DE102007044074B4

DE102007044074B4 - Elektrostatische Ionenbeschleunigeranordnung

Info

Publication number: DE102007044074B4
Application number: DE102007044074A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Koch
Original assignee: Thales Electron Devices GmbH
Current assignee: Hitachi Rail GTS Deutschland GmbH
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2027-09-15
Also published as: RU2523658C2; CN105228331A; DE102007044074A1; JP2010539376A; CN101855949A; KR101455214B1; CN105228331B; KR20100099677A; EP2191700B1; RU2010114726A; US20100289437A1; US8587227B2; WO2009037200A1; JP5425081B2; EP2191700A1

Abstract

Elektrostatische Ionenbeschleunigeranordnung mit einer Ionisationskammer (IK), welche in einer Längsrichtung einseitig eine Strahlaustrittsöffnung aufweist, mit einer eine Anodenanordnung (AN) und eine Kathodenanordnung (KA) enthaltenden Elektrodenanordnung, welche ein im Wesentlichen in Längsrichtung weisendes elektrostatisches Feld in der Ionisationskammer (IK) erzeugt, wobei die Anodenanordnung (AN) der Austrittsöffnung entgegengesetzt am Fußpunkt der Kammer angeordnet ist, und wobei in einem Elektrodenkörper (EK) der Anodenanordnung (AN), welcher Elektronen aus der Ionisationskammer (IK) absorbiert, Verlustwärme anfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenanordnung (AN) den überwiegenden Teil der an ihr anfallenden Verlustwärme in die Ionisationskammer (IK) als Wärmestrahlung (WS) dadurch abgibt, und dass auf der der Ionisationskammer (IK) abgewandten Seite des Elektrodenkörpers (EK) eine Wärmestrahlungs Reflektoreinrichtung (R1, R2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Ionenbeschleunigeranordnung.
Elektrostatische Ionenbeschleunigeranordnungen sind vorteilhaft einsetzbar als Antriebseinrichtungen in Raumflugkörpern. Eine aus der WO 2003/000550 A1 bekannte vorteilhafte Ausführungsform sieht einen Aufbau mit einer kreiszylindrischen Ionisationskammer vor, deren Mittellängsachse eine Längsrichtung der Kammergeometrie bestimmt. In anderer Ausführungsform von Ionenbeschleunigern als sogenannten Hall-Thrustern ist die Kammer ringförmig um ein zentrales Innenteil ausgebildet. Die Ionisationskammer weist in Längsrichtung an einer Seite eine Strahlaustrittsöffnung auf, durch welche ein Plasmastrahl in Längsrichtung angestoßen wird. Eine Kathode ist außerhalb der Ionisationskammer seitlich gegen die Strahlaustrittsöffnung versetzt angeordnet. Eine Anode ist in Längsrichtung der Strahlaustrittsöffnung entgegen gesetzt am Fuß der Ionisationskammer angeordnet. Eine Hochspannung zwischen Anode und Kathode bildet in der Ionisationskammer ein in Längsrichtung weisendes elektrostatisches Feld aus, welches Ionen eines in der Kammer ionisierten Arbeitsgases in Richtung der Strahlaustrittsöffnung und Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt. Ein die Kammer durchsetzendes Magnetfeld bewirkt eine lange Verweildauer von Elektronen in der Kammer, bevor diese von der Anode aufgenommen werden. Die Restenergie der Elektronen beim Auftreffen auf die Anode und der Strom durch die Anode bewirken das Entstehen von Verlustwärme in der Anode, so dass sich diese erhitzt, wodurch unter Umständen die Antriebsleistung begrenzt wird und/oder eine aufwändige und eventuell störanfällige Kühlung durch Festkörperwärmeableitung und/oder Fluidkühlung erforderlich wird.
Aus der US 2005/0237000 A1 und der US 6608431 B1 sind elektrostatisch beschleunigende Ionenquellen bekannt, bei welchen in einer Ionisationskammer eine Anode angeordnet ist, welche eine zentrale, sich in Richtung eines ausgestoßenen Ionenstrahls trichterförmig aufweitende Form besitzt. Eine dem Strahlausgang abgewandt hinter der zentralen Öffnung der Anode angeordnete Platte dient als Verteiler eines der Ionisationskammer zugeführten Arbeitsgases und ist vorzugsweise über der Isolatorkörper elektrisch isoliert aufgehängt, wodurch sich auf der Platte ein floatendes Potential einstellt, welches das Aufschlagen von Ionen aus dem Plasma auf die Platte und einen damit verbundenen Sputtereffekt vermindert. Diese Platte wird teilweise auch als Reflektor bezeichnet. Eine derartige Ionenquelle ist auch in der US 4862032 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrostatische Ionenbeschleunigeranordnung anzugeben, welche bei einfachem Aufbau eine hohe Verlustwärme an der Anode bewältigt.
