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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmakanone der im Oberbegriff
von Anspruch 1 unten definierten Art (siehe z.B. US-A-4 821509).
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Triebwerke,
die derzeit für
Satelliten oder andere Raumstationshalte- und -manövrieranwendungen
eingesetzt werden, arbeiten mit Treibgasen mit relativ niedrigen
Austrittsgeschwindigkeiten (im Bereich von etwa 500 m/sec bis 2000
m/sec). Beispiele für
solche Triebwerke sind unter anderem Kaltgastriebwerke, die gewöhnlich ventilgesteuerten
Stickstoff als Treibmittel verwenden und sehr niedrige spezifische
Impulse haben, und Hydrazin-Triebwerke, die die am häufigsten
eingesetzten Triebwerke sind, die aber niedrige spezifische Impulse
erzeugen (wenn auch das Vierfache von denen von Kaltgastriebwerken).
Hydrazin-Triebwerke
haben auch Tankraumprobleme in Verbindung mit der Flüssigkeitshandhabung
bei Schwerelosigkeit und mit der Lagerung eines unstabilen und hoch
korrosiven Treibstoffs. Andere verfügbare Triebwerkstechnologien,
wie u.a. Teflonablative Triebwerke, Hall-Triebwerke, Ionentriebwerke
und MPD-Triebwerke, bieten zwar höhere spezifische Impulse, leiden
aber an verschiedenen anderen Problemen, wie z.B., dass sie relativ
massiv und zeitlich wenig agil sind und/oder einen erheblichen elektrischen
Energiespeicher brauchen. All dies stand ihrem Einsatz für Raumstationshalte-
und -manövrieranwendungen
im Weg.
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Da
das Hubgewicht eines Satelliten oder eines anderen Raumfahrzeugs
normalerweise vorbestimmt ist, ist umso weniger Gewicht für Nutzlast
verfügbar,
je größer das
Gewicht oder die Masse ist, die für Triebwerkstreibstoffe nötig ist.
Daher ist es wünschenswert,
die Treibstoffmasse minimal zu halten. Da also die Antriebskraft,
die mit einer bestimmten Treibstoffmasse erzielt werden kann, im
Wesentlichen linear zur Ausströmgeschwindigkeit
zunimmt, kann die Treibstoffmasse, wenn die Austrittsgeschwindigkeit
z.B. um einen Faktor 10 erhöht
wird, entweder um einen Faktor 10 reduziert werden oder dieselbe
Treibstoffmasse oder -menge reicht zehnmal länger, wodurch die Nutzungsdauer
des Raumfahrzeugs potentiell verlängert wird.
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Ein
weiteres Problem, mit dem die Industrie konfrontiert ist, besteht
darin, dass mit zunehmender Dichte von integrierten Schaltungen
und anderen mit Lithografietechniken gebildeten Mikroprodukten die Wellenlänge der
für lithografisches Ätzen verwendeten
Strahlung entsprechend reduziert werden muss. Insbesondere wird
für die
nächste
Lithografiegeneration Strahlung im extremen UV-Band (EUV), das von etwa
10 Å (1
nm) bis 1000 Å (100
nm) reicht, und insbesondere bei einer Wellenlänge von etwa 130 Å (13 nm),
als kritisch angesehen. Die einzige Strahlungsquelle, die in diesem
Band arbeiten kann, ist jedoch groß, aufwändig, teuer und arbeitet bei
einer zu niedrigen Impulswiederholfrequenz (PRF) für Lithografie und
viele andere Anwendungen. Eine praktische Quelle zum Erzeugen von
Strahlung in diesem Band, und insbesondere eine Quelle, die Strahlung
bei 13 nm erzeugt, gibt es derzeit nicht. Daher besteht Bedarf an
einer Strahlungsquelle, die in diesem Wellenlängenband arbeitet, die eine
nützliche
Größe hat und
zu sinnvollen Kosten erhältlich
ist und die Strahlung bei Wellenlängen und PRFs erzeugt, die
für Lithografie
und andere Anwendungen geeignet sind. Allgemeiner, es besteht Bedarf
an einer EUV-Strahlungsquelle,
die Strahlung über
wenigstens einen erheblichen Teil dieses Bandes erzeugen kann, wobei diese
Quelle relativ leicht und vorhersehbar konstruiert oder programmiert
werden kann, indem verschiedene Parameter zum Erzeugen von Strahlung
mit einer gewünschten
Wellenlänge
innerhalb dieses Bandes gewählt
werden können.
Zusätzlich zu
Lithografie kann eine solche Quelle auch in verschiedenen Bilderzeugungs-
oder Erfassungssystemen Anwendung finden.
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Wie
später
erörtert
wird, kann zur Lösung
der obigen Probleme Plasmakanonentechnik angewandt werden. Existierende
Plasmakanonen sind jedoch im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Impulswiederholfrequenz
(PRF) begrenzt, so dass sie für
Raumanwendungen ungeeignet waren, bei denen ein langfristiger wartungsfreier
Betrieb und hohe PRFs verlangt werden, und die relativ niedrigen
PRFs haben den Einsatz solcher Plasmakanonen für Lithografie ebenfalls ausgeschlossen.
Insbesondere brauchen koaxiale Plasmakanonen des Standes der Technik
eine sehr hohe Leistung und eine äußerst schnelle Umschaltung,
um die Antriebskraft sofort zu erzeugen. Schalter mit großen Funkenstrecken,
die die einzigen verfügbaren
Komponenten waren, die die nötigen
Spezifikationen erfüllten,
arbeiteten nie wartungsfrei bei PFRs über 100 Hz oder für mehr als
einige Millionen Zündungen.
Infolgedessen hatten Plasmakanonen nie PRFs über 10 Hz. Für Raumanwendungen
sind PRFs über
5000 Hz (Impulse/sec) und wartungsfreie Zyklen von mehr als 100
Millionen Impulse wünschenswert,
während
für Lithografie
PRFs von wenigstens 500 Hz und vorzugsweise 1000 Hz erforderlich
sind.
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Ferner
verwendeten Plasmakanonen des Standes der Technik einen dielektrischen
Isolator an der Basis einer koaxialen Säule zum Schaffen einer Spannungserhöhung, die
dazu beiträgt,
einen Durchbruch oder eine Plasmaeinleitung an dieser Stelle zu bewirken.
Eine zuverlässige
und gleichförmige
Plasmaeinleitung konnte nur dadurch erzielt werden, dass sehr schnell
eine sehr hohe Spannung angelegt wurde, und durch den resultierenden
Durchbruch wurde das Dielektrikum häufig schnell beschädigt. Probleme
mit der Zuverlässigkeit
und niedrigen PRFs haben daher eine Nutzung von Plasmakanonen als
Triebwerke in Raumanwendungen oder als EUV-Strahlungsquellen für Lithografie
oder andere Anwendungen ausgeschlossen. Daher besteht Bedarf an
einer verbesserten Plasmakanone, die die für Raumanwendungen erforderliche
wartungsfreie Zuverlässigkeit
zusammen mit relativ hohen PRFs, vorzugsweise über 5000 Hz für Raumanwendungen, bietet
und gleichzeitig zur Erzeugung von Austrittsgeschwindigkeiten von
10.000 bis 100.000 m/sec für Raumanwendungen
und vorzugsweise von über 1000
Hz für
Strahlungsanwendungen angepasst werden kann.
