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Vorrichtung zum Erzeugen eines raumladungsneutralisierten Strahles
geladener Teilchen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines raumladungsneutralisierten
Strahles geladener Teilchen mit einer Ionenquelle und einer Quelle hochenergetischer
Elektronen, die nebeneinander auf einer gemeinsamen Symmetrie- und Strahlachse angeordnet
sind.
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Es ist bekannt, eine Raumladungsneutralisation zu bewirken, indem
eine Elektronenquelle nahe am Ausgang der Ionenquelle vorgesehen wird, um eine die
Ionen umgebende Elektronenwolke zu erzeugen. Es ist infolge der Änderungen der Ionendichte
schwierig, immer die richtige Menge und die geeignete räumliche Verteilung der Elektronen
zu erhalten. Hierzu kommt, daß Plasmaschwingungen infolge der ungleichförmigen Elektronenverteilung
quer zu dem lonenaustrittsstrahl erzeugt werden. Ebenfalls findet bei einer Raumladungsneutralisation
am Austrittsende der Ionen aus der Ionenquelle und lediglich nach deren Beschleunigung
keine vollständige Neutralisation innerhalb der Vorrichtung statt. Deshalb werden,
ehe die Beschleunigung erfolgt, Raumladungskräfte in der Vorrichtung auftreten und
den Ionenstrom einschränken, so daß impulsarme Ionen ei-zeugt werden. Der Impuls
des neutralisierten Strahles ist aber wichtig bei Verwendung der vorliegenden Ionenquelle
für den Ionenantrieb eines Raumschiffs. Wenn die Raumladung nicht vollständig neutralisiert
wird, ist der Schub, der mit dem Ionenantrieb erreichbar ist, klein.
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Es ist bekannt, daß große Schwierigkeiten infolge der Raumladungswirkung
dadurch auftreten können, daß infolge einer elektrostatischen Aufweitung des Ionenstrahles
eine gute Fokussierung verhindert wird. Die Plasmaphysik kennt viele Anwendungen,
für die eine Hochstromionenquelle mit definiertem Ionenstrahl wünschenswert ist.
Außer der Verwendung einer solchen Ionenquelle für den Ionenantrieb von Raumfahrzeugen,
der oben erwähnt wurde, ist ein anderes bevorzugtes Anwendungsgebiet die Injektion
von Ionen in Vorrichtungen, die zur Erzeugung eines energiereichen Plasmas für die
Neutronenerzeugung geeignet sind. Ein weiterer Verwendungszweck für eine Ionenquelle
ist die Ioneninjektion in Versuchsanordnungen, um die Möglichkeit gesteuerter thermonuklearer
Reaktionen zu studieren.
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Es ist ein Vakuumgefäß bekannt, in dem sowohl Kanalstrahlen als auch
Kathodenstrahlen erzeugt und gegen ein Lenard-Fenster gerichtet werden. Bei dieser
bekannten Anordnung ist in einem Raum, der von Kanalstrahlen durchsetzt wird, eine
Glühkathode, die Elektronen emittiert, angeordnet. Eine Raumladungsneutralisation
der Kanalstrahlen findet dabei nur teilweise statt. Das bekannte Vakuumgefäß dient
zur Ausführung chemischer Reaktionen, wobei jenseits des Lenard-Fensters ein Luftstrom
vorbeigeleitet wird.
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In Anbetracht der Beschränkungen, denen Ionenquellen nach dem Stand
der Technik unterworfen sind und im Gegensatz zu der zuletzt genannten bekannten
Anordnung, bei der die Raumladungskompensation teilweise in einem Vakuumgefäß erfolgt,
besteht die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Erzeugung eines gerichteten,
völlig raumladungsneutralisierten Ionenstrahles, der beispielsweise als Antrieb
für ein Raumschiff verwendet werden kann.
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Es wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines raumladungsneutralisierten,
gerichteten Strahles geladener Teilchen geschaffen, bei der gemäß der Erfindung
der Elektronenstrahl in Richtung des Ionenstrahles gerichtet durch die Ionenquelle
und die Ionenextraktionselektrode hindurchtritt und ein gemeinsames magnetisches
Führungsfeld für die Ionen-und Elektronenquelle vorgesehen ist, dessen Kraftlinien
parallel zur gemeinsamen Strahl- und Symmetrieachse gerichtet sind.
