DE1233340B - Electric recoil drive with an ion source - Google Patents

Description

Elektrischer Rückstoßantrieb mit einer Ionenquelle Die Erfindung betrifft einen elektrischen Rückstoßantrieb mit einer Ionenquelle, einer Beschleunigungselektrode und einer von einem Teil des Ionenstrahles getroffenen Kaltkathode, die Sekundärelektroden in das Ionenbündel aussendet.Ion Source Electric Recoil Propulsion The invention relates to an electric recoil drive with an ion source, an acceleration electrode and a cold cathode struck by part of the ion beam, the secondary electrodes emits into the ion beam.

Bei einem bekannten derartigen Rückstoßantrieb wird durch die besondere Form der Ionenquelle eine Fokussierung des Ionenstrahles unter gleichzeitiger Beschleunigung erzielt. Hinter der Beschleunigungselektrode divergiert der Strahl wieder, wobei seine Randbereiche auf die Kaltkathode auftreffen und die erforderlichen Sekundärelektronen frei machen.In a known recoil drive of this type, the special Form of the ion source a focusing of the ion beam with simultaneous acceleration achieved. Behind the acceleration electrode the beam diverges again, whereby its edge areas impinge on the cold cathode and the required secondary electrons make free.

Ziel der Erfindung ist ein elektrostatischer Rückstoßantrieb der eingangs genannten Gattung, bei dem es möglich ist, den Grad der Neutralisation der Ladung des austretenden lonenstrahles zu steuern.The aim of the invention is an electrostatic recoil drive named genus, in which it is possible to determine the degree of neutralization of the charge to control the exiting ion beam.

Hierzu sieht die Erfindung vor, daß zwischen Beschleunigungselektrode und Kaltkathode eine ionenoptische Fokussierungslinse angeordnet ist, deren regelbarer Brennpunkt zwischen Fokussierungslinse und Kathode liegt. Auf Grund dieser Ausbildung kann durch die gesteuerte Verschiebung des Kreuzungspunktes des fokussierten Strahles der Strahl entweder genau neutralisiert oder je nach den Erfordernissen über- oder unterkompensiert werden.For this purpose, the invention provides that an ion-optical focusing lens is arranged between the acceleration electrode and the cold cathode, the controllable focal point of which lies between the focusing lens and the cathode. Due to this design, the controlled displacement of the intersection point of the focused beam can either neutralize the beam precisely or over- or under-compensate it, depending on the requirements.

Praktisch wird dieser Rückstoßantrieb zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß die elektronenemittierende Oberfläche der Kaltkathode an der Innenwand eines Hohlzylinders vorgesehen ist, der koaxial zu dem Ionenstrahl liegt und entlang seines Weges angeordnet ist. Die elektronenemittierende Oberfläche der Kaltkathode kann auch an der Innenwand der konischen Erweiterung eines Hohlzylinders angeordnet sein.In practice, this recoil drive is expediently designed in such a way that that the electron-emitting surface of the cold cathode on the inner wall of a Hollow cylinder is provided, which is coaxial with the ion beam and along its Path is arranged. The electron-emitting surface of the cold cathode can also be arranged on the inner wall of the conical enlargement of a hollow cylinder.

Ein besonders guter Wirkungsgrad wird erzielt, wenn die Kaltkathode durch ein im Strahlengang angeordnetes Gitter gebildet ist. Das Gitter besitzt vorzugsweise eine veränderliche Gitterkonstante, die sich mit der Entfernung von der Achse des Strahles verändert.A particularly good efficiency is achieved when the cold cathode is formed by a grid arranged in the beam path. The grid preferably has a variable lattice constant that varies with distance from the axis of the Beam changed.

Nach einer Ausführungsform kann die Fokussierungslinse eine elektrostatische Linse sein, deren Spannung vorzugsweise regelbar ist. Nach einer anderen Ausführungsform ist die Fokussierlinse eine magnetische Linse, deren Erregerstrom vorzugsweise regelbar ist.In one embodiment, the focusing lens can be electrostatic Be a lens, the voltage of which is preferably adjustable. According to another embodiment the focusing lens is a magnetic lens whose excitation current is preferably adjustable is.

