EP1442640B1 - Plasmabeschleuniger-anordnung - Google Patents

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Publication number
EP1442640B1
EP1442640B1 EP02785332A EP02785332A EP1442640B1 EP 1442640 B1 EP1442640 B1 EP 1442640B1 EP 02785332 A EP02785332 A EP 02785332A EP 02785332 A EP02785332 A EP 02785332A EP 1442640 B1 EP1442640 B1 EP 1442640B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma chamber
magnetic field
plasma
longitudinal direction
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02785332A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1442640A1 (de
Inventor
Günter KORNFELD
Gregory Coustou
Gregory Emsellem
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales Air Systems and Electron Devices GmbH
Original Assignee
Thales Electron Devices GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales Electron Devices GmbH filed Critical Thales Electron Devices GmbH
Publication of EP1442640A1 publication Critical patent/EP1442640A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1442640B1 publication Critical patent/EP1442640B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the invention relates to a plasma accelerator arrangement
  • Plasma accelerator arrangements serve as drives for spacecraft, for example.
  • a working gas is ionized in a plasma chamber and the ions are accelerated in an electrostatic field and ejected by means of supplied electrons as a neutralized plasma jet.
  • Hall thruster whose annular plasma chamber is penetrated by a substantially radial static magnetic field.
  • Hall thrusters are known, for example from the EP 0541309 A1 or the US 5847493 ,
  • DE-AS1222589 shows a plasma accelerator arrangement in which an arc discharge is ignited by an electrostatic field between the anode and cathode in a longitudinally bounded by an anode and a cathode plasma chamber.
  • the resulting ions are withdrawn through an outside of the plasma chamber and separated from this by an insulated electrode arranged annular ion acceleration electrode and expelled accelerated.
  • An energetic collimated electron beam supplied from the cathode side on the central axis of the array passes through the plasma chamber and exits with the electrons of the electron beam through the accelerating electrode and neutralizes the ion beam.
  • a magnetic collimator field parallel to the longitudinal axis focuses the particle streams around the central axis. Additional electrostatic acceleration stages with magnetic bundling can be connected to the acceleration electrode.
  • a plasma accelerator which successively has a plasma generator chamber and a plasma accelerator chamber, through which working gas is passed through.
  • a winding arrangement generates a beam-parallel magnetic field.
  • successively several stabilizing electrodes comprising the beam are arranged.
  • a plasma accelerator arrangement in which a high-energy bundled electron beam is introduced into a longitudinally bounded by an anode and an end electrode plasma chamber and guided along the central axis by a magnet arrangement becomes.
  • a plurality of intermediate electrodes are provided, which divide the potential difference between the anode and the end electrode in several stages.
  • the magnet arrangement shows the peculiarity that the magnetic field generated by it in the plasma chamber periodically reverses its polarity and longitudinally alternately field sections of the first type and second type occur, wherein in the sections of the first kind the field lines predominantly radially, ie perpendicular to the longitudinal direction, and in the sections of the second kind, the field lines are predominantly axial, ie parallel to the longitudinal direction.
  • the first-type sections preferably lie between two longitudinally successive electrodes and form barriers for electrons accelerated towards the anode. Such a multi-level arrangement with the electron barriers allows an increase in the efficiency of the plasma accelerator.
  • the DE 10014033 A1 describes a plasma accelerator arrangement with a similar magnetic field arrangement for an annular plasma chamber and an electron source located at the end of the plasma chamber.
  • One from the DE 10014033 A1 known plasma accelerator arrangement provides to initiate in an annular plasma chamber from the anode side accelerated electrons in the form of a cylindrical hollow beam in the plasma chamber.
  • the US 6215124 B1 describes an ion accelerator in the manner of a Hall thruster with an annular plasma chamber and a substantially radial magnetic field between a radially inner first and a radially outer second magnetic pole.
  • a plurality of electrodes are arranged at different radial distances from the exit of the plasma chamber at the jet exit side of the plasma chamber at their jet direction essentially transversely to the jet direction and outside the plasma chamber Intermediate potentials between the cathode potential and the anode potential or below.
  • a magnetic short circuit around the anode region shifts a maximum of the longitudinal gradient of the magnetic field in the direction of the exit of the plasma chamber and preferably to the outside.
  • the present invention has for its object to further improve such a plasma accelerator arrangement, in particular with regard to the efficiency.
  • the grading of the present over the length of the plasma chamber potential difference in an output side last potential level with relatively high and one or more anode-side potential levels with contrast small potential difference, as in the claims and subsequently specified even more precise ratios, is in the acceleration stage and thus at a Position, where the ion concentration by ionization of the previous stages is already high, a high potential difference for accelerating the ions to a high speed and thus large momentum available, whereas the contrast, low potential difference of the preceding stages is particularly favorable for the ionization of the working gas.
  • the acceleration stage for the duplication of the ionization electrons supplied there by impact ionization and thereby resulting secondary electrons available is in the acceleration stage and thus at a Position, where the ion concentration by ionization of the previous stages is already high, a high potential difference for accelerating the ions to a high speed and thus large momentum available, whereas the contrast, low potential difference of the preceding stages is particularly favorable for the ionization of the working gas.
  • Ionization electrons are understood here and below to mean the electrons which are accelerated in the electrostatic field towards the anode and, when they are influenced by the magnetic field, generate positively charged ions of the working gas.
  • the term ionization electron at the same time delimits these electrons from the electrons designated as neutralization electrons, which are emitted to the outside with the accelerated ion beam and ensure a charge-neutral plasma jet.
  • Ionization electrons and neutralization electrons can originate, at least partially, from the same electron source.
  • the last or exit-side potential stage is the section between an end electrode arranged at the exit of the plasma jet from the plasma chamber and one of the intermediate electrode closest to the anode.
