DE10130464B4

DE10130464B4 - Plasmabeschleuniger-Anordnung

Info

Publication number: DE10130464B4
Application number: DE10130464A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Kornfeld; Werner Dr. Schwertfeger; Roland Lenz; Gregory Coustou
Original assignee: Thales Electron Devices GmbH
Current assignee: Thales Electronic Systems GmbH
Priority date: 2001-06-23
Filing date: 2001-06-23
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2021-06-24
Also published as: EP1401708B1; US7084572B2; RU2279769C2; US20040183452A1; EP1401708A1; WO2003000550A1; CN1606517A; DE50212966D1; CN100512592C; DE10130464A1; JP2004531038A; RU2004101768A; JP4669219B2

Abstract

Plasmabeschleuniger-Anordnung mit einer Plasmakammer zwischen einer Anode und einer am Plasmastrahlausgang angeordneten Beschleunigungselektrode und einer Elektronenquelle, welche der Plasmakammer von der Seite des Plasmastrahlausgangs Elektronen zuführt, die zur Ionisation eines Arbeitsgases in der Plasmakammer in dieser einem elektrischen und einem magnetischen Feld ausgesetzt sind, wobei die Elektronenquelle durch eine passive Elektrodenfläche innerhalb der Plasmakammer gebildet ist, welche von einem Teil des Plasmastrahls beaufschlagt ist und beim Aufprall von Ionen Elektronen freisetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmabeschleuniger-Anordnung.
Plasmabeschleuniger-Anordnungen sind insbesondere in Form von Hall-Thrustern bekannt, welche eine um eine zentrale Längsachse verlaufende Plasmakammer besitzen. Am Boden der Plasmakammer ist eine ringförmige Anode angeordnet, von welcher aus sich die Plasmakammer im wesentlichen in Form eines Kreisringzylinders in Längsachsenrichtung zum Plasmastrahlausgang erstreckt. Auf der Seite des Plasmastrahlausgangs der Plasmakammer und typischerweise außerhalb dieser ist eine aktive Kathode, insbesondere in Form einer Plasmahohlkathode mit Gasentladung oder einer thermionischen Kathode, als Elektronenquelle angeordnet, welche Elektronen einerseits in die Plasmakammer und andererseits in Richtung des austretenden Plasmastrahls zu dessen Neutralisation emittiert. Die in die Plasmakammer geleiteten Elektronen werden durch ein elektrisches Feld in Richtung der Anode beschleunigt und durch ein magnetisches Feld auf ringförmige Driftbahnen gezwungen. Das magnetische Feld durchsetzt die Plasmakammer im wesentlichen radial und wird erzeugt durch eine von der ringförmigen Plasmakammer umgebene erste Polanordnung um die zentrale Längsachse und einer zweiten, die Plasmakammer außen umgebenden zweiten Polanordnung als magnetischem Gegenpol. Eine derartige Hall-Beschleuniger-Anordnung ist beispielsweise aus der EP 0 541 309 A1 bekannt.
Eine in der US 5 847 493 A beschriebene Hall-Beschleuniger-Anordnung zeigt ein komplexeres Magnetfeld, bei welchem ein zweites Polpaar in entgegengesetzter Ausrichtung in Längsrichtung von einem ersten Polpaar beabstandet ist. Beide Polpaare besitzen jeweils einen inneren, von der Plasmakammer umgebenen ersten und einen äußeren, die Plasmakammer umgebenden zweiten Pol.
Die DE 198 28 704 A1 zeigt eine Plasmabeschleuniger-Anordnung mit einer im wesentlichen kreiszylindrischen Plasmakammer, welche die Längsachse als Mittelachse enthält. Ein extern erzeugter gebündelter Elektronenstrahl wird durch eine die Plasmakammer umgebende Magnetanordnung mit in Längsrichtung alternierend aufeinanderfolgenden Polwechseln auf der Mittelachse geführt und dient neben einer die Ionisation des Arbeitsgases einleitenden Wirkung insbesondere zur Neutralisation des in gleicher Richtung aus der Plasmakammer austretenden Plasmastrahls.
