DE19828704A1 - Plasmabeschleuniger-Anordnung - Google Patents

Abstract

Für eine Plasmabeschleuniger-Anordnung, insbesondere zur Anwendung als Ionentriebwerk in einem Raumflugkörper, wird eine Struktur vorgeschlagen, bei welcher ein beschleunigter Elektronenstrahl in eine Ionisationskammer mit Treibstoffgas eingeleitet und als gebündelter Strahl durch die Ionisationskammer entgegen einem elektrischen Verzögerungsfeld, daß zugleich als Beschleunigungsfeld für die durch Ionisation erzeugten Treibstoffionen wirkt, geführt wird. Die Anordnung erzeugt einen gebündelten Strahl eines weitgehend neutralen Plasmas mit einem hohen Wirkungsgrad. Konfigurationen für elektrische und magnetische Felder zur Strahlführung und Strahlfokusierung sind beispielhaft angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmabeschleuniger-Anordnung. Plasmabeschleu­ niger (ion thrusters, electric propulsion systems EPS) sind von erheblicher Be­ deutung als Antriebe in Weltraumflugkörpern sowohl für erdnahe und geosta­ tionäre Satelliten als auch für Raummissionen außerhalb eines Erdorbits. Das Verhältnis von Antriebsimpuls zu eingesetzter Treibstoffmasse als ein Maß für den Wirkungsgrad des Antriebs ist für Plasmabeschleuniger wesentlich günsti­ ger als für konventionelle chemische Antriebe, so daß sich eine für Weltrau­ manwendungen besonders wichtige Verringerung des Gewichtsanteils des Treibstoffs ergibt. Als Treibstoff wird häufig ein Edelgas mit hohem Atomge­ wicht, insbesondere Xenon eingesetzt.

Bei Gitter-Ionentriebwerken wird in einer Ionisationskammer aus neutralem Xe­ non-Gas durch Hochfrequenz oder Elektronenbeschuß ein Plasma erzeugt. Die positiv geladenen Ionen werden in einem angelegten elektrischen Feld in Richtung einer Gitterelektrode in Ausstoßrichtung beschleunigt. Dem be­ schleunigten Ionenstrom muß zur elektrischen Neutralisation ein Strom freier Elektronen zugefügt werden. Der neutralisierte Plasmastrom tritt mit hoher Ge­ schwindigkeit aus dem Triebwerk aus und beschleunigt den Flugkörper in ent­ gegengesetzter Richtung. Durch Raumladungseffekte ist die Ionenstromdichte beschränkt und die Triebwerke dieser Bauart benötigen große Querschnitte bei nur mäßigem Rückstoßimpuls.

Bei Ionentriebwerken nach dem Hallprinzip ist eine ringförmige Ionisations­ kammer von einem zur Ringachse parallelen elektrischen Beschleunigungsfeld und einem radialen Magnetfeld durchsetzt. Von einer externen Elektronen­ quelle werden entgegen der Ionenausstoßrichtung Elektronen in die neutrales Xenon-Gas enthaltende Ionisationskammer geleitet, wo sie aufgrund des Ma­ gnetfelds auf Spiralbahnen gezwungen werden und so die Laufstrecke inner­ halb der Ionisationskammer gegenüber dem direkten Weg zur Anode verviel­ facht und dadurch auch ionisierende Wechselwirkung mit dem Treibstoffgas gesteigert wird. Von der magnetischen Ablenkung sind auch Sekundärelektro­ den betroffen, die in dem elektrischen Feld beschleunigt werden. Die gegebene Feldkonfiguration vermeidet ferner weitgehend die Ausbildung von Raumla­ dungszonen, welche eine Abschirmung des elektrischen Beschleunigungsfelds für die positiven Treibstoffionen bewirken könnten. Die Beschleunigung der positiven Ionen erfolgt daher in einem weitgehend neutralen Plasma. Eine sol­ che Anordnung erlaubt deutlich höhere Stromdichten als eine Gitter-Ionen­ triebwerksanordnung, zeigt aber durch eine große Winkelaufweitung des ausgestossenen Ionenstroms einen nur mäßigen Wirkungsgrad.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasmabeschleu­ niger-Anordnung, insbesondere als Ionentriebwerk in Raumflugkörpern, mit verbessertem Wirkungsgrad anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche ent­ halten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung setzt der in die Ionisationskammer ein­ geleitete gebündelte Elektronenstrahl anfänglich die Ionisation des in der Ioni­ sationskammer befindlichen und/oder in diese eingeleiteten neutralen Treib­ stoffgases in Gang. Die bei der Ionisation freigesetzten Sekundärelektronen werden in dem zur Beschleunigung der positiven Ionen vorgesehenen elektri­ schen Feld in Gegenrichtung beschleunigt und wirken selbst wieder ionisie­ rend. Nach Initiierung des Ionisationsprozesses durch den Elektronenstrahl können die Sekundärelektronen den Hauptteil der weiteren Ionisation über­ nehmen.

