離子加速器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及離子加速器。本發(fā)明主要應(yīng)用在于等離子推進(jìn)器，例如用于在對空間探測器和衛(wèi)星的控制，還應(yīng)用于需要等離子源的照明系統(tǒng)中的化學(xué)氣相沉積(CVD)。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子推進(jìn)器是已知的，其包括具有陽極和陰極的等離子腔腔室，陽極和陰極建立了腔室中的電場，并且陰極充當(dāng)電子源。磁體在腔室中提供具有高磁場的區(qū)域。推進(jìn)劑(通常是惰性氣體)被引入到腔室中。來自陰極的等電子加速通過所述腔室，將推進(jìn)劑電離以形成等離子體。等離子體中的正離子向著位于所述腔室的開放端的陰極加速，而電子則由于其高電荷/質(zhì)量比而被偏轉(zhuǎn)并捕獲。隨著更多的推進(jìn)劑饋送至腔室中，來自陰極的初級電子和來自電離過程的二次電子繼續(xù)對推進(jìn)劑進(jìn)行電離，從推進(jìn)器的開放端射出連續(xù)的離子流，以產(chǎn)生推力。
[0003]US2003/0048053中描述了多階段離子推進(jìn)器的示例，并且發(fā)散尖端場(DCF)推進(jìn)器也是已知的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種離子加速器，包括:第一磁體，其可以是內(nèi)磁體，并且可以具有例如沿軸向延伸通過所述內(nèi)磁體的通道；以及第二磁體，其可以是外磁體，并且可以圍繞第一磁體延伸，所述磁體具有相似的極性，以產(chǎn)生具有兩個(gè)零磁場強(qiáng)度位置的磁場。所述位置可以是例如沿軸向間隔開。所述加速器還可包括陽極和陰極，所述陽極和陰極可以布置為在所述位置之間產(chǎn)生電勢差。
[0005]所述通道可具有中心軸。例如，所述通道可以是圓柱形的。所述中心軸可以是旋轉(zhuǎn)對稱軸。所述位置之一可以是圍繞中心軸延伸的線。所述位置之一可以是一個(gè)點(diǎn)。作為點(diǎn)的位置可以位于另一位置之前，從而當(dāng)離子在位置之間移動時(shí)將趨于匯聚。
[0006]所述電極之一(可以是陽極)沿徑向位于內(nèi)磁體和外磁體之間。該電極可以包括管狀部分，所述管狀部分的內(nèi)徑可以大于內(nèi)磁體的外徑，并且所述管狀部分的外徑可以小于外磁體的內(nèi)徑。所述電極之一(可以是陰極)可以沿徑向位于內(nèi)磁體內(nèi)部，并且可以位于中心軸上或附近。
[0007]所述通道可具有進(jìn)口端和出口端。這些端口可以位于內(nèi)磁體的相應(yīng)極處。外磁體可以圍繞內(nèi)磁體的至少一部分延伸，并且可以具有進(jìn)口端和出口端，這兩端可以位于外磁體的相應(yīng)極處。兩個(gè)磁體的進(jìn)口端可以具有相似的極性。磁體可以具有環(huán)狀截面。
[0008]所述加速器還可以包括外殼，所述外殼可以布置成支持所述磁體的任一個(gè)或兩個(gè)。加速器還可以包括熱沉，所述熱沉可以與內(nèi)磁體和外磁體的任意一個(gè)或更多個(gè)以及外殼熱連接。
[0009]本發(fā)明還提供了一種離子推進(jìn)器，包括根據(jù)本發(fā)明的加速器和布置為將推進(jìn)劑饋送到加速器中的推進(jìn)劑源。推進(jìn)劑源可以布置為將推進(jìn)劑饋送至陰極。作為備選或補(bǔ)充，推進(jìn)劑源可以布置為將推進(jìn)劑饋送至內(nèi)磁體和外磁體之間的空間中。
[0010]加速器可以包括本發(fā)明的任意一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的任意一個(gè)或更多個(gè)特征(采用任何組合)，下面參照附圖以示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例。
【附圖說明】
[0011]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的離子加速器的部分切割透視圖；
[0012]圖2是圖1的加速器中的磁場的圖；以及
