DE1244300B

DE1244300B - Device for generating an ion beam

Info

Publication number: DE1244300B
Application number: DEU7425A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Warren Ehlers; Ferdinand Voelker
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1959-10-01
Filing date: 1960-08-31
Publication date: 1967-07-13

Description

Vorrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls, die eine für ein ionisierbares Gas durchlässige poröse, eine thermische Oberflächenionisation bewirkende Elektrode aufweist, der dieses Gas von einer Seite unter Druck zuströmt und der elektrische Beschleunigungselektroden zum Beschleunigen der durch die poröse Elektrode hindurchtretenden Ionen nachgeschaltet sind.Apparatus for Generating an Ion Beam The invention relates to a device for generating an ion beam, the one for an ionizable Gas-permeable, porous electrode causing thermal surface ionization has, which this gas flows in from one side under pressure and the electrical Accelerating electrodes for accelerating the one passing through the porous electrode Ions are downstream.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ionenstrahlerzeuger zu schaffen, der bevorzugt als Ionenrückstoßantrieb in Raketen verwendet werden soll. Unter Ionenrückstoßantrieb wird dabei ein Antrieb verstanden, der mit elektrisch beschleunigten Ionen als den Rückstoß erzeugenden Treibstoff arbeitet.The invention is based on the object of an ion beam generator to create, which are preferably used as ion recoil propulsion in rockets target. Ion recoil drive is understood to mean a drive that is electrically operated accelerated ions works as the fuel producing the recoil.

Die herkömmlichen Verbrennungstreibstoffe sind im allgemeinen für den Antrieb von Raketen außerhalb der Erdatmosphäre unbrauchbar, da es für eine längere Fahrt im Weltraum erforderlich ist, daß ein Triebwerk von geringer Masse und sehr hohem Wirkungsgrad verwendet wird. Die brennbaren Treibstoffe sind besser geeignet, um einen Schub für eine kurze Zeitdauer zu erzeugen, wie es erforderlich ist, um aus dem Gravitationsfeld der Erde zu kommen. Im Gegensatz hierzu erzeugt das System nach der vorliegenden Erfindung in wirksamer Weise einen vergleichsweise niederen Schub über eine sehr lange Zeitdauer, wie es für eine ausgedehnte Raumfahrt, die Monate oder Jahre dauern kann, erforderlich ist. Daher besteht das bestwirksame Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung in Raumfahrzeugen, die zu entfernteren Orten von uni die Erde kreisenden Satelliten oder anderen Raumstationen außerhalb der unmittelbaren Nachbarschaft des Erdgravitationsfeldes gestartet werden.The conventional combustion fuels are generally for The propulsion of rockets outside of the earth's atmosphere is unusable as it is for a Longer voyage in space requires that an engine of low mass and very high efficiency is used. The combustible fuels are better suitable to generate a thrust for a short period of time as required is to get out of the earth's gravitational field. In contrast, generated the system of the present invention effectively compares one another low thrust over a very long period of time, as is the case for extensive space travel, which may take months or years is required. Hence the most effective one Field of application of the present invention in spacecraft intended to be more distant Locations of satellites orbiting the earth or other space stations outside the immediate vicinity of the earth's gravity field.

Eine Zonenrakete ist etwa vergleichbar mit einer Ionenquelle, die eine besondere zusätzliche Einrichtung zum Beschleunigen und Ausstoßen von Ionen besitzt, um Schub zu erzeugen. Um einen hinreichend großen Schub für einen Raketenkörper von praktisch sinnvoller Masse zu erhalten, ist vergleichsweise zu der Ionenerzeugung der meisten herkömmlichen Zonenquellen ein sehr großer Zonenstrom erforderlich.A zone rocket is roughly comparable to an ion source, the a special additional device for accelerating and ejecting ions owns to generate thrust. A sufficient amount of thrust for a missile body Obtaining a practically meaningful mass is compared to ion generation most conventional zone sources require a very large zone current.

Als weitere, dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgaben werden genannt: Ein schuberzeugendes System zu schaffen, das besonders geeignet ist für Raumfahrzeuge, die für eine längere Reise außerhalb des Erdgravitationsfeldes verwendet werden können. Einen Raketenantrieb zu schaffen, der einen ionisierten Treibstoff verwendet, in dem im wesentlichen 10011/o der Treibmittelsubstanz ausgenutzt werden. Eine automatische Einrichtung zu schaffen, um ein konstantes elektrisches Potential auf einer Rakete aufrechtzuerhalten, die elektrisch geladene Teilchen als Treibmittel verwendet, wobei ein selbsttätig gesteuerter Mechanismus zur Neutralisierung eines Ionenstromes, der aus einer Ionenrakete emittiert wird, werden soll. Schließlich soll ein System zum Erzeugen eines Ionenstrahls für eine Ionenrakete geschaffen werden, das Ionen über eine sehr große Oberfläche emittiert.Further objects on which this invention is based are named: To create a thrust generating system particularly suitable for spacecraft, which are used for a longer journey outside the earth's gravity field can. To create a rocket engine that uses an ionized propellant in which essentially 10011 / o of the propellant substance are used. An automatic one Means to create a constant electrical potential on a missile maintain, which uses electrically charged particles as propellants, with an automatically controlled mechanism for neutralizing an ion current, which is emitted from an ion missile, should be. After all, you want a system to generate an ion beam for an ion missile, the ions emitted over a very large surface.