Ein weiterer wichtiger Effekt des eingeleiteten Elektronenstrahls ist die Begün­ stigung der Fokussierung eines im elektrischen Beschleunigungsfeld be­ schleunigten Ionenstrahls durch Kompensation der positiven Raumladung des Ionenstroms durch die negative Raumladung des Elektronenstrahls, so daß keine Abschirmung des beschleunigenden elektrischen Felds erfolgt. Das Be­ schleunigungsfeld für die positiven Ionen wirkt für die Elektronen des in glei­ cher Richtung wie der des beschleunigten Ionenstroms laufenden Elektronen­ strahls verzögernd, so daß die Raumladungsdichte des Elektronenstrahls in Richtung der Längsachse der Ionisationskammer zunimmt, was vorteilhaft kor­ respondiert mit der insbesondere im Endabschnitt der Ionisationskammer an­ gestrebten Bündelung des Ionenstrahls. Vorzugsweise sind mittlere Geschwin­ digkeit der Elektronen des Elektronenstrahls und Potentialgefälle des Be­ schleunigungsfelds für die Ionen, was einer Potentialsteigerung für die Elektro­ nen entspricht, so aufeinander abgestimmt, daß am Ende der Beschleuni­ gungsstrecke für die Ionen (bzw. Verzögerungsstrecke für die Elektronen des Elektronenstrahls) die mittleren Geschwindigkeiten von Elektronen des Elek­ tronenstrahls und Ionen des beschleunigten Ionenstroms annähernd gleich sind, so daß ein annähernd neutrales Plasma am Ende der Beschleunigungs­ strecke austritt. Die mittleren Geschwindigkeiten unterscheiden sich vorzugs­ weise um weniger als den Faktor 10.

Der Elektronenstrahl wirkt über die gesamte Länge der Ionisationskammer durch seine negative Raumladung auch als zentraler Attraktor für die positiven Ionen und unterstützt die Fokusierung der beschleunigten Ionen in einen ge­ bündeiten Elektronenstrom und kompensiert gleichzeitig die gegenseitige Ab­ stoßung der Ionen. Einer Aufweitung des Elektronenstrahls kann durch ein Strahlführungs- und/oder Strahlfokusierungssystem aus magnetischen und/oder elektrischen Feldern entgegengewirkt werden. Vorteilhaft ist insbe­ sondere ein magnetisches Strahlführungssystem mit im Strahlbereich zur Strahlrichtung und zur Längsachse der Ionisationskammer im wesentlichen parallelem Feldverlauf. Elektronen des Elektronenstrahls mit einer Bewe­ gungskomponente senkrecht zur Längsachse werden durch das Magnetfeld auf eine Spiralbahn um die Strahlachse gezwungen. Magnetische Strahlfüh­ rungssysteme sind an sich von Elektronenstrahlröhren in vielfältiger Weise und insbesondere bei Wanderfeldröhren in Form von permanentperiodischen Ma­ gnetanordnungen mit entlang der zentralen Achse auftretenden Feldrichtungs­ umkehrungen, an welchen das Feld auch starke radiale Komponenten auf­ weist, bekannt. Auf solche bekannten Strahlführungssysteme wird auch zum Zwecke der Offenbarung verwiesen.

