УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1995 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к космической технике, в частности к электрореактивным двигательным установкам, и плазменно-вакуумной технологии, в частности к исполнительным органам систем напыления, сухого травления, ионной очистки материалов, и может использоваться в областях прикладного применения плазменных ускорителей.

Известны ускорители плазмы с замкнутым дрейфом электронов, содержащие магнитную систему, разрядную камеру с анодом-газораспределителем и катод-компенсатор [1] Высокоэффективная ионизация и ускорение ионов осуществляется в самосогласованном электрическом поле благодаря вентильным свойствам разряда в скрещенных ExB-полях.

Наиболее близким к изобретению является ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, содержащий магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами, элементы намагничивания в виде катушек и магнитопроводы, кольцевую разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения и анодом-газораспределителем и катод-компенсатор [2]
Недостатками известных ускорителей являются низкие КПД и ресурс, обусловленные профилем конструкции их разрядной камеры, и связанные с ним пристеночные энергетические потери плазмы.

Прежде всего это связано со значительной протяженностью стенок разрядной камеры в зоне ионизации и прианодной зоне, на которых происходит рекомбинация ионов и электронов. Известно, что из-за гибели ионов на протяженных стенках в среднем половина ионов, попадающих в зону ускорения, испытывают акты ионизации, рекомбинации на стенках и повторной ионизации, что приводит к соответствующему увеличению энергозатрат на ионизацию рабочего тела. Интенсивная гибель частиц на стенках приводит к появлению значительных градиентов электронного давления, искажающих эквипотенциалы E-поля таким образом, что значительная доля ускоряемых ионов взаимодействует со стенками зоны ускорения, приводя к их эрозии, и соответственно к дополнительным энергетическим потерям ускоряемого потока плазмы.

Равномерная удаленность анода и зон впрыска рабочего газа в разрядной камере по высоте канала от среза не позволяет активно управлять распределением концентрации плазмы на входе в зоне ускорения и тем самым скомпенсировать расфокусирующие радиальные поля.

Задача изобретения увеличение КПД и ресурса, а также улучшение фокусировки ускоренного ионного потока.

Для этого в ускорителе плазмы с замкнутым дрейфом электронов, содержащем кольцеобразную разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной кольцеобразными стенками, в полости которой установлен анод кольцеобразной формы, газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами подачи рабочего тела в разрядную камеру, магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами, образующими рабочий магнитный зазор в области среза канала разрядной камеры, магнитопроводом и по меньшей мере одним источником магнитодвижущей силы, и катод-компенсатор, магнитная система дополнительно снабжена кольцеобразными внутренним и наружным магнитными экранами выполненными из магнитомягкого материала, установленными с зазорами относительно противолежащих магнитных полюсов и охватывающими канал разрядной камеры соответственно с внутренней и наружной стороны, при этом по крайней мере большая часть стенок разрядной камеры, обращенных к зоне ионизации, расположена перпендикулярно хотя бы одной из силовых линий магнитного поля, пересекающих поверхность стенок, в аноде выполнена полость, края которой расположены у наружной и внутренней стенок разрядной камеры, а ее центральная часть сообщена с каналами подачи рабочего тела в разрядную камеру, причем кривизна стенок, образующих анодную полость, выбрана так, что их поверхность охватывает магнитные силовые поверхности в зоне ионизации.

Стенки разрядной камеры, обращенные к зоне ионизации, могут быть расположены перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры.

Магнитные экраны могут быть изолированы от других элементов магнитной системы и соединены между собой с тыльной стороны анода магнитопроводящей перемычкой, при этом стенки разрядной камеры в области расположения анода образованы магнитными экранами.

Анодная полость может быть сообщена по меньшей мере с двумя дополнительными каналами подачи рабочего тела в разрядную камеру, расположенными соответственно у внутреннего и наружного края анодной полости.

Ускоритель может быть снабжен дополнительными газораспределителями, при этом каждый дополнительный канал сообщен с соответствующим дополнительным газораспределителем с автономным каналом подвода рабочего тела.

Дополнительные газораспределители могут быть снабжены по меньшей мере одним общим каналом подвода рабочего тела.