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Das
US-Patent 3271001 beschreibt ein Plasmabeschleunigungssystem, bei
dem eine konische Elektrode koaxial in einer zylindrischen Elektrode
so montiert ist, dass ein Raum dazwischen bleibt. Die äußere zylindrische
Elektrode ist von einem Leiter in Form einer Wicklung umgeben, die
ein axiales Magnetfeld in dem Beschleunigerelektrodensystem erzeugt.
Hochspannungsimpulse können
zwischen den Elektroden angelegt werden, und ein Gas kann in den
Raum zwischen den Elektroden zum Erzeugen eines Plasmas eingeleitet
werden.
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Das
US-Patent 4821509 beschreibt ein Plasmatriebwerk mit einer mittleren
Elektrode, einer äußeren Elektrode,
die im Wesentlichen koaxial zur mittleren Elektrode ist, einem Isolator
zum Halten der Elektroden in jeweiligen Positionen und zum Isolieren der
Elektroden voneinander, einem Einlassventil zum Einleiten einer
Flüssigkeit
in eine axial durch die mittlere Elektrode verlaufende Bohrung,
um Gas an einem inneren Ende der mittleren Elektrode in einer durch
den Isolator verlaufenden Bohrung zu leiten, und einem Impulsformungsnetz,
das mit den Elektroden gekoppelt ist und nach Plasmaeinleitung betätigt werden
kann, um einen Hochspannungsimpuls über die Elektroden anzulegen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Plasmakanone gemäß Anspruch 1 unten bereitgestellt,
auf den nunmehr Bezug genommen werden sollte.
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Eine
die vorliegende Erfindung ausgestaltende Plasmakanone mit hoher
PRF hat eine mittlere Elektrode und eine mit der mittleren Elektrode
im Wesentlichen koaxiale äußere Elektrode,
wobei eine koaxiale Säule
zwischen den Elektroden ausgebildet ist. Es ist ein Einlassmechanismus
zum Einleiten eines gewählten
Gases in die Säule
vorgesehen und ein Plasmainitiator ist am Basisende der Säule vorgesehen.
Ferner ist ein Festkörper-Impulstreiber
mit hoher Wiederholrate vorgesehen, der bei Plasmaeinleitung an
der Basis der Säule
betätigt
werden kann, um einen Hochspannungsimpuls über die Elektroden anzulegen,
wobei das Plasma vom Basisende der Säule und aus ihrem Austrittsende
expandiert. Die Spannung jedes der Impulse nimmt über die
Dauer des Impulses ab und für
eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Plasmakanone als Triebwerk
eingesetzt wird, werden die Impulsspannung und die Elektrodenlänge so gewählt, dass
die Spannung über
die Elektroden einen Wert von im Wesentlichen null erreicht, wenn
das Plasma die Säule
verlässt.
Für diese Ausgestaltung
leitet der Einlassmechanismus das gewählte Gas am Basisende der Säule ein.
Spezieller, für
diese Ausgestaltung leitet der Einlassmechanismus das Gas vorzugsweise
radial von der mittleren Elektrode ein, um die Plasmageschwindigkeit gleichförmig über die
Säule zu
erhöhen,
und Plasma verlässt
die Säule
für diese
Ausgestaltung mit Austrittsgeschwindigkeiten, die derzeit im Bereich
von etwa 10.000 bis 100.000 m/sec liegen, wobei die benutzte Austrittsgeschwindigkeit
mit der Anwendung etwas variiert.
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Für einige
Ausgestaltungen beinhaltet der Plasmainitiator wenigstens ein Loch,
das im Basisende der Kathodenelektrode ausgebildet ist, wobei bevorzugt
wird, dass solche Löcher
gleichmäßig um die Elektrode
beabstandet sind, um eine gleichförmigere Plasmaeinleitung zu
erzielen. Das gewählte
Gas kann durch die Löcher
oder so eingeleitet werden, dass es an den Löchern geleitet wird. Der Plasmainitiator
beinhaltet vorzugsweise auch wenigstens eine Trigger-Elektrode,
die in den Löchern
oder ansonsten an der Basis der Säule montiert werden kann, wobei sich
diese Elektroden vorzugsweise außerhalb der Säule, aber
dicht daneben befinden und zum Einleiten des Plasmas gezündet werden.
Für bevorzugte Ausgestaltungen
werden die Trigger-Elektroden im Wesentlichen gleichmäßig um das
Basisende der Säule
beabstandet und im Wesentlichen gleichzeitig gezündet, um eine gleichzeitige
Einleitung des Plasmas am Basisende zu erzielen.
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Der
Einlassmechanismus beinhaltet vorzugsweise ein pulsiertes Ventil.
Da dieses Ventil im Vergleich zum Plasmainitiator und zum Impulstreiber gewöhnlich relativ
langsam ist, werden der Treiber und der Initiator typischerweise
eine gewählte
Anzahl von Malen für
jede Betätigung
des pulsierten Ventils betätigt.
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Für eine alternative
Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Plasmakanone als Strahlungsquelle im
EUV-Band verwendet wird, sind die Impulsspannung und die Elektrodenlängen derart,
dass der Strom für
jeden Spannungsimpuls beim Austritt des Plasmas aus der Säule im Wesentlichen
auf seinem Maximalwert ist.
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Die äußere Elektrode
für diese
Ausgestaltung der Erfindung ist vorzugsweise die Kathodenelektrode
und kann massiv oder die Form mehrerer im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeter,
in einem Kreis angeordneter Stäbe
haben. Der Einlassmechanismus für
diese Ausgestaltung der Erfindung bietet eine im Wesentlichen gleichförmige Gasfüllung in
der Säule,
was zur Folge hat, dass das Plasma zunächst aus der mittleren Elektrode
ausgetrieben wird, wobei das Plasma bei seinem Austritt aus der
Säule magnetisch
gepincht wird, um dadurch die Plasmatemperatur für eine thermische Strahlung
bei gewünschten Wellenlängen zu
erhöhen,
und diese Wellenlängen liegen
vorzugsweise im extremen UV-(EUV)-Band, das grob als ein Wellenlängenband
von 1 nm bis etwa 100 nm definiert ist. Wie zuvor angedeutet, gibt es
derzeit keinen praktischen Mechanismus zum Erzeugen von Strahlung
in diesem Band. Die gewünschte
Wellenlänge
im EUV-Band wird durch sorgfältiges
Auswählen
verschiedener Plasmakanonenparameter wie u.a. dem verwendeten gewählten Gas,
dem Strom für
den Impulstreiber, der Plasmatemperatur im Pinch-Bereich und dem
Gasdruck in der Säule
erzielt. Wenn die gewünschte
Wellenlänge etwa
13 nm beträgt,
dann ist das gewählte
Gas Xenon und/oder Lithiumdampf und die Plasmatemperatur im magnetischen
Pinch-Bereich liegt bei etwa 500.000°K.
