DE10058326C1

DE10058326C1 - Induktiv gekoppelte Hochfrequenz-Elektronenquelle mit reduziertem Leistungsbedarf durch elektrostatischen Einschluss von Elektronen

Info

Publication number: DE10058326C1
Application number: DE10058326A
Authority: DE
Inventors: Martin Closs; Johann Mueller
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: JP2002216688A; FR2817392A1; ITMI20012471A1; US20020101159A1; GB2373920A; GB0128142D0; GB2373920B; JP3757156B2; US6661165B2; FR2817392B1

Abstract

Beschrieben wird eine induktiv gekoppelte Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer zumindest an einem ersten Ende offenen Plasmakammer (1), wobei die Gesamtfläche der offenen Bereiche (5) der Plasmakammer (1) einen Flächenbetrag A¶0¶ beträgt, sowie mit einem Gaseinlass (2) für ein zu ionisierendes Gas und einer Hochfrequenzspule (3). Die Innenwand der Plasmakammer (1) wird zumindest teilweise durch leitfähige Bereiche (4) gebildet, die mit einer Stromquelle (6) verbunden sind, wobei die Gesamtfläche der leitfähigen Bereiche (4) einen Flächenbetrag A¶c¶ beträgt und das Verhältnis der Flächenbeträge A¶0¶ zu A¶c¶ einen definierten Maximalwert nicht übersteigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktiv gekoppelte Hochfrequenz- Elektronenquelle mit einer zumindest an einem ersten Ende offenen Plasma kammer sowie mit einem Gaseinlass für ein zu ionisierendes Gas und einer Hochfrequenzspule.

Eine induktiv gekoppelte Hochfrequenz-Elektronenquelle extrahiert freie E lektronen aus einem Plasma, das durch ein elektrisches Wechselfeld aufrecht erhalten wird. Dieses Feld wird durch eine Induktionsspule erzeugt, durch die ein hochfrequenter Strom fließt. Die im Plasma vorhandenen Elektronen wer den durch das elektrische Wechselfeld auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die im Fälle eines Stoßes mit einem Neutralatom im Plasma die Ionisation des letzteren bewirken können. Bei der Ionisation werden ein oder mehrere weite re Elektronen vom Neutralatom freigeschlagen, woraus sich ein kontinuierli cher Nachschub von Elektronen ergibt. Die entstandenen Ionen treffen nach einiger Zeit auf die Wand des Gefäßes, in dem das Plasma gehalten wird oder auf Gegenstände, die im Plasma eingetaucht sind. Ist die Oberfläche der Wand oder des Gegenstandes am Punkt des Auftreffens elektrisch mit einer Strom quelle verbunden, so kann das Ion die verlorengegangene negative Ladung dort wieder aufnehmen, wodurch der Ladungsausgleich gewährleistet ist. Die freien Elektronen im Plasma können dadurch diesem teilweise entzogen wer den, zum Beispiel durch eine Öffnung im Plasmagefäß.

Eine solche Elektronenquelle ist beispielsweise in US 5,198,718 in Form eines Neutralisators für eine Ionenquelle beschrieben, der durch eine Plasmakammer mit Wänden aus einem dielektrischen Material gebildet wird, welche von einer Hochfrequenzspule umgeben ist.

Ein großer Teil der zur Aufrechterhaltung des Plasmas im Gefäß einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Elektronenquelle benötigten Leistung geht da durch verloren, daß hochenergetische Elektronen aus dem Plasma auf die Ge fäßwand treffen und dabei wieder an Atome gebunden werden. Bei diesem Prozeß geben sie auch einen Großteil ihrer Energie ab, die sie durch das elekt rische Wechselfeld gewonnen haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektronenquelle be reitzustellen, die einen verringerten Leistungsbedarf aufweist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, dass die Innenwand der Plasma kammer leitfähig gestaltet und elektrisch mit einer Stromquelle verbunden wird. Dies kann entweder die ganze Oberfläche der Innenwand betreffen oder nur einen Teil davon. Zudem wird der Querschnitt von Öffnungen im Plasma gefäß zur Extraktion der Elektronen geeignet dimensioniert. Dadurch wird ein wirksamer elektrostatischer Einschluß der Elektronen im Plasma erreicht.

