EP2277188A1 - Plasma generator and method for controlling a plasma generator - Google Patents

Plasma generator and method for controlling a plasma generator

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EP2277188A1
EP2277188A1 EP09741744A EP09741744A EP2277188A1 EP 2277188 A1 EP2277188 A1 EP 2277188A1 EP 09741744 A EP09741744 A EP 09741744A EP 09741744 A EP09741744 A EP 09741744A EP 2277188 A1 EP2277188 A1 EP 2277188A1
Authority
EP
European Patent Office
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coil
plasma generator
frequency
generator according
ionization chamber
Prior art date
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Granted
Application number
EP09741744A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2277188B1 (en
Inventor
Werner Kadrnoschka
Rainer Killinger
Ralf Kukies
Hans Leiter
Johann Müller
Georg Schulte
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ArianeGroup GmbH
Original Assignee
Astrium GmbH
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Publication date
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Publication of EP2277188A1 publication Critical patent/EP2277188A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP2277188B1 publication Critical patent/EP2277188B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0056—Electrostatic ion thrusters with an acceleration grid and an applied magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the present invention relates to a plasma generator according to the preamble of claim 1. It further relates to a method for controlling a plasma generator in which a plasma generated in the plasma generator is controlled by means of a high-frequency electrical or electromagnetic alternating field in.
  • Generic plasma generators are generally known as ion sources, electron sources or plasma sources and are used as ion sources, for example in ion engines for space technology.
  • the plasma generator according to the invention is a high-frequency plasma generator. If this plasma generator used in a high-frequency ion engine, so is introduced into the ionization chamber
  • Working fluid also referred to as fuel or support fluid
  • the ionization takes place in the ionization chamber, which is surrounded by a coil.
  • the coil is traversed by a high-frequency alternating current.
  • the alternating current creates an axial magnetic field inside the ionization chamber. This time-varying magnetic field induces a circular alternating electric field in the ionization chamber.
  • This alternating electric field accelerates free electrons so that they finally absorb the necessary energy for electron impact ionization can.
  • Atoms of the fuel are thereby ionized.
  • the ions are either accelerated in the extraction lattice system or they recombine on the walls with electrons.
  • the released electrons are either accelerated in the field or in turn can absorb the necessary energy for ionization or run on the walls of the ionization chamber and recombine there.
  • the ion current generated in an ion source can be used to impose a defined energy for a very wide variety of processes; when used as an ion engine, the acceleration of the ions is used for thrust generation according to the recoil principle.
  • Wi a minimum ionization energy Wi is required.
  • Wi is released in the form of heat and radiation and is therefore not available for further ionization or for use by acceleration in the extraction grid.
  • the Wandrekombination is thus the largest loss factor in the high-frequency ionization.
  • Object of the present invention is therefore to design a generic plasma generator so that the power loss occurring by recombination of the ions and / or electrons on the walls of the ionization chamber is significantly reduced.
  • a further current source or voltage source is provided, which is designed so that at least one coil of the coil arrangement with a direct current or with an alternating current of lower frequency, as supplied by the high-frequency AC power source, is applied , The thereby additionally fed into the coil assembly DC or AC lower frequency superimposed on the high frequency magnetic alternating field, a DC magnetic field component or at least a portion of a lower frequency alternating magnetic field.
  • the provision of power sources is described; it may instead be provided voltage sources.
  • Such a circular path movement or spiral path movement of the electrons in the magnetic field leads to their movement in the direction of the walls
  • the flow of ions to the walls is also correspondingly reduced, thus the probability
  • the collision of charge carriers with the walls and thus the recombination of ions and / or electrons on the walls is significantly reduced in the case of the plasma generator according to the invention
  • the ions which are in the desired direction that is, in an ion engine the direction parallel to the longitudinal axis Extraction grating system, move, move parallel to the magnetic field lines and are not hindered by the additional applied magnetic constant field or alternating field of lower frequency, in their movement there.
  • the direct current or alternating current of lower frequency superimposed on the high-frequency alternating current flowing through the coil arrangement should be selected such that it is sufficient to obtain a magnetic field of desired height in the ionization chamber.
  • the gas inside the ion source, ie in the ionization chamber represents a plasma. If a plasma is superimposed on an inhomogeneous magnetic field, the plasma moves in the direction of the weakening magnetic field (gradient drift): With appropriate design of the geometry of the coil arrangement, it is possible , By gradient drift, the charge carriers in the plasma reinforced in the desired direction, z. B. in the direction of the extraction grid system to move.
  • the invention it is thus possible to reduce the wall losses in the ionization chamber of plasma generators, such as ion sources, in particular of ion engines, without having to change the basic design of the previously known ion sources or ion engines.
  • the invention can also be used to control the distribution of plasma density in the ionization chamber. It can also be used to minimize wall losses along with the design of the ionization chamber and coil assembly.
  • the homogeneity of the plasma in the ionization chamber can be optimized.
  • the invention can also be used to increase the plasma density in desired regions of the ionization chamber. However, it can also be used to increase the electron current from an electron source.
  • the plasma generator may be formed as a plasma source, as an electron source or as an ion source.
  • an acceleration device for ions or electrons formed in the ionization chamber is provided in the region of the outlet opening.
  • This accelerating device which in the case of an ion source preferably has an electrically positively charged grid and a negatively charged grid located in the outflow direction of the ions from the ionization chamber behind the positive grid, serves to move the ions formed in the ionization chamber in a direction perpendicular to the plane of the grid accelerate out of the ionization chamber and thus bring about an ion emission from the ion source.
  • the grids form an extraction grating system. In the case of an electron source, the order of the gratings and thus the polarity is reversed.
  • such an ion source is part of an ion engine.
  • an electron injector is provided in the downstream direction of the ion stream leaving the ionization chamber, which is directed to the ion stream and which is adapted to neutralize the ion current, wherein the electron injector is preferably a hollow cathode having.
  • a magnet arrangement which surrounds the ionization chamber.
  • High-frequency alternating current to be introduced into the coil and that the direct current generated by a DC voltage is also introduced directly into the high-frequency coil.
  • the feeding of the direct current can preferably take place at a different location of the high-frequency coil than the feeding of the high-frequency alternating current.
  • the direct current can preferably be regulated, and a regulating device is provided which regulates the direct current, for example, in proportion to the ion current emerging from the ionization chamber.
  • the process part of the object is achieved by a method having the features of claim 15.
  • the plasma is subjected to a DC electromagnetic field in addition to the high-frequency alternating electromagnetic field.
  • the plasma may also be subjected to an alternating electromagnetic field having a lower frequency than the high-frequency electromagnetic alternating field.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through an ion engine
  • FIG. 2 shows an electrical circuit diagram of the power supply of a plasma generator designed as an ion source after a first
  • Fig. 3 is an electrical circuit diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a second
  • Fig. 4 is an electric circuit diagram of the power supply of an ion source plasma generator according to a third embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 is an electrical circuit diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a fourth
  • Fig. 6 is an electric circuit diagram of the power supply of an ion source plasma generator according to a fifth embodiment of the present invention
  • 7A is a schematic circuit diagram of a coil arrangement for a plasma generator according to the invention as an electron source or ion source with an external coil
  • FIG. 7B is a schematic circuit diagram of a coil arrangement for a plasma generator according to the invention as an internal coil electron source or ion source;
  • FIG. 8A is a schematic representation of a plasma generator according to the invention as a plasma source
  • FIG. 8B shows a schematic representation of a plasma generator according to the invention as a plasma source for carrying out plasma-chemical processes
  • FIG. 9 is a graph showing the timing of the coil current, the induced magnetic flux and the electric field in a plasma generator according to the invention.
  • the ion source 2 has a housing 20 made of electrically non-conductive material with a housing wall 22.
  • the housing 20 has a cup-shaped shape and is provided on the right in Fig. 1 side with an opening which forms an outlet opening 21.
  • the housing 20 is substantially formed as a polygonal or rotationally symmetrical about the longitudinal axis X. In the region of the outlet opening 21, the housing 20 forms a first cylindrical portion 23 of larger diameter.
  • a right angle to the axis X extending housing bottom 24 is provided on the side facing away from the outlet opening 21 in the direction of the axis X side.
  • the outer diameter of the housing bottom 24 is smaller than the diameter of the first cylindrical housing portion 23.
  • the housing bottom 24 is followed by a second cylindrical housing portion 25 whose diameter is also smaller than that of the first cylindrical housing portion 23.
  • the two cylindrical housing portions 23 and 25 are connected via a frustoconical housing portion 26 with each other.
  • the housing 20 may take other forms in longitudinal section, such as conical, cylindrical or semi-elliptical shape.
  • the housing bottom 24 has in the region of the axis X on a central opening 27 through which a tube 3 is guided in the axial direction from the outside.
  • the tube 3 opens inside the housing 20 of the ion source 2. Outside the ion source 2, the tube 3 is connected to a source (not shown) for a working fluid such that the working fluid is conveyed through the tube 3 by means of a conveyor (not shown) can be introduced into the interior of the ion source 2.
  • the tube 3 thus forms a working fluid supply 30 for the ion source.
  • the housing 20 of the ion source 2 is surrounded in its first cylindrical portion 23 with windings 40 of an electric coil assembly 4.
  • an ionization chamber 5 In the interior of the housing 20 of the ion source 2 formed as above, an ionization chamber 5 is thus formed.
  • an extraction grating assembly 6 In front of the outlet opening 21 of the housing 20, an extraction grating assembly 6 is provided, which one of the outlet opening 21 facing, electrically positively charged grid 60 and a From the outlet opening 21 facing away, electrically negatively charged grid 62 has.
  • ions can, as will be described below, exit the ion source 2 outward parallel to the axis X (to the right in FIG. 1) through the extraction grating arrangement 6 as an ion current 8.
  • an electron injector 7 is provided in the vicinity of the outlet opening 21 and the extraction grating 6, which is designed as a hollow cathode and which is connected to a working fluid supply.
  • the electron injector 7 electrons can be injected into the ion stream 8 emerging from the ion source 2 so as to electrically neutralize the ion stream 8.
