RU2525442C2 - Плазменный генератор и способ управления им - Google Patents

Плазменный генератор и способ управления им Download PDF

Info

Publication number
RU2525442C2
RU2525442C2 RU2010149265/07A RU2010149265A RU2525442C2 RU 2525442 C2 RU2525442 C2 RU 2525442C2 RU 2010149265/07 A RU2010149265/07 A RU 2010149265/07A RU 2010149265 A RU2010149265 A RU 2010149265A RU 2525442 C2 RU2525442 C2 RU 2525442C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coil
plasma generator
ionization chamber
current
source
Prior art date
Application number
RU2010149265/07A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2010149265A (ru
Inventor
КАДРНОШКА Вернер
КИЛЛИНГЕР Райнер
КУКИС Ральф
ЛАЙТЕР Ханс
МЮЛЛЕР Йоханн
ШУЛЬТЕ Георг
Original Assignee
Астриум Гмбх
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
Application filed by Астриум Гмбх filed Critical Астриум Гмбх
Publication of RU2010149265A publication Critical patent/RU2010149265A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2525442C2 publication Critical patent/RU2525442C2/ru

Links

Images

Classifications

    • 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

Abstract

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к плазменным генераторам. Технический результат - сокращение потерь мощности, вызванных рекомбинацией ионов/электронов на стенках.
В заявке описан плазменный генератор, имеющий корпус, который охватывает ионизационную камеру с по меньшей мере одним имеющимся у нее выходным отверстием, по меньшей мере один входящий в ионизационную камеру подвод для подачи рабочего газа и по меньшей мере одну электрическую катушечную систему, охватывающую по меньшей мере часть ионизационной камеры и электрически соединенную с источником переменного тока высокой частоты, от которого к по меньшей мере одной катушке катушечной системы подводится переменный электрический ток высокой частоты, при этом предусмотрен еще один источник тока, от которого к по меньшей мере одной катушке катушечной системы подводится постоянный ток или переменный ток меньшей частоты, чем у переменного тока высокой частоты от его источника. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к плазменному генератору согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Изобретение относится также к способу управления плазменным генератором путем контролирования образовавшейся в плазменном генераторе плазмы с помощью высокочастотного переменного электрического или электромагнитного поля.
Уровень техники
Плазменные генераторы указанного в начале описания типа общеизвестны как ионные источники, источники электронов или плазменные источники и используются в качестве ионных источников, например, в ионных двигателях для космической техники. Под предлагаемым в изобретении плазменным генератором подразумевается высокочастотный плазменный генератор. При применении такого плазменного генератора в высокочастотном ионном двигателе подаваемый в ионизационную камеру рабочий газ (рабочая текучая среда), называемый также ионным топливом, ионизируется с помощью переменного электромагнитного поля и затем для создания тяги ускоряется в электростатическом поле системы вытягивающих решеток, предусмотренной с открытой стороны ионизационной камеры. Ионизация происходит в ионизационной камере, окруженной катушкой. В катушке протекает переменный ток высокой частоты. Такой переменный ток создает осевое магнитное поле внутри ионизационной камеры. Подобное, изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует круговое переменное электрическое поле в ионизационной камере.
Такое переменное электрическое поле ускоряет свободные электроны, которые вследствие этого могут в конечном итоге поглощать необходимую энергию для ионизации электронным ударом. Таким путем ионизируются атомы ионного топлива. Ионы либо ускоряются в системе вытягивающих решеток, либо рекомбинируют с электронами на стенках ионизационной камеры. Высвобождающиеся электроны либо ускоряются в поле, либо могут со своей стороны поглощать необходимую для ионизации энергию, либо набегают на стенки ионизационной камеры и рекомбинируют на них.
В принципе поток ионов, созданный в ионном источнике, можно использовать для передачи определенной энергии для протекания различных процессов, а при использовании ионного источника в качестве ионного двигателя ускорение ионов используют для создания тяги по принципу реактивного движения.
В обычных ионных источниках, прежде всего в обычных ионных двигателях, лишь небольшое количество ионов достигает систему вытягивающих решеток, тогда как преобладающая часть образовавшихся ионов рекомбинирует на стенках ионизационной камеры. Лишь те ионы, которые достигают систему вытягивающих решеток, доступны для создания тяги, если речь идет о применении ионного источника в качестве ионного двигателя, либо доступны для использования в других процессах, если речь идет о применении ионного источника в качестве ионного источника общего назначения. До настоящего времени для подобного применения ионов, образуемых в ионном источнике общего назначения, соответственно в ионном двигателе, удавалось использовать лишь примерно от 5 до 20% от всей подводимой электрической мощности. Остальная подводимая электрическая мощность большей частью превращается в результате рекомбинации ионов на стенках ионизационной камеры в тепло и излучение. Для образования одного иона требуется минимальная энергия ионизации Wi. При рекомбинации на стенках ионизационной камеры энергия ионизации Wi выделяется в виде тепла и излучения и поэтому не доступна ни для дальнейшей ионизации, ни для полезного применения в результате ускорения ионов в вытягивающей решетке. Тем самым рекомбинация на стенках ионизационной камеры является наиболее значительным фактором потерь при высокочастотной ионизации.
Краткое изложение сущности изобретения
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать плазменный генератор указанного в начале описания типа таким образом, чтобы значительно сократить потери мощности, обусловленные рекомбинацией ионов и/или электронов на стенках ионизационной камеры.
Указанная задача решается с помощью плазменного генератора с отличительными признаками, представленными в п.1 формулы изобретения.
Согласно изобретению при этом дополнительно к известному источнику переменного тока высокой частоты предусмотрен еще один источник тока или напряжения, от которого к по меньшей мере одной катушке катушечной системы подводится постоянный ток или переменный ток меньшей частоты, чем у переменного тока высокой частоты от его источника. Дополнительно подводимый таким путем к катушечной системе постоянный ток, соответственно переменный ток меньшей частоты, накладывает на высокочастотное переменное магнитное поле постоянное магнитное поле или по меньшей мере переменное магнитное поле меньшей частоты. Хотя в настоящем описании рассматривается добавление источников тока, однако вместо них можно также использовать источники напряжения.