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An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
F
i g.1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines raumladungsneutralisierten
Strahles geladener Teilchen, bestehend aus einer Elektronen-IonenquellenKombination;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Injektoreinrichtung, in der die Ionenquelle
und der Elektronenbeschleuniger, welche in F i g.1 dargestellt sind, für die Erzeugung
eines energiereichen, neutralisierten Strahles aus Elektronen und Ionen verwendet
wird; F i g. 3 zeigt einen Schnitt einer Injektoreinrichtung in der die in F i g.
1 dargestellte Teilchenquelle zur Erzeugung eines neutralen Plasmas hoher Dichte
verwendet wird; - F i g. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Teilchenquelle,
welche als Antrieb für Raumschiffe verwendet werden kann; F i g. 5 zeigt eine schematische
Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Antriebs für Raumschiffe.
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Die genannte Aufgabe wird mit einer gasbeschickten Bogenentladung
für die Ionenerzeugung und mit einer Elektronenquelle gelöst, die einen gesteuerten
monoenergetischen Elektronenstrahl durch die Bogenentladung schießt. Dadurch wird
eine innige Mischung von beschleunigten Ionen und Elektronen innerhalb der Ionenquelle
und jenseits der Ionenquelle und eine wirksame Neutralisation der Raumladung erreicht.
Die Raumladungsneutralisation in der Ionenquelle und in dem Beschleunigungsspalt
wird durch oszillierende Elektronen niederer Energie und die Raumladungsneutralisation
in dem aus der Ionenquelle ausgetretenen Strahl wird durch den monoenergetischen
Elektronenstrom jenseits des auftrittsseitigen Endes der Ionenquelle bewirkt. Der
neutralisierte Strahl kann auf irgendeine gewünschte Energie in einer Dichte beschleunigt
werden, die weit über der Grenze dessen liegt, was bisher erzielt wurde. Die Elektronen-Ionenquelle
ist gut geeignet für den Antrieb von Raumschiffen, denn durch die Raumladungsneutralisation
wird eine Aufladung des Raumfahrzeugs verhindert. Wenn eine der üblichen Ionenquellen
auf dem Raumfahrzeug verwendet wird, können die Ionen nach einer gewissen Zeit durch
die Aufladung des Raumschiffes von diesem angezogen werden; und das Antriebssystem
wird unwirksam.
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Die energiereichen Elektronen in der in F i g.1 dargestellten Teilchenquelle
werden mit einem Elektronenbeschleuniger erzeugt, der nachfolgend beschrieben wird.
Eine Katode 1, die entweder direkt oder indirekt beheizt sein kann, ist mit einer
hohlen beidseitig offenen Anode 2 auf einer gemeinsamen Symmetrieachse angeordnet.
Aus einer Gasquelle 4 wird ein Gas, beispielsweise Argon, über die Leitung 3 in
das Innere der Anode 2 geleitet. Eine Gleichstromquelle 5 mit einet Spannung von
150V
ist mittels Leitungen 6 und 7 zwischen die Katode 1 und Anode 2 eingeschaltet.
Zwischen der Katode l und der Anode 2 wird eine Gasentladung gezündet. Das Gleichspannungspotential
von 150 V liegt an der kleinen Plasmaschicht, die durch den Plasmabogen auf der
Oberfläche der Fadenkatode gebildet wird. Auf diese Weise befinden sich die Elektronen
in einem elektrischen Feld mit einem sehr steilen Feldgradienten. Diese Anordnung
ermöglicht, daß Ionen, die durch die Bogenentladung gebildet werden, Raumladungskräfte
neutralisieren, wodurch ein dichter Elektronenstrom 11 bei Verwendung eines geeigneten
Beschleunigungspotentials erhalten und durch die Anode 2 geführt werden kann. Die
Elektronenschleuder befindet sich in einem starken axialen Magnetfeld von etwa 6000
Gauß, das durch nicht dargestellte Magnetspulen erzeugt wird, so daß der Elektronenstrom
11 scharf gebündelt ist. Die Richtung des Magnetfeldes wird durch den Pfeil
H angedeutet: Eine Hochspannungsabschirmung 8 umgibt die Elektronenschleuder. Die
Abschirmung erhöht den Wirkungsgrad der Elektronenschleuder und vermindert die durch
den elektrischen Durchschlag auftretenden Schwierigkeiten bei hohen Beschleunigungsspannungen.