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Der
Impulstreiber für
diese Erfindung sollte Impulse mit einer Spannung anlegen, die wenigstens gleich
der Paschen-Mindestdurchbruchspannung für eine Kanone mit schnellen
Anstiegszeiten ist. Diese Spannung beträgt für bevorzugte Ausgestaltungen im
Allgemeinen wenigstens 100 Volt und liegt für viele Ausgestaltungen im
Bereich von 400 bis 800 Volt. Für
bevorzugte Ausgestaltungen beinhaltet der Impulstreiber eine DC-Potentialquelle,
einen DC-DC-Wandler und ein Energiespeichermedium, das vom Wandler
gespeist wird, wobei das Speichermedium über die Elektroden entlädt, wenn
das Plasma eingeleitet wird. Das Speichermedium kann ein Kondensator
oder eine Kondensatorgruppe sein oder kann Bestandteil von wenigstens
einem nichtlinearen Magnetimpuls-Kompressor sein. Der Plasmainitiator wird
betätigt,
wenn eine gewählte
Energie oder Spannung im Energiespeichermedium gespeichert ist,
und vorzugsweise dann, wenn das Energiespeichermedium voll geladen
ist. Wenn Trigger-Elektroden verwendet werden, kann ein separater
nichtlinearer Magnetimpuls-Kompressor, der von derselben DC-Quelle
arbeitet, für
diese Elektroden vorgesehen werden, wobei die Trigger-Elektroden
vorzugsweise bei höherer
Spannung und niedrigerer Leistung betrieben werden als die mittlere
und die äußere Elektrode.
Der DC-DC-Wandler gewinnt von der Elektrode reflektierte Abenergie
vorzugsweise zurück
und speichert sie für
die Verwendung beim nächsten Hochspannungsimpuls.
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Das
gewählte
Gas ist vorzugsweise Argon, Xenon, Stickstoff, Hydrazin, Lithiumdampf,
Helium, Wasserstoff oder Neon. Damit die Plasmakanone ordnungsgemäß arbeiten
kann, muss der Gasdruck in einer Säule niedrig genug sein, damit
ein Durchbruch für
die Plasmaeinleitung auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve
erfolgen kann, und es wird bevorzugt, dass die Plasmakanone in einer
Umgebung mit einem Umgebungsdruck im Bereich von 0,01 bis 10 Torr
gehalten wird, wobei der Druck etwa 1 Torr für bevorzugte Ausgestaltungen
nicht übersteigt.
Der Impulstreiber und der Plasmainitiator sollen beide eine solche
Impulswiederholfrequenz (PRF) haben, dass die PRF der Plasmakanone über 100
Hz und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 500 Hz bis wenigstens
5.000 Hz liegt.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung für die Anwendung in einer im
Wesentlichen luftleeren Umgebung beinhaltet ein Triebwerk die zuvor
beschriebenen Elektroden, einen Einlassmechanismus zum Einleiten
eines gewählten
Gases am Basisende der Säule,
einen Plasmainitiator am Basisende und den Spannungstreiber, wobei
die Spannung jedes Impulses über
die Dauer des Impulses abnimmt und wobei die Impulsspannung und
die Elektrodenlängen
derart sind, dass die Spannung über
die Elektroden einen Wert von im Wesentlichen null erreicht, wenn
das Plasma die Säule
verlässt.
Austrittsgeschwindigkeiten im Bereich von etwa 10.000 bis 100.000
m/sec können
derzeit mit solchen Triebwerken erreicht werden.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung kann die Form einer EUV-Strahlungsquelle
haben, die die zuvor beschriebenen Elektroden, den Einlassmechanismus
und einen Impulstreiber umfasst, wobei ein Strom für jeden
Spannungsimpuls zunächst
auf ein Maximum ansteigt und dann auf null abfällt, wobei die Impulsspannung
und die Elektrodenlängen
derart sind, dass das Plasma das Ende der Elektroden erreicht, wenn
der Strom auf seinem Maximum ist. Das Plasma wird zunächst von
der mittleren Elektrode getrieben und dann beim Verlassen der Säule magnetisch
gepincht, so dass die Plasmatemperatur zur Erzielung von thermischer
Strahlung mit gewünschten Wellenlängen ansteigt,
wobei die gewünschte(n) Wellenlänge(n) durch
Wählen
des/der richtigen Gases, Hochspannungsstroms, Plasmatemperatur im Pinch-Bereich
und Gasdruck in der Säule
reguliert werden kann/können.
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Die
Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zur Verwendung einer Plasmakanone
des zuvor beschriebenen Typs als Triebwerk, um einen gewählten Schub
in einer im Wesentlichen luftleeren Umgebung bereitzustellen, die
die folgenden Schritte umfasst: Einlassen eines gewählten Gases
in das Basisende der Säule
mit einem Ventil; Laden eines Festkörperimpulstreibers mit hoher
Wiederholrate auf eine gewählte
hohe Spannung, wobei die Spannung über die Elektroden angelegt
wird; Einleiten eines Plasmadurchbruchs am Basisende, wenn der Treiber
im Wesentlichen auf der gewählten
hohen Spannung ist, wobei das Plasma sich vom Basisende der Säule ausbreitet
und aus dem Austrittsende der Säule
mit hoher Austrittsgeschwindigkeit abgelassen wird, die im Wesentlichen
mit dem völlig
entladenen Treiber übereinstimmt;
und Wiederholen der Lade- und Plasmadurchbrucheinleitungsschritte
mit hoher PRF, bis ein gewählter
Schub erzielt ist. Der Ventileinlassschritt kann beendet werden,
wenn eine Menge des gewählten
Gases in die Säule
eingeleitet wurde, die ausreicht, um den gewählten Schub zu erzielen.
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Schließlich umfasst
in einem Beispiel für
ein Verfahren zum Verwenden einer die Erfindung ausgestaltenden
Plasmakanone zum Erzeugen einer EUV-Strahlung mit einer gewünschten
Wellenlänge das
Verfahren die folgenden Schritte: Einleiten eines gewählten Gases
in die Säule
mit einem Ventil; Laden eines Festkörperimpulstreibers mit hoher
Wiederholrate auf eine gewählte
hohe Spannung, wobei die Spannung über die Elektroden angelegt
wird; Einleiten eines Plasmadurchbruchs am Basisende der Säule, wenn
der Treiber im Wesentlichen auf der gewählten Spannung ist, wobei sich
das Plasma von der Basis der Säule
ausbreitet und vom Austrittsende der Säule neben der mittleren Elektrode
ausgestoßen
wird, im Wesentlichen gleichzeitig damit, dass der Treiberstrom über die
Elektroden auf seinem Maximum ist. Das Plasma wird beim Austritt
aus der Säule
magnetisch gepincht, so dass sich die Plasmatemperatur zum Erzielen
einer thermischen Strahlung mit (der) gewünschten Wellenlänge(n) erhöht, wobei
diese Wellenlänge
wie zuvor angegeben ermittelt werden kann. Die Schritte des Ladens
des Impulstreibers und des Einleitens des Plasmadurchbruchs können mit
einer hohen PRF eine gewählte
Anzahl von Malen wiederholt werden, um die Strahlung für eine gewünschte Dauer
aufrechtzuerhalten.
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Die
obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
gehen aus der nachfolgenden spezielleren Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
der Erfindung wie in den Begleitzeichnungen illustriert hervor.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
teilschematische, an der Seite teilweise weggeschnittene Ansicht
einer ersten illustrativen Triebwerksausgestaltung der Erfindung;
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2 eine
teilschematische, an der Seite teilweise weggeschnittene Seitenansicht
einer alternativen Triebwerksausgestaltung der Erfindung;
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3 eine
teilschematische, an der Seite teilweise weggeschnittene Ansicht
einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Strahlungsquelle.
