes and such a potential gradient can be placed close to an annular ionization zone at the anode. Furthermore, the toroid around the output should support a focusing of the plasma jet.
Die US 2 956 666 beschreibt einen elektrostatischen Beschleuniger mit einem Beschleunigungsgitter am Ausgang einer Plasmakammer und einem in Strahlrichtung verlaufenden Magnetfeld. In der GB 2 295 485 A ist eine lonenbe- schleunigeranordnung mit einem Beschleunigungsgitter beschrieben, welchem in Strahlrichtung ein Bremsgitter nachgeschaltet ist. Das von einer Mehrzahl langgestreckter Spulen an der Außenseite der Ionisationskammer Magnetfeld verläuft in der Ionisationskammer von einem zentralen Magnetpol bei einer Kathode in Richtung eines die Plasmakammer umgebenden zweiten Magnetpol schräg nach außen.US 2,956,666 describes an electrostatic accelerator having an acceleration grid at the exit of a plasma chamber and a magnetic field extending in the beam direction. GB 2 295 485 A describes an ion accelerator arrangement with an acceleration grid, which is followed by a brake grid in the beam direction. That of a plurality of elongated coils on the outside of the ionization chamber magnetic field extends in the ionization chamber of a central magnetic pole at a cathode in the direction of a plasma chamber surrounding the second magnetic pole obliquely outward.
Die US 5 847 493 zeigt einen Hall-Plasmabeschleuniger mit einer Magnetanordnung, welche zusätzlich zu den Ringspulen für die Erzeugung des im wesentlichen radialen Magnetfelds durch die ringförmige Kammer am Außenumfang der Kammer verteilt mehrere weitere Spulen aufweist, mittels welcher die Drehsymmetrie des Magnetfelds gezielt gestört und die mittlere Strahlrich- tung des Plasmastrahls beeinflusst werden kann.US Pat. No. 5,847,493 shows a Hall plasma accelerator with a magnet arrangement which, in addition to the toroidal coils for generating the essentially radial magnetic field, has a plurality of further coils distributed through the annular chamber on the outer circumference of the chamber, by means of which the rotational symmetry of the magnetic field is specifically disturbed and the mean beam direction of the plasma jet can be influenced.
Bei einer lonenquelle nach der US 6 060 836 ist eine Plasmakammer kurzer Länge von Permanentmagneten umgeben, deren Pole radial beabstandet sind und die ein cusp-Feld in der Plasmakammer erzeugen. Ionen werden mittels eines dem Ausgang der Plasmakammer überspannenden Elektrode aus der Plasmakammer extrahiert.In an ion source according to US Pat. No. 6,060,836, a short-length plasma chamber is surrounded by permanent magnets whose poles are radially spaced and which produce a cusp field in the plasma chamber. Ions are extracted from the plasma chamber by means of an electrode spanning the output of the plasma chamber.
Die GB 2 295 485 A zeigt eine zylindrische Plasmakammer, welche eine ringförmige Anode bei der Kammerwand und ein den Kammerausgang überspan- nendes Beschleunigungsgitter enthält. Ein Magnetfeld verläuft von einem inneren Pol bei der Achse der Kammer schräg nach außen in Richtung der Anode.GB 2 295 485 A shows a cylindrical plasma chamber containing an annular anode at the chamber wall and an acceleration grid spanning the chamber exit. A magnetic field extends obliquely outwardly from an inner pole at the axis of the chamber towards the anode.
In der US 3 735 591 ist eine Anordnung mit einer Spulenanordnung um eine zylindrische Anode, welche die Wand einer Plasmakammer bildet beschrieben, wobei ein im wesentlichen axiales Magnetfeld erzeugt wird, in welchem ein innerhalb der Plasmakammer angeordneter zentraler Zylinder einen Polschuh und ein Ring am Ausgang der Plasmakammer einen anderen Polschuh bildet. In der DE 12 22 589 ist ein Plasmabeschleuniger beschrieben, bei welchem in eine Ionisationskammer ein beschleunigter Elektronenstrahl durch eine Anode hindurch eingeleitet und durch ein axiales Magnetfeld einer Ringspule auf der Achse geführt ist. Ein axiales elektrostatisches Feld beschleunigt erzeugte lo- nen in Richtung einer Ausgangsöffnung der Plasmakammer. Eine Anordnung mit einem von Anodenseite zugeführten Elektronenstrahls ist auch aus der DE 108 28 704 A1 bekannt, bei welcher auch eine Erzeugung des strahlführenden Magnetfelds durch eine Folge von Permanentmagnetringen mit abwechselnder Polung vorgesehen ist.US Pat. No. 3,735,591 discloses an arrangement with a coil arrangement around a cylindrical anode forming the wall of a plasma chamber, producing a substantially axial magnetic field in which a central cylinder located within the plasma chamber comprises a pole piece and a ring at the exit the plasma chamber forms another pole piece. In DE 12 22 589 a plasma accelerator is described in which in an ionization chamber an accelerated electron beam is introduced through an anode and passed through an axial magnetic field of a toroidal coil on the axis. An axial electrostatic field accelerates generated ions in the direction of an exit opening of the plasma chamber. An arrangement with an electron beam supplied from the anode side is also known from DE 108 28 704 A1, in which a generation of the beam-guiding magnetic field is also provided by a series of permanent magnet rings with alternating polarity.
Die US 6 448 721 zeigt einen Plasmabeschleuniger mit zylindrischer Kammergeometrie, bei welchem eine Spulenanordnung ein von einem inneren Magnetpol bei der Längsachse der Kammer schräg nach außen zu einem ringförmigen zweiten Magnetpol führendes Magnetfeld erzeugt. Eine weitere die Kammer umgebende Ringspule kann zur Verstärkung radialer Magnetfeldkomponenten vorgesehen sein. Eine Beschleunigung von Ionen erfolgt elektrostatisch in einem Feld zwischen einer Anode am Fuß der Kammer und einer seitlich außerhalb der Kammer angeordneten Kathode.US 6,448,721 shows a plasma accelerator having a cylindrical chamber geometry in which a coil arrangement generates a magnetic field leading from an inner magnetic pole at the longitudinal axis of the chamber obliquely outwards to an annular second magnetic pole. Another annular coil surrounding the chamber may be provided to reinforce radial magnetic field components. Acceleration of ions occurs electrostatically in a field between an anode at the bottom of the chamber and a cathode located laterally outside the chamber.
Die DE 101 30 464 A1 beschreibt eine Plasmabeschleuniger-Anordnung, bei welcher eine mehrstufige Magnetanordnung mit in Längsrichtung beabstandet aufeinanderfolgenden alternierenden Polwechseln vorgesehen ist, welche bevorzugt Permanentmagnetringe mit in Längsrichtung entgegen gesetzt angeordneten Magnetpolen enthält.DE 101 30 464 A1 describes a plasma accelerator arrangement in which a multi-stage magnet arrangement is provided with longitudinally successive alternating pole changes, which preferably comprises permanent magnet rings with magnetic poles arranged opposite to one another in the longitudinal direction.
Plasmabeschleuniger mit zylindrischer Kammergeometrie sind vorteilhaft von den Querabmessungen der Kammer. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Plasmabeschleuniger weiter zu verbessern.Plasma accelerators with cylindrical chamber geometry are advantageous from the transverse dimensions of the chamber. The present invention has for its object to further improve such a plasma accelerator.
Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrie- ben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.Solutions according to the invention are described in the independent claims. The dependent claims contain advantageous refinements and developments of the invention.
Für die Beschreibung der Erfindung ist anstelle der zylindrischen Kammergeometrie der Begriff einer Kammergeometrie mit einfach zusammenhängender Querschnittsfläche der Plasmakammer gewählt, da vorteilhafte Ausführungen der Erfindung auch sich in Strahlrichtung erweiternde Kammergeometrien einschließen. Die einfach zusammenhängende Querschnittsfläche ist vorzugsweise eine Kreisfläche. Einfach zusammenhängende ebene Querschnittsflächen besitzen hier eine ununterbrochene Berandungslinie, wogegen die ringförmigen Querschnittsflächen der Hall-Konfigurationen mit zentralem Innenkörper je eine innere und eine äußere ununterbrochene Berandungslinie aufweisen.For the description of the invention, instead of the cylindrical chamber geometry, the term of a chamber geometry with a simply coherent cross-sectional area of the plasma chamber is chosen, since advantageous embodiments of the invention also include chamber geometries widening in the beam direction. The simply connected cross-sectional area is preferably a circular area. Single continuous planar cross-sectional areas here have an unbroken boundary line, whereas the annular cross-sectional areas of the central inner-body Hall configurations each have an inner and an outer uninterrupted boundary line.