Eine Beschleunigungselektrode 10 ist unmittelbar nach der Abschirmung 8 vorgesehen
und ist mit dieser Abschirmung 8 durch eine Leitung 9 elektrisch verbunden. Die
Abschirmung 8 und die Elektrode 10 sind mit einer Hochspannungsquelle von etwa 39
bis 43 kV verbunden, welches Potential bezüglich der Ionenquelle negativ ist, wie
unten beschrieben werden wird.
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Die Elektronenschleuder erzeugt einen parallelen Elektronenstrahl
mit einer maximalen Energie von 5 keV einer Stromstärke von 1 A und mit einem Durchmesser
von 0,635 cm. Dieser entspricht einer Teilchendichte von 5. 1010/cm2 oder einer
Stromdichte 5 A/cm2.
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Nun wird die Anordnung zum Erzeugen der Ionen in der in F i g. 1 dargestellten
Vorrichtung beschrieben. Eine hohlzylindrische Wolframkatode 16 ist in einer Endplatte
12 befestigt. Eine hohlzylindrische Anode 17 befindet sich in einem röhrenförmigen
Teil 14. Der Teil 14 ist an jedem Ende mit Flanschen versehen. Ein ringförmiger
Isolator 13 ist zwischen der Endplatte 12 ünd einem Endflansch des Teils
14 angeordnet. Eine ringförmige Abschirmung 15, die die Katode 16 umgibt,
befindet sich innerhalb des ringförmigen Isolators 13. Der Teil 14 ist mit einem
inneren, verbreiterten Abschnitt versehen, der die Anode 16, wie dargestellt,
eng umschließt, um zu verhindern, daß Ionen aus der Bogenentladung in den Raum,
in dem sich die Abschirmung 15 befindet, eintreten. Die Katode 16 und die Anode
17 sind gleichachsig mit den Elektroden der Elektronenschleuder angeordnet. Eine
ringförmige Endplatte 20 mit einem Wolframeinsatz 21 ist auf dem äußeren Endflansch
des Teils 14 befestigt. Die Platten 12 und 20 sind mit nicht dargestellten Gleichstromquellen
mit Spannungen von 99,85 bzw. 100 keV verbunden. Eine ringförmige Elektrode 22 ist
jenseits der Endplatte 20 angeordnet. Diese Elektrode 22 ist isoliert angeordnet,
und deshalb ist deren elektrisches Potential unbestimmt. Das Gas, welches beispielsweise
Deuterium sein kann, wird von einer Quelle 19 über ein Rohr 18 zu dem Inneren
der Anode 17 geleitet. Ein Rückstromgasentladungsbogen 23 wird zwischen der
Katode 16 und er Anode 17 in der Weise gezündet. Das axiale magnetische Feld von
6000 Gauß, in dem sich die Elektronenschleuder befindet, schließt ebenfalls die
Ionenquelle ein. Die Elektronenschleuder und die Ionenquelle sind beide in einer
Kammer (nicht dargestellt) eingeschlossen, die auf einen Druck von etwa
3.10-5 mm Hg evakuiert ist. Die Ionenquelle erzeugt einen Ionenstrahl mit
einer Stromstärke von 0,5 A und einer Energie von 6 keV unter Verwendung von Deuterium
als Gas. Die energiereichen Elektronen 11 aus der Elektronenquelle werden durch
die Mitte des Rückstromentladungsbogens 23 geschossen. Es findet eine innige Mischung
der beschleunigten Ionen und der Elektronen innerhalb der
Zonenquelle
und dem Beschleunigungsspalt infolge der Elektronenschwingungen innerhalb der Quelle
und ebenso eine innige Mischung der beschleunigten Ionen und der beschleunigten
Elektronen über das Austrittsende aus der Ionenquelle hinaus statt, da energiereiche
Elektronen in den austretenden Zonenstrahl gelangen. Auf diese Weise wird eine wirksame
Raumladungsneutralisation innerhalb und nach der Zonenquelle bewirkt. Eine Beschleunigungselektrode
24, die geerdet ist, ist zum Abziehen der Ionen aus der Quelle durch die Endplatte
20 und die Elektrode 22 vorgesehen. Einige der Elektronen aus dem energiereichen
Elektronenstrom 11 werden die Beschleunigungselektrode erreichen und eine hinreichende
Energie besitzen, um durch diese Elektrode zusammen mit den Ionen aus der Zonenquelle
auszuströmen und dadurch einen neutralisierten Strahl 25 aus Elektronen und Ionen
zu erzeugen. Dadurch, daß die Raumladungsneutralisation innerhalb des Bogenspaltes
geschaffen wird, ist der Ausgangsstrom des Strahles 25 wesentlich größer als einer,
der mit einer üblichen Zonenquelle erhalten wird, da die Emission aus einer üblichen
Zonenquelle durch die Raumladungskräfte begrenzt ist. Die isolierte Elektrode 22
wird als eine Abschirmelektrode verwendet, und es wurde gefunden, daß die Anordnung
dieser Elektrode ebenfalls den Ausgangsstrom des neutralisierten Strahles 25 erhöht.
