EP3462020A1 - Bestrahlungstarget für eine versuchskammer eines elektrischen triebwerks und versuchskammer umfassend ein bestrahlungstarget - Google Patents

Bestrahlungstarget für eine versuchskammer eines elektrischen triebwerks und versuchskammer umfassend ein bestrahlungstarget Download PDF

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EP3462020A1
EP3462020A1 EP18185729.3A EP18185729A EP3462020A1 EP 3462020 A1 EP3462020 A1 EP 3462020A1 EP 18185729 A EP18185729 A EP 18185729A EP 3462020 A1 EP3462020 A1 EP 3462020A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
irradiation target
target
ring sections
longitudinal axis
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18185729.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Dr. Ziegenhagen
Hannes Fulge
Ewald Scharli-Weinert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ArianeGroup GmbH
Original Assignee
ArianeGroup GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP3462020A1 publication Critical patent/EP3462020A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters

Definitions

  • the present disclosure relates to an irradiation target for an experimental chamber of an electric engine and a test chamber comprising an irradiation target.
  • the electrostatic and electromagnetic engines include a plasma accelerator arrangement in which a gas or a fuel is ionized in the gaseous state (plasma generation) and then accelerated by electric or electromagnetic fields, whereby a thrust force is generated.
  • the high energy of the ions must be dissipated within the test chamber. This requires contact with a material. The contact causes undesirable damage to the surfaces. In addition, the temperature of the material increases. For example, the ions can cause sputtering effects when they strike metal surfaces in particular, which can lead to a material drop-off in the direction of the engine and can also damage or act on the surrounding areas as such. This is particularly relevant in experimental arrangements where electrical engines are typically located within a test chamber loaded with a vacuum. In such a case, the ejected back sputtered particles may damage the engine itself as well as the test infrastructure in the form of the test chamber, any cold surfaces, cables or the like.
  • the present disclosure provides an irradiation target for a test chamber of an electric motor, wherein the irradiation target has a radial dimension and a comparatively smaller axial dimension along a longitudinal axis, wherein the irradiation target comprises a support structure and a plurality of annular portions having mutually different diameters arranged thereon, wherein the ring portions are arranged substantially concentric with each other and overlap radially.
  • the test chamber may be a vacuum chamber.
  • the irradiation target (hereinafter also “target”) can be positioned opposite to the engine and / or in an ion beam path of the engine. It can be dimensioned such that it can completely capture the expanding ion beam or, in other words, that a diameter of the ion beam does not exceed an irradiable area of the target.
  • the longitudinal axis of the target may be substantially concentric with and / or intersect the electric engine.
  • the ring sections may be concentrically positioned about the longitudinal axis. Furthermore, the ring sections overlap radially, preferably along their entire circumference about the longitudinal axis. The radial overlap can be achieved by the ring sections each comprising regions which extend in a common radial region and thereby prevent, for example, the axial straight-line passage of an ion beam.
  • the overlap may be selected such that an area of the target facing the engine ion beam is substantially closed and / or does not allow free axial passage of the ion beam.
  • a gas passage through the radial overlap regions of the ring sections can be made aware of.
  • the target or at least one surface facing the engine ion beam may generally approximate a spherical surface and / or be generally concave.
  • the same applies to the support structure which may additionally or alternatively comprise a plurality of preferably radially extending support arms and / or may be generally frame-shaped.
  • the support structure may be arranged on a rear side of the target facing away from the engine ion beam.
  • General can the target and / or the support structure have a circular or polygonal base (eg octagonal).
  • the ring sections each have a surface normal, which intersect in a common area, for example substantially at a common point.
  • the intersection or region may be substantially in the region of the electric engine and / or coincide with a starting point of the engine ion beam.
  • the ring portions may be arranged to be substantially orthogonal to the incident ion beam. For this they can have the below-described angle of inclination to the longitudinal axis.
  • the ring sections can be constructed in one or more parts. Additionally or alternatively, they may form a substantially or completely closed peripheral region of the target, in particular of a surface facing the engine ion beam thereof.
  • the angle of inclination of the ring sections to the longitudinal axis is less than 40 °, less than 30 °, less than 20 °, less than 10 ° or less than 5 °. In one variant, this angle is less than 3 ° or substantially 0 °. In other words, the ring sections can be aligned as upright as possible relative to the longitudinal axis. In one embodiment, the angle of inclination of the ring portions located farther from the longitudinal axis increases toward or near the annular portions, and preferably continuously. In other words, the inclination angle can increase from radially inward to radially outward.
  • the ring sections may comprise or consist of a carbonaceous material, for example pyrolytic graphite.
  • a carbonaceous material for example pyrolytic graphite.
