專利名稱：靜電離子加速器裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種靜電離子加速器裝置。
背景技術：
可將靜電離子加速器裝置有利地用作航天器中的驅動設備。從WO 2003/000550A1 獲知的有利實施例提供了具有圓柱形電離室的結構，該圓柱形電離室的中心縱軸確定室?guī)?何形狀的縱向方向。在作為所謂的霍爾推力器的離子加速器的另一實施例中，室被構造成 中間內部的環(huán)狀。電離室在縱向方向的一側上具有射束出口孔，等離子射束在縱向方向上 起源于該射束出口孔。陰極被布置在電離室的外部且相對于射束出口孔橫向偏離。陽極被 布置在電離室的底部而與縱向上的射束出口孔相對。陽極與陰極之間的高壓在電離室內形 成指向縱向方向的靜電場，并對在電離室中得以射束出口孔方向上電離的工作氣體以及陽 極方向上的電子進行加速。經過室的磁場使得電子被陽極吸收之前在室內停留較長時間。 電子撞擊陽極時的剩余能量以及流過陽極的電流導致在陽極中產生損耗熱量，從而，陽極 的溫度升高，并因此在某些情況下限制驅動力，和/或由于固體熱傳導和/或必須流體冷卻 而造成復雜冷卻的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明以介紹靜電離子加速器裝置為出發(fā)點，該靜電離子加速器裝置處理陽極的 大損耗熱量，而且結構簡單。根據本發(fā)明的解決方案在獨立權利要求中予以說明。從屬權利要求包括本發(fā)明的 優(yōu)選實施例和進一步發(fā)展。通過在電離室方向上以熱輻射形式除去主要由撞擊到陽極上的電子的能量(大 于50% )而主要在陽極中產生的損耗熱量，換言之將損耗熱量排到位于陽極裝置的面向射 束出口孔的前面的半個室中，從而尤其能獲得陽極裝置的簡單結構，其中，陽極內產生的尤 其是通過金屬或者非金屬部件利用固體導熱而排出的損耗熱功率量總共小于陽極中以離 子加速器裝置的最大功率出現(xiàn)在陽極中的總損耗熱功率的50%。另外，可通過有利地引導 冷的中性工作氣體圍繞陽極裝置流動而更容易地實現(xiàn)引走從陽極提供的損耗熱量，其中工 作氣體吸收來自陽極裝置的熱量，并將其輸送至電離室。在這方面，有利的是損耗熱功率越 大，意味著以逐漸增大的氣流進行冷卻的流量就越大。但陽極中產生的損耗熱量的主要部 分作為熱輻射在電離室的方向上分散。如果陽極裝置的面向電離室的表面的溫度在離子加速器裝置最大限度地出現(xiàn)損 耗熱功率的工作點達到至少500°C，則這是有利的。關于這一點，作為熱輻射由本體排出能 量增加與溫度的不成比例性(4次冪)的事實來實現(xiàn)優(yōu)點。陽極裝置的面向電離室的表面有利地基本上垂直于電離室的縱軸，從而指向表面 法線方向的射線的輻射分量指向射束出口孔的方向，且此方向上射出的熱輻射直接被排到 周圍的自由空間。
通過將熱輻射反射器件安置在陽電極的面向電離室的側面上，逐漸將熱輻射導向 到電離室內，并導向至射束出口孔。在第一實施例中，反射器件可包括陽電極背面的反射涂 層，該背面遠離電離室。關于這一點，對于正面發(fā)射的熱輻射的最大波譜，面向電離室的正 面在射束出口孔方向上的發(fā)射能力在每種情況下大于陽電極的涂覆背面的發(fā)射能力，尤其 為后者的2倍大。如果發(fā)射器件包括構造用以反射熱輻射的至少一個反射面則是有利的，這些反射 面在縱向方向上與陽電極間隔開并被布置在陽電極的遠離電離室的側面上。對于這一點， 陽電極的面向電離室的正面的發(fā)射能力大于反射器件的面向陽電極的反射面的發(fā)射能力， 尤其為后者的2倍。優(yōu)選地，設置在縱向方向上相互間隔開的至少兩個反射面。這些反射 面優(yōu)選為金屬的，并有利地處于陽電極的電位，而且尤其能與后者結構上組合在多部件陽 極裝置內。