專(zhuān)利名稱(chēng)：等離子體加速器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子體加速器裝置。等離子體加速器(離子發(fā)動(dòng)機(jī)，電子推進(jìn)系統(tǒng)EPS)對(duì)于航天飛行器的驅(qū)動(dòng)有著極為重要的意義，不僅對(duì)于近地和靜止衛(wèi)星，而且也包括地球軌道之外的空間飛行器。驅(qū)動(dòng)脈沖和所使用的推進(jìn)劑質(zhì)量的比值是衡量驅(qū)動(dòng)效率的尺度，對(duì)等離子體加速器而言要大大優(yōu)于通常的化學(xué)推進(jìn)裝置，所以可減小推進(jìn)劑的重量份額，這對(duì)于航天應(yīng)用是極為重要的。作為推進(jìn)劑經(jīng)常使用具有高原子量的稀有氣體，特別是氙。
在柵格離子發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)電離室中，通過(guò)高頻或者電子轟擊在中性氙氣中產(chǎn)生等離子體。帶正電荷的離子在電場(chǎng)的作用下朝著柵格電極的方向加速輸出。被加速的離子射流必須摻入自由電子射流，以實(shí)現(xiàn)電中性。該中性離子射流以很高的速度從發(fā)動(dòng)機(jī)中噴出，并且朝相反的方向?qū)︼w行器進(jìn)行加速。由于空間電荷效應(yīng)，離子射流密度受到限制，而且這種結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)需要較大的橫截面，然而只能得到一般的反作用脈沖。
按照霍爾原理制造的離子發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)環(huán)形電離室，具有一個(gè)平行于環(huán)軸線的電加速場(chǎng)和一個(gè)徑向磁場(chǎng)。從一個(gè)外部電子源朝著與離子噴射方向相反的方向?qū)㈦娮訉?dǎo)入含有中性氙氣的電離室，該室內(nèi)的電子在磁場(chǎng)作用下，被強(qiáng)制進(jìn)入螺旋軌道，所以在電離室內(nèi)的運(yùn)行距離是至陽(yáng)極的直接路程的若干倍，因此能提高推進(jìn)氣體的離子交換作用。所述磁性偏轉(zhuǎn)也涉及到二次電子，該電子在電場(chǎng)中被加速。所給出的電場(chǎng)配置可充分避免空間電荷區(qū)的形成，因后者可對(duì)帶正電荷的推進(jìn)劑離子產(chǎn)生電加速場(chǎng)的屏蔽作用。帶正電荷離子的加速可以產(chǎn)生基本上中性的等離子體。和柵格離子發(fā)動(dòng)機(jī)裝置相比，這樣一種裝置可明顯提高射流密度，但是由于噴出的離子射流有較大的擴(kuò)散角，所以其效率一般。
本發(fā)明的目的是，提供一種等離子體加速器裝置，特別是具有更高效率的航天飛行器離子發(fā)動(dòng)機(jī)。
以上任務(wù)的解決方案體現(xiàn)在權(quán)利要求1中。本發(fā)明的有利方案和改進(jìn)包含在從屬權(quán)利要求中。
在本發(fā)明所述裝置中，被送入電離室的集束電子射線開(kāi)始對(duì)處在電離室內(nèi)和/或引入該室內(nèi)的中性推進(jìn)劑氣體進(jìn)行電離。在所述電離過(guò)程中釋放的二次電子被送入可加速正電荷離子的電場(chǎng)，并在反方向上被加速，且其本身重新被電離。通過(guò)電子射線激活了電離過(guò)程后，二次電子可成為進(jìn)一步電離的主要成分。
所輸入的電子射線的另一個(gè)重要效應(yīng)是通過(guò)電子射線的負(fù)空間電荷補(bǔ)償離子射流的正空間電荷，從而對(duì)在電子加速場(chǎng)中被加速的離子射流進(jìn)行更好的聚焦，所以不會(huì)對(duì)加速電場(chǎng)產(chǎn)生屏蔽作用。用于正離子的加速場(chǎng)對(duì)相同方向上的電子射線的電子產(chǎn)生延遲作用，該方向和被加速的離子射流相同，所以電子射線的空間電荷密度在電離室的縱軸線方向上是增加的，這有利于和電離室終段噴出的離子射流集束相匹配。電子射線的電子平均速度以及相當(dāng)于電子電位上升速率的離子加速場(chǎng)的電位差最好應(yīng)當(dāng)相互匹配，從而在離子加速段(或者電子射線的電子延遲段)的終端，電子射線的電子和被加速的離子射流的離子的平均速度近似相等，進(jìn)而在加速段的終端輸出近似中性的等離子體。平均速度的差別優(yōu)選小于系數(shù)10。