  • a working fluid for example xenon gas
  • a working fluid for example xenon gas
  • a high-frequency AC electric power to a high-frequency coil of the coil assembly 4
  • a plasma is generated within the ionization chamber 5 by causing electrons to collide with atoms to generate ions.
  • the ions that move parallel to the longitudinal axis X in the direction of the outlet opening 21 due to the applied by the coil 4 alternating electric field are accelerated in the extraction grid assembly 6 and emerge as ion stream 8 at high speed from the ion source 2, whereby a thrust on the ion source 2 acts as a repulsive force of the exiting ions.
  • gradient drift the plasma moves in the direction of the weakening magnetic field, which is referred to as "gradient drift." It is possible by suitable design of the coil geometry of the coils in the coil arrangement 4 , By gradient drift, the charge carriers in the plasma reinforced in the direction of the outlet opening 21 back, so to the extraction grating assembly 6 out to move.
  • a high-frequency alternating current is fed into a high-frequency coil of the coil arrangement 4.
  • a direct current is fed into a resonant circuit comprising the high-frequency coil and a high-frequency generator as an alternating-current source.
  • Direct current is controlled by appropriate control devices of an associated DC power source.
  • the circuit containing the DC power source is isolated by suitable filters against the high frequency components.
  • filters are formed in a known manner by a network of at least one coil and at least one capacitor.
  • a generator which supplies a direct current component in addition to the alternating current.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the electric coil arrangement 4 denoted here by the reference symbol "S", as well as a high-frequency AC power source AC and a DC power source DC. Furthermore, two networks N1 and N2 at the input and the output of the coil winding 40 are provided in the circuit.
  • the coil of the coil assembly S is traversed by a current I having a periodically alternating component of AC generated by the high frequency AC source AC and a DC component or weakly variable component generated by the DC source DC.
  • the AC source AC has a generator that provides the AC component, and the DC source DC is configured to be modulated and produces the constant or slightly variable portion of the current I flowing through the coil.
  • the networks N1 and N2 block the DC components from the AC source AC and the AC components opposite the DC power source DC. For this, corresponding R, C or L networks can be used in the networks N1 and N2.
  • the constant or weakly variable current can not affect the entire coil winding. but only individual turns or a part of the entire coil winding are impressed, which need not be complete turns here.
  • an amplifier AMP is provided to generate the coil current, the amplifier being driven by an AC generator (AC source AC) for the periodic signal (AC component of the current I) and a DC generator (DC source DC) for the coil constant or weakly variable portion of the current I is driven.
  • the amplifier AMP may be a so-called class A or class AB amplifier.
  • FIG. 1 Another alternative embodiment is shown in FIG.
  • the coil of the coil assembly S is driven by a generator ACDC whose DC component is not opposite to the
  • the AC component is blocked.
  • the DC component is ideally controllable or controllable.
  • the coil arrangement S has a separate coil S2 in addition to the coil S1 connected to the high-frequency AC source AC, which is supplied with direct current or a weakly variable current from the direct current source DC.
  • the DC power source DC is protected by means of the provided at the input and output of the coil S2 networks N1 and N2 against a current induced by the coil S 1 of the AC circuit current.
  • a single coil in the AC circuit several coils can be provided.
  • several coils may be provided in the DC circuit instead of a single coil S2.
  • the ion source 1 For the superposition of the high frequency alternating current in the coil assembly S with a DC or a weakly variable current (AC lower frequency), the ion source 1 'as an ion source with outboard coil or outer coils to be configured, as shown schematically in Fig. 7. However, the ion source 1 "may also be formed with one or more internal coils as shown in Fig. 8.
  • the embodiment of the ion source V in Fig. 7 is provided with two coils S1 and S2, the coil S1 has a tap A1 at which a superposition current can be partially fed into the coil S1, Fig. 7 also shows an extraction grating arrangement G in addition to the coil arrangement S.
  • FIG. 8 two coils S1 and S2 and in addition a third coil S3 are also provided.
  • the ion source 1 "shown schematically in FIG. 8 is also provided with an extraction grating arrangement G.
  • the plasma generators shown schematically in FIGS. 7 and 8 can be used in ion thrusters with an extraction grating arrangement in which the first grating G1 adjacent to the ionization chamber is positively charged and the second grating G2 is negatively charged in extraction grating electron sources. in which the first grid G1 adjacent to the ionization chamber is negatively charged and the second grid G2 is positively charged in electron sources without an extraction grid arrangement or in electron sources which emit via a plasma bridge.
  • substrates T can also be introduced into the ionization chamber.
  • the plasma generators shown can also be used in a plasma source into which a working gas A is introduced and from which a mixture C of ions, electrons and neutral particles (plasma) emerges, as shown symbolically in FIG. 8A.
  • a plasma source into which a working gas A is introduced and from which a mixture C of ions, electrons and neutral particles (plasma) emerges, as shown symbolically in FIG. 8A.
  • a plasma bridge At the outlet for the mixture C may also be formed a plasma bridge.
  • the plasma can also escape at a higher pressure and form a plasma jet.
  • a plurality of working gases A, B,... N can also be introduced into the plasma generator.
  • plasma-chemical processes take place, so that a desired reaction product R can be taken at a suitable location Y of the plasma generator or can interact directly with a substrate T provided in the plasma source.
  • FIGS. 9 to 11 are graphs showing the time variation of the current I (t), the magnetic flux density B (t) and the induced electric field intensity E (t) by a sine function.
  • the representation as a sine function is merely exemplary and may be any periodic function.
  • Fig. 9 shows the time change of current l (t) flowing through the AC coil of the coil assembly 4 and the magnetic flux B (t) induced thereby and the electric field E (t) applied to the plasma generator.
  • the course of the current l (t) is shown as a solid line
  • the time course of the magnetic flux density B (t) is shown as a dotted line
  • the course of the electric field strength E (t) is shown as a dotted line.
  • no additional impressing of a direct current has yet occurred.
  • the curve of the time course of the alternating current is thereby shifted toward the positive region of the current, or completely into the positive region of the current.
  • a slightly variable current ie a direct current with a lower frequency than the high-frequency alternating current l (t)
  • the imprinting of the direct current or the weakly variable current can take place either for the entire coil or only for a part of the turns of the coil.
  • FIG. 11 shows the magnetic flux resulting from the current waveform according to the three examples of FIG.
  • the core of the present invention is thus the superposition of the alternating current in the high frequency coil of the coil assembly 4 of a plasma generator, for.
  • a plasma generator for.
  • a plasma source for.
  • an ion source or an ion engine As a result, the wall losses are due to magnetic
  • the feeding of the high-frequency alternating current and the direct current can preferably take place directly into the high-frequency alternating-current coil of the coil arrangement 4, so that alternating current and direct current are fed into the same coil.
  • the radio-frequency coil can be single-layered or multi-layered. It can be designed with center tap or part tapping (s) for grounding the terminals on both sides, with the windings wound in opposite directions.
  • the DC feed can be via a tap, so that the DC is introduced only over part of the turns in the coil.
  • the direct current can be fed instead of into the high-frequency coil into a coil of a bifilar arrangement which is suitably parallel to the high-frequency coil.
  • the DC coil may have the same, a smaller or higher number of turns than the high-frequency coil.
  • the high frequency coil may have one or more feed points.
  • the feeding of the direct current from one or more DC sources can take place, wherein in the case of several DC sources, these deliver either an equal current or different sized currents through the coil or windings.
  • the entire coil arrangement is preferably designed so that the supply of the high-frequency alternating current and the supply of the direct current do not influence each other.
  • the feeding of the high-frequency alternating current can be done by means of a PLL phase control.
  • the high frequency AC coil may be part of a series resonant circuit or a parallel resonant circuit.
  • the high-frequency coil and / or the DC coil can be arranged either outside or inside the housing 20 of the plasma generator.
  • the housing of the plasma generator can be designed as a cylinder, cone or other shape design.
  • the coil may have any other shape instead of a cylindrical shape.
  • the pitch of the turns may be non-uniform.
  • the windings may be arranged at different distances from each other. The winding may be meandering, for example.
  • a ring field cusp-FeId
  • a multipolar field can be generated. Any distribution of the magnetic field can also be achieved via a multiplicity of feed-in points distributed along the high-frequency coil.
  • the DC current may be controllable or controllable for optimum adaptation of the magnetic field, for example, an ion source or an ion engine corresponding to the outgoing ion current, which is proportional to the thrust in the ion engine.

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Abstract

The invention relates to a plasma generator comprising a housing (20) that surrounds an ionisation chamber (5); at least one working fluid supply line (30) leading into the ionisation chamber (5), said ionisation chamber (5) comprising at least one outlet (21); and at least one electric coil arrangement (4) that surrounds at least one area of the ionisation chamber (5); said coil arrangement (4) being electrically connected to a high-frequency alternating current source (AC) that is designed such that a high frequency electric alternating current is applied to at least one coil of the coil arrangement (4). Said plasma generator is characterised in that an additional current source (DC) is designed such that a DC current or an alternating voltage is applied at a lower frequency than the voltage supplied by the high frequency alternating current source (AC) to at least one coil of the coil arrangement (4), is provided.

