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Ionentriebwerk Die Erfindung betrifft ein Ionentriebwerk mit einer
von einer Grenzelektrode abgeschlossenen Entladungskammer zur Erzeugung einer Gasentladung
und einer Beschleunigungselektrode.
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Bei derartigen, zinn Antrieb von Raumfahrzeugen dienenden Ionentriebwerken
werden Atome eines Treibstoffes, beispielsweise
in Dampfform vorliegendes
Quecksilber ionisiert, und die dabei entstandenen Ionen durch eine zwischen der
Grenzelektrode und der Beschleunigungselektrode angelegte Gleichspannung elsektrostatisch
besctileunigt; vgl. US-PS 3 156 090. Der das Triebwerk verlassende, positiv aufgeladene
Ionenstrahl wird durch Injektion von Elektronen beispielsweise mittels einer Hohlkathode,
neutralisiert, da sonst das Triebwerk durch die in ihm verbleibenden Elektronen
sich negativ auflädt und funktionsuntüchtig wird.
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Bei den bisher bekannten Ionentriebwerken ist es aus baulichen Gründen
notwendig, daß der Neutralisator außerhalb des Ionenstrahles angeordnet ist. Die
Spannung zwischen der Elektronenquelle des Neutralisators und dem Ionenstrahl muß
dabei so klein wie möglich gehalten werden, um die Eingangsleistung des Elektronenstrahls
zu reduzieren.
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Aus diesem Grund werden im allgemeinen zur Neutralisation des Ionenstrahls
Hohlkathoden benutzt, die eine Plasmabrücke zwischen dem Neutralisator und dem Ionenstrahl
aufbauen. Um die Kopplungsspannung zwischen der Elektronen erzeugenden Hohlkathode
und dem Ionenstrahl so klein wie möglich zu halten, sind diese Hohlkathoden am Außenumfang
des Ionenstrahles in einem Abstand von etwa 2 cm angeordnet, jedoch ist auch damit
eine Beeinflussung des Ionenstrahles durch die Kopplungsspannung nicht vermieden.
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Für diesen herkömmlichen Aufbau eines lonentriebwerkes sind somit
zwei voneinander unabhängige Systeme zur Ionen-und zur Elektronenerzeugung notwendig.
Dadurch wird der Aufbau des Ionentriebwerks kompliziert, da z.B. für eine zur Neutralisation
des Ionenstrahles dienende Hohlkathode ein Treibstofftördersystem, ein Verdampfer
und die zugehörigen Energieversorgungs- und Steuerungsanlagen notwendig
sind.
Zudem wird die Betriebssicherheit durch die zwei Systeme verringert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ionentriebwerk von einfachem Aufbau
ohne Neutralisatorelektrode zu schaffen, Diese Aufgabe ist für ein Ionentriebwerk
mit einer von einer Grenzelektrode abgeschlossenen Entladungskalnmer zur Erzeugung
einer Gasentladung und einer Beschleunigungselektrode dadurch gelöst, daß zwischen
der Grenz- und der Beschleunigun>jselektrode eine Hochfrequenzwechselspannung
al1geschlossen ist, der eine mit ihrem negativen Pol an der Besc,lleunigungselektrode
liegende konstante Gleichspannung überlagert ist.