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Ausführliche Beschreibung
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Zunächst mit
Bezug auf 1, das Triebwerk 10 hat
eine mittlere Elektrode 12, die für diese Ausgestaltung die positive
oder Anodenelektrode ist, und eine konzentrische Kathoden-, Masse-
oder Rückführungselektrode 14,
wobei ein allgemein zylinderförmiger
Kanal 16 zwischen den beiden Elektroden ausgebildet ist.
Der Kanal 16 wird an seinem Basisende von einem Isolator 18 definiert,
in dem die mittlere Elektrode 12 montiert ist. Die äußere Elektrode 14 ist
an einem leitenden Gehäuseelement 20 montiert,
das durch ein leitendes Gehäuseelement 22 mit
Masse verbunden ist. Die mittlere Elektrode 12 ist an ihrem
Basisende in einem Isolator 24 montiert, der wiederum in
einem Isolator 26 montiert ist. Ein zylindrisches Außengehäuse 28 umgibt
die äußere Elektrode 14 und
ist in einem Bereich 30 hinter dem Front- oder Austrittsende
der Elektroden aufgeweitet. Die Elektroden 12 und 14 können beispielsweise
aus thoriertem Wolfram, Titan oder Edelstahl hergestellt sein.
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Eine
positive Spannung kann von einer Gleichspannungsquelle 12 durch
einen DC-DC-Inverter 34, einen nichtlinearen magnetischen
Kompressor 36 und einen mit der mittleren Elektrode 12 verbundenen
Anschluss 38 an die mittlere Elektrode 12 angelegt
werden. Der DC-DC-Inverter 34 hat
einen Speicherkondensator 42, der ein einzelner großer Kondensator
oder eine Kondensatorgruppe sein kann, einen Steuertransistor 44,
ein Paar Dioden 46 und 48 und einen Energierückgewinnungsinduktor 50.
Der Transistor 44 ist vorzugsweise ein bipolarer Sperrschichttransistor.
Der Inverter 34 wird auf eine in der Technik bekannte Weise
zum Übertragen
von Leistung von der Gleichstromquelle 32 zum nichtlinearen
magnetischen Kompressor 36 verwendet. Wie später erörtert wird,
dient der Inverter 34 auch zum Wiederherstellen von von
einer fehlangepassten Last, insbesondere von Elektroden 12 und 14,
reflektierten Abenergie, um die Impulserzeugungseffizienz zu verbessern.
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In
der Figur hat der nichtlineare magnetische Kompressor 36 zwei
Stufen, eine erste Stufe, die einen Speicherkondensator 52,
einen siliciumgesteuerten Gleichrichter 54 und einen Induktor
oder sättigbaren
Induktor 56 beinhaltet, und eine zweite Stufe mit einem
Speicherkondensator 58 und einem sättigbaren Induktor 60.
Zusätzliche
Kompressionsstufen können
bei Bedarf vorgesehen werden, um kürzere, schneller ansteigende
Impulse und höhere
Spannungen zu erzielen. Die Art und Weise, in der die nichtlineare
magnetische Kompression in einer Schaltung dieses Typs erzielt wird,
ist im US-Patent 5,142,166 erörtert.
Grundsätzlich
arbeitet die Schaltung 36 mit den sättigbaren Kernen als Induktoren
in einer Resonanzschaltung. Der Kern jeder Stufe wird gesättigt, bevor
ein erheblicher Anteil der in den Kondensatoren der vorherigen Stufe
gespeicherten Energie übertragen
wird. Das nichtlineare Sättigungsphänomen erhöht die Resonanzfrequenz
der Schaltung um die Quadratwurzel der Abnahme der Permeabilität während der
Sättigung
des Kerns. Energie wird immer schneller von einer Stufe zur nächsten gekoppelt.
Es ist zu bemerken, dass die Kompressionsschaltung 36 beim Übertragen
von Leistung in beiden Richtungen effizient ist, da sie nicht nur
zum Hochsetzen der Frequenz in der Vorwärtsrichtung dient, sondern
die Frequenz auch heruntersetzt, wenn ein Spannungsimpuls reflektiert
wird und in der Kette wieder nach oben kaskadiert. Energie, die
von der/den fehlangepassten Last/Elektroden reflektiert wird, kann
in der Kette wieder nach oben kaskadieren, so dass sie als im Kondensator 42 gespeicherte Umkehrspannung
erscheint und zum nächsten
Impuls addiert werden kann. Insbesondere beginnt, wenn die reflektierte
Ladung neu in den anfänglichen Energiespeicherkondensator 42 kommutiert
wird, der Strom im Energierückgewinnungsinduktor 50 zu
fließen.
Die Kombination aus Kondensator 42 und Spule 50 bildet
eine Resonanzschaltung. Nach einem halben Punkt [wobei t = π/(L50C42)1/2]
ist die Polarität
der Spannung am Kondensator 42 umgekehrt und diese Energie
reduziert die Energie, die zum Neuladen dieses Kondensators von
der Spannungsquelle 32 nötig ist.
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Die
in 1 gezeigten Antriebsschaltungen können auch
auf sehr niederimpedante Lasten abgeglichen werden und können bei
Bedarf komplizierte Impulsformen erzeugen. Die Schaltungen sind
auch für
einen Betrieb mit sehr hohen PRFs geeignet und können auf die Erzeugung von
Spannungen von über einem
Kv zugeschnitten werden.
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1 zeigt
die Zuführung
von Treibgas von einer Leitung 64 durch ein Ventil 66 unter
der Steuerung eines Signals auf Leitung 68 zu einem Verteiler 70,
der eine Reihe von Einlässen 72 im
Gehäuse 28 speist.
Es kann z.B. vier bis acht Einlässe 72 geben, die
im Wesentlichen gleichmäßig um die
Peripherie des Gehäuses 28 in
der Nähe
seines Basisendes beabstandet sind. Die Einlässe 72 münden in
Löcher 74,
die in der Elektrode 14 ausgebildet sind, und diese Löcher sind
abgewinkelt, so dass sie das Teibgas radial und einwärts in Richtung
auf die Basis des Kanals 16 in der Nähe der mittleren Elektrode 12 leiten. Treibgas
kann auch von der Rückseite
des Kanals 16 zugeführt
werden.
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Das
Triebwerk 10 ist so ausgelegt, dass es im Raum oder in
anderen Niederdruck-, nahezu luftleeren Umgebungen und insbesondere
bei einem solchen Druck arbeiten kann, dass es zu einem Durchbruch
auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve kommt. Während die
Druckkurve, für die
dies gilt, mit dem verwendeten Gas und anderen Parametern des Triebwerks
etwas variiert, liegt dieser Druck typischerweise im Bereich von
0,01 bis 10 Torr und beträgt
für bevorzugte
Ausgestaltungen etwa 1 Torr. Für
Drücke
in diesem Bereich reduziert der zunehmende Druck in einer Region
das Durchbruchpotential in dieser Region, so dass die Wahrscheinlichkeit
erhöht
wird, dass es in einer solchen Region zu einem Durchbruch kommt.