  • the potential difference between the end electrode and the next intermediate electrode occurring in this potential stage is referred to as the last potential difference.
  • the present in the plasma chamber magnetic field configuration in connection with the electrode assembly within the plasma chamber, preferably in the form of a longitudinally alternating sequence of sections of the first kind with predominantly radially, ie perpendicular to the longitudinal direction of the plasma chamber extending field lines and sections of the second type with predominantly axial lines, ie parallel to the longitudinal direction of the plasma chamber extending field lines, and in particular the existing in the plasma chamber magnetic field with the magnetic field portion in the last potential level in conjunction with the large potential difference of the exit side last potential level.
  • the intermediate electrodes are preferably located between adjacent magnetic field sections of the first type with predominantly radial course of the magnetic field.
  • a magnetic field section of the first type prevents the ionization electrons supplied to the last potential step from being accelerated to a high degree and striking one of the next electrodes while losing the energy absorbed thereby. Rather, a magnetic field portion of the first type forms a barrier to the accelerated in the electrostatic field electrons by these are forced to drift paths with predominantly transverse to the longitudinal direction of motion component and gradually reduce the energy from the electrostatic field by impact ionization until they overcome the barrier.
  • a high amplification factor of the ionization electrons already results in the next potential stage, which is called the last stage, near the plasma jet exit, so that even the last potential stage transfers a high number of electrons to the penultimate potential stage.
  • the magnetic field section of the first type in the last potential stage is advantageously located between the electrodes forming the last step, in particular in a region where the electrostatic field is substantially axial and has high values.
  • the ions are not significantly affected by the magnetic field in their movement and accelerated axially high by the electrostatic field of the last potential level, the high acceleration in the longitudinal course of the plasma chamber advantageously by the inventive inequality of the potential levels only in a range uses, in which the degree of ionization of the working gas is very high, so that the last potential level, which includes almost the entire potential difference of the arrangement, can be exploited substantially for all working gas ions for acceleration.
  • the last potential difference is advantageously at least 4 times, in particular at least 10 times, the first potential difference, d. H. the potential difference between the electrode facing away from the plasma exit and the latter in the direction of the plasma exit next intermediate electrode.
  • the section between the anode and the next intermediate electrode should be referred to as the first potential stage.
  • the potential difference of the last potential level is then advantageously at least 4 times, in particular at least 10 times, the largest potential difference of the remaining potential levels.
  • the last potential difference is advantageously greater than the sum of the remaining potential differences and is preferably at least 2 times, in particular at least 4 times, the sum of the remaining potential differences.
  • the intermediate potentials of the intermediate electrodes do not necessarily have to be fixedly specified, but that one or more intermediate electrodes can also be at sliding potentials.
  • the end electrode may be formed by an electrode surrounding and / or laterally delimiting the plasma chamber at the exit of the plasma jet.
  • the end electrode may also be arranged offset laterally in the plasma jet exit outside the plasma chamber, in particular also in the manner of the cathodes of the Hall thruster arrangements.
  • the ionization electrons which initiate the ionization can be supplied to the last potential stage in a manner known per se.
  • an accelerated electron beam from the anode side of the plasma chamber can be introduced into this and be centrally guided by the magnetic field arrangement in the longitudinal direction.
  • the electrons of the electron beam ES are decelerated in the electric field. Part of the electrons of the electron beam is deflected at the end of the last potential level and accelerated towards the anode as ionization electrons. Another part of the electron of the electron beam exits the chamber with the working gas ions as an electrically neutral plasma jet.
  • an electron source is laterally staggered at the exit of the plasma jet outside the plasma chamber and emits an electron stream which is passed partly as ionization electrons through the plasma jet exit into the plasma chamber and to another through space charge effects of an unneutralized one Ion current is carried and causes the output of an electrically neutral plasma jet.
  • an electrode which is exposed to an edge region of the plasma jet. The ions, which are already highly accelerated at this position, release an electron shower when striking this electrode and / or electrons through space charge effects, which in part accelerate again as ionization electrons in the anode direction and Partially carried to neutralize the plasma jet.
  • an initial ion current can, for. B. ignited by briefly increasing the gas pressure and / or the potential difference of the last potential level, a gas discharge. But a start can also be made solely by spontaneous ionization, eg by high-energy cosmic radiation.
  • the different types of electron sources can also be realized in combination.
  • a plasma chamber PK is constructed substantially circular cylindrical about a longitudinal axis LA.
  • the plasma chamber is surrounded by a plurality of electrodes EA, EZ1, EZ2, EE which are spaced apart in the longitudinal direction LR and are preferably annular, at different potentials.
  • the plasma chamber is a working gas AG, in particular xenon supplied.
  • a tightly focused, highly accelerated electron beam ES from a non-illustrated beam source is guided on the longitudinal axis of the first, also referred to as the anode electrode EA, in the plasma chamber and centrally guided by the magnetic field MF of a plasma chamber surrounding magnet assembly on the longitudinal axis LA.
  • the potential variation across the different potentials of the separated electrodes is monotonic in the longitudinal direction LR and so decelerated that the electron of the electron beam along its path through the plasma chamber and generated in the plasma chamber positively charged ions of the working gas in the direction of the end electrode EE, which as the last electrode the row at the beam exit SA of the plasma chamber is arranged to be accelerated. Ions and electrons NE leave the plasma chamber at the beam exit as an electrically neutral plasma beam PB.
  • the magnet arrangement is schematically represented by a plurality of magnetic rings MR surrounding the plasma chamber, which are polarized alternately opposite one another in the longitudinal direction.
  • Such a magnet arrangement generates in the plasma chamber a magnetic field which has sections MA1A, MA1Z, MA1E of the first type in the longitudinal direction at positions between successive magnet rings, in which the magnetic field MF is predominantly radially directed.