Es sind- bereits als Vakuumröhren ausgebildete Teilchenbeschleuniger bekannt, bei denen zum Erzeugen eines Ionenstrahls einer Seite einer erhitzten gasdurchlässigen Elektrode Gas zugeführt wird, das im Kontakt mit dieser Elektrode, während es diese durchsetzt, ionisiert wird. Dieser Elektrode sind Beschleunigungselektroden nachgeschaltet (deutsche Auslegeschrift 1003 873 und deutsche Patentanmeldung N 6901 VIII c / 21 g).They are particle accelerators already designed as vacuum tubes known in which to generate an ion beam one side of a heated gas-permeable Electrode gas is supplied that is in contact with this electrode while it is this permeated, ionized. Acceleration electrodes are connected downstream of this electrode (German Auslegeschrift 1003 873 and German patent application N 6901 VIII c / 21 G).

Es ist auch bereits eine Ionenquelle bekannt, die eine Spitzenelektrode besitzt, in deren hohlem Schaft das zu ionisierende Gas unter hohem Druck eingeführt wird (deutsche Auslegeschrift 1044 295). Es wird dabei das durch die Wandung der Elektrode diffundierende Gas nach Erreichen der Elektrodenspitze durch das angelegte Beschleunigungsfeld ionisiert. Die Ionisierung geschieht erst, nachdem der Wasserstoff durch die Elektrode hindurchdiffundiert ist und an der äußeren Oberfläche entlang bis zur Spitze der Elektrode gewandert ist. Ein besonderes Problem bei Ionenraketen besteht darin, die elektrische Aufladung der Rakete zu vermeiden. Der Erfindung liegt insbesondere die Lösung dieses Problems zugrunde.An ion source which has a tip electrode is also already known has, in the hollow shaft of the gas to be ionized introduced under high pressure becomes (German Auslegeschrift 1044 295). It becomes that through the wall of the Electrode diffusing gas after reaching the electrode tip through the applied Ionized acceleration field. The ionization only happens after the hydrogen diffused through the electrode and along the outer surface has migrated to the tip of the electrode. A particular problem ion rockets consists in avoiding electrical charging of the rocket. The invention is based in particular on the solution to this problem.

Erfindungsgemäß sind den Beschleunigungselektroden den lonenstrahl begrenzende Elektronen emittierende Elemente aus bei Auftreffen von Ionen Sekundärelektronen emittierendem Material nachgeschaltet, die auf einem Potential gehalten werden, das zwischen dem der porösen Elektrode und den Beschleunigungselektroden liegt.According to the invention, the acceleration electrodes are the ion beam limiting electron-emitting elements from secondary electrons when ions strike downstream of the emitting material, which are kept at a potential, that is between that of the porous electrode and the accelerating electrodes.

Obgleich zahlreiche Substanzen als Ionenquellen verwendbar sind, ist Caesium das günstigste Treibmittel in bezug auf das geringste Iortisationspotential aller Elemente von 3,9 Volt. Das Caesium wird erwärmt, um es zu vergasen, und danach wird es mit einem erhitzten Metall, das eine höhere Austrittsarbeit als 3,9 Volt besitzt, in Kontakt gebracht. Erhitztes Wolfram ist ein bevorzugtes Metall, obgleich auch andere Materialien, wie z. B. Platin, Kohlenstoff, Molybdän und Tantal, in gleicher Weise verwendbar sind. Um zu gewährleisten, daß alle Moleküle des Treibmittels in Kontakt mit dem ionisierenden Material kommen, ist dieses Material porös, und das gasförmige Treibmittel wird unter mäßigen Druck gesetzt, umdas Gas durch die Poren des Materials zu drücken. Diese Maßnahmen sind- bekannt.Although numerous substances can be used as ion sources, is Cesium is the cheapest propellant with regard to the lowest Iortization potential all elements of 3.9 volts. The cesium is heated to gasify it and after that it is made with a heated metal that has a work function higher than 3.9 volts owns, brought into contact. Heated tungsten is a preferred metal, although also other materials, such as B. platinum, carbon, molybdenum and tantalum, in can be used in the same way. To ensure that all the molecules of the propellant come into contact with the ionizing material, this material is porous, and moderate pressure is applied to the gaseous propellant to force the gas through the Press pores of the material. These measures are known.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.The invention is explained in more detail, for example, with reference to the drawings.