[0013]圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例的加速器中的磁場的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]參見圖1，離子加速器(在本發(fā)明中形成等離子推進(jìn)器的一部分)包括內(nèi)磁體10和外磁體12。磁體10、12中的每一個(gè)都采用中空圓柱體或管的形式，并且磁體是同軸布置的，其中內(nèi)磁體10位于外磁體12的內(nèi)部。內(nèi)磁體和外磁體沿軸向重疊，從而外磁體12圍繞內(nèi)磁體10的一部分(以及在所述實(shí)施例中是全部)。外殼14支持磁體10、12，并且包括:外部環(huán)形壁16，所述外部環(huán)形壁覆蓋位于推進(jìn)器前端20處的外磁體12的環(huán)形端18 ;外部柱狀壁22，位于外磁體12的內(nèi)部并且沿其長度方向延伸超出其后端24 ;后部環(huán)形壁26，從外部柱狀壁22的后端起向內(nèi)延伸；中部柱狀壁28，從后部環(huán)形壁26的內(nèi)沿開始向前延伸，并且沿內(nèi)磁體10的外表面延伸；內(nèi)部環(huán)形壁30，從中部柱狀壁28的前端開始向內(nèi)延伸，覆蓋內(nèi)磁體10的前端；以及內(nèi)部柱狀壁32，從內(nèi)部環(huán)形壁的內(nèi)沿起沿內(nèi)磁體10的內(nèi)表面向后延伸。內(nèi)部柱狀壁32圍繞并在其中限定通道34，通道34延伸通過內(nèi)磁體12的中心，以及中空陰極36位于通道的后端處并且布置為產(chǎn)生等離子體并將等離子體引入通道34。管狀陽極38位于外部柱狀壁22和中部柱狀壁28之間的空間內(nèi)，其前端剛好在內(nèi)磁體10的前端之前并且在外磁體12的前端之后。陽極或其管狀部分的內(nèi)徑大于內(nèi)磁體10的外徑，以及其外徑小于外磁體12的內(nèi)徑。陰極36和陽極38布置為設(shè)置加速器按如下建立所需的靜電場。在其它實(shí)施例中，用于提供靜電場的陰極可與等離子源分離。
[0015]兩個(gè)磁體10、12的后端沿軸向彼此對齊，并且外磁體12比內(nèi)磁體10長并且延伸到內(nèi)磁體的前端之前。在外磁體12的前端內(nèi)部并且在內(nèi)磁體10之前的區(qū)域形成腔室40，在腔室40中發(fā)生等離子體產(chǎn)生和離子加速，下文將對此詳述。外殼14將磁體10、12與通道34和等離子腔室40隔開。在加速器的后端處，熱沉42 (本發(fā)明中采用銅塊的形式)緊靠外殼14的后端和內(nèi)磁體10和外磁體12的后端(并與它們熱接觸)。熱沉42具有縫隙，可通過該縫隙插入中空陰極36并且可通過該縫隙將氣體提供給中空陰極36。在外部柱狀壁22的后端，提供了四個(gè)推進(jìn)劑通道44，它們徑向延伸通過熱沉42并連接到外殼中的縫隙46。由于陽極38與外部柱狀壁22和中部柱狀壁28具有空間，所以引入到這些推進(jìn)劑通道44中的推進(jìn)劑可流入外部柱狀壁22和中部柱狀壁28之間的空間，并因此流入內(nèi)磁體10和外磁體12之間、經(jīng)過陽極38并流入主等離子腔室40。
[0016]在操作中，加速器的一般原理與已知加速器相似。陽極38和陰極36建立對等離子腔室40中的電子和離子加速的電場。被加速的電子將引入到腔室40中的推進(jìn)劑電離，產(chǎn)生正離子和進(jìn)一步的二次電子。電子被腔室中的磁場偏轉(zhuǎn)(由于其相對較高的電荷質(zhì)量比)并趨于跟隨磁場，而正離子則相對來講受到磁場影響較小并因此趨于沿電場所指示的方向移動。
[0017]參見圖2，內(nèi)磁體10和外磁體12的極性沿相同的方向。例如，如果外磁體12的前端是其北極，而后端是其南極，則內(nèi)磁體10的前端也是其北極，而且后端也是其南極。因此，它們的極性是彼此相對的，而不像極性彼此相反的情況中那樣彼此互補(bǔ)。這建立了復(fù)雜的磁場，該磁場具有位于加速器的中心軸上并且位于外磁體12的前端之前的零磁場點(diǎn)50以及環(huán)形的且在內(nèi)磁體10的前端之前圍繞中心軸延伸的零磁場線52。在磁體10、12的后部還建立