BETRIEBSVERFAHREN SOWIE VERWENDUNG

Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerk aufweisend einen Permanentmagnet- Stapel, eine koaxiale Elektrodenanordnung, eine Anode und eine Kathode, wobei der Permanentmagnet-Stapel wenigstens einen Permanentmagneten umfasst, wobei der wenigstens eine Permanentmagnet ringförmig ist und eine Magnetisierung in axialer Richtung aufweist; die koaxiale Elektrodenanordnung einen inneren Koaxialleiter und einen äußeren Koaxialleiter aufweist, das Triebwerk halbleiterbasiert und zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Innenquerschnittsfläche kreisförmig oder ellipsenförmig oder kreisförmig ähnlich ausgebildet ist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerks. Weiter betrifft die Erfindung noch eine Verwendung.

Heutzutage ist in der Telekommunikation der Einsatz von kleinen Sendern und Empfängern im Mikrowellenfrequenzbereich massentauglich. Mit Mikrowellenquellen ist eine robuste Erzeugung von Plasmen möglich. Solche Mikrowellen-erzeugten Plasmen werden vielfältig in der Plasmaprozesstechnik eingesetzt. Typische Anwendungsbereiche sind beispielsweise Ätzen und Beschichten von Festkörperoberflächen, Abgasreinigung oder auch der Einsatz im medizinischen Bereich. In den letzten Jahren sind verstärkt miniaturisierte Mikrowellen- Plasmaquellen unter Atmosphärendruck auf den Markt gekommen, die eine relativ einfache Handhabung gestatten.

Insbesondere hat die Mikrowellentechnik in den letzten Jahrzehnten eine rasante Entwicklung erfahren. Während früher zur Mikrowellenerzeugung ausschließlich Klystrons, Magnetrons und Wanderfeldröhren verwendet wurden, zeichnet sich ab, dass diese in Zukunft auch im höheren Leistungsbereich durch Halbleitertechnik ersetzt werden.

So werden Plasma-Jets für Atmosphärendruck-Bedingungen unlängst auch mit halbleiterbasierender GHz-Elektronik, die die Mikrowellen erzeugt, vertrieben.

Plasmaquellen, die mit Mikrowellen-Frequenzen Plasmen erzeugen, werden derzeit kommerziell vorwiegend für Zwecke der Materialbearbeitung eingesetzt.

Aus dem Stand der Technik ist die japanische Hayabusa-Mission bekannt, in der Wanderfeldröhren zur Erzeugung von Mikrowellen für Gitterionentriebwerke verwendet wurden. Die Mikrowellen wurden hier sowohl für das Hauptplasma als auch für das kleinere Plasma des Neutralisators verwendet, was eine nützliche Option der Erzeugung eines Mikrowellenplasmas darstellt. Insbesondere sind jedoch nachfolgende Druckschriften betreffend vakuumgeeignete Plasmanutzende Triebwerke ausgelegt für eine Nutzung beispielsweise im Weltraum geläufig.

Aus dem Stand der Technik bekannte HEMP-Triebwerke weisen einen Stapel von Permanentmagnetringen angeordnet mit entgegengesetzter magnetischer Polarität bei benachbarten Magneten auf, so dass das gebildete statische Magnetfeld auf der Symmetrieachse schwach ist und überdies feldfreie Punkte aufweist, während es zu den Magneten hin eine starke radiale Feldkomponente besitzt. Das elektrische Feld ist im Wesentlichen axial ausgerichtet und dient zugleich der Plasmaerzeugung und der Beschleunigung der Ionen. Die Anordnung entgegengesetzt gepolter starker Magnete in enger Nachbarschaft erfordert erhebliche Kräfte und eine sichere Arretierung.

Die Druckschrift CN 104234957 A offenbart eine Vorrichtung zur Sicherstellung ebendieser Arretierung der entgegengesetzt gepolten starken Magnete in einem HEMP-Triebwerk.