Description

Plasmaerzeuger und Verfahren zum Steuern eines Plasmaerzeugers Plasma generator and method for controlling a plasma generator
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmaerzeuger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines Plasmaerzeugers, bei welchem ein im Plasmaerzeuger erzeugtes Plasma mittels eines hochfrequenten elektrischen oder elektromagnetischen Wechselfeldes in kontrolliert wird.The present invention relates to a plasma generator according to the preamble of claim 1. It further relates to a method for controlling a plasma generator in which a plasma generated in the plasma generator is controlled by means of a high-frequency electrical or electromagnetic alternating field in.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Gattungsgemäße Plasmaerzeuger, sind als lonenquellen, Elektronenquellen oder Plasmaquellen allgemein bekannt und werden als lonenquelle beispielsweise in Ionentriebwerken für die Raumfahrttechnik eingesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger handelt es sich um einen Hochfrequenz- Plasmaerzeuger. Wird dieser Plasmaerzeuger in einem Hochfrequenz- Ionentriebwerk eingesetzt, so wird ein in die Ionisationskammer eingeleitetesGeneric plasma generators are generally known as ion sources, electron sources or plasma sources and are used as ion sources, for example in ion engines for space technology. The plasma generator according to the invention is a high-frequency plasma generator. If this plasma generator used in a high-frequency ion engine, so is introduced into the ionization chamber
Arbeitsfluid, das auch als Treibstoff oder Stützfluid bezeichnet wird, mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfeldes ionisiert und dann zur Schuberzeugung im elektrostatischen Feld eines an einer offenen Seite der Ionisationskammer vorgesehenen Extraktions-Gittersystems beschleunigt. Die Ionisation erfolgt in der Ionisationskammer, die von einer Spule umgeben ist. Die Spule wird von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflössen. Der Wechselstrom erzeugt ein axiales magnetisches Feld im Inneren der Ionisationskammer. Dieses sich zeitlich ändernde magnetische Feld induziert ein zirkuläres elektrisches Wechselfeld in der Ionisationskammer.Working fluid, also referred to as fuel or support fluid, is ionized by means of an alternating electromagnetic field and then accelerated to generate thrust in the electrostatic field of an extraction grid system provided on an open side of the ionization chamber. The ionization takes place in the ionization chamber, which is surrounded by a coil. The coil is traversed by a high-frequency alternating current. The alternating current creates an axial magnetic field inside the ionization chamber. This time-varying magnetic field induces a circular alternating electric field in the ionization chamber.
Dieses elektrische Wechselfeld beschleunigt freie Elektronen, so dass diese schließlich die notwendige Energie zur Elektronenstoß-Ionisation aufnehmen können. Atome des Treibstoffs werden dadurch ionisiert. Die Ionen werden entweder im Extraktions-Gittersystem beschleunigt oder sie rekombinieren an den Wänden mit Elektronen. Die frei werdenden Elektronen werden entweder im Feld beschleunigt oder können ihrerseits die notwendige Energie zur Ionisation aufnehmen oder laufen auf die Wände der Ionisationskammer auf und rekombinieren dort.This alternating electric field accelerates free electrons so that they finally absorb the necessary energy for electron impact ionization can. Atoms of the fuel are thereby ionized. The ions are either accelerated in the extraction lattice system or they recombine on the walls with electrons. The released electrons are either accelerated in the field or in turn can absorb the necessary energy for ionization or run on the walls of the ionization chamber and recombine there.
Grundsätzlich kann der in einer lonenquelle erzeugte lonenstrom zum Aufprägen einer definierten Energie für unterschiedlichste Prozesse verwendet werden, beim Einsatz als Ionen-Triebwerk wird die Beschleunigung der Ionen zur Schuberzeugung nach dem Rückstoßprinzip genutzt.In principle, the ion current generated in an ion source can be used to impose a defined energy for a very wide variety of processes; when used as an ion engine, the acceleration of the ions is used for thrust generation according to the recoil principle.
In herkömmlichen lonenquellen, insbesondere in herkömmlichen Ionen-Triebwerken, findet nur eine geringe Anzahl der Ionen den Weg zum Extraktions- Gittersystem, während der größte Teil der erzeugten Ionen an den Wänden der Ionisationskammer rekombiniert. Nur jene Ionen, die das Extraktions-Gittersystem erreichen, stehen beim Einsatz als Ionen-Triebwerk für die Schuberzeugung oder beim Einsatz als allgemeine lonenquelle für die Nutzung in anderen Prozessen zur Verfügung. Von der insgesamt zugeführten elektrischen Leistung können bisher nur etwa 5 % bis 20 % der elektrischen Leistung für diese Nutzung von Ionen in einer allgemeinen lonenquelle beziehungsweise in einem Ionen- Triebwerk umgesetzt werden. Die verbleibende zugeführte elektrische Leistung wird größtenteils durch die Rekombination der Ionen an den Wänden der Ionisationskammer in Wärme und in Strahlung umgesetzt. Zur Erzeugung eines Ions ist eine minimale lonisationsenergie Wi erforderlich. Bei der Rekombination an den Wänden wird Wi in Form von Wärme und Strahlung frei und steht somit weder für eine weitere Ionisation, noch für die Nutzung durch Beschleunigung im Extraktionsgitter zur Verfügung. Die Wandrekombination ist somit der größte Verlustfaktor bei der Hochfrequenzionisation. DARSTELLUNG DER ERFINDUNGIn conventional ion sources, especially in conventional ion engines, only a small number of ions find their way to the extraction lattice system, while most of the ions produced recombine on the walls of the ionization chamber. Only those ions that reach the extraction grating system are available for use as an ion thruster for thruster generation or when used as a general ion source for use in other processes. Of the total electrical power supplied so far only about 5% to 20% of the electrical power for this use of ions in a general ion source or in an ion engine can be implemented. The remaining supplied electrical power is largely converted into heat and radiation by the recombination of the ions on the walls of the ionization chamber. To generate an ion, a minimum ionization energy Wi is required. Upon recombination on the walls, Wi is released in the form of heat and radiation and is therefore not available for further ionization or for use by acceleration in the extraction grid. The Wandrekombination is thus the largest loss factor in the high-frequency ionization. PRESENTATION OF THE INVENTION
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen Plasmaerzeuger so auszugestalten, dass der durch Rekombination der Ionen und/oder Elektronen an den Wänden der Ionisationskammer auftretende Leistungsverlust deutlich reduziert wird.Object of the present invention is therefore to design a generic plasma generator so that the power loss occurring by recombination of the ions and / or electrons on the walls of the ionization chamber is significantly reduced.
Diese Aufgabe wird durch den Plasmaerzeuger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the plasma generator having the features of patent claim 1.
Dabei ist zusätzlich zu der bekannten Hochfrequenz-Wechselstrom eine weitere Stromquelle oder Spannungsquelle vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass zumindest eine Spule der Spulenanordnung mit einem Gleichstrom oder mit einem Wechselstrom von niedrigerer Frequenz, als der von der Hochfrequenz- Wechselstromquelle gelieferte Strom, beaufschlagt wird. Der hierdurch zusätzlich in die Spulenanordnung eingespeiste Gleichstrom beziehungsweise Wechselstrom niedrigerer Frequenz überlagert dem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld einen magnetischen Gleichfeldanteil oder zumindest einen Anteil eines niedriger frequenten magnetischen Wechselfelds. In dieser Anmeldung wird das Vorsehen von Stromquellen beschrieben; es können stattdessen auch Spannungsquellen vorgesehen sein.In this case, in addition to the known high-frequency alternating current, a further current source or voltage source is provided, which is designed so that at least one coil of the coil arrangement with a direct current or with an alternating current of lower frequency, as supplied by the high-frequency AC power source, is applied , The thereby additionally fed into the coil assembly DC or AC lower frequency superimposed on the high frequency magnetic alternating field, a DC magnetic field component or at least a portion of a lower frequency alternating magnetic field. In this application the provision of power sources is described; it may instead be provided voltage sources.
Auf bewegte Ladungsträger wirkt im magnetischen Feld die Lorentz-KraftThe Lorentz force acts on moving charge carriers in the magnetic field
F = q (v x b) mit der Ladung q, der Geschwindigkeit v und der magnetischen Flussdichte B. Der dem magnetischen Wechselfeld überlagerte Gleichstromanteil oder auch der Anteil des dem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld überlagerten niedriger frequenten Wechselstroms bewirkt, dass die Ladungsträger (Elektronen und Ionen) innerhalb der Spule und damit innerhalb der Ionisationskammer in Kreisbahnen beziehungsweise Spiralbahnen im Magnetfeld gezwungen werden. Eine derartige Kreisbahnbewegung beziehungsweise Spiralbahnbewegung der Elektronen im Magnetfeld führt dazu, deren Bewegung in Richtung auf die Wände zu reduzieren (sogenanntes „Confinement"). Da die Bewegung der Elektronen und Ionen aus dem Inneren der Ionisationskammer zu den Wänden und zum Extraktions-Gittersystem ambipolar erfolgt, wird der Fluss der Ionen zu den Wänden ebenfalls entsprechend reduziert. Auf diese Weise ist die Wahrscheinlichkeit der Kollision von Ladungsträgern mit den Wänden und damit der Rekombination von Ionen und/oder Elektronen an den Wänden bei dem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger deutlich herabgesetzt. Die Ionen, die sich in der Sollrichtung, das ist bei einem Ionen-Triebwerk die Richtung parallel zur Längsachse auf das Extraktions-Gittersystem hin, bewegen, bewegen sich parallel zu den magnetischen Feldlinien und werden durch das zusätzlich aufgebrachte magnetische Gleichfeld beziehungsweise Wechselfeld niedrigerer Frequenz, in ihrer Bewegung dorthin nicht behindert.F = q (vxb) with the charge q, the velocity v and the magnetic flux density B. The superimposed on the alternating magnetic field DC component or the proportion of the high-frequency alternating electromagnetic field superimposed low-frequency alternating current causes the charge carriers (electrons and ions) within the coil and thus within the ionization chamber in circular paths or spiral paths in the magnetic field are forced. Such a circular path movement or spiral path movement of the electrons in the magnetic field leads to their movement in the direction of the walls As the movement of electrons and ions from the interior of the ionization chamber to the walls and to the extraction grating system is ambipolar, the flow of ions to the walls is also correspondingly reduced, thus the probability The collision of charge carriers with the walls and thus the recombination of ions and / or electrons on the walls is significantly reduced in the case of the plasma generator according to the invention The ions which are in the desired direction, that is, in an ion engine the direction parallel to the longitudinal axis Extraction grating system, move, move parallel to the magnetic field lines and are not hindered by the additional applied magnetic constant field or alternating field of lower frequency, in their movement there.