Die Erfindung ist im unabhängigen Anspruch beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Durch die Abgabe der primär durch die Energie der auf die Anode auftreffenden Elektronen in der Anode zumindest bei Volllastbetrieb entstehende Verlustwärme überwiegend (> 50%) in Form von Wärmestrahlung in Richtung der Ionisationskammer, also in den der Strahlaustrittsöffnung zuweisenden Halbraum vor der Anodenanordnung ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der Anodenanordnung, bei welchem insbesondere ein über metallische oder nichtmetallische Bauteile durch Festkörperwärmeleitung abfließender Anteil der in der Anode anfallenden Verlustwärmeleistung bei maximaler Leistung der Ionenbeschleunigeranordnung weniger als 50% der gesamten in der Anode anfallenden Verlustwärmeleistung beträgt. Einen weiteren, wenngleich geringen Beitrag zur Abführung von Verlustwärme von der Anode liefert vorteilhafterweise eine Zuführung des kalten neutralen Arbeitsgases unter Umströmung der Anodenanordnung, wobei das Arbeitsgas Wärme von der Anodenanordnung aufnimmt und in die Ionisationskammer transportiert. Vorteilhafterweise korreliert dabei mit zunehmendem Gasstrom eine höhere Verlustwärmeleistung mit einer stärkeren Strömungskühlung. Der Hauptanteil der in der Anode anfallenden Verlustleistung wird aber als Wärmestrahlung in Richtung der Ionisationskammer abgestrahlt.
Durch die Anordnung einer Wärmestrahlungs-Reflektoreinrichtung auf der der Ionisationskammer abgewandten Seite der der Ionisationskammer zuweisenden Anodenelektrode wird die Wärmeabstrahlung verstärkt in die Ionisationskammer und zu der Strahlaustrittsöffnung hin gerichtet. Die Reflektoreinrichtung kann in einer ersten Ausführung eine reflektierende Beschichtung einer der Ionisationskammer abgewandten Rückseitenfläche der Anodenelektrode umfassen. Vorteilhafterweise enthält die Reflektoreinrichtung wenigstens eine in Längsrichtung von der Anodenelektrode beabstandete und auf der der Ionisationskammer abgewandten Seite der Anodenelektrode angeordnete Reflektorfläche, welche wärmestrahlungsreflektierend ausgebildet ist. Vorzugsweise sind wenigstens zwei in Längsrichtung voneinander beabstandete Reflektorflächen vorgesehen. Die Reflektorflächen sind vorzugsweise metallisch und liegen auf dem Potential der Anodenelektrode und können insbesondere mit dieser in einer mehrteiligen Anodenanordnung baulich vereinigt sein.
Vorteilhafterweise erreicht die der Ionisationskammer zugewandte Oberfläche der Anodenanordnung in einem Arbeitspunkt der Ionenbeschleunigeranordnung mit maximal anfallender Verlustwärmeleistung eine Temperatur von wenigstens 500°C. Dabei wird vorteilhaft ausgenutzt, dass die von einem Körper als Wärmestrahlung abgegebene Leistung überproportional (mit der 4. Potenz) zur Temperatur ansteigt.
Die der Ionisationskammer zugewandte Oberfläche der Anodenanordnung ist vorteilhafterweise im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Ionisationskammer ausgerichtet, so dass der in Richtung der Flächennormalen weisende Strahlungsanteil der Abstrahlung in Richtung der Strahlaustrittsöffnung weist und die in dieser Richtung emittierte Wärmestrahlung unmittelbar in den umgebenden freien Raum abgegeben wird.
Von besonderem Vorteil ist die Verwendung von Graphit als Material für die Anodenelektrode, insbesondere für die der Ionisationskammer zugewandte Oberfläche der Anodenelektrode. Vorzugsweise ist die Anodenelektrode durch einen scheibenförmigen Körper gebildet, der insbesondere als materialhomogener Graphitkörper ausgeführt sein kann. Graphit ist bis zu hohen Temperaturen formbeständig und zeigt einen geringen elektrischen Widerstand und insbesondere einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands. Die Oberfläche von Graphit zeigt ein besonders gutes Abstrahlungsverhalten.