Es ist somit erfindungsgemäß eine induktiv gekoppelte Hochfrequenz- Elektronenquelle mit einer zumindest an einem ersten Ende offenen Plasma kammer vorgesehen, wobei die Gesamtfläche der offenen Bereiche der Plas makammer einen Flächenbetrag A₀ einnimmt, sowie mit einem Gaseinlass für ein zu ionisierendes Gas und einer Hochfrequenzspule. Diese Hochfrequenz spule kann in unterschiedlicher Art angeordnet und ausgebildet sein, sie muss lediglich dazu geeignet sein, das Plasma ausreichend anzuregen. Die Hochfre quenzspule kann beispielsweise koaxial zur Längserstreckung der Plasma kammer angeordnet sein oder auch in Form einer Spirale an eine Wand der Plasmakammer angrenzen oder sie kann als Zylinderspule an die Plasmakam mer angrenzend angeordnet sein. Dabei kann die Hochfrequenzspule entwe der innerhalb oder ausserhalb der Plasmakammer angeordnet sein. Die Innen wand der Plasmakammer wird zumindest teilweise durch leitfähige Bereiche gebildet, die mit einer Stromquelle verbunden sind. Die leitfähigen Bereiche könne auf verschiedene Weise gebildet werden, z. B. durch eine leitfähige Be schichtung eines Plasmakammer-Grundkörpers, durch Einfügen leitender Körper wie Bleche oder eine Büchse oder ähnliches oder es kann auch die Plasma kammer selbst - zumindest teilweise - aus einem leitenden Material bestehen. Die Gesamtfläche der leitfähigen Bereiche beträgt A_c und das Verhältnis der Flächenbeträge A₀ und A_c beträgt maximal

mit
m₀ Masse eines Ions des zu ionisierenden Gases,
m_e Masse eines Elektrons, und
e Eulersche Zahl.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgesehen, dass die leitfähigen Bereiche mindestens einmal derart unterbrochen sind, dass Ströme in den leitfähigen Bereichen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes der Hochfre quenzspule, welches die Plasmakammer durchdringt, verhindert werden. Da durch kann verhindert werden, dass das Hochfrequenzfeld Ströme in den leit fähigen Bereichen induziert, die letztlich der Anregungswirkung des Hochfre quenzfeldes entgegen wirken könnten.

Es kann insbesondere vorgesehen werden, dass die leitfähigen Bereiche in Umfangsrichtung der Plasmakammer mindestens einmal unterbrochen sind. Eine solche Maßnahme ist speziell dann anwendbar, wenn das Hochfre quenzfeld die Plasmakammer im wesentlichen senkrecht zur Umfangsrichtung durchdringt. Dies bedeutet, dass, egal an welcher Stelle der leitfähigen Berei che man diese betrachtet, man immer in Umfangsrichtung der Plasmakammer mindestens eine Unterbrechung findet. Diese kann z. B. durch einen einge fügten Nichtleiter gebildet werden oder es kann eine leitende Beschichtung so ausgebildet sein, dass sie nicht die gesamte Innenwand der Plasmakammer auskleidet, sondern in Umfangsrichtung unterbrochen ist. Diese Vorsehung einer Unterbrechung in Umfangsrichtung bietet insbesondere dann einen Vorteil, wenn die Hochfrequenzspule außerhalb der leitfähigen Bereiche an geordnet wird. Dann verhindert die Unterbrechung, dass Ströme in Umfangsrichtung in den leitfähigen Bereichen induziert werden, die das Hochfre quenzfeld am Eindringen in die Plasmakammer hindern würden. Die geometri sche Form der Unterbrechung kann relativ frei gewählt werden, sofern sie die vorgenannten Anforderungen erfüllt. Sie kann insbesondere auch so gewählt werden, beispielsweise durch eine geeignet große Breite der Unterbrechung, dass ein von der Hochfrequenzspule erzeugtes kapazitives elektrisches Feld nicht von den leitfähigen Bereichen abgeschirmt wird. Ein solches kapazitives elektrisches Feld kann beispielsweise zur Zündung des Plasmas in der Plasma kammer genutzt werden.