Der dem durch die Spulenanordnung fließenden hochfrequenten Wechselstrom überlagerte Gleichstrom, beziehungsweise Wechselstrom niedrigerer Frequenz, ist so zu wählen, dass er ausreichend ist, um in der Ionisationskammer ein magnetisches Feld gewünschter Höhe zu erhalten. Das Gas im Inneren der lonenquelle, also in der Ionisationskammer, stellt ein Plasma dar. Wird einem Plasma ein inhomogenes Magnetfeld überlagert, so bewegt sich das Plasma in Richtung des schwächer werdenden Magnetfelds (Gradientendrift): Unter entsprechender Gestaltung der Geometrie der Spulenanordnung ist es möglich, durch Gradientendrift die Ladungsträger im Plasma verstärkt in der Sollrichtung, z. B. in Richtung auf das Extraktions-Gittersystem hin zu bewegen.The direct current or alternating current of lower frequency superimposed on the high-frequency alternating current flowing through the coil arrangement should be selected such that it is sufficient to obtain a magnetic field of desired height in the ionization chamber. The gas inside the ion source, ie in the ionization chamber, represents a plasma. If a plasma is superimposed on an inhomogeneous magnetic field, the plasma moves in the direction of the weakening magnetic field (gradient drift): With appropriate design of the geometry of the coil arrangement, it is possible , By gradient drift, the charge carriers in the plasma reinforced in the desired direction, z. B. in the direction of the extraction grid system to move.
Mit der Erfindung ist es somit möglich, die Wandverluste in der Ionisationskammer von Plasmaerzeuger, wie lonenquellen, insbesondere von Ionen-Triebwerken, zu reduzieren, ohne die grundlegende Konstruktionsweise der bisher bekannten lonenquellen beziehungsweise Ionen-Triebwerken ändern zu müssen. Die Erfindung kann zudem dazu verwendet werden, um die Verteilung der Plasmadichte in der Ionisationskammer zu steuern. Sie kann auch dazu verwendet werden, um zusammen mit der Gestaltung der Ionisationskammer und der Spulenanordnung die Wandverluste zu minimieren. Außerdem kann beim Plasmaerzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung bei geeigneter Gestaltung der Ionisationskammer und der Spulenanordnung die Homogenität des Plasmas in der Ionisationskammer optimiert werden. Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden, um die Plasmadichte in gewünschten Bereichen der Ionisationskammer zu erhöhen. Sie kann aber auch dazu verwendet werden, um den Elektronenstrom aus einer Elektronenquelle zu erhöhen.With the invention, it is thus possible to reduce the wall losses in the ionization chamber of plasma generators, such as ion sources, in particular of ion engines, without having to change the basic design of the previously known ion sources or ion engines. The invention can also be used to control the distribution of plasma density in the ionization chamber. It can also be used to minimize wall losses along with the design of the ionization chamber and coil assembly. In addition, at Plasma generator according to the present invention with a suitable design of the ionization chamber and the coil assembly, the homogeneity of the plasma in the ionization chamber can be optimized. The invention can also be used to increase the plasma density in desired regions of the ionization chamber. However, it can also be used to increase the electron current from an electron source.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers sind Gegenstand der Unteransprüche. Der Plasmaerzeuger kann als Plasmaquelle, als Elektronenquelle oder als lonenquelle ausgebildet sein.Further preferred and advantageous design features of the plasma generator according to the invention are the subject of the dependent claims. The plasma generator may be formed as a plasma source, as an electron source or as an ion source.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich der Auslassöffnung eine Beschleunigungseinrichtung für in der Ionisationskammer gebildete Ionen oder Elektronen vorgesehen.In an advantageous embodiment of the invention, an acceleration device for ions or electrons formed in the ionization chamber is provided in the region of the outlet opening.
Diese Beschleunigungseinrichtung, die im Falle einer lonenquelle vorzugsweise ein elektrisch positiv aufgeladenes Gitter und ein in Ausströmrichtung der Ionen aus der Ionisationskammer hinter dem positiven Gitter gelegenes negativ aufgeladenes Gitter aufweist, dient dazu, die in der Ionisationskammer entstehenden Ionen in eine Richtung rechtwinklig zur Ebene der Gitter aus der Ionisationskammer heraus zu beschleunigen und so einen lonenausstoß aus der lonenquelle herbeizuführen. Die Gitter bilden ein Extraktions-Gittersystem. Im Fall einer Elektronenquelle ist die Reihenfolge der Gitter und damit die Polarität vertauscht.This accelerating device, which in the case of an ion source preferably has an electrically positively charged grid and a negatively charged grid located in the outflow direction of the ions from the ionization chamber behind the positive grid, serves to move the ions formed in the ionization chamber in a direction perpendicular to the plane of the grid accelerate out of the ionization chamber and thus bring about an ion emission from the ion source. The grids form an extraction grating system. In the case of an electron source, the order of the gratings and thus the polarity is reversed.
Vorzugsweise ist eine derartige lonenquelle Bestandteil eines Ionen-Triebwerks.Preferably, such an ion source is part of an ion engine.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist in Stromabwärtsrichtung des die Ionisationskammer verlassenden lonenstroms ein Elektroneninjektor vorgesehen, der auf den lonenstrom gerichtet ist und der zur Neutralisation des lonenstroms eingerichtet ist, wobei der Elektroneninjektor vorzugsweise eine Hohlkathode aufweist. Mittels einer derartigen Neutralisation kann verhindert werden, dass sich die lonenquelle beziehungsweise das mit der lonenquelle verbundene Gerät elektrostatisch auflädt.In a preferred embodiment, an electron injector is provided in the downstream direction of the ion stream leaving the ionization chamber, which is directed to the ion stream and which is adapted to neutralize the ion current, wherein the electron injector is preferably a hollow cathode having. By means of such neutralization, it is possible to prevent the ion source or the device connected to the ion source from being electrostatically charged.
In einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen lonenquelle ist eine Magnetanordnung vorgesehen, die die Ionisationskammer umgibt.In another development of the ion source according to the invention, a magnet arrangement is provided which surrounds the ionization chamber.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulenanordnung eine Hochfrequenz-Spule aufweist, die an eine hochfrequente elektrische Wechselspannung angeschlossen ist, um denA particularly preferred embodiment of the invention is characterized in that the coil arrangement comprises a high-frequency coil which is connected to a high-frequency electrical AC voltage to the
Hochfrequenz-Wechselstrom in die Spule einzuleiten, und dass der von einer Gleichspannung erzeugte Gleichstrom ebenfalls direkt in die Hochfrequenz-Spule eingeleitet wird.High-frequency alternating current to be introduced into the coil, and that the direct current generated by a DC voltage is also introduced directly into the high-frequency coil.
Die Einspeisung des Gleichstroms kann dabei vorzugsweise an einem anderen Ort der Hochfrequenz-Spule erfolgen, als die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms.The feeding of the direct current can preferably take place at a different location of the high-frequency coil than the feeding of the high-frequency alternating current.
Alternativ kann die Einspeisung des Gleichstroms in eine parallel zur Hochfrequenz-Spule angeordnete Gleichstrom-Spule erfolgen.Alternatively, the feeding of the direct current into a parallel coil arranged to the high-frequency coil DC coil.
Vorzugsweise ist der Gleichstrom regelbar und es ist eine Regelungseinrichtung vorgesehen, die den Gleichstrom zum Beispiel proportional zum aus der Ionisationskammer austretenden lonenstrom regelt.The direct current can preferably be regulated, and a regulating device is provided which regulates the direct current, for example, in proportion to the ion current emerging from the ionization chamber.
Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bei diesem Verfahren wird das Plasma zusätzlich zum hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld einem elektromagnetischen Gleichfeld unterworfen. Anstelle des elektromagnetischen Gleichfelds kann das Plasma auch einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einer niedrigeren Frequenz als das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld unterworfen werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.The process part of the object is achieved by a method having the features of claim 15. In this method, the plasma is subjected to a DC electromagnetic field in addition to the high-frequency alternating electromagnetic field. Instead of the DC electromagnetic field, the plasma may also be subjected to an alternating electromagnetic field having a lower frequency than the high-frequency electromagnetic alternating field. Preferred embodiments of the invention with additional design details and other advantages are described and explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 Einen schematischen Längsschnitt durch ein Ionen-Triebwerk;Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through an ion engine;
Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als lonenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer ersten2 shows an electrical circuit diagram of the power supply of a plasma generator designed as an ion source after a first
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Embodiment of the present invention;
Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als lonenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer zweitenFig. 3 is an electrical circuit diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a second
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Embodiment of the present invention;
Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als lonenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Fig. 4 is an electric circuit diagram of the power supply of an ion source plasma generator according to a third embodiment of the present invention;
Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als lonenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer viertenFig. 5 is an electrical circuit diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a fourth
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Embodiment of the present invention;
Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als lonenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 7 A ein schematisches Schaltbild einer Spulenanordnung für einen erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger als Elektronenquelle oder lonenquelle mit außenliegender Spule;Fig. 6 is an electric circuit diagram of the power supply of an ion source plasma generator according to a fifth embodiment of the present invention; 7A is a schematic circuit diagram of a coil arrangement for a plasma generator according to the invention as an electron source or ion source with an external coil;
Fig. 7B ein schematisches Schaltbild einer Spulenanordnung für einen erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger als Elektronenquelle oder lonenquelle mit innenliegender Spule;7B is a schematic circuit diagram of a coil arrangement for a plasma generator according to the invention as an internal coil electron source or ion source;
Fig. 8A eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plasma- erzeugers als Plasmaquelle;8A is a schematic representation of a plasma generator according to the invention as a plasma source;
Fig. 8B eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers als Plasmaquelle zur Durchführung von plasmachemischen Prozessen;8B shows a schematic representation of a plasma generator according to the invention as a plasma source for carrying out plasma-chemical processes;
Fig. 9 ein Schaubild betreffend den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms, des induzierten magnetischen Flusses und des elektrischen Feldes bei einem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger;9 is a graph showing the timing of the coil current, the induced magnetic flux and the electric field in a plasma generator according to the invention;
Fig. 10 ein Schaubild betreffend den Spulenstrom im Falle einer10 is a diagram relating to the coil current in the case of
Gleichstrom-Überlagerung; undDC superposition; and
Fig. 11 den vom Spulenstrom bei aufgeprägtem Gleichstromanteil induzierten magnetischen Fluss.11 shows the magnetic flux induced by the coil current when impressed DC component.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELENPRESENTATION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Fig. 1 stellt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ionen-Triebwerk 1 mit einem als lonenquelle 2 ausgebildeten Plasmaerzeuger dar. Die lonenquelle 2 weist ein Gehäuse 20 aus elektrisch nichtleitendem Material mit einer Gehäusewand 22 auf. Das Gehäuse 20 besitzt eine becherförmige Gestalt und ist an der in Fig. 1 rechten Seite mit einer Öffnung versehen, die eine Austrittsöffnung 21 bildet. Das Gehäuse 20 ist im Wesentlichen als polygonal oder rotationssymmetrisch um die Längsachse X geformt. Im Bereich der Austrittsöffnung 21 bildet das Gehäuse 20 einen ersten zylindrischen Abschnitt 23 größeren Durchmessers. Auf der von der Austrittsöffnung 21 in Richtung der Achse X abgewandten Seite ist ein rechtwinklig zur Achse X verlaufender Gehäuseboden 24 vorgesehen. Der Außendurchmesser des Gehäusebodens 24 ist geringer als der Durchmesser des ersten zylindrischen Gehäuseabschnitts 23. An den Gehäuseboden 24 schließt sich ein zweiter zylindrischer Gehäuseabschnitt 25 an, dessen Durchmesser ebenfalls geringer ist als der des ersten zylindrischen Gehäuseabschnitts 23. Die beiden zylindrischen Gehäuseabschnitte 23 und 25 sind über einen kegelstumpfförmigen Gehäuseabschnitt 26 miteinander verbunden. Das Gehäuse 20 kann im Längsschnitt auch andere Formen einnehmen, wie zum Beispiel Kegel-, Zylinder- oder Halbellipsen-Form.1 shows a schematic longitudinal section through an ion engine 1 with a plasma generator designed as an ion source 2. The ion source 2 has a housing 20 made of electrically non-conductive material with a housing wall 22. The housing 20 has a cup-shaped shape and is provided on the right in Fig. 1 side with an opening which forms an outlet opening 21. The housing 20 is substantially formed as a polygonal or rotationally symmetrical about the longitudinal axis X. In the region of the outlet opening 21, the housing 20 forms a first cylindrical portion 23 of larger diameter. On the side facing away from the outlet opening 21 in the direction of the axis X side, a right angle to the axis X extending housing bottom 24 is provided. The outer diameter of the housing bottom 24 is smaller than the diameter of the first cylindrical housing portion 23. The housing bottom 24 is followed by a second cylindrical housing portion 25 whose diameter is also smaller than that of the first cylindrical housing portion 23. The two cylindrical housing portions 23 and 25 are connected via a frustoconical housing portion 26 with each other. The housing 20 may take other forms in longitudinal section, such as conical, cylindrical or semi-elliptical shape.
