EP2277188B1 - Plasma generator and method for controlling a plasma generator - Google Patents

Plasma generator and method for controlling a plasma generator Download PDF

Info

Publication number
EP2277188B1
EP2277188B1 EP09741744.8A EP09741744A EP2277188B1 EP 2277188 B1 EP2277188 B1 EP 2277188B1 EP 09741744 A EP09741744 A EP 09741744A EP 2277188 B1 EP2277188 B1 EP 2277188B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
high frequency
plasma generator
ionization chamber
ion
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.)
Active
Application number
EP09741744.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2277188A1 (en
Inventor
Werner Kadrnoschka
Rainer Killinger
Ralf Kukies
Hans Leiter
Johann Müller
Georg Schulte
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.)
ArianeGroup GmbH
Original Assignee
Airbus DS 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 Airbus DS GmbH filed Critical Airbus DS GmbH
Publication of EP2277188A1 publication Critical patent/EP2277188A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP2277188B1 publication Critical patent/EP2277188B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0056—Electrostatic ion thrusters with an acceleration grid and an applied magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
    • 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 present invention relates to a plasma generator according to the preamble of claim 1. It further relates to a method for controlling a plasma generator in which a plasma generated in the plasma generator is controlled by means of a high-frequency electrical or electromagnetic alternating field in.
  • Generic plasma generators are generally known as ion sources, electron sources or plasma sources and are used as ion sources, for example in ion engines for space technology.
  • the plasma generator according to the invention is a high-frequency plasma generator.
  • a working fluid introduced into the ionization chamber also called fuel or support fluid
  • a working fluid introduced into the ionization chamber also called fuel or support fluid
  • the ionization takes place in the ionization chamber, which is surrounded by a coil.
  • the coil is traversed by a high-frequency alternating current.
  • the alternating current creates an axial magnetic field inside the ionization chamber. This time-varying magnetic field induces a circular alternating electric field in the ionization chamber.
  • This alternating electric field accelerates free electrons so that they finally absorb the necessary energy for electron impact ionization can.
  • Atoms of the fuel are thereby ionized.
  • the ions are either accelerated in the extraction lattice system or they recombine on the walls with electrons.
  • the released electrons are either accelerated in the field or in turn can absorb the necessary energy for ionization or run on the walls of the ionization chamber and recombine there.
  • the ion current generated in an ion source can be used to impose a defined energy for a very wide variety of processes.
  • the acceleration of the ions is used for thrust generation according to the recoil principle.
  • Wi a minimum ionization energy Wi is required. Upon recombination on the walls, Wi is released in the form of heat and radiation and is therefore not available for further ionization or for use by acceleration in the extraction grid. The Wandrekombination is thus the largest loss factor in the high-frequency ionization.
  • Object of the present invention is therefore to design a generic plasma generator so that the power loss occurring by recombination of the ions and / or electrons on the walls of the ionization chamber is significantly reduced.
  • a further current source or voltage source is provided, which is designed so that at least one coil of the coil assembly with an alternating current of lower frequency than the supplied from the high-frequency AC power source, is applied.
  • the provision of power sources is described; it may instead be provided voltage sources.
  • the proportion of the alternating high frequency electromagnetic field superimposed low-frequency alternating current causes the charge carriers (electrons and ions) within the coil and thus within the ionization chamber in circular or spiral paths in the magnetic field forced become.
  • Such a circular path movement or spiral path movement of the electrons in the magnetic field leads to their movement in the direction of the walls
  • the alternating current of lower frequency superimposed on the high-frequency alternating current flowing through the coil arrangement should be chosen such that it is sufficient to obtain a magnetic field of desired height in the ionization chamber.
  • the gas in the interior of the ion source, ie in the ionization chamber represents a plasma. If an inhomogeneous magnetic field is superimposed on a plasma, the plasma moves in the direction of the weakening magnetic field (gradient drift): With appropriate design of the geometry of the coil arrangement, it is possible , By gradient drift, the charge carriers in the plasma reinforced in the desired direction, z. B. in the direction of the extraction grid system to move.
  • the invention it is thus possible to reduce the wall losses in the ionization chamber of plasma generators, such as ion sources, in particular of ion engines, without having to change the basic design of the previously known ion sources or ion engines.
  • the invention can also be used to control the distribution of plasma density in the ionization chamber. It can also be used to minimize wall losses along with the design of the ionization chamber and coil assembly.
  • Plasma generator according to the present invention with a suitable design of the ionization chamber and the coil assembly, the homogeneity of the plasma in the ionization chamber can be optimized.
  • the invention can also be used to increase the plasma density in desired regions of the ionization chamber. However, it can also be used to increase the electron current from an electron source.
  • the plasma generator can be designed as a plasma source, as an electron source or as an ion source.
  • an acceleration device for ions or electrons formed in the ionization chamber is provided in the region of the outlet opening.
  • This accelerator device which in the case of an ion source preferably has an electrically positively charged grid and a negatively charged grid located in the outflow direction of the ions from the ionization chamber behind the positive grid, serves to move the ions formed in the ionization chamber in a direction perpendicular to the plane of the grid accelerate out of the ionization chamber and thus cause an ion ejection from the ion source.
  • the grids form an extraction grating system. In the case of an electron source, the order of the gratings and thus the polarity is reversed.
  • such an ion source is part of an ion engine.
  • an electron injector is provided in the downstream direction of the ion stream leaving the ionization chamber, said electron injector being directed towards the ion stream and being adapted to neutralize the ion stream, the electron injector preferably being a hollow cathode having.
  • a magnet arrangement which surrounds the ionization chamber.
  • a particularly preferred embodiment is characterized in that the coil arrangement has a high-frequency coil which is connected to a high-frequency electrical AC voltage to initiate the high-frequency alternating current into the coil, and that the direct current generated by a DC voltage also directly into the high frequency Coil is initiated.
  • the feeding of the direct current can preferably take place at a different location of the high-frequency coil than the feeding of the high-frequency alternating current.
  • the direct current can preferably be regulated, and a regulating device is provided which regulates the direct current, for example, proportionally to the ion current emerging from the ionization chamber.
  • the part of the object relating to the method is achieved by a method having the features of claim 10.
  • the plasma is subjected to an alternating electromagnetic field having a lower frequency than the high-frequency electromagnetic alternating field in addition to the high-frequency alternating electromagnetic field.
  • the housing bottom 24 has in the region of the axis X on a central opening 27 through which a tube 3 is guided in the axial direction from the outside.
  • the tube 3 opens inside the housing 20 of the ion source 2. Outside the ion source 2, the tube 3 is connected to a source (not shown) for a working fluid such that the working fluid flows through the tube 3 (not shown) can be introduced into the interior of the ion source 2.
  • the tube 3 thus forms a working fluid supply 30 for the ion source.
  • the housing 20 of the ion source 2 is surrounded in its first cylindrical portion 23 with windings 40 of an electric coil assembly 4.
  • the gas in the interior of the housing 20 of the ion source 2, ie in the ionization chamber 5, represents a plasma. If a nonhomogeneous magnetic field is superimposed on a plasma, the plasma moves in the direction of the weakening magnetic field, which is referred to as "gradient drift".
  • gradient drift By suitable design of the coil geometry of the coils in the coil arrangement 4, it is possible, by gradient drift, to increase the charge carriers in the plasma in the direction of the outlet opening 21, ie toward the extraction grid arrangement 6.
  • FIG. 5 Another alternative embodiment is in Fig. 5 shown.
  • the coil of the coil assembly S is driven by a generator ACDC whose DC component is not blocked against the AC component.
  • the DC component is ideally controllable or controllable.
  • the coil arrangement S comprises a coil S1 adjacent to the high-frequency AC source AC, which is supplied with a direct current or a low-frequency alternating current from the DC source DC.
  • the DC power source DC is protected by means of the provided at the input and output of the coil S2 networks N1 and N2 against a current induced by the coil S 1 of the AC circuit current.
  • a single coil in the AC circuit several coils can be provided.
  • several coils may be provided in the DC circuit instead of a single coil S2.
  • Fig. 7B are also two coils S1 and S2 and additionally provided a third coil S3. Also in Fig. 7B schematically illustrated ion source 1 "is provided with an extraction grating assembly G.
  • the plasma generators shown can also be used in a plasma source into which a working gas A is introduced and from which a mixture C of ions, electrons and neutral particles (plasma) emerges, as in FIG Fig. 8A is shown symbolically.
  • a plasma source into which a working gas A is introduced and from which a mixture C of ions, electrons and neutral particles (plasma) emerges, as in FIG Fig. 8A is shown symbolically.
  • a plasma bridge At the outlet for the mixture C may also be formed a plasma bridge.
  • the plasma can also escape at a higher pressure and form a plasma jet.
  • Fig. 8B is shown symbolically, several working gases A, B, ... N can be introduced into the plasma generator. In the ionization chamber Then plasma-chemical processes take place, so that a desired reaction product R can be taken at a suitable location Y of the plasma generator or can interact directly with a substrate T provided in the plasma source.
  • Fig. 9 shows the temporal change of current I (t), which flows through the AC coil of the coil assembly 4, and the magnetic flux B (t) induced thereby and of the applied to the plasma generator electric field E (t).
  • the course of the current I (t) is drawn as a solid line
  • the time course of the magnetic flux density B (t) is shown as a dotted line
  • the course of the electric field strength E (t) is shown as a dotted line.
  • no additional imprint of a direct current has yet occurred.
  • the ratio of periods with negative to positive flow direction can be influenced by appropriate choice of the size of the additionally fed DC current and it can be suppressed such a sign reversal of the magnetic flux. It also becomes possible to generate a high flux density compared to the amplitude of the periodic flux change. Furthermore, this flux density can be tailored to plasma conditions (ECR and ICR resonance frequency). The induced electric field E (t) remains unaffected by the additional imprinting of a direct current and the resulting additional imposition of a constant magnetic flux.
  • the feeding of the high-frequency alternating current and the direct current can preferably take place directly into the high-frequency alternating-current coil of the coil arrangement 4, so that alternating current and direct current are fed into the same coil.
  • the radio-frequency coil can be single-layered or multi-layered. It can be designed with center tap or part tapping (s) for grounding the terminals on both sides, with the windings wound in opposite directions.
  • the DC feed can be via a tap, so that the DC is introduced only over part of the turns in the coil.
  • the direct current can be fed instead of into the high-frequency coil into a coil of a bifilar arrangement which is suitably parallel to the high-frequency coil.
  • the DC coil may have the same, a smaller or higher number of turns than the high-frequency coil.
  • the high frequency coil may have one or more feed points.
  • the feeding of the direct current from one or more DC sources can take place, wherein in the case of several DC sources, these deliver either an equal current or different sized currents through the coil or windings.
  • the entire coil arrangement is preferably designed so that the supply of the high-frequency alternating current and the supply of the direct current do not influence each other.
  • the feeding of the high-frequency alternating current can be done by means of a PLL phase control.
  • the high frequency AC coil may be part of a series resonant circuit or a parallel resonant circuit.
  • the high-frequency coil and / or the DC coil can be arranged either outside or inside the housing 20 of the plasma generator.
  • the housing of the plasma generator can be designed as a cylinder, cone or other shape design.
  • the coil may have any other shape instead of a cylindrical shape.
  • the pitch of the turns may be non-uniform.
  • the windings may be arranged at different distances from each other.
  • the winding may be meandering, for example.
  • a ring field (cusp field) or a multipolar field can be generated. Any distribution of the magnetic field can also be achieved via a multiplicity of feed-in points distributed along the high-frequency coil.
  • the DC current may be controllable or controllable for optimum adaptation of the magnetic field, for example, at an ion source or an ion engine corresponding to the exiting ion current, which is proportional to the thrust in the ion engine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmaerzeuger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines Plasmaerzeugers, bei welchem ein im Plasmaerzeuger erzeugtes Plasma mittels eines hochfrequenten elektrischen oder elektromagnetischen Wechselfeldes in kontrolliert wird.The present invention relates to a plasma generator according to the preamble of claim 1. It further relates to a method for controlling a plasma generator in which a plasma generated in the plasma generator is controlled by means of a high-frequency electrical or electromagnetic alternating field in.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Gattungsgemäße Plasmaerzeuger, sind als Ionenquellen, Elektronenquellen oder Plasmaquellen allgemein bekannt und werden als Ionenquelle beispielsweise in Ionentriebwerken für die Raumfahrttechnik eingesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger handelt es sich um einen Hochfrequenz-Plasmaerzeuger. Wird dieser Plasmaerzeuger in einem Hochfrequenz-Ionentriebwerk eingesetzt, so wird ein in die Ionisationskammer eingeleitetes Arbeitsfluid, das auch als Treibstoff oder Stützfluid bezeichnet wird, mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfeldes ionisiert und dann zur Schuberzeugung im elektrostatischen Feld eines an einer offenen Seite der Ionisationskammer vorgesehenen Extraktions-Gittersystems beschleunigt. Die Ionisation erfolgt in der Ionisationskammer, die von einer Spule umgeben ist. Die Spule wird von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen. Der Wechselstrom erzeugt ein axiales magnetisches Feld im Inneren der Ionisationskammer. Dieses sich zeitlich ändernde magnetische Feld induziert ein zirkulares elektrisches Wechselfeld in der Ionisationskammer.Generic plasma generators are generally known as ion sources, electron sources or plasma sources and are used as ion sources, for example in ion engines for space technology. The plasma generator according to the invention is a high-frequency plasma generator. When this plasma generator is used in a high-frequency ion motor, a working fluid introduced into the ionization chamber, also called fuel or support fluid, is ionized by means of an alternating electromagnetic field and then thrust generated in the electrostatic field of an extraction provided on an open side of the ionization chamber Grid system accelerates. The ionization takes place in the ionization chamber, which is surrounded by a coil. The coil is traversed by a high-frequency alternating current. The alternating current creates an axial magnetic field inside the ionization chamber. This time-varying magnetic field induces a circular alternating electric field in the ionization chamber.