Speziell kann vorgesehen werden, dass die leitfähigen Bereiche der Plasma kammer eine leitenden Büchse bilden, welche in Umfangsrichtung der Plasma kammer mindestens eine Unterbrechung aufweist, die sich im wesentlichen in Längsrichtung der Plasmakammer erstreckt. Die Büchse kann also beispiels weilse im wesentlichen in Längsrichtung der Plasmakammer geschlitzt sein, wobei die Richtung des Schlitzes durchaus um beispielsweise bis zu 45° von der Längsrichtung abweichen kann.

Als Weiterbildung der Erfindung können die leitfähigen Bereiche zumindest im Bereich eines der Enden der Plasmakammer in Längsrichtung der Plasmakam mer eine geringere Ausdehnung aufweisen als die Hochfrequenzspule. Somit überlappt die Hochfrequenzspule in diesen Gebieten die leitfähigen Bereiche, reicht damit näher an zumindest eines der Enden der Plasmakammer heran als die leitfähigen Bereiche. Durch eine solche Maßnahme kann, alternativ oder zusätzlich zur vorstehenden Maßnahme einer genügend breiten Unterbre chung, ebenfalls erreicht werden, dass das kapazitive elektrische Feld der Hochfrequenzspule ausreichend in die Plasmakammer eindringen kann, des sen Abschirmung also verhindert wird.

Für die leitfähigen Bereiche kann grundsätzlich jedes geeignete Material ge wählt werden, das den Anforderungen an eine solche Elektronenquelle und ihrem speziellen Einsatzgebiet gerecht wird. Insbesondere können die leitfähi gen Bereiche aus einem der metallischen Werkstoffe Titan, Stahl, speziell rostfreiem Stahl, beispielsweise austenitisch, oder auch aus Aluminium oder Tantal bestehen. Die leitfähigen Bereiche können alternativ aber auch aus einem Halbleiter, insbesondere aus Silizium oder Germanium, bestehen.

Nachfolgend wird ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Querschnitt durch eine Plasmakammer mit außenliegender Hoch frequenzspule

Fig. 2: Querschnitt durch eine Plasmakammer mit innenliegender Hochfre quenzspule

Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine Plasmakammer 1 mit einer Öffnung 5 (Extrakti onsöffnung zur Extraktion von Elektronen) an einem ersten Ende der Plasma kammer 1, mit einem Gaseinlass 2 an einem zweiten Ende der Plamakammer 1 und mit einer Hochfrequenzspule 3, die in diesem speziellen Beispiel koaxial zur Längserstreckung der Plasmakammer angeordnet ist und im Fall der Fig. 1 ausserhalb der Plasmakammer 1, im Fall der Fig. 2 innerhalb der Plasmakam mer 1 angeordnet ist. Wie bereits eingangs erwähnt können aber auch andere geeignete Ausbildungen der Hochfrequenzspule 3 vorgesehen werden. Ein Teil der Innenwand der Plasmakammer wird durch leitfähige Bereiche 4 gebil det, die mit einer Stromquelle 6 verbunden sind. Eine solche Plasmakammer 1 kann als Elektronenquelle eingesetzt werden, beispielsweise als Neutralisator einer Ionenquelle. Ein Anwendungsgebiet hierfür sind insbesondere Ionen triebwerke in der Raumfahrttechnik, es sind natürlich aber auch terrestrische Anwendungen der Elektronenquelle möglich.

