(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向で片側にビーム出射開口部を有しているイオン化チャンバ（ＩＫ）と、
アノード装置（ＡＮ）およびカソード装置（ＫＡ）を含んでいる電極装置とを含んでいる静電イオン加速装置であって、
当該電極装置は、長手方向を指している静電場を前記イオン化チャンバ内で形成し、
前記アノード装置は、前記出射開口部に対向して、前記チャンバのベースポイントに配置されており、
前記イオン化チャンバからの電子を吸収する前記アノード装置（ＡＮ）の電極体（ＥＫ）内で損失熱が発生する形式のものにおいて、
前記アノード装置は、自身で発生する損失熱の主な部分を前記イオン化チャンバ（ＩＫ）内に熱ビーム（ＷＳ）として放出し、
前記電極体（ＥＫ）の、前記イオン化チャンバ（ＩＫ）の方を向いていない面に、熱ビーム反射体装置（Ｒ１、Ｒ２）が配置されており、
前記熱ビーム反射体装置は少なくとも２つの反射体面（Ｒ１，Ｒ２）を含んでおり、当該少なくとも２つの反射体面（Ｒ１，Ｒ２）は長手軸において相互に間隔を有しており、且つ、前記イオン化チャンバの方を向いているアノード電極前面の放射能力よりも低い高さの放射能力を有していることを特徴とする静電イオン加速装置。
【請求項２】
前記少なくとも２つの反射体面（Ｒ１，Ｒ２）は、最大で、前記イオン化チャンバの方を向いているアノード電極前面の放射能力の半分の放射能力を有している、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも２つの反射体面（Ｒ１、Ｒ２）は前記電極体と間隔をあけて設けられている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記反射体面は、延長部分で、前記電極体（ＥＫ）の長手方向を横切って前記電極体（ＥＫ）を側方で取り囲んでいる、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記反射体装置は、反射体面として、前記イオン化チャンバの方を向いていない反射体面のコーティングを含んでいる、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記電極体（ＥＫ）はディスク状に構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記電極体は、前記イオン化チャンバの側方制限に対して、熱遮断性にシーリングされている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
前記電極体は自身の中央部分において、担体（ＡＴ、ＴＢ）上に固定されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記電極体の半径方向縁部は、別の構成部分と、半径方向で間隔があけられている、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記静電イオン加速装置の作動ガス（ＡＧ）は、前記イオン化チャンバの方を向いていないアノード装置面から供給される、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記静電イオン加速装置の作動ガスは放射状に、前記電極体（ＥＫ）の外側で、当該電極体を通過して、前記イオン化チャンバ内に案内される、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記電極体（ＥＫ）はグラファイトから成る、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電イオン加速装置に関する。
【０００２】
静電イオン加速装置は有利には、スペースクラフト内での駆動装置として使用される。ＷＯ２００３／０００５５０Ａ１号から公知の有利な実施形態では、円形シリンダ状のイオン化チャンバを有する構造が設けられている。ここでこの構造の中央長手軸は、チャンバゲオメトリーの長手方向を定める。いわゆるホールスラスタとしてのイオン加速器の別の実施形態では、チャンバは、中央内部部分のまわりに環状に構成されている。イオン化チャンバは長手方向において、１つの面で、ビーム出射開口部を有している。このビーム開口部を通って、プラズマビームが長手方向において押し出される。カソードはイオン化チャンバの外に、ビーム出射開口部に対してずらされて配置されている。アノードは長手方向において、ビーム出射開口部に対向するように、イオン化チャンバの脚部に配置されている。アノードとカソードとの間の高電圧はイオン化チャンバ内で、長手方向において、長手方向を指している電場を形成する。ここでこの電場は、チャンバ内でイオン化された作動ガスのイオンを、ビーム出射開口部の方向で加速し、電子をアノードの方向で加速する。チャンバを通る磁界によって、アノードに受容される前の、チャンバ内での電子の滞在持続時間が長くなってしまう。アノードに衝突したときの電極の残りのエネルギーおよびアノードを通る電流によって、アノード内で損失熱が生じる。従ってアノードは加熱され、これによって、場合によっては、駆動エネルギーが制限されてしまうおよび／またはコストがかかり、場合によっては故障を招きやすい、固体熱導出および／または液体冷却による冷却が必要になる。