На движущиеся носители зарядов в магнитном поле действует сила Лоренца
F=q(v×B),
где q обозначает заряд частицы, v обозначает ее скорость, а В обозначает магнитную индукцию. Наложение постоянного тока на переменное магнитное поле или же наложение переменного тока меньшей частоты на высокочастотное переменное электромагнитное поле приводит к тому, что носители зарядов (электроны и ионы) начинают принудительно перемещаться в магнитном поле в катушке, а тем самым и в ионизационной камере по круговым, соответственно спиральным, траекториям. Подобное движение электронов в магнитном поле по круговой, соответственно спиральной, траектории приводит к ограничению их движения в направлении стенок ионизационной камеры (так называемое "удержание" электронов). Поскольку движение электронов и ионов изнутри ионизационной камеры к ее стенкам и к системе вытягивающих решеток происходит амбиполярно, соответственно сокращается и поток ионов к стенкам ионизационной камеры. В результате при работе предлагаемого в изобретении плазменного генератора существенно снижается вероятность столкновения носителей зарядов со стенками ионизационной камеры, а тем самым и вероятность рекомбинации ионов и/или электронов на стенках ионизационной камеры. Ионы, которые перемещаются в заданном направлении, которым в ионном двигателе является параллельное его продольной оси направление в сторону системы вытягивающих решеток, движутся параллельно силовым линиям магнитного поля и на своем движении в этом направлении не встречают никаких препятствий со стороны дополнительно наложенного постоянного магнитного поля, соответственно переменного магнитного поля меньшей частоты.
Постоянный ток, соответственно переменный ток меньшей частоты, накладываемый на протекающий через катушечную систему переменный ток высокой частоты, следует выбирать такой величины, которой достаточно для создания магнитного поля требуемой величины в ионизационной камере. Газ внутри ионного источника, т.е. в ионизационной камере, представляет собой плазму. При воздействии на плазму неоднородного магнитного поля она движется в направлении ослабления магнитного поля (градиентный дрейф). При этом при выполнении катушечной системы соответствующей геометрической формы можно интенсифицировать перемещение носителей зарядов в плазме в результате градиентного дрейфа в заданном направлении, например в направлении системы вытягивающих решеток.
Тем самым изобретение позволяет сократить потери на стенках ионизационной камеры плазменных генераторов, таких как ионные источники, прежде всего ионные двигатели, без необходимости внесения изменений в основную конструкцию уже известных ионных источников, соответственно ионных двигателей. Помимо этого изобретение можно применять для управления распределением плотности плазмы в ионизационной камере. Изобретение при соответствующем выполнении ионизационной камеры и катушечной системы можно также использовать для минимизации потерь на стенках ионизационной камеры. Кроме того, в предлагаемом в изобретении плазменном генераторе можно при соответствующем выполнении ионизационной камеры и катушечной системы оптимизировать гомогенность плазмы в ионизационной камере. Изобретение можно также использовать для повышения плотности плазмы в требуемых зонах ионизационной камеры. Вместе с тем изобретение можно использовать и для увеличения потока электронов из их источника.
Различные предпочтительные варианты выполнения предлагаемого в изобретении плазменного генератора представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Предлагаемый в изобретении плазменный генератор может быть выполнен в виде плазменного источника, источника электронов или ионного источника.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения в зоне выходного отверстия ионизационной камеры предусмотрен ускоритель образовавшихся в ней электронов.
Такой ускоритель, который при выполнении предлагаемого в изобретении плазменного генератора в виде ионного источника в предпочтительном варианте имеет электрически положительно заряженную решетку и расположенную за ней в направлении выхода ионов из ионизационной камеры отрицательно заряженную решетку, предназначен для ускорения образующихся в ионизационной камере ионов в перпендикулярном плоскости решеток направлении выхода ионов из ионизационной камеры и тем самым для обеспечения их истечения из ионного источника в виде реактивной струи. Решетки образуют систему вытягивающих решеток. При выполнении предлагаемого в изобретении плазменного генератора в виде источника электронов порядок расположения решеток, а тем самым и их полярность изменяются на обратные.
Подобный ионный источник в предпочтительном варианте является компонентом ионного двигателя.
В еще одном предпочтительном варианте в направлении выхода потока ионов из ионизационной камеры за ней предусмотрен инжектор электронов, который направлен на поток ионов и предназначен для его нейтрализации и который предпочтительно имеет полый катод. Подобная нейтрализация потока ионов позволяет предотвратить статическую электризацию ионного источника соответственно соединенного с ним устройства.
В другом варианте выполнения предлагаемого в изобретении ионного источника предусмотрена магнитная система, охватывающая ионизационную камеру.
В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемый в нем плазменный генератор отличается тем, что катушечная система имеет высокочастотную катушку, которая для подвода к ней переменного тока высокой частоты подключена к электрическому переменному напряжению высокой частоты и непосредственно к которой при этом также подводится создаваемый постоянным напряжением постоянный ток.
В предпочтительном варианте постоянный ток можно при этом подводить к высокочастотной катушке в месте, отличном от места подвода к ней переменного тока высокой частоты.
В другом варианте постоянный ток можно подводить к запитываемой постоянным током катушке, расположенной параллельно высокочастотной катушке.
Предпочтительно при этом предусмотреть возможность регулирования постоянного тока, предусмотрев для этого регулятор, регулирующий постоянный ток, например, пропорционально выходящему из ионизационной камеры потоку ионов.