Der Gehäuseboden 24 weist im Bereich der Achse X eine zentrale Öffnung 27 auf, durch die ein Rohr 3 in Axialrichtung von außen hindurchgeführt ist. Das Rohr 3 öffnet sich im Inneren des Gehäuses 20 der lonenquelle 2. Außerhalb der lonenquelle 2 ist die das Rohr 3 mit einer (nicht gezeichneten) Quelle für ein Arbeitsfluid derart verbunden, dass das Arbeitsfluid mittels einer (nicht gezeichneten) Fördereinrichtung durch das Rohr 3 in das Innere der lonenquelle 2 eingeleitet werden kann. Das Rohr 3 bildet so eine Arbeitsfluidzuführung 30 für die lonenquelle.The housing bottom 24 has in the region of the axis X on a central opening 27 through which a tube 3 is guided in the axial direction from the outside. The tube 3 opens inside the housing 20 of the ion source 2. Outside the ion source 2, the tube 3 is connected to a source (not shown) for a working fluid such that the working fluid is conveyed through the tube 3 by means of a conveyor (not shown) can be introduced into the interior of the ion source 2. The tube 3 thus forms a working fluid supply 30 for the ion source.
Das Gehäuse 20 der lonenquelle 2 ist in seinem ersten zylindrischen Abschnitt 23 mit Wicklungen 40 einer elektrischen Spulenanordnung 4 umgeben.The housing 20 of the ion source 2 is surrounded in its first cylindrical portion 23 with windings 40 of an electric coil assembly 4.
Im Inneren des Gehäuses 20 der wie vorstehend ausgebildeten lonenquelle 2 ist somit eine Ionisationskammer 5 gebildet. Vor der Austrittsöffnung 21 des Gehäuses 20 ist eine Extraktions-Gitteranordnung 6 vorgesehen, die ein der Austrittsöffnung 21 zugewandtes, elektrisch positiv geladenes Gitter 60 und ein von der Austrittsöffnung 21 abgewandtes, elektrisch negativ geladenes Gitter 62 aufweist. Durch die Extraktions-Gitteranordnung 6 können Ionen, wie weiter unten noch beschrieben wird, beim Betrieb der lonenquelle 2 nach außen parallel zur Achse X (in Fig. 1 nach rechts) als lonenstrom 8 austreten.In the interior of the housing 20 of the ion source 2 formed as above, an ionization chamber 5 is thus formed. In front of the outlet opening 21 of the housing 20, an extraction grating assembly 6 is provided, which one of the outlet opening 21 facing, electrically positively charged grid 60 and a From the outlet opening 21 facing away, electrically negatively charged grid 62 has. As will be described further below, ions can, as will be described below, exit the ion source 2 outward parallel to the axis X (to the right in FIG. 1) through the extraction grating arrangement 6 as an ion current 8.
Außerhalb des Gehäuses 20 der lonenquelle 2 ist in der Nähe der Austrittsöffnung 21 und des Extraktions-Gitters 6 ein Elektroneninjektor 7 vorgesehen, der als Hohlkathode ausgebildet ist und der an einen Arbeitsfluidvorrat angeschlossen ist. Mittels des Elektroneninjektors 7 können Elektronen in den aus der lonenquelle 2 austretenden lonenstrom 8 injiziert werden, um so den lonenstrom 8 elektrisch zu neutralisieren.Outside the housing 20 of the ion source 2, an electron injector 7 is provided in the vicinity of the outlet opening 21 and the extraction grating 6, which is designed as a hollow cathode and which is connected to a working fluid supply. By means of the electron injector 7, electrons can be injected into the ion stream 8 emerging from the ion source 2 so as to electrically neutralize the ion stream 8.
Im Betrieb der lonenquelle 2 wird ein Arbeitsfluid, beispielsweise Xenon-Gas, durch die Arbeitsfluidzuführung 30 in die Ionisationskammer 5 der lonenquelle 2 eingeleitet. Durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Wechselspannung an eine Hochfrequenz-Spule der Spulenanordnung 4 wird innerhalb der Ionisationskammer 5 ein Plasma erzeugt, indem Elektronen zur Kollision mit Atomen gebracht werden, um Ionen zu erzeugen. Die Ionen, die aufgrund des mittels der Spule 4 angelegten elektrischen Wechselfelds parallel zur Längsachse X in Richtung der Austrittsöffnung 21 wandern, werden in der Extraktions- Gitteranordnung 6 beschleunigt und treten als lonenstrom 8 mit hoher Geschwindigkeit aus der lonenquelle 2 aus, wodurch eine Schubkraft auf die lonenquelle 2 als Rückstoßkraft der austretenden Ionen wirkt.During operation of the ion source 2, a working fluid, for example xenon gas, is introduced through the working fluid supply 30 into the ionization chamber 5 of the ion source 2. By applying a high-frequency AC electric power to a high-frequency coil of the coil assembly 4, a plasma is generated within the ionization chamber 5 by causing electrons to collide with atoms to generate ions. The ions that move parallel to the longitudinal axis X in the direction of the outlet opening 21 due to the applied by the coil 4 alternating electric field are accelerated in the extraction grid assembly 6 and emerge as ion stream 8 at high speed from the ion source 2, whereby a thrust on the ion source 2 acts as a repulsive force of the exiting ions.
Das Gas im Inneren des Gehäuses 20 der lonenquelle 2, also in derThe gas inside the housing 20 of the ion source 2, ie in the
Ionisationskammer 5, stellt ein Plasma dar. Wird einem Plasma ein inhomogenes Magnetfeld überlagert, so bewegt sich das Plasma in Richtung des schwächer werdenden Magnetfelds, was als „Gradientendrift" bezeichnet wird. Durch geeignete Gestaltung der Spulengeometrie der Spulen in der Spulenanordnung 4 ist es möglich, durch Gradientendrift die Ladungsträger im Plasma verstärkt in Richtung auf die Austrittsöffnung 21 hin, also auf die Extraktions-Gitteranordnung 6 hin, zu bewegen. Dazu wird in eine Hochfrequenz-Spule der Spulenanordnung 4 ein hochfrequenter Wechselstrom eingespeist. Zudem wird bei dieser lonenquelle in einen Schwingkreis, der die Hochfrequenz-Spule und einen Hochfrequenz-Generator als Wechselstromquelle aufweist, ein Gleichstrom eingespeist. Die Größe desIf a plasma is superimposed on an inhomogeneous magnetic field, then the plasma moves in the direction of the weakening magnetic field, which is referred to as "gradient drift." It is possible by suitable design of the coil geometry of the coils in the coil arrangement 4 , By gradient drift, the charge carriers in the plasma reinforced in the direction of the outlet opening 21 back, so to the extraction grating assembly 6 out to move. For this purpose, a high-frequency alternating current is fed into a high-frequency coil of the coil arrangement 4. In addition, in this ion source, a direct current is fed into a resonant circuit comprising the high-frequency coil and a high-frequency generator as an alternating-current source. The size of the
Gleichstroms wird durch entsprechende Steuervorrichtungen einer zugeordneten Gleichstromquelle gesteuert. Der Stromkreis, der die Gleichstromquelle enthält, wird durch geeignete Filter gegen die Hochfrequenzanteile abgeschottet. Derartige Filter sind in bekannter Weise durch ein Netzwerk aus zumindest einer Spule und zumindest einem Kondensator gebildet. Alternativ ist es auch möglich, einen Generator zu verwenden, der neben dem Wechselstrom einen Gleichstromanteil liefert.Direct current is controlled by appropriate control devices of an associated DC power source. The circuit containing the DC power source is isolated by suitable filters against the high frequency components. Such filters are formed in a known manner by a network of at least one coil and at least one capacitor. Alternatively, it is also possible to use a generator which supplies a direct current component in addition to the alternating current.