所述電子射線通過(guò)其負(fù)的空間電荷作用于電離室的整個(gè)長(zhǎng)度，并作為正離子的中心吸引器，而且支持被加速離子在集束電子流中的聚焦，同時(shí)補(bǔ)償相互撞擊的離子。電子射線的擴(kuò)張也可通過(guò)由磁場(chǎng)和/或電場(chǎng)作用的射線導(dǎo)向和/或射線聚焦系統(tǒng)完成。特別有利的是采用一種磁性射線引導(dǎo)系統(tǒng)，具有在射線范圍內(nèi)相對(duì)射線方向和相對(duì)電離室縱軸線基本上平行的場(chǎng)分布。具有垂直于縱軸線運(yùn)動(dòng)分量的電子射線的電子通過(guò)磁場(chǎng)被強(qiáng)制引導(dǎo)到圍繞射線軸線的一個(gè)螺旋軌道上。磁性射線引導(dǎo)系統(tǒng)本身可以是公知的各種形式的電子射線管，特別是行波管，其形式為具有永久周期磁鐵裝置以及具有沿中心線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)功能，在該磁鐵裝置上，磁場(chǎng)也具有很強(qiáng)的徑向分量。這種公知的射線引導(dǎo)系統(tǒng)是為了公開(kāi)的目的而引用的。
磁場(chǎng)系統(tǒng)也可很好地適于強(qiáng)制電離過(guò)程中產(chǎn)生的慢速二次電子進(jìn)入螺旋狀或者類(lèi)似的曲線軌道，所述二次電子在用于正離子的電加速場(chǎng)中朝相反的方向被加速。這樣，一方面可防止電子在電離室縱軸線相反方向上的電子快速與電極相遇，而且能明顯提高二次電子觸發(fā)一個(gè)或多個(gè)其他電離過(guò)程的概率，使得推進(jìn)劑氣體的一次電離可通過(guò)二次電子進(jìn)行。另一方面，通過(guò)二次電子較長(zhǎng)的停留，在電離過(guò)程中產(chǎn)生的慢速離子的正空間電荷被部分抵銷(xiāo)。最后，電子可通過(guò)磁場(chǎng)作用大部分被保持在相應(yīng)的電位級(jí)上，最終被引導(dǎo)到與縱向相反的下一個(gè)電極，所以通過(guò)在其他距離上加速二次電子可避免更大的能量損失。二次電子圍繞作用在電子上的加速場(chǎng)方向在彎曲軌道上的偏轉(zhuǎn)是特別有效的，前提是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)方向相互垂直。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的一種有利的構(gòu)成方式是，大部分場(chǎng)線，特別是大于電離室體積90％的場(chǎng)線是交叉的。電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向之間的夾角在至少50％的電離室體積內(nèi)最好為45°至135°。不僅磁場(chǎng)而且電場(chǎng)的主要場(chǎng)分量都明顯指向平行于縱軸線的方向，而且電場(chǎng)和磁場(chǎng)的平均場(chǎng)方向最好在電離室的縱軸線上相遇。對(duì)于沿縱軸線具有交替磁場(chǎng)方向的磁場(chǎng)，可不必注意平均磁場(chǎng)方向的極性。
在一種有利的方案中，磁場(chǎng)配置是用于產(chǎn)生電場(chǎng)的電極和磁場(chǎng)的極性交替布置在縱軸線方向上，并且最好是將電極和/或極靴設(shè)置在電離室的側(cè)壁上。所述的場(chǎng)最好轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)于縱軸線，而且其最大和最小場(chǎng)強(qiáng)均位于縱軸線上。在最簡(jiǎn)單的單級(jí)結(jié)構(gòu)中，有兩個(gè)電極隔開(kāi)布置在電離室的縱向上，有3個(gè)圍繞電離室的極靴同樣在縱向上間隔布置，而且其極性交替，使得每?jī)蓚€(gè)極靴分別將兩個(gè)電極之一包圍。在縱向上的電極分別至少近似于縱軸線上的最大磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)以及縱軸線上的最小磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，在磁場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)的位置上，處在縱軸線方向上的最大電場(chǎng)至少接近與以上最大、最小場(chǎng)強(qiáng)相遇。