  • a carbonaceous material can also be understood to mean a purely carbon-based material.
  • the ring sections can each have a polygonal shape and, for example, at least five, at least six, at least seven or at least octagonal are formed.
  • the number of corners may correspond to the number of corners of a basic shape or area of the target. All ring sections preferably comprise the same number of corners.
  • the ring sections are each composed of several segments.
  • the segments may extend along a peripheral portion of the ring portions and / or form such a peripheral portion.
  • the segments can be aligned in the circumferential direction and / or together form a substantially closed shape of the ring section.
  • the ring segments are trapezoidal. They may comprise a parallel lower and upper side, which are connected by mutually inclined sides.
  • the top which may be farther from the longitudinal axis than the bottom, may be longer than the bottom.
  • the inclined sides can diverge or be spread apart from one another.
  • the number of segments may correspond to a number of corner points of the ring sections.
  • the ring sections are octagonal and each composed of eight segments.
  • a corner point of the ring sections can each be formed by a corner point of the segments.
  • the ring sections are received in axially spaced-apart positions in the support structure of the irradiation target.
  • the ring sections may be axially staggered, at least with respect to their areas received in the support structure.
  • the radially inner ring sections axially further inside and / or be positioned further spaced from the electric motor than the radially outer ring sections.
  • the irradiation target may comprise a central portion which is concentric with the ring portions and overlaps with the longitudinal axis.
  • the central portion may comprise a closed surface.
  • a radially adjacent ring portion may surround and / or contain the central portion. Additionally or alternatively, the ring portion may overlap radially with the central portion, preferably along the entire circumference thereof.
  • the ring sections are fastened to the carrying structure by means of screw connections, in particular wherein the screw connections comprise graphite nuts on a side facing the electric drive.
  • the screw connections may further comprise threaded bolts which are inserted into the support structure.
  • the invention further relates to a test chamber comprising an irradiation target according to one of the preceding aspects, in particular wherein the irradiation target is arranged such that its longitudinal axis intersects the electric drive (for example in a beam exit region thereof).
  • the test chamber may be substantially closed and / or receive both the irradiation target and the electric engine.
  • the test chamber may further comprise at least one vacuum pump, in particular a cryopump, which is arranged on a side of the irradiation target facing away from the electric drive.
  • at least one vacuum pump in particular a cryopump, which is arranged on a side of the irradiation target facing away from the electric drive.
  • FIG. 1 is a partial perspective sectional view of a test chamber 1 according to an embodiment of the invention shown.
  • the test chamber 1 is constructed as a hollow cylinder and designed as a vacuum chamber.
  • an electric engine 2 of conventional design is arranged in a first Zylinderend Scheme.
  • an irradiation target 10 is positioned in an opposite cylinder end region of the test chamber 1.
  • the electric motor 2 and the irradiation target 10 face each other along a cylinder longitudinal axis of the test chamber 1, which also forms a longitudinal axis L of the irradiation target 10.
  • An unillustrated radial axis and a corresponding radial dimension of the irradiation target 10 extend orthogonally to the longitudinal axis L (see FIG. FIG. 2 ).
  • a beam cone of the engine ion beam 3 is indicated, which extends along the longitudinal axis L and widens in the direction of the irradiation target 10.
  • FIG. 1 a concavely curved shape of the electrical engine 2 facing front of the irradiation target 10 can be seen.
  • the irradiation target 10 substantially has a C-shape, so that a spherical surface is approximated, at the origin of which the drive 2 is seated.
  • FIG. 2 from which also the generally flat shape of the irradiation target 10 can be seen. Specifically, it can be seen that a diameter R (or a height) exceeds an axial dimension A (or a depth) of the irradiation target 10.
  • overshoots with more than a factor of 2, more than a factor of 4 or more than a factor of 6 are provided here.
  • the irradiation target 10 has a sectional view of a cone-shaped support structure 12 with a plurality of radial segments or, in other words, radial support arms 14 (see also FIG. 1 ).
  • radial support arms 14 In the support arms 14 stepped recesses 16 are provided at regular axial intervals. Not all support arms 14 and recesses 16 are provided with a corresponding reference numeral.
  • each individual ring sections 18 are received in the recesses 16, which are positioned concentrically about the longitudinal axis L.
  • a central portion 20 is arranged, which is formed with a closed base.
  • each ring section 18 has different outside and inside diameters. Furthermore, the annular portions 18 but also the central portion 20 axially from each other spaced in the recesses 16 of the support structure 14 received.
  • the radially outer and formed with larger diameters annular portions 18 thereby axially further outward are arranged as the radially inner and a smaller diameter having annular portions 18. More precisely, the ring portions 18 are received in support structure 14 such that the inner and outer diameter of axially inside out (or of in FIG. 2 right to left).