Dieses elektrische Wechselfeld beschleunigt freie Elektronen, so dass diese schließlich die notwendige Energie zur Elektronenstoß-Ionisation aufnehmen können. Atome des Treibstoffs werden dadurch ionisiert. Die Ionen werden entweder im Extraktions-Gittersystem beschleunigt oder sie rekombinieren an den Wänden mit Elektronen. Die frei werdenden Elektronen werden entweder im Feld beschleunigt oder können ihrerseits die notwendige Energie zur Ionisation aufnehmen oder laufen auf die Wände der Ionisationskammer auf und rekombinieren dort.This alternating electric field accelerates free electrons so that they finally absorb the necessary energy for electron impact ionization can. Atoms of the fuel are thereby ionized. The ions are either accelerated in the extraction lattice system or they recombine on the walls with electrons. The released electrons are either accelerated in the field or in turn can absorb the necessary energy for ionization or run on the walls of the ionization chamber and recombine there.

Grundsätzlich kann der in einer Ionenquelle erzeugte Ionenstrom zum Aufprägen einer definierten Energie für unterschiedlichste Prozesse verwendet werden, beim Einsatz als Ionen-Triebwerk wird die Beschleunigung der Ionen zur Schuberzeugung nach dem Rückstoßprinzip genutzt.In principle, the ion current generated in an ion source can be used to impose a defined energy for a very wide variety of processes. When used as an ion engine, the acceleration of the ions is used for thrust generation according to the recoil principle.

In herkömmlichen Ionenquellen, insbesondere in herkömmlichen Ionen-Triebwerken, findet nur eine geringe Anzahl der Ionen den Weg zum Extraktions-Gittersystem, während der größte Teil der erzeugten Ionen an den Wänden der Ionisationskammer rekombiniert. Nur jene Ionen, die das Extraktions-Gittersystem erreichen, stehen beim Einsatz als Ionen-Triebwerk für die Schuberzeugung oder beim Einsatz als allgemeine Ionenquelle für die Nutzung in anderen Prozessen zur Verfügung. Von der insgesamt zugeführten elektrischen Leistung können bisher nur etwa 5 % bis 20 % der elektrischen Leistung für diese Nutzung von Ionen in einer allgemeinen Ionenquelle beziehungsweise in einem Ionen-Triebwerk umgesetzt werden. Die verbleibende zugeführte elektrische Leistung wird größtenteils durch die Rekombination der Ionen an den Wänden der Ionisationskammer in Wärme und in Strahlung umgesetzt. Zur Erzeugung eines Ions ist eine minimale Ionisationsenergie Wi erforderlich. Bei der Rekombination an den Wänden wird Wi in Form von Wärme und Strahlung frei und steht somit weder für eine weitere Ionisation, noch für die Nutzung durch Beschleunigung im Extraktionsgitter zur Verfügung. Die Wandrekombination ist somit der größte Verlustfaktor bei der Hochfrequenzionisation.In conventional ion sources, especially in conventional ion engines, only a small number of ions find their way to the extraction lattice system, while most of the ions produced recombine on the walls of the ionization chamber. Only those ions that reach the extraction lattice system are available for use as an ion thruster for thruster generation or when used as a general ion source for use in other processes. Of the total electrical power supplied so far only about 5% to 20% of the electrical power for this use of ions in a general ion source or in an ion engine can be implemented. The remaining supplied electrical power is largely converted into heat and radiation by the recombination of the ions on the walls of the ionization chamber. To generate an ion, a minimum ionization energy Wi is required. Upon recombination on the walls, Wi is released in the form of heat and radiation and is therefore not available for further ionization or for use by acceleration in the extraction grid. The Wandrekombination is thus the largest loss factor in the high-frequency ionization.

Techniken zu Ionisierungskammern mit überlagerten elektromagnetischen Feldern sind in der EP 0 169 744 A2 sowie der US 2004/0036032 A1 beschrieben. Ionenquellen, die Mittel zur Beschleunigung von Ionen aufweisen, sind in der WO 2008/009898 A1 und der US 6,378,290 B1 beschrieben.Techniques for ionization chambers with superimposed electromagnetic fields are in the EP 0 169 744 A2 as well as the US 2004/0036032 A1 described. Ion sources having means for accelerating ions are in the WO 2008/009898 A1 and the US 6,378,290 B1 described.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen Plasmaerzeuger so auszugestalten, dass der durch Rekombination der Ionen und/oder Elektronen an den Wänden der Ionisationskammer auftretende Leistungsverlust deutlich reduziert wird.Object of the present invention is therefore to design a generic plasma generator so that the power loss occurring by recombination of the ions and / or electrons on the walls of the ionization chamber is significantly reduced.

Diese Aufgabe wird durch den Plasmaerzeuger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the plasma generator having the features of patent claim 1.

Dabei ist zusätzlich zu der bekannten Hochfrequenz-Wechselstrom eine weitere Stromquelle oder Spannungsquelle vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass zumindest eine Spule der Spulenanordnung mit einem Wechselstrom von niedrigerer Frequenz, als der von der Hochfrequenz-Wechselstromquelle gelieferte Strom, beaufschlagt wird. Der hierdurch zusätzlich in die Spulenanordnung eingespeiste Wechselstrom niedrigerer Frequenz überlagert dem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld einen Anteil eines niedriger frequenten magnetischen Wechselfelds. In dieser Anmeldung wird das Vorsehen von Stromquellen beschrieben; es können stattdessen auch Spannungsquellen vorgesehen sein.In this case, in addition to the known high-frequency alternating current, a further current source or voltage source is provided, which is designed so that at least one coil of the coil assembly with an alternating current of lower frequency than the supplied from the high-frequency AC power source, is applied. The thereby additionally fed into the coil assembly AC lower frequency superimposed on the high-frequency magnetic alternating field a proportion of a lower-frequency alternating magnetic field. In this application the provision of power sources is described; it may instead be provided voltage sources.