在一種特別有利的多級(jí)裝置中，磁場(chǎng)在縱軸線上具有多次磁場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)，并且呈環(huán)形圍繞在電離室周?chē)臉O靴交替以不同極性布置在縱向上，而且分別插在電子裝置的兩個(gè)電極之間。有多個(gè)電極構(gòu)成電位級(jí)，但電場(chǎng)和磁場(chǎng)不同，并沒(méi)有指向縱軸線上的場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)點(diǎn)。電位沿電離室的縱向從一級(jí)到另一級(jí)單調(diào)改變。在縱軸線以外，兩種場(chǎng)的場(chǎng)分布相互交叉，其中優(yōu)選至少60％的體積中，相交場(chǎng)方向的夾角為45°至135°。
在另一種優(yōu)選方案中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互匹配也可以是，一個(gè)位于某個(gè)電位級(jí)范圍內(nèi)處在兩個(gè)直接相鄰的電極之間，由于電離而產(chǎn)生的二次電子通過(guò)磁場(chǎng)的作用盡可能保持在該級(jí)內(nèi)，并且在一個(gè)或多個(gè)其他電離過(guò)程的作用之后朝縱向相反的方向被引向下一個(gè)電極。
在電子由于其微小的質(zhì)量而受到強(qiáng)磁場(chǎng)作用期間，離子的運(yùn)動(dòng)基本上僅僅是通過(guò)電場(chǎng)確定的。離子在電位差的方向上被加速并朝著縱軸線方向集中，此時(shí)該射束也通過(guò)相鄰電極之間產(chǎn)生的場(chǎng)線的協(xié)同作用。離子可以從電場(chǎng)中得到多個(gè)電位級(jí)的平均能量，而由于電極收集二次電子而造成的能量損失，因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)或兩個(gè)電位級(jí)內(nèi)而保持在很小的程度上，所以將電能轉(zhuǎn)換成磁能時(shí)，會(huì)得到很高的效率。
最好采用環(huán)形電極，特別是一個(gè)多級(jí)裝置中的兩個(gè)其他電極之間的中間電極，為了二次電子的可靠匯集，最好在縱向上延伸出較大面積，中間電極在縱軸線方向上的長(zhǎng)度最好至少為下一個(gè)電極間距的30％，特別是至少為80％。
為了實(shí)現(xiàn)所述具有二次電子的運(yùn)動(dòng)限制以及正離子聚焦通過(guò)場(chǎng)透鏡得到的所述場(chǎng)特性，中間電極的直徑最好小于縱軸線方向上電極長(zhǎng)度的300％，特別是小于100％。
為了產(chǎn)生中心射線或者空心射線形狀的集束電子射線，可以采用陰極射線管技術(shù)中的許多公知方案，此處不再詳述這些方案，可參見(jiàn)已有技術(shù)中的裝置。對(duì)于本發(fā)明例如可通過(guò)皮爾斯類(lèi)型的電子光學(xué)技術(shù)將由一個(gè)陰極發(fā)出的電子流約束成一束層流射線，并且沿電離室中的縱軸線傳輸。電子射線在電離室的入口區(qū)最好作為用于電離室內(nèi)產(chǎn)生的離子的壁壘構(gòu)成，從而防止由于陰極電位穿透電離室將離子朝陰極偏轉(zhuǎn)造成電損失，甚至造成陰極電子發(fā)射能力的降低，或者至少將這種不希望的離子流限制在最小程度。作為離子壁壘例如可以采用第一電極構(gòu)成的環(huán)形孔板，其孔徑要小于電離室的直徑。在電離室內(nèi)部，射線通過(guò)所述此處的作用形成集束射線。