Fig. 2 zeigt ein Schaltungsschema der hier mit dem Bezugszeichen "S" bezeichneten elektrischen Spulenanordnung 4 sowie einer Hochfrequenz- Wechselstromquelle AC und einer Gleichstromquelle DC. Weiterhin sind in der Schaltung zwei Netzwerke N1 und N2 am Eingang und am Ausgang der Spulenwicklung 40 vorgesehen. Die Spule der Spulenanordnung S wird von einem Strom I durchflössen, der einen periodisch wechselnden, von der Hochfrequenz-Wechselstromquelle AC erzeugten Wechselstromanteil und einen Gleichstromanteil oder schwach veränderlichen Anteil aufweist, welcher von der Gleichstromquelle DC erzeugt wird. Die Wechselstromquelle AC weist einen Generator auf, der den Wechselstromanteil liefert, und die Gleichstromquelle DC ist modulierbar ausgestaltet und erzeugt den konstanten oder schwach veränderlichen Anteil des die Spule durchfließenden Stroms I. Die Netzwerke N1 und N2 blocken die Gleichspannungsanteile gegenüber der Wechselstromquelle AC und die Wechselspannungsanteile gegenüber der Gleichstromquelle DC. Dazu können in den Netzwerken N1 und N2 entsprechende R-, C- oder L- Netzwerke verwendet werden.FIG. 2 shows a circuit diagram of the electric coil arrangement 4 denoted here by the reference symbol "S", as well as a high-frequency AC power source AC and a DC power source DC. Furthermore, two networks N1 and N2 at the input and the output of the coil winding 40 are provided in the circuit. The coil of the coil assembly S is traversed by a current I having a periodically alternating component of AC generated by the high frequency AC source AC and a DC component or weakly variable component generated by the DC source DC. The AC source AC has a generator that provides the AC component, and the DC source DC is configured to be modulated and produces the constant or slightly variable portion of the current I flowing through the coil. The networks N1 and N2 block the DC components from the AC source AC and the AC components opposite the DC power source DC. For this, corresponding R, C or L networks can be used in the networks N1 and N2.
Alternativ zu der Schaltung aus Fig. 2 kann gemäß der Darstellung in Fig. 3 der konstante oder schwach veränderliche Strom nicht der gesamten Spulenwicklung, sondern nur einzelnen Windungen oder einem Teil der gesamten Spulenwicklung aufgeprägt werden, wobei es sich hierbei nicht um vollständige Windungen handeln muss.As an alternative to the circuit of FIG. 2, as shown in FIG. 3, the constant or weakly variable current can not affect the entire coil winding. but only individual turns or a part of the entire coil winding are impressed, which need not be complete turns here.
In der in Fig. 4 dargestellten alternativen Ausführungsform ist ein Verstärker AMP vorgesehen, um den Spulenstrom zu erzeugen, wobei der Verstärker von einem Wechselstromgenerator (Wechselstromquelle AC) für das periodische Signal (Wechselstromanteil des Stroms I) und einem Gleichstromgenerator (Gleichstromquelle DC) für den konstanten oder schwach veränderlichen Anteil des Stroms I angesteuert wird. Bei dem Verstärker AMP kann es sich um einen so genannten Class-A oder Class-AB-Verstärker handeln.In the alternative embodiment shown in FIG. 4, an amplifier AMP is provided to generate the coil current, the amplifier being driven by an AC generator (AC source AC) for the periodic signal (AC component of the current I) and a DC generator (DC source DC) for the coil constant or weakly variable portion of the current I is driven. The amplifier AMP may be a so-called class A or class AB amplifier.
Eine andere alternative Ausgestaltungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Spule der Spulenanordnung S von einem Generator ACDC angesteuert, dessen Gleichstromanteil nicht gegenüber demAnother alternative embodiment is shown in FIG. In this embodiment, the coil of the coil assembly S is driven by a generator ACDC whose DC component is not opposite to the
Wechselstromanteil abgeblockt ist. Der Gleichstromanteil ist idealerweise steuerbar oder regelbar.AC component is blocked. The DC component is ideally controllable or controllable.
Bei der in Fig. 6 dargestellten weiteren alternativen Ausführungsform weist die Spulenanordnung S eine neben der mit der Hochfrequenz-Wechselstromquelle AC verbundenen Spule S1 eine separate Spule S2 auf, die von der Gleichstromquelle DC mit Gleichstrom oder einem schwach veränderlichen Strom versorgt wird. Dabei ist die Gleichstromquelle DC mittels der am Eingang und am Ausgang der Spule S2 vorgesehenen Netzwerke N1 und N2 gegen einen von der Spule S 1 des Wechselstromkreises induzierten Strom geschützt. Anstelle einer einzigen Spule im Wechselstromkreis können auch mehrere Spulen vorgesehen sein. Ebenso können auch im Gleichstromkreis anstelle einer einzelnen Spule S2 mehrere Spulen vorgesehen sein.In the further alternative embodiment shown in FIG. 6, the coil arrangement S has a separate coil S2 in addition to the coil S1 connected to the high-frequency AC source AC, which is supplied with direct current or a weakly variable current from the direct current source DC. In this case, the DC power source DC is protected by means of the provided at the input and output of the coil S2 networks N1 and N2 against a current induced by the coil S 1 of the AC circuit current. Instead of a single coil in the AC circuit, several coils can be provided. Likewise, several coils may be provided in the DC circuit instead of a single coil S2.
Für die Überlagerung des Hochfrequenz-Wechselstroms in der Spulenanordnung S mit einem Gleichstrom oder einem schwach veränderlichen Strom (Wechselstrom niedrigerer Frequenz) kann die lonenquelle 1' als lonenquelle mit außenliegender Spule beziehungsweise außenliegenden Spulen ausgestaltet sein, wie dies in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Die lonenquelle 1" kann aber auch, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, mit einer oder mehreren innenliegenden Spule(n) ausgebildet sein. Die Ausführungsform der lonenquelle V in Fig. 7 ist mit zwei Spulen S1 und S2 versehen, wobei die Spule S1 einen Abgriff A1 aufweist, an welchem ein Überlagerungsstrom partiell in die Spule S1 eingespeist werden kann. Fig. 7 zeigt zusätzlich zur Spulenanordnung S auch eine Extraktions- Gitteranordnung G.For the superposition of the high frequency alternating current in the coil assembly S with a DC or a weakly variable current (AC lower frequency), the ion source 1 'as an ion source with outboard coil or outer coils to be configured, as shown schematically in Fig. 7. However, the ion source 1 "may also be formed with one or more internal coils as shown in Fig. 8. The embodiment of the ion source V in Fig. 7 is provided with two coils S1 and S2, the coil S1 has a tap A1 at which a superposition current can be partially fed into the coil S1, Fig. 7 also shows an extraction grating arrangement G in addition to the coil arrangement S.
In Fig. 8 sind ebenfalls zwei Spulen S1 und S2 und zusätzlich eine dritte Spule S3 vorgesehen. Auch die in Fig. 8 schematisch dargestellte lonenquelle 1" ist mit einer Extraktions-Gitteranordnung G versehen.In Fig. 8, two coils S1 and S2 and in addition a third coil S3 are also provided. The ion source 1 "shown schematically in FIG. 8 is also provided with an extraction grating arrangement G.
Die in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellten Plasmaerzeuger können verwendet werden in Ionen-Triebwerken mit einer Extraktions-Gitteranordnung, bei der das der Ionisationskammer benachbarte erste Gitter G1 positiv und das zweite Gitter G2 negativ geladen ist, in Elektronenquellen mit Extraktions- Gitteranordnung, bei der das der Ionisationskammer benachbarte erste Gitter G1 negativ und das zweite Gitter G2 positiv geladen ist, in Elektronenquellen ohne Extraktions-Gitteranordnung oder in Elektronenquellen, die über eine Plasmabrücke emittieren. Grundsätzlich können auch Substrate T in die Ionisationskammer eingebracht sein.The plasma generators shown schematically in FIGS. 7 and 8 can be used in ion thrusters with an extraction grating arrangement in which the first grating G1 adjacent to the ionization chamber is positively charged and the second grating G2 is negatively charged in extraction grating electron sources. in which the first grid G1 adjacent to the ionization chamber is negatively charged and the second grid G2 is positively charged in electron sources without an extraction grid arrangement or in electron sources which emit via a plasma bridge. In principle, substrates T can also be introduced into the ionization chamber.
Die gezeigten Plasmaerzeuger können auch in einer Plasmaquelle Verwendung finden, in die ein Arbeitsgas A eingeleitet wird und aus der ein Gemisch C aus Ionen, Elektronen und neutralen Teilchen (Plasma) austritt, wie in Fig. 8A symbolisch dargestellt ist. Am Auslass für das Gemisch C kann auch eine Plasmabrücke ausgebildet sein. Das Plasma kann auch mit höherem Druck austreten und einen Plasmajet bilden.The plasma generators shown can also be used in a plasma source into which a working gas A is introduced and from which a mixture C of ions, electrons and neutral particles (plasma) emerges, as shown symbolically in FIG. 8A. At the outlet for the mixture C may also be formed a plasma bridge. The plasma can also escape at a higher pressure and form a plasma jet.
Wie in Fig. 8B symbolisch dargestellt ist, können in den Plasmaerzeuger auch mehrere Arbeitsgase A, B, ... N eingeleitet werden. In der Ionisationskammer finden dann plasmachemische Prozesse statt, so dass ein gewünschtes Reaktionsprodukt R an einer geeigneten Stelle Y des Plasmaerzeugers entnommen werden kann oder direkt mit einem in der Plasmaquelle vorgesehenen Substrat T wechselwirken kann.As shown symbolically in FIG. 8B, a plurality of working gases A, B,... N can also be introduced into the plasma generator. In the ionization chamber Then plasma-chemical processes take place, so that a desired reaction product R can be taken at a suitable location Y of the plasma generator or can interact directly with a substrate T provided in the plasma source.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen Diagrammdarstellungen der zeitlichen Variation des Stroms l(t), der magnetischen Flussdichte B(t) und der induzierten elektrischen Feldstärke E(t) anhand einer Sinusfunktion. Die Darstellung als Sinusfunktion ist lediglich beispielhaft und es kann sich um eine beliebige periodische Funktion handeln.FIGS. 9 to 11 are graphs showing the time variation of the current I (t), the magnetic flux density B (t) and the induced electric field intensity E (t) by a sine function. The representation as a sine function is merely exemplary and may be any periodic function.