在又一實施例中，陽極可由支座(尤其是金屬支座)和支持在該支座上且與該支 座直接物理接觸并面向電離室的電極材料組成，其中，該支座例如可以是壺狀，而且支座的 遠離電離室的背面的發(fā)射能力小于電極材料的面向電離室的正面的發(fā)射能力，尤其是小于 后者的一半。特別有利的是，將石墨用作用于陽電極的電極材料，尤其是用于陽電極的面向電 離室的表面的電極材料。優(yōu)選地，陽電極由圓盤狀本體形成，該本體尤其被構造成相同材料 的石墨本體。石墨在高溫下保持其形狀，并顯現(xiàn)出更低的電阻，具體而言是更低的電阻負溫 度系數。石墨表面顯現(xiàn)出特別好的發(fā)射能力?？捎烧羝逊e金屬層來實現(xiàn)作為反射器件的 背面的涂層。陽電極的圓盤狀本體優(yōu)選地占據室橫截面的主要橫截面區(qū)域，并與該區(qū)域處于基 本相同的溫度。如果圓盤狀本體僅在陽極的中心區(qū)域內于中心的一個固定點與陽極裝置的 支座本體相連，尤其是螺接在支座本體上，則是非常有利的。有利的是，裝置結構由高耐熱 材料，尤其是鉬組成。通過電極本體固定在陽極裝置內而流到支座本體上的熱能部分以及 作為剩余輻射而通過反射器件到達支座本體的熱能部分可通過固體熱傳導由現(xiàn)有的結構 (例如室結構中的支座本體的懸桿和/或金屬高壓饋線)除去，而無需專用的高效冷卻措 施。
具體實施例方式下面使用優(yōu)選的示例并參照

圖1更詳細地說明本發(fā)明。在附圖示出圖1詳細并示意性地示出了具有陽極裝置的靜電離子加速器裝置。通常應假設離 子加速器裝置的電離室IK與中心縱軸LA旋轉對稱而不受任何限制。中心縱軸LA平行于 縱向方向LR延伸。還示出了徑向方向R。電離室的圓形橫截面應在縱向方向上LR基本恒 定。在圖1的右邊，電離室于在縱向方向LR的一側上具有射束出口孔A0，得以加速并定向 的等離子流PB從該開口排出。陰極裝置KA布置在射束出口孔AO的區(qū)域內，且優(yōu)選為相對 于射束出口孔橫向偏離的區(qū)域內。陽極裝置AN在縱向方向上位于電離室的底部而與射束 出口孔AO相對。圖1中，由于假設圍繞縱軸LA旋轉對稱，僅示出了離子加速器裝置的位于 縱軸LA上方的部分。在通常處于航天器的地電位M的陰極裝置KA與陽極裝置AN，尤其面向電離室的陽電極EK之間施加高壓HV，該高壓在電離室中產生指向縱向方向的電場。此電場在陽極裝置 的方向上對電子進行加速，并在射束出口孔AO的方向上對電離室中通過工作氣體的電離 產生的帶正電離子進行加速。電離室通過室壁KW被界定為與縱軸LA交叉，上述室壁優(yōu)選 地由介電材料，特別地陶瓷材料組成。在室壁的相對于縱軸徑向位于外部的側面上布置有 磁體裝置MA，該磁體裝置各種可能的上部結構可通過現(xiàn)有技術獲知，且只是示意性地示出， 而不進行詳盡圖示。磁體裝置在電離室中產生磁場，該磁場增加了電子在電離室中的停留 時間，從而，這些電子在到達陽電極EK之前通過電離碰撞將能量賦予工作氣體。操作不同 設計樣式，尤其是具有環(huán)形室結構的上述離子加速器(例如霍爾離子加速器)的方法為現(xiàn) 有技術中已知的。撞擊來自電離室的陽電極EK的電子會在陽電極中產生損耗熱量，并使得陽電極 溫度升高。在圖示的優(yōu)選示例中，陽極裝置AN在縱軸LA方向上從電離室IK到左邊包括陽電 極EK、第一反射面R1、第二反射面R2以及陽極承載本體AT。陽極裝置的多個部件通過在陽 電極EK的方向上從支座本體AT延伸的承載結構(例如承載螺栓TB)彼此機械相連。該多 個部件優(yōu)選為全部導電，并對應于例如通過支座本體AT相連的陽極電壓HV處于相同電位。 對多個部件相互與陽極裝置AN機械連接而言，有利的是，承載螺栓TB可在其面向電離室的 末端具有螺紋，螺母能夠旋上并固定在該螺紋上。