Die relativ kalten Elektronen der Bogenentladung 23 und diejenigen des energiereichen
Strahles 11, welche durch Stoßvorgänge verlangsamt werden, besitzen keine ausreichende
Energie, um durch die Elektrode 24 hindurchgeleitet zu werden, da diese Elektrode
die Elektronen mit niederer Energie reflektiert. Diese Elektronen oszillieren zwischen
der Elektrode 24 und der Katode 16. Die oszillierenden Elektronen werden für die
Raumladungsneutralisation innerhalb der Zonenquelle und dem Beschleunigungsspalt,
wie oben ausgeführt wurde, ausgenützt. Es wird festgestellt, daß die Elektronen
und Ionen in der Zonenquelle denselben magnetischen und elektrostatischen Feldern
ausgesetzt sind. Durch entsprechende Steuerung der Dichte des gesamten Elektronenstroms
wird der resultierende Strahl immer neutralisiert. Eine Raumladungsneutralisation
findet innerhalb der Zonenquelle und in dem Beschleunigungsspalt sowie jenseits
der Beschleunigungselektrode statt.
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Der neutralisierte Strahl einer Anordnung nach F i g.1 kann für einen
Injektor verwendet werden, um das Strahlenbündel in eine neutronenerzeugende Plasmavorrichtung
zu injizieren. Um ein Plasma hoher Dichte in einer solchen Vorrichtung zu erhalten,
soll die Dichte der injizierten Ionen so groß wie möglich sein, beispielsweise etwa
109/cm3 bei 600 keV. Bei Anwendung der in F i g.1 dargestellten Vorrichtung für
einen solchen Injektor ist es möglich, eine solche Dichte zu erhalten, die andererseits
unmöglich mit üblichen Zonenquellen erreicht werden kann, da die elektrostatischen
Kräfte, die aus den Raumladungen resultieren, den Strahl auseinandertreiben. F i
g. 2 zeigt, wie die Zonenquelle in F i g.1 für einen einen neutralisierten Strahl
injizierenden Injektor verwendet werden kann. Ein Elektronenversorgungsrohr 27 trägt
eine indirekt beheizte Fadenelektrode 28, die im axialen Abstand von einer hohlen
beidseitig offenen Anode 29 angeordnet ist. Der Elektronenstrom 50 aus der Elektronenquelle
wird durch eine Vielzahl von ringförmigen elektromagnetischeu Spulen 52, 53, 54,
55 und 56, hierauf durch die Zonenquelle, die unten beschrieben wird, dann durch
eine Vielzahl von Magnetspulen 58, 59, 60 und 61 und schließlich durch ein abgeschirmtes
Injektionsrohr 49 geleitet. Die Zonenquelle wird von einer Magnetspule 57 umschlossen.
Die Spulen 52 bis 61 wirken als Kollimatorspulen, deren Feldstärke etwa 6000 Gauß
in der Spulenmitte und etwa 2000 Gauß in dem Spalt zwischen den einzelnen Spulen
beträgt. Die Feldrichtung wird durch den Pfeil H angedeutet.
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Die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung ist in einer Vakuumkammer
30 eingeschlossen. Diese Kammer 30 wird aus dem Teil 31, einer ringförmigen Platte
32, einer röhrenförmigen Isolation 33, einer Ringplatte 38, einem Rohr 63, einer
Ringplatte 40, einer röhrenförmigen Isolierung 41, einer Ringplatte 46 und einem
Vakuumstutzen 47 gebildet. Der Teil 31 ist mit zwei Vakuumpumpen 26 und 26' verbunden.
