KR100876052B1 - 뉴트럴라이저 형태의 고주파 전자 소스 - Google Patents
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Abstract
기체 이온화를 위한 하나 이상의 기체 유입구(14)와 하나 이상의 전자 추출구(16)를 가지는 방전 챔버(11)로 구성되는, 특히 이온 스러스터(ion thruster)용의, 특히 이온 소스 뉴트럴라이저 형태의, 고주파 전자 소스(10)에 있어서,
방전 챔버(11)는 한개 이상의 전극(12a)과 한개의 키퍼 전극(12b)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 고주파 전기장이 이 전극들(12a, 12b) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10)가 공개된다.
Description
도 1은 차폐전극과 홀로음극(hollow cathode)으로 설계된 플라즈마 챔버를 가지는 한 실시예에서 본 발명에 따른 고주파 전자 소스의 도식적 구조도.
도 2는 전극들에 대해 절연된 플라즈마 챔버를 가지는 한 실시예의 도식적 구조도.
본 발명은 기체를 이온화하시키기 위한 한개 이상의 기체 유입구와 한개 이상의 전자 추출구를 가지는 방전 챔버를 포함하는, 특히 이온 스러스터(ion thruster)용의 뉴트럴라이저(neutralizer) 형태의 고주파 전자 소스에 관한 것이다.
표면 처리에서와 같이 가속된 대전 입자들이 필요한 모든 응용환경에서, 이온 광선들은 가속 후 반드시 중성화되어야 한다. 따라서, 우주과학자들은 위성이나 우주 탐사체가 로켓 운반체로부터 분리된 후 추진되게 하기 위해 전기 추진 장치를 점차 많이 이용하고 있다. 전기 추진 장치들은 오늘날 이미 사용되고 있는데, 특히 통신용 정지위성의 위치 고정에 특히 사용되고 있다. 이온 추진 장치 및 SPT 플라즈마 추진 장치들이 이러한 용도에 주로 사용된다. 두 종류 모두 가속된 이온을 분출함으로써 그 추진력을 발생시킨다. 그러나, 이온 빔들은 위성의 대전을 막기 위해 반드시 중성화되어야 한다.
이를 수행하기 위해 필요한 전자는 전자 소스로부터 제공되어, 플라스마 결합을 통해 이온 빔에 포함되어질 수 있다.
지금까지, 우주 기술진들은 이 전기 추진 장치를 중성화하기 위해 전자 방출기를 갖는 홀로음극 플라스마 브리지 뉴트럴라이저(hollow cathode plasma bridge neutralizer)를 이용해 왔다. 이 뉴트럴라이저는 음극관을 가지며, 이 음극관은, 흐름 방향에서, 중앙 구멍을 갖는 음극 디스크와, 중앙 구멍을 갖는 양극 디스크에 의해 경계지어 진다. 바륨 등의 알칼린 전이 금속이 다공성 재료에 충진되는 방식의 전자 방출기(electron emitter)가 음극관 내부에 위치한다. 음극관을 가열하는 코일형 전열 장치와 전자 방출기가 음극관 외부에 장착된다. 전자 방출기에 포함된 바륨은 전자를 방출한다. 음극 디스크와 양극 디스크 사이에 공급되는 전압은 이 전자들을 가속시킨다. 제논 등의 중성 기체가 음극관을 투과할 때, 전자가 중성 기체 원자와 충돌하여 중성 기체 원자를 이온화시켜서, 양극 디스크의 구멍을 통해 방전되는 플라즈마를 형성한다.
이러한 시스템의 단점은 전자 방출기에 포함된 방출기 물질이 흡습성(hygroscopic)이고 고온에서 산소와 반응한다는 점이다. 결과적으로, 이는 설치 이전에, 위성에 장착되는 동안, 그리고 우주공간으로의 발진 전 작동하는 동안 저장 및 보관 능력을 크게 제한한다. 이렇게 복잡하고 수명이 짧은 전자 소스의 추가적인 단점은 방출기가 작동 이전에 수 분 동안 예열되어야 한다는 점이다.
유전물질로 만들어지고 고주파 코일로 감긴 벽을 가진 플라즈마 챔버를 포함하는 이온 소스 뉴트럴라이저가 미국특허 5,198,718 호에 공개되어 있다.
이 종류의 고주파 전자 소스는 유도에 의해 생성되어 교류 자기장에 의해 유지되는 플라즈마를 통해 전자를 발생시킨다. 이 자기장은 고주파 전류가 흐르는 고주파 코일에 의해 생성된다. 플라즈마에 존재하는 전자들은 유도에 의해 가속되어, 플라즈마 내 중성 원자와 충돌할 때 중성 원자를 이온화시킬 수 있는 속도에 이른다. 이온화 중, 중성 원자로부터 한개 이상의 전자들이 떨어져나와, 동작 중인 기체 분출에 연속적인 전자 흐름을 생성한다.