F i g.1- zeigt eine perspektivische Ansicht eines Raketenantriebs und einer Raumschiffhülle um diesen Antrieb, wobei Teile der Raumschiffhülle ausgespart wurden, um die verschiedenen Teile des Antriebs darzustellen; F i g. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der F i g.1, und zwar des durch die gestrichelte. Linie 2 in F i g. 1 ausgesparten Abschnitts. Es wird ein typischer Abschintt des ionisierenden, beschleunigenden und neutralisierenden Teils des Antriebs dargestellt; F i g. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2; F i g. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten abgeänderten Ausführungsform der in F i g. 3 dargestellten Vorrichtung; F i g. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten abgeänderten Ausführungsform der in F i g. 3 dargestellten Konstruktion.Fig. 1 shows a perspective view of a rocket engine and a spaceship hull around this drive, parts of the spaceship hull being cut out were to represent the different parts of the drive; F i g. 2 shows a enlarged view of part of FIG. 1, namely that of the dashed line. Line 2 in FIG. 1 recessed section. It becomes a typical section of the ionizing, accelerating and neutralizing part of the drive shown; F i g. 3 shows a section along the line 3-3 in FIG. 2; F i g. 4 shows a perspective view of a first modified embodiment of the FIG. 3 device shown; F i g. Figure 5 shows a perspective view of a second modified embodiment of the in FIG. 3 construction shown.

In F i g. 1 ist ein Raketenmantel oder äußerer Schutzmantel 10 gezeigt, der im allgemeinen die Form eines Ellipsoids besitzt und der an seiner hinteren Seite eine rechteckige Öffnung 11 aufweist. In den Fällen, in denen die Verwendung der Rakete außerhalb der Erdatmosphäre geplant ist, braucht der Mantel 10 nicht nach herkömmlichen aerodynamischen Grundsätzen konstruiert zu sein. Die ellipsoide Form der Vorrichtung ist einfach eine geeignete Form, um die entsprechenden Einrichtungen aufzunehmen und um einen Laderaum zu schaffen, der ein Minimum an Masse besitzt. Vor der Öffnung 11 befindet sich innerhalb des Raketenmantels 10 ein zylindrischer Tank 12, in dem sich die Treibladung befindet. Koaxial um den Tank 12 und in thermischem Kontakt mit diesem ist eine elektrische Spule 13 gewickelt, die dazu dient, den Brennstoff zu verdampfen und unter Druck zu setzen. Wie später ausführlicher beschrieben, ist z. B. das Element Caesium ein geeigneter Treibstoff. Eine Stromquelle 14, die die Spule 13 mit Strom versorgt, ist innerhalb des Raketengehäuses 10 vorgesehen. Diese Stromquelle kann einen mit einem Kernreaktor betriebenen Generator, konventionelle Batterien, Sonnenbatterien oder irgendeine andere geeignete Kraftquelle besitzen.In Fig. 1, a missile jacket or outer protective jacket 10 is shown which is generally in the shape of an ellipsoid and which has a rectangular opening 11 on its rear side. In those cases where the missile is intended to be used outside of the earth's atmosphere, the shell 10 need not be constructed according to conventional aerodynamic principles. The ellipsoidal shape of the device is simply a suitable shape to accommodate the appropriate equipment and to provide cargo space with a minimum of mass. A cylindrical tank 12, in which the propellant charge is located, is located in front of the opening 11 within the rocket jacket 10. An electrical coil 13 is wound coaxially around the tank 12 and in thermal contact therewith, which coil serves to vaporize the fuel and to put it under pressure. As described in more detail later, e.g. B. the element cesium is a suitable fuel. A power source 14 that supplies power to the coil 13 is provided within the missile case 10 . This power source can be a nuclear reactor powered generator, conventional batteries, solar batteries, or any other suitable power source.

Hinter dem Tank 12 und vor der Öffnung 11 ist ein rechteckiger Verteilerkasten 17 angeordnet, dessen Kontur mit der Öffnung übereinstimmt. Die vordere Seite des Verteilerkastens 17 ist mit dem Treibstofftak 12 durch ein Zuführungsrohr 16 verbunden, und aus der rückwärtigen Seite des Verteilerkastens führen mehrere Abströmleitungen 18 zu einem rechteckigen Strahlengenerator 19, der innerhalb der Öffnung 11 befestigt ist und der die hintere Seite der Rakete bildet. Die Einrichtung 19, die dazu dient, den Treibstoff zu ionisieren, zu beschleunigen und elektrisch zu neutralisieren, weist eine Reihe gleicher, nebeneinander angeordneter rechteckiger Abschnitte 20 auf, von denen jeder durch eine eigene Abströmleitung 18 aus dem Verteilerkasten versorgt wird. Jede Abströmleitung 18 aus dem Verteilerkasten besitzt ein Ventil 15, um die Treibstoffmenge zu steuern, die jeden Abschnitt 20 versorgt.Behind the tank 12 and in front of the opening 11, a rectangular distribution box 17 is arranged, the contour of which matches the opening. The front side of the junction box 17 is connected to the fuel tank 12 by a feed pipe 16, and from the rear side of the junction box several discharge lines 18 lead to a rectangular beam generator 19 which is fixed within the opening 11 and which forms the rear side of the missile. The device 19, which serves to ionize, accelerate and electrically neutralize the fuel, has a number of identical rectangular sections 20 arranged next to one another, each of which is supplied from the distribution box by its own discharge line 18. Each discharge line 18 from the distribution box has a valve 15 to control the amount of fuel supplied to each section 20.