Eine Plasmabeschleuniger-Anordnung aus der DE 1 222 589 A leitet gleichfalls einen gebündelten Elektronenstrahl durch eine langgestreckte Ionisationskammer und neutralisiert damit einen in gleicher Richtung aus der Plasmakammer austretenden Plasmastrahl. Ein Teil der Elektroden in der Plasmakammer kann aus Wolfram bestehen.
Bei einem in der US 4 296 327 A beschriebenen Teilchenbeschleuniger wird aus einer Kathode ein hochenergetischer gepulster Elektronenstrahl emittiert und durch eine Anodenblende geleitet, deren Blendenränder mit einem Plastikmaterial versehen sind. Auf das Plastikmaterial auftretende hochenergetische Elektronen schlagen aus dem Plastikmaterial Protonen aus, welche durch Raumladungseffekte von dem durch die Blendenöffnung durchtretenden Elektronenstrahl angezogen und in Strahlrichtung beschleunigt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere sich insbesondere durch einfachen Aufbau auszeichnende Plasmabeschleuniger-Anordnung anzugeben.
Die erfindungsgemäße Lösung ist in dem unabhängigen Anspruch angegeben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung sieht eine Plasmabeschleuniger-Anordnung vor, bei welcher als Quelle für Elektronen zur Ionisation eines Arbeitsgases eine passive Elektrodenfläche innerhalb der Plasmakammer vorzugsweise im Bereich des Plasmastrahlausgangs vorgesehen ist, welche von einem Teil der Ionen des Plasmastrahls, insbesondere aus dem Randbereich des Strahls beaufschlagt ist und beim Aufprall von Ionen Elektronen freisetzt. Als passive Elektronen emittierende Elektrode oder passive Kathode sei hierbei und im folgenden im Unterschied zu der eingangs genannten aktiven Kathode eine Elektrode zu verstehen, welche weder geheizt noch mit einer Gasentladung betrieben ist. Die derart freigesetzten Elektronen werden zumindest teilweise durch das elektrische Feld zwischen Beschleunigungselektrode entgegen der Laufrichtung des Plasmastrahls in Richtung der Anode beschleunigt und in an sich bekannter Weise durch das die Plasmakammer durchsetzende Magnetfeld beeinflußt, insbesondere zur Erhöhung der Verweildauer und der Ionisationswirkung auf Driftbahnen quer zur Längsrichtung der Plasmakammer gezwungen. Die Stoßionisation des Arbeitsgases setzt gleichzeitig weitere Elektronen frei.
Durch die Verwendung einer passiven Elektrodenfläche als Elektronenquelle für die ionisierenden Elektronen kann die Plasmabeschleuniger-Anordnung wesentlich vereinfacht werden. Vorzugsweise wird vollständig auf eine aktive Elektronenquelle verzichtet, wobei dann die passive Elektronenquelle unter dem Beschuß mit Ionen des Plasmastrahls auch die Elektronen zur Neutralisierung des Plasmastrahls emittiert, welche durch die Raumladung der Ionen in Richtung des Plasmastrahls angezogen und mitgetragen werden. Die Elektrodenquelle ist hierfür vorzugsweise durch eine Teilfläche der Beschleunigungselektrode gebildet.
Für die effiziente Erzeugung freier Elektronen bei Beschuß der Elektronenquelle mit Ionen des Plasmastrahls enthält die Elektronenquelle vorteilhafterweise ein Material, vorzugsweise ein Metall, mit geringer eigener Sputterbarkeit für lange Lebensdauer auch unter Ionenbeschuss und/oder mit hohem Elektronenauslösungsfaktor, welcher ein Maß für den Umfang eines bei Auftreffen eines Ions ausgelösten Elektronenschauers ist.