  • the ring portions 18 are not abutted against each other so that atoms can pass between adjacent ring portions 18 (see in particular spacings in FIG. 2 ).
  • adjacent ring sections 18 each overlap in the radial direction in such a way that viewed from the front and / or in the direction of travel of the engine ion beam 3 they form a closed surface. A backflow of the ions in the longitudinal direction is prevented by the overlap of the ring sections.
  • the ring sections 18 form an axially closed surface, whereby the individual ring sections 18 can become permeable to one another due to their distances from one another. This circumstance is also clear from the front and rear views of the irradiation target 10 in the Figures 3 and 4 ,
  • the ring sections 18 are oriented such that their surface normals N1, N2 intersect at a common point. This is schematically indicated for the surface normal N1, N2 of the two radially outer ring sections 18, wherein in FIG. 2 a representation of the common intersection is omitted for reasons of space. Consequently, the engine ion beam 3 is substantially orthogonal to a respective ring portion 18. It has been found that sputtering effects can be reduced particularly reliably thereby. These reductions are further improved in the present embodiment, characterized in that the ring portions 18 are each formed of pyrolytic graphite.
  • the ring sections 18 are each inclined to the longitudinal axis L. More specifically, they are tilted toward the electric motor 2, whereas the central portion 20 is substantially perpendicular to the longitudinal axis L.
  • a corresponding inclination angle ⁇ to the longitudinal axis L registered, the less than 30 °.
  • the inclination angle ⁇ starting from the radially inner ring sections 18 towards the radially outer ring sections 18, increases continuously.
  • each ring section 18 is constructed in several parts and each includes eight trapezoidal segments 22.
  • Each of the segments 22 extends between two corner points of the irradiation target 10 and / or between two adjacent support arms 14 FIG. 3 are for reasons of clarity, only the segments 22 of the radially outermost ring portion 18 provided with a corresponding reference numeral.
  • a radially outer upper side 24 and a radially inner lower side 26 are further marked, the upper side being longer than the lower side.
  • the sides 24, 26 are connected by two radially extending sides 28 which open radially outward.
  • each segment 22 of the respective ring portions 18 is formed with such a trapezoidal shape and corresponding sides 22, 24, 26, which is not mandatory.
  • the central portion 20, however, has substantially a completely closed octagonal shape (see FIG. 4 ).
  • the segments 22 as well as the central portion 20 are respectively screwed to the support structure 14 and have at the front ( Fig. 3 ) not specially marked graphite nuts on.
  • Fig. 2 provided schematically apparent bolts that are not directly exposed to the ion beam 3 accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bestrahlungstarget (10) für eine Versuchskammer eines elektrischen Triebwerk (2), wobei das Bestrahlungstarget (10) eine radiale Abmessung aufweist und eine im Vergleich geringere axiale Abmessung entlang einer Längsachse (L), wobei das Bestrahlungstarget (10) eine Tragestruktur (14) und eine Mehrzahl daran angeordneter Ringabschnitte (18) mit voneinander unterschiedlichen Durchmessern umfasst, und wobei die Ringabschnitte (18) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind und sich radial überlappen. Ebenso betrifft die Erfindung eine Versuchskammer umfassend ein solches Bestrahlungstarget.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Bestrahlungstarget für eine Versuchskammer eines elektrischen Triebwerks sowie eine Versuchskammer umfassend ein Bestrahlungstarget.
  • Elektrische Triebwerke werden seit einigen Jahrzehnten von verschiedenen Unternehmen und Universitäten entwickelt, zum Beispiel für die Anwendung in Raumfahrtsystemen. Hierfür umfassen die elektrostatischen und elektromagnetischen Triebwerke eine Plasmabeschleuniger-Anordnung, in denen ein Gas oder ein Treibstoff im gasförmigen Zustand ionisiert wird (Plasmaerzeugung) und anschließend durch elektrische oder elektromagnetische Felder beschleunigt wird, wodurch eine Schubkraft erzeugt wird.