Fig. 9 zeigt die zeitliche Änderung es Stroms l(t), der durch die Wechselstromspule der Spulenanordnung 4 fließt, sowie den dadurch induzierten magnetischen Fluss B(t) und des am Plasmaerzeuger anliegenden elektrischen Feldes E(t). Dabei ist der Verlauf des Stroms l(t) als durchgezogene Linie gezeichnet, der zeitliche Verlauf der magnetischen Flussdichte B(t) ist als gepunktete Linie gezeichnet und der Verlauf der elektrischen Feldstärke E(t) ist als strichpunktierte Linie gezeichnet. Bei der Darstellung der Fig. 9 ist noch keine zusätzliche Aufprägung eines Gleichstroms erfolgt.Fig. 9 shows the time change of current l (t) flowing through the AC coil of the coil assembly 4 and the magnetic flux B (t) induced thereby and the electric field E (t) applied to the plasma generator. The course of the current l (t) is shown as a solid line, the time course of the magnetic flux density B (t) is shown as a dotted line and the course of the electric field strength E (t) is shown as a dotted line. In the illustration of FIG. 9, no additional impressing of a direct current has yet occurred.
In Fig. 10 sind drei Stromverläufe dargestellt, bei welchen dem durch die Spule fließenden Wechselstrom l(t) = I0 sin (wt) ein geringer Gleichstrom I1 und alternativ ein höherer Gleichstrom I2 aufgeprägt ist. Die Kurve des zeitlichen Verlaufs des Wechselstroms wird dadurch zum positiven Bereich des Stroms hin, beziehungs- weise vollständig in den positiven Bereich des Stroms, verschoben. Anstelle des Gleichstroms kann dem Wechselstrom auch ein schwach veränderlicher Strom, also ein Gleichstrom mit niedrigerer Frequenz als der hochfrequente Wechselstrom l(t) aufgeprägt werden. Die Aufprägung des Gleichstroms beziehungsweise des schwach veränderlichen Stroms kann entweder für die gesamte Spule oder nur für einen Teil der Windungen der Spule erfolgen. Fig. 11 zeigt den sich aufgrund des Stromverlaufs gemäß der drei Beispiele der Fig. 10 ergebenden magnetischen Fluss. Es wird deutlich, dass auch hier der magnetische Fluss B(t) = B0 sin (wt) durch die Aufprägung des Gleichstromanteils h um einen konstanten magnetischen Fluss B1 zum positiven Bereich hin parallel verschoben wird. In gleicher Weise erfolgt eine Parallelverschiebung vollständig in den positiven Bereich bei der dritten Beispielkurve, dadurch dass aufgrund des aufgeprägten größeren Gleichstromanteils b ein entsprechend hoher gleichbleibender magnetischer Fluss B2 dem magnetischen Wechselfeld B0 sin (wt) aufgeprägt wird. Der überlagerte gleichförmige Stromanteil führt somit zu einem zusätzlichen magnetischen Fluss. Wie aus den Darstellungen der Fig. 10 und 11 zu erkennen ist, lässt sich das Verhältnis von Zeiträumen mit negativer zu positiver Flussrichtung durch entsprechende Wahl der Größe des zusätzlich eingespeisten Gleichstroms beeinflussen und es kann so eine Vorzeichenumkehr des magnetischen Flusses unterdrückt werden. Ebenso wird es möglich, eine im Vergleich zur Amplitude der periodischen Flussänderung hohe Flussdichte zu erzeugen. Weiterhin kann diese Flussdichte gezielt auf Plasmabedingungen (ECR- und ICR-Resonanzfrequenz) abgestimmt werden. Das induzierte elektrische Feld E(t) bleibt von der zusätzlichen Aufprägung eines Gleichstroms und der daraus resultierenden zusätzlichen Aufprägung eines konstanten magnetischen Flusses unbeeinflusst.FIG. 10 shows three current profiles in which the alternating current I (t) = I 0 sin (wt) flowing through the coil is impressed with a low direct current I 1 and, alternatively, a higher direct current I 2 . The curve of the time course of the alternating current is thereby shifted toward the positive region of the current, or completely into the positive region of the current. Instead of the direct current, a slightly variable current, ie a direct current with a lower frequency than the high-frequency alternating current l (t), can also be impressed on the alternating current. The imprinting of the direct current or the weakly variable current can take place either for the entire coil or only for a part of the turns of the coil. FIG. 11 shows the magnetic flux resulting from the current waveform according to the three examples of FIG. 10. It becomes clear that here too the magnetic flux B (t) = B 0 sin (wt) is shifted parallel to the positive region by the impressing of the DC component h by a constant magnetic flux B 1 . In the same way, a parallel displacement takes place completely in the positive range in the third example curve, characterized in that due to the impressed larger DC component b a correspondingly high constant magnetic flux B 2 the magnetic alternating field B 0 sin (wt) is impressed. The superimposed uniform current component thus leads to an additional magnetic flux. As can be seen from the illustrations of FIGS. 10 and 11, the ratio of periods with negative to positive flow direction can be influenced by appropriate selection of the size of the additionally fed direct current and thus a sign reversal of the magnetic flux can be suppressed. It also becomes possible to generate a high flux density compared to the amplitude of the periodic flux change. Furthermore, this flux density can be tailored to plasma conditions (ECR and ICR resonance frequency). The induced electric field E (t) remains unaffected by the additional imprinting of a direct current and the resulting additional imposition of a constant magnetic flux.
Kern der vorliegenden Erfindung ist somit die Überlagerung des Wechselstroms in der Hochfrequenzspule der Spulenanordnung 4 eines Plasmaerzeugers, z. B. einer Elektronenquelle, einer Plasmaquelle, einer lonenquelle oder eines Ionentriebwerks. Dadurch werden die Wandverluste durch magnetischenThe core of the present invention is thus the superposition of the alternating current in the high frequency coil of the coil assembly 4 of a plasma generator, for. As an electron source, a plasma source, an ion source or an ion engine. As a result, the wall losses are due to magnetic
Einschluss der Elektronen in der Ionisationskammer reduziert. Dieser Einschluss der Elektronen in der Ionisationskammer kann auch zeitlich gesteuert erfolgen. Der magnetische Einschluss der Elektronen in der Ionisationskammer kann außerdem zur Kontrolle oder Steuerung der Plasmadichte-Verteilung in der Ionisationskammer erfolgen. Auch hier kann der magnetische Einschluss zeitgesteuert durchgeführt werden, um die Plasmadichte-Verteilung in Abhängigkeit von der Zeit zu steuern. Die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms und des Gleichstroms kann vorzugsweise direkt in die Hochfrequenz-Wechselstromspule der Spulenanordnung 4 erfolgen, so dass Wechselstrom und Gleichstrom in dieselbe Spule eingespeist werden. Die Hochfrequenzspule kann einlagig oder mehrlagig ausgeführt sein. Sie kann mit Mittelanzapfung oder Teilanzapfung(en) zur beidseitigen Erdung der Anschlüsse ausgeführt sein, wobei die Wicklungen gegensinnig gewickelt sind. Die Gleichstromeinspeisung kann über eine Anzapfung erfolgen, so dass der Gleichstrom nur über einen Teil der Windungen in die Spule eingeleitet wird.Inclusion of electrons in the ionization chamber reduced. This inclusion of the electrons in the ionization chamber can also be timed. The magnetic confinement of the electrons in the ionization chamber can also be done to control or control the plasma density distribution in the ionization chamber. Again, the magnetic confinement can be timed to control the plasma density distribution as a function of time. The feeding of the high-frequency alternating current and the direct current can preferably take place directly into the high-frequency alternating-current coil of the coil arrangement 4, so that alternating current and direct current are fed into the same coil. The radio-frequency coil can be single-layered or multi-layered. It can be designed with center tap or part tapping (s) for grounding the terminals on both sides, with the windings wound in opposite directions. The DC feed can be via a tap, so that the DC is introduced only over part of the turns in the coil.
Alternativ kann die Einspeisung des Gleichstroms statt in die Hochfrequenz-Spule in eine in geeigneter Weise parallel zur Hochfrequenz-Spule liegende Spule einer bifilaren Anordnung erfolgen. Die Gleichstromspule kann die gleiche, eine kleinere oder auch eine höhere Windungszahl besitzen, als die Hochfrequenz-Spule. Die Hochfrequenz-Spule kann einen oder mehrere Einspeisepunkte aufweisen. Dabei kann die Einspeisung des Gleichstroms aus einer oder mehreren Gleichstromquellen erfolgen, wobei im Falle von mehreren Gleichstromquellen diese entweder einen gleichgroßen Strom oder unterschiedlich große Ströme durch die Spule beziehungsweise die Windungen liefern.Alternatively, the direct current can be fed instead of into the high-frequency coil into a coil of a bifilar arrangement which is suitably parallel to the high-frequency coil. The DC coil may have the same, a smaller or higher number of turns than the high-frequency coil. The high frequency coil may have one or more feed points. In this case, the feeding of the direct current from one or more DC sources can take place, wherein in the case of several DC sources, these deliver either an equal current or different sized currents through the coil or windings.
Die gesamte Spulenanordnung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms und die Einspeisung des Gleichstroms nicht gegenseitig beeinflussen. Die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms kann mittels einer PLL-Phasenregelung erfolgen. Die Hochfrequenz-Wechselstromspule kann Teil eines Serienresonanzkreises oder eines Parallelresonanzkreises sein.The entire coil arrangement is preferably designed so that the supply of the high-frequency alternating current and the supply of the direct current do not influence each other. The feeding of the high-frequency alternating current can be done by means of a PLL phase control. The high frequency AC coil may be part of a series resonant circuit or a parallel resonant circuit.