Der scheibenförmige Körper der Anodenelektrode nimmt vorteilhafterweise mit im Wesentlichen einheitlicher Temperatur über der Fläche den überwiegenden Querschnittsflächenanteil des Kammerquerschnitts ein. Vorteilhafterweise ist der scheibenförmige Körper im Bereich seiner Mitte zentral an nur einem Befestigungspunkt mit einem Trägerkörper der Anodenanordnung verbunden, insbesondere verschraubt. Die Befestigungsstruktur besteht vorteilhafterweise aus einem hochwärmefesten Material, insbesondere Molybdän. Der über die Befestigung des Elektrodenkörpers innerhalb der Anodenanordnung auf einen Trägerkörper fließende Wärmeleistungsanteil und der durch die Reflektoreinrichtung als Reststrahlung auf den Trägerkörper gelangende Wärmeleistungsanteil kann über vorhandene Strukturen, wie die Aufhängung des Trägerkörpers im Aufbau der Kammer und/oder die metallische Hochspannungszuleitung durch Festkörperwärmeleitung ohne besondere aktive Kühlmaßnahmen durch Festkörperwärmeleitung abgeführt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines bevorzugten Beispiels unter Bezugnahme auf die 1 noch eingehend veranschaulicht:
1 zeigt schematisch und ausschnittsweise eine elektrostatische Ionenbeschleunigeranordnung mit einer Anodenanordnung. Eine Ionisationskammer IK der Ionenbeschleunigeranordnung sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit als rotationssymmetrisch um eine Mittellängsachse LA angenommen. Die Mittellängsachse LA verläuft parallel zu einer Längsrichtung LR. Mit eingezeichnet ist eine radiale Richtung R. Der kreisrunde Querschnitt der Ionisationskammer sei in Längsrichtung LR im wesentlichen konstant. Die Ionisationskammer zeigt in Längsrichtung LR einseitig, in der 1 nach rechts eine Strahlaustrittsöffnung AO, aus welcher ein beschleunigter gerichteter Plasmastrom PB ausgestoßen wird. Im Bereich der Strahlaustrittsöffnung AO und vorzugsweise seitlich gegen diese versetzt ist eine Kathodenanordnung KA angeordnet. In Längsrichtung der Strahlaustrittsöffnung AO entgegen gesetzt am Fuß der Ionisationskammer befindet sich eine Anodenanordnung AN. In der 1 ist wegen der angenommenen Rotationssymmetrie um die Längsachse LA nur der oberhalb der Längsachse LA liegende Teil der Ionenbeschleunigeranordnung dargestellt.
Zwischen der typischerweise auf Massepotential M des Raumflugkörpers liegenden Kathodenanordnung KA und der Anodenanordnung AN, insbesondere einer der Ionisationskammer zuweisenden Anodenelektrode EK, liegt eine Hochspannung HV, welche in der Ionisationskammer ein in Längsrichtung weisendes elektrisches Feld erzeugt. Dieses elektrische Feld beschleunigt Elektronen in Richtung der Anodenanordnung und in der Ionisationskammer durch Ionisation eines Arbeitsgases erzeugte positiv geladene Ionen in Richtung der Strahlaustrittsöffnung AO. Die Ionisationskammer ist quer zur Längsachse LA durch eine Kammerwand KW aus vorzugsweise dielektrischem, insbesondere keramischem Material begrenzt. Auf der bezüglich der Längsachse radial außen liegenden Seite der Kammerwand ist eine Magnetanordnung MA angeordnet, deren verschiedene mögliche Aufbauten prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt sind und die deshalb ohne Einzelheiten nur schematisch angedeutet ist. Die Magnetanordnung erzeugt in der Ionisationskammer ein Magnetfeld, welches die Verweildauer der Elektronen in der Ionisationskammer erhöht, wobei diese durch ionisierende Stöße Energie an das Arbeitsgas abgeben, bevor sie auf die Anodenelektrode EK gelangen. Wirkungsweisen derartiger Ionenbeschleuniger in verschiedener konstruktiver Ausführung, insbesondere auch mit ringförmiger Kammergeometrie wie bei Hall-Ionenbeschleunigern sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Aus der Ionisationskammer auf die Anodenelektrode EK auftreffende Elektronen bewirken das Entstehen von Verlustwärme in der Anodenelektrode und deren Erhitzung.