Den verschiedenen Lösungsvarianten der vorliegenden Erfindung gemeinsam ist die Form des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes, welches zwischen einer in Strahlrichtung bei oder vorzugsweise nach dem Ausgang der Plasmakammer liegenden Kathode und einer dem Ausgang der Plasmakammer entgegen gesetzt am Fuß der Plasmakammer angeordneten Anode innerhalb der Plasmakammer im wesentlichen parallel zur in Längsrichtung verlaufenden Mittellängsachse der Plasmakammer verläuft. Allen Lösungsvarianten gemein- sam ist auch eine Cusp-Struktur des Magnetfelds bei einer dem Ausgang der Plasmakammer abgewandten Pol einer vor dem Ausgang der Plasmakammer angeordneten Magnetringanordnung mit in Längsrichtung beabstandeten Magnetpolen. In einer ersten Lösungsvariante ist eine vorteilhafte Feldformung am Ausgang der Plasmakammer mit einem neuartigen Verlauf einer nachfolgend als Neutralfläche bezeichneten charakteristischen Fläche eines durch eine Magnetringanordnung, insbesondere einen Permanent-Magnetring mit in Längsrichtung beabstandet entgegen gesetzten Magnetpolen bestimmten Magnetfelds vorgesehen. Es lässt sich zeigen, dass ein solcher Permanent-Magnetring am Ausgang der Plasmakammer, wie er auch bereits in der DE 101 30 464 A1 vorhanden ist, an seinem in Strahlrichtung weisenden Ende ein Magnetfeld erzeugt, welches sowohl innerhalb der Plasmakammer, also radial innerhalb des Ma- gnetrings, geschlossene Magnetfeldlinien als auch auf der Außenseite der Plasmakammer, also radial außerhalb der Plasmakammer und des Magnetrings, geschlossene Magnetfeldlinien und zwischen diesen beiden Gruppen von Magnetfeldlinien eine fiktive Trennfläche besitzt, welche die Ausgangsöffnung der Plasmakammer überspannt und im Sinne der Erfindung als Neutral- fläche bezeichnet ist. Diese Neutralfläche trifft entlang einer nachfolgend als Eintrittslinie bezeichneten Linie auf den Magnetpol oder einen an diesem angeordneten Polschuh. Die Eintrittslinie liegt bei rotationssymmetrischer Ausführung der Magnetanordnung in einer senkrecht zur Mittellängsachse der Anordnung verlaufenden Ebene. Bei nicht in einer Ebene liegender Eintrittslinie sei deren mittlere Position in Längsrichtung in entsprechender Weise angenommen. Das Magnetfeld einer einzelnen Ringspule oder das radiale Magnetfeld eines Hall-Thrusters mit ringförmiger Kammergeometrie zeigt keine solche den Kammerausgang überspannende Neutralfläche.Common to the various solution variants of the present invention is the form of the electrostatic acceleration field, which is disposed between a cathode located in the beam direction at or preferably after the exit of the plasma chamber and an anode disposed opposite the exit of the plasma chamber at the foot of the plasma chamber substantially parallel to the plasma chamber extending in the longitudinal direction of the central longitudinal axis of the plasma chamber. Also common to all solution variants is a cusp structure of the magnetic field at a pole, which faces away from the exit of the plasma chamber, of a magnetic ring arrangement arranged in front of the exit of the plasma chamber with magnetic poles spaced apart in the longitudinal direction. In a first solution variant, an advantageous field shaping is provided at the outlet of the plasma chamber with a novel course of a characteristic area designated below as the neutral surface of a magnetic field determined by a magnetic ring arrangement, in particular a permanent magnet ring with longitudinally spaced magnetic poles. It can be shown that such a permanent magnet ring at the outlet of the plasma chamber, as it is already present in DE 101 30 464 A1, generates at its end pointing in the beam direction a magnetic field which is within the plasma chamber, ie radially inside the plasma chamber Magneting, closed magnetic field lines and on the outside of the plasma chamber, ie radially outside the plasma chamber and the magnet ring, closed magnetic field lines and between these two groups of magnetic field lines has a fictitious separation surface which spans the output port of the plasma chamber and in the context of the invention as neutral - Area is designated. This neutral surface strikes the magnetic pole along a line designated below as an entry line or a pole shoe arranged thereon. The entry line is in rotationally symmetrical design of the magnet assembly in a plane perpendicular to the central longitudinal axis of the arrangement plane. In the case of an entry line not lying in a plane, its mean position in the longitudinal direction is assumed to be corresponding. The magnetic field of a single toroid or the radial magnetic field of a Hall thruster with annular chamber geometry does not show such a neutral surface spanning the chamber exit.
Während bei der aus der DE 101 30 464 A1 bekannten Anordnung eine solche Neutralfläche eine deutliche Aufwölbung gegen die Längsposition der Eintrittslinie in Strahlrichtung des Plasmastrahls zeigt, ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, das Magnetfeld in diesem Bereich so zu formen, dass eine solche Neutralfläche innerhalb eines Bereichs in Längsrichtung liegt, welcher in Strahlrichtung maximal 10 % des größten Durchmessers der Eintrittslinie gegen die Längsposition der Eintrittslinie in Strahlrichtung versetzt endet, d. h. dass die nach dieser Bemessung maximal zulässige Aufwölbung der Neutralfläche in Strahlrichtung gegenüber der bekannten Anordnung wesentlich ver- ringert ist.While in the arrangement known from DE 101 30 464 A1, such a neutral surface shows a clear bulge against the longitudinal position of the entry line in the jet direction of the plasma jet, according to the present invention it is intended to form the magnetic field in this region in such a way that such a neutral surface is inside a region lying in the longitudinal direction, which in Beam direction maximally 10% of the largest diameter of the entry line offset from the longitudinal position of the entry line offset in the beam direction, ie that the maximum permissible according to this design curvature of the neutral surface in the beam direction compared to the known arrangement is substantially reduced.
Es zeigt sich überraschend, dass eine solche Magnetfeldformung zu einer deutlich verringerten Strahldivergenz und damit zu einer höheren Effizienz der Anordnung als Antrieb bei Raumflugkörpern führt.It turns out, surprisingly, that such a magnetic field shaping leads to a significantly reduced beam divergence and thus to a higher efficiency of the arrangement as a drive in spacecraft.
Vorteilhafterweise ist die Aufwölbung der Neutralfläche in Strahlrichtung des Plasmastrahls vollständig aufgehoben. In bevorzugter Ausführungsform ist die Neutralfläche entgegen der Strahlrichtung gegen die Längsposition der Eintrittslinie in die Plasmakammer eingezogen, was nachfolgend auch als konka- ver Verlauf der Neutralfläche im Gegensatz zu konvexem Verlauf bei der aus der DE 101 30 464 A1 bekannten Anordnung bezeichnet wird. Maßgebend sei dabei jeweils der Durchtrittsbereich des ausgestoßenen Plasmastrahls durch die Neutralfläche, insbesondere der typischerweise auf der Mittellängsachse des Plasmastrahls liegende Scheitelpunkt einer Wölbung der Neutralfläche.Advantageously, the bulging of the neutral surface in the beam direction of the plasma jet is completely canceled. In a preferred embodiment, the neutral surface is retracted against the beam direction against the longitudinal position of the entry line in the plasma chamber, which is hereinafter also referred to as concave course of the neutral surface in contrast to convex course in the known from DE 101 30 464 A1 arrangement. In each case, the passage region of the ejected plasma jet through the neutral surface, in particular the apex of a curvature of the neutral surface, typically lying on the central longitudinal axis of the plasma jet, is decisive.