Eine einfache Herstellung und ein kompakter Aufbau sind gewährleistet, wenn die magnetische Fokussierungslinse mit einer sich in Strahlrichtung konisch erweiternden Ausnehmung versehen ist, an deren Wänden die Kaltkathode angeordnet ist. Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt F ig. 1 einen elektrischen Rückstoßantrieb, bei dem eine elektrostatische Linse mit regelbarer Spannung vorgesehen ist, F i g. 2 eine Abwandlung eines Teiles des Gegenstandes der F i g. 1, F i g. 3 eine weitere Abwandlung eines Teiles des Gegenstandes der F i g. 1 und F i g. 4 einen elektrischen Rückstoßantrieb, bei dem eine magnetische Linse Verwedung findet.Simple manufacture and a compact structure are ensured if the magnetic focusing lens is provided with a recess which widens conically in the direction of the beam and on the walls of which the cold cathode is arranged. The invention is described below, for example, with reference to the drawing; in this Fig. 1 shows an electric recoil drive in which an electrostatic lens with adjustable voltage is provided, FIG. 2 shows a modification of part of the subject matter of FIG. 1, Fig. 3 shows a further modification of part of the subject matter of FIG. 1 and F i g. 4 an electric recoil drive using a magnetic lens.

Der in F i g. 1 dargestellte elektrische Rückstoßantrieb enthält eine Ionenquelle, welche durch ein Gehäuse 17 gebildet wird, in das ein Gas wie Zäsiumdampf durch einen Rohrstutzen 18 zugeführt wird und in der eine Kathode 19 angeordnet ist, welche durch die Leiter 20 von einer nicht gezeigten Spannungsquelle gespeist wird und als Quelle ionisierender Elektronen arbeitet. Das ionisierte Gas tritt in Form eines durch die Spule 23 fokussierten Strahles durch die öffnung 21 in einer Blende 22 aus. Dieser Strahl passiert eine konusförmige Extraktionselektrode 24, die an der Begrenzungswand 25 des Gehäuses 38 befestigt ist. Diese Wand 25 ist durch einen Isolierzylinder 26 von dem Gehäuse 17 isoliert. Eine geeignete positive Spannung bezüglich der Elektrode 24 wird von einer Quelle 27 an die Blende 22 angelegt.The in F i g. 1 shown electric recoil drive contains an ion source, which is formed by a housing 17 , into which a gas such as cesium vapor is fed through a pipe socket 18 and in which a cathode 19 is arranged, which is fed through the conductor 20 from a voltage source (not shown) and works as a source of ionizing electrons. The ionized gas emerges in the form of a beam focused by the coil 23 through the opening 21 in a diaphragm 22. This beam passes through a conical extraction electrode 24 which is attached to the boundary wall 25 of the housing 38 . This wall 25 is insulated from the housing 17 by an insulating cylinder 26. A suitable positive voltage with respect to electrode 24 is applied to shutter 22 from source 27.

Der Strahl 28, der am Ausgang aus der Elektrode 24 divergiert, ist der Einwirkung einer einstellbaren Linse unterworfen, welche hier eine elektrostatische Linse ist, die von einer Elektrode 29 gebildet wird, die durch den Körper 25 über einen isolierten Auslaß 30 austritt und auf einer durch die Quelle 27 regelbaren Spannung gehalten wird. Dieses Potential liegt zwischen den Spannungen der Ionenquelle 17 und des Injektorkörpers 25. Diese Linse läßt den Strahl 28 in einem Kreuzungspunkt 31 zusammenlaufen, dessen Lage sich mit der regelbaren Spannung der Elektrode 29 verändert. Dieser Kreuzungspunkt wird in eine Elektrode 32 gelegt, deren bei 33 mit einem Stoff mit starker Sekundännission überzogener Wandungsteil so weit entfernt von der Elektrode 29 ist, daß die Sekundärelektronen dem Feld des Ionenstrahles unterworfen sind und nicht dem der elektrostatischen Linse.The beam 28, which diverges at the exit from the electrode 24, is subjected to the action of an adjustable lens, which here is an electrostatic lens formed by an electrode 29 which exits through the body 25 via an isolated outlet 30 and on a voltage which can be regulated by the source 27 is maintained. This potential lies between the voltages of the ion source 17 and the injector body 25. This lens allows the beam 28 to converge at a crossing point 31 , the position of which changes with the controllable voltage of the electrode 29 . This crossing point is placed in an electrode 32 , the wall part of which is coated with a substance with strong secondary emission at 33 so far away from the electrode 29 that the secondary electrons are subjected to the field of the ion beam and not that of the electrostatic lens.