Касающаяся способа часть положенной в основу изобретения задачи решается с помощью способа, отличительные признаки которого представлены в п.15 формулы изобретения. При осуществлении такого способа на плазму дополнительно к воздействию высокочастотным переменным электромагнитным полем воздействуют постоянным электромагнитным полем. Вместо постоянного электромагнитного поля на плазму можно также воздействовать переменным электромагнитным полем меньшей частоты по сравнению с частотой высокочастотного переменного электромагнитного поля.
Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения с описанием дополнительных деталей его реализации и других преимуществ более подробно рассмотрены ниже со ссылкой на прилагаемые к описанию графические материалы.
Краткое описание графических материалов
На фиг.1 схематично в продольном разрезе показан ионный двигатель.
На фиг.2 показана электрическая схема электропитания плазменного генератора, выполненного в виде ионного источника, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 показана электрическая схема электропитания плазменного генератора, выполненного в виде ионного источника, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.4 показана электрическая схема электропитания плазменного генератора, выполненного в виде ионного источника, в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 показана электрическая схема электропитания плазменного генератора, выполненного в виде ионного источника, в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.6 показана электрическая схема электропитания плазменного генератора, выполненного в виде ионного источника, в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.7А показана электрическая схема катушечной системы для предлагаемого в изобретении плазменного генератора в виде источника электронов или ионного источника с наружной катушкой.
На фиг.7Б показана электрическая схема катушечной системы для предлагаемого в изобретении плазменного генератора в виде источника электронов или ионного источника с внутренней катушкой.
На фиг.8А схематично показан предлагаемый в изобретении плазменный генератор в виде плазменного источника.
На фиг.8Б схематично показан предлагаемый в изобретении плазменный генератор в виде плазменного источника для проведения плазмохимических процессов.
На фиг.9 показаны графики, отражающие изменение тока катушки, индуцированного магнитного потока и электрического поля во времени в предлагаемом в изобретении плазменном генераторе.
На фиг.10 показан график, отражающий изменение тока катушки при наложении постоянного тока.
На фиг.11 показаны графики, отражающие изменение магнитного потока, индуцированного при наложенном постоянном токе.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 схематично в продольном разрезе показан ионный двигатель 1 с плазменным генератором, выполненным в виде ионного источника 2. Ионный источник 2 имеет выполненный из неэлектропроводного материала корпус 20 со стенкой 22.
Корпус 20 имеет чашевидную форму и имеет расположенное с правой на фиг.1 стороны отверстие, которое образует выходное отверстие 21. Корпус 20 имеет в основном многогранную или вращательно-симметричную относительно продольной оси Х форму. В зоне выходного отверстия 21 корпус 20 имеет первую цилиндрическую часть 23 большего диаметра. С обращенной в направлении оси Х от выходного отверстия 21 стороны корпус имеет расположенное перпендикулярно оси Х дно 24. Наружный диаметр дна 24 корпуса меньше диаметра его первой цилиндрической части 23. Ко дну 24 корпуса примыкает его вторая цилиндрическая часть 25, диаметр которой также меньше диаметра первой цилиндрической части 23 корпуса. Обе цилиндрические части 23 и 25 корпуса соединены между собой его конической частью 26. Корпус 20 может иметь в продольном разрезе и иную форму, например коническую, цилиндрическую или полуэллиптическую.
В дне 24 корпуса в зоне оси Х выполнено центральное отверстие 27, через которое снаружи в осевом направлении пропущена труба 3. Такая труба 3 открывается внутри корпуса 20 ионного источника 2. Снаружи ионного источника 2 труба 3 соединена с (не показанным на чертеже) источником рабочего газа таким образом, что его можно подавать (не показанным на чертеже) подающим устройством по трубе 3 внутрь ионного источника 2. Труба 3, таким образом, образует подвод 30 для подачи рабочего газа в ионный источник.
Корпус 20 ионного источника 2 в своей первой цилиндрической части 23 окружен катушечными обмотками 40 электрической катушечной системы 4.
Тем самым внутри корпуса 20 ионного источника 2 описанной выше конструкции образована ионизационная камера 5. Перед выходным отверстием 21 корпуса 20 предусмотрена система 6 вытягивающих решеток, одной из которых является ближняя к выходному отверстию 21, электрически положительно заряженная решетка 60, а другой - дальняя от выходного отверстия 21, электрически отрицательно заряженная решетка 62. При работе ионного источника 2 ионы могут выходить наружу через систему 6 вытягивающих решеток параллельно оси Х (вправо на фиг.1) в виде потока 8 ионов, о чем более подробно сказано ниже.
Снаружи корпуса 20 ионного источника 2 вблизи выходного отверстия 21 и системы 6 вытягивающих решеток предусмотрен инжектор 7 электронов, который выполнен в виде полого катода и подсоединен к расходной емкости с запасом рабочего газа. Инжектор 7 электронов позволяет инжектировать их в выходящий из ионного источника 2 поток 8 ионов с целью его электрической нейтрализации таким путем.
При работе ионного источника 2 рабочий газ, например газообразный ксенон, вводится через предназначенный для его подачи подвод 30 в ионизационную камеру 5 ионного источника 2. При приложении электрического переменного напряжения высокой частоты к высокочастотной катушке катушечной системы 4 внутри ионизационной камеры 5 образуется плазма, для чего электроны сталкивают с атомами для образования ионов. Ионы, которые под действием приложенного катушечной системой 4 переменного электрического поля перемещаются параллельно продольной оси Х в направлении выходного отверстия 21, ускоряются в системе 6 вытягивающих решеток и в виде потока 8 ионов выходят с высокой скоростью из ионного источника 2, на который вследствие этого действует тяга в виде реактивной силы выходящих ионов.
Газ внутри корпуса 20 ионного источника 2, т.е. в ионизационной камере 5, представляет собой плазму. При воздействии на плазму неоднородным магнитным полем она перемещается в направлении ослабления магнитного поля, что называют "градиентным дрейфом". При выполнении катушек в катушечной системе 4 соответствующей геометрической формы можно интенсифицировать перемещение носителей зарядов в плазме в результате градиентного дрейфа в направлении выходного отверстия 21, т.е. в направлении системы 6 вытягивающих решеток.