【０００３】
本発明の課題は、簡単な構造で、アノードでの高い熱損失を克服する静電イオン加速装置を提供することである。
【０００４】
本発明は独立請求項に記載されている。従属請求項には、本発明の有利な実施形態および発展形態が記載されている。
【０００５】
少なくとも全負荷作動時に、アノードに衝突する電子のアノードにおけるエネルギーによって生じる損失熱の大部分（５０％よりも多い）を、主に、熱ビームの形状で、イオン化チャンバの方向、すなわちアノード装置の前のビーム出射開口部を指す半空間において、出力することによって、アノード装置の特に簡単な構造が得られる。ここでは殊に、金属製または非金属製の構成部分を介して、固体熱線路を通って導出される、アノード内で発生している損失熱エネルギー部分は、イオン加速装置の最大エネルギー時に、アノード内で発生している全損失熱エネルギーの５０％を下回る。アノードからの損失熱排出へのさらなる、しかし僅かな寄与は有利には、アノード装置の周りを流れる、冷たい、天然の作動ガスを供給することによって得られる。ここでこの作動ガスは、熱をアノード装置から吸収し、イオン化チャンバ内に搬送する。有利にはここで、ガスフローが増大するともに、より高い損失熱エネルギーとより強力なフロー冷却とが相関する。しかしアノード内で生じている損失エネルギーの大部分は、熱ビームとして、イオン化チャンバの方向において放射される。
【０００６】
有利には、イオン化チャンバの方を向いている、アノード装置の表面は、最大の損失熱エネルギーを伴うイオン加速装置の作動点において、少なくとも５００℃の温度に達する。ここで有利には、ボディから熱ビームとして放出されるエネルギーは温度に対して、不均衡に高く（４乗で）上昇する。
【０００７】
イオン化チャンバの方を向いているアノード装置表面は有利には実質的に、イオン化チャンバの長手軸に対して垂直に配向されている。従って、面法線の方向を指しているビーム成分はビーム出射開口部の方向を指しており、この方向で放射された熱ビームは直接的に、周囲の自由空間内へ放射される。
【０００８】
熱ビーム反射体装置を、イオン化チャンバの方を向いていない、イオン化チャンバを指すアノード電極の面に配置することによって、熱導出は強く、イオン化チャンバ内およびビーム出射開口部へ向けられる。この反射体装置は、第１の実施形態において、イオン化チャンバの方を向いていないアノード電極背面を反射性にコーティングすることを含んでいる。このような場合にはビーム出射開口部の方向においてイオン化チャンバの方を指すべきアノード電極前面の放射能力は、殊に、コーティングされたアノード電極背面の放射能力と比べて少なくとも２倍高い。これはそれぞれ、前面から放射される熱ビームのスペクトル最大値に関する。
【０００９】
有利には反射体装置は少なくとも１つの、長手方向においてアノード装置と間隔があけられており、イオン化チャンバの方を向いていないアノード電極面に配置されている反射体面を含んでいる。これは熱ビームを反射するように構成されている。ここで、イオン化チャンバを指しているアノード電極前面の放射能力は、アノード電極を指している、反射体装置の反射体面の放射能力と比べて、殊に少なくとも２倍高い。有利には少なくとも２つの、長手軸において相互に間隔を有している反射体面が設けられる。これらの反射体面は有利には金属製であり、有利にはアノード電極の電位にあり、殊に、アノード電極と、多数の部分から成るアノード装置に構造的に統合される。
【００１０】
さらに別の構成では、アノードは殊に金属製の担体と、この担体上に保持され、これと直接的に体で接触している、イオン化チャンバの方を向いている電極材料から構成されている。ここでこの担体は例えば鉢状であり、イオン化チャンバの方を向いていない担体背面の放射能力は、イオン化チャンバの方を向いている電極材料前面の放射能力と比べて、殊に少なくとも半分の大きさである。
【００１１】
特に有利には、グラファイトをアノード電極用、殊に、イオン化チャンバの方を向いているアノード電極表面用の電極材料として使用することができる。有利には、アノード電極は、ディスク状のボディによって形成される。このボディは殊に、材料均一のグラファイトボディとして構成される。グラファイトは高い温度でも形状安定性を有しており、僅かな電気抵抗を示し、殊に電気抵抗の負の温度係数を示す。グラファイトの表面は特に良好な放射特性を示す。反射体装置としての背面のコーティングは、蒸着された金属層によって実現される。