Zudem beschreibt die Druckschrift CN 113309680 A, dass Permanentmagnete hinsichtlich der erzielbaren Magnetfelder begrenzt sind, was auch die Effizienz der Plasmaerzeugung und den Schub limitiert. Die Druckschrift CN 113309680 A offenbart eine Magnetfelderzeugung mittels zweier ineinander angeordneter Spulen, die entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen.

Zwischen den weit beabstandeten Spulenwindungen bilden sich radial gerichtete Magnetfeldkomponenten aus.

Aus den Druckschriften CN 109681398 A und US 7,493,869 B1 ist zudem eine Plasmaerzeugung mit Hilfe des Elektron-Zyklotron-Resonanz-Effekts (EZR-Effekt) und Permanentmagneten bekannt.

Die Druckschrift US 7,493,869 B1 offenbart die Erzeugung eines relativ großen, dichten und gleichmäßigen Plasmas mit nachfolgender Führung auf ein Werkstück, um die Materialbearbeitung zu verbessern.

Funaki, Kuninaka et al. beschreiben in „Development of Microwave Discharge Engine System for Asteroid Sample and Return Mission Muses-C“, The Journal of Space Technology and Science, 1997, Volume 13, Issue 1 , Pages 1_26-1_34 ein lonentriebwerksystem der 1 kW- Klasse zur Entnahme von Asteroidenproben und deren Rückführung. Das konzipierte Triebwerk verfügt über eine sekundäre Mikrowellenentladung, die keine Degradation einer thermionischen Kathode verursacht, wie sie für herkömmliche Ionentriebwerke verwendet wird, so dass eine sehr lange Lebensdauer möglich ist, die für die Probenentnahme- und Rückführungsmission erforderlich ist. Im lonen-Triebwerkskopf wird eine Mikrowellenleistung von einer koaxialen Leitung in einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Wellenleiter umgewandelt und in die Hauptentladungskammer geleitet, die kreisförmig angeordnete Magnete oder Ringmagnete aufweist. Die Elektron-Zyklotron-Resonanz-Schicht, in der der größte Teil der Plasmaerzeugung stattfinden soll, liegt über den Magneten, aus denen die erzeugten Ionen diffundieren und dann von einem Beschleunigungsgitter abgezogen werden. Was den Mikrowellen-Neutralisator betrifft, so werden die Mikrowellen über eine L-förmige Antenne in die Entladungskammer eingeleitet.

Zudem offenbaren Kuninaka, Nishiyama et al. in „Status of Microwave Discharge Ion Engines on Hayabusa Spacecraft“, AIAA 2007-5196, 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, kathodenlose Elektronenzyklotronresonanz-Ionentriebwerke, eingesetzt in einem Raumschiff. Diese weisen folgende technologische Merkmale auf:

- Xenon-Ionen werden mittels Elektron-Zyklotron-Resonanz-Mikrowellenentladung erzeugt;

- Neutralisatoren werden mittels Elektron-Zyklotron-Resonanz-Mikrowellenentladung betrieben;

- ein einziger Mikrowellengenerator speist gleichzeitig den lonengenerator und den Neutralisator;

- 3 DC-Stromversorgungen für die lonenbeschleunigung;

- das elektrostatische Gittersystem wird aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbund mit einem stabilen Abstand zwischen den Gittern hergestellt.

Insbesondere beschreibt die Druckschrift CN 109681398 A ein Triebwerk für Weltraumantriebe mit einer möglichst effizienten Plasmaerzeugung, wofür verschiedene lonisationsbereiche vorgesehen sind, die das neutrale Gas durchströmt. Der Aufbau des Triebwerks ist komplex ausgebildet.

Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass existierende Elektron- Zyklotron-Resonanz (EZR)-Triebwerke keine Halbleitergeneratoren verwenden und zudem ein Gittersystem aus wenigstens drei Gittern benötigen. Der Einsatz von Gittersystemen ist aufwändig und zudem können diese erodiert werden.