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Die Grenzelektrode ist somit eine gleichzeitig Ionen und Elektronen
abgebende Elektrode; während der positiven phase der Hochfrequenzwechselspannung
werden nur die Elektronen und während der negativen Phase nur die Ionen aus dem
Entladungsraum durch ie Grenzelektrode gezogen, vom Beschleunigungswechselfeld erfaßt
und zur Beschleunigungselektrode befördert, so daß Inen und Elektronen periodisch
in Gruppen die Beschleunigungselektrode verlassen. Damit sowohl Ionen als auch Elektronen
trotz ihrer unterschiedlichen Massen die Beschleunigungselektrode erreichen, ist
der Hochfrequenzwechselspannung die Gleichspannung überlagert, die zur Beschleunigung
der schwereren Ionen eine Verstärkung der negativen Phase und zur Beschleuneigung
der leichteren Elektronen eine entsprechende Abschwächung der positiven Phase des
Beschleunigungswechselfeldes bewirkt. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses von
überlagerter Gleichspannung zur Amplitude der Hochfrequenzwechselspannung kann man
erreichen, daß das Geschwindigkeitsspektrum der Elektronen und Ionen beim Passieren
der beschleunigungselektrode ungefähr gleich ist0 Da die Elektronen und Ionen die
Beschleunigungselektrode
periodisch in Gruppen mit etwa gleichem
Geschwindigkeitsspektrum verlassen, vermischen sich die beschleunigten Ladungsträger
sofort nach dem Verlassen der Beschleunigungselektrode und bilden einen neutralisierten
Ionenstrahl, ohne daß eine zusätzliche Neutralisatorelektrode nötig ist.
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Das Ionentriebwerk wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung noch dadurch veninfacht, daß die der Beschleunigung von Ionen und Elektronen
dienende Hochfrequenzwechselepannung gleichzeitig an die der Erzeugung von Ionen
und Elektronen dienende Entladungskammer angeschlossen ist.
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Damit ist ein Ionentriebwerk geschaffen, das lediglich aus einem Hochfrequenzsystem
besteht und einfachen Aufbau und Betriebssicherheit gewährleistet. Zudem ist auch
die Lebensdauer eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Ionentriebwerkes höher als
die bekannter Ionentriebwerke, da thermisch beanspruchte Hohl- oder Oxidkathoden
vermieden sind.
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Es ist zwar bekannt, Ionentriebwerke mit einer Hochfrequenzwechselspannungsquelle
zu verwenden; vgl. H. Löb: State of the Art and Recent Developments of the Radio
Frequency Ion Motors; AIAA 7th Electric Propulsion Conference, Williamsburg, Va.,
AIAA Paper 69 - 285, 1969. Die Hochfrequenz dient bei diesen Triebwerken aber lediglich
zur Ionisation des Neutralbases, nicht wie bei der Erfindung auch zur Beschleunigung
der geladenen Teilchen. Daher müssen bei dem bekannten Triebwerk zur Neutralisation
des die Beschleunigungselektrode verlassenden Ionenstrahls außen liegende Neutralisatorelektroden,
wie z.B.
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Hohlkathoden vorgesehen werden, deren Lebensdauer aber nicht die des
Hochfrequenzteiles des Triebwerkes erreichten können.
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Die Erfindung wird im folgenden in zwei Ausführungsbeispielen anhand
der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen im einzelnen: Fig. 1 schematisch das Prinzip eines Ionentriebwerkes
gemäß der Erfindung; Fig. 2 ein Diagramm des Beschleunigungswechselfeldes zur Verdeutlichung
des Beschleunigungsvorganges; Fig. 3 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Ionentriebwerkes gemäß der Erfindung und Fig. 4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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In einer Entladungskammer 1, die durch eine als Viellochblende ausgeführte
Grenzelektrode 2 begrenzt wird, vgl.
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die Fig. 1, befindet sich ein aus Ionen, Elektronen und Neutralgasatomen
zusammengesetztes Plasma. In einigem Abstand von der Grenzelektrode 2 ist eine ebenso
ausgebildete Beschleunigungselektrode 3 angeordnet. Zwischen den beiden Elektroden
2 und 3 liegt eine Hochfrequenzwechselspannungsquelle 4 und eine dieser parallelgeschaltete
Gleichspaimungsquelle 5. Die Gleichspannungsquelle 5 ist dabei derart gepolt, daß
ihr negativer Pol mit der Beschleunigungselektrode 3 verbunden ist. Zwischen den
beiden Elektroden 2 und 3 entsteht dadurch ein elektrisches Wechselfeld, siehe die
Fig. 2, durch das im positiven Bereich, in der Fig. 2 mit I bezeichnet, aus dem
Entladungsraum durch die Grenzelektrode 2 Elektronen in den durch die beiden Elektroden
2 und 3 gebildeten Beschleunigungsraum gezogen werden. Im negativen Bereich des
elektrischen Wechselfeldes, in der Fig.2 mit II bezeichnet, werden aus der Entladungskammer
1 über die Grenzelektrode 2 die positiv geladenen Ionen extrahiert und zur Beschleunigungrselektrode
3 beführt.