Das Plasma in der Plasmakammer 1 befindet sich nicht im thermischen Gleich gewicht, da fast die ganze Hochfrequenzleistung der Hochfrequenzspule 3 von den Elektronen des Plasmas absorbiert wird und diese auf Grund ihrer ge ringen Masse im Vergleich zu den Ionen kaum Leistung an die Ionen abgeben können. Dies hat zur Folge, daß die Elektronentemperatur um mehr als einen Faktor hundert über der Ionen- und Neutralteilchentemperatur liegt.

Da die Elektronen sehr leicht und heiß sind im Vergleich zu den Ionen, treffen im Moment der Plasmazündung deutlich mehr Elektronen auf der Wand der Plasmakammer 1 auf als Ionen, was zu einem Überschuß an negativer Ladung an der Wand der Plasmakammer 1 führt. Diese lädt sich negativ auf und es be steht ein Potentialgefälle zwischen Wand und Plasma. Werden Teilchenstöße nahe der Wand vernachlässigt, so kann man die elektrische Strombilanz an der Wand wie folgt beschreiben:

wobei

[m/s]: Bohm'sche Geschwindigkeit,

[m/s]: mittlere thermische Geschwindigkeit der Elektronen,
J[A/m²]: Stromdichte auf Gefäßwand,
k[J/K]: Boltzmannkonstante,
m₀[kg]: Masse eines Ions,
m_e[kg]: Masse eines Elektrons,
n_e[1/m³]: Elektronendichte,
q_e[C]: Elementarladung,
T_e[K]: Elektronentemperatur,
U[V]: Potentialdifferenz zwischen Plasma und Wand der Plasmakammer.

Der erste Term auf der linken Seite von (1) stellt die Elektronenstromdichte auf die Wand dar, während der zweite Term für die Ionenstromdichte steht. J ist die elektrische Stromdichte, die von der Wand abgeführt wird. Bei isolierender Wand gilt J = 0. Gleichung (1) läßt sich wie folgt nach U auflösen:

Aus dem ersten Term der Gleichung (1) läßt sich erkennen, daß die Elektro nenstromdichte bei gegebener Elektronentemperatur mit dem Plasmapotential U exponentiell abnimmt. Dies läßt sich für den Einschluß der Elektronen nut zen, indem man für eine hohe Stromdichte J an der Wand der Plasmakammer 1 sorgt, da U mit J monoton zunimmt (vgl. Gl. 2). Die Stromdichte J wird durch das Flächenverhältnis von Extraktionsöffnung 5 zu den leitfähigen In nenwandbereichen 4 der Plasmakammer 1 bestimmt. Hierzu schätzt man den extrahierten Elektronenstrom I_ex unter Vernachlässigung der Diffusion von Ionen wie folgt ab:

wobei A₀ für den Querschnitt der Extraktionsöffnung 5 steht (siehe Fig. 1). Be zeichnet man die Fläche der leitfähigen Innenwandbereiche 4, welche als Ka thode wirken, mit A_c (siehe Fig. 1), so kann man J als

darstellen. Fügt man (3) und (4) in (2) ein, so erhält man

Das Plasmapotential läßt sich also durch A₀/A_c weitgehend beeinflussen, um einen verbesserten Elektroneneinschluß zu gewährleisten. Je größer A₀/A_c gewählt wird, desto höher fällt U aus, was wiederum einen stärkeren Einschluß der Elektronen mit sich zieht (siehe erster Term in (1)). Eine obere Grenze für A₀/A_c wird durch die Beziehung

gesetzt. Bei dieser Grenze ist das Argument des Logarithmus in (5) Null, was zu einer Singularität führt. Physikalisch entspricht dies dem Punkt an dem I_ex dem Ionensättigungsstrom auf die Kathode 4 entspricht (2. Term in (1)). Steigt I_ex infolge einer größeren Extraktionsöffnung 5 weiter an, so ist ein Ladungs ausgleich nicht mehr möglich, da nicht genügend Ionen pro Zeiteinheit auf die Kathode 4 treffen.