所述集束電子射線的一次電子在用于離子加速所構(gòu)成的電位差作用下，在第一個(gè)和最后一個(gè)電極之間的加速段內(nèi)得到延遲，所述裝置優(yōu)選采用多級(jí)電子裝置，它的結(jié)構(gòu)最好基本上與電離室相同。無(wú)需額外的能量損失即可使電子以剩余速度抵達(dá)延遲段的終點(diǎn)，該剩余速度大大小于加速段的初始速度(用于電子的延遲段)。最后的電極的電位最好對(duì)電子而言，稍低于陰極電位。在電離室內(nèi)，無(wú)需推進(jìn)劑氣體電子即可在加速段的終點(diǎn)以很小的剩余能量被起到收集器作用的最后的電極所接收。
在電離室內(nèi)具有推進(jìn)劑氣體的實(shí)際情況中，一些一次電子在穿過(guò)電離室的路程上，由于與推進(jìn)劑氣體的交換作用，特別是通過(guò)推進(jìn)劑氣體的激活和電離而釋放能量，并且失去速度。此處的典型方式是所依據(jù)的速度損失大大小于吸收速度，并且可在最后的電極電位的調(diào)整中加以考慮，以實(shí)現(xiàn)輸出的等離子體射流具有中性等離子體。特別是按照經(jīng)驗(yàn)方式確定。
推進(jìn)劑氣體的輸入最好從電離室的側(cè)壁開(kāi)孔實(shí)現(xiàn)，其范圍不僅與電子射線的入口隔開(kāi)，而且與等離子體射線的出口隔開(kāi)。輸入范圍最好距離電子射線入口在電離室縱向上長(zhǎng)度的10％至40％。
以上所述特征以及權(quán)利要求書(shū)中給出的特征不僅可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，也可以采用有利的組合實(shí)現(xiàn)。
下面對(duì)照附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖中

圖1表示一個(gè)多級(jí)結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖，圖2表示一個(gè)多級(jí)裝置的場(chǎng)分布曲線，圖3表示一個(gè)單級(jí)裝置的場(chǎng)分布曲線。
圖1中的剖視圖是沿所示裝置的縱軸線Z作出的，它具有圍繞該縱軸線Z的電離室IK，該室例如是圍繞縱軸線Z旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。所述電離室IK在縱軸線Z方向上的縱向距離基本上大于該電離室的直徑DK，該直徑垂直于縱軸線Z。所述電離室IK被垂直于縱軸線的圓柱形側(cè)壁包圍。
沿側(cè)壁布置有磁性極靴PP和電極E1、E2至E5，其中極靴和電極至少在其朝向中心縱軸線Z的一側(cè)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的。所述磁性極靴PP將電離室IK中徑向隔開(kāi)設(shè)置的永久磁鐵PM產(chǎn)生的磁性射流沿徑向偏轉(zhuǎn)，使得每個(gè)極靴PP都構(gòu)成一個(gè)磁極，其中在縱向上直接相鄰的極靴構(gòu)成極性相對(duì)的磁極。在所述電離室IK內(nèi)的極靴之間形成的磁場(chǎng)，在每個(gè)極靴PP的位置上產(chǎn)生磁場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)。這樣一種磁場(chǎng)布置方式，作為永久周期磁鐵系統(tǒng)已經(jīng)充分公開(kāi)在行波管技術(shù)中。
在極靴PP之間設(shè)置的電極E1至E5上被加有不同的電位A1、A2至A5。電極裝置通過(guò)陰極K和陽(yáng)極E0補(bǔ)充完整。所述陰極K和陽(yáng)極E0構(gòu)成一個(gè)射線生成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生集束電子射線EB，后者是由層狀電子流ES形成的。所述用于產(chǎn)生和聚焦電子射線的射線系統(tǒng)同樣已經(jīng)在已有技術(shù)中公開(kāi)了多種方案。陽(yáng)極電極E0與電離室中側(cè)面隔開(kāi)的電極E1至En共同構(gòu)成一個(gè)電極裝置，它具有一個(gè)用于離子的單調(diào)電位差，即從陽(yáng)極E0的電位A0至電極E5的電位A5，形成正電荷離子的A0＞A1＞A2＞A3＞A4＞A5。對(duì)于電子射線EB的負(fù)電荷電子，電位系列A0至A5構(gòu)成阻尼電位，它可連續(xù)減小電子射線EB在沿縱軸線Z傳播時(shí)的初始速度。所以對(duì)電子有A5＞A0。用于電子的陰極K的電位AK要選擇稍高于電位A5，所以電子射線EB的電子在穿過(guò)電離室后達(dá)到電極E5時(shí)還具有一個(gè)較小的剩余速度。電極射線EB在電離室內(nèi)通過(guò)極靴之間建立的磁場(chǎng)HK的作用形成集束射線。