In F i g. 2 ist die Konstruktion einer Ausführungsform eines der Abschnitte 20 der Einrichtung 19 im einzelnen dargestellt. Die aus dem Verteilerkasten 17 kommende Leitung 18 führt in eine rechteckige Kammer 21, die aus einer quadratischen, gasdichten Vorderwand gebildet wird, mit der Seiten- und Stirnwände 23 verbunden sind. Die hintere Seite der Kammer 21 wird durch eine poröse Elektrode 24 von rechteckiger Form gebildet. Die Elektrode 24 besteht, wie weiter unten näher ausgeführt, vorzugsweise aus Wolfram und besitzt eine Porosität von etwa 20% des Gesamtvolumens. Durch diese Porosität entstehen winzige Kanäle, durch die die Kammer 21 reit der rückwärtigen Oberfläche der Elektrode kommuniziert.In Fig. 2 the construction of an embodiment of one of the sections 20 of the device 19 is shown in detail. The line 18 coming from the distribution box 17 leads into a rectangular chamber 21, which is formed from a square, gas-tight front wall with which the side and end walls 23 are connected. The rear side of the chamber 21 is formed by a porous electrode 24 of rectangular shape. As explained in more detail below, the electrode 24 is preferably made of tungsten and has a porosity of approximately 20% of the total volume. This porosity creates tiny channels through which the chamber 21 communicates with the rear surface of the electrode.

Wie aus den F i g. 2 und 3 zu sehen ist, ist die äußere Oberfläche der porösen Elektrode 24 so geformt, daß sich auf ihr eine Vielzahl von quer verlaufenden parallelen Kanälen oder Nuten 26 mit konkavem Querschnitt befinden. Der durch Erhitzen des Treibstoffs in den Behälter 12 erzeugte Druck preßt das Gas aus der Kammer 21 durch die Poren in der porösen Elektrode 24 in die konkave Oberfläche der Rinnen 26.As shown in FIGS. 2 and 3, the outer surface of the porous electrode 24 is shaped to have a plurality of transverse parallel channels or grooves 26 thereon which are concave in cross-section. The pressure generated by heating the fuel in the container 12 forces the gas from the chamber 21 through the pores in the porous electrode 24 into the concave surface of the grooves 26.

Wenn die poröse Elektrode 24 auf etwa 1300° C erhitzt wird, dann ionisiert, bei Verwendung von Caesiumbrennstoff, die erhitzte Elektrode 24 nahezu alle Atome in dem Caesiumdampf. Dies hat seine Ursache in der Porosität des Wolframs, die zahlreiche gekrümmte Durchgänge zur Folge hat und die gewährleistet, daß wirklich alle Caesiumatome in Kontakt mit der heißen Elektrode 24 kommen.If the porous electrode 24 is heated to about 1300 ° C., then using cesium fuel, the heated electrode 24 ionizes nearly all of the atoms in the cesium vapor. This is due to the porosity of the tungsten, which results in numerous curved passages and which ensures that all of the cesium atoms really come into contact with the hot electrode 24.