С этой целью к высокочастотной катушке катушечной системы 4 подводят переменный ток высокой частоты. Помимо этого в таком ионном источнике к колебательному контуру, состоящему из высокочастотной катушки и генератора тока высокой частоты в качестве источника переменного тока, подводится постоянный ток. Сила постоянного тока регулируется соответствующими управляющими устройствами соответствующего источника постоянного тока. Электрическая цепь, содержащая источник постоянного тока, защищена от высокочастотных составляющих тока пригодными для этой цели фильтрами. Подобные фильтры известным образом образованы контуром из по меньшей мере одной катушки и по меньшей мере одного конденсатора. В другом варианте можно также использовать генератор, который наряду с переменным током является также источником тока с постоянной составляющей.
На фиг.2 показана электрическая схема, содержащая обозначенную буквой "S" электрическую катушечную систему 4, а также обозначенный через "АС" источник переменного тока высокой частоты и обозначенный через "DC" источник постоянного тока. Помимо этого электрическая схемы содержит два контура N1 и N2 на входе и на выходе катушечной обмотки 40. В катушке катушечной системы S протекает ток I, который имеет периодически изменяющуюся переменную составляющую от источника АС переменного тока высокой частоты и постоянную или слабо изменяющуюся составляющую от источника DC постоянного тока. Источник АС переменного тока имеет генератор в качестве источника переменной составляющей тока, а источник DC постоянного тока выполнен модулируемым и генерирует постоянную или слабо изменяющуюся составляющую протекающего в катушке тока I. Контуры N1 и N2 блокируют постоянные составляющие напряжения по отношению к источнику АС переменного тока и переменные составляющие напряжения по отношению к источнику DC постоянного тока. С этой целью в контурах N1 и N2 можно использовать соответствующие резистивные (R-), емкостные (С-) или индуктивные (L-) контуры.
Вместо показанной на фиг.2 схемы согласно фиг.3 можно пропускать постоянный или слабо изменяющийся ток не через всю катушечную обмотку, а только через отдельные витки или через часть всей катушечной обмотки, при этом речь не обязательно должна идти о полных витках.
В показанном на фиг.4 другом варианте предусмотрен усилитель AMP, служащий источником пропускаемого через катушку тока и управляемый генератором переменного тока (источник АС переменного тока), генерирующим периодический сигнал (переменная составляющая тока I), и генератором постоянного тока (источник DC постоянного тока), генерирующим постоянную или слабо изменяющуюся составляющую тока I. Под усилителем AMP может подразумеваться так называемый усилитель класса А или класса АВ.
На фиг.5 показан еще один альтернативный вариант. В этом варианте катушка катушечной системы S управляется генератором AC/DC, постоянная составляющая генерируемого которым тока не блокируется по отношению к переменной составляющей тока. В идеальном случае постоянная составляющая тока является управляемой или регулируемой.
В показанном на фиг.6 еще одном альтернативном варианте катушечная система S наряду с катушкой S1, соединенной с источником АС переменного тока высокой частоты имеет отдельную катушку S2, запитываемую постоянным или слабо изменяющимся током от источника DC постоянного тока. При этом источник DC постоянного тока защищен предусмотренными на входе и на выходе катушки S2 контурами N1 и N2 от тока, индуцируемого катушкой S1 в цепи переменного тока. Вместо одной катушки в цепи переменного тока может быть также предусмотрено несколько катушек. Равным образом и в цепи постоянного тока вместо одной катушки S2 может быть предусмотрено несколько катушек.
Для взаимного наложения переменного тока высокой частоты в катушечной системе S и постоянного или слабо изменяющегося тока (переменного тока меньшей частоты) ионный источник 1' можно выполнить в виде ионного источника с наружной катушкой, соответственно с наружными катушками, как это схематично показано на фиг.7А. Однако, как показано на фиг.7Б, ионный источник 1" можно также выполнить с одной или несколькими внутренними катушками. Ионный источник 1', выполненный по показанному на фиг.7А варианту, снабжен двумя катушками S2 и S2, при этом катушка S1 имеет отвод А1, через который к катушке S1 можно частично подводить накладываемый ток. На фиг.7А дополнительно к катушечной системе S показана также система G вытягивающих решеток.
В показанном на фиг.7Б варианте также предусмотрены две катушки S1 и S2, и дополнительно предусмотрена третья катушка S3. Ионный источник 1", схематично показанный на фиг.7Б, также снабжен системой G вытягивающих решеток.
Плазменные генераторы, схематично показанные на фиг.7А и 7Б, можно использовать в ионных двигателях с системой вытягивающих решеток, из которых ближняя к ионизационной камере первая решетка G1 заряжена положительно, а вторая решетка G2 заряжена отрицательно, в источниках электронов с системой вытягивающих решеток, из которых ближняя к ионизационной камере первая решетка G1 заряжена отрицательно, а вторая решетка G2 заряжена положительно, в источниках электронов без системы вытягивающих решеток или в источниках электронов, испускающих электроны посредством плазменного мостика. В принципе в ионизационную камеру можно также помещать субстраты Т.
Показанные на чертежах плазменные генераторы можно также использовать в плазменном источнике, в который подается рабочий газ А и из которого выходит смесь С из ионов, электронов и нейтральных частиц (плазмы), как это условно показано на фиг.8А. На выходе для смеси С может также образовываться плазменный мостик. Плазма может также выходить под повышенным давлением и образовывать плазменную струю.
Как условно показано на фиг.8Б, в плазменный генератор можно также подавать несколько рабочих газов А, В,…, N. В этом случае в ионизационной камере происходят плазмохимические процессы, образующийся в результате которых требуемый продукт R реакции можно отбирать в приемлемом месте Y плазменного генератора или непосредственно подвергать взаимодействию с предусмотренным в плазменном источнике субстратом Т.
На фиг.9-11 в виде синусоид показаны графики изменения тока I(t), магнитной индукции B(t) и напряженности E(t) индуцированного электрического поля во времени. Указанные графики представлены в виде синусоид лишь в качестве примера и в принципе могут иметь вид любой иной периодической функции.
