EP2277188B1

EP2277188B1 - Plasmaerzeuger und verfahren zum steuern eines plasmaerzeugers

Info

Publication number: EP2277188B1
Application number: EP09741744.8A
Authority: EP
Inventors: Werner Kadrnoschka; Rainer Killinger; Ralf Kukies; Hans Leiter; Johann Müller; Georg Schulte
Original assignee: Airbus DS GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2029-04-29
Also published as: KR20110013449A; JP6000325B2; DE102008022181A1; RU2525442C2; KR101360684B1; WO2009135471A1; JP2011522357A; US20120019143A1; US8786192B2; DE102008022181B4; JP2015097209A; EP2277188A1; RU2010149265A

Description

TECHNISCHES GEBIET

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.

STAND DER TECHNIK

Gattungsgemäße Plasmaerzeuger, sind als Ionenquellen, Elektronenquellen oder Plasmaquellen allgemein bekannt und werden als Ionenquelle 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 eingeleitetes 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 durchflossen. Der Wechselstrom erzeugt ein axiales magnetisches Feld im Inneren der Ionisationskammer. Dieses sich zeitlich ändernde magnetische Feld induziert ein zirkulares elektrisches Wechselfeld in der Ionisationskammer.
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.
Grundsätzlich kann der in einer Ionenquelle erzeugte Ionenstrom 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 herkömmlichen Ionenquellen, 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 Ionenquelle 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 Ionenquelle 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 Ionisationsenergie 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.
Techniken zu Ionisierungskammern mit überlagerten elektromagnetischen Feldern sind in der EP 0 169 744 A2 sowie der US 2004/0036032 A1 beschrieben. Ionenquellen, die Mittel zur Beschleunigung von Ionen aufweisen, sind in der WO 2008/009898 A1 und der US 6,378,290 B1 beschrieben.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

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.
Diese Aufgabe wird durch den Plasmaerzeuger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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 Wechselstrom von niedrigerer Frequenz, als der von der Hochfrequenz-Wechselstromquelle gelieferte Strom, beaufschlagt wird. Der hierdurch zusätzlich in die Spulenanordnung eingespeiste Wechselstrom niedrigerer Frequenz überlagert dem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld einen Anteil eines niedriger frequenten magnetischen Wechselfelds. In dieser Anmeldung wird das Vorsehen von Stromquellen beschrieben; es können stattdessen auch Spannungsquellen vorgesehen sein.
Auf bewegte Ladungsträger wirkt im magnetischen Feld die Lorentz-Kraft $F = q (v \times b)$
mit der Ladung q, der Geschwindigkeit v und der magnetischen Flussdichte B. 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 Wechselfeld niedrigerer Frequenz, in ihrer Bewegung dorthin nicht behindert.
Der dem durch die Spulenanordnung fließenden hochfrequenten Wechselstrom überlagerte 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 Ionenquelle, 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.
Mit der Erfindung ist es somit möglich, die Wandverluste in der Ionisationskammer von Plasmaerzeuger, wie Ionenquellen, insbesondere von Ionen-Triebwerken, zu reduzieren, ohne die grundlegende Konstruktionsweise der bisher bekannten Ionenquellen 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.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Plasmaerzeuger kann als Plasmaquelle, als Elektronenquelle oder als Ionenquelle ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich der Auslassöffnung eine Beschleunigungseinrichtung für in der Ionisationskammer gebildete Ionen oder Elektronen vorgesehen.
Diese Beschleunigungseinrichtung, die im Falle einer Ionenquelle 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 Ionenausstoß aus der Ionenquelle herbeizuführen. Die Gitter bilden ein Extraktions-Gittersystem. Im Fall einer Elektronenquelle ist die Reihenfolge der Gitter und damit die Polarität vertauscht.
Vorzugsweise ist eine derartige Ionenquelle Bestandteil eines Ionen-Triebwerks.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist in Stromabwärtsrichtung des die Ionisationskammer verlassenden Ionenstroms ein Elektroneninjektor vorgesehen, der auf den Ionenstrom gerichtet ist und der zur Neutralisation des Ionenstroms eingerichtet ist, wobei der Elektroneninjektor vorzugsweise eine Hohlkathode aufweist. Mittels einer derartigen Neutralisation kann verhindert werden, dass sich die Ionenquelle beziehungsweise das mit der Ionenquelle verbundene Gerät elektrostatisch auflädt.
In einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist eine Magnetanordnung vorgesehen, die die Ionisationskammer umgibt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulenanordnung 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.
Die Einspeisung des Gleichstroms kann dabei vorzugsweise an einem anderen Ort der Hochfrequenz-Spule erfolgen, als die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms.
Alternativ kann die Einspeisung des Gleichstroms in eine parallel zur Hochfrequenz-Spule angeordnete Gleichstrom-Spule erfolgen.
Vorzugsweise ist der Gleichstrom regelbar und es ist eine Regelungseinrichtung vorgesehen, die den Gleichstrom zum Beispiel proportional zum aus der Ionisationskammer austretenden Ionenstrom regelt.
Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bei diesem Verfahren wird das Plasma zusätzlich zum hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einer niedrigeren Frequenz als das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld unterworfen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:

Fig. 1 Einen schematischen Längsschnitt durch ein Ionen-Triebwerk;
Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7A ein schematisches Schaltbild einer Spulenanordnung für eine Ausführungsform des Plasmaerzeugers als Elektronenquelle oder Ionenquelle mit außenliegender Spule;
Fig. 7B ein schematisches Schaltbild einer Spulenanordnung für eine Ausführungsform des Plasmaerzeugers als Elektronenquelle oder
Ionenquelle mit innenliegender Spule;
Fig. 8A eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers als Plasmaquelle;
Fig. 8B eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers als Plasmaquelle zur Durchführung von plasmachemischen Prozessen;
Fig. 9 ein Schaubild betreffend den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms, des induzierten magnetischen Flusses und des elektrischen Feldes bei einem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger;
Fig. 10 ein Schaubild betreffend den Spulenstrom im Falle einer Gleichstrom-Überlagerung; und
Fig. 11 den vom Spulenstrom bei aufgeprägtem Gleichstromanteil induzierten magnetischen Fluss.

DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Fig. 1 stellt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ionen-Triebwerk 1 mit einem als Ionenquelle 2 ausgebildeten Plasmaerzeuger dar. Die Ionenquelle 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.
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 Ionenquelle 2. Außerhalb der Ionenquelle 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 Ionenquelle 2 eingeleitet werden kann. Das Rohr 3 bildet so eine Arbeitsfluidzuführung 30 für die Ionenquelle.
Das Gehäuse 20 der Ionenquelle 2 ist in seinem ersten zylindrischen Abschnitt 23 mit Wicklungen 40 einer elektrischen Spulenanordnung 4 umgeben.
Im Inneren des Gehäuses 20 der wie vorstehend ausgebildeten Ionenquelle 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 Ionenquelle 2 nach außen parallel zur Achse X (in Fig. 1 nach rechts) als Ionenstrom 8 austreten.
Außerhalb des Gehäuses 20 der Ionenquelle 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 Ionenquelle 2 austretenden Ionenstrom 8 injiziert werden, um so den Ionenstrom 8 elektrisch zu neutralisieren.
Im Betrieb der Ionenquelle 2 wird ein Arbeitsfluid, beispielsweise Xenon-Gas, durch die Arbeitsfluidzuführung 30 in die Ionisationskammer 5 der Ionenquelle 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 Ionenstrom 8 mit hoher Geschwindigkeit aus der Ionenquelle 2 aus, wodurch eine Schubkraft auf die Ionenquelle 2 als Rückstoßkraft der austretenden Ionen wirkt.
Das Gas im Inneren des Gehäuses 20 der Ionenquelle 2, also in der 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 Ionenquelle in einen Schwingkreis, der die Hochfrequenz-Spule und einen Hochfrequenz-Generator als Wechselstromquelle aufweist, ein Gleichstrom eingespeist. Die Größe des 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.
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 durchflossen, 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.
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.
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.
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 dem Wechselstromanteil abgeblockt ist. Der Gleichstromanteil ist idealerweise steuerbar oder regelbar.
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 Wechselstrom niedriger Frequenz 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.
Für die Überlagerung des Hochfrequenz-Wechselstroms in der Spulenanordnung S mit einem Gleichstrom oder einem r Wechselstrom niedriger Frequenz kann die Ionenquelle 1' als Ionenquelle mit außenliegender Spule beziehungsweise außenliegenden Spulen ausgestaltet sein, wie dies in Fig. 7A schematisch dargestellt ist. Die Ionenquelle 1" kann aber auch, wie dies in Fig. 7B dargestellt ist, mit einer oder mehreren innenliegenden Spule(n) ausgebildet sein. Die Ausführungsform der Ionenquelle 1' in Fig. 7A 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. 7A zeigt zusätzlich zur Spulenanordnung S auch eine Extraktions-Gitteranordnung G.
In Fig. 7B sind ebenfalls zwei Spulen S1 und S2 und zusätzlich eine dritte Spule S3 vorgesehen. Auch die in Fig. 7B schematisch dargestellte Ionenquelle 1" ist mit einer Extraktions-Gitteranordnung G versehen.
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.
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.
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.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen Diagrammdarstellungen der zeitlichen Variation des Stroms I(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.
Fig. 9 zeigt die zeitliche Änderung es Stroms I(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 I(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.
In Fig. 10 sind drei Stromverläufe dargestellt, bei welchen dem durch die Spule fließenden Wechselstrom I(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, beziehungsweise 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 I(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 I₁ 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 I₂ 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.
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 Ionenquelle oder eines Ionentriebwerks. Dadurch werden die Wandverluste durch magnetischen 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.
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.
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.
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-Feld) 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.
Der Gleichstrom kann zur optimalen Anpassung des magnetischen Feldes steuerbar oder regelbar sein, zum Beispiel bei einer Ionenquelle oder einem Ionentriebwerk entsprechend dem austretenden Ionenstrom, der beim Ionentriebwerk proportional zum Schub ist.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
Die Ausführungsformen betreffend Gleichstrom und/oder Gleichspannung in der gesamten Beschreibung sind nicht Teil der Erfindung.

