專利名稱：等離子體加速器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種等離子體加速器裝置，該裝置有圍繞縱軸的等離子體室，有用于生成電加速場的電極裝置，電加速場用于為平行于縱軸的加速部分的帶正電荷的離子加速，該裝置還有用于將聚焦的電子束引入等離子體室并通過磁系統為其導向的裝置。
US 5,329,258A描述了一種霍爾推進器形式的等離子體加速器裝置，正如所知道的那樣，它具有環形加速室和通過等離子體室的大體上是徑向的磁場。等離子體室的陽極和陽極-級部分是磁屏蔽的。氣體被引入在縱向的一端開口的等離子體室，氣體被電子電離并向遠離陽極的方向加速，并被排出，電子來自位于等離子體室外的陰極，并朝向在位于等離子體室的底部的陽極的方向上被加速。徑向的磁場迫使電子進入圍繞著裝置縱軸的封閉圓形回路中，因而增加它們在等離子體室中的駐留時間和發生碰撞的幾率。
JP55-102 162A中公開的離子源中，環形的陽極封閉了永久磁鐵，離子源又被圓柱形的陰極所包圍，中空的離子束從環形的開孔中被排出。
DE198 28 704A1中公開了一種等離子體加速器裝置，該裝置有圍繞縱軸的等離子體室，有電極裝置和磁系統，還有用于將電子束引入等離子體室的裝置。
在這個已知的裝置中，提供了一個圓柱形的等離子體室，其中，由束產生裝置生成的高度聚焦的電子束沿圓柱體的縱軸被引入。電子束被磁系統導向到沿著圓柱軸的方向上，這個磁系統，特別地，具有連續區域交替極化的特征。被高速地引入等離子體室的電子束中的電子，穿過沿著等離子體室縱軸的電勢差，這種電勢差對電子束中的電子起了減速的作用。可電離氣體，特別是惰性氣體，被充入等離子體室，并被引入的電子束中的電子和二次電子(secondary electron)所電離。這個過程中產生的正離子被電勢差沿著等離子體室的縱軸方向加速，并與被引入的電子束按相同的方向移動。離子同樣地被導向到沿著縱軸的方向，被磁裝置和空間電荷效應聚焦，并與部分電子束中的電子一起，以中性等離子體束的形式出現在等離子體室的末端。
本發明是基于用有益的方式開發這種已知的裝置的目的的。
本發明中，電子束不是以高度聚焦的束的形式被引入等離子體室的，而是例如通過環形的陰極表面產生中空的圓柱形束，此束被引入環形的等離子體室。外室壁和內室壁構成等離子體室的徑向邊界，室壁的厚度比中空圓柱體的半徑要小，中空束被充入室壁之間，并被磁系統所導向。整個裝置優選地至少是近似旋轉對稱的，或至少相對于裝置的縱軸旋轉對稱。優選地，磁系統也同樣具有雙環結構，第一磁裝置位于等離子體室徑向的外部，第二磁裝置位于其內部。
如同已知裝置中那樣，本發明中的裝置優選地也包括至少一個縱軸上等離子室方向(course)的中間電極，中間電極具有沿等離子體室的縱軸方向的電勢差的中間電勢。低動能的電子被電勢差比當前電子的電勢低的中間電極所捕獲，通過這樣，使得將電勢細分成多個中間電勢會帶來顯著的效率提升。隨著中間電勢級的數目的增加，效率不斷地增加。
在第一實施例中，磁系統可以被設計成單級的，通過將相反的磁極在縱向上空間分開的方式，使得在每種情況下在外部和內部的磁系統中發生磁極變換。在每一種情況下在縱向上被兩個中的至少一個磁極位于等離子體室的縱向范圍內。在縱向間隔開的單級磁系統的兩個磁極最好位于等離子體室的縱向范圍內。特別的優點是磁系統是這樣一種裝置，其中，該磁系統是在縱向具有多個連續的子系統的多級設計，每一個子系統都有一個外部的和內部的磁裝置，并且，其中的連續的子系統在縱向上按相反的方向交替地取向排列。