Ein magnetisches Feldsystem ist auch vorteilhaft geeignet, die in dem elektri­ schen Beschleunigungsfeld für die positiven Ionen in entgegengesetzter Rich­ tung beschleunigten langsamen Sekundärelektronen aus den Ionisationspro­ zessen auf spiralförmige oder ähnliche gekrümmte Bahnen zu zwingen. Hier­ durch wird zum einen ein schnelles Auftreffen der Elektronen auf eine der ent­ gegen der Längsachse der Ionisationskammer folgende Elektrode vermieden und die Wahrscheinlichkeit, daß ein Sekundärelektron einen oder mehrere weitere Ionisationsprozesse auslöst, deutlich erhöht, so daß die Ionisation des Treibstoffgases primär durch die Sekundärelektronen erfolgen kann. Zum an­ deren wird durch den längeren Aufenthalt der Sekundärelektronen die bei der Ionisation entstehende positive Raumladung der langsamen Ionen teilweise kompensiert. Schließlich können die Elektronen durch das Magnetfeld auch weitgehend innerhalb der jeweiligen Potentialstufe gehalten und schließlich auf die entgegen der Längsrichtung nächste Elektrode geleitet werden, so daß größere Energieverluste durch über weitere Strecken beschleunigte Sekundä­ relektronen vermieden werden. Die Umlenkung der Sekundärelektronen auf ge­ krümmte Bahnen um die Richtung des auf die Elektronen beschleunigend wir­ kenden Feldes ist besonders wirkungsvoll, wenn die Feldrichtungen des elek­ trischen und magnetischen Feldes senkrecht aufeinanderstehen. Vorteilhafter­ weise sind daher die elektrischen und magnetischen Felder so ausgebildet, daß sich die Feldlinien im überwiegenden Teil, insbesondere mehr als 90% des Volumens der Ionisationskammer kreuzen. Vorzugsweise liegt der zwi­ schen elektrischer und magnetischer Feldrichtung eingeschlossene Winkel in wenigstens 50% des Volumens der Ionisationskammer zwischen 45° und 135° Sowohl magnetisches als auch elektrisches Feld zeigen dabei deutlich bis überwiegend Feldkomponenten parallel zur Längsachse und die mittleren Fel­ drichtungen von elektrischem und magnetischem Feld liegen bevorzugt zu­ sammenfallend auf der Längsachse der Ionisationskammer. Bei einem Ma­ gnetfeld mit Feldrichtungswechseln entlang der Längsachse ist hierbei die mittlere Feldrichtung ohne Beachtung der Polarität zu verstehen.

Eine vorteilhafte Anordnung hierfür sieht eine Feldkonfiguration vor, bei wel­ cher Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Felds und Pole des magneti­ schen Felds in Richtung der Längsachse abwechselnd aufeinanderfolgen und vorzugsweise Elektroden und/oder Polschuhe an der seitlichen Wand der Ioni­ sationskammer angeordnet sind. Die Felder sind bevorzugt drehsymmetrisch oder rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse und zeigen Maxima und Minima ihrer Feldstärken auf der Längsachse. Im einfachsten einstufigen Auf­ bau sind zwei Elektroden in Längsrichtung der Ionisationskammer beabstandet und drei die Ionisationskammer umgebende Polschuhe sind gleichfalls vonein­ ander in Längsrichtung beabstandet und mit wechselnder Polarität so ange­ ordnet, daß je zwei Polschuhe je eine der beiden Elektronen zwischen sich einschließen. In Längsrichtung liegen die Elektroden jeweils zumindest annä­ hernd bei Maxima der magnetischen Feldstärke auf der Längsachse und das Minimum der magnetischen Feldstärke auf der Längsachse am Ort der Fel­ drichtungsumkehr fällt zumindest annähernd mit dem Maximum des elektri­ schen Felds in Längsachsenrichtung zusammen.

Besonders vorteilhaft ist eine mehrstufige Anordnung bei welcher das magneti­ sche Feld auf der Längsachse mehrere Feldrichtungsumkehrungen aufweist und die die Ionisationskammer ringförmig umgebenden Polschuhe mit alternie­ render Polarität in Längsrichtung aufeinanderfolgen und jeweils zwischen zwei Elektroden der elektrischen Elektronenanordnung eingefügt sind. Die mehreren Elektroden bilden Potentialstufen. Das elektrische Feld zeigt aber im Unter­ schied zum magnetischen Feld keine Feldrichtungsumkehr auf der Längsach­ se. Das elektrische Potential ändert sich in Längsrichtung der Ionisationskam­ mer von Stufe zu Stufe monoton. Außerhalb der Längsachse verlaufen die Fel­ der der beiden Feldarten gekreuzt zueinander, wobei vorzugsweise in wenig­ stens 60% des Volumens der von den sich kreuzenden Feldrichtungen einge­ schlossene Winkel zwischen 45° und 135° liegt.