Bezugszeichenliste

Es bezeichnen:

1: Ionen-Triebwerk
2: Ionenquelle
3: Rohr
4: elektrische Spulenanordnung
5: Ionisationskammer
6: Extraktions-Gitteranordnung
7: Elektroneninjektor
8: Ionenstrom

20: Gehäuse
21: Austrittsöffnung
22: Gehäusewand
23: erster zylindrischer Gehäuseabschnitt
24: Gehäuseboden
25: zweiter zylindrischer Gehäuseabschnitt
26: kegellstumpfförmiger Gehäuseabschnitt
27: zentrale Öffnung
28: Isolationsabschnitt

30: Arbeitsfluidzuführung

40: Wicklungen

60: elektrisch positiv geladenes Gitter
62: elektrisch negativ geladenes Gitter

Claims

Plasmaerzeuger mit
- einem Gehäuse (20), das eine Ionisationskammer (5) umgibt;

- zumindest einer in die Ionisationskammer (5) mündenden 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 erste Hochfrequenz-Spule (S,S1) 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 die erste (S,S1) oder eine zweite Spule (S2) der Spulenanordnung (4) mit einem Wechselstrom von niedrigerer Frequenz als der von der Hochfrequenz-Wechselstromquelle (AC) gelieferte Strom beaufschlagt, wobei der Wechselstrom von niedrigerer Frequenz ebenfalls direkt in die Hochfrequenz-Spule (S,S1) eingeleitet wird oder die Einspeisung des Wechselstroms von niedriger Frequenz in die parallel zur Hochfrequenz-Spule (S,S1) angeordnete zweite Spule (S2) erfolgt.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Plasmaerzeuger als Ionenquelle ausgebildet ist.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich der Auslassöffnung (21) eine Beschleunigungseinrichtung (6) für in der Ionisationskammer (5) gebildete Ionen vorgesehen ist.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 3,
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.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ionenquelle ein Ionentriebwerk bildet.
Plasmaerzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Stromabwärtsrichtung des die Ionisationskammer (5) verlassenden Ionenstroms ein Elektroneninjektor (7) vorgesehen ist, der auf den Ionenstrom gerichtet ist und der zur Neutralisation des Ionenstroms eingerichtet ist, wobei der Elektroneninjektor (7) vorzugsweise eine Hohlkathode aufweist.
Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Magnetanordnung vorgesehen ist, die die Ionisationskammer (5) umgibt.
Verfahren zum Steuern eines Plasmaerzeugers, insbesondere einer Ionenquelle, bei welchem ein im Plasmaerzeuger erzeugtes Plasma mittels eines hochfrequenten elektrischen oder elektromagnetischen Wechselfeldes in Bewegung versetzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Plasma zusätzlich zum hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld einem diesem überlagerten niedriger frequenten elektromagnetischen Wechselfeld unterworfen wird, wobei der Plasmaerzeuger eine Spulenanordnung mit einer Hochfrequenz-Spule (S,S1) aufweist, die an eine hochfrequente elektrische Wechselspannung angeschlossen ist, um einen Hochfrequenz-Wechselstrom in die Hochfrequenz-Spule (S,S1) einzuleiten zum Erzeugen des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds, wobei zum Erzeugen des niedriger frequenten elektromagnetischen Wechselfelds ein Wechselstrom von niedrigerer Frequenz ebenfalls direkt in die Hochfrequenz-Spule (S,S1) eingeleitet wird oder die Einspeisung des Wechselstroms von niedriger Frequenz in eine parallel zur Hochfrequenz-Spule angeordnete Spule (S2) erfolgt.