Die Realisierung von Elektron-Zyklotron-Resonanz-Effekt (EZR-Effekt) mit Hilfe von Permanentmagneten ist aus der Literatur bekannt. Jedoch sind bisher nur komplexe Anordnungen für insbesondere den Einsatz in einem Triebwerk in der Raumfahrt, also unter Vakuum, wie in der Druckschrift CN 109681398 A, bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Triebwerk bereitzustellen, in welchem einfach, ohne einen komplexen Systemaufbau, mittels Mikrowellen ein Plasma in einer Vakuumumgebung erzeugt werden kann. Die Erzeugung von Plasma mittels Mikrowellen soll mit Hilfe der Halbleitertechnologie, durchgeführt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerk gemäß Hauptanspruch und einem Verfahren zum Betrieb des Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz- Plasma-Triebwerks gemäß nebengeordnetem Anspruch. Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerk aufweisend einen Permanentmagnet- Stapel, eine koaxiale Elektrodenanordnung, eine Anode und eine Kathode, wobei

- der Permanentmagnet-Stapel wenigstens einen Permanentmagneten umfasst, wobei der wenigstens eine Permanentmagnet ringförmig ist und eine Magnetisierung in axialer Richtung aufweist;

- die koaxiale Elektrodenanordnung einen inneren Koaxialleiter und einen äußeren Koaxialleiter aufweist;

- das Triebwerk halbleiterbasiert und zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Innenquerschnittsfläche kreisförmig oder ellipsenförmig oder kreisförmig ähnlich (bspw. auch quadratisch oder vieleckig oder dgl.) ausgebildet ist; und wobei das Triebwerk dadurch gekennzeichnet ist, dass

- der Permanentmagnet-Stapel räumlich in der Länge über die koaxiale Elektrodenanordnung hinausgehend angeordnet ist;

- der innere Koaxialleiter über den äußeren Koaxialleiter in einem definierten Längenintervall [zc1, zc2] überstehend ausgebildet ist;

- die Kathode eine hohe Transparenz aufweist;

- die Anode sich räumlich nicht in den Koaxialleiter erstreckt und in Flussrichtung dem Koaxialleiter nachfolgend angeordnet ist;

- die Permanentmagneten sämtlich die gleiche Magnetisierung in axialer Richtung aufweisen;

- ein Mikrowellengenerator galvanisch getrennt von dem erzeugten Plasma ist;

- genau eine lonisationszone und genau eine Beschleunigungszone vorgesehen sind, wobei diese räumlich und elektrisch aufeinander folgend angeordnet sind und ineinander übergehen; wobei bei Verwendung

- zwischen dem äußeren Koaxialleiterpotential und dem inneren Koaxialleiterpotential ein Mikrowellenfeld ausgebildet wird bzw. ausbildbar ist;

- die lonisationszone nahe des inneren Koaxial leiters (3.1) bzw. der zentralen Achse in dem definierten Längenintervall [zc1 , zc2] ausgebildet wird bzw. ausbildbar ist;

- die Beschleunigungszone räumlich zwischen Anode und Kathode ausgebildet ist;

- in der lonisationszone ein durch den Permanentmagnet-Stapel erzeugtes axiales statisches Magnetfeld und ein durch das Mikrowellenfeld erzeugtes radiales hochfrequentes elektrisches Feld mit erfüllter Resonanzbedingung zwischen Mikrowellen- und Elektron- Zyklotron-Frequenz (EZR-Effekt) vorliegen;

- die Strecke unter Magnetfeld-Einwirkung für in der lonisationszone gebildete Ionen konstruktiv kurz ausgebildet ist;

- das Magnetfeld des Permanentmagnet-Stapels nach Ende der Magnetfeld-Einwirkung in Richtung auf die Magnete verlaufend ausgebildet ist, so dass freie Elektronen räumlich an das Magnetfeld gebunden werden und freie Ionen durch das Magnetfeld nicht oder nur wenig beeinflusst werden.