Vorteilhafterweise können die elektrischen und magnetischen Felder so auf­ einander abgestimmt sein, daß ein im Bereich einer elektrischen Potentialstufe zwischen zwei unmittelbar benachbarten Elektroden durch Ionisation erzeugtes Sekundärelektron durch das Magnetfeld möglichst innerhalb dieser Stufe ge­ halten und evtl. nach Bewirkung eines oder mehrerer weiterer Ionisationspro­ zesse auf die entgegen der Längsrichtung nächste Elektrode geleitet wird.

Während die Elektronen aufgrund ihrer geringen Masse einem starken Ma­ gnetfeldeinfluß unterliegen, ist die Bewegung der Ionen im wesentlichen nur durch die elektrischen Felder bestimmt. Die Ionen werden in Richtung des Po­ tentialgefälles beschleunigt und zur Längsachse hin konzentriert, wobei diese Bündelung auch durch die zwischen benachbarten Elektroden entstehenden Feldlinien maßgeblich mitbewirkt wird. Die Ionen können daher aus dem elek­ trischen Feld im Mittel Energie aus mehreren Potentialstufen aufnehmen, wo­ gegen die Energieverluste durch die von den Elektroden eingefangenen Se­ kundärelektronen aufgrund der Einschränkung deren Bewegung auf eine oder zwei Potentialstufen gering bleiben, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad bei der Umsetzung elektrischer Energie in mechanische Energie ergibt.

Die vorzugsweise ringförmigen Elektroden, insbesondere die zwischen zwei weiteren Elektroden eingeschlossenen Zwischenelektroden einer mehrstufigen Anordnung sind für ein zuverlässiges Einfangen von Sekundärelektronen vor­ teilhafterweise in Längsrichtung flächig ausgedehnt, wobei die Länge der Zwi­ schenelektroden in Richtung der Längsachse vorzugsweise mindestens 30%, insbesondere mindestens 80% des Abstands zur jeweils nächsten Elektrode beträgt.

Zur Erzielung der beschriebenen Feldeigenschaften mit Beschränkung der Be­ wegung der Sekundärelektroden und Fokusierung der positiven Ionen durch Feldlinsen beträgt der Durchmesser einer Zwischenelektrode vorzugsweise weniger als 300%, insbesondere weniger als 100% der Elektrodenlänge in Längsachsenrichtung.

Die Erzeugung eines gebündeiten Elektronenstrahls in Form eines Zentral­ strahls oder eines Hohlstrahls ist aus der Technologie der Kathodenstrahlröh­ ren in vielen Variationen bekannt, so daß auf Details hierzu an dieser Stelle verzichtet und auf Anordnungen aus dem Stand der Technik verwiesen wird. Für die Erfindung wird beispielsweise mittels einer Elektronenoptik vom Pierce-Typ ein von einer Kathode gelöster Elektronenstrom in einen laminaren Strahl gebündelt und in die Ionisationskammer entlang der Längsachse eingeleitet. Der Eintrittsbereich des Elektronenstrahls in die Ionisationskammern ist vorteil­ hafterweise als Barriere für in der Ionisationskammer erzeugte Ionen ausgebil­ det, um zu verhindern, daß durch Durchgriff des Kathodenpotentials in die Ioni­ sationskammer Ionen auf die Kathode gelenkt und elektrische Verluste oder gar eine Degradation des Elektronenemissionsvermögens der Kathode verur­ sachen können, oder um einen solchen unerwünschten Ionenstrom zumindest gering zu halten. Als Ionenbarriere kann beispielsweise die erste Elektrode als Ringblende mit gegenüber dem Durchmesser der Ionisationskammer geringem Lochblendendurchmesser ausgeführt sein. Innerhalb der Ionisationskammer wird der Strahl durch das beschriebene Magnetfeld als gebündelter Strahl ge­ führt.