Auf bewegte Ladungsträger wirkt im magnetischen Feld die Lorentz-Kraft F = q v × b

Figure imgb0001
mit der Ladung q, der Geschwindigkeit v und der magnetischen Flussdichte B. Der Anteil des dem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld überlagerten niedriger frequenten Wechselstroms bewirkt, dass die Ladungsträger (Elektronen und Ionen) innerhalb der Spule und damit innerhalb der Ionisationskammer in Kreisbahnen beziehungsweise Spiralbahnen im Magnetfeld gezwungen werden. Eine derartige Kreisbahnbewegung beziehungsweise Spiralbahnbewegung der Elektronen im Magnetfeld führt dazu, deren Bewegung in Richtung auf die WändeThe Lorentz force acts on moving charge carriers in the magnetic field F = q v × b
Figure imgb0001
 with the charge q, the velocity v and the magnetic flux density B. The proportion of the alternating high frequency electromagnetic field superimposed low-frequency alternating current causes the charge carriers (electrons and ions) within the coil and thus within the ionization chamber in circular or spiral paths in the magnetic field forced become. Such a circular path movement or spiral path movement of the electrons in the magnetic field leads to their movement in the direction of the walls

zu reduzieren (sogenanntes "Confinement"). Da die Bewegung der Elektronen und Ionen aus dem Inneren der Ionisationskammer zu den Wänden und zum Extraktions-Gittersystem ambipolar erfolgt, wird der Fluss der Ionen zu den Wänden ebenfalls entsprechend reduziert. Auf diese Weise ist die Wahrscheinlichkeit der Kollision von Ladungsträgern mit den Wänden und damit der Rekombination von Ionen und/oder Elektronen an den Wänden bei dem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger deutlich herabgesetzt. Die Ionen, die sich in der Sollrichtung, das ist bei einem Ionen-Triebwerk die Richtung parallel zur Längsachse auf das Extraktions-Gittersystem hin, bewegen, bewegen sich parallel zu den magnetischen Feldlinien und werden durch das zusätzlich aufgebrachte Wechselfeld niedrigerer Frequenz, in ihrer Bewegung dorthin nicht behindert.to reduce (so-called "Confinement"). Since the movement of the electrons and ions from the interior of the ionization chamber to the walls and to the extraction grating system is ambipolar, the flow of ions to the walls is also correspondingly reduced. In this way, the probability of collision of charge carriers with the walls and thus the recombination of ions and / or electrons on the walls in the plasma generator according to the invention is significantly reduced. The ions that move in the desired direction, that is, in an ion engine, the direction parallel to the longitudinal axis on the extraction grid system, move parallel to the magnetic field lines and by the additionally applied alternating field of lower frequency, in their movement not handicapped there.

Der dem durch die Spulenanordnung fließenden hochfrequenten Wechselstrom überlagerte Wechselstrom niedrigerer Frequenz, ist so zu wählen, dass er ausreichend ist, um in der Ionisationskammer ein magnetisches Feld gewünschter Höhe zu erhalten. Das Gas im Inneren der Ionenquelle, also in der Ionisationskammer, stellt ein Plasma dar. Wird einem Plasma ein inhomogenes Magnetfeld überlagert, so bewegt sich das Plasma in Richtung des schwächer werdenden Magnetfelds (Gradientendrift): Unter entsprechender Gestaltung der Geometrie der Spulenanordnung ist es möglich, durch Gradientendrift die Ladungsträger im Plasma verstärkt in der Sollrichtung, z. B. in Richtung auf das Extraktions-Gittersystem hin zu bewegen.The alternating current of lower frequency superimposed on the high-frequency alternating current flowing through the coil arrangement should be chosen such that it is sufficient to obtain a magnetic field of desired height in the ionization chamber. The gas in the interior of the ion source, ie in the ionization chamber, represents a plasma. If an inhomogeneous magnetic field is superimposed on a plasma, the plasma moves in the direction of the weakening magnetic field (gradient drift): With appropriate design of the geometry of the coil arrangement, it is possible , By gradient drift, the charge carriers in the plasma reinforced in the desired direction, z. B. in the direction of the extraction grid system to move.

Mit der Erfindung ist es somit möglich, die Wandverluste in der Ionisationskammer von Plasmaerzeuger, wie Ionenquellen, insbesondere von Ionen-Triebwerken, zu reduzieren, ohne die grundlegende Konstruktionsweise der bisher bekannten Ionenquellen beziehungsweise Ionen-Triebwerken ändern zu müssen. Die Erfindung kann zudem dazu verwendet werden, um die Verteilung der Plasmadichte in der Ionisationskammer zu steuern. Sie kann auch dazu verwendet werden, um zusammen mit der Gestaltung der Ionisationskammer und der Spulenanordnung die Wandverluste zu minimieren. Außerdem kann beimWith the invention, it is thus possible to reduce the wall losses in the ionization chamber of plasma generators, such as ion sources, in particular of ion engines, without having to change the basic design of the previously known ion sources or ion engines. The invention can also be used to control the distribution of plasma density in the ionization chamber. It can also be used to minimize wall losses along with the design of the ionization chamber and coil assembly. In addition, at

Plasmaerzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung bei geeigneter Gestaltung der Ionisationskammer und der Spulenanordnung die Homogenität des Plasmas in der Ionisationskammer optimiert werden. Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden, um die Plasmadichte in gewünschten Bereichen der Ionisationskammer zu erhöhen. Sie kann aber auch dazu verwendet werden, um den Elektronenstrom aus einer Elektronenquelle zu erhöhen.Plasma generator according to the present invention with a suitable design of the ionization chamber and the coil assembly, the homogeneity of the plasma in the ionization chamber can be optimized. The invention can also be used to increase the plasma density in desired regions of the ionization chamber. However, it can also be used to increase the electron current from an electron source.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Plasmaerzeuger kann als Plasmaquelle, als Elektronenquelle oder als Ionenquelle ausgebildet sein.Further preferred and advantageous design features of the plasma generator according to the invention are the subject of the dependent claims.
The plasma generator can be designed as a plasma source, as an electron source or as an ion source.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich der Auslassöffnung eine Beschleunigungseinrichtung für in der Ionisationskammer gebildete Ionen oder Elektronen vorgesehen.In an advantageous embodiment of the invention, an acceleration device for ions or electrons formed in the ionization chamber is provided in the region of the outlet opening.

Diese Beschleunigungseinrichtung, die im Falle einer Ionenquelle vorzugsweise ein elektrisch positiv aufgeladenes Gitter und ein in Ausströmrichtung der Ionen aus der Ionisationskammer hinter dem positiven Gitter gelegenes negativ aufgeladenes Gitter aufweist, dient dazu, die in der Ionisationskammer entstehenden Ionen in eine Richtung rechtwinklig zur Ebene der Gitter aus der Ionisationskammer heraus zu beschleunigen und so einen Ionenausstoß aus der Ionenquelle herbeizuführen. Die Gitter bilden ein Extraktions-Gittersystem. Im Fall einer Elektronenquelle ist die Reihenfolge der Gitter und damit die Polarität vertauscht.This accelerator device, which in the case of an ion source preferably has an electrically positively charged grid and a negatively charged grid located in the outflow direction of the ions from the ionization chamber behind the positive grid, serves to move the ions formed in the ionization chamber in a direction perpendicular to the plane of the grid accelerate out of the ionization chamber and thus cause an ion ejection from the ion source. The grids form an extraction grating system. In the case of an electron source, the order of the gratings and thus the polarity is reversed.

Vorzugsweise ist eine derartige Ionenquelle Bestandteil eines Ionen-Triebwerks.Preferably, such an ion source is part of an ion engine.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist in Stromabwärtsrichtung des die Ionisationskammer verlassenden Ionenstroms ein Elektroneninjektor vorgesehen, der auf den Ionenstrom gerichtet ist und der zur Neutralisation des Ionenstroms eingerichtet ist, wobei der Elektroneninjektor vorzugsweise eine Hohlkathode aufweist. Mittels einer derartigen Neutralisation kann verhindert werden, dass sich die Ionenquelle beziehungsweise das mit der Ionenquelle verbundene Gerät elektrostatisch auflädt.In a preferred refinement, an electron injector is provided in the downstream direction of the ion stream leaving the ionization chamber, said electron injector being directed towards the ion stream and being adapted to neutralize the ion stream, the electron injector preferably being a hollow cathode having. By means of such neutralization, it is possible to prevent the ion source or the device connected to the ion source from being electrostatically charged.

In einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist eine Magnetanordnung vorgesehen, die die Ionisationskammer umgibt.In another development of the ion source according to the invention, a magnet arrangement is provided which surrounds the ionization chamber.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulenanordnung eine Hochfrequenz-Spule aufweist, die an eine hochfrequente elektrische Wechselspannung angeschlossen ist, um den Hochfrequenz-Wechselstrom in die Spule einzuleiten, und dass der von einer Gleichspannung erzeugte Gleichstrom ebenfalls direkt in die Hochfrequenz-Spule eingeleitet wird.A particularly preferred embodiment is characterized in that the coil arrangement has a high-frequency coil which is connected to a high-frequency electrical AC voltage to initiate the high-frequency alternating current into the coil, and that the direct current generated by a DC voltage also directly into the high frequency Coil is initiated.

Die Einspeisung des Gleichstroms kann dabei vorzugsweise an einem anderen Ort der Hochfrequenz-Spule erfolgen, als die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms.The feeding of the direct current can preferably take place at a different location of the high-frequency coil than the feeding of the high-frequency alternating current.

Alternativ kann die Einspeisung des Gleichstroms in eine parallel zur Hochfrequenz-Spule angeordnete Gleichstrom-Spule erfolgen.Alternatively, the feeding of the direct current into a parallel coil arranged to the high-frequency coil DC coil.

Vorzugsweise ist der Gleichstrom regelbar und es ist eine Regelungseinrichtung vorgesehen, die den Gleichstrom zum Beispiel proportional zum aus der Ionisationskammer austretenden Ionenstrom regelt.The direct current can preferably be regulated, and a regulating device is provided which regulates the direct current, for example, proportionally to the ion current emerging from the ionization chamber.

Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bei diesem Verfahren wird das Plasma zusätzlich zum hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einer niedrigeren Frequenz als das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld unterworfen.The part of the object relating to the method is achieved by a method having the features of claim 10. In this method, the plasma is subjected to an alternating electromagnetic field having a lower frequency than the high-frequency electromagnetic alternating field in addition to the high-frequency alternating electromagnetic field.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.Preferred embodiments of the invention with additional design details and other advantages are described and explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Es zeigt:

  • Fig. 1 Einen schematischen Längsschnitt durch ein Ionen-Triebwerk;
  • Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild der Stromversorgung eines als Ionenquelle ausgebildeten Plasmaerzeugers nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 7A ein schematisches Schaltbild einer Spulenanordnung für eine Ausführungsform des Plasmaerzeugers als Elektronenquelle oder Ionenquelle mit außenliegender Spule;
  • Fig. 7B ein schematisches Schaltbild einer Spulenanordnung für eine Ausführungsform des Plasmaerzeugers als Elektronenquelle oder
  • Ionenquelle mit innenliegender Spule;
  • Fig. 8A eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers als Plasmaquelle;
  • Fig. 8B eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers als Plasmaquelle zur Durchführung von plasmachemischen Prozessen;
  • Fig. 9 ein Schaubild betreffend den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms, des induzierten magnetischen Flusses und des elektrischen Feldes bei einem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger;
  • Fig. 10 ein Schaubild betreffend den Spulenstrom im Falle einer Gleichstrom-Überlagerung; und
  • Fig. 11 den vom Spulenstrom bei aufgeprägtem Gleichstromanteil induzierten magnetischen Fluss.
It shows:
  • Fig. 1 A schematic longitudinal section through an ion engine;
  • Fig. 2 an electrical diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a first embodiment of the present invention;
  • Fig. 3 an electrical circuit diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a second embodiment of the present invention;
  • Fig. 4 an electrical circuit diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a third embodiment of the present invention;
  • Fig. 5 an electrical circuit diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a fourth embodiment of the present invention;
  • Fig. 6 an electrical circuit diagram of the power supply of an ion source formed as a plasma generator according to a fifth embodiment of the present invention;
  • Fig. 7A a schematic diagram of a coil assembly for an embodiment of the plasma generator as an electron source or ion source with external coil;
  • Fig. 7B a schematic diagram of a coil assembly for an embodiment of the plasma generator as an electron source or
  • Ion source with internal coil;
  • Fig. 8A a schematic representation of a plasma generator according to the invention as a plasma source;
  • Fig. 8B a schematic representation of a plasma generator according to the invention as a plasma source for performing plasma-chemical processes;
  • Fig. 9 a graph relating to the time course of the coil current, the induced magnetic flux and the electric field in a plasma generator according to the invention;
  • Fig. 10 a diagram concerning the coil current in the case of a DC superposition; and
  • Fig. 11 the magnetic flux induced by the coil current with imprinted DC component.

DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELENPRESENTATION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Fig. 1 stellt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ionen-Triebwerk 1 mit einem als Ionenquelle 2 ausgebildeten Plasmaerzeuger dar. Die Ionenquelle 2 weist ein Gehäuse 20 aus elektrisch nichtleitendem Material mit einer Gehäusewand 22 auf. Fig. 1 FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through an ion engine 1 with a plasma generator designed as an ion source 2. The ion source 2 has a housing 20 made of electrically non-conductive material with a housing wall 22.

Das Gehäuse 20 besitzt eine becherförmige Gestalt und ist an der in Fig. 1 rechten Seite mit einer Öffnung versehen, die eine Austrittsöffnung 21 bildet. Das Gehäuse 20 ist im Wesentlichen als polygonal oder rotationssymmetrisch um die Längsachse X geformt. Im Bereich der Austrittsöffnung 21 bildet das Gehäuse 20 einen ersten zylindrischen Abschnitt 23 größeren Durchmessers. Auf der von der Austrittsöffnung 21 in Richtung der Achse X abgewandten Seite ist ein rechtwinklig zur Achse X verlaufender Gehäuseboden 24 vorgesehen. Der Außendurchmesser des Gehäusebodens 24 ist geringer als der Durchmesser des ersten zylindrischen Gehäuseabschnitts 23. An den Gehäuseboden 24 schließt sich ein zweiter zylindrischer Gehäuseabschnitt 25 an, dessen Durchmesser ebenfalls geringer ist als der des ersten zylindrischen Gehäuseabschnitts 23. Die beiden zylindrischen Gehäuseabschnitte 23 und 25 sind über einen kegelstumpfförmigen Gehäuseabschnitt 26 miteinander verbunden. Das Gehäuse 20 kann im Längsschnitt auch andere Formen einnehmen, wie zum Beispiel Kegel-, Zylinder- oder Halbellipsen-Form.The housing 20 has a cup-shaped shape and is on the in Fig. 1 provided on the right side with an opening which forms an outlet opening 21. The housing 20 is substantially formed as a polygonal or rotationally symmetrical about the longitudinal axis X. In the region of the outlet opening 21, the housing 20 forms a first cylindrical portion 23 of larger diameter. On the side facing away from the outlet opening 21 in the direction of the axis X side, a right angle to the axis X extending housing bottom 24 is provided. The outer diameter of the housing bottom 24 is smaller than the diameter of the first cylindrical housing portion 23. The housing bottom 24 is followed by a second cylindrical housing portion 25 whose diameter is also smaller than that of the first cylindrical housing portion 23. The two cylindrical housing portions 23 and 25 are connected via a frustoconical housing portion 26 with each other. The housing 20 may take other forms in longitudinal section, such as conical, cylindrical or semi-elliptical shape.

Der Gehäuseboden 24 weist im Bereich der Achse X eine zentrale Öffnung 27 auf, durch die ein Rohr 3 in Axialrichtung von außen hindurchgeführt ist. Das Rohr 3 öffnet sich im Inneren des Gehäuses 20 der Ionenquelle 2. Außerhalb der Ionenquelle 2 ist die das Rohr 3 mit einer (nicht gezeichneten) Quelle für ein Arbeitsfluid derart verbunden, dass das Arbeitsfluid mittels einer (nicht gezeichneten) Fördereinrichtung durch das Rohr 3 in das Innere der Ionenquelle 2 eingeleitet werden kann. Das Rohr 3 bildet so eine Arbeitsfluidzuführung 30 für die Ionenquelle.The housing bottom 24 has in the region of the axis X on a central opening 27 through which a tube 3 is guided in the axial direction from the outside. The tube 3 opens inside the housing 20 of the ion source 2. Outside the ion source 2, the tube 3 is connected to a source (not shown) for a working fluid such that the working fluid flows through the tube 3 (not shown) can be introduced into the interior of the ion source 2. The tube 3 thus forms a working fluid supply 30 for the ion source.

Das Gehäuse 20 der Ionenquelle 2 ist in seinem ersten zylindrischen Abschnitt 23 mit Wicklungen 40 einer elektrischen Spulenanordnung 4 umgeben.The housing 20 of the ion source 2 is surrounded in its first cylindrical portion 23 with windings 40 of an electric coil assembly 4.

Im Inneren des Gehäuses 20 der wie vorstehend ausgebildeten Ionenquelle 2 ist somit eine Ionisationskammer 5 gebildet. Vor der Austrittsöffnung 21 des Gehäuses 20 ist eine Extraktions-Gitteranordnung 6 vorgesehen, die ein der Austrittsöffnung 21 zugewandtes, elektrisch positiv geladenes Gitter 60 und ein von der Austrittsöffnung 21 abgewandtes, elektrisch negativ geladenes Gitter 62 aufweist. Durch die Extraktions-Gitteranordnung 6 können Ionen, wie weiter unten noch beschrieben wird, beim Betrieb der Ionenquelle 2 nach außen parallel zur Achse X (in Fig. 1 nach rechts) als Ionenstrom 8 austreten.In the interior of the housing 20 of the ion source 2 formed as above, an ionization chamber 5 is thus formed. In front of the outlet opening 21 of the housing 20, an extraction grating assembly 6 is provided, which one of the outlet opening 21 facing, electrically positively charged grid 60 and a From the outlet opening 21 facing away, electrically negatively charged grid 62 has. As will be described below, during extraction of the ion source 2 outward parallel to the axis X (in FIG Fig. 1 to the right) as ion stream 8 exit.

Außerhalb des Gehäuses 20 der Ionenquelle 2 ist in der Nähe der Austrittsöffnung 21 und des Extraktions-Gitters 6 ein Elektroneninjektor 7 vorgesehen, der als Hohlkathode ausgebildet ist und der an einen Arbeitsfluidvorrat angeschlossen ist. Mittels des Elektroneninjektors 7 können Elektronen in den aus der Ionenquelle 2 austretenden Ionenstrom 8 injiziert werden, um so den Ionenstrom 8 elektrisch zu neutralisieren.Outside the housing 20 of the ion source 2, an electron injector 7 is provided in the vicinity of the outlet opening 21 and the extraction grating 6, which is designed as a hollow cathode and which is connected to a working fluid supply. By means of the electron injector 7, electrons can be injected into the ion stream 8 emerging from the ion source 2 so as to electrically neutralize the ion stream 8.

Im Betrieb der Ionenquelle 2 wird ein Arbeitsfluid, beispielsweise Xenon-Gas, durch die Arbeitsfluidzuführung 30 in die Ionisationskammer 5 der Ionenquelle 2 eingeleitet. Durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Wechselspannung an eine Hochfrequenz-Spule der Spulenanordnung 4 wird innerhalb der Ionisationskammer 5 ein Plasma erzeugt, indem Elektronen zur Kollision mit Atomen gebracht werden, um Ionen zu erzeugen. Die Ionen, die aufgrund des mittels der Spule 4 angelegten elektrischen Wechselfelds parallel zur Längsachse X in Richtung der Austrittsöffnung 21 wandern, werden in der Extraktions-Gitteranordnung 6 beschleunigt und treten als Ionenstrom 8 mit hoher Geschwindigkeit aus der Ionenquelle 2 aus, wodurch eine Schubkraft auf die Ionenquelle 2 als Rückstoßkraft der austretenden Ionen wirkt.During operation of the ion source 2, a working fluid, for example xenon gas, is introduced through the working fluid supply 30 into the ionization chamber 5 of the ion source 2. By applying a high-frequency AC electric power to a high-frequency coil of the coil assembly 4, a plasma is generated within the ionization chamber 5 by causing electrons to collide with atoms to generate ions. The ions which move parallel to the longitudinal axis X in the direction of the outlet opening 21 due to the applied by the coil 4 alternating electric field are accelerated in the extraction grating assembly 6 and emerge as ion stream 8 at high speed from the ion source 2, whereby a thrust force the ion source 2 acts as a repulsive force of the exiting ions.