На фиг.9 показаны график временного изменения переменного тока I(t), протекающего в катушке катушечной системы 4, а также графики временного изменения индуцированного этим током магнитного потока B(t) и приложенного к плазменному генератору электрического поля E(t). При этом график изменения тока I(t) изображен сплошной линией, график временного изменения магнитной индукции B(t) изображен пунктирной линией, а график изменения электрической напряженности E(t) электрического поля изображен штрихпунктирной линий. Графики, показанные на фиг.9, соответствуют состоянию без дополнительного наложения постоянного тока.
На фиг.10 показаны три временных диаграммы тока при наложении на протекающий в катушке переменный ток I(t)=I0sin(wt) слабого постоянного тока I1 и в другом варианте - при наложении постоянного тока I2 большей силы. В результате график временного изменения переменного тока смещается в сторону положительной области значений тока, соответственно полностью смещается в нее. Вместо постоянного тока на переменный ток можно также накладывать слабо изменяющийся ток, т.е. постоянный ток с меньшей частотой, чем у переменного тока I(t) высокой частоты. Постоянный, соответственно слабо изменяющийся, ток, накладываемый на переменный ток, можно пропускать либо через всю катушку, либо лишь через часть ее витков.
На фиг.11 показаны графики изменения магнитного потока, индуцируемого при протекании тока в катушке, изменяющегося в соответствии с тремя представленными на фиг.10 примерами. Очевидно, что и в этом случае в результате наложения постоянного тока I1 график изменения магнитного потока B(t)=B0sin(wt) смещается параллельно себе на постоянную величину магнитного потока B1 в область положительных значений. Аналогичным образом полностью в область положительных значений параллельно себе смещается и график из третьего примера в результате того, что на переменное магнитное поле B0sin(wt) из-за наложения постоянного тока I2 большей силы накладывается соответственно большая постоянная величина магнитного потока В2. Тем самым наложение постоянной составляющей тока приводит к созданию дополнительного магнитного потока. Как следует из приведенных на фиг.10 и 11 графиков, на соотношение между интервалами времени с отрицательным и положительным направлениями магнитного потока можно влиять путем соответствующего выбора силы дополнительно подводимого постоянного тока и таким путем можно подавлять инверсию знака магнитного потока. Равным образом возможно также создание высокой по сравнению с амплитудой периодического изменения магнитного потока магнитной индукции. Помимо этого такую магнитную индукцию можно целенаправленно согласовывать с параметрами плазмы (частотой электронного циклотронного и ионного циклотронного резонанса). Индуцированное электрическое поле E(t) остается без влияния при дополнительном наложении постоянного тока и при обусловленном этим дополнительном наложении постоянного магнитного потока.
Основная идея настоящего изобретения заключается, таким образом, в наложении переменного тока в высокочастотной катушке катушечной системы 4 плазменного генератора, например источника электронов, плазменного источника, ионного источника или ионного двигателя. Таким путем в результате магнитного удержания электронов в ионизационной камере удается сократить потери на ее стенках. Указанным удержанием электронов в ионизационной камере можно также управлять в функции времени. Магнитное удержание электронов в ионизационной камере можно, кроме того, использовать для контроля распределения плотности плазмы в ионизационной камере или для управления распределением плотности плазмы в ионизационной камере. В этом случае магнитным удержанием электронов также можно управлять в функции времени для управления распределением плотности плазмы в зависимости от времени.
Переменный ток высокой частоты и постоянный ток в предпочтительном варианте можно подводить непосредственно к высокочастотной катушке катушечной системы 4, подводя тем самым переменный ток и постоянный ток к одной и той же катушке. Высокочастотная катушка может быть выполнена одно- или многослойной. Катушка может быть выполнена с ответвлением от ее средней точки или с отдельным(-и) отводом(-ами) для двухстороннего заземления выводов, при этом обмотки имеют встречное направление их намотки. Постоянный ток можно подводить через ответвление, и в данном случае постоянный ток будет протекать в катушке лишь через часть ее витков.
В другом варианте постоянный ток можно подводить не к высокочастотной катушке, а к катушке бифилярной намотки, расположенной соответствующим образом параллельно высокочастотной катушке. Число витков у запитываемой постоянным током катушки может быть таким же, что и у высокочастотной катушки, либо может быть меньше или больше, чем у нее. Высокочастотная катушка может иметь одну или несколько точек подвода к ней тока. Постоянный ток можно при этом подводить от одного или нескольких его источников, а в последнем случае, т.е. при использовании нескольких источников постоянного тока, от каждого из них к катушке, соответственно к ее виткам может подводиться ток либо одинаковой, либо разной силы.
Вся катушечная система в предпочтительном варианте выполнена таким образом, что исключается взаимное влияние подводимого переменного тока высокой частоты и подводимого постоянного тока. Переменный ток высокой частоты можно подводить с использованием системы фазовой автоподстройки частоты. Запитываемая переменным током высокой частоты катушка может представлять собой часть последовательного или параллельного резонансного контура.
Высокочастотная катушка и/или запитываемая постоянным током катушка могут/может быть расположены/расположена снаружи или же внутри корпуса 20 плазменного генератора. Корпус плазменного генератора может иметь цилиндрическую, коническую или любую иную форму.
Для оптимального распределения магнитного поля катушка вместо цилиндрической может также иметь любую другую форму. Так, например, шаг намотки витков катушки может быть неравномерным. Витки могут также располагаться на разных расстояниях друг от друга. Виток может иметь, например, меандрообразную форму. Катушка позволяет создавать кольцевое поле (остроконечное поле) или многополюсное поле. Выполнение высокочастотной катушки со множеством распределенных вдоль нее точек подвода к ней тока позволяет также любым образом распределять магнитное поле.
Для оптимального согласования магнитного поля можно предусмотреть управление постоянным током или его регулирование, например, в ионном источнике или ионном двигателе соответственно выходящему потоку ионов, который в ионном двигателе пропорционален его тяге.
Ссылочные обозначения, используемые в формуле изобретения, в описании и на чертежах, предназначены исключительно для более наглядного пояснения сущности изобретения и не ограничивают его объем.