  • Die hohe Energie der Ionen muss innerhalb der Versuchskammer dissipiert werden. Hierfür ist ein Kontakt mit einem Material notwendig. Durch den Kontakt kommt es an den Oberflächen zu unerwünschten Beschädigungen. Darüber hinaus steigt die Temperatur des Materials an. Beispielsweise können die Ionen beim Auftreffen auf insbesondere Metalloberflächen Sputtering-Effekte auslösen, was zu einem Materialrückwurf in Richtung Triebwerk führen und auch die Umgebungsbereiche als solche beschädigen bzw. beaufschlagen kann. Dies ist insbesondere bei Versuchsanordnungen relevant, in denen elektrische Triebwerke typischerweise innerhalb einer mit einem Vakuum beaufschlagten Versuchskammer angeordnet sind. In einem solchen Fall können die ausgestoßenen zurück gesputterten Teilchen das Triebwerk selbst, aber auch die Testinfrastruktur in Form der Versuchskammer, etwaiger Kaltflächen, Kabeln oder dergleichen beschädigen. Aus diesem Grund sind innerhalb der Versuchskammer sogenannte Bestrahlungstargets vorgesehen, auf die der Triebwerk-Ionenstrahl bewusst gerichtet wird, um die unerwünschte Sputtering-Effekte zu reduzieren. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies mit den bisher verwendeten Ansätzen nur mit einer begrenzten Zuverlässigkeit möglich ist oder einen komplexen und teuren Versuchskammeraufbau erfordert.
  • Es ist daher eine Lösung anzugeben, mit der Beschädigungen einer Versuchsumgebung von elektrischen Triebwerken zuverlässig und kostengünstig reduziert werden können.
  • Hierfür sieht die vorliegende Offenbarung ein Bestrahlungstarget für eine Versuchskammer eines elektrischen Triebwerks vor, wobei das Bestrahlungstarget eine radiale Abmessung aufweist und eine im Vergleich geringere axiale Abmessung entlang einer Längsachse, wobei das Bestrahlungstarget eine Tragestruktur und eine Mehrzahl daran angeordneter Ringabschnitte mit voneinander unterschiedlichen Durchmessern umfasst, wobei die Ringabschnitte im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind und sich radial überlappen.
  • Bei der Versuchskammer kann es sich um eine Vakuumkammer handeln. Das Bestrahlungstarget (im Folgenden auch "Target") kann gegenüberliegend zu dem Triebwerk und/oder in einem Ionen-Strahlengang des Triebwerks positionierbar sein. Es kann derart bemessen sein, dass es den sich aufweitenden Ionenstrahl vollständig auffangen kann oder, anders ausgedrückt, dass ein Durchmesser des Ionenstrahls eine bestrahlbare Fläche des Targets nicht überschreitet.
  • Die Längsachse des Targets kann im Wesentlichen konzentrisch zu dem elektrischen Triebwerk verlaufen und/oder dieses schneiden. Die Ringabschnitte können konzentrisch um die Längsachse positioniert sein. Weiterhin überlappen sich die Ringabschnitte radial, vorzugsweise entlang deren gesamten Umfangs um die Längsachse. Die radiale Überlappung kann dadurch erreicht werden, dass die Ringabschnitte jeweils Bereiche umfassen, die sich in einem gemeinsamen radialen Bereich erstrecken und dadurch zum Beispiel das axial geradlinige Hindurchtreten eines Ionenstrahls verhindern.
  • Allgemein kann die Überlappung derart gewählt sein, dass eine dem Triebwerk-Ionenstrahl zugewandte Fläche des Targets im Wesentlichen geschlossen ist und/oder kein freies axiales Hindurchtreten des Ionenstrahls ermöglicht. Andererseits ist es nicht erforderlich (aber dennoch denkbar), dass die Ringabschnitte sich kontaktieren. Ferner kann ein Gasdurchtritt durch die radialen Überlappungsbereiche der Ringabschnitte bewusst ermöglicht werden.
  • Das Target oder zumindest eine dem Triebwerk-Ionenstrahl zugewandte Fläche kann allgemein eine Kugeloberfläche approximieren und/oder allgemein konkav gewölbt sein. Gleiches gilt für die Tragestruktur, die zusätzlich oder alternativ mehrere sich vorzugsweise radial erstreckende Tragarme umfassen und/oder allgemein rahmenförmig ausgebildet sein kann. Die Tragestruktur kann an einer von dem Triebwerk-Ionenstrahl abgewandten Rückseite des Targets angeordnet sein. Allgemein kann das Target und/oder die Tragestruktur eine kreisförmige oder auch eine vieleckige Grundfläche aufweisen (z.B. achteckig).
  • In einer Weiterbildung weisen die Ringabschnitte jeweils eine Oberflächennormale auf, die sich in einem gemeinsamen Bereich schneiden, zum Beispiel im Wesentlichen in einem gemeinsamen Punkt. Der Schnittpunkt oder -bereich kann im Wesentlichen im Bereich des elektrischen Triebwerks liegen und/oder mit einem Ausgangspunkt des Triebwerk-Ionenstrahls zusammenfallen. Anders ausgedrückt können die Ringabschnitte derart angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen orthogonal zu dem auftreffenden Ionenstrahl verlaufen. Hierzu können sie den nachstehend geschilderten Neigungswinkel zur Längsachse aufweisen.