Daher kann theoretisch lediglich das Einleiten des Treibgases an der
Basis der Säule 16,
und daher die Erhöhung
des Drucks an dieser Stelle, zu einem/r Durchbruch/Plasmaeinleitung
an dieser Stelle nach Bedarf führen.
In der Praxis ist es jedoch schwierig, sowohl den Gasdruck ausreichend
zu regulieren, um einen vorhersehbaren Durchbruch zu bewirken, als
auch zu erreichen, dass der Druck um die Peripherie der Säule 16 so
gleichförmig
ist, dass es in der ganzen Säule
und nicht nur in einem gewählten
Abschnitt der Säule
zu einem gleichförmigen
Durchbruch kommt.
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Wenigstens
zwei Dinge können
getan werden, um zu gewährleisten,
dass es zu einer gleichförmigen
Plasmaeinleitung an der Basis der Säule 16 kommt und dass
ein solcher Durchbruch zum gewünschten
Zeitpunkt stattfindet. Um zu verstehen, wie diese Durchbruchverbesserungen
erzielt werden, muss man verstehen, dass die erfindungsgemäßen Plasmakanonen
bei Drücken
zwischen 0,1 Torr und 10 Torr und insbesondere bei solchen Drücken arbeiten,
dass es auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve zu einem Durchbruch
kommt. Für
bevorzugte Ausgestaltungen liegt der Druck in der Säule 16 bei
etwa 1 Torr. Bei einer solchen Niederdruckentladung gibt es zwei
Hauptkritieren, die den Gasdurchbruch oder die Einleitung bestimmen:
- 1. Das elektrische Feld in dem Gas muss das Durchbruchfeld
für das
Gas übersteigen,
das von dem verwendeten Gas und dem Gasdruck abhängig ist. Das Durchbruchfeld
geht von einer Elektronenquelle an der Kathode 14 aus,
was als Paschen-Kriterium bekannt ist. In der Niederdruckregion,
in der die Kanone arbeitet, und für die Abmessungen dieser Vorrichtung,
nimmt das elektrische Durchbruchfeld mit zunehmendem Druck ab (dies
erfolgt auf der Niederdruckseite der Paschen-Kurve). Daher erfolgt
der Durchbruch in der Säule 16 an
dem Punkt, an dem der Gasdruck am höchsten ist.
- 2. Zweitens muss es eine Elektronenquelle geben. Selbst wenn
das durchschnittliche elektrische Feld das Durchbruchfeld übersteigt,
geschieht erst dann etwas, wenn die negative Oberfläche beginnt,
Elektronen zu emittieren. Um Elektronen von einer Oberfläche extrahieren,
muss eine von zwei Bedingungen erfüllt sein. Für die erste Bedingung muss
eine Potentialdifferenz in der Nähe
der Oberfläche
erzeugt werden, die den Kathodenabfall oder das Kathodenpotential übersteigt.
Der/das Kathodenabfall/Kathodenpotential ist vom Gasdruck und von
der Zusammensetzung und Geometrie der Oberfläche abhängig. Je höher der lokale Gasdruck, desto
niedriger die benötigte
Spannung. Eine in sich zurückkehrende
Geometrie wie z.B. ein Loch bietet ein stark verbessertes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und
reduziert auch den Kathodenabfall. Dieser Effekt, bei dem ein Loch
vorzugsweise als Elektronenquelle in Bezug auf die benachbarte Fläche wirkt,
wird als Hohlkathodeneffekt bezeichnet. Die zweite Bedingung ist,
dass eine Elektronenquelle von einer Oberflächen-Flashous – Trigger-Quelle
erzeugt werden kann. Diese Bedingungen können einzeln oder beide erfüllt werden.
Die Spannung über
die Elektroden sollte jedoch niedriger sein als die Summe aus Gasdurchbruchpotential
und Kathodenabfallpotential, um eine Störeinleitung zu verhüten.
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So
werden in 1 mehrere Löcher 74 in der Kathode 14 gebildet,
durch die Gas zur Basis der Säule 16 geleitet
wird, und diese Löcher
enden nahe an der Basis der Säule.
In bevorzugten Ausgestaltungen wären
mehrere solcher Löcher
gleichmäßig um die
Peripherie der Säule 16 beabstandet.
Das durch diese Löcher
eintretende Gas, in Verbindung mit dem Hohlkathodeneffekt, der aus
der Anwesenheit dieser Löcher
entsteht, resultiert in einem stark erhöhten Druck im Bereich dieser
Löcher
in der Nähe
der Basis der Säule 16 und
somit in einer Plasmaeinleitung an dieser Stelle in der Säule. Dieses
Verfahren der Plasmaeinleitung reicht zwar für eine Plasmaeinleitung in einigen
Anwendungen aus, aber für
die meisten Anwendungen der erfindungsgemäßen Plasmakanone, besonders
Anwendungen mit hoher PRF, wird es bevorzugt, auch Trigger-Elektroden
in der oben für nachfolgende
Ausgestaltungen beschriebenen Weise vorzusehen, so dass beide Bedingungen
erfüllt sind,
um sowohl die Gleichförmigkeit
als auch die Rechtzeitigkeit der Plasmaeinleitung zu gewährleisten.
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Wenn
ein Triebwerk 10 verwendet werden soll, dann wird das Ventil 66 zunächst geöffnet, um Gas
von einer Gasquelle einzulassen, so dass es durch den Verteiler 70 in
Löcher 74 zum
Kanal 16 fließt.
Da das Ventil 66 im Vergleich zu anderen Komponenten des
Systems relativ langsam arbeitet, wird das Ventil 66 lange
genug offen gelassen, so dass eine Gasmenge in den Kanal 16 fließt, die
ausreicht, um den gewünschten
Schub durch mehrere Plasmaeinleitungen zu entwickeln. So beträgt beispielsweise die
Zykluszeit eines Magnetventils, das als Ventil 66 verwendet
werden könnte,
eine Millisekunde oder mehr. Da es zu Plasmabursts in zwei bis drei
Mikrosekunden kommen kann und da Gas typischerweise über die
Länge der
5 bis 10 cm langen Elektroden, die für Triebwerke bevorzugter Ausgestaltungen
verwendet werden, in etwa 1/4000 einer Sekunde fließen kann,
würde,
wenn es für
jeden Ventilzyklus nur einen Impuls gäbe, nur etwa 1/10 des Treibgases
genutzt. Daher erfolgen zum Erzielen einer hohen Treibgaseffizienz
mehrere Bursts oder Impulse, z.B. wenigstens zehn, während einer
einzelnen Öffnung des
Ventils. Bei jedem einzelnen Impulsburst betrüge die Spitzenleistung etwa
mehrere hundert Kilowatt, um die benötigten Kräfte zu erzeugen. Die Spitzen-PRF
wird anhand von zwei Kriterien bestimmt. Die Impulszeit muss lang
genug sein, damit das vom vorherigen Impuls resultierende Plasma
den Triebwerksausgang entweder verlassen oder sich rekombiniert
hat. Außerdem
muss die Impulszeit kürzer sein
als die Zeit, die nötig
ist, damit kaltes Treibmittel die Länge der Elektroden zurücklegen
kann. Das letztere Kriterium wird zu einem gewissen Grad durch das
verwendete Gas bestimmt. Für
Argon, mit einer typischen Länge
von 5 cm für
die Säule 16,
beträgt die Zeitdauer
für die
Verteilung von Treibmittel über die
Triebwerkselektrodenfläche
nur 0,1 ms, während die
Zeit für
ein schwereres Gas wie Xenon auf etwa 0,2 ms ansteigt. Daher lässt es eine
höhere
Triebwerks-Impulswiederholrate (d.h. etwa 5000 pps oder größer) zu,
dass die Plasmakanone einen höheren Treibmittelwirkungsgrad
von näherungsweise
90% erzielt. Die Burstlängen
der Impulse bei einer einzigen Ventilsteuerung des Fluids kann von
ein paar Impulsen bis zu mehreren Millionen variieren, wobei ein Teil
des Treibstoffs vergeudet wird und daher für kurze Burstlängen ein
niedrigerer Treibstoffwirkungsgrad erzielt wird. Daher sollte der
Burstzyklus nach Möglichkeit
lang genug sein, damit wenigstens der bei einem Mindestzeitzyklus
des Ventils 66 vorhandene Treibstoff voll genutzt werden
kann.