特別有益的是，在本發明的等離子體加速裝置中，在等離子體室的側壁區域的等離子體室的縱向上，那里仍然至少有一個具有電勢差的中間電勢的中間電極裝置，用于加速正離子或延遲引入的電子束。在這個中間電極上，只有具有較低動能的電子才能被截獲。結果，陰極和陽極之間的電勢差可以被細分成兩個或多個加速電勢。因此，由于針對引入的電子束的被加速電子所帶來的損失可以被顯著地降低。特別地，隨著電勢級的數目的增加，電的效率單調地提高。在每種情況下，縱向電極最好位于磁系統或磁子系統的磁極端點之間。這導致了電和磁場的特別有益的指向。
下面通過參考圖和利用參考圖中所示的優選地實施例，對本發明進行更詳細地解釋，這些參考圖中
圖1所示為從側面看的剖視圖；圖2所示為沿縱軸方向的視圖；圖3所示為單級磁裝置；圖4所示為多級裝置中的等離子體分布。
在等離子體物理中，眾所周知，因為電子比普通的帶正電荷的離子的質量低，使得它們具有很高的遷移率，等離子體的性能類似于金屬導體，并且具有恒定的電勢。
可是，如果等離子體位于電勢不同的兩個電極之間，那么等離子體的電勢就差不多為電勢高于正離子(陽極)的電極的電勢，這是因為電子迅速地向陽極移動，直到等離子體的電勢差不多達到陽極的穩定的電勢為止，因而，等離子體是與場無關的。正如所知的那樣，只有在陰極相對較窄的邊界層，陰極壓降處的電勢才急劇地下降。
因此，在等離子體中，只有等離子體的導電率不是各向同性的時候，才能夠維持不同的電勢。有益的高度的各向異性的導電率可以通過本發明中的裝置中用有優益的方法來得到。因為，由于洛倫茲力的作用，當電子橫穿磁力線的時候，盡管電子很容易在磁力線方向上移動，但電子會受到與磁力線成直角、并與運動方向成直角的力的作用，也就是說，在磁力線方的向上具有高的導電率，并且在此方向上的電勢差容易被平衡。由與磁力線成直角的電場分量導致的電子加速作用，與前面所說的洛倫茲力抵消，使得電子圍繞磁力線做螺旋運動。相應地，在與磁力線成直角的方向上，產生的電場可能不會立即被電子的流動所補償。為了這個電場的穩定性，如果相關的電場等勢面延伸到差不多與電力線平行，并且，因此電場和磁場大體上相交，那么這是特別有益的。
圖1所示為本發明中的多級裝置，其中，等離子體室(等離子體室大體上是以縱軸LA為對稱軸的環形，形狀因個體的變化而不同)被中空的柱形電子束ES所填充，電子束的圓柱軸與縱軸LA一致，束壁的厚度DS(見圖2)與中空的柱形束的半徑RS相比是小的。中空的束可以通過(例如)環形的陰極和與之匹配的束系統產生。當它們進入等離子體室的時候，電子束中的電子的動能通常＞1keV。環形等離子體室PK在橫截面上的邊界是由內壁WI和外壁WA構成的。
圖1中所示裝置的一個重要要素是，磁系統不再包含一個圍繞縱軸LA的單環，而是在等離子體室的外部有一個磁裝置RMA，這個磁裝置本身在縱向LR上有空間分開的兩個相反的磁極。同樣地，在等離子體室的內部的徑向上有一個磁裝置RMI，這個磁裝置本身在縱向LR上有空間分開的兩個磁極。
這兩種磁裝置RMA和RMI在徑向上互相相對，在軸向LR上具有大體上相同的作用范圍。這兩個磁裝置以同樣的取向排列，也就是說，在縱向LR上具有相同的磁極順序。因此，同樣的磁極(N-N和S-S)在徑向上互相相對，兩個磁裝置的磁場本身都是閉合的。徑向上相對的兩個磁裝置RMA和RMI的磁場組合可以看作是被大體上位于等離子體室中心的中心表面所分開。磁力線B在每個裝置的磁極之間按曲線的形狀延伸而不穿過這個中心表面，中心表面不一定是平面的。因此，在這個中心表面徑向的每一側，這兩個磁裝置RMA和RMI中，基本上只有一個產生的磁場起作用。