Folglich kann durch die vorliegende Erfindung dem stärksten Verlustprozess im Plasma, nämlich dem Verlust von hochenergetischen Elektronen an der Wand der Plasmakammer 1, begegnet werden. Zwischen Plasma und Wand bildet sich dabei ein Potentialgefälle, das einen Großteil der Elektronen ab schirmt. Bildet die Wand der Plasmakammer 1 wie im vorliegenden Fall gleich zeitig die Kathode in Form entsprechender leitfähiger Bereiche 4, so kann man durch eine geeignete Wahl des Querschnittes der Extraktionsöffnung 5 dieses Potentialgefälle vergrößern, was die Abschirmung (bzw. den Einschluß) der Elektronen verstärkt.

Der Querschnitt der Extraktionsöffnung 5 wird möglichst groß gewählt, jedoch so, daß das Verhältnis von Öffnungsquerschnitt zu Kathodenfläche den Wert

nicht überschreitet.

Die Kathode, also die leitfähigen Bereiche 4, müssen neben ihrer primären Funktion zur Gewährleistung des elektrostatischen Einschlusses der Elektronen zwei weitere Bedingungen erfüllen:

1. Sie muß gegenüber dem Plasma resistent sein und die geforderte Be triebszeit mit vertretbarem Qualitätsverlust überdauern.
2. Im Falle einer aussenliegenden Hochfrequenzspule 3 darf die Kathode 4 das Hochfrequenzfeld nicht vom Plasma abschirmen.

Bei Anwendungen in der Raumfahrttechnik bestehen relativ strenge Anforde rungen an eine solche Elektronenquelle. Für die Anwendung der Elektronen quelle als Neutralisator für Ionentriebwerke in der Raumfahrt sind derzeit 8.000 bis 15.000 Stunden Betriebszeit zu garantieren. Bei terrestrischen Anwendun gen kann diese Anforderung deutlich entschärft werden, da die Möglichkeit der Wartung besteht. Für das Plasma können als Gase beispielsweise Edelgase wie Xenon verwendet werden.

Es sind folgende Punkte bei der Werkstoffwahl für die leitfähigen Bereiche 4, also für die Kathode bei einer Anwendung in der Raumfahrttechnik zu berück sichtigen:

- Während des Betriebs treffen laufen Ionen mit der Energie q_eU auf die Kathode. Dies kann zu Erosion führen.
- Die Temperatur der Elektrtonenquelle kann maximal 300 bis 400°C er reichen.
- Da die Quelle im Hochvakuum betrieben wird, sollte der Werkstoff einen genügend niedrigen Dampfdruck aufweisen und nicht ausgasen.
- Die Kathode soll sich leicht und kostengünstig in einer Plasmakammer anordnen lassen.
- Die Kathode muß die Startlasten beim Transport der Einrichtung, die eine solche Elektronenquelle aufweist, in den Weltraum überstehen.

Es gibt insbesondere einige metallische Werkstoffe, die diesen Anforderungen gerecht werden:

- Titan
- Stahl, insbesondere rostfrei (austenitisch)
- Aluminium
- Tantal

Daneben wäre es auch denkbar, die Kathode aus einem Halbleiter, z. B. Silizi um oder Germanium zu fertigen.

Die Kathode 4 kann beispielsweise in Form einer leitfähigen Büchse realisiert werden, die innerhalb eines Plasmakammer-Grundkörpers angeordnet wird und zumindest einen Teil der Innenwand der Plasmakammer 1 bildet. Würde man eine vollständig geschlossene gut leitfähige Büchse innerhalb der Plasma kammer 1 bei einer außenliegenden Hochfrequenzspule 3 einbauen, so wür den in der Büchse Ströme induziert, die das elektrische Hochfrequenzfeld am eindringen hindern. Es ist deshalb nötig, die Kathode 4 in Umfangsrichtung der Plasmakammer 1, beispielsweise entlang der Spulenachse, mindestens einmal zu unterbrechen, beispielsweise zu schlitzen, um Ströme in Umfangs richtung zu vermeiden.