Ein Permanentmagnet-Stapel kann genau vier Permanentmagnete umfassen.

Vorzugsweise kann die Kathode als Gitter oder Ring mit hoher Transparenz ausgebildet sein. Unter Transparenz im Sinne der Erfindung wird der Anteil derjenigen Ionen verstanden, welche nicht mit der mechanischen Struktur des Gitters oder Rings kollidieren, sondern durch sie hindurchtreten.

Insbesondere können die Mikrowellen im Bereich von 2,4 bis 2,5 GHz ausgebildet sein und die magnetische Feldstärke einen Wert von 85,7 bis 89,3 mT aufweisen, so dass der EZR-Effekt erfüllt ist.

Zudem kann die koaxiale Elektrodenanordnung den Permanentmagnet-Stapel über die Länge halbierend ausgebildet sein.

Der Permanentmagnet-Stapel kann aus Ferrit gebildet sein.

Vorzugsweise können sämtliche Verbindungen des erzeugten Plasmas zum Generator des Triebwerks durch eine Keramik und/oder ein anderes Dielektrikum isoliert ausgebildet sein.

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Mikrowellen- Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerks, wobei im Betrieb durch aus dem Triebwerk austretende Ionen ein Schub generiert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass

- ein statisches Magnetfeld mit einer Feldstärke zur Erfüllung der Bedingungen des EZR- Effektes bzw. der EZR- Bedingungen bzw. zur Ermöglichung des EZR-Effektes durch den Permanentmagnet-Stapel vorliegt, wobei Feldlinien der magnetischen Flussdichte an einer Stirnfläche des Permanentmagnet-Stapels austreten und durch den von dem Permanentmagnet-Stapel eingeschlossenen inneren Raum zur anderen Stirnfläche des Permanentmagnet-Stapels zurücklaufen;

- eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz zur Erzeugung eines radialen elektrischen Feldes zwischen innerem Koaxialleiter und äußerem Koaxialleiter zur Erfüllung der Bedingungen des EZR-Effektes bzw. der EZR- Bedingungen bzw. zur Ermöglichung des EZR-Effektes angelegt wird;

- ein elektrisch neutrales Gas über einen Gaseinlass in das Mikrowellen-Zyklotron- Resonanz-Plasma-T riebwerk zugeführt wird;

- das Gas an dem Koaxialleiter entlangströmt;

- Plasmabildung / Ionisation im Längenintervall [zc1, zc2] durch die erfüllte Resonanzbedingung zwischen Mikrowellen- und Elektron-Zyklotron-Frequenz (EZR- Effekt) stattfindet;

- das gebildete Plasma sich in Richtung Anode ausbreitet, wobei

- freie Elektronen durch das nach Ende der Magnetfeld-Einwirkung in Richtung auf die Magnete verlaufende Magnetfeld abgezogen werden und

- freie Ionen durch die Anode treten, im Bereich zwischen Anode und Kathode elektrostatisch beschleunigt werden und durch die Kathode aus dem System austreten.

Der Koaxialleiter kann isoliert ausgebildet sein.

Weiter können freie Elektronen aus dem Erzeugungsbereich durch das in Richtung auf die Stirnflächen der Magnete verlaufende Magnetfeld in die lonisationszone zurückgespiegelt werden.

Weiter erfindungsgemäß ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Zyklotron- Resonanz-Plasma-Triebwerks und/oder des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens in einem Triebwerk oder Mikro-Triebwerk oder Klein-Triebwerk für die Raumfahrt. Es kann Anwendung finden als Manövrier-Triebwerk in der Raumfahrt, beispielsweise zur Repositionierung und Stabilisierung von Satelliten.

Allgemein sind Mikrowellen-Plasmen auf Halbleiterbasis leicht und effizient zu erzeugen, wobei wenig Energie benötigt wird. Zudem lassen sich Mikrowellen-Plasmen besonders gut starten und regeln.