Die Anordnung der Elektronenquelle im Bereich des Plasmastrahlausgangs der Plasmakammer bewirkt eine hohe Energie der auf die Elektronenquelle aufschlagenden Ionen des beschleunigten Plasmastrahls und damit die Erzeugung einer ausreichenden Zahl von Elektronen. Wenn die Elektronenquelle vorteilhafterweise lediglich in einem Randbereich des Plasmastrahls angeordnet ist, treffen insbesondere Ionen aus einem stärker divergierenden Teil des Plasmastrahls, welche ohnehin durch die Divergenz einen reduzierten Anteil zum Rückstoßimpuls des Plasmastrahls beitragen, auf die Elektronenquelle auf.
Die Elektronenquelle zur Erzeugung von Elektronen für die Ionisation des Arbeitsgases kann auch von der Beschleunigungselektrode beabstandet zwischen dieser und der Anode angeordnet sein und dann im Mittel mit Ionen geringer kinetischer Energie als am Ausgang der Plasmakammer beaufschlagt sein. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn eine in Längsrichtung mehrstufige elektrische Elektrodenanordnung mit einer oder mehreren Zwischenelektroden zwischen Beschleunigungselektrode und Anode vorgesehen ist. Bei Erzeugung der Elektronen für die Ionisation des Arbeitsgases in einer Zwischenelektrodenstufe ist vorteilhafterweise eine separate Elektronenquelle zur Neutralisation des Plasmastrahl im Bereich des Ausgangs des Plasmastrahl aus der Plasmakammer vorgesehen.
Der Start der Ionisation in der Plasmakammer kann durch spontan, z. B. durch Einwirkung energiereicher Höhenstrahlung gebildete Elektron-Ion-Paare erfolgen, welche bei Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen Beschleunigungselektrode und Anode auseinanderdriften und durch Stoßionisation weitere Ladungsträgertrennungen und durch Ionenaufschlag auf die passive Elektronenquelle die Freisetzung von Elektronen bewirken und die Erzeugung des Plasmas in Gang setzen. Eine anfängliche Ionisation kann auch ausgelöst und/oder unterstützt werden durch eine kurzfristige Erhöhung eines elektrischen Feldes und/oder des Drucks des Arbeitsgases in der Plasmakammer über die Werte des laufenden Betriebs hinaus.
Die Erzeugung von Elektronen für die Ionisation des Arbeitsgases und/oder die Neutralisation des austretenden Plasmastrahls mittels einer passiven, nicht geheizten und mit Ionen des Plasmastrahls beaufschlagten Elektronenquelle ist für die meisten der bekannten Geometrien der Plasmakammer, insbesondere die Ringform des Hall-Thrusters und die Kreiszylinderform mit in der Plasmakammer enthaltener zentraler Längsachse vorteilhaft einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der passiven Elektronenquelle in Verbindung mit einem Aufbau einer Plamsakammer mit mehreren in Längsrichtung der Plasmakammer aufeinanderfolgenden Stufen, welche jeweils eine eigene Elektrode auf einem Zwischenpotential zwischen Beschleunigungselektrode und Anode aufweisen und durch starke radiale Magnetfeldkomponenten zwischen den aufeinanderfolgenden Elektroden eine besonders hohe Vervielfältigungsrate der Elektronen aufweisen.
Die Magnetfeldanordnung ist vorteilhafterweise mehrstufig mit in Längsrichtung alternierend aufeinanderfolgenden Polwechseln aufgebaut und vorzugsweise kombiniert mit einer in Längsrichtung mehrstufigen Anordnung von Elektroden auf unterschiedlichen Potentialen mit wenigstens einer Zwischenelektrode im Längsverlauf der Plasmakammer auf einem Zwischenpotential zwischen Beschleunigungselektrode und Anode. Die Zwischenelektroden liegen vorzugsweise in Längsrichtung zwischen aufeinanderfolgenden gegensinnigen Magnetpolen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt
1 einen Längsschnitt durch eine Plasmakammer mit passiver Elektronenquelle
Der in 1 im Längsschnitt dargestellte Aufbau einer Plasmakammer ist stark vereinfacht gezeichnet. Die Plasmakammer PK ist seitlich begrenzt durch nichtleitende Kammerwände KW. Die Plasmakammer kann eine an sich bekannte Form besitzen, beispielsweise drehsymmetrisch um eine erste Längsachse LA(A), welche durch die Plasmakammer verläuft, im wesentlichen kreiszylindrisch oder nach Art eines Hall-Thrusters ringförmig um eine zweite Längsachse LA(B), welche dann nicht durch die Plasmakammer verläuft, aufgebaut sein. Im letzteren Fall ist ein zweiter Längsschnitt spiegelsymmetrisch zur Längsachse LA(B) zu ergänzen. Im folgenden wird der weiteren Erläuterung der 1 der erstgenannte Aufbau mit zentraler Längsachse LA(A) zugrunde gelegt.
