ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1994 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей на основе ускорителей с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) и технологических источников ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме.

Известны плазменные ускорители с замкнутым дрейфом электронов, содержащие разрядную камеру, анод - газораспределитель, установленный в разрядной камере, катод и магнитную систему [1]. Эти ускорители имеют широкие возможности по ионизации и ускорению различных веществ.

Наиболее близким к предложенному техническим решением является ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру, расположенный в разрядной камере анод - газораспределитель, катод и магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, расположенными у выходной части разрядной камеры [2]. Это техническое решение рассматривается далее в качестве прототипа.

Однако, несмотря на определенные преимущества перед другими типами ускорителей, в известном ускорителе в процессе его работы происходит эрозия элементов магнитной системы и катода вследствие их распыления ионами рабочего тела. Образовавшиеся в процессе распыления продукты эрозии могут попадать в струю рабочего тела и, в случае использования ускорителя в качестве технологического источника плазмы, изменять качество обрабатываемых поверхностей. Эти же продукты распыления (в основном металлы) попадают также на внутреннюю поверхность изолятора разрядной камеры и образуют на ней проводящие пленки, ведущие к увеличению тока пристеночной проводимости и, как следствие, к уменьшению тягового КПД в случае использования УЗД в качестве электрореактивных двигателей. Материалы распыления могут образовывать на поверхности элементов конструкции космических аппаратов, например, на солнечных батареях, проводящие слои, которые уменьшают электрическое сопротивление изоляции между токоведущими цепями, что может способствовать отказам батарей.

Кроме того, при распылении полюсов магнитной системы происходит изменение их геометрии, что приводит к изменению геометрии магнитного поля (формы магнитной линзы) и, как следствие, к изменению характеристик потока рабочего тела.

Воздействие потоков ускоренных ионов рабочего тела на элементы конструкции ускорителя, а также потоков излучения от разряда на конструкцию, особенно для ускорителей с вынесенной зоной ускорения, когда значительная часть ускоряющего потенциала срабатывается за срезом ускорителя, приводит к перегреву конструкции, так как при использовании ускорителей в качестве электрореактивных двигателей теплосъем с него может осуществляться либо в конструкции космического аппарата за счет теплопроводности через всю конструкцию ускорителя, либо излучением внешней поверхности ускорителя.

Цель изобретения - предотвращение эрозии элементов конструкции магнитной системы и катода, контактирующих с плазмой рабочего тела ускорителя, и попадания продуктов эрозии в струю рабочего тела и в разрядную камеру при одновременном улучшении теплосброса с конструкции ускорителя.

Цель достигается за счет того, что в известном плазменном ускорителя, содержащем разрядную камеру, в которой установлен анод-газораспределитель, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, расположенными у выходного сечения разрядной камеры и катод-компенсатор, размещенный за срезом разрядной камеры, на поверхностях элементов магнитной системы и катода-компенсатора, контактирующих с генерируемой плазмой рабочего тела, выполнено покрытие из материала, стойкого к катодному распылению ионами рабочего тела, со степенью черноты не менее чем 0,8.

Покрытие может быть выполнено в виде накладок (пластинок), имеющих толщину, достаточную для работы в течение всего времени задаваемого ресурса работы ускорителя, а также нанесено напылением.

Покрытие, выполненное на поверхностях магнитной системы и катода-компенсатора, позволяет предотвратить эрозию этих элементов и одновременно улучшить условия теплосброса.

На чертеже показан предлагаемый ускоритель.

Ускоритель содержит разрядную камеру 1 с расположенным в ней анодом-газораспределителем 2, катод 3 и магнитную систему с наружным 4 и внутренним 5 полюсами. На наружный 4 и внутренний 5 полюса магнитной системы и катод 3, контактирующие с плазмой рабочего тела, нанесено защитное покрытие 6 из материала, стойкого к бомбардировке ионами рабочего тела, выполненное, например, в виде профилированных по форме элементов конструкции ускорителя накладок из нитрида бора, степень черноты которого равна 0,83. Защитное покрытие может быть выполнено также напылением слоя из окиси алюминия, степень черноты которого равна 0,87.

Ускоритель работает следующим образом. По команде на включение начинается подготовка (нагрев) катода 3 и подача рабочего тела в анод-газораспределитель 2 и катод. По истечении времени подготовки подается поджигное напряжение на катод и напряжение основной цепи разряда между анодом и катодом. После запуска ускорителя нагрев катода и поджигное напряжение отключаются. Образовавшиеся в разряде ионы рабочего тела ускоряются в электрическом поле, образованном электронами, дрейфующими в магнитном поле, образованном между полюсами 4 и 5 магнитной системы. При работе ускорителя все его элементы находятся под плавающим потенциалом, который близок к потенциалу плазмы рабочего тела. Этот потенциал может превышать энергию связи атомов материалов, из которых изготовлена конструкция ускорителя, что приводит к эрозии элементов его конструкции. Благодаря покрытию поверхностей, контактирующих с плазмой, износостойким покрытием эрозии элементов конструкции ускорителя не происходит и истекающий поток рабочего тела остается чистым.

В то же время высокая степень черноты защитного покрытия позволяет улучшить условия теплосброса излучением с внешней поверхности ускорителя.

Использование: плазменная технология, электрореактивные двигатели космических аппаратов. Сущность изобретения: элементы магнитной системы и катоды плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, контактирующие с плазмой рабочего тела, покрываются материалом, стойким к бомбардировке ионами рабочего тела, со степенью черноты не менее, чем 0,8. Покрытие может быть выполнено в виде накладок, профилированных по форме элементов конструкции. Покрытие может быть нанесено на элементы конструкции напылением. За счет данного выполнения плазменного ускорителя предотвращается эрозия элементов конструкции магнитной системы и катода, контактирующих с плазмой рабочего тела, и улучшается теплообмен с окружающей средой. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий разрядную камеру, в которой установлен анод-газораспределитель, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, расположенными у выходного сечения разрядной камеры, и катод-компенсатор, размещенный за срезом разрядной камеры, отличающийся тем, что на поверхностях элементов магнитной системы и катода-компенсатора, контактирующих с генерируемой плазмой рабочего тела, выполнено покрытие из материала, стойкого к катодному распылению ионами рабочего тела, со степенью черноты не менее чем 0,8. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что покрытие выполнено в виде накладок, профилированных по форме элементов конструкции. 3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что покрытие на элементы конструкции нанесено напылением.