Insbesondere ist bei einer koaxialen Mikrowellen-Entladung die eingespeiste Leistung konzentriert auf ein kleines Volumen, weshalb sehr hohe lonisierungsgrade und Leistungsdichten erzielt werden können, was bei Anwendung in insbesondere einem elektrischen Triebwerk zu einer hohen Masseneffizienz führt.

RIT (Radiofrequenz Ionen Triebwerk) - und Kaufman-Ionenquellen benötigen ein wesentlich größeres plasmagefülltes Volumen und es entstehen größere Verluste durch die Wechselwirkung des Plasmas mit den Wänden.

Durch das erfindungsgemäße Konzept des koaxialen Mikrowellen-Aufbaus werden die Ionen dagegen aus einem kleinen Erzeugungsvolumen durch verhältnismäßig starke elektrische Felder extrahiert. Dabei werden die meisten Plasmaelektronen vom Magnetfeld zurückgehalten.

Gattungsgemäße Antriebe sind bekannt und mittlerweile auch in Gebrauch. Das Grundprinzip basiert auf der Ionisierung (Plasmaerzeugung) eines mitgeführten (elektrisch neutralen) Treibstoffs mit anschließender Beschleunigung und Ausstoß der Ionen durch ein elektrostatisches Feld. Der Rückstoß beschleunigt das Triebwerk und somit den Körper, an dem es befestigt ist. Typische Austrittsgeschwindigkeiten der Ionen liegen bei 10 - 100 km/s, das heißt 1 bis 2 Größenordnungen oberhalb der durch chemische Verbrennung erzielbaren Geschwindigkeiten, so dass auch sehr geringe beschleunigte Treibstoffm assen einen nennenswerten Impuls erzeugen und die Treibstoffmasse sehr effizient genutzt wird.

Bei Verwendung des Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerks soll Funktionalität bei einer Leistung zwischen 20 W und 300 W gegeben sein, wobei auch Leistungen bis zu 1500 W möglich sind. Wenn geringe Schübe (z.B. zur Lageregelung) abgefragt werden, wird bei RIT, HEMPT und Hall-Antrieben im Unterschied hierzu dennoch eine hohe Leistung für die Erzeugung des Plasmas benötigt.

Das Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerk mit Plasmaerzeugung durch den EZR- Effekt in einem Permanentmagnetfeld weist eine Kombination folgender Unterscheidungsmerkmale zum Stand der Technik auf:

- das System ist zylindrisch und rotationssymmetrisch aufgebaut;

- die lonisationszone liegt nahe der zentralen Achse in einem definierten Längenintervall [zc1, zc2] vor;

- in der lonisationszone herrschen ein axiales Magnetfeld statisch und ein radiales elektrisches Feld mit EZR-Frequenz vor;

- eine elektrostatische Beschleunigungszone ist räumlich separiert von der lonisierungszone angeordnet, wobei der Abstand beider Zonen klein ist, so dass die erzeugten Ionen nur noch eine kurze Strecke unter der Magnetfeldeinwirkung zurücklegen müssen;

- die freien Elektronen werden durch in Richtung auf die Magnete umkehrende Feldlinien geführt und ggf. in die lonisationszone zurückgespiegelt und

- das dynamische elektrische Feld wird durch einen Koaxialleiter mit überstehender Seele erzeugt, wobei das zugeführte Neutralgas am galvanisch getrennten Koaxialleiter vorbei und unbeeinflusst durch Felder bis in die lonisationszone strömt.

Es handelt sich um eine Kombination aus einer EZR-Mikrowellen-Plasmaquellen-Realisierung mit Hilfe von Permanentmagneten und Beschleunigungselektroden, über welche es möglich wird, ein elektrisches Triebwerk für den Einsatz im Weltraum zu realisieren.