Die Primärelektronen des gebündeiten Elektronenstrahls werden in der zur Be­ schleunigung der Ionen ausgebildeten Potentialdifferenz innerhalb der Be­ schleunigungsstrecke zwischen der ersten und der letzten Elektrode der vor­ zugsweise mehrstufigen Elektrodenanordnung, die bevorzugt im wesentlichen mit der Ionisationskammer identisch ist, verzögert. Ohne zusätzliche Energie­ verluste erreichen die Elektronen das Ende der Verzögerungsstrecke mit einer Restgeschwindigkeit, die sehr viel kleiner sein soll als die Geschwindigkeit am Beginn der Beschleunigungsstrecke (Verzögerungsstrecke für die Elektronen). Das Potential der letzten Elektrode ist hierfür vorteilhafterweise für Elektronen geringfügig niedriger als das Kathodenpotential. Ohne Treibstoffgas in der Io­ nisationskammer können die Elektronen am Ende der Beschleunigungsstrecke mit geringer Restenergie von der dann als Kollektor wirkenden letzten Elektro­ de aufgefangen werden.

Im Realfall mit Treibstoffgas in der Ionisationskammer geben einige der Primär­ elektronen auf dem Weg durch die Ionisationskammer Energie durch Wech­ selwirkung mit dem Treibstoffgas, insbesondere durch Anregung und Ionisation von Treibstoffgas ab und verlieren an Geschwindigkeit. Der hierauf beruhende Geschwindigkeitsverlust ist aber typischerweise sehr klein gegenüber der An­ fangsgeschwindigkeit und kann bei der Einstellung des Potentials der letzten Elektrode zur Erzielung eines neutralen Plasmas im austretenden Plasmastrahl berücksichtigt, insbesondere empirisch bestimmt werden.

Die Zuführung des Treibstoffgases erfolgt bevorzugt durch seitliche Wandöff­ nungen der Ionisationskammer in einem Bereich, der sowohl von der Eintritts­ seite des Elektronenstrahls als auch von der Austrittsseite des Plasmastrahls beabstandet ist. Vorzugsweise ist der Zuführungsbereich in einem Abstand zwischen 10% und 40% der Länge der Ionisationskammer in Längsrichtung vom Elektronenstrahleintritt entfernt.

Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen Merkmale sind sowohl einzeln als auch in Kombinationen vorteilhaft realisierbar.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Be­ zugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen mehrstufigen Aufbau

Fig. 2 Feldverläufe für eine mehrstufige Anordnung

Fig. 3 Feldverläufe für eine einstufige Anordnung.

Die in Fig. 1 als Längsschnitt entlang einer Längsachse Z skizzierte Anordnung weist um die Längsachse Z eine Ionisationskammer IK auf, die beispielsweise rotationssymmetrisch um die Längsachse Z aufgebaut ist. Die Längsausdeh­ nung der Ionisationskammer IK in Richtung der Längsachse Z sei wesentlich größer als der Durchmesser DK der Ionisationskammer senkrecht zur Längs­ achse Z. Die Ionisationskammer IK sei durch eine zylindrische Seitenwand quer zur Längsachse abgegrenzt.

Entlang der Seitenwand sind Magnetpolschuhe PP und Elektroden E1, E2 bis E5 angeordnet, wobei die Polschuhe und die Elektroden zumindest an ihren zur zentralen Längsachse Z hinweisenden Seiten rotationssymmetrisch ausge­ bildet sind. Die Magnetpolschuhe PP lenken den in von der Ionisationskammer IK radial beabstandet angeordneten Permanentmagneten PM erzeugten ma­ gnetischen Fluß in radialer Richtung um, so daß jeder Polschuh PP einen ma­ gnetischen Pol bildet, wobei in Längsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgende Polschuhe Magnetpole entgegengesetzter Polarität bilden. Das sich in der Io­ nisationskammer IK zwischen den Polschuhen ausbiidende magnetische Feld zeigt daher an der Stelle jedes Polschuhs PP eine Feldrichtungsumkehr. Eine solche Magnetfeldanordnung ist an sich als permanentperiodisches Magnetsy­ stem aus der Technologie der Wanderfeldröhren hinreichend bekannt.