Um die Elektrode 24 zu erhitzen, ist durch sie eine Anzahl von Querbohrungen 27 geführt, von denen jeweils eine zwischen je zwei nebeneinander gelegenen Nuten 26 angeordnet ist. Ein stangenförmiges elektrisches Heizelement ist in jeweils einer solchen Bohrung 27 angeordnet, und eine Kraftquelle 29 ist vorgesehen, um die Heizelemente mit elektrischem Strom zu versorgen. Die Kraftquelle 29 kann, wenn erforderlich, die in F i g. 1 dargestellte Kraftquelle 14 sein, jedoch wird in dieser Vorrichtung eine mit mehreren Abgriffen versehene Gleichstromquelle verwendet, um die zahlreichen Potentiale aufrechtzuerhalten, wie unter näher beschrieben ist. Um die aus den Nuten 26 der Elektrode 2.4 ausströmenden Ionen zu beschleunigen, wird ein elektrisches Feld zwischen dieser Elektrode und mehreren transversal angeordneten Beschleunigungselektroden 31 erzeugt, die an der rückwärtigen Seite der Elektrode 24 und in Flucht mit den Verbindungsstegen zwischen den aneinandergrenzenden konkaven Nuten 26 angeordnet sind. Die beschleunigten Elektroden 31 besitzen einen halbzylinderförmigen Querschnitt, dessen offene Seite von der porösen Elektrode 24 weggerichtet ist. Ein Paar von Leisten 32 aus dielektrischem Material ist an den Seitenwänden 23 der Kammer 21 angebracht und bildet eine Fortsetzung dieser Seitenwände, um die Enden der Elektroden 31 zu halten und um diese elektrisch voneinander zu isolieren. An jeder Beschleunigungselektrode 31 liegt relativ zu der porösen Elektrode 24 ein negatives Potential von etwa 2000 Volt, das von einem geeigneten Abgriff der Kraftquelle 29 abgegriffen wird. Die Verbindung der Kraftquelle 29 mit dem Raketengestell ist durch das Zeichen für Erdung angezeigt. Es wird daher ein elektrisches Feld aufrechterhalten, wie es durch die gestrichelten Linien 33 bezeichnet wird. Die Form der Feldlinien wird durch die oben beschriebenen Ausbildungsformen der beschleunigenden Elektroden 31 und der porösen Elektrode 24 bestimmt, so daß die Ionen in eine Reihe von nach rückwärts gerichteten Strahlen gebündelt werden, die im allgemeinen die Konfiguration besitzen, welche durch die gestrichelten Linien 34 dargestellt wird. Jeder Strahl 34 wird zwischen einem Paar von beschleunigenden Elektroden 31 hindurch und in den Raum dahinter hinausgeführt. Die beschleunigten Ionen verursachen auf diese Weise eine Antriebskraft in übereinstimmung mit dem Impulssatz, indem sie durch den Rückstoß eine Kraft auf den Raketenkörper ausüben.In order to heat the electrode 24, a number of transverse bores 27 are guided through it, one of which is arranged between two adjacent grooves 26. A rod-shaped electrical heating element is arranged in each such bore 27 , and a power source 29 is provided in order to supply the heating elements with electrical current. The power source 29 can, if necessary, the in F i g. 1, however, a multi-tapped direct current source is used in this device to maintain the various potentials, as described in more detail below. In order to accelerate the ions flowing out of the grooves 26 of the electrode 2.4, an electric field is generated between this electrode and several transversely arranged acceleration electrodes 31 which are arranged on the rear side of the electrode 24 and in alignment with the connecting webs between the adjoining concave grooves 26 are. The accelerated electrodes 31 have a semi-cylindrical cross section, the open side of which is directed away from the porous electrode 24. A pair of strips 32 of dielectric material are attached to and continue to form the side walls 23 of the chamber 21 to hold the ends of the electrodes 31 and to electrically isolate them from one another. At each acceleration electrode 31, relative to the porous electrode 24, there is a negative potential of approximately 2000 volts, which is tapped from a suitable tap of the power source 29. The connection of the power source 29 to the rocket frame is indicated by the symbol for grounding. An electric field, as indicated by the dashed lines 33, is therefore maintained. The shape of the field lines is determined by the shapes of accelerating electrodes 31 and porous electrode 24 described above so that the ions are collimated into a series of backward beams, generally of the configuration shown by dashed lines 34 will. Each beam 34 is passed between a pair of accelerating electrodes 31 and out into the space behind. The accelerated ions thus cause a propulsive force in accordance with the momentum set by exerting a force on the missile body through the recoil.

Um eine Aufladung der Rakete zu verhindern, ist es erforderlich, aus dem Raketenkörper eine Anzahl von Elektronen zu entfernen, die gleich der Anzahl von Elektronen ist, die aus den Atomen der Treibladung bei dem Ionisationsvorgang in der porösen Elektrode 24 entfernt wurden. Daher ist es nötig, wenn Caesium als Treibstoff verwendet wird, ein Elektron mit jedem emittierten, Caesium zu entfernen. Deshalb ist eine Einrichtung zum Emittieren von Elektronen mit einer automatischen Steuerung vorgesehen. Die Neutralisierungseinrichtung weist eine stangenförmige elektronenemittierende Kathode 35 auf, die durch einen Glühfaden 36 erwärmt wird. Diese Kombination ist axial in jeder beschleunigenden Elektrode 31 angeordnet und mit ihren Enden an den Halteleisten 32 befestigt. Der Glühfaden 36 wird elektrisch erhitzt, indem er mit einem geeigneten Abgriff der Kraftquelle 29 verbunden wird, und die Kathode 35 wird auf dem elektrischen Potential der beschleunigenden Elektrode 31 gehalten, indem sie mit dieser verbunden wird. Bei einer abgeänderten Ausführungsform kann der Glühfaden 36 auch allein verwendet werden, ohne eine Kathode 35. Die Kathode 35 emittiert eine reichliche Menge von Elektronen, die von dem Ionenstrahl34 angezogen werden, wie durch die gestrichelten Linien 37 in F i g. 3 dargestellt, und die positive Ladung derselben neutralisieren. Die halbzylindrische Konfiguration der beschleunigenden Elektrode 31 schirmt die Ionen in dem Strahl 34 von den Elektronen ab, bis die volle Ionenbeschleunigung erreicht ist, da eine frühzeitige Neutralisation eines Ions verhindern würde, daß diesem Ion die maximal mögliche Geschwindigkeit erteilt wird. Eine automatische Verhinderung der Aufladung des Raketenrumpfes ist auf diese Weise mit dem Entionisierungssystem eng verbunden, da irgendeine Ansammlung von negativer Ladung auf der Rakete dazu führt, daß mehr Elektronen von dem positiven Ionenstrahl34 abgesaugt werden, wodurch die Ladung auf dem Raketenkörper wieder einen weniger negativen Wert annimmt.To prevent the rocket from charging, it is necessary to turn it off the missile body to remove a number of electrons equal to that number of electrons is generated by the atoms of the propellant charge during the ionization process in the porous electrode 24 were removed. Therefore it is necessary when cesium as Fuel is used to remove an electron with each cesium emitted. Therefore, a device for emitting electrons with an automatic Control provided. The neutralizing device has a rod-shaped one electron-emitting cathode 35, which is heated by a filament 36. This combination is arranged axially in each accelerating electrode 31 and attached with their ends to the retaining strips 32. The filament 36 becomes electrical heated by being connected to a suitable tap of the power source 29, and the cathode 35 is at the electrical potential of the accelerating electrode 31 held by being connected to this. In a modified embodiment For example, filament 36 can be used alone without a cathode 35. The cathode 35 emits a copious amount of electrons that are attracted by the ion beam 34 as indicated by the dashed lines 37 in FIG. 3, and the positive Neutralize their charge. The semi-cylindrical configuration of the accelerating Electrode 31 shields the ions in beam 34 from electrons until full Ion acceleration is achieved because an early neutralization of an ion would prevent this ion from being given the maximum possible speed. An automatic prevention of the charging of the rocket fuselage is in this way closely related to the deionization system, as some accumulation of negative Charge on the missile causes more electrons to be drawn from the positive ion beam34 be sucked off, which means that the load on the missile body is again one less takes a negative value.