Im skizzierten bevorzugten Beispiel enthält die Anodenanordnung AN in Richtung der Längsachse LA von der Ionisationskammer IK her nach links fortschreitend eine Anodenelektrode EK, eine erste Reflektorfläche R1, eine zweite Reflektorfläche R2 und einen Anodenträgerkörper AT. Die mehreren Bauteile der Anodenanordnung sind über eine Trägerstruktur, welche sich beispielsweise als Trägerbolzen TB von dem Trägerkörper AT in Richtung der Anodenelektrode EK erstreckt, untereinander mechanisch verbunden. Die mehreren Bauteile sind vorzugsweise alle elektrisch leitend und liegen auf gemeinsamem elektrischem Potential entsprechend einer Anodenspannung HV, welche beispielsweise über den Trägerkörper AT angeschlossen ist. Für die mechanische Verbindung der mehreren Bauteile untereinander zu der Anodenanordnung AN kann vorteilhafterweise der Trägerbolzen TB an seinem der Ionisationskammer zugewandten Ende ein Gewinde aufweisen, auf welches eine Mutter aufgeschraubt und gesichert ist. Die relative Lage der einzelnen Bauteile der Anodenanordnung AN in Richtung der Längsachse LA kann über Distanzhülsen präzise eingestellt sein.
Die Anodenelektrode EK ist vorteilhafterweise durch einen materialhomogenen Graphitkörper gebildet. Die Reflektorflächen R1 und R2 sind vorzugsweise als im wesentlichen scheibenförmige Blechkörper aus einem hochtemperaturfesten Metall, beispielsweise Molybdän gebildet. Der Trägerkörper AT und der vorzugsweise einteilig mit diesem ausgebildete Trägerbolzen TB bestehen vorteilhafterweise gleichfalls aus einem hochtemperaturfesten Material wie insbesondere Molybdän. In Richtung der Längsachse auf der der Ionisationskammer IK abgewandten Seite des Trägerkörpers AT ist eine Zuführung für ein Arbeitsgas AG über eine Blende GB skizziert, über welche das Arbeitsgas AG in der Umgebung der Längsachse in axialer Richtung auf den Trägerkörper AT zugeleitet und entlang dessen von der Ionisationskammer IK weg weisender Fläche radial nach außen und im Bereich der Kammerwand KW in Längsrichtung LR in Richtung der Ionisationskammer geleitet ist. Vorzugsweise ist zwischen dem radial außen liegenden Rand der Anodenelektrode EK und der Kammerwand gleichfalls ein Teil der Reflektoranordnung vorgesehen, welcher beispielsweise durch aus der Scheibenebene einer oder beider Reflektoreinrichtungen R1, R2 in Längsrichtung LR abgewinkelte Randabschnitte gebildet sein kann. Dadurch wird zum einen die radiale Abstrahlung von Wärme von der Anodenelektrode EK in Richtung der Kammerwand vermindert und zum andern ein Anströmen der Anodenelektrode EK durch das Arbeitsgas und damit die Abkühlung der Anodenelektrode EK im Randbereich verhindert.
Wenn im Betrieb der Ionenbeschleunigeranordnung insbesondere durch die Restenergie der auf die Anodenelektrode EK auftreffenden Elektronen die Anodenelektrode EK aufgeheizt wird, so strahlt diese mit ansteigender Temperatur zunehmend Wärmestrahlung WS in Richtung der Ionisationskammer IK ab. Das Maximum der Abstrahlungscharakteristik der der Ionisationskammer IK zugewandten Fläche der Anodenelektrode EK verläuft in Richtung der Flächennormale, so dass bei im wesentlichen ebener Ausführung der scheibenförmigen Anodenelektrode EK das Maximum der Abstrahlungscharakteristik in Richtung der Strahlaustrittsöffnung AO gerichtet ist und die in dieser Richtung abgestrahlte Wärmestrahlung WS unmittelbar in den freien Raum abgestrahlt wird. Durch Verwendung von Graphit als Material der Anodenelektrode EK ist die Abstrahlung von Wärmestrahlung WS besonders effektiv.