Claims (12)

1. Плазменный генератор, имеющий корпус (20), который охватывает ионизационную камеру (5) с по меньшей мере одним имеющимся у нее выходным отверстием (21), по меньшей мере один входящий в ионизационную камеру (5) подвод (30) для подачи рабочего газа и по меньшей мере одну электрическую катушечную систему (4), охватывающую по меньшей мере часть ионизационной камеры (5) и электрически соединенную с источником (АС) переменного тока высокой частоты, от которого к по меньшей мере одной катушке катушечной системы (4) подводится переменный электрический ток высокой частоты, и еще один источник (DC) тока, от которого к по меньшей мере одной катушке катушечной системы (4) подводится постоянный ток или переменный ток меньшей частоты, чем у переменного тока высокой частоты от его источника (АС), отличающийся тем,что катушечная система (4) имеет, по меньшей мере одну высокочастотную катушку, непосредственно к которой также проводится постоянный ток или переменный ток меньшей частоты, чем у переменного тока высокой частоты от его источника (АС), в месте, отличном от места подвода к ней переменного тока высокой частоты, или имеет, по меньшей мере, одну высокочастотную катушку и по меньшей мере одну расположенную параллельно ей запитываемую постоянным током катушку, к которой подводится постоянный ток.
2. Плазменный генератор по п.1, отличающийся тем, что в зоне выходного отверстия (21) ионизационной камеры (5) предусмотрен ускоритель образовавшихся в ней электронов.
3. Плазменный генератор по п.2, отличающийся тем, что он выполнен в виде источника электронов.
4. Плазменный генератор по п.1, отличающийся тем, что в зоне выходного отверстия (21) ионизационной камеры предусмотрен ускоритель (6) образовавшихся в ней ионов.
5. Плазменный генератор по п.4, отличающийся тем, что он выполнен в виде ионного источника.
6. Плазменный генератор по п.4, отличающийся тем, что ускоритель (6) имеет электрически положительно заряженную решетку (60) и расположенную за ней в направлении выхода ионов из ионизационной камеры (5) отрицательно заряженную решетку (62).
7. Плазменный генератор по п.6, отличающийся тем, что ионный источник образует ионный двигатель.
8. Плазменный генератор по пп.4, 6 или 7, отличающийся тем, что в направлении выхода потока ионов из ионизационной камеры (5) за ней предусмотрен инжектор (7) электронов, который направлен на поток ионов и предназначен для его нейтрализации и который предпочтительно имеет полый катод.
9. Плазменный генератор по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что в нем предусмотрена магнитная система, охватывающая ионизационную камеру (5).
10. Плазменный генератор по п.8, отличающийся тем, что в нем предусмотрена магнитная система, охватывающая ионизационную камеру (5).
11. Плазменный генератор по п.1, отличающийся тем, что предусмотрен регулятор постоянного тока, регулирующий его пропорционально выходящему из ионизационной камеры (5) потоку ионов.
12. Способ управления плазменным генератором по одному из пп.1-11 путем приведения в движение образовавшейся в плазменном генераторе плазмы высокочастотным переменным электрическим или электромагнитным полем, отличающийся тем, что на плазму дополнительно к воздействию высокочастотным переменным электромагнитным полем воздействуют постоянным электромагнитным полем.
RU2010149265/07A 2008-05-05 2009-04-29 Плазменный генератор и способ управления им RU2525442C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008022181.3A DE102008022181B4 (de) 2008-05-05 2008-05-05 Ionentriebwerk
DE102008022181.3 2008-05-05
PCT/DE2009/000615 WO2009135471A1 (de) 2008-05-05 2009-04-29 Plasmaerzeuger und verfahren zum steuern eines plasmaerzeugers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010149265A RU2010149265A (ru) 2012-06-27
RU2525442C2 true RU2525442C2 (ru) 2014-08-10