이 종류의 전자 소스의 단점은 플라즈마 챔버 내에 플라즈마를 유지하는 데 필요한 에너지의 많은 부분이, 챔버 벽에 플라즈마가 충돌하여 원자와 재결합하는 고에너지 전자에 의해 상실된다는 점이다. 이 과정을 통해, 이 전자들이 손실될 뿐 아니라, 교류 자기장을 통해 전자에 의해 얻은 에너지의 많은 부분이 역시 소실된다. 덧붙이자면, 공정 챔버 벽 내의 고주파 코일은 에디 전류(Eddy current)를 유도하는데, 상기 에디 전류는 플라즈마로 방전될 수 없기 때문에, 에너지의 손실을 초래한다.
본 발명의 목적은 전자 방출기를 포함하지 않는 고주파 전자 소스를 제공하는 것이며, 이로 인해서, 가열 단계가 생략되어질 수 있고, 또한 산소 및 습기에 대하여 보호되어야 할 임의의 복잡하고, 높은 비용의 구성요소가 요구되지 않는다.
이 목적은 본 발명에 따라서, 하나 이상의 전극과 하나의 키퍼 전극(keeper electrode)으로 방전 챔버를 부분적으로, 또는 전체적으로 둘러쌈으로써, 그리고 전극들 사이에 고주파 전기장을 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 따라, 고주파 전자 소스는, 전극들 사이의 고주파 전기장에 의해 방전 챔버에 생성되는 용량성 고주파 방전에 의해, 전자를 공급하는 플라즈마가 생성되는 저온 아크 방전 과정을 이용한다. 본 발명의 목적을 위해, 전극이 방전 챔버를 둘러싸고 공동(cavity)을 형성할 필요가 없다. 전극들은 방전 챔버에 플라즈마를 점화하고 이를 유지하기에 적합하기만 하면 된다.
고주파 전자 소스의 방전은 급작스런 압력 변화에 의해 점화가능하다. 이러한 급작스런 압력 변화는 예를 들자면, 전자 소스를 통과하는 물질 흐름을 증가시킴으로써 발생될 수 있다. 이는 파센 곡선(Paschen curve) 상의 점화 전압을 최소화하며, 기체의 흐름이 시작된다. 가속된 전자는 중성 입자들로부터의 추가적인 전자들과 충돌하여, 이 중성 입자들을 이온화시킨다. 이 이온화 상태는 필요 전자를 공급하는 플라즈마를 발생시킨다.
고주파 전자 소스의 장점은 그 간단한 구조에 있다. 따라서, 가열 시스템, 전자장치, 또는 전자 방출기가 전혀 필요하지 않으며, 또한, 조립 및 동작 중 환경 조건에 대한 제약과 보관상의 제약을 없앤다. 예를 들면, 제조 후에, 고주파 전자 소스의 수명을 단축시키지 않으면서, 보통의 환경 조건 하에의 성능 테스트를 수행하는 것이 가능하다. 또한, 산소 및 잔류 습기를 제거하기 위해 별도로 정제할 필요가 없는, 제논 등의 비활성 기체나 그 외 다른 적절한 기체를 이용할 수 있다. 예열 단계 및 활성화 과정을 생략함으로써, 전자들을 빨리 얻을 수 있고, 이온 스러스터를 중화시킬 때, 전자들이 즉시 그 추진력을 제공할 수 있다.
고주파 전자 소스의 비교적 낮은 주파수에서의 동작이 가능하기 때문에, 전자측에서 높은 전기 효율을 얻을 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명에 따르는 고주파 전자 소스의 에너지 효율은 매우 높다.
방전 챔버는 플라즈마 챔버에 의해 둘러싸이는 것이 선호된다. 이로 인해, 기체 손실이 최소화될 수 있다. 특히, 전극은 플라즈마 챔버를 형성하도록 설계된다.
전극이 플라즈마 챔버를 형성하는 경우, 홀로음극(hollow cathode)으로 설계되는 것이 선호된다. 플라즈마를 내포하기 위한 최적의 형태를 형성하는 것에 덧붙여서, 이 종류의 형태는 고주파 전기장을 플라즈마에 용량성 결합시키는 것을 지원한다.