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Bevor
der Treibstoff das Ende der Säule 16 erreicht,
wird der Gate-Transistor 44 aktiviert oder geöffnet, was
zur Folge hat, dass der Kondensator 58 voll aufgeladen
wird, um eine hohe Spannung über die
Elektroden anzulegen (400 bis 800 Volt für bevorzugte Ausgestaltungen),
die entweder alleine oder in Verbindung mit der Zündung einer
Trigger-Elektrode auf eine später
beschriebene Weise zu einer Plasmaeinleitung an der Basis der Säule 16 führt. Dies
hat zur Folge, dass eine Plasmahülle
mit dem inneren und äußeren Leiter
in Verbindung kommt, dass Strom leicht zwischen den Elektroden durch
die Plasmahülle
fließt
und ein Magnetfeld entsteht. Der resultierende magnetische Druck
drückt
axial auf die Plasmahülle
und erzeugt eine JxB-Lorentz-Kraft, die die Plasmamasse bei ihrer
Bewegung entlang den Elektroden beschleunigt. Dies führt zu einer
sehr hohen Plasmageschwindigkeit und die Elektrodenlänge und Anfangsladung
werden so gewählt,
dass der Effektivstrom über
die Elektroden, der zunächst
mit der Zeit ansteigt und dann auf null abnimmt, und die Spannung,
die beim Entladen des Kondensators 58 abnimmt, beide genau
in dem Augenblick auf null zurückkehren,
wenn das Plasma von der Spitze der Elektroden abgestoßen wird.
Wenn das Plasma das Ende der koaxialen Struktur erreicht, dann wurde
das gesamte Gas mitgeführt
oder in das Plasma eingesaugt und vom Ende der Elektroden abgestoßen. Dies
ergibt eine maximale Gasmasse und somit maximales/n Moment/Schub
für jeden
Impuls. Wenn die Länge
der Struktur so gewählt
wurde, dass der Kondensator völlig
entladen ist, wenn das Plasma die Elektrode verlässt, dann sind Strom und Spannung null
und der ionisierte Gasstrom verlässt
das Triebwerk 10 mit hoher Geschwindigkeit. Eine Austrittsgeschwindigkeit
z.B. in einem Bereich von 10.000 bis 100.000 Metern/Sekunde kann
mit Triebwerken erzielt werden, die auf diese Weise arbeiten, wobei
die angewendete Austrittsgeschwindigkeit für eine bestimmte Triebwerksanwendung
optimal ist. Das aufgeweitete Ende 30 des Triebwerks ermöglicht,
durch Erleichtern einer regulierten Ausdehnung der austretenden
Gase, eine Umwandlung eines Teils der thermischen Restenergie in
Schub über
isentropische, thermodynamische Ausdehnung, aber dieser Effekt hat
sich als recht vernachlässigbar
herausgestellt und ein konischer Teil 30 wird im Allgemeinen
nicht verwendet. In der Tat kann, mit Ausnahme des Schutzes der
Elektrode 12, der im Raum im Allgemeinen nicht erforderlich
ist, das Gewicht des Triebwerks 10 reduziert werden, indem
das Gehäuse 28 vollständig weggelassen
wird. Ein Impulsburst kann dadurch beendet werden, dass der Gate-Transistor 44 gesperrt oder
die Quelle 32 auf andere Weise von der Schaltung 36 getrennt
wird.
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2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung eines Triebwerks 10', die sich in
einigen Hinsichten von der in 1 gezeigten
unterscheidet. Erstens, der nichtlineare magnetische Kompressor 36 wurde durch
einen einzelnen Speicherkondensator 80 ersetzt, der in
praktischen Anwendungen typischerweise eine Gruppe von Kondensatoren
wäre, um
eine Kapazität
von etwa 100 Mikrofarad zu erzielen. Zweitens, die Kathode 14 verjüngt sich
in Richtung auf ihr Austrittsende konisch etwas. Drittens, die Figur
zeigt die zündkerzenähnlichen
Trigger-Elektroden 82 als in jedem der Löcher 74 mit
einer entsprechenden Ansteuerungsschaltung 86 für die Trigger-Elektroden steckend;
ein von einem Gehäuseelement 77 gebildeter
interner Gasverteiler 72' ist
vorgesehen, um Treibgas zu den Löchern 74 zu
führen,
dabei ist ein Gaseinlassloch (nicht gezeigt) im Element 77 vorgesehen
und Gasauslasslöcher 84 sind
im Isolator 24 und in der mittleren Elektrode 12 ausgebildet
dargestellt. Wie für
die Ausgestaltung von 1, gäbe es gewöhnlich mehrere, z.B. vier bis
acht, gleichmäßig um die
Peripherie der Kathode 14 beabstandete Löcher 74 mit
einer Trigger-Elektrode 82 in jedem Loch 74 und
einem Gasauslass 84 vorzugsweise gegenüber jedem Loch 74,
um Gas daran zu leiten.
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Der
Kondensator 80 kann zwar in einigen Anwendungen anstatt
der nichtlinearen magnetischen Kompressorschaltung 36 zum
Speichern von Spannung zum Erzeugen von Hochspannungsansteuerungsimpulsen
verwendet werden, aber eine solche Anordnung käme gewöhnlich in Anwendungen zum Einsatz,
bei denen niedrigere PRFs und/oder niedrigere Spannungen nötig sind,
da der Kompressor 36 die Aufgabe hat, sowohl kürzere als auch
höhere
Spannungsimpulse zu erzeugen. Die Schaltung 36 erzeugt
auch die Impulse zu einem Zeitpunkt, der durch die Spannung über den
Kondensator 58 und einen Durchbruch der nichtlinearen Spule 60 bestimmt
wird, was ein besser vorhersehbarer Zeitpunkt ist, als dies mit
dem Kondensator 80 möglich
ist, der grundsätzlich
lädt, bis
ein Durchbruch an der Basis der Säule 16 auftritt, so
dass sich der Kondensator entladen kann.