Das Gas im Inneren des Gehäuses 20 der Ionenquelle 2, also in der Ionisationskammer 5, stellt ein Plasma dar. Wird einem Plasma ein inhomogenes Magnetfeld überlagert, so bewegt sich das Plasma in Richtung des schwächer werdenden Magnetfelds, was als "Gradientendrift" bezeichnet wird. Durch geeignete Gestaltung der Spulengeometrie der Spulen in der Spulenanordnung 4 ist es möglich, durch Gradientendrift die Ladungsträger im Plasma verstärkt in Richtung auf die Austrittsöffnung 21 hin, also auf die Extraktions-Gitteranordnung 6 hin, zu bewegen.The gas in the interior of the housing 20 of the ion source 2, ie in the ionization chamber 5, represents a plasma. If a nonhomogeneous magnetic field is superimposed on a plasma, the plasma moves in the direction of the weakening magnetic field, which is referred to as "gradient drift". By suitable design of the coil geometry of the coils in the coil arrangement 4, it is possible, by gradient drift, to increase the charge carriers in the plasma in the direction of the outlet opening 21, ie toward the extraction grid arrangement 6.

Dazu wird in eine Hochfrequenz-Spule der Spulenanordnung 4 ein hochfrequenter Wechselstrom eingespeist. Zudem wird bei dieser Ionenquelle in einen Schwingkreis, der die Hochfrequenz-Spule und einen Hochfrequenz-Generator als Wechselstromquelle aufweist, ein Gleichstrom eingespeist. Die Größe des Gleichstroms wird durch entsprechende Steuervorrichtungen einer zugeordneten Gleichstromquelle gesteuert. Der Stromkreis, der die Gleichstromquelle enthält, wird durch geeignete Filter gegen die Hochfrequenzanteile abgeschottet. Derartige Filter sind in bekannter Weise durch ein Netzwerk aus zumindest einer Spule und zumindest einem Kondensator gebildet. Alternativ ist es auch möglich, einen Generator zu verwenden, der neben dem Wechselstrom einen Gleichstromanteil liefert.For this purpose, a high-frequency alternating current is fed into a high-frequency coil of the coil arrangement 4. In addition, in this ion source in a resonant circuit having the high-frequency coil and a high-frequency generator as an AC power source, a DC is fed. The magnitude of the DC current is controlled by appropriate control devices of an associated DC power source. The circuit containing the DC power source is isolated by suitable filters against the high frequency components. Such filters are formed in a known manner by a network of at least one coil and at least one capacitor. Alternatively, it is also possible to use a generator which supplies a direct current component in addition to the alternating current.

Fig. 2 zeigt ein Schaltungsschema der hier mit dem Bezugszeichen "S" bezeichneten elektrischen Spulenanordnung 4 sowie einer Hochfrequenz-Wechselstromquelle AC und einer Gleichstromquelle DC. Weiterhin sind in der Schaltung zwei Netzwerke N1 und N2 am Eingang und am Ausgang der Spulenwicklung 40 vorgesehen. Die Spule der Spulenanordnung S wird von einem Strom I durchflossen, der einen periodisch wechselnden, von der Hochfrequenz-Wechselstromquelle AC erzeugten Wechselstromanteil und einen Gleichstromanteil oder schwach veränderlichen Anteil aufweist, welcher von der Gleichstromquelle DC erzeugt wird. Die Wechselstromquelle AC weist einen Generator auf, der den Wechselstromanteil liefert, und die Gleichstromquelle DC ist modulierbar ausgestaltet und erzeugt den konstanten oder schwach veränderlichen Anteil des die Spule durchfließenden Stroms I. Die Netzwerke N1 und N2 blocken die Gleichspannungsanteile gegenüber der Wechselstromquelle AC und die Wechselspannungsanteile gegenüber der Gleichstromquelle DC. Dazu können in den Netzwerken N1 und N2 entsprechende R-, C- oder L-Netzwerke verwendet werden. Fig. 2 FIG. 12 shows a circuit diagram of the electric coil arrangement 4 denoted here by the reference symbol "S" and a high-frequency AC source AC and a DC source DC. Furthermore, two networks N1 and N2 at the input and the output of the coil winding 40 are provided in the circuit. The coil of the coil arrangement S is traversed by a current I, which has a periodically alternating, generated by the high-frequency AC power source AC component and a DC component or weakly variable component, which is generated by the DC power source DC. The AC source AC has a generator that provides the AC component, and the DC source DC is configured to be modulated and produces the constant or slightly variable portion of the current I flowing through the coil. The networks N1 and N2 block the DC components from the AC source AC and the AC components opposite the DC power source DC. For this purpose, corresponding R, C or L networks can be used in the networks N1 and N2.

Alternativ zu der Schaltung aus Fig. 2 kann gemäß der Darstellung in Fig. 3 der konstante oder schwach veränderliche Strom nicht der gesamten Spulenwicklung, sondern nur einzelnen Windungen oder einem Teil der gesamten Spulenwicklung aufgeprägt werden, wobei es sich hierbei nicht um vollständige Windungen handeln muss.Alternatively to the circuit Fig. 2 can, as shown in Fig. 3 the constant or weakly variable current not the entire coil winding, but only individual turns or a part of the entire coil winding are impressed, which need not be complete turns here.

In der in Fig. 4 dargestellten alternativen Ausführungsform ist ein Verstärker AMP vorgesehen, um den Spulenstrom zu erzeugen, wobei der Verstärker von einem Wechselstromgenerator (Wechselstromquelle AC) für das periodische Signal (Wechselstromanteil des Stroms I) und einem Gleichstromgenerator (Gleichstromquelle DC) für den konstanten oder schwach veränderlichen Anteil des Stroms I angesteuert wird. Bei dem Verstärker AMP kann es sich um einen so genannten Class-A oder Class-AB-Verstärker handeln.In the in Fig. 4 In the alternative embodiment shown, an amplifier AMP is provided to generate the coil current, the amplifier being driven by an AC generator (AC source AC) for the periodic signal (AC component of the current I) and a DC generator (DC source DC) for the constant or weakly variable component of the Electricity I is driven. The amplifier AMP may be a so-called class A or class AB amplifier.

Eine andere alternative Ausgestaltungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Spule der Spulenanordnung S von einem Generator ACDC angesteuert, dessen Gleichstromanteil nicht gegenüber dem Wechselstromanteil abgeblockt ist. Der Gleichstromanteil ist idealerweise steuerbar oder regelbar.Another alternative embodiment is in Fig. 5 shown. In this embodiment, the coil of the coil assembly S is driven by a generator ACDC whose DC component is not blocked against the AC component. The DC component is ideally controllable or controllable.

Bei der in Fig. 6 dargestellten weiteren alternativen Ausführungsform weist die Spulenanordnung S eine neben der mit der Hochfrequenz-Wechselstromquelle AC verbundenen Spule S1 eine separate Spule S2 auf, die von der Gleichstromquelle DC mit Gleichstrom oder einem Wechselstrom niedriger Frequenz versorgt wird. Dabei ist die Gleichstromquelle DC mittels der am Eingang und am Ausgang der Spule S2 vorgesehenen Netzwerke N1 und N2 gegen einen von der Spule S 1 des Wechselstromkreises induzierten Strom geschützt. Anstelle einer einzigen Spule im Wechselstromkreis können auch mehrere Spulen vorgesehen sein. Ebenso können auch im Gleichstromkreis anstelle einer einzelnen Spule S2 mehrere Spulen vorgesehen sein.At the in Fig. 6 In a further alternative embodiment, the coil arrangement S comprises a coil S1 adjacent to the high-frequency AC source AC, which is supplied with a direct current or a low-frequency alternating current from the DC source DC. In this case, the DC power source DC is protected by means of the provided at the input and output of the coil S2 networks N1 and N2 against a current induced by the coil S 1 of the AC circuit current. Instead of a single coil in the AC circuit, several coils can be provided. Likewise, several coils may be provided in the DC circuit instead of a single coil S2.

Für die Überlagerung des Hochfrequenz-Wechselstroms in der Spulenanordnung S mit einem Gleichstrom oder einem r Wechselstrom niedriger Frequenz kann die Ionenquelle 1' als Ionenquelle mit außenliegender Spule beziehungsweise außenliegenden Spulen ausgestaltet sein, wie dies in Fig. 7A schematisch dargestellt ist. Die Ionenquelle 1" kann aber auch, wie dies in Fig. 7B dargestellt ist, mit einer oder mehreren innenliegenden Spule(n) ausgebildet sein. Die Ausführungsform der Ionenquelle 1' in Fig. 7A ist mit zwei Spulen S1 und S2 versehen, wobei die Spule S1 einen Abgriff A1 aufweist, an welchem ein Überlagerungsstrom partiell in die Spule S1 eingespeist werden kann. Fig. 7A zeigt zusätzlich zur Spulenanordnung S auch eine Extraktions-Gitteranordnung G.For the superimposition of the high-frequency alternating current in the coil arrangement S with a direct current or a low-frequency alternating current, the ion source 1 'can be used as an ion source outboard coil or external coils be configured as in Fig. 7A is shown schematically. The ion source 1 "can also, as in Fig. 7B is shown formed with one or more internal coil (s). The embodiment of the ion source 1 'in Fig. 7A is provided with two coils S1 and S2, wherein the coil S1 has a tap A1, to which a superposition current can be partially fed into the coil S1. Fig. 7A also shows an extraction grating arrangement G in addition to the coil arrangement S.

In Fig. 7B sind ebenfalls zwei Spulen S1 und S2 und zusätzlich eine dritte Spule S3 vorgesehen. Auch die in Fig. 7B schematisch dargestellte Ionenquelle 1" ist mit einer Extraktions-Gitteranordnung G versehen.In Fig. 7B are also two coils S1 and S2 and additionally provided a third coil S3. Also in Fig. 7B schematically illustrated ion source 1 "is provided with an extraction grating assembly G.