上述實施例也被應用于只有一個內部和外部磁裝置的磁系統中。這種磁裝置可以通過(例如)大體上平行于對稱軸LA的、磁極在空間上分離的、兩個同心的環形永磁鐵構成。這種裝置在圖3中被單獨的表示出來。
本發明的一個特別有益的實施例提供兩個或更多在縱向LR上一個接著一個地排列著的這種裝置，連續的磁裝置的磁極是相反的，就像開頭提到的已知裝置那樣，這使得縱向上相互相對的并屬于連續的磁裝置的磁極是相同類型的，因此，不會發生磁場短路現象，并且，在對于單級設計中描述的場曲線主要被用于維持所有的連續級。
連續的磁場首先對充入等離子體室中的初始電子產生聚焦作用，然后，防止在一級接著一級的等離子體室中產生的二次電子溢流。離子勢壘IB阻止離子通過到達陰極KA。
優選的等離子體加速裝置是，其中，除了陰極和陽極之外，在等離子體室的縱向方向至少還提供一個中間電極，它處在電勢梯度中的中間電勢。這個中間電極被有益地設置在至少一個側壁上，優選地，在等離子體室的內壁和外壁上設置相互相反的兩部分電極。在縱向上的兩個磁極之間的位置放置電極是特別有益的。在圖1所示的裝置中，提供了縱向的多個級S0，S1，S2，它們每一個都有磁子系統，在每一種情況下都有電極系統。每一個磁子系統都包括內部的RMI和外部的RMA磁環，這已經在圖3中說明和描繪了。在每一種情況下，在連續的級S0，S1，S2中，部分電極系統包括外部電極環AA0，AA1，AA2和徑向相對的內部電極環AI0，AI1，AI2，內部和外部環縱向的電極的作用范圍是大體上相同的。每個子系統中相互相對的電極環，也就是說AA0與AI0，和AA1與AI1，和AA2與AI2，在每一種情況下都具有相同的電勢，在整個裝置中，電極AA0與AI0可能具有特殊的地電勢。內部和外部的電極AA0，AA1…和磁裝置的磁極還可以分別集成到外壁和內壁。
在對于形成等離子體很重要的區域，電極生成的電場與磁力線近似成直角。特別地，在連續級的電極之間電勢梯度最高的區域，磁力線和電力線大體上相互交叉，使得在初始電子(包括完全減速的初始電子)的運行路線沿線產生的二次電子不會導致任何直接的電極短路。由于二次電子只能沿著大致環形多級磁系統中的磁力線移動，產生的等離子體射流大體上被限制性地保持在聚焦的初始電子的柱狀層容積中。等離子體隆起主要發生在軸向磁場分量正負符號變換的區域，這里的磁場大體上徑向地指向磁裝置的磁極。被提供到等離子體室中的工作氣體AG(比如氙氣)被初始電子和部分二次電子電離。被加速的離子與引入的電子束中的被減速的初始電子一起，以中性離子射流(PB)的形式被排出。
在所示的裝置中，等離子體集中在縱向連續電極之間的位置，同時，與連續的磁裝置的磁極點一致。在圖1中所示的裝置中，單獨的連續級中的等離子體可以有益地被連接到一級挨著一級的連續電極的不同電勢。出于這種目的，特別地，縱向安排電極和磁裝置，使與準周期性的電場相比，在電極中心和軸向磁場的絕對最小值之間測量到的準周期的磁場的物理相角被最大移動+/-45°，在特別情況下，最大值為+/-15°。在這種情況下，磁力線和設置在等離子體室的側壁上的電極之間的接觸可以實現，這使得沿著磁力線的電子具有容易移動的性質，等離子體的電勢可以被設置為這一級的電極的電勢。因此，集中在不同的連續級的等離子體具有不同的電勢。