Die zwischen den Polschuhen PP angeordneten Elektroden E1 bis E5 liegen auf verschiedenen Potentialen A1, A2 bis A5. Die Elektrodenanordnung wird ergänzt durch eine Kathode K und eine Anode E0. Die Kathode K und die An­ ode E0 bilden ein Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung eines gebündelten Elektronenstrahls EB aus einem laminaren Elektrodenstrom E5. Strahlsysteme zur Erzeugung und Fokusierung eines Elektronenstrahls sind gleichfalls aus dem Stand der Technik in vielfacher Ausführung bekannt. Die Anodenelektrode E0 bildet zusammen mit den die Ionisationskammer seitlich begrenzenden Elektroden E1 bis En eine Elektrodenanordnung mit einem für Ionen monoto­ nen Potentialgefälle vom Potential A0 der Anodenelektrode E0 bis zum Poten­ tial A5 der Elektrode E5 mit A0 < A1 < A2 < A3 < A4 < A5 für positiv geladene Ionen. Für die negativ geladenen Elektronen des Elektronenstrahls EB bildet die Potentialreihe A0 bis A5 ein Bremspotential, welches die Anfangsge­ schwindigkeit der Elektronen des Elektronenstrahls EB beim Fortschreiten entlang der Längsachse Z stetig verringert. Für Elektronen gilt somit A5 < A0. Das Potential AK der Kathode K für Elektronen wird geringfügig höher gewählt als das Potential A5, so daß die Elektronen des Elektronenstrahls EB nach Durchlaufen der Ionisationskammer bis zur Elektrode E5 noch eine geringe Restgeschwindigkeit besitzen. Der Elektronenstrahl EB wird in der Ionisations­ kammer durch das zwischen den Polschuhen aufgebaute Magnetfeld HK als gebündelter Strahl geführt.

Der Ionisationskammer wird durch die Seitenwand neutrales Treibstoffgas TG zugeführt. Die Elektronen des Elektronenstrahls EB treten mit dem neutralen Treibstoffgas in Wechselwirkung und bewirken eine teilweise Ionisation des Gases. Die dabei entstehenden positiv geladenen Ionen werden in Richtung des Potentialgefälles von A0 nach A5 beschleunigt und dabei von dem gebün­ deiten Elektronenstrahl EB sowie den durch die aufeinanderfolgenden Elektro­ den gebildeten Feldlinsen zur Längsachse Z hin gebündelt. Die bei der Ionisa­ tion freiwerdenden Sekundärelektronen haben zu Beginn eine sehr geringe Geschwindigkeit in statistisch variierender Richtung. Die Sekundärelektronen werden in dem elektrischen Feld EK zwischen den einzelnen Elektroden be­ schleunigt, wobei die Richtung der Beschleunigung der Beschleunigungsrich­ tung der Ionen entgegengerichtet ist. Die beschleunigten Sekundärelektronen werden durch das zugleich in der Ionisationskammer IK vorliegende Magnet­ feld HK umgelenkt und auf gekrümmte Bahnen um die Richtung des beschleu­ nigenden elektrischen Felds gezwungen. Hierdurch wird die Aufenthaltsdauer der Elektronen in einer Stufe zwischen zwei Elektroden erheblich verlängert und die Wahrscheinlichkeit, daß ein solches Sekundärelektron einen weiteren Ionisationsprozeß auslöst, wird stark erhöht. Die Sekundärelektronen werden schließlich von einer der in Richtung der Anode E0 folgenden Elektroden ein­ gefangen. Die längere Verweildauer der Elektronen in der Ionisationskammer zwischen zwei Elektronen bis zum Auftreffen auf eine Elektrode trägt auch da­ zu bei, daß der schnelle Aufbau einer positiven Raumladung durch die positiv geladenen Ionen und somit eine Abschirmung des die Ionen beschleunigenden Feldes vermieden wird.

Die Ionisation von Treibstoffgas TG sowohl durch die Primärelektronen des Elektronenstrahls EB als auch durch Sekundärelektronen aus vorangegange­ nen Ionisationsprozessen verteilt sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Ionisationskammer. Die entlang des Potentialgefälles zwischen A0 und A5 in Richtung der Längsachse Z beschleunigten und um die Längsachse Z ge­ bündelten Ionen bilden am Ausgang KA der Ionisationskammer zusammen mit den verzögerten Elektronen des gebündelten Elektronenstrahls EB einen weit­ gehend neutralen Plasmastrahl PB mit nur geringer Strahldivergenz.