Der Vakuumstutzen 47 ist an zwei Vakuumpumpen 48 und 48' angeschlossen. Die Kammer
30 wird durch die Pumpen 26, 26', 48, 48' auf einen Druck von etwa 3 - 10-5 mm Hg
evakuiert.
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Die Spulen 52 bis 56 und 58 bis 61 sind in Metallgehäusen eingeschlossen.
Die Gehäuse rund um die Spulen 52 und 53 sind an das Null-Potential mittels elektrischer
Leitungen, die nicht dargestellt sind, angeschlossen. Die Gehäuse um die Spulen
54, 55 und 56 sind über Teile 34 und 35 und nicht dargestellte elektrische Leitungen
mit Gleichspannungswellen von 150, 300 und 450 kV angeschlossen. Die oberen und
unteren Platten der Zonenquelle sind über Teile 38 und 40 und nicht dargestellte
elektrische Leitungen mit Gleichspannungsquellen von 599,85 und 600 kV verbunden.
Die Gehäuse rund um die Spulen 58, 59 und 60 sind über Teile 42 und 43 und elektrische
Leitungen (nicht dargestellt) mit Gleichspannungsquellen von 450, 300 und 150 kV
verbunden. Das Gehäuse um die Spule 61 ist an das Null-Potential mittels nicht dargestellter
Leitungen angeschlossen. Eine Abschirmung 62 ist am Ausgangsende der Spule 61 angeordnet,
um zu gewährleisten, daß der Elektronen-Ionenstrahl 51 in das Injektorrohr 49 eintritt.
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Der Spannungsabfall zwischen den Spulen 53 bis 56 beschleunigt die
Elektronen aus der Elektronenquelle zuerst, und der Spannungsabfall zwischen den
Spulen 58 bis 61 verzögert die Elektronen, nachdem sie durch die Zonenquelle hindurchgeleitet
wurden. Der Spannungsabfall zwischen den Spulen 58 bis 61 beschleunigt andererseits
die Ionen aus der Zonenquelle, so daß der Strahl 51 aus Elektronen und Ionen aus
dem Rohr 49 mit im wesentlichen homogener Geschwindigkeit ausgestoßen wird.
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Dieser Strahl 51 wird im wesentlichen raumladungsneutralisiert sein.
Um zu verhindern, daß die Potentialunterschiede zwischen den Spulen, die isolierenden
Teile 33 und 41 durchschlagen, sind Abschirmungen 36 oberhalb der Zonenquelle zum
Schutze des Teils 33 und Abschirmungen 44 unterhalb der Zonenquelle zum Schutze
des Teils 41 vorgesehen.
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Die Zonenquelle nach F i g. 2 besitzt eine hohlzylindrische Katode
65, eine hohlzylindrische Anode 66 und eine Beschleunigungselektrode 64. Das Gas
wird in das Innere der Anode 66 durch ein Beschickungsrohr 67 zugeführt. Die Beschleunigungselektrode
64 ist mit einer Beschleunigungsspannungsquelle, die nicht dargestellt ist, von
etwa 560 kV verbunden. Die
Elektroden 28, 29, 65, 66 und 64, die
Spulen 52 bis 56, die Spulen 58 bis 61 und das Rohr 49 sind alle in axialer Flucht
um eine gemeinsame Achse angeordnet, und diese Achse verläuft parallel zur Richtung
des magnetischen Feldes H.
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Eine Bogenentladung wird in der Ionenquelfe, wie sie in F i g. 2 dargestellt
ist, in derselben Weise erhalten, wie sie im Zusammenhang mit der F i g. 1 beschrieben
wurde. Die Dichte des Elektronenstroms `50 wird so gesteuert, daß im wesentlichen
eine voll--ständige Raumladungsneutralisation des Austrittsstrahles 51 erfolgt.
Deshalb erzeugt die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung einen energiereichen neutralisierten
Strahl aus Elektronen und Ionen. Der in F i g. 2 dargestellte Injektor ist besonders
für die Injektion von zwei oder mehr Arten von Molekülionen in Plasmavorrichtungen
geeignet, die Ionen erzeugen. Da der Strahl in F i g. 2 über die ganze Länge des
Injektors gerade verläuft, können sowohl zweiatomige als auch dreiatomige Ionen,
die in der Ionenquelle erzeugt werden, gleichzeitig in solche Plasmavorrichtungen
injiziert werden.