Der Ionenstrahl divergiert hinter dem Kreuzungspunkt 31 wieder. Ein den äußeren Bahnen entsprechender Teil dieses Strahles trifft bei 33 auf die Elektrode, während der restliche, den näher an der Achse liegenden Bahnen entsprechende Teil neben der Kaltkathode 33 verläuft und von der Ionenraumladung angezogen sich mit den von dieser Kaltkathode emittierten Sekundärelektronen mischt. Man erhält so einen Plasmastrahl 34, der je nach der Lage des Kreuzungspunktes 31 exakt neutralisiert, über-oder unterkompensiert sein kann. Der Ort des Kreuzungspunktes wird von dem Potential der Elektrode 29 bestimmt. Die Verschiebung es Kreuzungspunktes 31 bei der Regelung des Potentials erzeugt eine Veränderung des Aufprallwinkels der äußeren Bahnen des divergierenden Ionenstrahles auf die Kaltkathode 33. Daraus resultiert eine Änderung der Menge, der von der Kaltkathode 33 emittierenden Sekundärelektronen.The ion beam diverges again behind the crossing point 31 . A part of this beam corresponding to the outer paths strikes the electrode at 33 , while the remaining part corresponding to the paths closer to the axis runs next to the cold cathode 33 and, attracted by the ionic space charge, mixes with the secondary electrons emitted by this cold cathode. A plasma jet 34 is thus obtained which, depending on the position of the intersection point 31, can be exactly neutralized, overcompensated or undercompensated. The location of the crossing point is determined by the potential of the electrode 29 . The displacement of the crossing point 31 when regulating the potential produces a change in the angle of impact of the outer paths of the diverging ion beam on the cold cathode 33. This results in a change in the amount of secondary electrons emitted by the cold cathode 33.

Der Strahl 34 entweicht nach außen und erzeugt den gewünschten Schub. öffnungen 39 und 40 sind vorhanden, um eine Verbinung mit dem die Ionenquelle 17 umgebenden Vakuum herzustellen.The jet 34 escapes to the outside and generates the desired thrust. Openings 39 and 40 are provided in order to establish a connection with the vacuum surrounding the ion source 17.

Berechnungen zeigen, daß man mit einem derartigen Antrieb bei Verwendung von Zäsiumionen und bei einer Stromstärke des Strahles von 1 Ampere und einer Extraktionsspannung von 10 Kilovolt einen Schub von ungefähr 17 Gramm erhält.Calculations show that with such a drive, when using cesium ions and at a current strength of the beam of 1 ampere and an extraction voltage of 10 kilovolts, a thrust of approximately 17 grams is obtained.

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Elektrode 32 der Vorrichtung nach F i g. 1. Die Elektrode 32 besitzt eine kegelstumpfartige Erweiterung 41, auf der die Kaltkathode 33 mit Sekundärmission angeordnet ist. Wie in F i g. 1 sind der Kreuzungspunkt 31 sowie teils die Ionenbahnen teils die Bahnen der Sekundärelektronen gezeigt, die sich mischen, um den neutralisierten Strahl 34 zu bilden. Bei dieser Elektrodenform wird der Aufprallwinkel, den die äußeren Bahnen des Ionenstrahles mit der Normalen der Kaltkathode 33 bilden, vergrößert, wodurch der Wert der Sekundäremission dieser Kaltkathode erhöht wird.F i g. FIG. 2 shows another embodiment of the electrode 32 of the device of FIG. 1. The electrode 32 has a frustoconical enlargement 41 on which the cold cathode 33 with secondary emission is arranged. As in Fig. 1 shows the intersection point 31 and partly the ion trajectories and partly the trajectories of the secondary electrons which mix to form the neutralized beam 34. With this electrode shape, the angle of impact that the outer paths of the ion beam form with the normal of the cold cathode 33 is increased, as a result of which the value of the secondary emission of this cold cathode is increased.

In der Ausführungsforin nach F i g. 3 ist die Strahlaustrittsöffnung der Elektrode 32 durch ein Gitter mit geeigneter Durchlässigkeit abgeschlossen, welches aus Material mit hohem Sekundäremissionskoeffizienten ausgeführt ist. Die Durchlässigkeit kann insbesondere so gewählt werden, daß der Bruchteil des von dem Gitter abgefangenen Ionenstrahles angesichts des gewählten Sekundärernissionskoeffizienter etwa ebenso viele Sekundärelektronen erzeugt, wie e5 Ionen in dem von dem Gitter durchgelassenen Bruchteil des Strahles gibt.In the embodiment according to FIG. 3 , the beam exit opening of the electrode 32 is closed off by a grid with suitable permeability, which is made of material with a high secondary emission coefficient. The permeability can in particular be selected so that the fraction of the ion beam intercepted by the grating, in view of the selected secondary emission coefficient, generates approximately as many secondary electrons as there are ions in the fraction of the beam that is transmitted by the grating.