Family

ID=41129275

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010149265/07A RU2525442C2 (ru) 2008-05-05 2009-04-29 Плазменный генератор и способ управления им

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8786192B2 (ru)
EP (1) EP2277188B1 (ru)
JP (2) JP2011522357A (ru)
KR (1) KR101360684B1 (ru)
DE (1) DE102008022181B4 (ru)
RU (1) RU2525442C2 (ru)
WO (1) WO2009135471A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2578192C2 (ru) * 2014-10-06 2016-03-27 Геннадий Леонидович Багич Способ излучения энергии и устройство для его осуществления (плазменный излучатель)
RU177495U1 (ru) * 2017-06-27 2018-02-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ТГАСУ) Устройство для объемно-термической плазменной обработки деревянных изделий

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008058212B4 (de) 2008-11-19 2011-07-07 Astrium GmbH, 81667 Ionenantrieb für ein Raumfahrzeug
JP5950715B2 (ja) * 2012-06-22 2016-07-13 三菱電機株式会社 電源装置
US20140360670A1 (en) * 2013-06-05 2014-12-11 Tokyo Electron Limited Processing system for non-ambipolar electron plasma (nep) treatment of a substrate with sheath potential
WO2018026786A1 (en) * 2016-08-01 2018-02-08 Georgia Tech Research Corporation Deployable gridded ion thruster
US11205562B2 (en) 2018-10-25 2021-12-21 Tokyo Electron Limited Hybrid electron beam and RF plasma system for controlled content of radicals and ions

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0169744A2 (en) * 1984-07-26 1986-01-29 United Kingdom Atomic Energy Authority Ion source
RU2151438C1 (ru) * 1999-09-23 2000-06-20 Бугров Глеб Эльмирович Плазменный источник ионов с ленточным пучком (варианты)
US6378290B1 (en) * 1999-10-07 2002-04-30 Astrium Gmbh High-frequency ion source
RU2196395C1 (ru) * 2001-05-30 2003-01-10 Александров Андрей Федорович Плазменный реактор и устройство для генерации плазмы (варианты)
WO2008009898A1 (en) * 2006-07-20 2008-01-24 Aviza Technology Limited Ion sources