In F i g. 4 ist eine vorteilhafte Abänderung der in F i g. 2 und 3 dargestellten Konstruktion gezeigt, in der zusätzliche Einrichtungen vorgesehen sind, um darüber hinaus ein Aufprallen von Ionen auf die beschleunigenden Elektroden zu verhindern. In dieser Vorrichtung besitzt die poröse Elektrode 24 dieselbe Form, wie sie bereits früher beschrieben wurde, und eine beschleunigende Elektrode 31 mit einem negativen Potential von 2000 Volt gegenüber der porösen Elektrode 24 ist hinter dieser in im wesentlichen derselben Beziehung angeordnet, wie sie bei der ersten Vorrichtung beschrieben wurde. Die Elektrode 31 besitzt jedoch einen U-förmigen Querschnitt, dessen offene Seite nach hinten gerichtet ist. Wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform ist ein stangenförmiger Glühfaden 36 und eine Kathode 35 innerhalb der beschleunigenden Elektrode 31 vorgesehen. Die Kathode 35 emittiert wiederum Elektronen, die von den Ionen so lange abgeschirmt werden, bis die Ionen in vollem Maß beschleunigt wurden. Direkt auf der Außenfläche jedes Schenkels jeder beschleunigenden Elektrode 31 ist ein permaneter Magnetstab 42 angebracht. Diese beschleunigenden Magneten erstrecken sich längs der gesamten Länge der Elektroden und sind mit ihrer vorderen und hinteren Kante entgegengesetzt gepolt. Mit den zusätzlichen Stabmagneten 42 der beschriebenen Form wird ein Magnetfeld erzeugt, das durch die gestrichelten Linien 43 angezeigt wird und das den Ionenverlust verringert, indem eine zusätzliche fokussierende Kraft auf den Ionenstrahl ausgeübt wird. Die Ionen tendieren dazu, den magnetischen Feldlinien zu folgen, und werden daher von der beschleunigenden Elektrode 31 abgehalten.In Fig. 4 is an advantageous modification of the one shown in FIG. 2 and 3, in which additional means are provided in order, moreover, to prevent ions from striking the accelerating electrodes. In this device, the porous electrode 24 has the same shape as described earlier, and an accelerating electrode 31 having a negative potential of 2000 volts with respect to the porous electrode 24 is arranged behind it in substantially the same relationship as that of the first Device has been described. However, the electrode 31 has a U-shaped cross section, the open side of which is directed towards the rear. As in the previously described embodiment, a rod-shaped filament 36 and a cathode 35 are provided inside the accelerating electrode 31 . The cathode 35 in turn emits electrons, which are shielded from the ions until the ions have been fully accelerated. A permanent magnet bar 42 is attached directly to the outer surface of each leg of each accelerating electrode 31. These accelerating magnets extend along the entire length of the electrodes and have opposite polarity with their front and rear edges. With the additional bar magnets 42 of the form described, a magnetic field is generated which is indicated by the dashed lines 43 and which reduces the ion loss by exerting an additional focusing force on the ion beam. The ions tend to follow the magnetic field lines and are therefore held back by the accelerating electrode 31.

Bei jeder der bisher beschriebenen Vorrichtungen ist es möglich, daß einige Elektronen von den Glühfäden 36 abirren und direkt von der beschleunigenden Elektrode 31 oder von der porösen Elektrode 24 angezogen werden, wodurch ein unerwünschter Verlust verursacht wird.In each of the devices described so far, it is possible that some electrons stray from the filaments 36 and directly from the accelerating one Electrode 31 or be attracted by the porous electrode 24, creating an undesirable Loss is caused.