Задача по повышению КПД и ресурса решена за счет снижения пристеночных энергетических потерь в разрядной камере путем расположения стенок разрядной камеры в зоне ионизации перпендикулярно силовым линиям в области сильного магнитного поля, что позволяет предельно сократить поверхность взаимодействия плазмы со стенками и, следовательно, снизить вероятность рекомбинации на стенках осциллирующих в прианодной области ионов. При этом фактически вся зона ионизации расположена внутри полого анода, поверхность которого, охватывая зону дрейфующих электронов, обеспечивает их замыкание на анод. Кроме того, размещение стенок зоны ионизации разрядной камеры в области более сильного магнитного поля по сравнению с прототипом соответственно усиливает эффект запирания электронов в магнитных пробках, что приводит к уменьшению электронного тока на стенки и соответственно обратного пристеночного электронного тока.

Задача улучшения фокусировки ускоренного ионного потока решена за счет снижения пристеночных потерь ионов в зоне ионизации и выполнения резко конфузорного профиля разрядной камеры в зоне ионизации, что позволяет существенно выравнять концентрацию ионов в критическом сечении разрядной камеры на входе в зону ускорения, снижая при этом радиальные поля градиента электронного давления, что позволяет обеспечить более сфокусированное ускорение ионов между эквипотенциалами E-поля.

Введение в конструкцию ускорителя магнитных экранов позволяет создать в разрядной камере магнитное поле требуемой конфигурации с высоким градиентом радиальной составляющей вектора магнитной индукции.

Задача по повышению концентрации плазмы в пристеночных участках на входе в зону ускорения и, соответственно, улучшению фокусировки ионного потока решена за счет того, что стенки разрядной камеры в зоне ионизации выполнены под углом, близким к нормали по отношению к оси ускорителя. Это техническое решение обеспечивает усиление конфузорности профиля зоны ионизации и тем самым увеличивает пристеночные объемы плазмы, откуда и происходит приток ионов в вышеуказанные пристеночные участки на входе в зону ускорения.

Задача по повышению эффективности управления концентрацией плазмы в пристеночных участках решена за счет предлагаемой геометрии разрядной камеры, в которой появляется возможность осуществления дополнительного впрыска рабочего газа в пристеночной области, когда глубина зоны ионизации по мере приближения к ее стенкам становится меньше ширины ускорительного канала.

В том случае, когда в ускорителе анод снабжается дополнительными каналами подачи рабочего газа, расположенными на выходе из анодной полости около наружной и внутренней стенок разрядной камеры, становится возможным добиться более высокой фокусировки ионного потока, задав в газораспределителе определенное соотношение между подачей газа в глубину анодной полости и в пристеночной зоне.

Возможность внешнего регулирования фокусировкой ускоряемого потока ионов достигается за счет возможности управления независимой подачей рабочего газа в центральную и периферийные части анодной полости, для чего в ускорителе газораспределители дополнительных каналов подачи рабочего газа в разрядную камеру снабжены независимыми каналами подвода рабочего газа.

Предложенный ускоритель с геометрией разрядной камеры имеет предельно реализуемый минимальный диаметр ускорительного канала, так как стенки зоны ионизации выполнены практически по радиусу и их масштабное уменьшение ограничено средней длиной свободного пробега нейтрала в пристеночной зоне. Очевидный выигрыш дает сужение толщины стенок разрядной камеры, охватывающих полый анод и газораспределитель, и расширение таким образом разрядной камеры вплоть до колец магнитных экранов. Предельный вариант такого решения предложен в ускорителе, в котором кольцевые магнитные экраны связаны сплошной перемычкой и выполнены в виде стенок разрядной камеры, охватывающих полый анод и газораспределитель, и электрически не связанными с остальными элементами конструкции магнитной системы.

На чертеже показан продольный разрез предлагаемого ускорителя.

Ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов содержит кольцевую разрядную камеру, образованную внутренней и наружной кольцевыми стенками 1, с зонами 2 и 3 ионизации и ускорения соответственно, разделенными эквипотенциалью электрического поля 4, полый анод 5 с каналами 6 для подачи рабочего газа в разрядную камеру, газораспределители 7 с каналами 8 подвода рабочего газа в газораспределители, магнитную систему, создающую в разрядной камере радиальное магнитное поле с силовыми линиями 11 и содержащую наружный 9 и внутренний 10, магнитные полюсы, катушки 12 намагничивания (источник магнитодвижущей силы), кольцевые магнитные экраны 13 с перемычкой 14, магнитопровод 15 и катод-компенсатор 16.

Ускоритель работает следующим образом.