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Trigger-Elektroden 82 werden
von einer separaten Ansteuerungsschaltung 86 ausgelöst, die Spannung
von der Quelle 32 erhält,
aber ansonsten vom Inverter 34 und vom Kompressor 36 oder
vom Kondensator 80 unabhängig ist. Die Ansteuerungsschaltung 86 hat
zwei nichtlineare Kompressionsstufen und kann als Reaktion auf ein
Eingangssignal zum SCR 87 zum Einleiten der Zündung der
Trigger-Elektroden aktiviert werden. Das Signal zum SCR 87 kann
beispielsweise als Reaktion auf die Erfassung der Spannung oder
Ladung über
den Kondensator 80 und das Einleiten der Zündung erfolgen, wenn
diese Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht, oder als Reaktion
auf einen Zeitgeber, der zu Beginn des Ladens des Kondensators 80 eingeleitet wird,
wobei es dann zu einer Zündung
kommt, wenn genügend
Zeit verstrichen ist, damit der Kondensator den gewünschten
Wert erreichen kann. Bei einem Kompressor 36 könnte die
Aktivierung zeitlich so gesteuert werden, dass sie erfolgt, wenn
der Induktor 60 gesättigt
ist. Eine regulierte Einleitung an der Basis der Säule 84 wird
durch die in sich zurückkehrende
Geometrie des Lochs 74 sowie durch die Tatsache erhöht, dass
der Kanal 16 an seinem Basisende schmäler ist, was den Druck in diesem
Bereich weiter erhöht
und somit, aus den zuvor erörterten
Gründen, eine
Durchbrucheinleitung in diesem Bereich gewährleistet.
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Jede
Trigger-Elektrode 82 ist eine zündkerzenähnliche Struktur mit einem
Schraubabschnitt, der in eine Öffnung 89 im
Gehäuse 77 passt
und darin eingeschraubt wird, um die Elektrode zu befestigen. Das
vordere Ende der Elektrode 82 hat einen Durchmesser, der
geringer ist als der der Öffnung,
so dass Treibgas durch das Loch 74 um die Trigger- Elektrode herum strömen kann.
Das Loch kann beispielsweise einen Durchmesser von 0,44 Zoll haben,
während
die Trigger-Elektrode
an ihrem tiefsten Punkt einen Durchmesser von 0,40 Zoll hat. Das
Trigger-Element 91 der Trigger-Elektrode verläuft in der Nähe des Endes
des Lochs 74 neben der Säule 16, verläuft aber
vorzugsweise nicht in die Säule 16,
um die Elektrode gegen die in der Säule 16 entstehenden
Plasmakräfte
zu schützen.
Das Ende der Elektrode kann beispielsweise vom Ende des Lochs 74 um
eine Distanz beabstandet sein, die etwa gleich dem Durchmesser des
Lochs ist (7/16 Zoll).
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Die
Trigger-Elektrode 82 und die Plasma-Elektroden 12 und 14 werden
zwar von der gemeinsamen Spannungsquelle 32 aktiviert,
aber die Ansteuerungsschaltungen für die beiden Elektroden sind
unabhängig
und erzeugen, während
sie im Wesentlichen gleichzeitig arbeiten, unterschiedliche Spannungen
und Leistungen. Zum Beispiel, während die
Plasmaelektroden typischerweise bei 400 bis 800 Volt arbeiten, kann
an der Trigger-Elektrode eine Spannung von 5 Kv anliegen. Diese
Spannung liegt jedoch für
eine weitaus kürzere
Zeitdauer von beispielsweise 100 ns an, so dass die Leistung weitaus geringer
ist, z.B. 1/20 Joule.
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Ein
weiteres potentielles Problem mit Triebwerken des in den 1 und 2 gezeigten
Typs ist, dass die Lorenz-Kräfte über die
Säule 16 nicht gleichförmig sind,
sondern in der Nähe
der mittleren Elektrode 12 am größten sind und von dort nach
außen
zur äußeren Kathodenelektrode 14 mehr
oder weniger gleichförmig
abnehmen. Infolgedessen tritt Gasplasma entlang einer abgewinkelten
Vorderseite aus, wobei zunächst
von der mittleren Elektrode austretendes Gas und später für Gas, das
in Richtung auf die äußere Elektrode
austritt. Die äußere Elektrode 14 könnte daher
kürzer
sein, um einen gleichförmigen
Austritt von Gas aus dem Triebwerk über das Triebwerk zu erleichtern,
aber dies erfolgt für
bevorzugte Ausgestaltungen nicht. Die Konizität dieser äußeren Elektrode hat denselben
Grund wie die Konizität
in der Region 30 des Gehäuses 28 und ist aus denselben
Gründen
wie oben in Verbindung mit dieser konischen Region erörtert fakultativ.
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Das
Problem der ungleichmäßigen Geschwindigkeit
in der Säule 16 wird
auch in 2 dadurch gelöst, dass
Gas von der mittleren Elektrode in die Säule 16 eintritt, was
dazu führt,
dass eine größere Gasmasse
an der mittleren Elektrode vorliegt als an der äußeren Elektrode. Wenn dies
sorgfältig
so geschieht, dass die größere Masse
in der Nähe
der mittleren Elektrode die größeren Beschleunigungskräfte daran
ausgleicht, dann kann eine gleichförmigere Geschwindigkeit radial über die
Säule 16 erzielt werden,
so dass Gas/Plasma gleichförmig
(d.h. mit einer Front lotrecht zu den Elektroden) aus dem Ende des
Triebwerks austritt. Diese Korrektur ist ein Grund dafür, warum
eine kürzere äußere Elektrode
im Allgemeinen nicht erforderlich ist.
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Mit
Ausnahme der oben erörterten
Unterschiede, arbeitet das Triebwerk von 2 in derselben
Weise wie das Triebwerk von 1. Ferner
ist in den Figuren zwar ein einzelnes Triebwerk in einer Raum- oder
anderen Anwendung dargestellt, aber es könnten auch mehrere solcher
Triebwerke, z.B. zwölf,
verwendet werden, die jeweils mit weniger als 1 Joule/Impuls arbeiten
und jeweils weniger als 1 kg wiegen. Alle Triebwerke würden mit
einer zentralen Stromversorgung gespeist, würden mit einem zentralen Steuersystem
arbeiten und würden
Treibstoff von einer gemeinsamen Quelle erhalten. Letzteres ist von
besonderem Vorteil für
das Triebwerk der vorliegenden Erfindung, da die Manövrierlebensdauer
eines das Triebwerk verwendenden Raumfahrzeugs nicht durch die Treibstoffversorgung
für das/die
am häufigsten
benutzte(n) Triebwerk(e) diktiert wurde, wie dies für einige
Feststofftriebwerke der Fall ist, sondern nur von dem an Bord des
Fahrzeugs befindlichen Treibstoff.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltung einer Plasmakanone gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung, und diese Kanone ist für den Einsatz
als Strahlungsquelle anstatt als Triebwerk adaptiert. Diese Ausgestaltung
der Erfindung verwendet einen Treiber wie den in 1 gezeigten
mit einem DC-DC-Inverter 34 und einem nichtlinearen magnetischen
Kompressor 36, und hat auch einen Verteiler 72', der Gas durch
Löcher 74 der
Kathoden- und um Trigger-Elektroden 82 zuführt. Für diese
Ausgestaltung wird jedoch kein Treibstoffgas von der mittleren Elektrode 12 eingeleitet.