고주파 전기장은 전자 추출 방향에 대해 어떠한 방위각을 가질 수 있다. 그러나, 고주파 전기장은 추출 방향과 평행하게 놓이는 것이 바람직하다. 대안의 선호되는 실시예에 따르면, 전기장이 추출 방향에 수직으로 위치할 수도 있다.
어떠한 공명 효과도 사용될 필요가 없기 때문에, 다양한 범위의 방전 주파수를 선택할 수 있어서, 다양한 방전 주파수들을 요건에 효과적으로 부합시킬 수 있다. 그러나, 고주파 전기장의 바람직한 주파수는 100kHz 내지 50MHz이다.
고주파 전기장을 발생시키기 위해, 고주파 발생기(HF 발생기)가 전극과 키퍼 전극 사이에 삽입되는 것이 바람직하며, 이러한 목적을 위해서, 특히 RF 발생기가 바람직하며, 전극에 대한 연결은 정합망을 통해 이루어진다. 특히, 정합망은 나선형 코어 변압기이다. 이 종류의 설계로 인해, 고주파 전기장의 전기장 강도를 방전 조건에 대해 최적으로 조정할 수 있다.
플라즈마 챔버가 전극으로서 설계되는 시스템에서, 키퍼 전극을 HF(고주파) 발생기의 활성 출력으로 연결하여, 전극을 프레임 전위로 설정하는 것이 바람직하다는 사실이 입증되었다.
주변 환경으로부터의 전기적 차폐를 위해, 전극과 키퍼 전극을 차폐 전극으로 둘러싸는 것이 바람직하다.
또다른 선호되는 실시예에 따라, 고주파 발생기의 활성 출력으로 전극이 연결되고, 프레임 전위로 키퍼 전극이 설정된다. 이 경우에, 차폐 전극을 제공하는 것이 필요하지 않다.
고주파 전기 소스의 효율을 증가시키기 위해, 고주파 전기장을 공급하는 것에 추가로, 전극 사이에 직류 전압이 공급될 수 있다. 이로 인해 플라즈마 전자가 전자 소스를 빠져나오기가 보다 용이해진다.
대안의 실시예에 따라, 직류 전압이 보조 전극 사이에 공급될 수 있고, 이를 위해, 보조전극은 방전 챔버 주위에 그룹형성된다.
원칙적으로 전극들은 이 종류의 전자 소스의 요건에 부합하면서 특정 적용 환경에 부합하는 임의의 적절한 물질을 만들어질 수 있다. 그러나, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 강철(steel), 특별한 스테인레스스틸, 또는 알루미늄이나 탄탈륨같이 금속 재료로 만들어진 전극들이 선호된다. 가능한 비금속 물질로는 특히, 그래파이트, 탄소 화합물 물질, 또는 도전성 세라믹 등이 있다.
도 1은 홀로음극으로 설계되는 플라즈마 챔버를 형성하면서 방전 챔버(11)를 둘러싸는 전극(12a)을 포함하는 고주파 전자 소스(10)를 도시한다. 방전 챔버(11)는 원형 단면을 가지며, 한 측에서는 제논 등의 이온화될 동작 기체를 위한 기체 유입구(14)를 가진다. 전자를 포함한 플라즈마를 방전시키기 위한 추출구(16)가 플라즈마 챔버의 반대편에 동축으로 제공된다. 플라즈마 챔버로 설계된 전극(12a)은 키퍼 전극(12b)에 의해 부분적으로 둘러싸인다. 키퍼 전극(12b)은 차폐 전극(13)으로 추가적으로 둘러싸인다. 키퍼 전극(12b)과 차폐 전극(13)은 플라즈마 챔버의 추출구(16)와 동축으로 위치하는 구멍을 가지며, 플라즈마와 전자를 방전시킨다. 기체 유입구(14)는 차폐 전극(13)을 통과하며, 차폐 전극(13)은 플라즈마 챔버(12a)를 완전히 둘러싸게 한다. 절연을 위해, 기체 유입구(14)는 절연체(15)로 전극(12a, 13)으로부터 절연된다.
전도 영역, 특히 플라즈마 챔버로서 설계된 전극(12a)은, 이들의 주 기능인 전자의 정전기적 가두기(electrostatic confinement)를 보장하는 기능을 수행하는 것에 추가로, 특정한 조건을 만족시켜야 한다. 상기 전도 영역들은 요구되는 동작 시간 동안 과다한 품질의 손실 없이, 수명이 유지되도록 플라즈마에 저항성을 가져야 할 뿐 아니라, 고주파 전기장이 내포되는 것, 그리고 이에 따른 플라즈마가 유지되는 것을 방해해서도 안된다. 이온들은 동작 중에 계속적으로 전극(12a)과 충돌하여 부식을 일으킨다. 고주파 전자 소스의 온도는 섭씨 300~400도 사이의 범위를 가질 수 있다.