Vorteilhaft bei den Wanderfeldröhren zur Erzeugung von Mikrowellen für Gitterionentriebwerke bei der zuvor schon benannten japanischen Hayabusa-Mission war, dass die Mikrowellen sowohl für das Hauptplasma als auch für das kleinere Plasma zur Neutralisation verwendet wurden, was eine nützliche Option der Erzeugung eines Mikrowellenplasmas darstellt, wobei die Elektroden potentialfrei gegenüber Satelliten und untereinander ausgeführt werden.

Dieser Vorteil lässt sich in gleicher Weise für ein Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma- Triebwerk nutzen, was als Vorteil gegenüber alternativen GIT-Konzepten (HF bzw. DC) zu werten ist, die eigene Stromversorgungen für die Neutralisatoren benötigen. Die in dieser Erfindung zur Erstellung des Triebwerks angewandte Halbleitertechnologie weist einige Vorteile gegenüber den Wanderfeldröhren auf, wobei diese eine geringere Masse, eine robuste und kompakte Bauweise und eine unkomplizierte Impedanz-Anpassung mit Hilfe der veränderbaren Frequenz umfassen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht zwingend beschränkend zu werten sind:

Es zeigen:

Abb. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerks;

Abb. 2 eine beispielhafte Darstellung einer Versuchskombination von Mikrowellen- Plasmaquelle mit Permanentmagnet-Stapel;

Abb. 3 eine beispielhafte fotographische Sichtbarmachung von Feldlinien in einer äußeren Tangentialebene an einem zylindrischen Permanentmagnet-Stapel mit Eisenspänen;

Abb. 4 eine beispielhafte Darstellung der Simulation des Magnetfeldes aus Abb. 3 mit FEM-Simulation;

Abb. 5 eine beispielhafte Darstellung eines experimentellen Testaufbaus zur Prüfung der Plasmaerzeugung in der Anordnung gemäß Abb. 2;

Abb. 6 eine beispielhafte Darstellung eines Ausschnittes des experimentellen Testaufbaus aus Abb. 5 in der auch die Lichtemission des erzeugten Plasmas zu sehen ist und

Abb. 7 eine beispielhafte Darstellung des extrahierten Stroms in Abhängigkeit von der beschleunigenden Spannung an den Plattenelektroden und Gittern.

In Abb. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma (MCP)-Triebwerks 1 dargestellt. Das MCP-Triebwerk 1 weist einen Permanentmagnet-Stapel 2, eine Anode 4, eine Kathode 5, eine isolierende Keramik 3 und eine koaxiale Elektrodenanordnung auf. Die koaxiale Elektrodenanordnung umfasst einen inneren Koaxialleiter 3.1 und einen äußeren Koaxialleiter 3.2. Über einen Gaseinlass 7 durchströmt ein neutrales Gas, beispielsweise ein Edelgas, das Triebwerk und verlässt es wieder über die Kathode 5. Die Permanentmagneten des Permanentmagnet-Stapels 2 weisen sämtlich die gleiche Magnetisierungsrichtung auf. Durch die Keramik 6 werden alle Verbindungen zum Generator des MCP-Triebwerks 1 elektrisch isoliert. Der Generator ist aus darstellerischen Gründen kein Bestandteil der Abbildung.

Der Aufbau des MCP-Triebwerks 1 ist zylindrisch, das heißt darstellbar in den Zylinderkoordinaten R, z, <|), wobei die z-Achse in der Abbildung vertikal von unten nach oben verläuft. Es wird in diesem Beispiel von Rotationssymmetrie, also Unabhängigkeit vom Azimut- Winkel <|) ausgegangen. Grundsätzlich ist auch ein nicht rotationssysmetrischer Querschnitt möglich. Eine Querschnittsdeformation vom Kreis soll nicht ausgeschlossen werden.