因此，軸向的最高電勢梯度位于等離子體層，等離子體層的特征在于，由具有軸向電子絕緣效果的徑向磁場曲線所確定。在這些點，正離子的加速大多發生在電場方向，所述電場縱向上加速所述的離子。就象霍爾電流一樣，由于有足夠多的二次電子在環形結構中的閉合的漂移路徑上循環，大體上的中性等離子體朝等離子體室的排出孔的縱向上被加速。正如圖1和圖2中所示，在這個過程中，在裝置的縱向LR的特殊位置的一層平面上，在縱軸LA周圍以不同的半徑有相反的霍爾電流II和IA。
前述有益的準周期的磁和電結構的相漂移首先可以通過圖2中所述裝置實現，這個裝置的電極的最大允許位移為前述的+/-45°，在特別情況下，最大值為+/-15°。在圖4中描繪了一種可選的變化，這種情況下，電極級ALi，AIi+1的在縱向分開的周期長度是連續的磁環裝置周期等級的兩倍。這種裝置還可以被更細的分級，這些級的長度是圖1中級的長度的兩倍，在每種情況下包括兩個相對的磁子系統和電極系統。
在圖4中描繪的裝置中，在電極橋接連續的磁子系統的磁極點的地方，產生接觸區，在這里，沿著磁力線的第二電子被電極拾取，因此，在等離子體和電極之間形成了接觸區域KZ，然而，與此同時，位于在縱向上的兩個連續的電極之間的磁極點位置，具有高的電勢梯度的隔離區IZ在等離子體中產生。
在另一個實施例中，也可以提供具有反向的磁極的，相對的外部磁環和內部磁環磁系統的和磁子系統的相對的外部磁環和內部磁環，使得在穿過每一級的裝置的并對應于圖1的縱向部分產生磁四極子場。在與縱向成直角的平面上，曲線IA、I1的方向是相同取向的。本發明中描繪出的其它的措施可以在這個裝置中以相應的方式中使用。
可以有益地獨立或組合地實現上述特征和權利要求書中特別說明的特征。本發明并不局限于所描述的特殊實施例，可以在專業知識的范圍內通過多種方法對其進行修改。特別地，嚴格的關于對稱軸SA對稱不是絕對必要的。相反，可以使用特殊的不對稱結構。這些環形結構的場，電極和磁裝置不必要具有真正的圓柱形狀，它們也可以不采用縱向的旋轉對稱或柱狀的形式。
權利要求
1.一種等離子體加速器裝置，其具有圍繞縱軸的等離子體室，具有用于生成具有電勢差的加速場的電極裝置，加速場用于為平行于縱軸的加速部分區域中的帶正電荷的離子加速，該裝置還具有用于將聚焦的電子束引入等離子體室、并通過磁系統為其導向的裝置，所述等離子體室環形地圍繞著縱軸、具有徑向的內部的和徑向的外部室壁，所述電子束作為中空的圓柱形束的形式供給。
2.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于，對于所述等離子體室來說，磁系統有徑向的內部磁裝置和徑向的外部磁裝置。
3.如權利要求1或2中所述的裝置，其特征在于，所述磁系統同樣具有環形結構。
4.如權利要求1至3中之一所述的裝置，其特征在于，在所述等離子體室指向的軸向，提供至少一個具有在外部室壁上的第一部分電極裝置和在內部室壁上相對定位的第二電極裝置，所述部分電極具有電勢差的中間電勢。
5.如權利要求1至4中之一所述的裝置，其特征在于，所述磁系統包括多個相互之間空間分開的、平行于縱軸的、并有在縱向具有相反磁極取向的連續磁裝置。
6.如權利要求4和5中所述的裝置，其特征在于，至少有一個部分地或完全地覆蓋磁裝置的連續磁極之間的磁極間隙的中間電極。
全文摘要
在一種具有被引入等離子體室的聚焦的電子束的等離子體加速裝置中，提供環形結構的室體和中空的圓柱形的電子束。在多個合適的環形級中，優選地形成束導向磁系統和(如果合適)電極系統。
文檔編號H01J37/08GK1418453SQ01806885
公開日2003年5月14日 申請日期2001年3月22日 優先權日2000年3月22日
發明者岡特·科恩菲爾德, 沃納·施韋特費格 申請人:塔萊斯電子設備有限公司