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Es kann wünschenswert sein, einen neutralisierten Plasmastrahl-Injektor
höherer Dichte zu erhalten. Dies kann durch Elimination einiger der Beschleunigungs-
und Verzögerungsstufen, die in F i g. 2 dargestellt sind, sowie durch Verwendung
geringerer _Beschleunigungs- und Verzögerungsspannungen er-. reicht werden. Eine
solche Vorrichtung ist in F i g. 3 dargestellt. Ein Rohr 85, das eine indirekt beheizte
Fadenelektrode 86 trägt, ist in einer Endplatte 72 angeordnet. Eine hohlzylindrische
Anode 87 ist im Abstand von der Fadenelektrode 86 und gleichachsig mit dieser angeordnet.
Die Elektronenquelle erzeugt einen Elektronenstrahl 74. Die- in F i g. 3 dargestellte
Ionenquelle besitzt eine ringförmige Endplatte 91, in .der eine hohlzylindrische
Katode 82 gehalten wird, ..eine hohlzylindrische Anode 83, die mit einer Gasquelle
über eine Versorgungsleitung 84 verbunden ist, eine ringförmige Endplatte 92, eine
Beschleunigungselektrode 71 und eine Magnetspule 89, die die Katode 82 und die Anode
83 umgibt. Eine Magnetspule 88 ist auf der Platte 72 befestigt und umgibt -die Fadenkatode
86 und die Anode 87 der Elektronenquelle. Der Raum zwischen der Spule 88 und der
Endplatte 91 wird von einer ringförmigen Abschir-=mung 77 eingeschlossen. Eine Magnetspule
90 ist im axialen Abstand von der Beschleunigungselektrode '71 angeordnet und auf
der Endplatte 73 befestigt. Der Raum zwischen der Spule 90 und der Platte 92 wird
von einer ringförmigen Abschirmung 76 um-_ geben. Die Spulen 88, 89 und 90 erzeugen
ein magnetisches Kollimatorfeld; dessen- Richtung durch den Pfeil H angedeutet ist
und dessen Feldstärke etwa 6000 Gauß in der Spulenmitte und etwa 2000 Gauß in den
Spalten zwischen den Spulen beträgt. Die Elektroden 86 und 87, 82, 83 und 71 und
die Spulen 88, 89 und 90 sind gleichachsig angeordnet, und diese Achse verläuft
parallel zu der Richtung des magnetischen Feldes H.
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Ein Teil 78 ist mit der Platte 72 und ein Teil 79 mit der Platte 91-fest
verbunden. Diese Teile 78 und 79 sind mit Flanschen, wie dargestellt, versehen,
um Öffnungen zu bildeng die an nicht dargestellte Vakuumpumpen angeschlossen sind.
Ein Teil 80 ist mit der Platte 92 und ein Teil 81 mit der Platte 73 verbunden.
Diese Teile 80 und 81 sind mit Flanschen, wie dargestellt, versehen, um Öffnungen
zu bilden, die mit Vakuumpumpen (nicht dargestellt) kommunizieren. Der Raum innerhalb
der Vorrichtung, die in F i g. 3 dargestellt ist, wird durch diese Pumpen auf einen
Druck von etwa 3 - 10-5 mm Hg evakuiert. Die Platten 72 und 73 sind mittels nicht
dargestellter Einrichtungen auf Null-Potential gehalten. Die Platten 91 und 92 sind
an Spannungsquellen von etwa 99,85 und 100 kV mittels nicht dargestellter Leitungen
angeschlossen, und die Beschleunigungselektrode 71 ist mit einer Spannungsquelle
mittels nicht dargestellter Einrichtungen von etwa 60 kV verbunden.
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Die Vorrichtung, die in F i g. 3 dargestellt ist, arbeitet in der
gleichen Weise wie die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung, mit Ausnahme, daß viel
geringere Beschleunigungs- und Verzögerungspotentiale verwendet werden. Der resultierende
Strahl 75 der Elektronen und Ionen ist im wesentlichen vollständig raumladungsneutralisiert
und besitzt eine wesentlich höherere Dichte als sie mit der Vorrichtung, die in
F i g. 2 dargestellt ist, erzeugt werden kann. Durch die Erzeugung eines neutralen
Plasmas hoher Dichte ist es möglich, ein solches Plasma quer zu den Magnetfeldlinien
in eine Vorrichtung zu injizieren, die zur Erzeugung von einem sehr dichten Plasma
1 für die Neutronenproduktion dient.