  • Allgemein können die Ringabschnitte ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. Zusätzlich oder alternativ können sie einen im Wesentlichen oder vollständig geschlossenen Umfangsbereich des Targets bilden, insbesondere von einer dem Triebwerk-Ionenstrahl zugewandten Oberfläche hiervon.
  • Gemäß einer Weiterbildung beträgt der Neigungswinkel der Ringabschnitte zu der Längsachse weniger als 40°, weniger als 30°, weniger als 20°, weniger als 10° oder weniger als 5°. In einer Variante beträgt dieser Winkel weniger als 3° oder im Wesentlichen 0°. Anders ausgedrückt können die Ringabschnitte möglichst aufrecht bezogen auf die Längsachse ausgerichtet sein. Bei einer Ausführungsform nimmt der Neigungswinkel der Ringabschnitte, die weiter von der Längsachse entfernt angeordnet sind, gegenüber den Ringabschnitten nahe oder im Bereich der Längsachse zu, und vorzugsweise kontinuierlich zu. Mit anderen Worten kann der Neigungswinkel sich von radial innen nach radial außen vergrößern.
  • Die Ringabschnitte können ein kohlenstoffhaltiges Material umfassen oder aus einem solchen bestehen, zum Beispiel pyrolytisches Graphit. Hierdurch können Sputtering-Effekte gezielt reduziert werden. Unter einem kohlenstoffhaltigen Material kann auch ein rein kohlenstoffbasiertes Material verstanden werden.
  • Die Ringabschnitte können jeweils eine vieleckige Form aufweisen und beispielsweise wenigstens fünf-, wenigstens sechs-, wenigstens sieben- oder wenigstens achteckig ausgebildet sind. Die Anzahl an Ecken kann der Anzahl an Ecken einer Grundform oder -fläche des Targets entsprechen. Sämtliche Ringabschnitte umfassen vorzugsweise die gleiche Anzahl an Ecken.
  • Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Ringabschnitte jeweils aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sind. Die Segmente können sich entlang eines Umfangsabschnitts der Ringabschnitte erstrecken und/oder einen solchen Umfangsabschnitt bilden. Anders ausgedrückt können die Segmente in Umfangsrichtung aneinandergereiht sein und/oder gemeinsam eine im Wesentlichen geschlossene Form des Ringabschnitts bilden.
  • In einer Variante sind die Ringsegmente trapezförmig ausgebildet. Dabei können sie eine parallele Unter- und Oberseite umfassen, die von zueinander geneigten Seiten verbunden sind. Die Oberseite, die weiter von der Längsachse beabstandet sein kann als die Unterseite, kann länger als die Unterseite sein. Radial nach außen betrachtet können die geneigten Seiten auseinanderlaufen bzw. voneinander weg gespreizt sein.
  • Die Anzahl der Segmente kann einer Anzahl der Eckpunkte der Ringabschnitte entsprechen. In einer Variante sind die Ringabschnitte achteckig und jeweils aus acht Segmenten zusammengesetzt. Ein Eckpunkt der Ringabschnitte kann jeweils durch einen Eckpunkt der Segmente gebildet werden.
  • Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Ringabschnitte in axial voneinander beabstandeten Positionen in der Tragestruktur des Bestrahlungstargets aufgenommen sind. Mit anderen Worten können die Ringabschnitte axial gestaffelt sein, zumindest bezüglich ihrer in der Tragestruktur aufgenommenen Bereiche. Dabei können die radial innenliegenden Ringabschnitte axial weiter innen und/oder von dem elektrischen Triebwerk weiter beabstandet positioniert sein als die radial außenliegenden Ringabschnitte.
  • Das Bestrahlungstarget kann einen Zentralabschnitt umfassen, der konzentrisch zu den Ringabschnitten angeordnet ist und mit der Längsachse überlappt. Der Zentralabschnitt kann eine geschlossene Fläche umfassen. Ein radial angrenzender Ringabschnitt kann den Zentralabschnitt umgeben und/oder in sich aufnehmen. Zusätzlich oder alternativ kann der Ringabschnitt mit dem Zentralabschnitt radial überlappen, vorzugsweise entlang dessen gesamtem Umfang.
  • In einer Variante sind die Ringabschnitte an der Tragestruktur mittels Schraubverbindungen befestigt, insbesondere wobei die Schraubverbindungen an einer dem elektrischen Triebwerk zugewandten Seite Graphitmuttern umfassen. Durch Verwenden von Graphitmuttern können unerwünschte Sputtering-Effekte weiter reduziert werden. Die Schraubverbindungen können ferner Schraubbolzen umfassen, die in die Tragestruktur eingesetzt sind.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Versuchskammer, umfassend ein Bestrahlungstarget nach einem der vorangehenden Aspekte, insbesondere wobei das Bestrahlungstarget derart angeordnet ist, dass dessen Längsachse dass elektrische Triebwerk schneidet (zum Beispiel in einem Strahlaustrittsbereich hiervon). Die Versuchskammer kann im Wesentlichen geschlossen sein und/oder sowohl das Bestrahlungstarget als auch das elektrische Triebwerk in sich aufnehmen.