【００１２】
アノード電極のディスク状ボディは有利には、面上の実質的に統一されている温度を有して、チャンバ断面の主な断面部分を占める。有利にはディスク状のボディは、自身の中央領域において、中央で、固定点においてのみ、アノード装置の担体と接続されており、殊にねじ固定されている。固定構造は有利には、高温耐性の材料、殊にモリブデンから成る。電極体の固定部を介して、アノード装置内で、担体上を流れる熱エネルギー成分と、反射体装置を通って、残りのビームとして担体上に達する熱エネルギー成分は、既存の構造を介して、例えばチャンバ構造における担体の懸架部および／または金属製高電圧給電線路を介して、特別に積極的に冷却されることなく固体熱線路を通って排出される。
【００１３】
以下では、図１を参照して、有利な実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】アノード装置を有する静電イオン加速装置の概略図
【実施例】
【００１５】
図１は、概略的にかつ部分的に、アノード装置を有する静電イオン加速装置を示している。イオン加速装置のイオン化チャンバＩＫは、一般性を制限するのではなく、回転対称として中央軸ＬＡの周りにあるものとして想定される。中央軸ＬＡは、長手方向ＬＲに対して平行に延在している。半径方向Ｒが記入されている。イオン化チャンバの円型の横断面は長手方向ＬＲにおいて実質的に一定である。イオン化チャンバは長手方向ＬＲにおいて片側で、すなわち図１においては右側へ向かって、ビーム出射開口部ＡＯを示している。このビーム出射開口部から、加速された、配向されたプラズマフローＰＢが押し出される。ビーム出射開口部ＡＯの領域、および有利にはこのビーム出射開口部ＡＯに対して側方にずらされて、カソード装置ＫＡが配置されている。長手方向において、ビーム出射開口部ＡＯに対向するように、イオン化チャンバの脚部にアノード装置ＡＮが配置されている。図１では、長手軸ＬＡを中心とした回転対称が想定されているので、長手軸ＬＡの上方に位置するイオン加速装置の部分のみが示されている。
【００１６】
典型的に、スペースクラフトのアース電位Mにあるカソード装置ＫＡと、アノード装置ＡＮとの間、殊にイオン化チャンバの方を向いているアノード電極ＥＫとの間に、高電圧ＨＶが加わっている。この高電圧はイオン化チャンバ内で、長手方向を指している電場を形成する。この電界は電子を、アノード装置の方向において加速し、イオン化チャンバ内で、作動ガスのイオン化によって、生成された、正に帯電されたイオンをビーム出射開口部ＡＯの方向において加速する。イオン化チャンバは、長手軸ＬＡに対して横向きに、有利には誘電性の、殊にセラミック材料から成るチャンバ壁部ＫＷによって制限されている。長手軸に関して半径方向に、外側に位置するチャンバ壁部の面に、磁石装置ＭＡが配置されている。この磁石装置の種々の可能な構造は基本的に従来技術から既知であり、従って、細部を省いて概略的にのみ示されている。磁石装置はイオン化チャンバ内で磁場を形成する。ここでこの磁場は、イオン化チャンバ内での電子の滞在持続時間を長くする。ここでこれは、イオン化衝突によってエネルギーを作動ガスに放出する。その後、これはアノード電極ＥＫに達する。このようなイオン加速器の作用の仕方は、種々の構造的な形態において、殊に、ホールイオン加速器におけるように環状のチャンバゲオメトリーを有する形態においても、従来技術から知られている。
【００１７】
イオン化チャンバから、アノード電極ＥＫに衝突する電子によって、アノード電極における損失熱およびその加熱が生じる。
【００１８】
図示された有利な例において、アノード装置ＡＮは長手軸ＬＡの方向においてイオン化チャンバＩＫから、左側へ進んで、アノード電極ＥＫ、第１の反射体面Ｒ１、第２の反射体面Ｒ２およびアノード担体ＡＴを有している。アノード装置のこれらの複数の構成部分は、担体構造を介して、相互に機械的に接続されている。ここでこの担体構造は例えば担体ボルトＴＢとして、担体ＡＴからアノード電極ＥＫの方向へと延在している。これらの複数の構造部分は有利には全て導電性であり、アノード電圧ＨＶに相応する共通の電位にある。ここでこれは例えば、担体ＡＴを介して接続されている。これら複数の構成部分を機械的に相互に接続してアノード装置ＡＮにするために、有利には担体ボルトＴＢは、イオン化チャンバの方を向いている自身の終端部に、ねじ山を有している。このねじの上に雌ねじがねじってはめられ、固定される。長手軸ＬＡの方向におけるアノード装置ＡＮの個々の構成部分の相対的な長さは、間隔スリーブを介して正確に調整される。
【００１９】