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Ein neutralisierter Elektronen-Ionenstrahl kann in einem variablem
Schubsystem für den Antrieb von Raumfahrzeugen verwendet werden. Eine solche Anordnung
ist in F i g. 4 dargestellt. Diese in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung ist der
in F i g.1 gezeigten ähnlich, mit Ausnahme, daß eine unterschiedliche Elektronenquelle
verwendet wird. Bei der in F i g. 4 dargestellten Elektronenquelle ist eine hohlzylindrische
Katode 98 in einem Trägerteil 97 angeordnet. Gas wird aus einer Gasquelle 95 durch
ein Rohr 96 und eine Leitung in dem Teil 97 und eine Leitung in dem Teil 97 zu dem
Inneren der Katode 98 geleitet. Eine hohlzylindrische Anode 99 ist im Abstand von
und gleichachsig mit der Katode 98 angeordnet. Eine Stromquelle 100 mit einer Spannung
von etwa 150 V ist zwischen die Katode 98 und die Anode 99 mittels Leitungen 101
und 102 geschaltet. Ein magnetisches, axiales Kollimatorfeld wird bei der in F i
g. 4 dargestellten Vorrichtung mittels nicht dargestellter Spulen erhalten, und
die Richtung des Magnetfeldes ist durch den Pfeil H angedeutet. Zwischen der Katode
98 und der Anode 99 wird ein Bogen aufrechterhalten. Die Elektronenquelle in F i
g. 4 erzeugt einen Elektronenstrahl 103 von etwa 3 A bei einem Beschleunigungspotential
von 2,5 kV. Die Beschleunigung der Elektronen aus der Elektronenquelle wird durch
eine Beschleunigungselektrode (nicht dargestellt) in ähnlicher Weise erhalten, wie
es im Zusammenhang mit der F i g.1 beschrieben wurde.
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In der in F i g. 4 dargestellten Ionenquelle ist eine hohlzylindrische
Wolframkatode 109 in einer ringförmigen Endplatte 105 befestigt. Eine hohlzylindrische
Kohlenanode 110 ist innerhalb eines ringförmigen Teils 108 angeordnet. Der Teil
108 besitzt Flansche an seinen beiden Enden. Der Flanschteil an einem Ende des Teils
108 wird von einer Isolation 106 gehalten, die ihrerseits von der Endplatte 105
getragen wird. Eine ringförmige Abschirmung 107 ist inner-.halb des Teils 106 an
diesem befestigt. Die Abschirmung 107 umschließt die Katode 109 eng.
Der Flansch an dem anderen Ende des Teils 108 ist mit einer ringförmigen Endplatte
113 verbunden. Die .Platte 113 besitzt einen ringförmigem Wolframeinsatz
114.
Eine ringförmige Elektrode 115 ist unmittelbar neben der Endplatte 113 angeordnet.
Eine Beschleunigungselektrode 116 ist jenseits der Elektrode 115 vorgesehen und
auf Null-Potential gehalten. Gas aus der Gasquelle 19 wird durch ein Rohr 112 in
das Innere der Anode 110 geleitet.
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Zum Verschließen der Öffnung in der Platte 105, wenn die Elektronenquelle
nicht gebraucht wird, ist ein Verschluß 104 vorgesehen. Die Elektronenquelle und
die Ionenquelle der Anordnung, wie sie in F i g. 4 dargestellt sind, sind in einem
geeigneten Gehäuse eingeschlossen. Wenn die Vorrichtung nach dieser Figur in einem
Raumschiff Verwendung findet, kommuniziert der Austrittskanal des Gehäuses mit Bereichen,
in denen der vernachlässigbare Atmosphärendruck des Weltenraums herrscht, so daß
das Gehäuse auf die Weise auf den in dem Außenraum herrschenden Druck evakuiert
wird. Wenn die in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung für andere Zwecke verwendet
wird, kann das Gehäuse auf einen Druck von etwa 3 - 10-s mm Hg vermittels nicht
dargestellter Pumpen in derselben Weise, wie es im Zusammenhang mit der F i g.1
beschrieben wurde, evakuiert werden. Die Elektroden 98, 99, 109 und 110 sind auf
einer gemeinsamen Achse hintereinander angeordnet, und diese Achse verläuft parallel
zur Richtung des Magnetfeldes H. Eine Bogenentladung 111 wird in der Ionenquelle
in derselben Weise gezündet, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde.