  • Die Versuchskammer kann ferner wenigstens eine Vakuumpumpe umfassen, insbesondere eine Kryopumpe, die auf einer von dem elektrischen Triebwerk abgewandten Seite des Bestrahlungstargets angeordnet ist.
  • Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der hier beschriebenen Lösung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus den Figuren. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Teilschnittansicht einer Versuchskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 2
    eine seitliche Einzelteildarstellung des Bestrahlungstargets aus Figur 1;
    Fig. 3
    eine Ansicht der dem elektrischen Triebwerk zugewandten Vorderseite des Bestrahlungstargets aus Figur 1; und
    Fig. 4
    eine Ansicht der von dem elektrischen Triebwerk abgewandten Rücksei-te des Bestrahlungstargets aus Figur 1.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Merkmale sind dabei teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In Figur 1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht einer Versuchskammer 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Versuchskammer 1 ist hohlzylindrisch aufgebaut und als Vakuumkammer ausgebildet. In ihrem Innenraum ist in einem ersten Zylinderendbereich ein elektrisches Triebwerk 2 herkömmlicher Bauart angeordnet. In einem gegenüberliegenden Zylinderendbereich der Versuchskammer 1 ist ein Bestrahlungstarget 10 positioniert.
  • Das elektrische Triebwerk 2 und das Bestrahlungstarget 10 liegen einander entlang einer Zylinderlängsachse der Versuchskammer 1 gegenüber, welche auch eine Längsachse L des Bestrahlungstargets 10 bildet. Eine nicht gesondert dargestellte radiale Achse und eine entsprechende radiale Abmessungen des Bestrahlungstargets 10 erstrecken sich orthogonal zu der Längsachse L (sh. a. Figur 2). Weiterhin ist in Figur 1 ein Strahlkegel des Triebwerk-Ionenstrahls 3 angedeutet, der sich entlang der Längsachse L erstreckt und in Richtung des Bestrahlungstargets 10 aufweitet.
  • Aus Figur 1 wird eine konkav gewölbte Form der dem elektrischen Triebwerk 2 zugewandten Vorderseite des Bestrahlungstargets 10 ersichtlich. Anders ausgedrückt weist das Bestrahlungstarget 10 in einem die Längsachse L enthaltenden Schnitt betrachtet im Wesentlichen eine C-Form auf, sodass eine Kugeloberfläche approximiert wird, in deren Ursprung das Treibwerk 2 sitzt. Dies verdeutlicht sich ferner aus Figur 2, aus der auch die allgemein flache Form des Bestrahlungstargets 10 ersichtlich wird. Genauer gesagt erkennt man, dass ein Durchmesser R (oder eine Höhe) eine axiale Abmessung A (oder eine Tiefe) des Bestrahlungstargets 10 überschreitet.
  • Erfindungsgemäß und nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel beschränkt sind hierbei Überschreitungen mit mehr als einem Faktor von 2, mehr als einem Faktor von 4 oder mehr als einem Faktor von 6 vorgesehen.
  • Weiterhin erkennt man, dass das Bestrahlungstarget 10 eine in der Schnittansicht kegelförmige Tragestruktur 12 mit mehreren Radialsegmenten oder, anders ausgedrückt, radialen Tragarmen 14 aufweist (siehe ebenso Figur 1). In den Tragarmen 14 sind in regelmäßigen axialen Abständen stufenförmige Ausnehmungen 16 vorgesehen. Nicht sämtliche Tragarme 14 und Ausnehmungen 16 sind dabei mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen.
  • Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, sind in den Ausnehmungen 16 jeweils einzelne Ringabschnitte 18 aufgenommen, die konzentrisch um die Längsachse L positioniert sind. Im Bereich der Längsachse L ist ein Zentralabschnitt 20 angeordnet, der mit einer geschlossenen Grundfläche ausgebildet ist.
  • Man erkennt, dass in der gezeigten Ausführungsform vier Ringabschnitte 18 vorgesehen sind, die voneinander abweichende Außen- und Innendurchmesser aufweisen. Weiterhin sind die Ringabschnitte 18 aber auch der Zentralabschnitt 20 axial voneinander beabstandet in den Ausnehmungen 16 der Tragestruktur 14 aufgenommen. Insbesondere aus Figur 2 wird ersichtlich, dass die radial äußeren und mit größeren Durchmessern ausgebildeten Ringabschnitte 18 dabei axial weiter außen (das heißt, näher an dem elektrischen Triebwerk 2 aus Figur 1) angeordnet sind als die radial inneren und einen kleineren Durchmesser aufweisenden Ringabschnitte 18. Genauer gesagt sind die Ringabschnitte 18 derart in Tragestuktur 14 aufgenommen, dass deren Innen- und Außendurchmesser von axial innen nach außen (bzw. von in Figur 2 rechts nach links) zunehmen.