Außerdem kann das Gitter von innen nach außer eine veränderliche Gitterkonstante haben.In addition, the grid can have a variable grid constant from the inside out to have.

Der weitere Vorteil der Vorrichtungen nach F i g. 1 bis 3 besteht darin, daß man keine Magnetspule für die Fokussierung des Ionenstrahles noch des Sekundärelektronenstrahles benötigt, wodurch Gewicht und Kosten der Vorrichtung verringerl werden.The further advantage of the devices according to FIG. 1 to 3 is that there is no need for a magnetic coil for focusing the ion beam or the secondary electron beam, thereby reducing the weight and cost of the device.

Der Nachteil der elektronstatischen Linse bestehl darin, daß sie die in dem verwendeten Gas enthaltenen Ionen verschiedener Masse nicht trennen kann (Isotopenionen oder mehratomige Ionen).The disadvantage of the electrostatic lens is that it has the Can not separate ions of different mass contained in the gas used (Isotope ions or polyatomic ions).

Die in F i g. 4 dargestellte Abwandlung des Gegenstandes der F i g. 1 schließt diesen Nachteil aus. B& dieser Abwandlung wird an Stelle der elektrostatischen Linse nach F i g. 1 eine magnetische Linse angeordnet. F i g. 4 zeigt nur den geänderten Teil, dei sich an die Elemente der F i g. 1 anschließt, deren Bezugszahlen in F i g. 4 wiederholt wird.The in F i g. 4 shown modification of the subject of FIG. 1 eliminates this disadvantage. B & this modification is used instead of the electrostatic lens according to FIG. 1 arranged a magnetic lens. F i g. 4 shows only the modified part, which adapts to the elements of FIG. 1 adjoins, the reference numbers of which in FIG . 4 is repeated.

Am Ausgang der Blende 22 der Ionenquelle l"i durchquert der Strahl 28 die Extraktionselektrode 24, die an dem Rahmen 42 der magnetischen Linse befestigt ist, die durch die Wicklung 43 erregt wird Diese Wicklung wird von einem Strom durchflossen. der von einer nicht dargestellten Quelle geliefert un# mittels des Regelwiderstandes 44 geregelt wird. Dw dichte Gehäuse ist durch ein isolierendes Verbindungsstück 45 zwischen dem Rahmen 42 und dei Quelle 17 und von einem isolierenden Zylinderstilcl 46 im Inneren des Rahmens 42 abgegrenzt. Der Rahmen 42 erhält eine kegelstumpfförmige Ausnehmun# 47, in der die Kaltkathode 33 angeordnet ist.At the exit of the diaphragm 22 of the ion source 1 "i, the beam 28 passes through the extraction electrode 24, which is attached to the frame 42 of the magnetic lens, which is excited by the winding 43. A current flows through this winding from a source not shown supplied and regulated by means of the variable resistor 44. The tight housing is delimited by an insulating connecting piece 45 between the frame 42 and the source 17 and by an insulating cylinder style 46 inside the frame 42. The frame 42 is given a frustoconical recess 47, in which the cold cathode 33 is arranged.

Der lonenstrahl 28 konvergiert nach der Divergem und geht durch den Kreuzungspunkt 31 und divergiert dann von neuem dergestalt, daß seine äußerer Bahnen an die Kaltkathode 33 stoßen, während sich die den achsnahen Bahnen folgenden Ionen, die di( Kaltkathode 33 nicht treffen, mit den den Bahnen l# folgenden Sekundärelektronen mischen und einer neutralisierten Strahl 34 bilden. Wenn die Molekült des verwendeten Gases mehratomig sind, sind z. B die gebildeten Ionen teils einatomig, teils zwei- odei eventuell dreiatomig. In diesem Fall werden di( äußeren Bahnen, welche auf die Kaltkathode X stoßen, vor allem von den zwei- oder eventuell dreiatomigen Ionen durchlaufen, während die einatomi. gen Ionen den Bahnen folgen, die die Kaltkathode 31. nicht treffen und den zu neutralisierenden Strahl bil. den. Die Ionen verschiedener Masse werden somit g( trennt, und das Plasma 34 wird im wesentlichen vor den einatomigen Ionen gebildet.The ion beam 28 converges after the divergence and passes through the crossing point 31 and then diverges again in such a way that its outer orbits meet the cold cathode 33 , while the ions following the orbits close to the axis, which do not hit the cold cathode 33, meet with the Mix orbits of the following secondary electrons and form a neutralized beam 34. If the molecules of the gas used are polyatomic, for example, the ions formed are partly monatomic, partly diatomic, or possibly triatomic the cold cathode X , mainly traversed by the two- or possibly three-atom ions, while the monatomic ions follow the paths that do not hit the cold cathode 31 and form the beam to be neutralized. The ions of different mass are thus g (separates, and the plasma 34 is formed essentially in front of the monatomic ions.