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Da die Elektronen eine sehr viel geringere Masse als die Ionen haben,
ist Spannung und Polarität der Gleichspannungsquelle 5 so gewählt, daß die Beschleunigung
der Elektronen und Ionen gleich groß ist.
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Die das Beschleunigungsgitter periodisch jeweils in Gruppen verlassenden
Ionen lol und Elektronen 102 vermischen sich in dem Gebiet hinter der Beschleunigungselektrode
3, so daLd der Ionenstrahl neutralisiert ist. Eine zusätzliche Elektrode zur Neutralisation
des Ionenstrahls entfällt auf diese Weise.
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Die Erzeugung des in der Entladungskammer 1 befindlichen Plasmas geschieht,
wie die Fig. 3 zeigt, auf einfache Weise mittels der auch zur Beschleunigung dienenden
Hochfrequenzwechs elspannungsquelle 4. Das über einen Stutzen 11 in Richtung des
Pfeiles 12 über eine poröse Metallelektrode 13 in die Entladungskainmer gelangende
Neutralgas wird hier in bekannter Weise durch das Anlegen einer Hochfrequenzwechselspannung
auf kapazitivem Wege ionisiert und, wie schon zur Fig0 1 beschrieben, durch die
Grenzelektrode 2 in den Beschleunigungsraum extrahiert.
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Unter Vermeidung der Grenzelektrode 2 läßt sich das Ionentriebwerk,
wie in Fig. 4 gezeigt, noch weiter vereinfachen. Hierbei ist der Entladungsraum
1 direkt durch die Beschleunigungselektrode 3 begrenzt. Tritt über den Stutzen 11
in Pfeilrichtung 12 Neutralgas durch die poröse Metallelektrode 13, so wird es durch
das angelegte Hochfrequenzwechselfeld kapazitiv an irgendeiner Stelle des Entladungsraumes
1 ionisiert. Sofort nach der Ionisation werden die Ionen lol und die Elektronen
102 von dem Wechselfeld erfaßt und beschleunigt; nach Verlassen der Beschleunigungselektrode
3 vermischen sich die Ionen 101 und Elektronen 102 zu einem
neutralisierten
Ionenstrahl.
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Durch diese Variante des in der Fig.3 dargestellten Ionentriebwerkes,
bei der also die Grenzelektrode 2 durch eine aus bei der Gas entladung entstandenen
Ionen lol und Elektronen 1o2-aufgebaute virtuelle Elektrode 201 ersetzt ist, sind
die Verluste durch Rekombination, Ladungsaustausch und Wandverluste besonders gering,
da die Ionen und Elektronen sofort nach ihrer Entstehung von dem Beschleunigungsfeld
erfaßt und abgezogen werden.
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Selbstverständlich ist die in den Piguren gezeigte Anordnung der Hochfrequenzwechselspannungsquelle
4 und der Gleichspannungsquelle 5 nur beispielhaft, so daß z.B. auch eine Serienschaltung
der Gleich- und Hochfrequenzwechselspannungsquelle oder die Verwendung jeweils einer
Hochfrequenzwechselspannungsquelle zur Ionisation des Neutralgases und einer zur
Beschleunigung der Ionen und Elektronen denkbar ist; auch kann anstelle der Viellochblende
eine Einlochblende als Grenz- oder Beschleunigungselektrode verwendet werden.
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Da sich die Erfindung lediglich auf die Art der Besclileunigung der
Ladungsträger bezieht und nicht auf deren Erzeugung, wird der Erfindungsgedanke
nicht verlassen, wenn anstelle einer kapazitiven Hochfrequenzionisation z.B. eine
induktive oder auch eine elektrostatische Gas entladung verwendet wird.
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-Patentansprüche:-