  • the magnetic field sections of the first type form electron barriers in the potential stages formed by two successive electrodes with a first potential difference PDA for the first, anode-side potential stage between the anode EA and the first intermediate electrode EZ1, an intermediate potential difference PDZ for an intermediate stage between the first (EZ1) and second (EZ2) intermediate electrode and a final, exit-side potential difference PDE for the last potential stage between the second intermediate electrode EZ2 and the end electrode EE by spaced from the longitudinal axis, in the electrostatic field EF of the electrode assembly accelerated electrons are deflected by the magnetic field and kept in one stage for a long time. This will increase the likelihood of ionizing Interaction with the working gas and thus the extent of electron multiplication by the released in the ionization secondary electrons greatly increased.
  • the potential difference PDE of the last potential level is at least 4 times, in particular at least 10 times, the potential difference PDA of the first potential level or at least 4 times, in particular at least 10 times, the largest of the potential differences PDA for more than two potential levels , PDZ of the other potential levels.
  • These potential differences PDA, PDZ of the remaining potential stages advantageously less than the last potential difference PDE and is preferably at most 50%, in particular at most 25% of the last potential difference PDE.
  • PDA 50V
  • PDZ 50V
  • the number of electrons suitable for ionization increases steeply by the amplification factor from stage to stage from the last potential stage to the first potential stage.
  • the main part of the ionization of the working gas is therefore in the potential levels PDA and PDZ. Due to the magnetic field section MA1 E first type in the last potential level but strong decelerated electrons are held in this stage long in this stage in the initiated electron beam in this stage and thus already generate a large number of secondary electrons, which are transferred to the next step towards the anode stage.
  • the concentration of the ions accelerated in the direction from the anode EA to the end electrode EE has approached its maximum as it enters the last potential stage, so that the high potential difference of this last potential stage is essentially available as the acceleration potential for the entire ion current.
  • the remaining potential stages advantageously also have magnetic field sections MA1A, MA1Z of the first kind, which alternate in the longitudinal direction successively with magnetic field sections MA2 of the second type, in which the magnetic field in the plasma chamber is predominantly axial, ie. H. runs parallel to the longitudinal direction.
  • a particularly high ionization content is achieved in the first potential level.
  • magnetic field sections of the first and second type are shown spaced apart by transition sections for better differentiation.
  • the electrons Due to the diverging to the longitudinal axis of the magnetic field in the sections of the first type and the predominantly axial course in the sections of the second type, the electrons are largely kept away from the lateral electrodes and remain as ionization electrons.
  • the initial ionization electrons IE in the last potential level are obtained in that a part of the electrons of the introduced electron beam does not overcome the potential of the end electrode and is branched off from the electron beam and accelerated in the opposite direction, sees in Fig. 2 for the region of the plasma jet outlet SA outlined embodiment of a type of Hall thruster outside the plasma chamber PKT cathode arranged as an electron source QE whose emitted electron current is passed to a first portion as ionization electrons IE through the beam exit SA in the plasma chamber and to a other share than Neutralization electrons NE is carried by the plasma jet PB.
  • the end electrode can be formed in such an arrangement by this cathode, so that the last potential level between the cathode EQ and exit next intermediate electrode is formed.
  • the plasma chamber In the plasma chamber, in turn, between the beam exit SA and the intermediate electrode EZ2, there is a magnetic field segment MA1 E of the first type having the described mode of action on the ionization electrons accelerated by the cathode EQ in the direction of the intermediate electrode.
  • the plasma chamber is in the example after Fig. 2 deviating from Fig. 1 in per se conventional design as a ring around a longitudinal axis LAT assumed.
  • the magnet assembly then radially and with the same polarity opposite inner and outer magnetic rings MRI and MRA.
  • the generation of the primary electrodes is independent of the circular-cylindrical or annular chamber geometry and, in particular, the external cathode EQ is suitable as an electron source for both geometries.
  • the end electrode EEB is exposed to the bombardment and / or field influence by ions from an edge region RP of the plasma jet. For example, electron striking the ions on the end electrode, which are partially accelerated towards the intermediate electrode EZ2 as ionization electrons IE and partly also carried as neutralization electron NE from the plasma jet.
  • the end electrode EEB advantageously consists of the ion bombardment resisting material with a high secondary electron emission coefficient. Between the end electrode EE4 and intermediate electrode EZ2 again the magnetic field section MA1 E is provided, without here the field profile explicitly is drawn.
  • the passive electrode is also particularly advantageous in conjunction with intermediate electrodes on sliding intermediate potentials.

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Abstract

Für eine Plasmabeschleuniger-Anordnung wird ein mehrstufiger Aufbau mit wenigstens einer Zwischenelektrode zwischen einer Plasmakammer zwischen sich einschliessenden Elektroden beschrieben, bei welchen durch eine ungleichmässige Potentialaufteilung auf die durch die mehreren Elektroden gebildeten Potentialstufen mit hoher Potentialdifferenz der letzten Stufe beim Austritt des Plasmastrahls und durch eine besondere Gestaltung eines die Plasmakammer in dieser letzten Stufe durchsetzenden Magnetfelds ein besonders guter Wirkungsgrad erreicht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Plasmabeschleuniger-Anordnung
  • Plasmabeschleuniger-Anordnungen dienen beispielsweise als Antriebe für Raumflugkörper. Dabei wird in einer Plasmakammer ein Arbeitsgas ionisiert und die Ionen werden in einem elektrostatischen Feld beschleunigt und mittels zugeführter Elektronen als neutralisierter Plasmastrahl ausgestossen.