Die Magnetfeldformung in der angegebenen Art ist dem Fachmann mit geläufigen Mitteln, insbesondere dem Einsatz von feldformenden Polschuhen, Variationen der magnetischen Flussdichte in Längsrichtung etc. möglich. Vorteilhafte Beispiele sind anhand der Abbildungen noch beschrieben.The magnetic field shaping in the specified manner is the skilled worker with common means, in particular the use of field-shaping pole pieces, variations of the magnetic flux density in the longitudinal direction, etc. possible. Advantageous examples are described with reference to the figures.
Eine andere Lösungsvariante sieht vor, die Plasmakammer in dem Längsabschnitt vor der Ausgangsöffnung der Plasmakammer sich quer zur Strahlrichtung erweiternd auszubilden. Die Kammergeometrie kann dann nicht mehr im strengen Sinne als zylindrisch angesehen werden. Überraschenderweise führt die Aufweitung der Plasmakammer im Bereich vor der Ausgangsöffnung der Kammer nicht zu einer Aufweitung, sondern zu einer Verringerung der Divergenz des Plasmastrahls. Die Aufweitung als Durchmesservergrößerung der Plasmakammer in Längsrichtung fortschreitend kann linear oder nicht linear erfolgen. Vorteilhafterweise liegt der Konuswinkel der Aufweitung bei nichtlinearem Verlauf der mittleren Aufweitung, bei wenigstens 5°, vorzugsweise wenigstens 10° und höchstens 30°, vorzugsweise höchstens 20°.Another variant of the solution provides for the plasma chamber in the longitudinal section in front of the exit opening of the plasma chamber to be widened transversely to the beam direction. The chamber geometry can then no longer be considered cylindrical in the strict sense. Surprisingly, leads the expansion of the plasma chamber in the region in front of the exit opening of the chamber does not lead to an expansion, but to a reduction in the divergence of the plasma jet. The widening as an increase in the diameter of the plasma chamber in the longitudinal direction can be linear or non-linear. Advantageously, the cone angle of the expansion in the case of a nonlinear course of the central expansion is at least 5 °, preferably at least 10 ° and at most 30 °, preferably at most 20 °.
Die Aufweitung erstreckt sich in Längsrichtung vorteilhafterweise nur über einen Teil der Längserstreckung der Plasmakammer. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Aufweitung in Längsrichtung wenigstens über den überwiegenden Teil des Abstands der Magnetpole der Magnetringanordnung am Ausgang der Plasmakammer, insbesondere wenigstens über den gesamten Abstand der Magnetpole. Bei in Längsrichtung mehrstufiger Magnetringanordnung um die Plasma- kammer kann der Längsbereich der Aufweitung der Plasmakammer sich auch entgegen der Strahlrichtung über die am Ausgang der Plasmakammer angeordnete Magnetringstufe in die in Richtung der Anode nächste Magnetringstufe fortsetzen.The widening extends in the longitudinal direction advantageously only over a part of the longitudinal extent of the plasma chamber. Advantageously, the widening in the longitudinal direction extends over at least the predominant part of the spacing of the magnet poles of the magnet ring arrangement at the exit of the plasma chamber, in particular at least over the entire distance of the magnet poles. In the longitudinal direction of the multistage magnetic ring arrangement around the plasma chamber, the longitudinal region of the widening of the plasma chamber can also continue counter to the beam direction via the magnetic ring stage arranged at the exit of the plasma chamber into the next magnetic ring stage in the direction of the anode.
Gemäß einen weiteren vorteilhaften Lösungsansatz ist vorgesehen, das Magnetfeld in der Plasmakammer in der Weise zu formen, dass in einem Längsbereich zwischen den beiden Magnetpolen der am Ausgang der Plasmakammer angeordneten Magnetringanordnung, in welchem die Längskomponente des Magnetfeld gegenüber der Radialkomponente überwiegt, die über den Kammerquerschnitt gemittelte magnetische Flussdichte asymmetrisch gegen eine mittlere Längsposition in Längsrichtung abnimmt. Das Magnetfeld weitet sich anschaulich in Längsrichtung auf. Es zeigt sich überraschend, dass eine solche Aufweitung des Magnetfelds zu einer geringeren Divergenz des ausgestoßenen Plasmastrahls führt. Vorzugsweise ist der betrachtete mittlere Längs- bereich von beiden Magnetpolen der Magnetringanordnung um jeweils 20 % der Länge der Magnetringanordnung von beiden Magnetpolen beabstandet.According to a further advantageous approach, it is provided to form the magnetic field in the plasma chamber such that in a longitudinal region between the two magnetic poles the magnetic ring arrangement arranged at the outlet of the plasma chamber, in which the longitudinal component of the magnetic field predominates over the radial component, over the chamber cross section averaged magnetic flux density decreases asymmetrically against a longitudinal mean longitudinal position. The magnetic field expands vividly in the longitudinal direction. It is surprisingly found that such a widening of the magnetic field leads to a lower divergence of the ejected plasma jet. Preferably, the considered mean longitudinal Area of both magnetic poles of the magnetic ring arrangement spaced by 20% of the length of the magnetic ring assembly of both magnetic poles.
Möglichkeiten zu einer derartigen Gestaltung des Magnetfelds sind dem Fach- mann an sich bekannt. Einzelbeispiele sind anhand der Abbildungen noch veranschaulicht.Possibilities for such a design of the magnetic field are known to those skilled in the art. Individual examples are illustrated by the illustrations.
Gemäß einer weiteren Lösungsvariante ist vorgesehen, den magnetischen Fluss außerhalb der Plasmakammer innerhalb der Magnetringanordnung in Strahlrichtung abnehmend zu gestalten. Die Magnetringanordnung enthält vorzugsweise einen Permanentmagnetring mit in Längsrichtung entgegen gerichteten Magnetpolen. Möglichkeiten zu einer derartigen Gestaltung des inneren Magnetflusses sind dem Fachmann an sich geläufig und können insbesondere eine inhomogene Magnetisierung eines permanentmagnetischen Materials und/oder eine in Strahlrichtung abnehmende Querschnittsfläche eines Permanentmagnetrings als interne Eigenschaften eines Permanentmagnetrings, aber auch eine magnetische Abschirmvorrichtung an der Außenseite der Magnetringanordnung und/oder eine magnetische Kurzschlussanordnung an der Außenseite der Magnetanordnung jeweils mit in Längsrichtung variierender Wirkung beinhalten.According to a further solution variant, it is provided to make the magnetic flux outside the plasma chamber within the magnetic ring arrangement decreasing in the beam direction. The magnetic ring arrangement preferably contains a permanent magnet ring with longitudinally oppositely directed magnetic poles. Possibilities for such a design of the internal magnetic flux are familiar to the person skilled in the art and can in particular an inhomogeneous magnetization of a permanent magnetic material and / or decreasing in the beam direction cross-sectional area of a permanent magnet ring as internal properties of a permanent magnet ring, but also a magnetic shielding device on the outside of the magnetic ring arrangement and or include a magnetic shorting arrangement on the outside of the magnet assembly, each having a longitudinally varying action.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:The invention is illustrated below with reference to preferred embodiments with reference to the figures still in detail. Showing:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine bekannte Anordnung,1 shows a cross section through a known arrangement,
Fig. 2 eine Ausführungsform mit reduzierter Aufwölbung der Neutralfläche des Magnetfelds, Fig. 3 einen entgegen der Strahlrichtung eingewölbten Verlauf der2 shows an embodiment with reduced bulging of the neutral surface of the magnetic field, Fig. 3 is a counter to the beam direction vaulted course of
Neutralfläche,Neutral area
Fig. 4 eine sich erweiternde Kammergeometrie,4 a widening chamber geometry,
Fig. 5 einen Ringmagnet mit magnetischer Abschirmung,5 shows a ring magnet with magnetic shield,
Fig. 6 eine Magnetfeldaufweitung in der Plasmakammer,6 shows a magnetic field widening in the plasma chamber,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform.Fig. 7 shows another embodiment.
In Fig. 1 ist eine aus der DE 101 30464 A1 bekannte Anordnung als Schnittbild in einer die Mittellängsachse der Plasmakammer enthaltenden Schnittebene schematisch skizziert, wobei wegen der Rotationssymmetrie der Plasmakammer PK mit der Kammerwand KW und der Magnetanordnung um die Mittellängsachse ML der Übersichtlichkeit halber nur eine Hälfte des Schnittbilds in der Abbildung rechts von der Mittellängsachse gezeichnet ist.In Fig. 1, an arrangement known from DE 101 30464 A1 is schematically sketched as a sectional image in a cutting plane containing the central longitudinal axis of the plasma chamber, wherein due to the rotational symmetry of the plasma chamber PK with the chamber wall KW and the magnet arrangement about the central longitudinal axis ML for clarity only one Half of the sectional image in the figure is drawn to the right of the central longitudinal axis.