アノード電極ＥＫは有利には材料的に均質のグラファイトボディによって形成される。反射体面Ｒ１およびＲ２は有利には、実質的にディスク状の薄板体として、高温耐性金属、例えばモリブデンから形成される。担体ＡＴおよび有利には、担体と一体的に構成される担体ボルトＴＢは有利には同じように、高温耐性材料、殊にモリブデンから成る。長手軸の方向において、イオン化チャンバＩＫの方を向いていない担体ＡＴ面には、ブラインドＧＢを介した作動ガスＡＧに対する供給が示されている。このブラインドを介して作動ガスＡＧは長手軸周辺において、軸方向において、担体ＡＴ上に導かれ、イオン化チャンバＩＫから離れていく方を指しているその面に沿って放射状に外部へと導かれ、チャンバ壁部ＫＷの領域において、長手方向ＬＲにおいて、イオン化チャンバの方向へと導かれる。有利には、半径方向で外部で位置するアノード電極ＥＫ縁部とチャンバ壁部との間には同じように、反射体装置の一部が設けられる。これは例えば、１つまたは２つの反射体装置Ｒ１、Ｒ２のディスク面から、長手方向ＬＲにおいて湾曲されている縁部区間において構成される。これによって、一方では、アノード電極ＥＫからの半径方向の熱放射が、チャンバ壁部の方向において低減され、他方では、アノード電極ＥＫに作動ガスが流れること、ひいては縁部領域内でアノード電極ＥＫが冷却されることが阻止される。
【００２０】
イオン加速装置の作動時に、殊に、アノード電極ＥＫに衝突する電子の残りのエネルギーによってアノード電極ＥＫが加熱されると、これは温度上昇とともに、熱ビームＷＳをイオン化チャンバＩＫの方向へ放射する。イオン化チャンバＩＫの方を向いているアノード電極ＥＫ面の放射特性の最大値は、面法線の方向で延在する。従って、ディスク状アノード電極ＥＫの実質的に平らな形態では、放射特性の最大値は、ビーム出射開口部ＡＯの方向に配向され、この方向において放射された熱ビームＷＳは直接的に自由空間内に放出される。グラファイトをアノード電極ＥＫの材料として使用することによって、熱ビームＷＳの放出が特に効果的になる。
【００２１】
アノード電極ＥＫは同じように熱ビームを、自身の背面で、イオン化チャンバＩＫから離れる方向で、反射体装置Ｒ１へと放出する。反射体面Ｒ１は熱反射性に構成されており、その放射能力は、殊に、最大で、アノード電極の前面の放射能力の半分のレベルであるが、熱ビームの主な部分は再びアノード電極ＥＫに再び戻るように放出される。従って、イオン化チャンバＩＫから離れる方向で効果的に放出される熱ビームの割合は僅かなままである。この効果は第２の反射体面Ｒ２によって増大される。ここでこの第２の反射体面は同じように、第１の反射体面Ｒ１の加熱時に、第１の反射体面によって、僅かな放射性能で、反射体面Ｒ２の方向において放射された熱ビームエネルギーをさらに反射する。反射体面Ｒ２によって最終的に、担体ＴＫの方向において放射される熱エネルギーは、これによって僅かなままである。このような残った熱ビームエネルギーによって、並びに固体熱エネルギーによって担体ボルトＴＢを介して担体ＴＫ上に達する熱エネルギーは、主に、固体熱線路によって、金属製の高電圧供給線路および典型的に非金属製の、アノード装置を担う構造を介して導出される。付加的に、僅かな熱エネルギー成分は、担体の背面で半径方向で外部へ、沿って流れている作動ガスによって、再び導出される。
【００２２】
イオン化チャンバＩＫの方を向いている、アノード電極ＥＫの前面によって直接的に、ビーム出射開口部ＡＯを通って、自由空間内に放射されない熱エネルギーは、チャンバ壁部ＫＷに衝突し、そこで部分的に、イオン化チャンバ内に放射され、最終的にビーム出射開口部ＡＯを通って自由空間内に放射される、または部分的にチャンバ壁部によって吸収され、その加熱によって同じように熱ビームとしてイオン化チャンバ内に放出され、ビーム出射開口部ＡＯを通って、自由空間内に放出される。
【００２３】
アノード電極ＥＫは有利には、典型的にイオン加速装置の最大駆動エネルギーのもとで生じる、最大損失エネルギーが発生している場合に、５００℃を上回る温度に達する。この高い温度によって、温度に対して不均衡に高い（４乗の）上昇を有する熱ビームＷＳの高い強度に達し、従って均衡状態が得られる。アノード電極ＥＫの温度が高いにもかかわらず、放出される熱ビームの高いエネルギー、およびイオン化チャンバＩＫの方向におけるその片側での有利な放射によって、固体熱線路を介したアノード装置の損失熱の排出が低い格付けになり、アノード高電圧を供給する金属製の電気的接続を介して、およびチャンバの構造内への担体の懸架を介して充分に成し遂げられる。損失熱の大部分にわたる積極的な冷却を行う液体冷却循環部は必要ではない。
【００２４】
上述した、および請求項に挙げられた、並びに図から読み取れる特徴は、個別でも、種々に組み合わせても有利に実現可能である。本発明は、上述の実施例に制限されない。むしろ、当業者が可能な範囲内で種々に変更可能である。
【図１】
0005425081.tif 000002