電離室通過(guò)側(cè)壁引入中性推進(jìn)劑氣體TG。電子射線EB的電子與該中性推進(jìn)劑氣體發(fā)生交互作用，并且使氣體產(chǎn)生部分電離。此時(shí)產(chǎn)生的正電荷離子在電位差A(yù)0至A5的方向上被加速，并且在集束電子射線EB以及通過(guò)沿縱軸線Z構(gòu)成的場(chǎng)透鏡作用的連續(xù)電子集束。在電離中釋放的二次電子開(kāi)始在靜態(tài)變化的方向上只有很小的速度。該二次電子在電場(chǎng)EK中的各個(gè)電極之間被加速，加速方向和離子的加速方向相反。所加速的二次電子同時(shí)被電離室IK內(nèi)存在的磁場(chǎng)HK偏轉(zhuǎn)，并且被強(qiáng)制引入曲線軌道，朝著加速電場(chǎng)的方向前進(jìn)。這樣便可大大延長(zhǎng)一個(gè)級(jí)內(nèi)兩個(gè)電極之間的電子停留時(shí)間，而且大大提高了這種二次電子觸發(fā)其他電離過(guò)程的概率。所述二次電子最后被位于陽(yáng)極E0方向上的一個(gè)電極吸收。電子在與一個(gè)電極相遇之前，在所述電離室中的兩個(gè)電極之間較長(zhǎng)的停留時(shí)間的作用是，通過(guò)正向電荷離子快速建立正向空間電荷，并且避免離子加速場(chǎng)被屏蔽。
推進(jìn)劑氣體TG的電離不僅通過(guò)電子射線EB的一次電子實(shí)現(xiàn)，而且也通過(guò)已經(jīng)發(fā)生的電離過(guò)程中的二次電子實(shí)現(xiàn)，電離基本上分布在所述電離室的整個(gè)長(zhǎng)度上。沿A0至A5的電位差在縱軸線Z的方向上被加速、并且圍繞縱軸線Z集束的離子，在電離室的出口KA處與集束電子射線EB的延遲電子共同形成一束基本上為中性的等離子體射流PB，它具有很小的射線發(fā)散度。
所述陽(yáng)極電極E0同時(shí)作為電子壁壘構(gòu)成，并且具有孔板電極的形狀，和電離室的直徑DK相比，孔板開(kāi)孔的直徑要小于前者。在圖1中作為電位差的舉例數(shù)值，標(biāo)出了最后一個(gè)電極E5相對(duì)電極E0至E4的電壓。陰極K的電壓相對(duì)最后一個(gè)電極E5呈少許負(fù)向。磁鐵裝置的磁極按照通常方式分成S和N兩種。
圖2中定性地表示出圖1所示結(jié)構(gòu)的局部沿縱軸線Z的場(chǎng)分布曲線和電子電荷分布曲線。在圖2中，除了場(chǎng)分布曲線和電子電荷分布曲線外，還標(biāo)明了電極E0、E1等以及極靴PP在其沿Z軸線的位置。一次電子射線EB對(duì)稱(chēng)布置在縱軸線Z的兩側(cè)，然而為了表示清楚，二次電子的聚集EC僅表示在縱軸線Z的一側(cè)。用Ez和Hz表示的場(chǎng)強(qiáng)直接標(biāo)在縱軸線上和其周?chē)??？v軸線Z構(gòu)成了圖中的橫坐標(biāo)，而縱坐標(biāo)定性地表示場(chǎng)強(qiáng)Ez和Hz。電場(chǎng)Ez在縱軸線上電極E0、E1等的位置上具有最小值，在電極之間的中間位置上為最大值。此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)方向的反轉(zhuǎn)，所以電場(chǎng)強(qiáng)度在圖中沒(méi)有改變其方向符號(hào)。磁場(chǎng)強(qiáng)度在縱軸線的Z向上的極靴PP位置上顯示最小值，在兩個(gè)相鄰極靴之間為最大值。和電場(chǎng)不同的是，磁場(chǎng)在各個(gè)極靴之間分別出現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)，它在圖中用橫穿縱軸線Z的零線表示，并且其極性是交變的。在電離過(guò)程中產(chǎn)生的二次電子通過(guò)電場(chǎng)作用在電離室中被加速，并且通過(guò)磁場(chǎng)作用被強(qiáng)制進(jìn)入彎曲軌道。此時(shí)將產(chǎn)生電子聚集，也就是說(shuō)，在圍繞縱軸線Z的環(huán)形范圍EC中，電子的濃度升高，它在縱向上大致位于電場(chǎng)的最小值和磁場(chǎng)的最大值之處。