Die Mittellängsachse ML fällt mit einer eingezeichneten z-Achse zusammen, welche die Strahlrichtung des ausgestoßenen Plasmastrahls angibt. Der Plasmastrahl ist um die z-Achse räumlich verteilt und nach dem bei zA liegenden Ausgang der Plasmakammer divergent.The central longitudinal axis ML coincides with an indicated z-axis, which indicates the beam direction of the ejected plasma jet. The plasma jet is spatially distributed around the z-axis and diverges after the exit of the plasma chamber at zA.
Außerhalb der Plasmakammer ist eine gebräuchliche Kathode KA angedeutet, welche als Quelle für Primärelektronen zur Zündung des Plasmas und zur Neutralisierung des ausgestoßenen Plasmastrahls dient. Zwischen der Kathode KA und einer am Fuß der Plasmakammer den Ausgang entgegen gesetzt angeordneten Anode AN besteht ein elektrostatisches Feld, welches innerhalb der Plasmakammer in bekannter Weise im wesentlichen parallel zur z-Achse verläuft.Outside the plasma chamber, a common cathode KA is indicated, which serves as a source of primary electrons for igniting the plasma and for neutralizing the ejected plasma jet. Between the cathode KA and at the foot of the plasma chamber the output opposite anode arranged AN exists an electrostatic field, which within the Plasma chamber in a known manner is substantially parallel to the z-axis.
Die außerhalb der Kammerwand KW angeordnete Magnetanordnung ist drei- stufig mit einem ersten Magnetring MR1 , einem zweiten Magnetring MR2 und einem dritten Magnetring MR3 aufgebaut, welche die Plasmakammer umgeben und deren Magnetpole jeweils in z-Richtung gegeneinander versetzt sind. Die Polausrichtung der aufeinander folgenden Magnetringe aus permanentmagnetischem Material ist abwechselnd entgegen gesetzt, so dass sich jeweils glei- che Pole N-N, S-S unmittelbar benachbarter Magnetringe gegenüberstehen, wodurch sich in den Bereichen zwischen erstem und zweitem Magnetring und zwischen zweitem und drittem Magnetring jeweils cusp-Strukturen des Magnetfelds in der Kammer ausbilden. Vorteilhafterweise können zwischen aufeinander folgende Magnetringe Polschuhe P12 bzw. P23 eingefügt sein. Die Magnetringe können in gleichen oder verschiedenen Stärken magnetisiert sein.The magnet arrangement arranged outside the chamber wall KW is constructed in three stages with a first magnetic ring MR1, a second magnetic ring MR2 and a third magnetic ring MR3, which surround the plasma chamber and whose magnetic poles are offset from each other in the z-direction. The pole alignment of the successive magnetic rings made of permanent magnetic material is alternately set opposite, so that in each case the same poles NN, SS immediately adjacent magnetic rings facing each other, resulting in the areas between the first and second magnetic ring and between the second and third magnetic ring respectively cusp structures of the magnetic field in the chamber. Advantageously, pole pieces P12 or P23 can be inserted between successive magnet rings. The magnet rings can be magnetized in the same or different strengths.
Die Magnetringe MR1 , MR2, MR3 sind in Längsrichtung im wesentlichen gleich lang. Die Länge LS1 der ersten Magnetstufe der Magnetanordnung sei von dem in Strahlrichtung weisenden Pol N des ersten Magnetrings MR1 bei ZE bis zum Schwerpunkt des Eintritts der Magnetfeldlinien in dem Polschuh P12, die Länge LS2 der zweiten Magnetstufe von Polschuh P12 zum Polschuh P23 und die Länge LS3 der dritten Magnetstufe vom Polschuh P23 bis zur Anode AN gemessen. Die Magnetstufen M1 , M2, M3 seien den Längsbereichen von LS1 , LS2, LS3 entsprechend zugeordnet. Die mit N und S bezeichneten Magnetpole können auch vertauscht sein. Die Plasmakammer ist kreiszylindrisch um die Mittellängsachse mit einer Länge LS1 +LS2+LS3, die größer ist als der Durchmesser 2RK der Kammer. Das mit einer derartigen Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld zeigt gegenüber Magnetfeldern gebräuchlicher Magnetanordnungen, z. B. mit Ringspulen um die Plasmakammer und/oder mit einem zentralen Pol in der Kammer und einem ringförmigen Pol um die Kammer und/oder mit ringförmiger Kammer- geomethe und im wesentlichen radialem Magnetfeld einige Besonderheiten, welche nachfolgend insbesondere bezüglich der ersten Magnetstufe beim Ausgang der Plasmakammer wesentlich sind.The magnetic rings MR1, MR2, MR3 are substantially the same length in the longitudinal direction. The length LS1 of the first magnet stage of the magnet arrangement is from the beam pointing pole N of the first magnet ring MR1 at ZE to the center of gravity of the magnetic field lines in the pole piece P12, the length LS2 of the second magnet stage from pole piece P12 to pole piece P23 and the length LS3 the third magnetic stage measured from the pole piece P23 to the anode AN. The magnetic stages M1, M2, M3 are correspondingly assigned to the longitudinal areas of LS1, LS2, LS3. The magnetic poles designated N and S can also be reversed. The plasma chamber is circular cylindrical about the central longitudinal axis with a length LS1 + LS2 + LS3 which is greater than the diameter 2RK of the chamber. The magnetic field generated with such a magnet arrangement shows magnetic fields compared to magnetic fields, z. B. with toroids around the plasma chamber and / or with a central pole in the chamber and an annular pole around the chamber and / or annular chamber geomethe and substantially radial magnetic field some peculiarities which hereinafter with particular reference to the first magnetic stage at the output of Plasma chamber are essential.