Als Treibstoff dient hier ein neutrales Gas, das vom Gaseinlass bei z=0 an einem Koaxialleiter vorbei in positive z-Richtung strömt. Der Koaxialleiter 3 ist zwischen innerem Koaxialleiter (Seele) 3.1 und äußerem Koaxialleiter (Abschirmung) 3.2 mit einer Wechselspannung der Frequenz 2,45 GHz beaufschlagt. Bei z=zc1>0 endet die Abschirmung 3.2 und die Seele 3.1 ragt bis z=zc2>zc1 über die Abschirmung 3.2 hinaus. Vorwiegend im Intervall [zc1, zc2] tritt ein hochfrequentes elektrisches Feld E der Mindestgrößenordnung kV/m in den gasführenden Raum ein, wobei das Feld nahe der Seele 3.1 nur eine radiale Komponente (R-Richtung) aufweist. In demselben Intervall liegt durch einen Permanentmagnet-Stapel 2 (also einer Anordnung ringförmiger Permanentmagneten) ein statisches Magnetfeld vor, das nahe der Symmetrieachse (z-Achse, innerer Koaxialleiter 3.1) nur eine z-Komponente aufweist. Bei einer magnetischen Flussdichte von etwa 87,5 mT bei 2,45 GHz sind in einem Nahbereich um die freiliegende Seele 3.1 die Bedingungen für Elektron-Zyklotron-Resonanz erfüllt, d.h. die freien Elektronen können resonant Energie aus dem elektrischen Feld aufnehmen, und es findet Ionisation statt. Freie Elektronen werden hiernach dem Magnetfeldverlauf folgen und werden teilweise vor den Stirnflächen gespiegelt. Die sehr viel schwereren Ionen bewegen sich nur wenig beeinflusst durch das Magnetfeld über das Intervall [zc1, zc2] hinaus. Sie durchqueren schließlich bei z=zA eine ringförmige Anode 4 auf positivem Potential gegenüber der Kathode 5, die das Austrittsgitter bei z=zG bildet und werden im Intervall [zA, zG] elektrostatisch beschleunigt. Die Anode 4 ist räumlich so angeordnet, dass sie nicht in den Koaxialleiter 3 hineinreicht, da dies die Ausbildung des elektrischen Feldes E verhindern würde. Die durch die Kathode 5 tretenden Ionen liefern den Schub für das MCP-Triebwerk 1. Die Kathode 5 weist eine hohe Transparenz auf und ist bevorzugt als Gitter oder Ring ausgebildet.

Die lonisationszone [zc1, zc2] und die Beschleunigungszone [zA, zG] sind räumlich und elektrisch aufeinanderfolgend angeordnet. Das Magnetfeld ist in beiden Zonen vorhanden, wirkt aber in der Beschleunigungszone einschließend auf die freien Elektronen. An den Enden des Zylinders laufen die Magnetfeldlinien in die Permanentmagnet-Stapel 2 hinein. Die höhere Flussdichte vor den Stirnflächen kann zu einem Spiegeleffekt führen, bei dem die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung reflektiert werden und gegebenenfalls in das lonisationsintervall zurückkehren. Eine Erhöhung der freien Elektronendichte dort erhöht die Energieabsorption aus dem Mikrowellenfeld und befördert die Plasmaerzeugung.

Das erfindungsgemäße MCP-Triebwerk 1 ist als Kleintriebwerk ausgelegt, so dass die Permanentmagnetringe des Permanentmagnet-Stapels 2 nur einige Zentimeter Innendurchmesser haben.

Abb. 2 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Versuchskombination von Mikrowellen- Plasmaquelle mit Permanentmagnet-Stapel 2. Der Permanentmagnet-Stapel 2 ist in dem Beispiel dieser Abbildung aus 4 Ferrit-Permanentmagneten gebildet. Die Mikrowellenelektroden 9 sind den Permanentmagnet-Stapel 2 halbierend angeordnet. Der Aufbau wird mit Vakuum beaufschlagt. Bei Betrieb mit Mikrowellen von 2,4 bis 2,5 GHz findet der EZR-Effekt im gesamten inneren zylinderförmigen freien Bereich des Aufbaus statt.