  • Aufgrund der Positionierung der Ausnehmungen 16 liegen die Ringabschnitte 18 ferner nicht aneinander an, sodass Atome zwischen benachbarten Ringabschnitten 18 hindurchtreten können (siehe insbesondere Abstände in Figur 2). Andererseits überlappen sich benachbarte Ringabschnitte 18 jeweils derart in radialer Richtung, dass sie frontal betrachtet und/oder in Verlaufsrichtung des Triebwerk-Ionenstrahls 3 betrachtet eine geschlossene Fläche bilden. Eine Rückströmung der Ionen in Längsrichtung wird durch die Überlappung der Ringabschnitte verhindert. Anders ausgedrückt bilden die Ringabschnitte 18 aufgrund ihrer radialen Überlappungen eine axial geschlossene Fläche, wobei die einzelnen Ringabschnitte 18 aufgrund ihrer Abstände zueinander durchlässig für Atome werden können. Dieser Umstand verdeutlicht sich ferner aus den Vorder- und Rückansichten des Bestrahlungstargets 10 in den Figuren 3 und 4.
  • Weiterhin wird aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, dass die Ringabschnitte 18 derart ausgerichtet sind, dass deren Oberflächennormalen N1, N2 sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Dies ist schematisch für die Oberflächennormalen N1, N2 der beiden radial äußeren Ringabschnitte 18 angedeutet, wobei in Figur 2 eine Darstellung des gemeinsamen Schnittpunktes aus Platzgründen weggelassen ist. Folglich trifft der Triebwerk-Ionenstrahl 3 im Wesentlichen orthogonal auf einen jeweiligen Ringabschnitt 18. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch Sputtering-Effekte besonders zuverlässig reduziert werden können. Diese Reduzierungen wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ferner dadurch verbessert, dass die Ringabschnitte 18 jeweils aus pyrolytischem Graphit ausgebildet sind.
  • Schließlich erkennt man in Figur 2, dass die Ringabschnitte 18 jeweils zu der Längsachse L geneigt sind. Genauer gesagt sind sie in Richtung des elektrischen Triebwerks 2 gekippt, wohingegen der Zentralabschnitt 20 im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse L verläuft. Für den radial äußeren Ringabschnitt 18 ist in Figur 2 beispielhaft ein entsprechender Neigungswinkel α zur Längsachse L eingetragen, der weniger als 30° beträgt. Insgesamt nimmt der Neigungswinkel α ausgehend von den radial inneren Ringabschnitte 18 hin zu den radial äußeren Ringabschnitten 18 kontinuierlich zu.
  • Aus der Figur 3 (dem Triebwerk 2 zugewandte Vorderseite) und der Figur 4 (von dem Triebwerk 2 abgewandte Rückseite) wird ferner der achteckige Umriss des Bestrahlungstargets 10 ersichtlich. Erneut erkennt man die radialen Tragarme 14, die ausgehend von einem mittigen Bereich des Bestrahlungstargets 10 radial nach außen zu einem jeweiligen Eckpunkt verlaufen. Nicht sämtliche der acht Tragarme 14 sind dabei mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen.
  • Weiterhin erkennt man, dass jeder Ringabschnitt 18 mehrteilig aufgebaut ist und jeweils acht trapezförmige Segmente 22 umfasst. Jedes der Segmente 22 erstreckt sich zwischen zwei Eckpunkten des Bestrahlungstargets 10 und/oder zwischen zwei benachbarten Tragarmen 14. In Figur 3 sind aus Übersichtsgründen nur die Segmente 22 des radial äußersten Ringabschnitts 18 mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen. Für ein ausgewähltes aus diesen Segmenten 22 sind ferner eine radial äußere Oberseite 24 und eine radial innere Unterseite 26 markiert, wobei die Oberseite länger als die Unterseite ist. Die Seiten 24, 26 sind durch zwei radial verlaufende Seiten 28 verbunden, die sich radial nach außen öffnen.