Das Magnetfeld der ersten Magnetstufe verläuft innerhalb der Plasmakammer im Bereich der cusp-Struktur bei dem Polschuh P12 mit hoher Dichte der Magnetfeldlinien überwiegend quer zur Längsrichtung z. In einem mittleren Längsbereich LM zwischen den entgegen gesetzten Polen der ersten Magnetstufe verläuft deren Magnetfeld überwiegend parallel zur Längsrichtung z, insbesondere in einem mittleren Längsbereich, welcher von beiden Enden der ersten Magnetstufe um ca. 20 % der Länge LS1 der ersten Magnetstufe beabstandet ist. In diesem Bereich nimmt die magnetische Flußdichte typischerweise in radialer Richtung zur Kammerwand hin zu. Die eingezeichneten Feldlinien sind nicht quantitativ zu verstehen. Das von dem in Strahlrichtung weisenden Magnetpol N des ersten Magnetrings MR1 ausgehende Magnetfeld ist teilweise über mit Ml bezeichnete Feldlinien durch die Plasmakammer radial innerhalb des ersten Magnetrings und teilweise über mit ME bezeichnete Magnetfeldlinien außerhalb der Plasmakammer radial außerhalb des ersten Magnetrings geschlossen. Die außerhalb geschlossenen Magnetfeldlinien sind nur in ihrem Ansatz eingezeichnet. Die Raumbereiche der Magnetfeldlinien Ml und der Magnetfeldlinien ME sind durch eine fiktive Trennfläche NF gegeneinander abgeteilt, welche nachfolgend als Neutralfläche bezeichnet ist. Diese Neutralfläche überspannt die Ausgangsöffnung der Plasmakammer und trifft entlang einer als Eintrittslinie EL bezeichneten Linie auf den Magnetring. Durch die Rotationssymmetrie der Anordnung ist die Neutralfläche NF gleichfalls rotationssymmetrisch und die Eintrittslinie bildet eine Kreislinie in der Ebene des Magnetpols bei zE. Die Neutralfläche NF ist gegen die senkrecht zur z-Achse bei zE liegende Ebene, in der die Eintrittslinie EL liegt, um ein mit WS bezeichnetes Maß in Strahlrichtung aufgewölbt und schneidet die Mit- tellängsachse ML bei zS, WS = zS-zE. Der Radius der Eintrittslinie EL um die z-Achse ist mit RE bezeichnet. Das Verhältnis WS/RE liegt bei der bekannten Anordnung typischerweise zwischen 0,5 und 1. Das Magnetfeld einer im Stand der Technik häufig eingesetzten Ringspule zeigt keine solche den Kammerausgang überspannende Neutralfläche.The magnetic field of the first magnetic stage extends within the plasma chamber in the cusp structure in the pole piece P12 with high density of the magnetic field lines predominantly transverse to the longitudinal direction z. In a central longitudinal region LM between the opposite poles of the first magnetic stage whose magnetic field extends predominantly parallel to the longitudinal direction z, in particular in a central longitudinal region which is spaced from both ends of the first magnetic stage by about 20% of the length LS1 of the first magnetic stage. In this region, the magnetic flux density typically increases in the radial direction toward the chamber wall. The drawn field lines are not to be understood quantitatively. The magnetic field originating from the magnetic pole N of the first magnetic ring MR1 pointing in the beam direction is partially closed by field lines designated Ml by the plasma chamber radially inside the first magnetic ring and partly by magnetic field lines designated ME outside the plasma chamber radially outside the first magnetic ring. The outside closed magnetic field lines are drawn only in their approach. The spatial regions of the magnetic field lines M1 and the magnetic field lines ME are separated from one another by a fictitious separation surface NF, which is referred to below as the neutral surface. This neutral surface spans the exit opening of the plasma chamber and strikes the magnetic ring along a line designated as entry line EL. Due to the rotational symmetry of the arrangement is the neutral surface NF also rotationally symmetric and the entrance line forms a circular line in the plane of the magnetic pole at zE. The neutral surface NF is curved toward the plane lying perpendicular to the z-axis at zE, in which the entry line EL lies, by a dimension denoted by WS in the beam direction and intersects the longitudinal axis ML at zS, WS = zS-zE. The radius of the entry line EL about the z-axis is denoted by RE. The ratio WS / RE in the known arrangement is typically between 0.5 and 1. The magnetic field of a ring coil commonly used in the prior art does not show such a neutral area spanning the chamber exit.
Die vorstehend anhand der Ausführung aus dem Stand der Technik vorgenommenen Erläuterungen und Definitionen sind bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung übernommen, soweit nicht anderes, abweichendes ausgeführt ist.The explanations and definitions made above with reference to the embodiment of the prior art are taken in the following embodiments of the present invention, unless otherwise stated.
In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung skizziert, bei welcher die mit WS bezeichnete Aufwölbung der Neutralfläche NF in Strahlrichtung z gegenüber der Ebene der Eintrittslinie EL dieser Neutralfläche in die Magnetanordnung gegenüber dem in Fig. 1 skizzierten Feld erheblich verringert ist. Es zeigt sich, dass mit einer solchen verringerten Aufwölbung, welche weitergehend auch zu einer im wesentlichen ebenen Neutralfläche oder gar zu einer entgegen der Strahlrichtung konkav gewölbten Neutralfläche weiter geführt werden kann, in Verbindung mit dem Magnetfeld in der beim Ausgang liegenden Magnetstufe eine deutlich verringerte Divergenz des ausgestoßenen Plas- mastrahls bewirkt, ohne die Vorteile der aus dem Stand der Technik nach Fig. 1 bekannten Magnetfeldanordnung aufzugeben. Das Magnetfeld in der Magnetstufe vor dem Ausgang ist insbesondere gekennzeichnet durch zwei die Plasmakammer PK ringförmig umgebende und zueinander in Längsrichtung z beabstandete Magnetpole N und S, welche vorzugsweise durch einen in Längsrichtung z magnetisierten Ringmagnetkörper MR1 gebildet sind. Das Magnetfeld innerhalb der Kammer verläuft in einem mittleren Bereich überwiegend parallel zur Längsrichtung und verläuft im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Magnetstufe M1 , M2 im Bereich des Polschuhs P12 im wesentlichen radial. Insbesondere bildet das Magnetfeld zwischen der ersten Magnetstufe mit Magnetringanordnung MR1 und der zweiten Magnetstufe mit Magnetringanordnung MR2 eine Cusp-Struktur CS, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Im Bereich des in Strahlrichtung weisenden Magnetpols N der Magnetringanordnung MR1 sind die Feldlinien von den vorwiegend zur Längs- richtung parallelen Verlauf von der Mittellängsachse ML weg umgelenkt nach außen und verlaufen in der skizzierten Ausführung mit dem Polschuh auf diesen zu im wesentlichen radial. Das Verhältnis der Größe WS in z-Richtung zum Durchmesser 2RE der Eintrittslinie EL beträgt vorteilhafterweise maximal 0,1. Bei konkaver Einwölbung der Neutralfläche NF entgegen der Strahlrichtung sei der Wert für WS als negativ betrachtet, so dass unabhängig vom Betrag der konkaven Einwölbung die vorgenannte Relation WS/2RE<0,1 immer gilt. Für die Erzeugung eines Magnetfeldes mit der beschriebenen verringerten Aufwölbung WS sind dem Fachmann an sich verschiedene Maßnahmen aus Theorie und Praxis der Magnetfeldformung bekannt. Im skizzierten Beispiel ist als vor- teilhafte Maßnahme der Einsatz eines weichmagnetischen Polschuhs PSA an dem in Strahlrichtung weisenden Magnetpol N der Magnetringanordnung MR1 vorgesehen.2, a first embodiment of the invention is sketched, in which the bulge of the neutral surface NF denoted by WS in beam direction z is considerably reduced with respect to the plane of the entry line EL of this neutral surface into the magnet arrangement with respect to the field sketched in FIG. It turns out that with such a reduced bulge, which can be continued to a substantially even neutral surface or even to a counter to the beam direction concave curved neutral surface continues, in conjunction with the magnetic field in the output at the magnetic stage a significantly reduced divergence of the ejected plasma jet, without giving up the advantages of the magnetic field arrangement known from the prior art according to FIG. The magnetic field in the magnetic stage in front of the outlet is characterized in particular by two magnetic poles N and S annularly surrounding the plasma chamber PK and spaced apart from each other in the longitudinal direction z, which are preferably provided by a magnet Longitudinal z magnetized ring magnet body MR1 are formed. The magnetic field within the chamber extends in a central region predominantly parallel to the longitudinal direction and extends in the region between the first and the second magnetic stage M1, M2 in the region of the pole piece P12 substantially radially. In particular, the magnetic field between the first magnet stage with magnet ring arrangement MR1 and the second magnet stage with magnet ring arrangement MR2 forms a cusp structure CS, as known per se from the prior art. In the region of the magnetic pole N of the magnet ring arrangement MR1 pointing in the beam direction, the field lines are deflected away from the longitudinal axis parallel to the longitudinal axis ML away from the center and extend in the sketched embodiment with the pole piece on this to substantially radially. The ratio of the size WS in the z-direction to the diameter 2RE of the entry line EL is advantageously at most 0.1. In the case of a concave indentation of the neutral surface NF against the direction of the jet, the value for WS should be regarded as negative, so that regardless of the amount of the concave concavity, the aforementioned relation WS / 2RE <0.1 always applies. For the generation of a magnetic field with the reduced curvature WS described, various measures from the theory and practice of magnetic field shaping are known to the person skilled in the art. In the example outlined, the use of a soft-magnetic pole piece PSA on the magnetic pole N pointing in the beam direction of the magnetic ring arrangement MR1 is provided as an advantageous measure.