圖3表示與圖2類(lèi)似的場(chǎng)分布曲線和電子分布曲線，它用于具有兩個(gè)電極E1、E2的單級(jí)裝置，電極的電位為A0和A1，還包括一個(gè)具有3個(gè)極靴PP1、PP2和PP3的磁鐵裝置，每?jī)蓚€(gè)極靴將兩個(gè)電極E1和E2之一夾在中間。這種單級(jí)裝置的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和圖2所示的一樣，電場(chǎng)強(qiáng)度的最小值位于電極E1和E2在軸線上的位置，電場(chǎng)強(qiáng)度Ez的最大值位于軸線上的兩個(gè)電極之間。磁場(chǎng)強(qiáng)度Hz在縱軸線上的中間極靴PP2的范圍內(nèi)達(dá)到最小值，而且也產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值位于電極E1和E2的范圍內(nèi)，此處的電場(chǎng)強(qiáng)度Ez在軸線上具有最小值。環(huán)繞縱軸線Z產(chǎn)生環(huán)形電子云EC的作用方式與圖2中的實(shí)施例相同。
本發(fā)明并不限于以上所述實(shí)施例，而是在技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)，以任意方式變化。特別是電離室的尺寸、電極的大小比例、電極間距、電極直徑可以根據(jù)具體情況進(jìn)行各種適當(dāng)?shù)淖兓?。電極和/或極靴的間距以及電極在縱軸線上的長(zhǎng)度，在多級(jí)裝置中并不要求對(duì)所有各級(jí)是不變的。在第一個(gè)和最后一個(gè)電極之間的電位差并不強(qiáng)制要求是線性的，而是在具體情況中可以采取一種非線性分布。所述等離子體加速器裝置并不限于所述優(yōu)選的用于航天飛行器離子發(fā)動(dòng)機(jī)的用途，也可以用于使用高功率密度的無(wú)接觸材料加工，例如焊接，釬焊，切割等，也可用于難熔金屬的加工。
權(quán)利要求
1．等離子體加速器裝置，包括一個(gè)圍繞一根縱軸線設(shè)置的電離室，一個(gè)用于沿所述縱軸線在一個(gè)加速段上產(chǎn)生正向電荷推進(jìn)劑離子電位差的電極裝置，以及一個(gè)在所述電離室內(nèi)沿縱軸線引導(dǎo)集束電子射線的裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，具有一個(gè)磁性射線導(dǎo)向系統(tǒng)用于沿縱軸線引導(dǎo)電子射線。
3．如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是，所述射線導(dǎo)向系統(tǒng)含有一個(gè)永久磁鐵裝置。
4．如權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征是，所述磁性射線導(dǎo)向系統(tǒng)沿縱軸線具有一個(gè)或多個(gè)方向折反。
5．如權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述電極裝置在加速段上具有一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)于多級(jí)電位差劃分的中間電極。
6．如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是，所述中間電極位于電離室的側(cè)面邊界上。
7．如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征是，所述中間電極在縱軸線方向上的長(zhǎng)度至少為至下一個(gè)電極間隔的30％，優(yōu)選至少為80％。
8．如權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，中間電極的直徑小于縱軸線方向上電極長(zhǎng)度的300％，特別是小于100％。