Die in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellten Plasmaerzeuger können verwendet werden in Ionen-Triebwerken mit einer Extraktions-Gitteranordnung, bei der das der Ionisationskammer benachbarte erste Gitter G1 positiv und das zweite Gitter G2 negativ geladen ist, in Elektronenquellen mit Extraktions-Gitteranordnung, bei der das der Ionisationskammer benachbarte erste Gitter G1 negativ und das zweite Gitter G2 positiv geladen ist, in Elektronenquellen ohne Extraktions-Gitteranordnung oder in Elektronenquellen, die über eine Plasmabrücke emittieren. Grundsätzlich können auch Substrate T in die Ionisationskammer eingebracht sein.The in the FIGS. 7 and 8 Schematically illustrated plasma generators may be used in ion thrusters having an extraction grating arrangement in which the first grating G1 adjacent the ionization chamber is positively charged and the second grating G2 is negatively charged in extraction grating electron sources in which the first grating adjacent to the ionization chamber G1 negative and the second grid G2 is positively charged, in electron sources without extraction lattice arrangement or in electron sources that emit via a plasma bridge. In principle, substrates T can also be introduced into the ionization chamber.

Die gezeigten Plasmaerzeuger können auch in einer Plasmaquelle Verwendung finden, in die ein Arbeitsgas A eingeleitet wird und aus der ein Gemisch C aus Ionen, Elektronen und neutralen Teilchen (Plasma) austritt, wie in Fig. 8A symbolisch dargestellt ist. Am Auslass für das Gemisch C kann auch eine Plasmabrücke ausgebildet sein. Das Plasma kann auch mit höherem Druck austreten und einen Plasmajet bilden.The plasma generators shown can also be used in a plasma source into which a working gas A is introduced and from which a mixture C of ions, electrons and neutral particles (plasma) emerges, as in FIG Fig. 8A is shown symbolically. At the outlet for the mixture C may also be formed a plasma bridge. The plasma can also escape at a higher pressure and form a plasma jet.

Wie in Fig. 8B symbolisch dargestellt ist, können in den Plasmaerzeuger auch mehrere Arbeitsgase A, B, ... N eingeleitet werden. In der Ionisationskammer finden dann plasmachemische Prozesse statt, so dass ein gewünschtes Reaktionsprodukt R an einer geeigneten Stelle Y des Plasmaerzeugers entnommen werden kann oder direkt mit einem in der Plasmaquelle vorgesehenen Substrat T wechselwirken kann.As in Fig. 8B is shown symbolically, several working gases A, B, ... N can be introduced into the plasma generator. In the ionization chamber Then plasma-chemical processes take place, so that a desired reaction product R can be taken at a suitable location Y of the plasma generator or can interact directly with a substrate T provided in the plasma source.

Die Fig. 9 bis 11 zeigen Diagrammdarstellungen der zeitlichen Variation des Stroms I(t), der magnetischen Flussdichte B(t) und der induzierten elektrischen Feldstärke E(t) anhand einer Sinusfunktion. Die Darstellung als Sinusfunktion ist lediglich beispielhaft und es kann sich um eine beliebige periodische Funktion handeln.The Fig. 9 to 11 show diagrams of the time variation of the current I (t), the magnetic flux density B (t) and the induced electric field strength E (t) using a sine function. The representation as a sine function is merely exemplary and may be any periodic function.

Fig. 9 zeigt die zeitliche Änderung es Stroms I(t), der durch die Wechselstromspule der Spulenanordnung 4 fließt, sowie den dadurch induzierten magnetischen Fluss B(t) und des am Plasmaerzeuger anliegenden elektrischen Feldes E(t). Dabei ist der Verlauf des Stroms I(t) als durchgezogene Linie gezeichnet, der zeitliche Verlauf der magnetischen Flussdichte B(t) ist als gepunktete Linie gezeichnet und der Verlauf der elektrischen Feldstärke E(t) ist als strichpunktierte Linie gezeichnet. Bei der Darstellung der Fig. 9 ist noch keine zusätzliche Aufprägung eines Gleichstroms erfolgt. Fig. 9 shows the temporal change of current I (t), which flows through the AC coil of the coil assembly 4, and the magnetic flux B (t) induced thereby and of the applied to the plasma generator electric field E (t). Here, the course of the current I (t) is drawn as a solid line, the time course of the magnetic flux density B (t) is shown as a dotted line and the course of the electric field strength E (t) is shown as a dotted line. In the presentation of Fig. 9 no additional imprint of a direct current has yet occurred.

In Fig. 10 sind drei Stromverläufe dargestellt, bei welchen dem durch die Spule fließenden Wechselstrom I(t) = I0 sin (wt) ein geringer Gleichstrom I1 und alternativ ein höherer Gleichstrom I2 aufgeprägt ist. Die Kurve des zeitlichen Verlaufs des Wechselstroms wird dadurch zum positiven Bereich des Stroms hin, beziehungsweise vollständig in den positiven Bereich des Stroms, verschoben. Anstelle des Gleichstroms kann dem Wechselstrom auch ein schwach veränderlicher Strom, also ein Gleichstrom mit niedrigerer Frequenz als der hochfrequente Wechselstrom I(t) aufgeprägt werden. Die Aufprägung des Gleichstroms beziehungsweise des schwach veränderlichen Stroms kann entweder für die gesamte Spule oder nur für einen Teil der Windungen der Spule erfolgen.In Fig. 10 three current waveforms are shown in which the alternating current I (t) = I 0 sin (wt) flowing through the coil is impressed with a small direct current I 1 and, alternatively, a higher direct current I 2 . The curve of the time course of the alternating current is thereby shifted toward the positive region of the current, or completely into the positive region of the current. Instead of the direct current, a slightly variable current, ie a direct current with a lower frequency than the high-frequency alternating current I (t), can also be impressed on the alternating current. The imprinting of the direct current or the weakly variable current can take place either for the entire coil or only for a part of the turns of the coil.

Fig. 11 zeigt den sich aufgrund des Stromverlaufs gemäß der drei Beispiele der Fig. 10 ergebenden magnetischen Fluss. Es wird deutlich, dass auch hier der magnetische Fluss B(t) = B0 sin (wt) durch die Aufprägung des Gleichstromanteils I1 um einen konstanten magnetischen Fluss B1 zum positiven Bereich hin parallel verschoben wird. In gleicher Weise erfolgt eine Parallelverschiebung vollständig in den positiven Bereich bei der dritten Beispielkurve, dadurch dass aufgrund des aufgeprägten größeren Gleichstromanteils I2 ein entsprechend hoher gleichbleibender magnetischer Fluss B2 dem magnetischen Wechselfeld B0 sin (wt) aufgeprägt wird. Der überlagerte gleichförmige Stromanteil führt somit zu einem zusätzlichen magnetischen Fluss. Wie aus den Darstellungen der Fig. 10 und 11 zu erkennen ist, lässt sich das Verhältnis von Zeiträumen mit negativer zu positiver Flussrichtung durch entsprechende Wahl der Größe des zusätzlich eingespeisten Gleichstroms beeinflussen und es kann so eine Vorzeichenumkehr des magnetischen Flusses unterdrückt werden. Ebenso wird es möglich, eine im Vergleich zur Amplitude der periodischen Flussänderung hohe Flussdichte zu erzeugen. Weiterhin kann diese Flussdichte gezielt auf Plasmabedingungen (ECR- und ICR-Resonanzfrequenz) abgestimmt werden. Das induzierte elektrische Feld E(t) bleibt von der zusätzlichen Aufprägung eines Gleichstroms und der daraus resultierenden zusätzlichen Aufprägung eines konstanten magnetischen Flusses unbeeinflusst. Fig. 11 shows that due to the current flow according to the three examples of Fig. 10 resulting magnetic flux. It becomes clear that here too the magnetic flux B (t) = B 0 sin (wt) is shifted parallel to the positive region by the impressing of the DC component I 1 by a constant magnetic flux B 1 . In the same way, a parallel displacement takes place completely in the positive range in the third example curve, characterized in that due to the impressed larger DC component I 2 a correspondingly high constant magnetic flux B 2 the magnetic alternating field B 0 sin (wt) is impressed. The superimposed uniform current component thus leads to an additional magnetic flux. As from the representations of Fig. 10 and 11 can be seen, the ratio of periods with negative to positive flow direction can be influenced by appropriate choice of the size of the additionally fed DC current and it can be suppressed such a sign reversal of the magnetic flux. It also becomes possible to generate a high flux density compared to the amplitude of the periodic flux change. Furthermore, this flux density can be tailored to plasma conditions (ECR and ICR resonance frequency). The induced electric field E (t) remains unaffected by the additional imprinting of a direct current and the resulting additional imposition of a constant magnetic flux.

Kern der vorliegenden Erfindung ist somit die Überlagerung des Wechselstroms in der Hochfrequenzspule der Spulenanordnung 4 eines Plasmaerzeugers, z. B. einer Elektronenquelle, einer Plasmaquelle, einer Ionenquelle oder eines Ionentriebwerks. Dadurch werden die Wandverluste durch magnetischen Einschluss der Elektronen in der Ionisationskammer reduziert. Dieser Einschluss der Elektronen in der Ionisationskammer kann auch zeitlich gesteuert erfolgen. Der magnetische Einschluss der Elektronen in der Ionisationskammer kann außerdem zur Kontrolle oder Steuerung der Plasmadichte-Verteilung in der Ionisationskammer erfolgen. Auch hier kann der magnetische Einschluss zeitgesteuert durchgeführt werden, um die Plasmadichte-Verteilung in Abhängigkeit von der Zeit zu steuern.The core of the present invention is thus the superposition of the alternating current in the high frequency coil of the coil assembly 4 of a plasma generator, for. As an electron source, a plasma source, an ion source or an ion engine. As a result, the wall losses are reduced by magnetic confinement of the electrons in the ionization chamber. This inclusion of the electrons in the ionization chamber can also be timed. The magnetic confinement of the electrons in the ionization chamber can also be done to control or control the plasma density distribution in the ionization chamber. Again, the magnetic confinement can be timed to control the plasma density distribution as a function of time.