Des weiteren sollte der Zündvorgang berücksichtigt werden: über der Spule 3 liegt beim Leerlaufbetrieb - also wenn Strom in der Spule 3 fließt, aber kein Plasma brennt - eine Wechselspannung von einigen hundert Volt an. Zur Zün dung des Plasmas reichen die wenigen freien Elektronen aus, die im Arbeitsgas bei thermischem Gleichgewicht vorhanden sind. Diese können durch die Wechselspannung an der Spule 3 auf ausreichende Energie beschleunigt wer den, um das Gas zu ionisieren. Dies erzeugt wiederum Sekundärelektronen, die am Prozeß teilnehmen. Es entsteht eine Elekronenlawine, die letztlich zum Plasma führt. Dieser Vorgang wird als kapazitive Zündung bezeichnet, da das entscheidende elektrische Feld zwischen den Spulenenden anliegt und den Charakter eines Kondensatorfeldes hat. Das induzierte Hochfrequenzfeld, von dem bisher immer die Rede war, reicht unter Umständen nicht aus, um das Plasma zu zünden. Für solche Fälle kann die Zündung des Plasmas mit Hilfe der beschriebenen kapazitiven Zündung erfolgen. Das induzierte Hochfrequenz feld kann dann für die Plasmaheizung nach erfolgter Zündung des Plamas ver wendet werden.

Für den Fall einer kapazitiven Zündung darf die Kathode 4 das kapazitive e lektrische Feld nicht abschirmen. Dazu sollte entweder die Unterbrechung in Umfangsrichtung, beispielsweise ein axialer Spalt, in der Kathode 4 breit ge nug sein, um ein teilweises Eindringen des elektrischen Feldes zu erlauben o der die Kathode 4 muß zumindest an einem Ende der Plasmakammer 1 etwas kürzer als die Spule 3 gestaltet werden, wie aus den Fig. 1 und 2 entnehm bar.

Claims

1. Induktiv gekoppelte Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer zumin dest an einem ersten Ende offenen Plasmakammer (1), wobei die Gesamtflä che der offenen Bereiche (5) der Plasmakammer (1) einen Flächenbetrag A₀ einnimmt, sowie mit einem Gaseinlass (2) für ein zu ionisierendes Gas und ei ner Hochfrequenzspule (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Plasmakammer (1) zumindest teilweise durch leitfähi ge Bereiche (4) gebildet wird, die mit einer Stromquelle (6) verbunden sind, wobei die Gesamtfläche der leitfähigen Bereiche (4) einen Flächenbetrag A_c einnimmt und das Verhältnis der Flächenbeträge A₀ und A_c maximal
beträgt mit
m₀ Masse eines Ions des zu ionisierenden Gases,
m_e Masse eines Elektrons, und
e Eulersche Zahl.

2. Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Bereiche (4) mindestens einmal derart unterbrochen sind, dass Ströme in den leitfähigen Bereichen (4) senkrecht zur Richtung des Magnet feldes der Hochfrequenzspule (3), welches die Plasmakammer (1) durchdringt, verhindert werden.

3. Elektronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Bereiche (4) in Umfangsrichtung der Plasmakammer (1) min destens einmal unterbrochen sind.

4. Elektronenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Bereiche (4) der Plasmakammer (1) eine leitende Büchse bilden, welche in Umfangsrichtung der Plasmakammer (1) mindestens eine Unterbre chung aufweist, die sich im wesentlichen in Längsrichtung der Plasmakammer (1) erstreckt.

5. Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die leitfähigen Bereiche (4) zumindest im Bereich eines der Enden der Plasmakammer (1) in Längsrichtung der Plasmakammer (1) eine geringere Ausdehnung aufweisen als die Hochfrequenzspule (3).

6. Elektronenquelle nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die leitfähigen Bereiche aus einem der metallischen Werk stoffe der Gruppe Titan, Stahl, Aluminium, Tantal bestehen.

7. Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die leitfähigen Bereiche aus einem Halbleiter, insbeson dere aus Silizium oder Germanium, bestehen.