우주항공 기술 장비들은 고주파 전자 소스에 대해 상대적으로 엄격한 요건을 적용한다. 따라서, 우주항공 기술 분야의 이온 추진 장치용 뉴트럴라이저로서 고주파 전자 소스를 이용하기 위해서는 8,000~15,000 시간 사이의 동작 시간이 반드시 보장되어야 한다. 덧붙여, 고주파 전자 소스가 진공에서 동작하는데, 이는 기체가 없어지는 것을 방지하기 위해 물질이 낮은 증기압점을 가져야 한다는 것을 의미한다. 마지막으로, 고주파 전자 소스는 이러한 종류의 고주파 전자 소스를 가지는 장비를 우주공간으로 보낼 때의 발진 하중을 견뎌야 한다. 이 측면에서, 이러한 요건에 부합하는 금속 및 비금속 물질이 다수 존재한다. 이는 전도 영역, 특히 전극(12a)이 왜 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 스틸, 알루미늄, 탄탈륨, 그래파이트, 도전성 세라믹, 또는 탄소 화합물 물질로 만들어지는 지를 알려준다.
플라즈마를 생성하고자 가령 1MHz의 주파수를 가지는 고주파 전기장을 발생시키기 위해, 전극(12a)과 키퍼 전극(12b)은 RF 발생기(22)에 의해 동작되며, RF 발생기(22)는 나선형 코어 변압기(21)에 의해 공급선(21a, 21b)을 통해 전극(12a, 12b)에 연결된다. 공급선(21a), 따라서 플라즈마 챔버(12a)는 프레임 전위로 설정되고, 공급선(21b), 따라서 키퍼 전극(12b)은 RF 망의 활성 출력에 연결된다. 어떤 공명 효과도 이용되지 않기 때문에, 다양한 범위의 방전 주파수를 선택할 수 있고, 100kHz~50MHz, 심지어는 1MHz까지의 값을 설정할 수 있다. 고주파 전기장에 추가하여, 직류 전압이 공급선(21b)을 통해 키퍼 전극(12b)에 공급된다. 이로 인해 전자가 방전 플라즈마를 떠나기 용이하며, 따라서 전자 소스의 효율을 개선시킨다. 여러 다른 전극들간 전기적 절연을 보장하기 위해, 공급선(21a, 21b)은 각각 차폐 전극(13)과 키퍼 전극(12b)으로부터 추가 절연체(17)에 의해 차폐된다.
플라즈마를 점화시키기 위해, 동작 기체 제논은 기체 유입구(14)를 통해 방전 챔버(10) 내로 유입된다. 플라즈마 챔버로 설계된 전극(12a)과 키퍼 전극(12b) 사이에 고주파 전기장이 제공된다. 이 전기장은 방전 챔버(11)에 용량성으로 통합된다. 이로 인해, 동작 기체 내 열평형 상태에서 존재하는 소수의 자유 전자들이 가속되고, 따라서 고주파 전기장들로부터 충분한 에너지가 존재할 때 충격에 의해 동작 기체가 이온화된다. 이 이온화는 공정에 참여하는 2차 전자들을 발생시킨다. 전자 사태(electron avalanche)가 생성되어, 종국에는 플라즈마를 발생시킨다. 그러나, 방전 챔버(11) 내의 플라즈마는 열적 평형에 있지 않다. 왜냐하면 고주파 전기장의 거의 모든 에너지가 플라즈마 전자에 의해 흡수되기 때문이다. 플라즈마 전자의 질량이 이온의 질량보다 훨씬 작기 때문에 플라즈마 전자들이 이온보다 더 많은 에너지를 차지한다. 그 결과, 전자 온도가 이온 및 중성 입자들의 온도보다 100배정도 높다.
제논 분출 기체는 추출구(16)를 통해 외부로 빠져나간다. 현 실시예에서, 제논 분출 기체는 초음속 분출 기체(30)로 설계된다. 따라서 분출 기체(30)는 고주파 플라즈마를 외부로 이동시킨다. 거기서 플라즈마는 분출 장치를 점화하거나, 전자를 이온 빔에 포함시키기 위한 전자 소스로서 사용될 수 있다. 기체 유입구를 통해 새 동작 기체를 연속적으로 공급함으로써, 기체를 계속하여 이온화시킬 수 있고, 이로 따라, 플라즈마 일부가 제거되더라도 시스템이 평형 상태를 유지할 수 있다.