Die Kathodenelektrode ist für
diese Ausgestaltung der Erfindung auch nicht konisch und hat im
Wesentlichen dieselbe Länge
wie die mittlere Elektrode 12. Schließlich, und das ist am wichtigsten,
sind die Elektroden 12 und 14 für diese Ausgestaltung
der Erfindung kürzer
als für
die Triebwerksausgestaltungen, so dass Gas/Plasma das Ende der Elektroden/Säule 16 erreicht,
wenn der Entladestrom maximal ist. Der Kondensator nähert sich zu
diesem Zeitpunkt dem Halbspannungspunkt. Für die Strahlungsquellenanwendung
kann ferner die äußere Elektrode 14 massiv
oder perforiert sein. Es wurde gefunden, dass beste Ergebnisse typischerweise
mit einer äußeren Elektrode
erzielt werden, die aus einer Sammlung gleichmäßig beabstandeter Stäbe besteht,
die einen Kreis bilden. Mit der oben beschriebenen Konfiguration
erzeugt das Magnetfeld, wenn das Plasma vom Ende der mittleren Elektrode
abgetrieben wird, eine Kraft, die das Plasma in einen Pinch treibt
und seine Temperatur drastisch erhöht. Je höher der Strom, und somit das
Magnetfeld, desto höher
die endgültige
Plasmatemperatur. Auch die Gasdichte kann mühelos profiliert werden, so dass
eine gleichförmigere
Geschwindigkeit über
die Säule 16 erzielt
wird, und es wird typischerweise eine statische, gleichförmige Gasfüllung benutzt.
Daher braucht das Gas nicht am Basisende der Säule 16 eingeleitet
zu werden, obwohl dies weiterhin bevorzugt wird. Da das Gas nicht
profiliert wird, ergibt sich eine Geschwindigkeit, die am mittleren
Leiter 12 weitaus höher
ist als am äußeren Leiter 14.
Die Kapazität am
Treiber, die Gasdichte und die Elektrodenlänge werden so eingestellt,
dass gewährleistet
ist, dass die Plasmaoberfläche
vom Ende der mittleren Elektrode abgetrieben wird, während sich
der Strom seinem Maximalwert nähert.
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Wenn
das Plasma vom Ende des mittleren Leiters abgetrieben ist, wird
die Plasmaoberfläche nach
innen gedrückt.
Das Plasma bildet die Form eines Schirms oder einer Wasserfontäne. Der
durch die Plasmasäule
fließende
Strom unmittelbar neben der Spitze des mittleren Leiters erzeugt
einen Einlassdruck, der das Plasma nach innen pincht, bis der Plasmadruck
ein Gleichgewicht mit dem einwärts
gerichteten Magnetdruck erreicht.
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Mit
dieser Technik können
Temperaturen von mehr als dem 100-fachen der Sonnenoberfläche am Pinch
erzielt werden. Die Strahlungsintensität bei einer bestimmten Wellenlänge wird
in Watt/Meter2/Hertz angegeben und variiert
in Abhängigkeit
von der Frequenz oder Wellenlänge
der Strahlung, der Temperatur und dem Emissionsvermögen. Das
Emissionsvermögen
ist eine Funktion, die einen Maximalwert von eins hat, und es ist
wichtig, ein Gas zu wählen,
das bei der gewünschten
Ausgangsfrequenz/wellenlänge
ein maximales Emissionsvermögen
hat. Für
den Fall von Strahlung mit einer Wellenlänge von 13 nm wird die Strahlung
dann am effizientesten erzeugt, wenn die Temperatur am Pinch 500.000°K beträgt, und
die beste Wahl von Gasen zum Erzeugen dieser Frequenz sind Xenon
und Lithiumdampf. Wenn Xenon verwendet wird, dann muss es auf die
unmittelbare Nähe
der Pinch-Stelle beschränkt
werden, weil es bei dieser Wellenlänge so absorptiv ist. Für eine illustrative
Ausgestaltung wurde der Kern des mittleren Leiters mit Lithium gefüllt, das
vom Pinch vaporisiert und kontinuierlich von hinten ersetzt wird.
Die Säule 16 wird
mit Argon oder Helium mit einem Statikdruck von etwa 1 Torr gefüllt, wobei
Helium bevorzugt wird. Was die Triebwerksausgestaltungen betrifft,
so erfordern diese, dass die gesamte Strahlungsquelle 90 in
einer nahezu luftleeren Umgebung gehalten wird, und dies ist ferner
deshalb erforderlich, weil Strahlung im EUV-Band leicht absorbiert
wird und nicht für
nützliche
Arbeiten in einer anderen als einer nahezu luftleeren Umgebung genutzt
werden kann. Da Treibstoffeffizienz für diese Ausgestaltung nicht
so wesentlich ist, kann es für
jeden Ventilzyklus einen einzelnen Strahlungsburst geben, oder die
Ventilzyklusdauer und die Zahl der Impulse/Bursts können so
gewählt
werden, dass die Strahlung für
eine gewünschte
Dauer erzielt wird.
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Es
wurden zwar oben Parameter zum Erzeugen von Strahlung bei 13 nm
erörtert,
aber auch Strahlung bei anderen Wellenlängen innerhalb des EUV-Bands
kann durch Regulieren verschiedener Parameter der Strahlungsquelle 90 und
insbesondere durch eine sorgfältige
Wahl des verwendeten Gases, des maximalen Stroms von der Hochspannungsquelle,
der Plasmatemperatur im Pinch-Bereich und dem Gasdruck in der Säule erzielt
werden.
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Während viele
verschiedene Gase für
die oben beschriebenen Plasmakanonen zum Einsatz kommen können, werden
Inertgase wie Argon und Xenon häufig
bevorzugt. Es können
auch andere Gase zum Einsatz kommen, wie z.B. Stickstoff, Hydrazin,
Helium, Wasserstoff, Neon und wenigstens für die 13 nm Strahlungsquelle – Lithiumdampf.
Es könnten
auch andere Gase verwendet werden, um gewählte EUV-Wellenlängen zu
erzielen, wobei die Plasmakanone als Strahlungsquelle verwendet
wird.
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Es
wurden zwar oben verschiedene Ausgestaltungen erörtert, aber es ist offensichtlich,
dass diese Ausgestaltungen lediglich beispielhaft sind und die Erfindung
nicht beschränken
sollen. So sind beispielsweise die illustrierten Treiber für die Anwendungen
vorteilhaft, aber es können
auch andere Hoch-PRF-Treiber mit geeigneter Spannung und geeigneten
Anstiegszeiten verwendet werden, die keine Hochspannungsumschaltung
benötigen.
Ebenso wurden zwar verschiedene Plasmaeinleitungsmechanismen beschrieben,
wobei der Elektroden-Trigger bevorzugt wird, aber es könnten auch
andere Methoden zum Einleiten eines Plasmadurchbruchs in geeigneten
Anwendungen zum Einsatz kommen. Auch die für die Plasmakanone angegebenen
Konfigurationen der Elektroden und der Anwendungen sind lediglich
illustrativ zu verstehen. Somit wurde zwar die Erfindung oben mit
Bezug auf bevorzugte Ausgestaltungen speziell dargestellt und beschrieben,
aber die Fachperson kann die obigen und andere Änderungen im Hinblick auf Details
vornehmen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, und die Erfindung
ist lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt.