KRI 考夫曼离子源应用案例发布日期:2020-08-28

考夫曼离子源 KRI 创始人 Harold Kaufman


KRI 离子源的来源

KRI 由哈罗德·考夫曼(Harold Kaufman)和史蒂夫·罗宾逊(Steve Robinson)于1978年成立, 考夫曼·罗宾逊(Kaufman&Robinson)的目标是进行研究以突破宽光束源技术的边界. 作为其研究和开发任务的一部分, KRI 承担的离子束产品的开发用于工业应用. 特别是, KRI 履行合同以设计为在材料的真空处理使用市售的宽射束源, 例如薄膜沉积和等离子蚀刻.


哈罗德·考夫曼 Harold Kaufman 博士入选 NASA 格伦研究中心名人堂

在 2016年, 作为离子推进技术的开拓者, 美国宇航局 NASA 为表彰他杰出贡献, 将哈罗德·考夫曼 Harold Kaufman 博士列入 NASA 格伦研究中心名人堂. 宇航局 NASA 高度赞扬了考夫曼博士“发明实验性航天硬件系统的罕见之处在于, 不仅在测试中得到了证明, 而且今天已经在太空飞行.”


1960年代初期, 中心研究员哈罗德·考夫曼(Harold Kaufman)开发了电子轰击离子推进器. 随后的所有美国离子推进系统都源自他最初的 Kaufman 推进器, 而电力推进仍然是该中心的核心能力之一. 从 NASA 退休后, 考夫曼博士将该技术应用于多种地球应用, 并开发了无栅格推进器, 该推进器已成为另一个行业标准.

 

考夫曼于1926年出生于爱荷华州奥杜邦, 但在伊利诺伊州埃文斯顿长大. 在第二次世界大战期间, 他接受了海军电气工程师的培训. 然而, 战争结束后, 他决定在西北大学攻读机械工程学位. 1951年毕业后不久, 他加入了NACA刘易斯研究中心, 最初从事航空推进问题, 例如加力燃烧室冷却和实验性在喷气发动机中使用液态氢.

 

苏联于1957年发射人造地球卫星(Sputnik)之后, NACA 成为了新的 NASA 航天局的一部分, 并且该中心进行了改组, 专注于与太空有关的问题. 电推进涉及离子推进器, 离子推进器产生带电的等离子体并将其作为推力排出. 这个概念并不是什么新鲜事物, 但是当美国宇航局刘易斯在1958年开始努力时还没有得到证实. 航天用电推进的类型.

 

1958年, 考夫曼被重新任命为新的电磁推进师. 最初指示他使用曼弗雷德·冯·阿登纳(Manfred Von Ardenne)设计的双等离子体加速器设计推进器, 但很快意识到这是不切实际的. 他开始研究自己的双等离子体加速器, 其性质相似, 但使用的比例不同. 考夫曼第二年就研究了等离子体物理学以及在低压条件下产生大电流的方法. 经过刘易斯机械厂的反复试验后, 考夫曼决定自行设计推进器. 电子轰炸推进器(考夫曼推进器)出现了.

 

考夫曼的引擎蒸发了液态汞, 然后汞被电子轰击以产生更多的电子和离子. 带负电的电场和带正电的屏幕将离子作为推力向后拉出离子并从发动机中拉出. 该推进器已在 Lewis 真空设备中进行了广泛的测试, 并获得了出色的结果.

 

1960年, 考夫曼和他的同事们开始计划进行太空电子火箭测试(SERT I), 以测试太空中的推进器. 1964年7月发射的SERT I航天器还包括在 NASA 马歇尔太空飞行中心设计的另一种推进器. 考夫曼的推进器运转了30分钟以上, 但马歇尔发动机未能启动. 我提供了空间电动推进的第一个演示.

 

1964年, 考夫曼被任命为离子物理分部负责人, 并开始计划对其推进器SERT II 进行第二次太空演示. SERT II 使用了两个太阳能汞离子轰击推进器. 刘易斯对推进器进行了一系列测试, 包括长期性能. 尽管 SERT II 的最初任务于1970年2月启动, 但没有达到预定的6个月工期, 但工程师得以在1973年重新启动发动机. 然后, 他们能够操作推进器8年, 并进行了数百次重新启动. 

 

在此期间, 电磁推进部门不仅提高了考夫曼推进器的离子加速度, 产生能力, 效率和寿命, 而且还开发了替代电动推进器. 考夫曼(Kaufman)于1968年被任命为该部门的助理主任, 并获得了博士学位. 1971年, 他在科罗拉多州立大学(CSU)任教. 考夫曼博士和他的推进器在此期间得到了广泛认可. 1969年, 美国航空航天学会(AIAA)向他授予了詹姆斯·H·怀尔德推进奖, 该推进器于1970年获得了 IR 100奖(R&D 100奖的前身), 考夫曼于1971年获得了 NASA 的杰出服务奖.

 

在1960年代末和1970年代初, NASA 的预算迅速减少, 特别是对于开发周期长的计划(例如电力推进)而言. 在1972年的重组中, 电磁推进部解散了. 在担任新的航天器技术部助理主任两年之后, 考夫曼博士于1974年6月退休, 新的航天器技术部是电力推进部门的其中一个部门, 而该部门只是其中的几个部门之一.

 

考夫曼博士随后接受了科罗拉多州立大学物理与机械工程系的教职并返回研究. 后来他评论说:“我很荣幸在担任经理15年之后, 仍然有足够的能力回去自己工作. ” 他从1978年开始担任物理系主任, 直到1984年退休.

 

在他的学术生涯中, 考夫曼博士意识到其他人正在探索离子轰击技术的替代应用. 他接受了 IBM 的邀请, 为薄膜应用修改电子束. 该技术的近期发展使他兴奋. 他后来声称在头两个月每周平均获得专利. 一位同事断言, 考夫曼博士拥有 IBM 公司所有专利中最多的专利.

 

考夫曼博士将其离子源用于蚀刻和溅射等工艺. 考夫曼离子源现在还用于其他应用, 例如半导体加工中使用的离子注入机.

 

从 CSU 退休后, Kaufman 博士成立了 Kaufman&Robinson, Inc., 以继续他的工作, 其中包括发明了Hall 离子源, 这是当今工业中使用的大多数无栅离子源的基础. Kaufman 博士目前是科罗拉多州柯林斯堡(Fort Collins)科罗拉多州立大学(CSU)的名誉教授, 并经营着  Kaufman和 Robinson, Inc..

 

同时, 美国宇航局的研究人员继续推进考夫曼推进器设计用于太空推进. 这最终导致1990年代 NASA Lewis 与喷气推进实验室合作开发了 NASA 太阳能电力技术应用就绪(NSTAR)推进器. 1998年, 美国国家航空航天局使用 NSTAR 推进器为其“深空I”航天器提供动力. 这是第一架使用离子推进器作为主要推进系统的航天器. NSTAR 还为2007年的 Dawn 飞船提供了动力, 该飞船目前正在探索小行星带中的大型物体. 此后, 该中心开发了功能更强大的版本-NASA的进化型氙气推进器(NEXT). 所有这些都源于1960年代初期考夫曼的发明.

 

考夫曼的离子推进器是迄今为止该中心中最具影响力和影响深远的技术之一.

 

格伦的研究人员扎根于考夫曼(Kaufman)的工作, 继续完善这项技术, 并开发了下一代长时间航天技术.

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