Ein weiterer Beitrag zur Verringerung der Aufwölbung WS der Neutralfläche NF kann durch eine Dimensionierung der Magnetstufe am Ausgang der Plasmakammer in der Weise erfolgen, dass der Abstand der Magnetpole bzw. bei Verwendung von Polschuhen der Abstand der entsprechenden Längspositionen an den Polschuhen als Länge LS1 der Magnetstufe M1 abweichend vom Stand der Technik nach Fig. 1 größer als der Durchmesser der Plasmakammer, vorzugsweise größer als das 1 , 5-fache des Durchmessers der Plasmakammer gewählt wird.A further contribution to reducing the bulge WS of the neutral surface NF can be done by dimensioning the magnetic stage at the outlet of the plasma chamber in such a way that the distance of the magnetic poles or when using pole pieces, the distance of the corresponding longitudinal positions on the pole pieces as the length LS1 of the magnetic stage Differing from the state of the art according to FIG. 1, larger than the diameter of the plasma chamber, preferably greater than 1, 5 times the diameter of the plasma chamber is selected.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt einer Ausgestaltung des Magnetfelds im Bereich des Ausgangs der Plasmakammer skizziert, bei welcher die beschriebene Neutralfläche NF im Bereich der Mittellängsachse ML entgegen der Strahlrichtung auf z=zS gegen die Ebene der Eintrittslinie der Neutralebene bei z=zE zurückgesetzt ist. Die Neutralfläche ist dabei entgegen der Strahlrichtung gekrümmt konkav eingewölbt.FIG. 3 shows a section of an embodiment of the magnetic field in the region of the output of the plasma chamber, in which the described neutral surface NF in the region of the central longitudinal axis ML is set back against the plane of the entry line of the neutral plane at z = zE, counter to the beam direction z = zS , The neutral surface is arched concavely against the beam direction.
Fig. 4 zeigt eine weitere Maßnahme zur vorteilhaften Formung des Magnetfelds insbesondere in einem mittleren Längsbereich LD zwischen Längspositionen Z1 und Z2. In Übereinstimmung mit der Ausführungsform nach Fig. 2 ist in Fig. 4 an dem in Strahlrichtung weisenden Pol N der Magnetringanordnung MT1 ein Polschuh PSA angeordnet.4 shows a further measure for the advantageous shaping of the magnetic field, in particular in a central longitudinal region LD between longitudinal positions Z1 and Z2. In accordance with the embodiment according to FIG. 2, a pole piece PSA is arranged in FIG. 4 at the pole N of the magnetic ring arrangement MT1 pointing in the beam direction.
In dem Längsbereich LD sind zwei in Längsrichtung beabstandete Feldpositionen F1 und F2 betrachtet. Gemäss einer vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung ist das Magnetfeld zwischen den in Längsrichtung beabstande- ten entgegen gesetzten Magnetpolen der Magnetringanordnung am Ausgang der Plasmakammer in dem mittleren Längsbereich LD, für welchen vorzugsweise ein Längsbereich im Abstand von ca. 20 % der Länge der Magnetstufe von beiden Magnetpolen betrachtet wird, sich in Längsrichtung von Z2 in Richtung Z1 im Mittel aufweitend in dem Sinne, dass die korrespondierenden FeId- linien im Feldbereich F1 gegenüber dem bezüglich der Mitte der Magnetstufe M1 in Längsrichtung symmetrisch zu F1 liegenden Feldbereich F2 radial weiter nach außen rücken und somit die magnetische Flußdichte und der gesamte magnetische Fluß zumindest in einem überwiegenden radialen Bereich des Durchmessers der Plasmakammer um die Mittellängsachse ML in Strahlrich- tung abnehmen. Es zeigt sich, dass eine solche Divergenz der Magnetfeldlinien in einem solchen mittleren Längsbereich überraschenderweise zu einer verringerten Divergenz des ausgestoßenen Plasmastrahls führt.In the longitudinal region LD two longitudinally spaced field positions F1 and F2 are considered. According to an advantageous variant of the present invention, the magnetic field between the longitudinally spaced opposite magnetic poles of the magnetic ring arrangement at the outlet of the plasma chamber in the central longitudinal region LD, for which preferably a longitudinal region at a distance of about 20% of the length of the magnetic stage of the two Magnet poles is considered, in the direction Z1 widening in the longitudinal direction in the longitudinal direction in the sense that the corresponding FeId- lines in the field region F1 relative to the center of the magnetic stage M1 in the longitudinal direction symmetrically to F1 lying field region F2 radially further outward and Thus, the magnetic flux density and the total magnetic flux at least in a predominant radial region of the diameter of the plasma chamber about the central longitudinal axis ML in Strahlrich- decrease weight. It turns out that such a divergence of the magnetic field lines in such a central longitudinal region surprisingly leads to a reduced divergence of the ejected plasma jet.
Für die Formung eines solchen Magnetfeldverlaufs sind dem Fachmann an sich wiederum verschiedene Maßnahmen bekannt. In der skizzierten Ausführungsform ist vorgesehen, eine solche Feldformung dadurch zu erreichen, dass in einem Permanentring MT1 als Magnetringanordnung der Magnetstufe am Ausgang der Plasmakammer in Längsrichtung eine Verminderung des magne- tischen Flusses innerhalb des Ringkörpers des Permanentmagneten erfolgt. Dies kann vorteilhafterweise wie skizziert dadurch geschehen, dass die radiale Dicke des Magnetrings MT1 in Längsrichtung von dem Pol S in Richtung des Pols N abnimmt, wobei eine räumlich homogene Magnetisierung des Permanentrings MT1 angenommen sei.For the formation of such a magnetic field course, the skilled person in turn, various measures are known. In the embodiment outlined, it is provided to achieve such field shaping by reducing the magnetic flux within the annular body of the permanent magnet in a permanent ring MT1 as magnetic ring arrangement of the magnetic stage at the outlet of the plasma chamber in the longitudinal direction. This can advantageously be done as outlined by the fact that the radial thickness of the magnet ring MT1 decreases in the longitudinal direction of the pole S in the direction of the pole N, wherein a spatially homogeneous magnetization of the permanent ring MT1 was assumed.
In Fig. 5 ist eine Anordnung skizziert, welche in einem mittleren Längsbereich LD einen zu Fig. 4 vergleichbaren Feldverlauf aufweist. Zur Erzielung des Feldverlaufs ist in diesem Beispiel an der Außenseite eines Magnetrings MR1 mit konstanter radialer Dicke eine magnetische Abschirmung AM z. B. in Form ei- nes weichmagnetischen Materials angebracht, deren Abschirmwirkung, z. B. durch zunehmende radiale Dicke, in Strahlrichtung z zunimmt. Die in Längsrichtung variierende Abschirmung zeigt einen ähnlichen Effekt wie die abnehmende radiale Dicke des Magnetrings MT1 nach Fig. 4. Die Geometrie des Permanentmagnetrings nach Fig. 3 und die magnetische Abschirmung nach Fig. 5 können besonders vorteilhaft gemeinsam realisiert sein.In Fig. 5, an arrangement is sketched, which in a central longitudinal region LD has a comparable to Fig. 4 field profile. To achieve the field profile is in this example on the outside of a magnet ring MR1 with a constant radial thickness, a magnetic shield AM z. B. in the form of a soft magnetic material attached, the shielding effect, z. B. by increasing radial thickness, increases in the beam direction z. The longitudinally varying shielding exhibits a similar effect to the decreasing radial thickness of the magnetic ring MT1 according to FIG. 4. The geometry of the permanent magnet ring according to FIG. 3 and the magnetic shielding according to FIG. 5 can be implemented particularly advantageously together.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung mit sich aufweitender Geometrie der Plasmakammer. Die Kammerwand KW sei in einem der Anode zuweisenden Abschnitt wie in Fig. 1 als zylindrisch angenommen. In der Magnetstufe am Ausgang der Plasmakammer weitet sich die Kammerwand KW radial auf von einem anfänglichen Radius RC zu einem Radius RM am Ausgang der Plasmakammer. Die radiale Aufweitung RM - RC liegt vorteilhafterweise im Bereich zwischen 5 % und 75 % von RM. Es zeigt sich, dass die Aufweitung der Plasmakammer über einen beim Ausgang der Plasmakammer, insbesondere bei der am Ausgang der Plasmakammer liegenden Magnetstufe M1 , zur Verringerung der Divergenz des ausgestoßenen Plasmastrahls beiträgt. Die Aufweitung der Plasmakammer erstreckt sich nicht notwendigerweise über die volle Länge der Magnetstufe M1 am Ausgang der Plasmakammer, kann sich aber auch noch in Richtung der Anode in die Magnetstufe M2 fortsetzen. Vorzugsweise ist zumindest imFig. 6 shows an arrangement with expanding geometry of the plasma chamber. The chamber wall KW is assumed to be cylindrical in an anode-assigning section as in FIG. In the magnetic stage at the output of Plasma chamber widens the chamber wall KW radially from an initial radius RC to a radius RM at the output of the plasma chamber. The radial expansion RM - RC is advantageously in the range between 5% and 75% of RM. It can be seen that the widening of the plasma chamber via a magnetic field M1 at the output of the plasma chamber, in particular at the output of the plasma chamber, contributes to reducing the divergence of the ejected plasma jet. The expansion of the plasma chamber does not necessarily extend over the full length of the magnetic stage M1 at the output of the plasma chamber, but may also continue in the direction of the anode in the magnetic stage M2. Preferably, at least in
Längsbereich der Magnetanordnung bei der Anode, nach Fig. 1 LS3 der Magnetstufe M3, die Plasmakammer im wesentlichen zylindrisch ausgeführt.Longitudinal portion of the magnet assembly at the anode, according to Fig. 1 LS3 of the magnetic stage M3, the plasma chamber is made substantially cylindrical.