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3345820A (en) * 1965-10-19 1967-10-10 Hugh L Dryden Electron bombardment ion engine
DE2633778C3 (de) * 1976-07-28 1981-12-24 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Ionentriebwerk
DE3130908A1 (de) * 1981-08-05 1983-03-10 Horst Dipl.-Ing. 5100 Aachen Müller "plasma-reaktor"
FR2550681B1 (fr) * 1983-08-12 1985-12-06 Centre Nat Rech Scient Source d'ions a au moins deux chambres d'ionisation, en particulier pour la formation de faisceaux d'ions chimiquement reactifs
GB8419039D0 (en) * 1984-07-26 1984-08-30 Atomic Energy Authority Uk Ion source
JPH0746585B2 (ja) * 1985-05-24 1995-05-17 株式会社日立製作所 イオンビーム装置およびイオンビーム形成方法
JPS6263180A (ja) * 1985-09-13 1987-03-19 Toshiba Corp Ｒｆ型イオン源
JPS62140399A (ja) * 1985-12-13 1987-06-23 三菱重工業株式会社 プラズマ加速型核融合装置
JPS62174578A (ja) * 1986-01-28 1987-07-31 Toshiba Corp 高周波型イオン・スラスタ
JPH07101029B2 (ja) * 1986-01-30 1995-11-01 株式会社東芝 Ｒｆ型イオン・スラスタ
DE3826432A1 (de) 1987-02-04 1989-01-05 Lsg Loet Und Schweissgeraete G Hochfrequenzplasma- und ionenquelle fuer einen kontinuierlichen betrieb
DE3708716C2 (de) * 1987-03-18 1993-11-04 Hans Prof Dr Rer Nat Oechsner Hochfrequenz-ionenquelle
DE4235064A1 (de) 1992-10-17 1994-04-21 Leybold Ag Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas mittels Kathodenzerstäubung
US5858477A (en) * 1996-12-10 1999-01-12 Akashic Memories Corporation Method for producing recording media having protective overcoats of highly tetrahedral amorphous carbon
US6001426A (en) * 1996-07-25 1999-12-14 Utron Inc. High velocity pulsed wire-arc spray
US5947421A (en) * 1997-07-09 1999-09-07 Beattie; John R. Electrostatic propulsion systems and methods
DE19835512C1 (de) * 1998-08-06 1999-12-16 Daimlerchrysler Aerospace Ag Ionentriebwerk
US6768120B2 (en) 2001-08-31 2004-07-27 The Regents Of The University Of California Focused electron and ion beam systems
DE10147998A1 (de) * 2001-09-28 2003-04-10 Unaxis Balzers Ag Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas
US8158016B2 (en) * 2004-02-04 2012-04-17 Veeco Instruments, Inc. Methods of operating an electromagnet of an ion source
KR100706809B1 (ko) * 2006-02-07 2007-04-12 삼성전자주식회사 이온 빔 조절 장치 및 그 방법
JP2007242368A (ja) * 2006-03-07 2007-09-20 Shincron:Kk ニュートラライザおよびこれを備えた成膜装置
US8400063B2 (en) * 2006-07-20 2013-03-19 Aviza Technology Limited Plasma sources

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0169744A2 (en) * 1984-07-26 1986-01-29 United Kingdom Atomic Energy Authority Ion source
RU2151438C1 (ru) * 1999-09-23 2000-06-20 Бугров Глеб Эльмирович Плазменный источник ионов с ленточным пучком (варианты)
US6378290B1 (en) * 1999-10-07 2002-04-30 Astrium Gmbh High-frequency ion source
RU2196395C1 (ru) * 2001-05-30 2003-01-10 Александров Андрей Федорович Плазменный реактор и устройство для генерации плазмы (варианты)
WO2008009898A1 (en) * 2006-07-20 2008-01-24 Aviza Technology Limited Ion sources

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2578192C2 (ru) * 2014-10-06 2016-03-27 Геннадий Леонидович Багич Способ излучения энергии и устройство для его осуществления (плазменный излучатель)
RU177495U1 (ru) * 2017-06-27 2018-02-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ТГАСУ) Устройство для объемно-термической плазменной обработки деревянных изделий

Also Published As

Publication number Publication date
EP2277188B1 (de) 2017-04-19
JP6000325B2 (ja) 2016-09-28
KR20110013449A (ko) 2011-02-09
WO2009135471A1 (de) 2009-11-12
RU2010149265A (ru) 2012-06-27
JP2015097209A (ja) 2015-05-21
JP2011522357A (ja) 2011-07-28
US20120019143A1 (en) 2012-01-26
EP2277188A1 (de) 2011-01-26
DE102008022181A1 (de) 2009-11-19
DE102008022181B4 (de) 2019-05-02
KR101360684B1 (ko) 2014-02-07
US8786192B2 (en) 2014-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2525442C2 (ru) Плазменный генератор и способ управления им
RU2344577C2 (ru) Плазменный ускоритель с закрытым дрейфом электронов
KR101575145B1 (ko) 진공 아크 플라즈마 이송 방법 및 장치
CN104114862B (zh) 等离子推进器和用于产生等离子推进推力的方法
Keidar et al. Electron transport phenomena in plasma devices with E/spl times/B drift
EP0784417B1 (en) Plasma accelerator with closed electron drift
WO1999063223A1 (en) Multistage ion accelerators with closed electron drift
WO2007008234A4 (en) CHARGED PARTICLE PUSH ENGINE
JP2007042609A (ja) プラズマ加速装置及び該装置を備えるプラズマ処理システム
WO2013045636A9 (en) Plasma generator
US6960888B1 (en) Method of producing and accelerating an ion beam
US20070114903A1 (en) Multi-channel plasma accelerator
RU2681524C1 (ru) Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
KR102589741B1 (ko) 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기
Chan et al. Electro-Magnetic Nozzle for Plasma Acceleration of an Inertial Electrostatic Confinement Cathode: Development and Characterization
WO2020209210A1 (ja) イオン生成装置、方法及びプログラム
KR0183885B1 (ko) 플라즈마 발생장치
KR102586129B1 (ko) 가스 분해를 위한 구조를 구비한 플라즈마 반응기
RU2468545C1 (ru) Источник тормозного излучения
RU2163309C2 (ru) Устройство концентрации пучка ионов для плазменного двигателя и плазменный двигатель, оборудованный таким устройством
US20110156849A1 (en) Method for influencing the magnetic coupling between two bodies at a distance from each other and device for performing the method
US2925505A (en) Device for producing sustained magnetic self-focusing streams
RU2092982C1 (ru) Способ получения быстрых потоков плазмы
Boercker et al. Rigid-rotor models of plasma flow
KR20170112512A (ko) 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기