Die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms und des Gleichstroms kann vorzugsweise direkt in die Hochfrequenz-Wechselstromspule der Spulenanordnung 4 erfolgen, so dass Wechselstrom und Gleichstrom in dieselbe Spule eingespeist werden. Die Hochfrequenzspule kann einlagig oder mehrlagig ausgeführt sein. Sie kann mit Mittelanzapfung oder Teilanzapfung(en) zur beidseitigen Erdung der Anschlüsse ausgeführt sein, wobei die Wicklungen gegensinnig gewickelt sind. Die Gleichstromeinspeisung kann über eine Anzapfung erfolgen, so dass der Gleichstrom nur über einen Teil der Windungen in die Spule eingeleitet wird.The feeding of the high-frequency alternating current and the direct current can preferably take place directly into the high-frequency alternating-current coil of the coil arrangement 4, so that alternating current and direct current are fed into the same coil. The radio-frequency coil can be single-layered or multi-layered. It can be designed with center tap or part tapping (s) for grounding the terminals on both sides, with the windings wound in opposite directions. The DC feed can be via a tap, so that the DC is introduced only over part of the turns in the coil.

Alternativ kann die Einspeisung des Gleichstroms statt in die Hochfrequenz-Spule in eine in geeigneter Weise parallel zur Hochfrequenz-Spule liegende Spule einer bifilaren Anordnung erfolgen. Die Gleichstromspule kann die gleiche, eine kleinere oder auch eine höhere Windungszahl besitzen, als die Hochfrequenz-Spule. Die Hochfrequenz-Spule kann einen oder mehrere Einspeisepunkte aufweisen. Dabei kann die Einspeisung des Gleichstroms aus einer oder mehreren Gleichstromquellen erfolgen, wobei im Falle von mehreren Gleichstromquellen diese entweder einen gleichgroßen Strom oder unterschiedlich große Ströme durch die Spule beziehungsweise die Windungen liefern.Alternatively, the direct current can be fed instead of into the high-frequency coil into a coil of a bifilar arrangement which is suitably parallel to the high-frequency coil. The DC coil may have the same, a smaller or higher number of turns than the high-frequency coil. The high frequency coil may have one or more feed points. In this case, the feeding of the direct current from one or more DC sources can take place, wherein in the case of several DC sources, these deliver either an equal current or different sized currents through the coil or windings.

Die gesamte Spulenanordnung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms und die Einspeisung des Gleichstroms nicht gegenseitig beeinflussen. Die Einspeisung des hochfrequenten Wechselstroms kann mittels einer PLL-Phasenregelung erfolgen. Die Hochfrequenz-Wechselstromspule kann Teil eines Serienresonanzkreises oder eines Parallelresonanzkreises sein.The entire coil arrangement is preferably designed so that the supply of the high-frequency alternating current and the supply of the direct current do not influence each other. The feeding of the high-frequency alternating current can be done by means of a PLL phase control. The high frequency AC coil may be part of a series resonant circuit or a parallel resonant circuit.

Die Hochfrequenz-Spule und/oder die Gleichstrom-Spule können entweder außerhalb oder auch innerhalb des Gehäuses 20 des Plasmaerzeugers angeordnet sein. Das Gehäuse des Plasmaerzeugers kann als Zylinder, Kegel oder in anderer Formgestaltung ausgestaltet sein.The high-frequency coil and / or the DC coil can be arranged either outside or inside the housing 20 of the plasma generator. The housing of the plasma generator can be designed as a cylinder, cone or other shape design.

Zur optimalen Verteilung des magnetischen Feldes kann die Spule anstatt eine zylindrischen Gestalt auch jede andere Form aufweisen. So kann beispielsweise die Steigung der Windungen ungleichförmig sein. Auch können die Windungen in unterschiedlichen Abständen voneinander angeordnet sein. Die Windung kann beispielsweise mäanderförmig sein. Mittels der Spule kann ein Ringfeld (cusp-Feld) oder ein multipolares Feld erzeugt werden. Über eine Vielzahl von entlang der Hochfrequenz-Spule verteilten Einspeisepunkten kann auch eine beliebige Verteilung des magnetischen Feldes erzielt werden.For optimal distribution of the magnetic field, the coil may have any other shape instead of a cylindrical shape. For example, the pitch of the turns may be non-uniform. Also, the windings may be arranged at different distances from each other. The winding may be meandering, for example. By means of the coil, a ring field (cusp field) or a multipolar field can be generated. Any distribution of the magnetic field can also be achieved via a multiplicity of feed-in points distributed along the high-frequency coil.

Der Gleichstrom kann zur optimalen Anpassung des magnetischen Feldes steuerbar oder regelbar sein, zum Beispiel bei einer Ionenquelle oder einem Ionentriebwerk entsprechend dem austretenden Ionenstrom, der beim Ionentriebwerk proportional zum Schub ist.The DC current may be controllable or controllable for optimum adaptation of the magnetic field, for example, at an ion source or an ion engine corresponding to the exiting ion current, which is proportional to the thrust in the ion engine.

Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.Reference signs in the claims, the description and the drawings are only for the better understanding of the invention and are not intended to limit the scope.

Die Ausführungsformen betreffend Gleichstrom und/oder Gleichspannung in der gesamten Beschreibung sind nicht Teil der Erfindung.The DC and / or DC voltage embodiments throughout the specification are not part of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Es bezeichnen:

1
Ionen-Triebwerk
2
Ionenquelle
3
Rohr
4
elektrische Spulenanordnung
5
Ionisationskammer
6
Extraktions-Gitteranordnung
7
Elektroneninjektor
8
Ionenstrom
20
Gehäuse
21
Austrittsöffnung
22
Gehäusewand
23
erster zylindrischer Gehäuseabschnitt
24
Gehäuseboden
25
zweiter zylindrischer Gehäuseabschnitt
26
kegellstumpfförmiger Gehäuseabschnitt
27
zentrale Öffnung
28
Isolationsabschnitt
30
Arbeitsfluidzuführung
40
Wicklungen
60
elektrisch positiv geladenes Gitter
62
elektrisch negativ geladenes Gitter
They denote:
1
Ion thruster
2
ion source
3
pipe
4
electric coil arrangement
5
ionization chamber
6
Extraction grid array
7
electron injector
8th
ion current
20
casing
21
outlet opening
22
housing wall
23
first cylindrical housing section
24
caseback
25
second cylindrical housing section
26
truncated cone-shaped housing section
27
central opening
28
insulating section
30
Working fluid supply
40
windings
60
electrically positively charged grid
62
electrically negatively charged grid

Claims (8)

  1. Plasma generator comprising:
    a housing (20) surrounding an ionization chamber (5);
    at least one working fluid supply line (30) leading into the ionization chamber, the ionization chamber (5) having at least one outlet opening (21);
    at least one electric coil arrangement (4) surrounding at least one area of the ionization chamber (5);
    wherein the coil arrangement (4) is electrically connected with a high frequency alternating current source (AC) which is constructed such that it applies a high frequency electric alternating current to at least a first high frequency coil (S, S1) of the coil arrangement,
    characterized in that:
    a further current source (DC) is provided which is constructed such that it applies at least to the first (S, S1) or to a second coil (S2) of the coil arrangement (4) an alternating current of a frequency lower than that of the current supplied by the high frequency alternating current source (AC), wherein the alternating current of lower frequency is also directly applied to the high frequency coil (S, S1) or the alternating current of lower frequency is applied to the second coil (S2) which is arranged parallel to the high frequency coil (S, S1).
  2. Plasma generator according to claim 1,
    characterized in that:
    the plasma generator is an ion source.
  3. Plasma generator according to claim 2,
    characterized in that:
    an accelerating device (6) for ions formed in the ionization chamber (5) is in an area of the outlet opening (21).
  4. Plasma generator according to claim 3,
    characterized in that:
    the accelerating device (6) has an electrically positively charged lattice (60) and a negatively charged lattice (62) situated behind the positive lattice (60) in the outflow direction of the ions from the ionization chamber (5).
  5. Plasma generator according to claim 4,
    characterized in that:
    the ion source is an ion engine.
  6. Plasma generator according to one of claims 3 to 5,
    characterized in that:
    an electron injector (7) is provided in the downstream direction of the ion current leaving the ionization chamber (5) the electron injector (7) being aimed at the ion current and being set up for neutralizing the ion current, wherein the electron injector (7) preferentially has a hollow cathode.
  7. Plasma generator according to any of the preceding claims,
    characterized in that:
    a magnet arrangement is provided which surrounds the ionization chamber (5).
  8. Method of controlling a plasma generator, especially an ion source, in which a plasma generated in the plasma generator is set in motion by means of a high frequency electric or electromagnetic alternating field,
    characterized in that:
    the plasma is subject, in addition to the high frequency electromagnetic alternating field, to an electromagnetic alternating field which is of lower frequency and superimposed to the high frequency electromagnetic alternating field, wherein the plasma generator comprises a coil arrangement having a high frequency coil (S, S1) which is connected to a high frequency electric alternating voltage for applying a high frequency alternating current to the high frequency coil (S, S1) for generating the high frequency electromagnetic alternating field, wherein for generating the electromagnetic alternating field of lower frequency an alternating current of lower frequency is also applied directly to the high frequency coil (S, S1) or the alternating current of lower frequency is applied to a coil (S2) which is arranged parallel to the high frequency coil.
EP09741744.8A 2008-05-05 2009-04-29 Plasma generator and method for controlling a plasma generator Active EP2277188B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008022181.3A DE102008022181B4 (en) 2008-05-05 2008-05-05 Ion engine
PCT/DE2009/000615 WO2009135471A1 (en) 2008-05-05 2009-04-29 Plasma generator and method for controlling a plasma generator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP2277188A1 EP2277188A1 (en) 2011-01-26
EP2277188B1 true EP2277188B1 (en) 2017-04-19

Family

ID=41129275

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP09741744.8A Active EP2277188B1 (en) 2008-05-05 2009-04-29 Plasma generator and method for controlling a plasma generator