In F i g. 5 ist noch eine weitere Ausführungsfsorm der Ionisierungs- und Beschleunigungskonstruktion dargestellt, die den obengenannten Verlust eliminiert und die keine zusätzliche Energie für den Glühfaden zur Elektronenproduktion erfordert. Diese Ausführungsform besitzt daher den größtmöglichen Wirkungsgrad von den gezeigten Vorrichtungen.In Fig. 5 is yet another embodiment of the ionization and acceleration design which eliminates the above loss and which does not require any additional energy for the filament to produce electrons. This embodiment therefore has the greatest possible efficiency of those shown Devices.

Die poröse Elektrode 24 ist ähnlich wie die der ersten beiden Ausführungsformen und weist in gleicher Weise Heizelemente 28 auf. Im Abstand hinter der Elektrode 24 sowie in Flucht mit den Verbindungsstegen zwischen je zwei benachbarten konkaven Nuten 26 sind ebenso wie bei den vorigen Ausführungsformen quer verlaufende beschleunigende Elektroden 31 angeordnet. Die beschleunigenden Elektroden 31 bestehen jedoch aus Stäben mit rechteckigem Querschnitt. Die beschleunigenden Elektroden liegen auf einem negativen Potential von etwa 50 000 Volt, das von einer Spannungsquelle 29 aufrechterhalten wird. Wie bei den früher beschriebenen Ausführungsformen fließen Ionen aus der Elektrode 24 aus und werden durch das hohe Potential der beschleunigenden Elektrode 31 auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt.The porous electrode 24 is similar to that of the first two embodiments and has heating elements 28 in the same way. At a distance behind the electrode 24 as well as in alignment with the connecting webs between each two adjacent concave As in the previous embodiments, grooves 26 are accelerating transversely Electrodes 31 arranged. However, the accelerating electrodes 31 are made of Rods with rectangular Cross-section. The accelerating electrodes are at a negative potential of about 50,000 volts, which comes from a voltage source 29 is maintained. As with the earlier described embodiments, flow Ions from the electrode 24 and are due to the high potential of the accelerating Electrode 31 accelerated to high speed.

Um die Neutralisation der Ionen ohne die Verwendung eines Glühfadens zu bewirken, ist eine Anzahl von bremsenden Elektroden 52 vorgesehen, die parallel zu den beschleunigenden Elektroden angeordnet sind. Die Elemente 52 besitzen vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt, welcher sich zu einer kleineren Abmessung an der hinteren Kante verjüngt. Die bremsenden Elektroden 52 werden mittels der Spannungsquelle 29 auf einem negativen Potential von 2000 Volt gehalten. Das resultierende Feld dient dazu, die Ionen zu bremsen und die dadurch erhaltene Energie an das elektrische System zurückzuliefern. Wenn die obengenannten Potentialdifferenzen verwendet werden, wird die Endgeschwindigkeit der Ionen dieselbe sein, die erreicht werden würde, wenn nur ein negatives Beschleunigungspotential von 2000 Volt, wie es in den zuerst beschriebenen Vorrichtungen aufrechterhalten wurde, verwendet wird. Die Oberfläche der bremsenden Elektroden 52, die dem Ionenstrom 34 ausgesetzt sind, werden aus einem Material hergestellt, das eine hohe Sekundärelektronenemission ermöglicht. Nachdem der lonenstrom 34 vermittels des hohen negativen Potentials der beschleunigenden Elektrode 51 fokussiert und beschleunigt wird, tritt eine defokussierende Wirkung auf Grund der gegenseitigen Abstoßung zwischen den Ionen ein, wodurch sich der hintere Teil des Strahls 34 erweitert. Wenn die bremsenden Elektroden 52 geeignet angeordnet sind, treffen die äußersten Ionen des Ionenstrahls 34 mit einem ganz flachen Winkel auf die Elektroden 52 auf. Da wesentlich mehr Sekundärelektronen ausgelöst werden, wenn eine Sekundärelekonen emittierende Oberfläche mit einem steilen Winkel getroffen wird, schafft die Konstruktion der Elektroden 52 eine sehr wirksame Sekundärelektronenquelle, wie durch die gestrichelten Linien 37 angezeigt wird. Die positive Ladung der Ionen zieht die negativen Elektronen an und bewirkt die Entladung der Ionen. Wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen wird die resultierende elektrische Ladung auf dem Raketenkörper automatisch gesteuert, da mehr oder weniger Elektronen zu den abbremsenden Elektroden zurückkehren, wenn die statische negative Ladung auf dem Raketenrumpf kleiner bzw. größer wird. Die negative Spannung von 50 000 Volt, die an der beschleunigenden Elektrode 31 liegt, erzeugt einen Potentialwall, der die poröse Elektrode 24 von der Elektronenquelle 52 isoliert, wodurch ein Energieverlust verhindert wird. Wenn weiter in Betracht gezogen wird, daß kein Glühfaden Energie verstreut, ergibt sich, daß die Ausführungsform, die in F i g. 5 dargestellt ist, einen höheren Wirkungsgrad als die zuerst beschriebenen Ausführungsformen besitzt.To neutralize the ions without the use of a filament To effect, a number of braking electrodes 52 are provided in parallel are arranged to the accelerating electrodes. The elements 52 preferably have a trapezoidal cross-section, which decreases to a smaller dimension at the tapered rear edge. The braking electrodes 52 are by means of the voltage source 29 held at a negative potential of 2000 volts. The resulting field serves to brake the ions and the resulting energy to the electrical System to be returned. If the above potential differences are used, the final velocity of the ions will be the same as would be reached if only a negative acceleration potential of 2000 volts, as in the first described devices was maintained is used. The surface of the braking electrodes 52 exposed to the ion current 34 are turned off made of a material that enables high secondary electron emission. After the ion stream 34 by means of the high negative potential of the accelerating Electrode 51 is focused and accelerated, a defocusing effect occurs due to the mutual repulsion between the ions, causing the rear Part of the beam 34 expanded. When the braking electrodes 52 are appropriately placed the outermost ions of the ion beam 34 strike at a very shallow angle on the electrodes 52. Since significantly more secondary electrons are released, when a secondary electron emitting surface is hit at a steep angle the construction of electrodes 52 creates a very effective secondary electron source, as indicated by dashed lines 37. The positive charge on the ions attracts the negative electrons and causes the ions to discharge. As in the previously described embodiments is the resulting electrical charge on the missile body automatically controlled as more or less electrons too The decelerating electrodes will return when the static negative charge is on the missile fuselage becomes smaller or larger. The negative voltage of 50,000 volts, which lies on the accelerating electrode 31, creates a potential wall that isolates the porous electrode 24 from the electron source 52, thereby causing a loss of energy is prevented. If it is further taken into account that there is no filament energy scattered, it is found that the embodiment shown in FIG. 5 is shown, has a higher efficiency than the first described embodiments.