可通過間隔套來精確設定陽極裝置的各 個部件在縱軸LA方向上的相對位置。陽電極EK有利地由相同材料的石墨本體形成。反射面R1和R2優(yōu)選地由高度耐 熱的金屬(例如鉬)形成為大致圓盤狀金屬片本體。支座本體AT以及優(yōu)選為支座本體AT 一體形成的承載螺栓TB還有利地由耐高溫材料，例如鉬組成。在支座本體AT的遠離電離 室IK的側面上的縱軸方向上，具有借助孔GB用于工作氣體AG的供給管線，工作氣體AG經 由該供給管線在軸向方向上朝著支座本體AT被供給到縱軸周圍，并在縱向方向LR上、在電 離室的方向上，在室壁KW的區(qū)域內徑向向外地沿著支座本體的遠離電離室IK的表面經過。 優(yōu)選地，還將反射器裝置的一部分設置在陽電極EK的徑向位于外部的邊緣與室壁之間，例 如可利用在縱向方向LR上與其中一個或兩個反射器件Rl、R2的圓盤平面成角度的邊緣區(qū) 段來形成該部分。這樣，首先減少了來自陽電極EK在室壁方向上的熱輻射，其次，防止工作 氣體流到陽電極EK上，并因此防止陽電極EK在邊緣區(qū)域中被冷卻。如果陽電極EK在離子加速器裝置的運行期間尤其由于撞擊陽電極EK的電子的剩 余能量而被加熱，則此電極將以漸漸升高的溫度在電離室IK的方向上逐步發(fā)射熱輻射WS。 陽電極EK的面向電離室IK的表面的發(fā)射特性最大值沿著表面法線的方向分布，因此，對圓 盤狀陽電極EK的基本平坦實施例而言，發(fā)射特性最大值被在射束出口孔AO方向上引導，且 此方向上發(fā)射的熱輻射WS直接發(fā)射至自由空間。通過將石墨用作陽電極EK的材料，使得 熱輻射WS的發(fā)射特別有效。以相同的方式，陽電極EK于其背面在遠離電離室IK的方向上朝反射器件R1發(fā)射 熱輻射。但是，熱輻射的主要部分利用反射面R1被輻射回陽電極EK，從而，在遠離電離室的 方向上有效發(fā)射的熱輻射比例保持得很小，上述反射面R1被構造成可反射熱量，且發(fā)射能 力小于陽電極前表面的發(fā)射能力，尤其最多為后者的一半。當反射面R1受熱時，可利用第 二反射面R2來強化此效果，第二反射面反過來以小發(fā)射能力廣闊反射由反射面R1在反射面R2的方向上發(fā)射的熱輻射能。最后，由反射面R2在支座本體TK方向上發(fā)射的熱能因此 而保持得很小。通過這個殘留的熱輻射能以及通過固體導熱而經由承載螺栓TB到達支座 本體TK的熱能通過固體導熱而主要利用金屬高壓饋線以及承載陽極裝置的典型非金屬結 構被除去。另外，可再次通過徑向流出到達支座本體上的工作氣體來除去小的熱能比例。未直接經過射束出口孔AO從陽電極EK的面向電離室IK的正面發(fā)射到自由空間 中的熱輻射沖擊室壁KW，而且被部分發(fā)射到電離室，最終經由射束出口孔AO進入自由空 間，或者由室壁部分吸收，而且通過加熱此壁隨著熱輻射將其排到電離室，并經由射束出口 孔AO使其進入自由空間。有利的是，陽電極EK能在出現(xiàn)的最大功耗下達到超過500°C的溫度，且最大功耗 通常在出現(xiàn)離子加速器裝置的最大驅動功率時出現(xiàn)。高溫致使熱輻射WS的高強度與溫度 不相稱地增大(4次冪)，故出現(xiàn)均衡狀態(tài)。盡管陽電極EK的溫度較高，但由于被除去的熱 輻射的較高功率及其電離室IK方向上的優(yōu)選單向發(fā)射，能夠通過下位的固體熱量管線并 且通過用于供給陽極高壓的金屬電接頭以及室結構中的支座本體的懸桿來除去陽極裝置 的損耗熱量。利用除去損耗熱量的主要部分的流體冷卻電路而實現(xiàn)的有效冷卻不是必須 的。上述和權利要求書中的特征以及從附圖中獲知的特征能夠有利地單獨地或以不 同的組合實現(xiàn)。本發(fā)明并不局限于所描述的示例性實施例，而是在本領域技術人員力所能 及的范圍內能夠以很多不同的方式修改。