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8786192B2 (en)
EP (1) EP2277188B1 (en)
JP (2) JP2011522357A (en)
KR (1) KR101360684B1 (en)
DE (1) DE102008022181B4 (en)
RU (1) RU2525442C2 (en)
WO (1) WO2009135471A1 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008058212B4 (en) 2008-11-19 2011-07-07 Astrium GmbH, 81667 Ion propulsion for a spacecraft
JP5950715B2 (en) * 2012-06-22 2016-07-13 三菱電機株式会社 Power supply
US20140360670A1 (en) * 2013-06-05 2014-12-11 Tokyo Electron Limited Processing system for non-ambipolar electron plasma (nep) treatment of a substrate with sheath potential
RU2578192C2 (en) * 2014-10-06 2016-03-27 Геннадий Леонидович Багич Method of radiating energy and device therefor (plasma emitter)
US10823158B2 (en) 2016-08-01 2020-11-03 Georgia Tech Research Corporation Deployable gridded ion thruster
RU177495U1 (en) * 2017-06-27 2018-02-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ТГАСУ) DEVICE FOR VOLUME-THERMAL PLASMA TREATMENT OF WOODEN PRODUCTS
US11205562B2 (en) 2018-10-25 2021-12-21 Tokyo Electron Limited Hybrid electron beam and RF plasma system for controlled content of radicals and ions
CN114776547A (en) * 2022-03-28 2022-07-22 广州大学 Fuel-free satellite propulsion device and propulsion method

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3345820A (en) * 1965-10-19 1967-10-10 Hugh L Dryden Electron bombardment ion engine
DE2633778C3 (en) * 1976-07-28 1981-12-24 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Ion thruster
DE3130908A1 (en) * 1981-08-05 1983-03-10 Horst Dipl.-Ing. 5100 Aachen Müller Plasma reactor
FR2550681B1 (en) * 1983-08-12 1985-12-06 Centre Nat Rech Scient ION SOURCE HAS AT LEAST TWO IONIZATION CHAMBERS, PARTICULARLY FOR THE FORMATION OF CHEMICALLY REACTIVE ION BEAMS
EP0169744A3 (en) * 1984-07-26 1987-06-10 United Kingdom Atomic Energy Authority Ion source
GB8419039D0 (en) * 1984-07-26 1984-08-30 Atomic Energy Authority Uk Ion source
JPH0746585B2 (en) * 1985-05-24 1995-05-17 株式会社日立製作所 Ion beam device and ion beam forming method
JPS6263180A (en) * 1985-09-13 1987-03-19 Toshiba Corp Rf type ion source
JPS62140399A (en) * 1985-12-13 1987-06-23 三菱重工業株式会社 Plasma acceleration type nuclear fusion apparatus
JPS62174578A (en) * 1986-01-28 1987-07-31 Toshiba Corp High frequency type ion thruster
JPH07101029B2 (en) * 1986-01-30 1995-11-01 株式会社東芝 RF type ion thruster
DE3826432A1 (en) 1987-02-04 1989-01-05 Lsg Loet Und Schweissgeraete G Radio-frequency plasma source and ion source for continuous operation
DE3708716C2 (en) * 1987-03-18 1993-11-04 Hans Prof Dr Rer Nat Oechsner HIGH FREQUENCY ION SOURCE
DE4235064A1 (en) * 1992-10-17 1994-04-21 Leybold Ag Device for generating a plasma by means of sputtering
US5858477A (en) * 1996-12-10 1999-01-12 Akashic Memories Corporation Method for producing recording media having protective overcoats of highly tetrahedral amorphous carbon
US6001426A (en) * 1996-07-25 1999-12-14 Utron Inc. High velocity pulsed wire-arc spray
US5947421A (en) 1997-07-09 1999-09-07 Beattie; John R. Electrostatic propulsion systems and methods
DE19835512C1 (en) * 1998-08-06 1999-12-16 Daimlerchrysler Aerospace Ag Ion engine designed as an electrostatic motor switched on by positive voltage
RU2151438C1 (en) * 1999-09-23 2000-06-20 Бугров Глеб Эльмирович Ribbon-beam ion plasma source (design versions)
DE19948229C1 (en) * 1999-10-07 2001-05-03 Daimler Chrysler Ag High frequency ion source
RU2196395C1 (en) * 2001-05-30 2003-01-10 Александров Андрей Федорович Plasma reactor and plasma generating device (alternatives)
US6768120B2 (en) * 2001-08-31 2004-07-27 The Regents Of The University Of California Focused electron and ion beam systems
DE10147998A1 (en) 2001-09-28 2003-04-10 Unaxis Balzers Ag Method and device for generating a plasma
US8158016B2 (en) * 2004-02-04 2012-04-17 Veeco Instruments, Inc. Methods of operating an electromagnet of an ion source
KR100706809B1 (en) * 2006-02-07 2007-04-12 삼성전자주식회사 Apparatus for controlling ion beam and method of the same
JP2007242368A (en) * 2006-03-07 2007-09-20 Shincron:Kk Neutralizer, and film forming device equipped with this
EP2044608B1 (en) * 2006-07-20 2012-05-02 SPP Process Technology Systems UK Limited Ion sources
WO2008009892A1 (en) * 2006-07-20 2008-01-24 Aviza Technology Limited Plasma sources

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *

Also Published As

Publication number Publication date
KR101360684B1 (en) 2014-02-07
DE102008022181A1 (en) 2009-11-19
KR20110013449A (en) 2011-02-09
US8786192B2 (en) 2014-07-22
EP2277188A1 (en) 2011-01-26
RU2010149265A (en) 2012-06-27
WO2009135471A1 (en) 2009-11-12
DE102008022181B4 (en) 2019-05-02
JP6000325B2 (en) 2016-09-28
JP2015097209A (en) 2015-05-21
RU2525442C2 (en) 2014-08-10
US20120019143A1 (en) 2012-01-26
JP2011522357A (en) 2011-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2277188B1 (en) Plasma generator and method for controlling a plasma generator
DE10215469B4 (en) Arrangement for suppression of particle emission in the case of radiation generation based on hot plasma
EP1269020B1 (en) Plasma accelerator arrangement
DE602004013401T2 (en) Plasma accelerator with closed electron path
DE60307418T2 (en) Drive system for spacecraft
EP2346737B1 (en) Ion drive for a spacecraft
EP2795657B1 (en) Device for producing a hollow cathode arc discharge plasma
DE10014034C2 (en) Plasma accelerator arrangement
EP3129653B1 (en) Ion drive and method for operating an ion drive
EP1197127B1 (en) Device for producing an extreme ultraviolet and soft x radiation from a gaseous discharge
DE112009001457T5 (en) Sputtering apparatus
EP2030490B1 (en) Method and apparatus for generating a plasma and use of the same
EP4148988A1 (en) Pulse generator for a hpem pulse
WO2009024347A1 (en) Device and method for generating plasma by low-frequency inductive excitation
DE10058326C1 (en) Inductively coupled high-frequency electron source with reduced power requirements due to electrostatic confinement of electrons
EP0000865A1 (en) Ion source comprising an ionisation chamber for chemical ionisation
DE1200447B (en) Device for generating a plasma jet
DE19928053C2 (en) Arrangement for generating a low-temperature plasma by a magnetic field-assisted cathode discharge
EP2586052B1 (en) Apparatus for structuring solid surfaces using ion beams from an ion beam spectrum
DE102010055889B4 (en) Method and device for generating short-wave radiation by means of a gas-discharge-based high-frequency high-current discharge
WO2023222626A1 (en) Device and method for producing ions using a plasma
DE102022112148A1 (en) Device and method for generating ions by a plasma
DE1539847C3 (en) Device for the spatial division of a beam of electrically charged particles
EP1604110A2 (en) Drive device pertaining to a space missile and method for controlling the position of a space missile comprising one such drive device
DE2628368A1 (en) METHOD FOR EFFECTING FUSION REACTIONS

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20101115

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA RS

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: SCHULTE, GEORG

Inventor name: KILLINGER, RAINER

Inventor name: KUKIES, RALF

Inventor name: LEITER, HANS

Inventor name: KADRNOSCHKA, WERNER

Inventor name: MUELLER, JOHANN

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20160405

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: AIRBUS DS GMBH

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R079

Ref document number: 502009013887

Country of ref document: DE

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01J0027160000

Ipc: H05H0001540000

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: H05H 1/54 20060101AFI20161019BHEP

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20161107

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: LEITER, HANS

Inventor name: KADRNOSCHKA, WERNER

Inventor name: MUELLER, JOHANN

Inventor name: KUKIES, RALF

Inventor name: KILLINGER, RAINER

Inventor name: SCHULTE, GEORG

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: PLFP

Year of fee payment: 9

REG Reference to a national code

Ref country code: AT

Ref legal event code: REF

Ref document number: 887054

Country of ref document: AT

Kind code of ref document: T

Effective date: 20170515

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

REG Reference to a national code

Ref country code: SE

Ref legal event code: TRGR

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 502009013887

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: NL

Ref legal event code: MP

Effective date: 20170419

REG Reference to a national code

Ref country code: LT

Ref legal event code: MG4D

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: NL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170720

Ref country code: NO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170719

Ref country code: HR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: FI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: LT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R119

Ref document number: 502009013887

Country of ref document: DE

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: BG

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170719

Ref country code: LV

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: PL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: IS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170819

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PL

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: MM4A

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: SK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: CZ

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: DE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20171103

Ref country code: MC

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: EE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: RO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20170430

Ref country code: LU

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20170429

Ref country code: CH

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20170430

RAP2 Party data changed (patent owner data changed or rights of a patent transferred)

Owner name: ARIANEGROUP GMBH

REG Reference to a national code

Ref country code: BE

Ref legal event code: MM

Effective date: 20170430

26N No opposition filed

Effective date: 20180122

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: PLFP

Year of fee payment: 10

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20170429

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

Ref country code: BE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20170430

REG Reference to a national code

Ref country code: AT

Ref legal event code: MM01

Ref document number: 887054

Country of ref document: AT

Kind code of ref document: T

Effective date: 20170429

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: AT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20170429

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: MT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: HU

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT; INVALID AB INITIO

Effective date: 20090429

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: CY

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20170419

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: MK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: TR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: PT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20170419

P01 Opt-out of the competence of the unified patent court (upc) registered

Effective date: 20230612

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Payment date: 20230426

Year of fee payment: 15

Ref country code: FR

Payment date: 20230425

Year of fee payment: 15

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Payment date: 20230420

Year of fee payment: 15

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Payment date: 20230419

Year of fee payment: 15