Die Anodenelektrode E0 ist zugleich als Elektronenbarriere ausgebildet und weist die Form einer Blendenelektrode mit einer gegenüber dem Durchmesser DK der Ionisationskammer kleinen Durchmesser der Blendenöffnung auf. In der Fig. 1 sind als Beispielswerte für die Potentialschritte die auf die letzte Elektro­ de E5 bezogenen Spannungen der Elektroden E0 bis E4 eingetragen. Die Spannung der Kathode K ist gegenüber der letzten Elektrode E5 leicht negativ. Die Pole der Magnetanordnung sind in gebräuchlicher Weise mit S und N un­ terschieden.

Die Fig. 2 zeigt qualitativ den Feldverlauf und die Elektronenladungsverleitung entlang der Längsachse Z für einen Ausschnitt aus der Struktur nach Fig. 1. In der Darstellung der Fig. 2 sind neben den Feldverläufen und Ladungsvertei­ lungen der Elektronen auch noch die Elektroden E0, E1, . . . sowie die Polschu­ he PP andeutungsweise an ihren Positionen entlang der Z-Achse eingezeich­ net. Der Primärelektronenstrahl EB ist symmetrisch zu beiden Seiten der Längsachse Z eingetragen, wogegen die Häufungen EC der Sekundärelektro­ nen der Übersichtlichkeit halber lediglich auf einer Seite der Längsachse Z eingetragen sind. Mit Ez und Hz sind die Feldstärken auf der Längsachse bzw. deren unmittelbarer Umgebung eingetragen. Die Längsachse Z bildet die Ab­ szisse der Darstellung und die Ordinate gibt die Feldstärke Ez bzw. Hz Quali­ tativ an. Das elektrische Feld Ez auf der Längsachse ist an den Positionen der Elektroden E0, W1, . . . minimal und in der Mitte zwischen den Elektroden maxi­ mal. Es findet dabei keine Richtungsumkehr des Feldes statt, so daß die elek­ trische Feldstärke in der Darstellung das Vorzeichen nicht ändert. Die Ma­ gnetfeldstärke in Z-Richtung auf der Längsachse zeigt Minima an den Orten der Polschuhe PP und Maxima zwischen zwei benachbarten Polschuhen. Im Unterschied zum elektrischen Feld tritt für das magnetische Feld an den ein­ zelnen Polschuhen jeweils eine Feldrichtungsumkehr auf, welche sich in der Skizze als ein Durchgang durch die als Nullinie gedachte Längsachse Z dar­ stellt und als Vorzeichenwechsel behandelt werden kann. Die bei Ionisations­ prozessen entstehenden Sekundärelektronen werden durch das elektrische Feld in der Ionisationskammer beschleunigt und durch das magnetische Feld auf gekrümmte Bahnen gezwungen. Es tritt eine Häufung von Elektronen, d. h. eine erhöhte Konzentration von Elektronen in ringförmigen Bereichen EC um die Längsachse Z auf, welche bezüglich der Längsrichtung ungefähr bei den Minima des elektrischen bzw. Maxima des magnetischen Feldes liegen.

Die Fig. 3 zeigt in vergleichbarer Darstellung wie in Fig. 2 Feldverläufe und Elektronenverteilungen für eine einstufige mit zwei Elektroden E1, E2 auf Po­ tentialen A0 bzw. A1 sowie mit einer Magnetanordnung mit drei Polschuhen PP1, PP2 und PP3, von denen jeweils zwei je eine der beiden Elektroden E1 bzw. E2 einschließen. Die Feldanordnung einer solchen Einzelstufe zeigt ähn­ lich zu der in Fig. 2 skizzierten Verteilung Minima der elektrischen Feldstärke auf der Achse an den Orten der Elektroden E1, E2 sowie ein Maximum der elektrischen Feldstärke Ez auf der Achse zwischen den beiden Elektroden. Die Magnetfeldstärke Hz auf der Längsachse Z erreicht ein Minimum im Bereich des mittleren Polschuhs PP2, wo auch eine Feldrichtungsumkehr stattfindet. Maxima der magnetischen Feldstärke liegen wieder im Bereich der Elektroden E1 und E2, wo die elektrische Feldstärke Ez auf der Achse Minima aufweist. Die Wirkungsweise bei der Entstehung von ringförmigen Elektronenwolken EC um die Längsachse Z entspricht den Ausführungen zu Fig. 2.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele be­ schränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Können in mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere sind hinsichtlich der Abmessungen der Ionisati­ onskammer, der Größenverhältnisse von Elektroden, Elektrodenabstände, Elektrodendurchmesser eine Vielzahl von auf den Einzelfall abgestimmten Va­ riationen denkbar. Die Abstände der Elektroden und/oder der Polschuhe sowie die Länge der Elektroden in Richtung der Längsachse ist bei mehrstufigen An­ ordnungen nicht zwangsweise für alle Stufen konstant. Das Potentialgefälle ist zwischen den ersten und der letzten Elektrode nicht notwendigerweise linear, sondern kann im Einzelfall auch einen nichtlinearen Verlauf annehmen. Die Plasmabeschleuniger-Anordnung ist nicht auf den beschriebenen bevorzugten Anwendungsfall eines Ionentriebwerks für einen Raumflugkörper beschränkt, sondern auch zur berührungslosen Materialbearbeitung unter Einsatz hoher Leistungsdichten wie beispielsweise beim Schweißen, Löten, Schneiden oder dgl. auch von hochschmelzenden Metallen vorteilhaft einsetzbar.