權利要求
靜電離子加速器裝置，其具有電離室(IK)，所述電離室沿縱向方向在一側具有射束出口孔，該靜電離子加速器裝置還具有包括陽極裝置(AN)和陰極裝置(KA)的電極裝置，所述電極裝置在電離室內產生基本指向縱向方向的靜電場，其中，所述陽極裝置與所述出口孔相對地布置在所述室的底部，并且其中在所述陽極裝置(AN)的吸收來自所述電離室的電子的電極本體(EK)內產生損耗熱量，其特征在于，所述陽極裝置將在所述陽極裝置上產生的損耗熱量的主要部分作為熱輻射(WS)散發(fā)到電離室(IK)中。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在電極本體(EK)的遠離所述電離室(IK) 的側面上布置熱輻射反射器件(Rl，R2)。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述熱輻射反射器件包括反射面，所述反 射面的發(fā)射能力低于所述陽電極的面向所述電離室的正面的發(fā)射能力，優(yōu)選地最多為所述 陽電極的面向所述電離室的正面的發(fā)射能力的一半。
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述反射器件包括至少一個在縱向方 向上與所述電極本體間隔開的反射面(Rl，R2)。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述反射面與延續(xù)部一起垂直于縱向方 向側向環(huán)繞電極本體(EK)。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的裝置，其特征在于，所述反射器件包括電極本體 的遠離所述電離室的面的涂層作為反射面。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述電極本體(EK)基本上 被構造成圓盤狀。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的裝置，其特征在于，所述電極本體以隔熱的方式 相對于所述電離室的側向邊界屏蔽。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的裝置，其特征在于，所述電極本體在自身的中心 處固定在承載本體(AT，TB)上。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述電極本體的徑向邊緣與其他部件徑 向間隔開。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的裝置，其特征在于，從所述陽極裝置的遠離所 述電離室的面供給工作氣體(AG)。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的裝置，其特征在于，所述工作氣體在所述電極 本體(EK)的外部被徑向引導經過所述電極本體進入所述電離室。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的裝置，其特征在于，所述電極本體(EK)由石 墨組成。
全文摘要
一種帶有陽極輻射冷卻的用于靜電離子加速器裝置的裝置，其避免了附加的復雜冷卻措施，在該靜電離子加速器裝置運行期間布置在電離室中的陽極出現(xiàn)不可忽視的熱能損耗。
文檔編號H05H1/54GK101855949SQ200880115852
公開日2010年10月6日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權日2007年9月14日
發(fā)明者諾貝特·科赫 申請人:塔萊斯電子設備有限公司