Eine Magnetringanordnung MS1 in der Magnetstufe am Ausgang der Plasma- kammer ist in dem in Fig. 6 skizzierten Beispiel als eine Folge von Magnetringen mit in Längsrichtung fortschreitendem Innendurchmesser ausgeführt. Eine solche Magnetanordnung kann vorteilhafterweise zu dem anhand der Fig. 4 beschriebenen Effekt des sich aufweitenden Felds zwischen den in Längsrichtung beabstandeten Endpolen der Magnetringanordnung MS1 zwischen Berei- chen F2 und F1 vorteilhaft beitragen. Bei der Anordnung nach Fig. 6 ist auch wiederum ein Polschuh PSA an dem in Strahlrichtung weisenden endständigen Pol der Magnetringanordnung MS1 vorgesehen.A magnetic ring arrangement MS1 in the magnetic stage at the exit of the plasma chamber is embodied in the example sketched in FIG. 6 as a sequence of magnetic rings with an inner diameter progressing in the longitudinal direction. Such a magnet arrangement can advantageously contribute to the effect of the widening field between the longitudinally-spaced end poles of the magnetic ring arrangement MS1 between regions F2 and F1 as described with reference to FIG. 4. In the arrangement according to FIG. 6, a pole piece PSA is again provided on the terminal pole of the magnetic ring arrangement MS1 pointing in the beam direction.
In Fig. 7 ist eine vorteilhafte Ausführung skizziert, bei welcher in Verbindung mit einer Aufweitung der Kammerwand eine Magnetanordnung MV1 vorgesehen ist, welche in der am Ausgang der Plasmakammer liegenden Magnetstufe eine Abnahme des magnetischen Flusses innerhalb der Magnetanordnung in Längsrichtung z aufweist. Dies wird im skizzierten Beispiel dadurch erzielt, dass ähnlich der Fig. 6 mehrere Magnetringe in z-Richtung aufeinanderfolgend angeord- net sind, welche aber unterschiedliche, in z-Richtung stufenweise abnehmende radiale Wandstärken besitzen. Der Effekt der radialen Aufweitung des Magnetfelds in dem zu Fig. 5 geschilderten mittleren Längsbereich ist hier weiter verstärkt und die Neutralfläche NF zeigt die zu Fig. 2 beschriebene konkave Einwölbung entgegen der Strahlrichtung. Anstelle des gestuften Verlaufs der Magnetringanordnung MS1 in Fig. 6 oder MV1 in Fig. 7 kann auch ein geglätteter oder kontinuierlicher Verlauf der inneren und/oder äußeren Wandflächen dieser Magnetringanordnungen vorgesehen sein.In Fig. 7 an advantageous embodiment is sketched, in which in conjunction with a widening of the chamber wall, a magnet assembly MV1 is provided, which has a decrease in the magnetic flux within the magnet assembly in the longitudinal direction z in the lying at the output of the plasma chamber magnetic stage. This is achieved in the example outlined in that, similar to FIG. 6, a plurality of magnet rings are arranged sequentially in the z-direction. are net, but which have different, in the z-direction gradually decreasing radial wall thicknesses. The effect of the radial widening of the magnetic field in the central longitudinal region described with reference to FIG. 5 is further enhanced here, and the neutral surface NF shows the concave concavity, as described with respect to FIG. 2, against the jet direction. Instead of the stepped course of the magnetic ring arrangement MS1 in FIG. 6 or MV1 in FIG. 7, a smoothed or continuous course of the inner and / or outer wall surfaces of these magnetic ring arrangements can also be provided.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere können die ver- schiedenen Maßnahmen auch in vorteilhafter Kombination realisiert sein, auch in anderen Kombinationen als in den skizzierten Beispielen angegeben. Die verschiedenen Maßnahmen können sich wechselseitig vorteilhaft ergänzen. The features indicated above and in the claims, as well as the features which can be seen in the figures, can be implemented advantageously both individually and in various combinations. The invention is not limited to the exemplary embodiments described, but can be modified in many ways within the scope of expert knowledge. In particular, the various measures can also be realized in an advantageous combination, even in other combinations than indicated in the examples outlined. The various measures can be mutually beneficial complement.

Claims

Ansprüche: Claims:
1. Plasmabeschleunigeranordnung zur Erzeugung eines gerichteten Plasma- Strahls mit einer Plasmakammer, die eine einfach zusammenhängendeA plasma accelerator arrangement for producing a directed plasma beam having a plasma chamber which has a single coherent
Querschnittsfläche besitzt und eine in Längsrichtung verlaufende Mittellängsachse des Plasmastrahls einschließt, mit einem zumindest überwiegend zur Mittellängsachse parallelen elektrostatischen Beschleunigungsfeld und mit einer Magnetanordnung, welche wenigstens im Ausgangsbereich eine die Plasmakammer umgebenden Magnetringanordnung mit in Längsrichtung beabstandeten Magnetpolen aufweist und ein Magnetfeld im Bereich des Ausgangs der Plasmakammer erzeugt, welches eine den Ausgang der Plasmakammer überspannende Neutralfläche aufweist, welche einen Bereich von innerhalb der Plasmakammer geschlossenen Magnetfeldli- nien und einen Bereich von außerhalb der Plasmakammer geschlossenenHas a cross-sectional area and includes a longitudinally extending central longitudinal axis of the plasma jet, with an at least predominantly to the central longitudinal axis parallel electrostatic acceleration field and with a magnet arrangement which at least in the output region surrounding the plasma chamber magnetic ring arrangement having longitudinally spaced magnetic poles and a magnetic field in the region of the output of the plasma chamber which has a neutral area spanning the exit of the plasma chamber, which encloses a region of magnetic field lines closed within the plasma chamber and a region closed from outside the plasma chamber
Magnetfeldlinien der Magnetringanordnung trennt und in einer Eintrittslinie auf die Oberfläche der Magnetringanordnung trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt der Neutralfläche mit der Mittellängsachse in Längsrichtung innerhalb eines Bereichs liegt, der maximal 10 % des größten Durchmessers der Eintrittslinie gegen die Eintrittslinie in Strahlrichtung versetzt endet.Separates magnetic field lines of the magnetic ring assembly and meets in an entry line to the surface of the magnetic ring assembly, characterized in that the intersection of the neutral surface with the central longitudinal axis in the longitudinal direction within a range that ends maximally 10% of the largest diameter of the entry line offset from the entry line in the beam direction.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Neutralfläche im Bereich des Durchtritts des Plasmastrahls in Strahlrichtung nicht ge- gen die Eintrittslinie in Strahlrichtung versetzt liegt.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the neutral surface in the region of the passage of the plasma jet in the beam direction is not offset with respect to the entry line in the beam direction.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutralfläche im Bereich des Durchtritts des Plasmastrahls gegen die Eintrittslinie entgegen der Strahlrichtung versetzt liegt.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the neutral surface in the region of the passage of the plasma jet against the entry line offset offset in the direction of the beam.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetringanordnung einen permanentmagnetischen Ring enthält.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the magnetic ring arrangement includes a permanent magnetic ring.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens an dem in Strahlrichtung weisenden Magnetpol ein Polschuh angeordnet ist.5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least at the pointing in the beam direction magnetic pole, a pole piece is arranged.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polschuh radial über die Magnetanordnung in die Plasmakammer ragt.6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the pole piece projects radially beyond the magnet arrangement into the plasma chamber.