Рабочий газ поступает от газораспределителей 7 через каналы 6 подачи в зону 2 ионизации разрядной камеры, образованной стенками 1, где происходит ионизация его атомов электронным ударом дрейфующими в скрещенных EхB-полях электронами. Магнитное поле создается путем запитывания катушек 12 намагничивания магнитной системы, при этом магнитный поток, замыкаясь через магнитопроводы 15, магнитные полюса 9 и 10 и частично через магнитные экраны 13 и 14, образует требуемую конфигурацию. Ионы, поступая на эквипотенциалы ускоряющего поля 4 в начале зоны 3 ускорения, ускоряются падающей в этой зоне разностью потенциалов. Фокусирующее воздействие формируется радиальными полями градиентов концентрации плазмы по высоте канала на входе в зону ускорения посредством управления распределением этой концентрации в центральном и пристеночных участках путем перераспределения подачи газа в эти участки через каналы 8 его подвода в газораспределители. Ускоренный ионный поток компенсируется на выходе из ускорителя электронами, истекающими из катода-компенсатора 16, часть которых, дрейфуя в азимутальном направлении в скрещенных ExB-полях, поступает на анод 5, компенсируя ионный поток в зоне ускорения и принимая участие в столкновительных процессах в зоне ионизации.

Использование: космическая техника и плазменно-вакуумные технологии. Сущность изобретения: ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов содержит кольцеообразную разрядную камеру, образованную внутренней и наружной кольцевыми стенками 1, с зонами 2 и 3 ионизации и ускорения соответственно, разделенными эквипотенциально электрического поля 4, анод 5 с каналами 6 для подачи рабочего газа в разрядную камеру, газораспределители 7, каналы 8 подвода рабочего газа в газораспределители, магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами 9 и 10, источником 12 магнитодвижущейся силы и магнитопроводами 15 и катод-компенсатор 16. Магнитная система дополнительно снабжена внутренним и наружным магнитными экранами 13 с перемычкой 14, выполненными из магнитомягкого материала. По меньшей мере большая часть стенок разрядной камеры, обращенных к зоне ионизации, расположена перпендикулярно хотя бы одной из силовых линий 11 магнитного поля, которые проходят через эти стенки. В аноде выполнена полость, края которой расположены у наружной и внутренней стенок разрядной камеры. Центральная часть полости сообщена с каналами подачи рабочего тела в разрядную камеру. Кривизна стенок, образующих анодную полость, выбрана таким образом, что их поверхность охватывает магнитные силовые поверхности в области ионизации. Изобретение позволяет снизить пристеночные потери и улучшить фокусировку ускоряемого ионного потока в разрядной камере, снизить скорость эрозии стенок в зоне ускорения и соответственно обеспечить более низкий процент содержания продуктов распыления стенок разрядной камеры в ионном пучке. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий кольцеобразную разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной кольцеобразными стенками, в полости которой установлен анод кольцеобразной формы, газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами подачи рабочего тела в разрядную камеру, магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами, образующими рабочий магнитный зазор в области среза канала разрядной камеры, магнитопроводом и по меньшей мере одним источником магнитодвижущей силы, и катод-компенсатор, отличающийся тем, что магнитная система дополнительно снабжена кольцеобразными внутренним и наружным магнитными экранами, выполненными из магнитомягкого материала, установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов и охватывающие канал разрядной камеры соответственно с внутренней и наружной сторон, при этом по крайней мере большая часть стенок разрядной камеры, обращенных к зоне ионизации, расположена перпендикулярно хотя бы одной из силовых линий магнитного поля, пересекающих поверхность стенок, в аноде выполнена полость, края которой расположены у наружной и внутренней стенок разрядной камеры, а ее центральная часть сообщена с каналами подачи рабочего тела в разрядную камеру, причем кривизна стенок, образующих анодную полость, выбрана такой, что их поверхность охватывает магнитные силовые поверхности в зоне ионизации. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что стенки разрядной камеры, обращенные к зоне ионизации, расположены перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры. 3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что магнитные экраны электрически изолированы от других элементов магнитной системы и соединены между собой с тыльной стороны анода магнитопроводящей перемычкой, при этом стенки разрядной камеры в области расположения анода образованы магнитными экранами. 4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что анодная полость сообщена по меньшей мере с двумя дополнительными каналами подачи рабочего тела в разрядную камеру, расположенными соответственно у внутреннего и наружного краев анодной полости. 5. Ускоритель по п.4, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными газораспределителями, при этом каждый дополнительный канал сообщен с соответствующим дополнительным газораспределителем с автономным каналом подвода рабочего тела. 6. Ускоритель по п.4, отличающийся тем, что дополнительные газораспределители снабжены по меньшей мере одним общим каналом подвода рабочего тела.