Für alle beschriebenen Ausführungsformen ist das Maß für den Abstand einer konkaven Nut der porösen Elektrode 24 vorzugsweise 0,64 cm. Dieses Maß wird teilweise durch die Forderung bestimmt, daß eine Lichtbogenbildung zwischen benachbarten Entladeelektroden verhindert wird. Für ein mittelgroßes Raumschiff kann die Fläche der ionenemittierenden Oberfläche insgesamt 37,2 dm2 groß sein. Demnach können, wie in F i g. 1 dargestellt, eine große Anzahl, z. B. 64 einzelne Abschnitte 20, wie sie in Zusammenhang mit den F i g. 2 bis 5 beschrieben wurden, erforderlich sein. Da die einzelnen Abschnitte 20 getrennt gesteuert werden können, kann irgendein bestimmter Abschnitt oder eine bestimmte Gruppe von Abschnitten diskontinuierlich betätigt werden, ohne daß eine Beschädigung oder eine Disfunktion der restlichen Abschnitte verursacht wird. In gleicher Weise bewirkt eine Einzelsteuerung der Abschnitte einen Führungsmechanismus.For all of the described embodiments, the dimension for the distance between a concave groove of the porous electrode 24 is preferably 0.64 cm. This level is determined in part by the requirement that arcing between adjacent discharge electrodes be prevented. For a medium-sized spaceship, the total area of the ion-emitting surface can be 37.2 dm2. Accordingly, as shown in FIG. 1, a large number, e.g. B. 64 individual sections 20, as they are in connection with the F i g. 2 to 5 may be required. Since the individual sections 20 can be controlled separately, any particular section or group of sections can be operated intermittently without causing damage or dysfunction to the remaining sections. In the same way, individual control of the sections effects a guide mechanism.

Die Heizung des Treibstoffs, der sich in dem Tank 12 befindet, kann ebenso wie die Heizung der porösen Elektrode z. B. aus dem Kühlmittel eines Kernreaktors an Stelle der in den Ausführungsformen beschriebenen elektrischen Heizung bestehen, während Caesium ein in hohem Maß günstiges und wirksames Treibmittel ist, können auch andere Substanzen, wie z. B. Rubidium oder Kalium, ebenfalls verwendet werden. In ähnlicher Weise kann die poröse Elektrode, die zur Ionisierung des Kühlmittels dient und die vorzugsweise aus Wolfram besteht, auch aus porösem Molybdän bestehen.The heating of the fuel that is in the tank 12 can as well as the heating of the porous electrode z. B. from the coolant of a nuclear reactor exist in place of the electrical heating described in the embodiments, while cesium is a highly beneficial and effective propellant, can also other substances, such as. B. rubidium or potassium can also be used. Similarly, the porous electrode used to ionize the coolant serves and which preferably consists of tungsten, also consist of porous molybdenum.

Claims

Claim: Device for generating an ion beam, which has a porous electrode which is permeable to an ionizable gas and which causes thermal surface ionization, to which this gas flows from one side under pressure and which is followed by electrical acceleration electrodes for accelerating the ions that have passed through the porous electrode, d a -characterized in that electron-emitting elements which limit the ion beam and are made of material which emits secondary electrons when ions strike, are connected downstream of the acceleration electrodes and are kept at a potential between that of the porous electrode and the acceleration electrodes. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1044 295, 1003 873; German patent application N 6901 VIII c121 g (published on June 28, 1956).