7. Plasmabeschleunigeranordnung zur Erzeugung eines gerichteten Plasmastrahls mit einer Plasmakammer, die eine einfach zusammenhängende Querschnittsfläche besitzt und eine in Längsrichtung verlaufende Mittellängsachse des Plasmastrahls einschließt, mit einem zumindest überwiegend zur Mittellängsachse parallelen elektrostatischen Beschleunigungsfeld und mit einer Magnetanordnung, welche wenigstens im Bereich des Ausgangs der Plasmakammer eine diese umgebende Magnetringanordnung mit in Längsrichtung beabstandeten Magnetpolen aufweist und ein Magnetfeld im Bereich des Ausgangs der Plasmakammer erzeugt, welches innerhalb der Plasmakammer in einem zwischen den beabstandeten Magnetpolen liegenden und von beiden Magnetpolen in Längsrichtung beabstandeten mittleren Längsbereich überwiegend parallel zur Mittellängsachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass in einem in Längsrichtung zwischen den beiden beabstandeten Polen der Magnetringanordnung liegenden mittleren Längsbereich mit überwiegend zur Längsrichtung paralleler Komponente der innerhalb der Plasmakammer geschlossenen Feldlinien die magneti- sehe Flußdichte in Strahlrichtung abnimmt.7. A plasma accelerator arrangement for producing a directed plasma jet having a plasma chamber having a single coherent cross-sectional area and including a longitudinal central longitudinal axis of the plasma jet, with an at least predominantly to the central longitudinal axis parallel electrostatic acceleration field and with a magnet arrangement which at least in the region of the output of the plasma chamber a magnetic ring surrounding this with longitudinally spaced magnetic poles and generates a magnetic field in the region of the output of the plasma chamber, which extends within the plasma chamber in a lying between the spaced magnetic poles and longitudinally spaced from the two magnetic poles longitudinal longitudinal region is substantially parallel to the central longitudinal axis, characterized that in a longitudinal direction between the two spaced poles of the magnetic ring assembly lying central longitudinal region with predominantly parallel to the longitudinal component of the closed within the plasma chamber field lines the magnetic see flux density decreases in the beam direction.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetringanordnung wenigstens einen permanentmagnetischen Ring enthält.8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the magnetic ring arrangement contains at least one permanent magnetic ring.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den in Längsrichtung entgegen gesetzten Magnetpolen weichmagnetische Polschuhe vorgesehen sind.9. Arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that soft magnetic pole pieces are provided on the longitudinally opposite magnetic poles.
10.Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Längsbereich jeweils 20 % der Länge der Magnetringanordnung von beiden Magnetpolen beabstandet ist.10.Anordnung according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the central longitudinal region is in each case 20% of the length of the magnetic ring arrangement spaced from both magnetic poles.
11.Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Magnetanordnung wenigstens gleich dem Durchmesser der Plasmakammer ist.11.Anordnung according to any one of claims 7 to 10, characterized in that the length of the magnet assembly is at least equal to the diameter of the plasma chamber.
12. Plasmabeschleunigeranordnung zur Erzeugung eines gerichteten Plasmastrahls mit einer Plasmakammer, die eine einfach zusammenhängende Querschnittsfläche besitzt und eine in Längsrichtung verlaufende Mittellängsachse des Plasmastrahls einschließt, mit einem zumindest überwiegend zur Mittellängsachse parallelen elektrostatischen Beschleunigungsfeld und mit einer Magnetanordnung, welche wenigstens im Bereich des Ausgangs der Plasmakammer eine diese umgebende Magnetringanordnung mit in Längsrichtung beabstandeten Magnetpolen aufweist und ein Magnetfeld erzeugt, welches innerhalb der Plasmakammer in einem zwischen den beabstandeten Magnetpolen liegenden und von beiden Magnetpolen in Längsrichtung beabstandeten mittleren Längsbereich überwiegend parallel zur Mittellängsachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakam- mer in einem in Längsrichtung zwischen den beabstandeten Magnetpolen liegenden Bereich sich in Strahlrichtung aufweitend verläuft.12. A plasma accelerator arrangement for producing a directed plasma jet having a plasma chamber having a single coherent cross-sectional area and including a longitudinal central longitudinal axis of the plasma jet, with an at least predominantly to the central longitudinal axis parallel electrostatic acceleration field and with a magnet arrangement which at least in the region of the output of the plasma chamber a magnetic ring arrangement surrounding the latter having longitudinally spaced magnetic poles and generating a magnetic field which runs predominantly parallel to the central longitudinal axis within the plasma chamber in a central longitudinal region located between the spaced magnetic poles and spaced longitudinally from both magnetic poles, characterized in that the plasma chamber mer in a longitudinal direction between the spaced magnetic poles lying area extending in the beam direction widening.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwei- tung zwischen 5 % und 75 % des größten Durchmessers der Plasmakammer beträgt.13. Arrangement according to claim 12, characterized in that the expansion amounts to between 5% and 75% of the largest diameter of the plasma chamber.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung in Längsrichtung mehrstufig mit alternierender Polaus- richtung ist und die Aufweitung der Plasmakammer sich nicht über alle Stufen erstreckt.14. Arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that the magnet arrangement is multi-stage in the longitudinal direction with alternating Polaus- direction and the widening of the plasma chamber does not extend over all stages.
15. Plasmabeschleunigeranordnung zur Erzeugung eines gerichteten Plasmastrahls mit einer Plasmakammer, die eine einfach zusammenhängende Querschnittsfläche besitzt und eine in Längsrichtung verlaufende Mittellängsachse des Plasmastrahls einschließt, mit einem zumindest überwiegend zur Längsachse parallelen elektrostatischen Beschleunigungsfeld und mit einer Magnetanordnung, welche wenigstens im Bereich des Ausgangs der Plasmakammer eine diese umgebende Magnetringanordnung mit in Längsrichtung beabstandeten Magnetpolen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem in Längsrichtung zwischen den beabstandeten Magnetpolen liegenden und von beiden Magnetpolen beabstandeten mittleren Längsbereich der magnetische Fluss innerhalb der Magnetringanordnung in Strahlrichtung abnimmt.15. A plasma accelerator arrangement for producing a directed plasma jet having a plasma chamber having a simply contiguous cross-sectional area and including a longitudinal central longitudinal axis of the plasma jet with an electrostatic acceleration field parallel at least predominantly to the longitudinal axis and with a magnet arrangement at least in the region of the exit of the plasma chamber a magnetic ring surrounding this having longitudinally spaced magnetic poles, characterized in that decreases in a longitudinal direction between the spaced magnetic poles and spaced from the two magnetic poles middle longitudinal region of the magnetic flux within the magnetic ring arrangement in the beam direction decreases.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringmagnetanordnung einen permanentmagnetischen Ringmagneten enthält. 16. The arrangement according to claim 15, characterized in that the ring magnet assembly includes a permanent magnetic ring magnet.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring zumindest in einem Teilabschnitt in Längsrichtung bei homogener Magnetisierung eine abnehmende Wandstärke aufweist.17. Arrangement according to claim 16, characterized in that the magnetic ring has a decreasing wall thickness at least in a partial section in the longitudinal direction with homogeneous magnetization.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite der Magnetringanordnung eine magnetische Abschirmvorrichtung mit in Längsrichtung variierender Abschirmwirkung angeordnet ist.18. Arrangement according to one of claims 15 to 17, characterized in that on the outside of the magnetic ring arrangement, a magnetic shielding device is arranged with varying in the longitudinal direction shielding effect.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite der Magnetringanordnung eine magnetische Kurzschlussanordnung zwischen in Längsrichtung beabstandeten Magnetpolen angeordnet ist.19. Arrangement according to one of claims 15 to 18, characterized in that on the outside of the magnetic ring arrangement, a magnetic short circuit arrangement is arranged between longitudinally spaced magnetic poles.
20. Plasmabeschleunigeranordnung mit einer Merkmalskombination von wenigstens zwei der Ansprüche 1 , 7, 12 und 15. 20. A plasma accelerator arrangement having a feature combination of at least two of claims 1, 7, 12 and 15.
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