9．如權(quán)利要求2至8中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述磁性射線導(dǎo)向系統(tǒng)的磁極和所述電極裝置的電極在縱軸線方向上交替布置。
10．如權(quán)利要求2至9中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交叉占所述電離室體積的絕大部分，特別是大于90％。
11．如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征是，在大于60％的電離室的體積內(nèi)，所述電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向之間的夾角在45°至135°之間。
12．如權(quán)利要求1至11中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述電位差的數(shù)值比電子射線在進(jìn)入起延遲電子作用的加速段的入口處的電子平均動(dòng)能稍小，特別是小于10％。
13．如權(quán)利要求1至12中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，從所述加速段終點(diǎn)輸出的等離子射線的電子的平均速度近似等于帶正電荷離子的平均速度。
14．如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征是，所述電子和離子的平均速度最大相差10倍。
15．如權(quán)利要求1至14中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述加速段至電子射線的入口側(cè)通過(guò)一個(gè)離子壁壘封閉。
16．如權(quán)利要求1至15中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，一個(gè)位于加速段開(kāi)始部位的電極作為具有一個(gè)用于電子射線中心孔的聚焦電極，其孔直徑基本上小于電離室的直徑。
17．如權(quán)利要求1至16中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，從電離室的側(cè)面送入中性氣態(tài)推進(jìn)劑。
18．如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征是，所述推進(jìn)劑的輸入位置處在電離室的長(zhǎng)度距離的10％至40％之間的范圍內(nèi)，從電子射線輸入端起算。
19．如權(quán)利要求1至18中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述電離室的長(zhǎng)度基本上大于其直徑，特別是大于直徑的3倍。
20．如權(quán)利要求1至19中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述加速段和電離室基本上是相同的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種等離子體加速器裝置,用于航天飛行器離子發(fā)動(dòng)機(jī)。按照本發(fā)明,所述裝置包括一個(gè)圍繞一根縱軸線設(shè)置的電離室,一個(gè)用于沿所述縱軸線在一個(gè)加速段上產(chǎn)生正向電荷推進(jìn)劑離子電位差的電極裝置,以及一個(gè)在所述電離室內(nèi)沿縱軸線引導(dǎo)集束電子射線的裝置。所述裝置可高效率地產(chǎn)生中性等離子體聚焦射流。本發(fā)明還給出了引導(dǎo)和聚焦該射流的電場(chǎng)和磁場(chǎng)配置方案的實(shí)例。
文檔編號(hào)B64G1/40GK1314070SQ99809994
公開(kāi)日2001年9月19日 申請(qǐng)日期1999年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月26日
發(fā)明者岡特·科恩費(fèi)爾德, 于爾根·韋格納, 哈拉爾·塞德?tīng)?申請(qǐng)人:湯姆森管電子有限公司