Die Regelung des Stromes der magnetischen Linsc erlaubt in ähnlicher Weise wie die Regelung der Span. nung der elektrostatischen Linse nach F i g. 1, der Kreuzungspunkt 31 zu verlegen und dadurch den Se. kundäremissionswert der Elektrode 48 beliebig zi steuern, indem somit der Neutralisationsgrad de! Plasmastrahles eingestellt wird.The regulation of the current of the magnetic lens allows in a similar way as the regulation of the span. tion of the electrostatic lens according to FIG. 1, to relocate the crossing point 31 and thereby the Se. Control the secondary emission value of the electrode 48 as required by reducing the degree of neutralization de! Plasma jet is set.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Elektrischer Rückstoßantrieb mit einej Ionenquelle, einer Beschleunigungselektrode un( einer von einem Teil des Ionenstrahls getroffenei Kaltkathode, die Sekundärelektronen in da: lonenbündel aussendet, d a d u r c h g e k c n n -z e i c h n e t, daß zwischen Beschleunigungselektrode (24) und Kaltkathode (33) eine ionenoptische Fokussierungslinse (29, 42) angeordnet ist, deren regelbarer Brennpunkt (31) zwischen Fokussierungslinse und Kaltkathode liegt. Claims: 1. An electrical reaction engine with einej ion source, an accelerating electrode un (a getroffenei from one part of the ion beam cold cathode, the secondary electrons in that: lonenbündel emits, d a d u rch g e kc nn -zeichne t, that between the accelerating electrode (24) and Cold cathode (33) an ion-optical focusing lens (29, 42) is arranged, the controllable focal point (31) of which lies between the focusing lens and the cold cathode. 2. Rückstoßantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronenemittierende Oberfläche der Kaltkathode an der Innenwand eines Hohlzylinders (32) vorgesehen ist, der koaxial zu dem lonenstrahl liegt und entlang seines Weges angeordnet ist. 3. Rückstoßantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronenemittierende Oberfläche der Kaltkathode an der Innenwand der konischen Erweiterung (41) eines Hohlzylinders (32) angeordnet ist. 4. Rückstoßantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltkathode durch ein im Strahlengang angeordnetes Gitter (35) gebildet ist. 5. Rückstoßantrieb nach Anspruch 4, dadurch cr gekennzeichnet, daß das Gitter eine veränderliche Gitterkonstante besitzt, die sich mit der Entfernung von der Achse des Strahles verändert. 6. Rückstoßantrieb nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungslinse eine elektrostatische Linse (29) ist. 7. Rückstoßantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der elektrostatischen Linse (29) regelbar ist. 8. Rückstoßantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungslinse eine magnetische Linse (42, 43) ist. 9. Rückstoßantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom der magnetischen Linse regelbar ist. 10. Rückstoßantrieb nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Fokussierungslinse (42, 43) mit einer sich in Strahlrichtung konisch erweiternde Ausnehmung (47) versehen ist, an deren Wänden die Kaltkathode (48) angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 916 353. 2. Recoil drive according to claim 1, characterized in that the electron-emitting surface of the cold cathode is provided on the inner wall of a hollow cylinder (32) which is coaxial with the ion beam and is arranged along its path. 3. Recoil drive according to claim 1, characterized in that the electron-emitting surface of the cold cathode is arranged on the inner wall of the conical extension (41) of a hollow cylinder (32) . 4. recoil drive according to claim 1, characterized in that the cold cathode is formed by a grid (35) arranged in the beam path. 5. recoil drive according to claim 4, characterized in that the grid has a variable grid constant which changes with the distance from the axis of the beam. 6. recoil drive according spoke 1, characterized in that the focusing lens is an electrostatic lens (29) . 7. recoil drive according to claim 6, characterized in that the voltage of the electrostatic lens (29) is adjustable. 8. recoil drive according to claim 1, characterized in that the focusing lens is a magnetic lens (42, 43). 9. recoil drive according to claim 8, characterized in that the exciting current of the magnetic lens can be regulated. 10. recoil drive according to claim 9 or 10, characterized in that the magnetic focusing lens (42, 43) is provided with a conically widening recess (47) in the beam direction, on the walls of which the cold cathode (48) is arranged. References considered: British Patent No. 916 353.