  • Prinzipiell ist jedes Segment 22 der jeweiligen Ringabschnitte 18 mit einer derartigen Trapezform und entsprechenden Seiten 22, 24, 26 ausgebildet, was jedoch nicht zwingend ist. Der Zentralabschnitt 20 weist hingegen im Wesentlichen eine vollständig geschlossene achteckige Form auf (siehe Figur 4). Die Segmente 22 wie auch der Zentralabschnitt 20 sind jeweils mit der Tragestruktur 14 verschraubt und weisen an der Vorderseite (Fig. 3) hierfür nicht gesondert markierte Graphitmuttern auf. An der Rückseite (Fig. 4) sind aus Fig. 2 schematisch ersichtliche Schraubbolzen vorgesehen, die dem Ionenstrahl 3 entsprechend nicht direkt ausgesetzt sind.
  • Nicht dargestellt in Figur 1 ist schließlich, dass in dem von dem elektrischen Triebwerk 1 abgewandten Rückraum des Bestrahlungstargets 10 eine Kryopumpe vorgesehen sein kann.
  • Insgesamt wird mit der gezeigten Ausführungsform ein besonders effektives Unterdrücken unerwünschter Sputtering-Effekte bei einem zuverlässigen und kostengünstigen Aufbau des Targets 10 ermöglicht. Dies wird durch Verwenden von pyrolytischem Graphit als Material für die Ringabschnitte 18 ermöglicht. Ebenso trägt hierzu die zum Ionenstrahl jeweils orthogonale Ausrichtung der Ringabschnitte 18 bei. Der Aufbau des Targets 10 wird durch Verwenden der Ringabschnitte 18 verbessert, insbesondere wenn diese segmentförmig aufgebaut sind.

Claims (13)

  1. Bestrahlungstarget (10) für eine Versuchskammer eines elektrischen Triebwerk (2),
    wobei das Bestrahlungstarget (10) eine radiale Abmessung aufweist und eine im Vergleich geringere axiale Abmessung entlang einer Längsachse (L),
    wobei das Bestrahlungstarget (10) eine Tragestruktur (14) und eine Mehrzahl daran angeordneter Ringabschnitte (18) mit voneinander unterschiedlichen Durchmessern umfasst, und
    wobei die Ringabschnitte (18) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind und sich radial überlappen.
  2. Bestrahlungstarget (10) nach Anspruch 1,
    wobei die Ringabschnitte jeweils eine Oberflächennormale aufweisen, die sich in einem gemeinsamen Bereich schneiden.
  3. Bestrahlungstarget (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei der Winkel Neigungswinkel der Ringabschnitte (18) zu der Längsachse (L) weniger als 40°, weniger als 30°, weniger als 20°, weniger als 10° oder weniger als 5° beträgt.
  4. Bestrahlungstarget (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    wobei die Ringabschnitte (18) ein kohlenstoffhaltiges Material umfassen, zum Beispiel pyrolytisches Graphit.
  5. Bestrahlungstarget (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    wobei die Ringabschnitte (18) jeweils eine vieleckige Form aufweisen und beispielweise wenigstens fünf-, wenigstens sechs-, wenigstens sieben- oder wenigstens achteckig ausgebildet sind.
  6. Bestrahlungstarget (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    wobei die Ringabschnitte (18) jeweils aus mehreren Segmenten (22) zusammengesetzt sind.
  7. Bestrahlungstarget (10) nach Anspruch 6,
    wobei die Segmente (22) trapezförmig ausgebildet sind
  8. Bestrahlungstarget (10) nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 6 oder 7,
    wobei die Anzahl der Segmente (22) einer Anzahl der Eckpunkte der Ringabschnitte (18) entspricht.
  9. Bestrahlungstarget (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    wobei die Ringabschnitte (18) in axial voneinander beabstandeten Positionen in der Tragestruktur (14) des Bestrahlungstargets (10) aufgenommen sind.
  10. Bestrahlungstarget (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    wobei das Bestrahlungstarget (10) einen Zentralabschnitt (20) umfasst, der konzentrisch zu den Ringabschnitten (18) angeordnet ist und mit der Längsachse (L) überlappt.
  11. Bestrahlungstarget (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    wobei die Ringabschnitte (18) an der Tragestruktur (14) mittels Schraubverbindungen befestigt sind, und insbesondere wobei die Schraubverbindungen an einer dem elektrischen Triebwerk (2) zugewandten Seite Graphitmuttern umfassen.
  12. Versuchskammer (1) für ein elektrisches Triebwerk (2),
    umfassend ein Bestrahlungstarget (10) nach einem der Ansprüche 1-11, insbesondere wobei Bestrahlungstarget (10) derart angeordnet ist, dass dessen Längsachse (L) das elektrische Triebwerk (2) schneidet.
  13. Versuchskammer (10) nach Anspruch 12,
    umfassend wenigstens eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Kryopumpe, die auf einer von dem elektrischen Triebwerk (2) abgewandten Seite des Bestrahlungstargets (10) angeordnet ist.
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