  • Die gebräuchlichste Ausführungsart solcher Plasmabeschleuniger-Anordnungen ist der sogenannte Hall-Thruster, dessen ringförmige PlasmaKammer von einem im wesentlichen radialen statischen Magnetfeld durchsetzt ist. Solche Hall-Thruster sind beispielsweise bekannt aus der EP 0541309 A1 oder der US 5847493 .
  • Bei diesen Hall-Thrustern emittiert eine auf der Seite des Strahlaustritts der Plasmakammer außerhalb dieser und seitlich gegen diesen versetzt angeordnete Elektronenquelle einen Elektronenstrom, welcher teilweise unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zwischen Elektronenquelle und am Boden der Plasmakammer angeordneter Anode als Ionisationselektronen in die Plasmakammer geleitet und teilweise als Neutralisationselektronen von aus der Kammer austretenden Ionen mitgetragen werden. Die Ionisationselektronen werden in der Plasmakammer unter dem Einfluß des Magnetfelds umgelenkt und bilden ringförmige Driftströme, wodurch die Verweildauer und die Ionisationswirkung auf in die Plasmakammer eingeleitetes Arbeitsgas wesentlich erhöht wird.
  • DE-AS1222589 zeigt eine Plasmabeschleuniger-Anordnung, bei welcher in einer durch eine Anode und eine Kathode längsbegrenzten Plasmakammer durch ein elektrostatisches Feld zwischen Anode und Kathode eine Bogenentladung gezündet wird. Die dabei entstehenden Ionen werden durch eine außerhalb der Plasmakammer und von dieser durch eine isolierte Elektrode getrennt angeordnete ringförmige Ionen-Beschleunigungselektrode abgezogen und beschleunigt ausgestoßen. Ein von der Kathodenseite auf der Mittelachse der Anordnung zugeführter energiereicher gebündelter Elektronenstrahl läuft durch die Plasmakammer und tritt mit den Elektronen des Elektronenstrahls durch die Beschleunigungselektrode aus und neutralisiert den Ionenstrahl. Die bei der Bogenentladung entstehenden Elektronen und die durch Stoßvorgänge abgebremsten Elektronen des zugeführten Strahls führen eine oszillierende Bewegung zwischen der Ionen-Beschleunigungselektrode und der Kathode aus. Ein zur Längsachse paralleles magnetisches Kollimatorfeld bündelt die Teilchenströme um die Mittelachse. An die Beschleunigungselektrode können sich weitere elektrostatische Beschleunigungsstufen mit magnetischer Bündelung anschließen.
  • In Patent Abstracts of Japan 09223474 ist ein Plasmabeschleuniger beschrieben, welcher nacheinander eine Plasma-Generatorkammer und eine Plasma-Beschleunigerkammer aufweist, durch welche jeweils Arbeitsgas durchgeleitet ist. Eine Spulanordnung erzeugt ein strahlparalleles magnetisches Feld. In beiden Kammern sind aufeinanderfolgend mehrere den Strahl umfassende Stabilisierungselektroden angeordnet.
  • Aus der DE19828704A1 ist eine Plasmabeschleuniger-Anordnung bekannt, bei welcher ein energiereicher gebündelter Elektronenstrahl in eine von einer Anode und einer Endelektrode in Längsrichtung begrenzte Plasmakammer eingeleitet und längs der Mittelachse durch eine Magnetanordnung geführt wird. In Längsrichtung zwischen Anode und Endelektrode sind mehrere Zwischenelektroden vorgesehen, welche die Potentialdifferenz zwischen Anode und Endelektrode in mehrere Stufen unterteilen. Die Magnetanordnung zeigt die Besonderheit, dass das von ihr in der Plasmakammer erzeugte Magnetfeld in Längsrichtung periodisch die Polarität wechselt und in Längsrichtung alternierend Feldabschnitte erster Art und zweiter Art auftreten, wobei in den Abschnitten erster Art die Feldlinien überwiegend radial, d. h. senkrecht zur Längsrichtung, und in den Abschnitten zweiter Art die Feldlinien überwiegend achsial, d. h. parallel zur Längsrichtung verlaufen. Die Abschnitte erster Art liegen vorzugsweise zwischen zwei in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Elektroden und bilden Barrieren für zur Anode hin beschleunigte Elektronen. Eine derart mehrstufig mit den Elektronenbarrieren aufgebaute Anordnung ermöglicht eine Steigerung des Wirkungsgrads des Plasmabeschleunigers. Die DE 10014033 A1 beschreibt eine Plasmabeschleuniger-Anordnung mit einer ähnlichen Magnetfeldanordnung für eine ringförmige Plasmakammer und eine am Ende der Plasmakammer außen liegende Elektronenquelle. Eine aus der DE 10014033 A1 bekannte Plasmabeschleuniger-Anordnung sieht vor, in eine ringförmige Plasmakammer von der Anodenseite her beschleunigte Elektronen in Form eines zylindrischen Hohlstrahls in die Plasmakammer einzuleiten.
  • Die US 6215124 B1 beschreibt einen Ionenbeschleuniger nach Art eines Hall-Thrusters mit einer ringförmigen Plasmakammer und einem im wesentlichen radialen Magnetfeld zwischen einem radial innenliegenden ersten und einem radial außenliegenden zweiten Magnetpol. Als Besonderheit ist hier vorgesehen, dass an der Strahlaustrittsseite der Plasmakammer an deren in Strahlrichtung weisender, im wesentlichen quer zur Strahlrichtung und außerhalb der Plasmakammer liegender Stirnfläche elektrisch isoliert mehrere Elektroden in unterschiedlichen radialen Abständen zum Ausgang der Plasmakammer angeordnet sind, welche auf unterschiedlichen Zwischenpotentialen zwischen dem Kathodenpotential und dem Anodenpotential oder auch darunter liegen. Durch einen magnetischen Kurzschluss um den Anodenbereich wird ein Maximum des Longitudinalgradienten des magnetischen Felds in Richtung des Ausgangs der Plasmakammer und vorzugsweise nach außerhalb verschoben. Durch die Zwischenelektroden an der außen liegenden Stirnfläche kann in dem elektrostatischen Beschleunigungsfeld eine der Divergenz des lonenstrahls entgegenwirkende Feldlinse erzeugt und das Maximum des Beschleunigungsfelds in Strahlrichtung hinter die Strahlaustrittsöffnung verlegt werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Plasmabeschleuniger-Anordnung, insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrads weiter zu verbessern.
  • Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Durch die erfindungsgemäße Stufung der über die Länge der Plasmakammer anstehenden Potentialdifferenz in eine ausgangsseitige letzte Potentialstufe mit relativ hoher und eine oder mehrere anodenseitige Potentialstufen mit demgegenüber kleiner Potentialdifferenz, wie in den Ansprüchen und nachfolgend noch präziser angegebenen Verhältnissen, steht in der Beschleunigungsstufe und damit an einer Position, wo die Ionenkonzentration durch Ionisation der vorhergehenden Stufen bereits hoch ist, eine hohe Potentialdifferenz zur Beschleunigung der Ionen auf eine große Geschwindigkeit und damit großem Impuls zur Verfügung, wogegen die demgegenüber geringe Potentialdifferenz der vorangehenden Stufen besonders günstig für die Ionisation des Arbeitsgases ist. Zugleich steht aber auch die Beschleunigungsstufe für die Vervielfältigung der dort zugeführten Ionisationselektronen durch Stoßionisation und dabei entstehende Sekundärelektronen zur Verfügung.
  • Mit Ionisationselektronen seien dabei und im folgenden die Elektronen verstanden, welche in dem elektrostatischen Feld zur Anode hin beschleunigt werden und bei ihrer durch das Magnetfeld beeinflussten Bewegung positiv geladene Ionen des Arbeitsgases erzeugen. Die Bezeichnung Ionisationselektronen grenzt diese Elektronen zugleich von den als Neutralisationselektronen bezeichneten Elektronen ab, welche mit dem beschleunigten Ionenstrahl nach außen abgegeben werden und einen ladungsneutralen Plasmastrahl gewährleisten. Ionisationselektronen und Neutralisationselektronen können, zumindest teilweise, derselben Elektronenquelle entstammen.
  • Als letzte oder austrittsseitige Potentialstufe sei der Abschnitt zwischen einer beim Austritt des Plasmastrahls aus der Plasmakammer angeordneten Endelektrode und einer dieser in Richtung zur Anode nächsten Zwischenelektrode bezeichnet. Die in dieser Potentialstufe auftretende Potentialdifferenz zwischen der Endelektrode und der nächsten Zwischenelektrode ist als letzte Potentialdifferenz bezeichnet.
  • Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist die in der Plasmakammer vorliegende Magnetfeldkonfiguration in Verbindung mit der Elektrodenanordnung innerhalb der Plasmakammer, vorzugsweise in Form einer in Längsrichtung alternierenden Folge von Abschnitten erster Art mit überwiegend radial, d. h. senkrecht zur Längsrichtung der Plasmakammer verlaufenden Feldlinien und Abschnitten zweiter Art mit überwiegend achsialen, d. h. parallel zur Längsrichtung der Plasmakammer verlaufenden Feldlinien, und insbesondere das in der Plasmakammer bestehende Magnetfeld mit dem Magnetfeldabschnitt in der letzten Potentialstufe in Verbindung mit der großen Potentialdifferenz der austrittsseitigen letzten Potentialstufe. Die Zwischenelektroden liegen vorzugsweise zwischen benachbarten Magnetfeldabschnitten erster Art mit überwiegend radialem Verlauf des Magnetfelds.
  • Insbesondere in der letzten Potentialstufe verhindert ein Magnetfeldabschnitt erster Art, dass die der letzten Potentialstufe zugeführten Ionisationselektronen hoch beschleunigt werden und unter Verlust der dabei aufgenommenen Energie auf eine der nächsten Elektroden aufschlagen. Vielmehr bildet ein Magnetfeldabschnitt erster Art eine Barriere für die im elektrostatischen Feld beschleunigten Elektronen, indem diese auf Driftbahnen mit überwiegend quer zur Längsrichtung verlaufender Bewegungskomponente gezwungen werden und die Energie aus dem elektrostatischen Feld schrittweise durch Stoßionisation abbauen bis sie die Barriere überwinden. Dabei ergibt sich auch bereits in der dem Plasmastrahlaustritt nächsten, als letzte Stufe bezeichneten Potentialstufe ein hoher Vervielfältigungsfaktor der Ionisationselektronen, so dass bereits die letzte Potentialstufe eine hohe Zahl von Elektronen an die vorletzte Potentialstufe übergibt.
  • Der Magnetfeldabschnitt erster Art in der letzten Potentialstufe liegt dabei vorteilhafterweise zwischen den die letzte Stufe bildenden Elektroden, insbesondere in einem Bereich, wo das elektrostatische Feld im wesentlichen achsial verläuft und hohe Werte aufweist. Die Ionen werden durch das magnetische Feld nicht nennenswert in ihrer Bewegung beeinflusst und durch das elektrostatische Feld der letzten Potentialstufe achsial hoch beschleunigt, wobei durch die erfindungsgemäße starke Ungleichheit der Potentialstufen die hohe Beschleunigung im Längsverlauf der Plasmakammer vorteilhafterweise erst in einem Bereich einsetzt, in welchem der Ionisationsgrad des Arbeitsgases sehr hoch ist, so dass die letzte Potentialstufe, die fast die gesamte Potentialdifferenz der Anordnung umfasst, im wesentlichen für alle Arbeitsgasionen zur Beschleunigung ausgenutzt werden kann.
  • Die letzte Potentialdifferenz beträgt vorteilhafterweise wenigstens das 4-fache, insbesondere wenigstens das 10-fache der ersten Potentialdifferenz, d. h. der Potentialdifferenz zwischen der dem Plasmaaustritt abgewandten Elektrode und der dieser in Richtung des Plasmaaustritts nächsten Zwischenelektrode. Der Abschnitt zwischen Anode und der dieser nächsten Zwischenelektrode sei als erste Potentialstufe bezeichnet.
  • Bei mehr als einer Zwischenelektrode zwischen Anode und Endelektrode treten entsprechend weitere Zwischenpotentialstufen zwischen aufeinanderfolgenden Zwischenelektroden auf. Die Potentialdifferenz der letzten Potentialstufe beträgt dann vorteilhafterweise wenigstens das 4-fache, insbesondere wenigstens das 10-fache der größten Potentialdifferenz der übrigen Potentialstufen.
  • Die letzte Potentialdifferenz ist vorteilhafterweise größer als die Summe der übrigen Potentialdifferenzen und beträgt vorzugsweise wenigstens das 2-fache, insbesondere wenigstens das 4-fache der Summe der übrigen Potentialdifferenzen.
  • Vorteilhafterweise zeigt sich dass die Zwischenpotentiale der Zwischenelektroden nicht zwingend fest vorgegeben werden müssen, sondern dass ein oder mehrere Zwischenelektroden auch auf gleitenden Potentialen liegen können.
  • Die Endelektrode kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform durch eine die Plasmakammer beim Austritt des Plasmastrahls umgebende und/oder seitlich begrenzende Elektrode gebildet sein. In anderer vorteilhafter Ausführungsform kann die Endelektrode auch beim Plasmastrahlaustritt außerhalb der Plasmakammer, insbesondere auch nach Art der Kathoden der Hall-Thruster-Anordnungen seitlich versetzt angeordnet sein.
  • Die die Ionisation einleitenden Ionisationselektronen können der letzten Potentialstufe in an sich bekannter Weise zugeführt sein. Beispielsweise kann ein beschleunigter Elektronenstrahl von der Anodenseite der Plasmakammer in diese eingeführt werden und durch die Magnetfeldanordnung in Längsrichtung zentral geführt sein. Die Elektronen des Elektronenstrahls ES werden in dem elektrischen Feld abgebremst. Ein Teil der Elektronen des Elektronenstrahls wird am Ende der letzten Potentialstufe umgelenkt und als Ionisationselektronen zur Anode hin beschleunigt. Ein anderer Teil der Elektronen des Elektronenstrahls tritt mit den Arbeitsgas-Ionen als elektrisch neutraler Plasmastrahl aus der Kammer aus. In anderer, den Hall-Thrustern ähnlicher Weise ist eine Elektronenquelle beim Austritt des Plasmastrahls außerhalb der Plasmakammer seitlich versetzt angeordnet und emittiert einen Elektronenstrom, welcher zum Teil als Ionisationselektronen durch den Plasmastrahlaustritt in die Plasmakammer geleitet wird und zu einem anderen Teil durch Raumladungseffekte eines nicht neutralisierten Ionenstroms mitgetragen wird und die Ausgabe eines elektrisch neutralen Plasmastrahls bewirkt. In wieder anderer Ausführung kann beim Austritt des Plasmastrahls aus der Plasmakammer eine Elektrode vorgesehen sein, welche einem Randbereich des Plasmastrahls ausgesetzt ist. Die an dieser Position bereits hoch beschleunigten Ionen setzen beim Auftreffen auf diese Elektrode einen Elektronenschauer und/oder durch Raumladungseffekte Elektronen frei, welche wieder teilweise als Ionisationselektronen in Anodenrichtung beschleunigt und teilweise zur Neutralisierung des Plasmastrahls mitgetragen wird. Zur Erzeugung eines anfänglichen Ionenstroms kann, z. B. durch kurzes Erhöhen des Gasdrucks und/oder der Potentialdifferenz der letzten Potentialstufe eine Gasentladung gezündet werden. Ein Start kann aber auch allein durch spontane Ionisation, z.B. durch hochenergetische Höhenstrahlung erfolgen. Die verschiedenen Arten von Elektronenquellen können auch kombiniert realisiert sein.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch eine Plasmakammer,
    Fig. 2
    eine Anordnung mit außenliegender Elektronenquelle,
    Fig. 3
    eine Anordnung mit ionenbeaufschlagter Elektrode als Elektronenquelle.
  • Bei der in Fig. 1 skizzierten Plasmabeschleuniger-Anordnung ist eine Plasmakammer PK im wesentlichen kreiszylindrisch um eine Längsachse LA aufgebaut. Die Plasmakammer ist von mehreren, in Längsrichtung LR beabstandet aufeinanderfolgenden, vorzugsweise kreisringförmigen Elektroden EA, EZ1, EZ2, EE auf verschiedenen Potentialen umgeben. Der Plasmakammer ist ein Arbeitsgas AG, insbesondere Xenon, zugeführt.
  • Ein eng gebündelter, hoch beschleunigter Elektronenstrahl ES aus einer nicht eingezeichneten Strahlquelle ist auf der Längsachse von Seiten der ersten, auch als Anode bezeichneten Elektrode EA, in die Plasmakammer geleitet und durch das Magnetfeld MF einer die Plasmakammer umgebenden Magnetanordnung auf der Längsachse LA zentral geführt.
  • Der Potentialverlauf über die verschiedenen Potentiale der getrennten Elektroden ist in Längsrichtung LR monoton und so gerichtet, dass die Elektronen des Elektronenstrahls entlang ihres Wegs durch die Plasmakammer abgebremst und in der Plasmakammer erzeugte positiv geladene Ionen des Arbeitsgases in Richtung der Endelektrode EE, welche als letzte Elektrode der Reihe am Strahlaustritt SA der Plasmakammer angeordnet ist, beschleunigt werden. Ionen und Elektronen NE verlassen die Plasmakammer am Strahlaustritt als elektrisch neutraler Plasmastrahl PB.
  • Die Magnetanordnung ist schematisch repräsentiert durch mehrere, die Plasmakammer umgebende Magnetringe MR, welche in Längsrichtung aufeinanderfolgend alternierend entgegengesetzt gepolt sind.
  • Eine solche Magnetanordnung erzeugt in der Plasmakammer ein Magnetfeld, welches in Längsrichtung an Positionen zwischen aufeinanderfolgenden Magnetringen Abschnitte MA1A, MA1Z, MA1E erster Art aufweist, in welchen das Magnetfeld MF überwiegend radial gerichtet ist.
  • Die Magnetfeldabschnitte erster Art bilden Elektronen-Barrieren in den durch je zwei aufeinanderfolgende Elektroden gebildeten Potentialstufen mit einer ersten Potentialdifferenz PDA für die erste, anodenseitige Potentialstufe zwischen der Anode EA und der ersten Zwischenelektrode EZ1, einer Zwischenpotentialdifferenz PDZ für eine Zwischenstufe zwischen erster (EZ1) und zweiter (EZ2) Zwischenelektrode und einer letzten, austrittsseitigen Potentialdifferenz PDE für die letzte Potentialstufe zwischen zweiter Zwischenelektrode EZ2 und Endelektrode EE, indem von der Längsachse beabstandete, im elektrostatischen Feld EF der Elektrodenanordnung beschleunigte Elektronen durch das Magnetfeld umgelenkt und lange in einer Stufe gehalten werden. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit der ionisierenden Wechselwirkung mit dem Arbeitsgas und damit auch das Maß der Vervielfältigung der Elektronen durch die bei der Ionisation freigesetzten Sekundärelektronen stark erhöht.
  • Erfindungsgemäß beträgt die Potentialdifferenz PDE der letzten Potentialstufe wenigstens das 4-fache, insbesondere wenigstens das 10-fache der Potentialdifferenz PDA der ersten Potentialstufe bzw. bei mehr als zwei Potentialstufen wenigstens das 4-fache, insbesondere wenigstens das 10-fache der größten der Potentialdifferenzen PDA, PDZ der übrigen Potentialstufen. Diese Potentialdifferenzen PDA, PDZ der übrigen Potentialstufen vorteilhafterweise geringer als die letzte Potentialdifferenz PDE und beträgt vorzugsweise maximal 50% insbesondere maximal 25% der letzten Potentialdifferenz PDE. Beispielsweise kann PDA = 50 V, PDZ = 50 V und PDE = 900 V gewählt sein.
  • Die Anzahl von zur Ionisation geeigneten Elektronen steigt durch den Vervielfältigungsfaktor von Stufe zu Stufe von der letzten Potentialstufe zur ersten Potentialstufe steil an. Der Hauptanteil der Ionisation des Arbeitsgases liegt daher in den Potentialstufen PDA und PDZ. Durch den Magnetfeldabschnitt MA1 E erster Art in der letzten Potentialstufe werden aber in dieser Stufe im eingeleiteten Elektronenstrahl starke abgebremste Elektronen lange in dieser Stufe gehalten und erzeugen dadurch bereits eine hohe Zahl von Sekundärelektronen, welche an die in Richtung zur Anode nächstfolgende Stufe übergeben werden. Zugleich hat die Konzentration der in Richtung von der Anode EA zur Endelektrode EE beschleunigten Ionen beim Eintritt in die letzte Potentialstufe ihr Maximum annähernd erreicht, so dass die hohe Potentialdifferenz dieser letzten Potentialstufe im wesentlichen für den gesamten Ionenstrom als Beschleunigungspotential zur Verfügung steht.
  • Die Kombination der hohen letzten Potentialdifferenz PDE und des Magnetfeldabschnitts MA1E in der letzten Potentialstufe führt damit zu einem besonders guten Wirkungsgrad der Plasmabeschleuniger-Anordnung.
  • Die übrigen Potentialstufen weisen vorteilhafterweise gleichfalls Magnetfeldabschnitte MA1A, MA1Z erster Art auf, welche sich in Längsrichtung aufeinanderfolgend mit Magnetfeldabschnitten MA2 zweiter Art abwechseln, in welchen das Magnetfeld in der Plasmakammer überwiegend achsial, d. h. parallel zur Längsrichtung verläuft. Ein besonders hoher Ionisationsanteil wird in der ersten Potentialstufe erreicht.
  • In den Abbildungen sind zur besseren Differenzierung Magnetfeldabschnitte erster und zweiter Art durch Übergangsabschnitte beabstandet eingezeichnet.
  • Durch den zur Längsachse hin divergierenden Verlauf des Magnetfelds in den Abschnitten erster Art und den überwiegend achsialen Verlauf in den Abschnitten zweiter Art werden die Elektronen weitgehend von den seitlichen Elektroden ferngehalten und bleiben als Ionisationselektronen erhalten.
  • Während bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnung die anfänglichen Ionisationselektronen IE in der letzten Potentialstufe dadurch gewonnen werden, dass ein Teil der Elektronen des eingeleiteten Elektronenstrahls das Potential der Endelektrode nicht überwindet und aus dem Elektronenstrahl abgezweigt und in Gegenrichtung beschleunigt wird, sieht eine in Fig. 2 für den Bereich des Plasmastrahl-Austritts SA skizzierte Ausführungsform eine nach Art der Hall-Thruster außerhalb der Plasmakammer PKT angeordnete Kathode als Elektronenquelle QE vor, deren emittierter Elektronenstrom zu einem ersten Anteil als Ionisationselektronen IE durch den Strahlaustritt SA in die Plasmakammer geleitet ist und zu einem anderen Anteil als Neutralisationselektronen NE von dem Plasmastrahl PB mitgetragen wird. Die Endelektrode kann bei einer solchen Anordnung durch diese Kathode gebildet sein, so dass die letzte Potentialstufe zwischen Kathode EQ und austrittsnächster Zwischenelektrode gebildet ist.
  • In der Plasmakammer liegt wiederum zwischen Strahlaustritt SA und Zwischenelektrode EZ2 ein Magnetfeldabschnitt MA1 E erster Art mit der beschriebenen Wirkungsweise auf die von der Kathode EQ in Richtung der Zwischenelektrode beschleunigten Ionisationselektronen vor. Die Plasmakammer ist im Beispiel nach Fig. 2 abweichend von Fig. 1 in an sich gebräuchlicher Ausführung als ringförmig um eine Längsachse LAT angenommen. Die Magnetanordnung enthält dann radial mit gleicher Polung gegenüberstehend innere und äußere Magnetringe MRI bzw. MRA. Die Erzeugung der primären Elektroden ist aber von der kreiszylindrischen oder ringförmigen Kammergeometrie unabhängig und isnbesondere ist die externe Kathode EQ als Elektronenquelle für beide Geometrien geeignet.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Ionisationselektronen in der letzten Potentialstufe ist in Fig. 3 skizziert. Hierbei ist die Endelektrode EEB dem Beschuss und/oder Feldeinfluss durch Ionen aus einem Randbereich RP des Plasmastrahls ausgesetzt. Auf die Endelektrode aufschlagende Ionen setzen z.B. Elektronenschauer frei, welche teilweise als lonisationselektronen IE zur Zwischenelektrode EZ2 hin beschleunigt werden und teilweise auch als Neutralisationselektronenstrom NE von dem Plasmastrahl mitgetragen werden. Die Endelektrode EEB besteht vorteilhafterweise aus dem Ionenbeschuss widerstehendem Material mit hohem Sekundärelektronenemissionskoeffizient. Zwischen Endelektrode EE4 und Zwischenelektrode EZ2 ist wiederum der Magnetfeldabschnitt MA1 E vorgesehen, ohne dass hier der Feldverlauf explizit eingezeichnet ist. Die passive Elektrode ist insbesondere auch vorteilhaft in Verbindung mit Zwischenelektroden auf gleitenden Zwischenpotentialen.
  • Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedenenen Kombinationen vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims (9)

  1. Plasmäbeschleuniger-Anordnung mit einer Plasmakammer (PK) zwischen einer Anode (EA) und einer in Längsrichtung (LR) der Plasmakammer von der Anode beabstandeten Endelektrode (EE) beim Austritt (SA) des Plasmastrahls (PB) aus der Plasmakammer, sowie mit einer oder mehreren in Längsrichtung zwischen Anode und Endelektrode angeordneten und elektrisch auf Zwischenpotentialen liegenden Zwischenelektroden (EZ1, EZ2) und mit einer Magnetanordnung, die ein Magnetfeld (MF) in der Plasmakammer erzeugt, welches in einem in Längsrichtung (LR) die Endelektrode (EE) und die dieser nächste Zwischenelektrode (EZ2) umfassenden Bereich einen Magnetfeldabschnitt (MA1 E) erster Art überwiegend senkrecht zur Längsrichtung und in dem Magnetfeldabschnitt erster Art in Längsrichtung beidseitig benachbarten Magnetfeldabschnitten zweiter Art überwiegend parallel zur Längsrichtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass eine letzte Potentialdifferenz (PDE) zwischen der Endelektrode (EE) und der dieser nächsten Zwischenelektrode (EZ2) wenigstens das 4-fache einer ersten Potentialdifferenz (PDA) zwischen der Anode (EA) und der dieser nächsten Zwischenelektrode beträgt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zwischenelektroden (EZ1, EZ2) vorhanden sind und die letzte Potentialdifferenz (PDE) wenigstens das 4-fache der größten der übrigen Potentialdifferenzen (PDA, PDZ) zwischen jeweils in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Elektroden beträgt.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der außer der letzten Potentialdifferenz (PDE) anderen Potentialdifferenzen (PDA, PDZ) nicht größer als die letzte Potentialdifferenz, vorzugsweise nicht größer als 50%, insbesondere nicht größer als 25% der letzten Potentialdifferenz ist.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeihnet, dass der Plasmakammer (PK) von der Seite der Endelektrode (EE) her Ionisationselektronen (IE) zugeführt sind.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine auf der Seite des Plasmastrahlaustritts außerhalb der Plasmakammer angeordnete Elektronenquelle (QE).
  6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (RP)des Plasmastrahls am Austritt aus der Plasmakammer auf die Endelektrode (EEB) geleitet ist und diese dabei Ionisationselektronen (IE) freisetzt.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmakammer (PK) von der Seite der Anode (EA) ein gebündelter, beschleunigter Elektronenstrahl (ES) zugeführt ist.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldabschnitt (MA1 E) erster Art in Längsrichtung zwischen Endelektrode (EE) und erster Zwischenelektrode (EZ2) liegt.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetfeldabschnitte erster Art (MA1A, MA1Z, MA1E) alternierend mit Magnetfeldabschnitten zweiter Art (MA2) in Längsrichtung (LR) aufeinanderfolgen.
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