도 2는 전극(12a, 12b)을 가지는 고주파 전자 소스(10)의 도면으로서, 두 전극(12a, 12b) 사이에 교류 전기장이 제공된다. 상기 교류 전기장은 전자의 추출 방향에 수직으로 위치하며, 이 전자들은 플라즈마 분출 기체(30)에 의해 방전된다. 방전 챔버는 유전체 방전 챔버(19)에 의해 전극(12a, 12b)에 대하여 전기적으로 절연된다. 추출을 돕기 위해, 전원(23)에 의해 발생되는 직류 전압이 보조 전극(18a, 18b) 사이에 공급되고, 두 보조 전극(18a, 18b)은 서로에 대해 전기적으로 절연된다.
고주파 전자 소스의 장점은 그 간단한 구조에 있다. 따라서, 가열 시스템, 전자장치, 또는 전자 방출기가 전혀 필요하지 않으며, 또한, 조립 및 동작 중 환경 조건에 대한 제약과 보관상의 제약을 없앤다. 예를 들면, 제조 후에, 고주파 전자 소스의 수명을 단축하지 않으면서, 보통의 환경 조건 하에의 성능 테스트를 수행하는 것이 가능하다. 또한, 산소 및 잔류 습기를 제거하기 위해 별도로 정제할 필요가 없는, 제논 등의 비활성 기체나 그 외 다른 적절한 기체를 이용할 수 있다. 예열 단계 및 활성화 과정을 생략함으로써, 전자들을 빨리 얻을 수 있고, 이온 스러스터를 중화시킬 때, 전자들이 즉시 그 추진력을 제공할 수 있다.
고주파 전자 소스의 비교적 낮은 주파수에서의 동작이 가능하기 때문에, 전자측에서 높은 전기 효율을 얻을 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명에 따르는 고주파 전자 소스의 에너지 효율은 매우 높다.
어떠한 공명 효과도 사용될 필요가 없기 때문에, 다양한 범위의 방전 주파수를 선택할 수 있어서, 다양한 방전 주파수들을 요건에 효과적으로 부합시킬 수 있다. 그러나, 고주파 전기장의 바람직한 주파수는 100kHz 내지 50MHz이다.
Claims (15)
- 기체 이온화를 위한 하나 이상의 기체 유입구(14)와 하나 이상의 전자 추출구(16)를 가지는 방전 챔버(11)로 구성되는 이온 소스 뉴트럴라이저 형태의 고주파 전자 소스(10)에 있어서, 이때,상기 방전 챔버(11)는 하나 이상의 전극(12a)과 하나 이상의 키퍼 전극(12b)에 의해 둘러싸이고, 고주파 전기장이 이 전극들(12a, 12b) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 1 항에 있어서, 방전 챔버(11)가 플라즈마 챔버로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 2 항에 있어서, 플라즈마 챔버가 전극(12a)으로서 설계되는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스.
- 제 3 항에 있어서, 전극(12a)이 홀로음극(hollow cathode)으로서 설계되는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 고주파 전기장이 전자추출 방향에 평행하게 제공되는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 고주파 전기장이 전자 추출 방향에 수직으로 제공되는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 고주파 전기장이 100KHz에서 50MHz 사이의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 정합망(21)을 갖는 고주파 발생기(22)가 고주파 전기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 3 항에 있어서, 키퍼 전극(12b)이 고주파 발생기(22)의 활성 출력에 연결되고 전극(12a)이 프레임 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 9 항에 있어서, 상기 키퍼 전극(12b)이 차폐 전극(13)으로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 3 항에 있어서, 전극(12a)이 고주파 발생기(22)의 활성 출력에 연결되고, 키퍼 전극(12b)이 프레임 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 1 항에 있어서, 고주파 전기장에 부가하여 직류 전압이 전극(12a)과 키퍼 전극(12b) 사이에 공급되는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 6 항에 있어서, 전자 추출을 보조하기 위해, 그 사이에 직류 전압이 공급되는 보조 전극(18a, 18b)이 전자 추출 방향에 평행으로, 상기 방전 챔버(11) 상에 더 장착되는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 13 항에 있어서, 전극(12a), 또는 키퍼 전극(12b), 또는 보조 전극(18a, 18b)이 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 탄탈륨, 스틸(steel)의 금속 재료나, 그래파이트, 탄소 화합물, 세라믹의 비금속 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
- 제 8 항에 있어서, 상기 고주파 발생기(22)는 RF 발생기이고, 상기 정합망(21)은 나선형 코어 변압기임을 특징으로 하는 고주파 전자 소스(10).
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