Die Hochfrequenz-Spule und/oder die Gleichstrom-Spule können entweder außerhalb oder auch innerhalb des Gehäuses 20 des Plasmaerzeugers angeordnet sein. Das Gehäuse des Plasmaerzeugers kann als Zylinder, Kegel oder in anderer Formgestaltung ausgestaltet sein. Zur optimalen Verteilung des magnetischen Feldes kann die Spule anstatt eine zylindrischen Gestalt auch jede andere Form aufweisen. So kann beispielsweise die Steigung der Windungen ungleichförmig sein. Auch können die Windungen in unterschiedlichen Abständen voneinander angeordnet sein. Die Windung kann beispielsweise mäanderförmig sein. Mittels der Spule kann ein Ringfeld (cusp- FeId) oder ein multipolares Feld erzeugt werden. Über eine Vielzahl von entlang der Hochfrequenz-Spule verteilten Einspeisepunkten kann auch eine beliebige Verteilung des magnetischen Feldes erzielt werden.The high-frequency coil and / or the DC coil can be arranged either outside or inside the housing 20 of the plasma generator. The housing of the plasma generator can be designed as a cylinder, cone or other shape design. For optimal distribution of the magnetic field, the coil may have any other shape instead of a cylindrical shape. For example, the pitch of the turns may be non-uniform. Also, the windings may be arranged at different distances from each other. The winding may be meandering, for example. By means of the coil, a ring field (cusp-FeId) or a multipolar field can be generated. Any distribution of the magnetic field can also be achieved via a multiplicity of feed-in points distributed along the high-frequency coil.
Der Gleichstrom kann zur optimalen Anpassung des magnetischen Feldes steuerbar oder regelbar sein, zum Beispiel bei einer lonenquelle oder einem Ionentriebwerk entsprechend dem austretenden lonenstrom, der beim Ionentriebwerk proportional zum Schub ist.The DC current may be controllable or controllable for optimum adaptation of the magnetic field, for example, an ion source or an ion engine corresponding to the outgoing ion current, which is proportional to the thrust in the ion engine.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken. Reference signs in the claims, the description and the drawings are only for the better understanding of the invention and are not intended to limit the scope.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Es bezeichnen:They denote:
1 Ionen-Triebwerk1 ion engine
2 lonenquelle2 ion source
3 Rohr3 pipe
4 elektrische Spulenanordnung4 electric coil arrangement
5 Ionisationskammer5 ionization chamber
6 Extraktions-Gitteranordnung6 extraction grid arrangement
7 Elektroneninjektor7 electron injector
8 lonenstrom8-ion current
20 Gehäuse20 housing
21 Austrittsöffnung21 outlet opening
22 Gehäusewand22 housing wall
23 erster zylindrischer Gehäuseabschnitt23 first cylindrical housing portion
24 Gehäuseboden24 caseback
25 zweiter zylindrischer Gehäuseabschnitt25 second cylindrical housing portion
26 kegellstumpfförmiger Gehäuseabschnitt26 truncated cone-shaped housing section
27 zentrale Öffnung27 central opening
28 Isolationsabschnitt28 isolation section
30 Arbeitsfluidzuführung30 working fluid supply
40 Wicklungen40 windings
60 elektrisch positiv geladenes Gitter 62 elektrisch negativ geladenes Gitter 60 electrically positively charged grid 62 electrically negatively charged grid

Claims

Patentansprüche claims
1. Plasmaerzeuger mit einem Gehäuse (20), das eine Ionisationskammer (5) umgibt; - zumindest einer in die Ionisationskammer (5) mündendenA plasma generator comprising a housing (20) surrounding an ionization chamber (5); - At least one in the ionization chamber (5) opening
Arbeitsfluidzuführung (30) wobei die Ionisationskammer (5) zumindest eine Auslassöffnung (21) aufweist; zumindest einer elektrischen Spulenanordnung (4), die zumindest einen Bereich der Ionisationskammer (5) umgibt; - wobei die Spulenanordnung (4) mit einer Hochfrequenz-Wechselstromquelle (AC) elektrisch verbunden ist, die so ausgebildet ist, dass sie zumindest eine Spule der Spulenanordnung (4) mit einem hochfrequenten elektrischen Wechselstrom beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, - dass eine weitere Stromquelle (DC) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass sie zumindest eine Spule der Spulenanordnung (4) mit einem Gleichstrom oder einem Wechselstrom von niedrigerer Frequenz, als der von der Hochfrequenz-Wechselstromquelle (AC) gelieferte Strom beaufschlagt.Working fluid supply (30) wherein the ionization chamber (5) has at least one outlet opening (21); at least one electrical coil assembly (4) surrounding at least a portion of the ionization chamber (5); - wherein the coil arrangement (4) is electrically connected to a high-frequency AC power source (AC) which is designed such that it applies at least one coil of the coil arrangement (4) to a high-frequency electrical alternating current, characterized in that - a further current source ( DC) adapted to supply at least one coil of the coil assembly (4) with a DC current or AC of lower frequency than that supplied by the high frequency AC source (AC).
2. Plasmaerzeuger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeuger als Plasmaquelle ausgebildet ist.2. Plasma generator according to claim 1, characterized in that the plasma generator is designed as a plasma source.
3. Plasmaerzeuger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeuger als Elektronenquelle ausgebildet ist.3. Plasma generator according to claim 1, characterized in that the plasma generator is designed as an electron source.
4. Plasmaerzeuger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeuger als lonenquelle ausgebildet ist. 4. Plasma generator according to claim 1, characterized in that the plasma generator is designed as an ion source.
5. Plasmaerzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auslassöffnung (21) eine Beschleunigungseinrichtung für in der Ionisationskammer (5) gebildete Elektronen vorgesehen ist.5. Plasma generator according to claim 3, characterized in that in the region of the outlet opening (21) an accelerating device for electrons formed in the ionization chamber (5) is provided.
6. Plasmaerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auslassöffnung (21) eine Beschleunigungseinrichtung (6) für in der Ionisationskammer (5) gebildete Ionen vorgesehen ist.6. Plasma generator according to claim 4, characterized in that in the region of the outlet opening (21) an acceleration device (6) for in the ionization chamber (5) formed ions is provided.
7. Plasmaerzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinrichtung (6) ein elektrisch positiv aufgeladenes Gitter (60) und ein in Ausströmrichtung der Ionen aus der Ionisationskammer (5) hinter dem positiven Gitter (60) gelegenes negativ aufgeladenes Gitter (62) aufweist.7. Plasma generator according to claim 6, characterized in that the accelerating device (6) has an electrically positively charged grid (60) and a downstream in the outflow of ions from the ionization chamber (5) behind the positive grid (60) located negatively charged grid (62) having.
8. Plasmaerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenquelle ein Ionentriebwerk bildet.8. Plasma generator according to claim 7, characterized in that the ion source forms an ion engine.
9. Plasmaerzeuger nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Stromabwärtsrichtung des die Ionisationskammer (5) verlassenden lonenstroms ein Elektronen injektor (7) vorgesehen ist, der auf den lonen- strom gerichtet ist und der zur Neutralisation des lonenstroms eingerichtet ist, wobei der Elektroneninjektor (7) vorzugsweise eine Hohlkathode aufweist.9. Plasma generator according to claim 6, 7 or 8, characterized in that in the downstream direction of the ionization chamber (5) leaving the ion stream an electron injector (7) is provided which is directed to the ion current and which is adapted to neutralize the ion current , wherein the electron injector (7) preferably has a hollow cathode.
10. Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetanordnung vorgesehen ist, die die Ionisationskammer (5) umgibt.10. Plasma generator according to one of the preceding claims, characterized in that that a magnet arrangement is provided, which surrounds the ionization chamber (5).
11. Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (4) eine Hochfrequenz-Spule aufweist, die an eine hochfrequente elektrische Wechselspannung angeschlossen ist, um den Hochfrequenz-Wechselstrom in die Spule einzuleiten, und - dass der von einer Gleichspannung erzeugte Gleichstrom ebenfalls direkt in die Hochfrequenz-Spule eingeleitet wird.11. Plasma generator according to one of the preceding claims, characterized in that the coil arrangement (4) comprises a high-frequency coil which is connected to a high-frequency electrical AC voltage to initiate the high-frequency alternating current into the coil, and - that of a DC voltage generated direct current is also introduced directly into the high-frequency coil.
12. Plasmaerzeuger nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung des Gleichstroms an einem anderen Ort der12. Plasma generator according to claim 11, characterized in that the supply of direct current at another location of the
Hochfrequenz-Spule erfolgt, als die Einspeisung des Hochfrequenz- Wechselstroms.High-frequency coil occurs when the supply of high-frequency alternating current.
13. Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung des Gleichstroms in eine parallel zur Hochfrequenz- Spule angeordnete Gleichstrom-Spule erfolgt.13. Plasma generator according to one of the preceding claims, characterized in that the feeding of the direct current into a parallel coil arranged to the high-frequency coil DC coil.
14. Plasmaerzeuger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom regelbar ist und dass eine Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die den Gleichstrom proportional zum aus der Ionisationskammer (5) austretenden lonenstrom regelt.14. Plasma generator according to claim 13, characterized in that the direct current is controllable and that a control device is provided which regulates the direct current proportional to the ionizing chamber (5) leaving the ion stream.
15. Verfahren zum Steuern eines Plasmaerzeugers, insbesondere einer lonen- quelle, bei welchem ein im Plasmaerzeuger erzeugtes Plasma mittels eines hochfrequenten elektrischen oder elektromagnetischen Wechselfeldes in15. A method for controlling a plasma generator, in particular an ion source, in which a plasma generated in the plasma generator by means of a high-frequency electric or electromagnetic alternating field in
Bewegung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma zusätzlich zum hochfrequenten elektromagnetischenMovement is offset, characterized in that the plasma in addition to the high-frequency electromagnetic
Wechselfeld einem elektromagnetischen Gleichfeld unterworfen wird. Alternating field is subjected to a DC electromagnetic field.
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