Die Plasmakammer kann mit einem anodenseitigen Flansch FA und einem ausgangsseitigen Flansch FB zur Befestigung innerhalb einer größeren Anordnung versehen sein. Die Kammerwand KW kann beispielsweise aus Keramik bestehen.
In der Plasmakammer, welche sich zwischen einer Anodenelektrode AO und einer beim Ausgang PA des Plasmastrahls PB befindlichen Kathode KA als Beschleunigungselektrode für die positiv geladenen Ionen eines Arbeitsgases, beispielsweise Xenon, erstreckt, können weitere Zwischenelektroden Z1 bis Zn, im skizzierten Beispiel Z1 und Z2 in Längsrichtung LR aufeinanderfolgend vorgesehen sein. Die Zwischenelektroden Z1, Z2 liegen auf verschiedenen elektrischen Zwischenpotentialen zwischen den Potentialen von Anode AO und Kathode KA. Die Zuleitungen zu den einzelnen Elektroden sind nicht mit eingezeichnet.
Außerhalb der Plasmakammer PK und der sie umgebenden Kammerwand KW ist eine Magnetanordnung angebracht, welche die Plasmakammer PK vorzugsweise ringförmig umgibt.
Die Polung der in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Stufen der Magnetanordnung ist von Stufe zu Stufe alternierend. Die Magnetpole der einzelnen Stufen liegen bevorzugt jeweils bei den Lücken zwischen den in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Stufen. Durch die alternierende Polung aufeinanderfolgender Stufen der Magnetanordnung bildet sich in der Plasmakammer ein besonders günstiger Magnetfeldverlauf mit starken radialen Komponenten an den Lücken zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden.
Der Plasmastrahl bildet sich gebündelt ohne scharfe Grenzen um die Längsachse (bzw. bei ringförmiger Plasmakammer um die Mitte der Plasmakammer) aus und zeigt typischerweise zum Ausgang PA hin in Längsrichtung eine leichte Divergenz. Das elektrische Feld in der Plasmakammer beschleunigt die Ionen des Arbeitsgases in Richtung des Plasmastrahlausgangs PA. Dabei treten auch Ionen auf, welche im Randbereich RB des Plasmastrahls so weit von der zentralen Längsachse entfernt sind, daß sie seitlich auf Elektrodenflächen, insbesondere im Bereich des Strahlausgangs PA auf die Kathode KA treffen. Durch die hohe kinetische Energie der Ionen können dabei Elektronen aus der Oberfläche der passiven Kathode ausgeschlagen werden. Diese aus der passiven Kathode freigesetzten Elektronen können zum einen durch die Differenzen der anliegenden Potentiale in Richtung der Anode beschleunigt werden und sich unter dem Einfluß der in der Plasmakammer herrschenden elektrischen und magnetischen Felder in der Plasmakammer bewegen und dabei durch Stoßionisation des Arbeitsgases, welches als neutrales Gas im Bereich der Anode eingeleitet ist, sowohl positiv geladene Ionen als auch weitere Elektronen erzeugen. Dieser aus der Kathode durch Ionenaufschlag freigesetzte Anteil von Elektronen ist in 1 mit e1 bezeichnet.
Zum anderen können die aus der Kathode freigesetzten Elektronen sich unter dem Einfluß der positiven Raumladung eines noch nicht neutralisierten Plasmastrahls als Anteil e2 zu dem Plasmastrahl hin bewegen und zu dessen Neutralisation beitragen.