Claims (20)

1. Plasmabeschleuniger-Anordnung mit einer Ionisationskammer um eine Längsachse, mit einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines elektri­ schen Potentialgefälles für positiv geladene Treibstoffionen über eine Be­ schleunigungsstrecke entlang der Längsachse, und mit Mitteln zur Einleitung eines gebündelten Elektronenstrahls entlang der Längsachse in die Ionisati­ onskammer.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein magnetisches Strahlführungssystem zur Führung des Elektronenstrahls entlang der Längsachse.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlfüh­ rungssystem eine Permanentmagnetanordnung enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ma­ gnetische Strahlführungssystem entlang der Längsachse eine oder mehrere Richtungsumkehrungen aufweist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung über die Beschleunigungsstrecke eine oder mehrere Zwischenelektroden entsprechend einer Unterteilung des Potenti­ algefälles in mehrere Stufen aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischene­ lektroden an der seitlichen Begrenzung der Ionisationskammer angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Län­ ge der Zwischenelektroden in Richtung der Längsachse mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 80% des Abstands zur jeweils nächsten Elektrode beträgt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser einer Zwischenelektrode weniger als 300%, insbe­ sondere weniger als 100% der Elektrodenlänge in Richtung der Längsachse beträgt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Pole des magnetischen Strahlführungssystems und Elektroden der Elektrodenanordnung in Richtung der Längsachse abwechselnd aufeinan­ derfolgen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische und magnetische Felder in einem weit überwiegenden Teil, insbesondere mehr als 90% des Volumens der Ionisationskammer gekreuzt verlaufen.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in mehr als 60% des Volumens der Ionisationskammer der zwischen elektrischer und magnetischer Feldrichtung eingeschlossene Winkel zwischen 45° und 135° liegt.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des elektrischen Potentialgefälles geringfügig, insbesondere um weniger als 10% niedriger ist als die mittlere kinetische Energie der Elektronen des Elektronenstrahls am Eintritt in die auf die Elektronen verzö­ gernd wirkende Beschleunigungsstrecke.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem am Ende der Beschleunigungsstrecke austretenden Plas­ mastrahl die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen annähernd gleich der mittleren Geschwindigkeit der positiv geladenen Ionen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mitt­ leren Geschwindigkeiten von Elektronen und Ionen um maximal den Faktor 10 unterscheiden.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsstrecke zur Seite des Eintritts des Elektronen­ strahls durch eine Ionenbarriere abgeschlossen ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode am Beginn der Beschleunigungsstrecke als eine Blen­ denelektrode mit einer zentralen Öffnung für den Elektronenstrahl, deren Durchmesser wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Ionisations­ kammer, ausgeführt ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß neutraler gasförmiger Treibstoff der Ionisationskammer seitlich zuge­ führt ist.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Treib­ stoffzufuhr in einem Bereich zwischen 10% und 40% des Längenverlaufs der Ionisationskammer von der Seite des Eintritts des Elektronenstrahls beab­ standet erfolgt.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Ionisationskammer wesentlich größer als deren Durch­ messer, insbesondere größer als das 3-fache des Durchmessers ist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsstrecke und die Ionisationskammer im wesentli­ chen identisch sind.