Die Anodenelektrode EK strahlt in gleicher Weise Wärmestrahlung auf ihrer Rückseite in von der Ionisationskammer IK weg weisender Richtung auf die Reflektoreinrichtung R1 zu ab. Durch die wärmereflektierend ausgebildete Reflektorfläche R1 wird aber ein Großteil dieser Wärmestrahlung wieder zu Anodenelektrode EK zurück gestrahlt, so dass der effektiv in Richtung von der Ionisationskammer EK weg abgestrahlte Wärmestrahlungsanteil gering bleibt. Dieser Effekt wird verstärkt durch die zweite Reflektorfläche R2, welche wiederum die bei Erwärmung der ersten Reflektorfläche R1 in Richtung der Reflektorfläche R2 abgestrahlte Wärmestrahlungsleistung weitgehend reflektiert. Die von der Reflektorfläche R2 schließlich in Richtung des Trägerkörpers TK abgestrahlte Wärmeleistung bleibt dadurch gering. Eine durch diese verbleibende Wärmestrahlungsleistung sowie durch die durch Festkörperwärmeleitung über den Trägerbolzen TB auf den Trägerkörper TK gelangende Wärmeleistung wird überwiegend durch Festkörperwärmeleitung über die metallische Hochspannungszuleitung und den typischerweise nichtmetallischen, die Anodenanordnung tragenden Aufbau abgeführt. Zusätzlich kann ein geringer Wärmeleistungsanteil durch das an der Rückseite des Trägerkörpers radial nach außen entlang strömende Arbeitsgas wieder abgeführt werden.
Die von der der Ionisationskammer IK zu weisenden Fläche der Anodenelektrode EK nicht unmittelbar durch die Strahlaustrittsöffnung AO in den freien Raum abgestrahlte Wärmestrahlung trifft auf die Kammerwand KW und wird dort teilweise in die Ionisationskammer und schließlich durch die Strahlaustrittsöffnung AO in den freien Raum abgestrahlt oder teilweise von der Kammerwand absorbiert und durch deren Erwärmung wiederum als Wärmestrahlung in die Ionisationskammer und durch die Strahlaustrittsöffnung AO in den freien Raum abgegeben.
Die Anodenelektrode EK kann vorteilhafterweise bei maximal anfallender Verlustleistung, welche typischerweise bei maximaler Antriebsleistung der Ionenbeschleunigeranordnung auftritt, Temperaturen von mehr als 500°C erreichen. Die hohe Temperatur führt zu einer hohen Intensität von Wärmestrahlung WS mit zur Temperatur überproportionalem (4. Potenz) Anstieg, so dass sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Trotz hoher Temperatur der Anodenelektrode EK ist wegen der hohen Leistung der abgegebenen Wärmestrahlung und deren einseitig bevorzugte Abstrahlung in Richtung der Ionisationskammer IK eine Abführung von Verlustwärme der Anodenanordnung über eine Festkörper-Wärmeleitung nachrangig und kann über die metallische elektrische Verbindung zur Zuführung der Anodenhochspannung und die Aufhängung des Trägerkörpers im Aufbau der Kammer ausreichend bewältigt werden. Eine aktive Kühlung über einen einen Großteil der Verlustwärme abführenden Fluid-Kühlungskreislauf ist nicht erforderlich.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Elektrostatische Ionenbeschleunigeranordnung mit einer Ionisationskammer (IK), welche in einer Längsrichtung einseitig eine Strahlaustrittsöffnung aufweist, mit einer eine Anodenanordnung (AN) und eine Kathodenanordnung (KA) enthaltenden Elektrodenanordnung, welche ein im Wesentlichen in Längsrichtung weisendes elektrostatisches Feld in der Ionisationskammer (IK) erzeugt, wobei die Anodenanordnung (AN) der Austrittsöffnung entgegengesetzt am Fußpunkt der Kammer angeordnet ist, und wobei in einem Elektrodenkörper (EK) der Anodenanordnung (AN), welcher Elektronen aus der Ionisationskammer (IK) absorbiert, Verlustwärme anfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenanordnung (AN) den überwiegenden Teil der an ihr anfallenden Verlustwärme in die Ionisationskammer (IK) als Wärmestrahlung (WS) dadurch abgibt, und dass auf der der Ionisationskammer (IK) abgewandten Seite des Elektrodenkörpers (EK) eine Wärmestrahlungs Reflektoreinrichtung (R1, R2) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung (R1, R2) mit einem Fortsatz den Elektrodenkörper (EK) quer zur Längsrichtung seitlich umgibt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung (R1, R2) eine Beschichtung der der Ionisationskammer (IK) abgewandten Seite des Elektrodenkörpers (EK) enthält.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper (EK) aus Graphit besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper (EK) scheibenförmig ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper (EK) selbst gegen die Begrenzung der Ionisationskammer (IK) wärmeleitend isoliert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper (EK) in seiner Mitte auf einem Trägerkörper (AT, TB) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Rand des Elektrodenkörpers (EK) von anderen Bauteilen radial beabstandet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsgas (AG) von der der Ionisationskammer (IK) abgewandten Seite der Anodenanordnung (AN) zugeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (AG) radial außerhalb an dem Elektrodenkörper (EK) vorbei in die Ionisationskammer (IK) geführt ist.