Die Kathode KA kann vollständig oder zumindest an einer den aufschlagenden Ionen zugewandten Teilfläche ein Material mit niedriger eigener Sputterbarkeit aufweisen, aus welchem unter Ionenbeschuss keine materialeigenen Atome gelöst werden, und hierfür auch eine speziell präparierte Teiloberfläche oder einen Einsatz ES aufweisen.
Der Aufschlag von Ionen mit Freisetzung von Elektronen kann auch an anderer Stelle, insbesondere auch an den Zwischenelektroden Z1, Z2 auftreten, wobei der Energieverlust aus dem Plasmastrahl wegen der an dieser Stelle im Mittel geringeren kinetischen Energie des aufschlagenden Ions geringer ist. Ein Aufprall eines Ions auf die Kathode als letzter Elektrode im Längsverlauf der Plasmakammer kann aber wegen der dort höheren Energie der Ionen mehr Elektronen ausschlagen und diese zeigen auf dem längeren Weg durch die Plasmakammer auch einen wesentlich höheren Vervielfältigungsfaktor, insbesondere bei einem mehrstufigen Aufbau der Elektroden- und Magnetanordnung.
Anstelle oder zusätzlich zu der Beschleunigungselektrode KA selbst kann auch eine gesonderte Elektrode zur Freisetzung von Elektronen durch Ionenaufprall vorgesehen sein. Ferner kann, falls die Neutralisierungswirkung durch mittels Ionenaufprall erzeugte freie Elektronen unzureichend ist, eine zusätzliche geheizte Elektronenquelle als Neutralisator am Ausgang der Plasmakammer vorgesehen sein. Bevorzugt wegen des besonders einfachen Aufbaus ist aber eine Ausführung gänzlich ohne aktive Elektronenquelle und mit Erzeugung freier Elektronen zur Ionisation und zur Neutralisation aus einer passiven Elektrode allein durch Aufprall von Ionen aus dem Plasmastrahl selbst.
Der Start der Ionisation des Arbeitsgases kann bei Einleitung von Arbeitsgas in die Plasmakammer u. U. durch spontane Ladungsträgertrennung oder Einwirkung hochenergetischer Höhenstrahlung mit nachfolgender Vervielfachung getrennter Ladungsträger in der Plasmakammer erfolgen. Es kann aber auch zur Unterstützung und/oder Sicherstellung des Ionisationsstarts anfänglich bei Einleiten des Arbeitsgases durch kurzfristig höheren Druck des Arbeitsgases und/oder höhere Spannung zwischen zwei Elektroden eine Gasentladung gezündet werden.

Claims

Plasmabeschleuniger-Anordnung mit einer Plasmakammer zwischen einer Anode und einer am Plasmastrahlausgang angeordneten Beschleunigungselektrode und einer Elektronenquelle, welche der Plasmakammer von der Seite des Plasmastrahlausgangs Elektronen zuführt, die zur Ionisation eines Arbeitsgases in der Plasmakammer in dieser einem elektrischen und einem magnetischen Feld ausgesetzt sind, wobei die Elektronenquelle durch eine passive Elektrodenfläche innerhalb der Plasmakammer gebildet ist, welche von einem Teil des Plasmastrahls beaufschlagt ist und beim Aufprall von Ionen Elektronen freisetzt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle durch eine Teilfläche der Beschleunigungselektrode gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung zwischen Anode und Beschleunigungselektrode eine oder mehrere Zwischenelektroden angeordnet sind, die auf elektrischen Zwischenpotentialen liegen, und dass eine in Längsrichtung mehrstufige Magnetanordnung ein Magnetfeld mit einer Konzentration radialer Magnetfeldkomponeneten zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden erzeugt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle metallisch ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle zusätzlich Elektronen zur Neutralisierung des austretenden Plasmastrahls liefert und hierfür keine zusätzliche aktive Elektronenquelle vorhanden ist.
Plasmabeschleuniger-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Elektrodenfläche im Bereich des Plasmastrahlausgangs der Plasmakammer angeordnet ist.