Abb. 3 zeigt eine beispielhafte fotographische Sichtbarmachung von Feldlinien 8 in einer äußeren Tangentialebene an einem zylindrischen Permanentmagnet-Stapel 2 mit Eisenspänen, wobei die Ebene die Magneten an der eingezeichneten Linie berührt.

Abb. 4 offenbart eine beispielhafte Darstellung der Simulation des Magnetfeldes aus Abb. 3 mit FEM-Simulation (Finite-Elemente).

Anhand der Abb. 3 und 4 wird deutlich, dass das Magnetfeld umkehrende Feldlinien 8 aufweist. Über diese sich vor den Stirnflächen verdichtenden Feldlinien 8 werden Elektronen zurückgehalten. Das normalerweise bei Gittertriebwerken notwendige Schirmgitter, also das erste Gitter von mehreren hintereinander angeordneten Gittern, kann entfallen, da das Magnetfeld mit den umkehrenden Feldlinien 8 dessen Funktion übernimmt. Durch das Magnetfeld werden nur Elektronen festgehalten. Ionen weisen zu große Gyrationsradien auf und werden von dem Magnetfeld nicht abgelenkt.

In Abb. 5 wird eine beispielhafte Darstellung eines experimentellen Testaufbaus zur Prüfung der Plasmaerzeugung in der Anordnung gemäß Abb. 2 dargestellt. Der Permanentmagnet- Stapel 2 ist aus 4 Ferrit-Permanentmagneten gebildet, die einen Innendurchmesser von 32 mm, einen Außendurchmesser von 72 mm, eine Stapel-Länge von 60 mm aufweisen und ein homogenes bzw. annähernd homogenes Feld im Inneren mit 87 mT ausbilden. Im Anschluss an die Versuchskombination aus Mikrowellenelektroden 9 und Permanentmagnet-Stapel 2 gemäß Abb. 2 ist an die Magneten anschließend eine Plasma-Expansionskammer/ Extraktionskammer 10 aus Glas angeschlossen.

Die längliche Extraktionskammer 10 aus Glas dient der Sichtbarmachung des Plasmas 11, das den erfinderischen Aufbau verlässt. Ein Gitter 12 begrenzt den Glaskörper und wird zur Strommessung der Ionen aus dem Plasma 11 verwendet. Die Ionen werden durch eine Vorspannung aus dem Plasma 11 extrahiert und als über die Lochplatte 12 abfließender Strom gemessen.

Zudem zeigt Abb. 6 eine beispielhafte Darstellung eines Ausschnittes des experimentellen Testaufbaus aus Abb. 5 bei Betrieb, in der auch die Lichtemission des erzeugten Plasmas zu sehen ist.

In Abb. 7 wird eine beispielhafte Darstellung des extrahierten Stroms gemessen mit dem Testaufbau aus Abb. 5 in Abhängigkeit von der beschleunigenden Spannung an den Plattenelektroden und Gittern 12 gezeigt. Bei einem Gasfluss von Argon unter Vakuumbedingungen (p = 0,025 Pa) und einer Vorspannung von -120 V kann ein lonen-Strom von etwa 2,7 mA extrahiert werden.

Bezugszeichenliste

1 Mikrowellen-Zyklotron-Resonanz-Plasma-Triebwerk (kurz auch MCP-Triebwerk)

2 Permanentmagnet-Stapel

3 Koaxialleiter

3.1 Innerer Koaxialleiter/Seele

3.2 Äußerer Koaxialleiter/Abschirmung

4 Anode

5 Kathode

6 Keramik

7 Gaseinlass

8 Feldlinien

9 Mikrowellenelektroden

10 Plasma-Expansionskammer/Extraktionskammer

11 Plasma

12 Gitter/Lochplatte