Der Elektronenstrahl 103 ist auf diese Bogenentladung 111 gerichtet, so daß im wesentlichen
eine vollständige Raumladungsneutralisation an allen Stellen innerhalb und jenseits
der Ionenquelle stattfindet, um auf diese Weise einen raumladungsneutralisierten
Strahl 117 aus Elektronen und Ionen in derselben Weise zu erzeugen, wie es im Zusammenhang
mit der F i g.1 beschrieben wurde.
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Die Größe des Schubs, der durch eine in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung
erhalten wird, ist direkt abhängig von der Art der Atome, welche in das Innere der
Anode 110 zur Ionisation eingeführt werden. Bei der Elimination der Raumladungswirkung
durch Neutralisation in dem gesamten Antriebssystem können Ionen verschiedener Massen
und Energien verwendet werden, um auf diese Weise einen Antriebsmotor mit verschiedenen
definierten Schubwirkungen zu schaffen. Andererseits wird der optimale Schub unter
verschiedenen Bedingungen erreicht. Bei üblichen Ionenquellen ist die Wahl der den
Schub bewirkenden Ionenart begrenzt und eng mit den besonderen Bedingungen Raumladung
verbunden. Da es möglich ist, einen größeren Bereich von Brennmaterialien in der
in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung zu verwenden, kann das durch die Mitnahme
des Brennstoffs bedingte Problem verringert werden, da es möglich ist, als Brennstoff
Material zu verwenden, das im Weltenraum gesammelt wird.
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Ein Vorteil der Verwendung von bestimmten Elementen von größerem Atomgewicht
in der in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung, wie z. B. Ti, U usw. (diese sind bei
Raumtemperaturen kondensierbar) ist der, daß durch »Pumpen« infolge der Getter-Wirkung
diese Treibstoffionen in einer Hochvakuumversuchsanlage dargestellt werden können.
Solche Anlagen werden zuerst durch Vakuumpumpen ausgepumpt. Durch Injizieren eines
bestimmten dieser Brennstoffionen in die Testanlage mittels einer in F i g. 4 dargestellten
Vorrichtung wird die Anlage durch die Getter-Wirkung dieser Ionen weiter ausgepumpt,
wenn sie bei Raumtemperaturen kondensieren. Auf diese Weise ist es möglich, diese
Grundphänomene, die mit dem Ionenantrieb im Weltenraum verbunden sind, im Laboratorium
eingehend zu studieren.
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Außer der Verwendung des Ionenplasmas für den direkten Antrieb kann
das Plasma ebenfalls verwendet werden, um ein getrenntes. Neutralgas zu erhitzen
und den erhitzten Gasstrom durch eine Düse auszustoßen, um eine Schubwirkung zu
erhalten. Ein solches System ist in F i g. 5 dargestellt. Diese Vorrichtung kann
für eine Maschine in einem geringeren spezifischen Schubbereich verwendet werden.
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Die in F i g. 5 dargestellte Vorrichtung entspricht im wesentlichen
der Vorrichtung der F i g. 4. Lediglich neben der Endplatte 113 ist an Stelle der
Elektrode eine Düse 118 vorgesehen.
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Ein Magnetfeld von etwa 6000 Gauß durchschnittlicher Flußdichte wird
durch nicht dargestellte Spulen erzeugt. Die Richtung dieses Feldes ist durch den
Pfeil H angedeutet und verläuft parallel zu der Achse der Katode 109 und der Anode
110. Die in F i g. 5 dargestellte Vorrichtung ist in einem geeigneten Gehäuse eingeschlossen,
und das Gehäuse kommuniziert mit dem Weltenraum, in dem der Atmosphärendruck vernachlässigbar
ist, wenn die Vorrichtung für den Antrieb von Raumfahrzeugen verwendet wird. Das
in die Anode eingeleitete Treibgas wird durch die Bogenentladung 111 erhitzt, und
das erhitzte Gas 119 wird aus der Vorrichtung durch die Düse 118 ausgestoßen.