УСКОРИТЕЛЬ С АНОДНЫМ СЛОЕМ Российский патент 1997 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменным источникам, используемым в ионно-плазменной технологии, а также электроракетным движителям, применяемым в космической технике.

Известен одноступенчатый ускоритель с анодным слоем, включающий магнитную систему с магнитопроводом, внутренним и наружным полюсами, которые защищены внутренним и наружным полюсными экранами, образующими разрядную камеру. В глубине разрядной камеры расположен анод-газораспределитель. Полюсные экраны выполнены из стали Х18Н10Т [1]
Однако при функционировании ускорителя происходит эрозия полюсных экранов [1] При использовании ускорителя в ионо-плазменной технологии продукты распыления могут осаждаться на поверхностях обрабатываемых плазмой объектов, нежелательным образом изменяя их физико-химические свойства.

Эрозия магнитной системы двигателя может вызывать металлизацию элементов солнечных батарей космического аппарата и оптических устройств, а также снизить сопротивление изоляции между изолированными электродами аппаратуры, расположенной на борту космического аппарата.

Известен двухступенчатый ускоритель с анодным слоем, содержащий магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами. Полюса закрыты полюсными экранами, которые образуют разрядную камеру. Экраны могут быть выполнены из молибдена или стойкого к распылению графита. В глубине разрядной камеры расположен анод и катод первой ступени ускорителя [2]
Энергии ионов, выпадающие на стенки разрядной камеры, соизмеримы с приложенным разрядным напряжением и могут составлять несколько сотен электрон-вольт, что достаточно для распыления любых конструкционных материалов [3] Использование стойкого к распылению графита лишь уменьшит скорость эрозии.

Известен одноступенчатый ускоритель с вынесенным анодным слоем (прототип), содержащий магнитную систему с внутренним и наружным полюсами, а также полюсными экранами, образующими коаксиальную разрядную камеру. В разрядной камере установлен анод-газораспределитель, выход которого расположен у среза разрядной камеры, что привело к выносу зоны ускорения за пределы конструкции [4]
Однако при работе ускорителя происходит эрозия внешней поверхности магнитных полюсов и полюсных экранов [5] Это вызывает изменение конфигурации магнитного поля в межполюсном зазоре, а следовательно, рабочего процесса ускорителя в целом, ограничивая тем самым его ресурс. Плазма, проникающая вследствие диффузии в зазор между анодом и полюсными экранами, вызывает разрушение последних, при этом металлические продукты распыления могут замкнуть анод с магнитной системой. Кроме того, из-за высокой напряженности электрического поля между анодом и магнитной системой возможны электрические перебои, что может привести к повреждению системы электропитания.

Расположение анода в плоскости полюсов исключает прямое попадание ускоренных ионов на элементы магнитной системы. Однако вблизи полюсов имеется электрическое поле (за счет разности) потенциалов между корпусом ускорителя и истекающей плазменной струей), в которой ускоряются низкоэнергетичные ионы из окружающего плазменного образования. Использование материалов с малым коэффициентом распыления, например графита или покрытий из нитрида титана, карбид титана в несколько раз уменьшает эрозию. Однако из-за их хороших электропроводных свойств вблизи полюсов сохраняется электрическое поле, в котором происходит ускорение ионов до энергий, достаточных для распыления конструкционных материалов.

Цель изобретения уменьшение эрозии магнитной системы ускорителя и вероятности электрических перебоев между анодом и магнитной системой.

Цель достигается тем, что в ускорителе с анодным слоем, содержащим магнитную систему с магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, а также полюсными экранами, образующими разрядную камеру и анод-газораспределитель, выход которого расположен у среза разрядной камеры, согласно изобретения, на поверхностях полюсных экранов со стороны анода, а также внешних и обращенных к аноду поверхностях магнитных полюсов нанесено диэлектрическое покрытие.

Для уменьшения вероятности электрических перебоев в зазоре между анодом и элементами магнитной системы на боковых поверхностях анода-газораспределителя со стороны экранов и полюсов также нанесено диэлектрическое покрытие.

На чертеже дана схема предлагаемого ускорителя.

Ускоритель с анодным слоем содержит магнитную систему 1 с катушками намагничивания 2, внутренним и наружным полюсами 3, а также внутренним и наружным экранами 4 из немагнитного материала, охватывающими анод 5. На внешние и обращенные к аноду поверхности полюсов 3 и экранов 4 нанесено диэлектрическое покрытие 6. На боковых поверхностях анода 5 со стороны экранов и полюсов также выполнено диэлектрическое покрытие 6. В качестве диэлектрического покрытия может быть использована двуокись циркония, нанесенная методом плазменного напыления.

Ускоритель с анодным слоем функционирует следующим образом.

В анод 5 подается плазмообразующий газ. При включении катушек намагничивания 2 в зазоре между полюсами 3 возникает преимущественно радиальное магнитное поле. При приложении разности потенциалов между анодом 5 и плазменным-катодом компенсатором (не показан) возникает электрический разряд в скрещенном электрическом и магнитном полях. Ускоренные ионы истекают преимущественно в осевом направлении, формируя плазменную струю. Во время работы ускорителя у среза разрядной камеры возникает плазменное образование с низкоэнергетичными ионами. Электроны из окружающей плазмы выпадают на диэлектрические поверхности 6 и заряжают их отрицательно, относительно плазмы. При этом разность потенциалов между плазмой и локальным участком диэлектрика составляет примерно (2. 3) T_e, где T_e температура электронов, e- заряд электрона. Так как T_e не превышает нескольких электрон-вольт, то величина разности потенциалов, в которой происходит ускорение тепловых ионов, не превышает порогового значения распыления конструкционных материалов, в частности диэлектрического покрытия.

Так, например, в одноступенчатом ускорителе с анодным слоем скорость эрозии наружного магнитного полюса, изготовленного из электротехнической стали, в начале составляла 22 мг/ч, а после нанесения на него покрытия из ZrO₂ не превышала погрешности измерения, составляющей 1 мг/ч.

Диэлектрическое покрытие, нанесенное на анод 4, полюса 3 и экраны 5, уменьшает напряженность электрического поля в зазоре между анодом и элементами магнитной системы, так как плазма, проникающая в зазор вследствие диффузии, заряжает диэлектрические поверхности 6 примерно до одинакового потенциала, что снижает вероятность электрического пробоя.

Литература 1. Гаркуша В.И. и др. Совершенствование конструкции одноступенчатого ускорителя с анодным слоем (УАС).//Плазменные ускорители и ионные инжекторы: Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. Днепропетровск, 1986, с. 11-12.

2. Ляпин Е.А. Семенкин А.В. Современное состояние исследований ускорителя с анодным слоем. Ионные инжекторы и плазменные ускорители. Сб. науч. ст. /Под ред. А.И.Морозова, Н.Н.Семашко. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 20-33.

3. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М. Атомиздат, 1968, с. 70-71.

4. Ляпин Е.А. Семенкин А.В. Ускоритель с вынесенным анодным слоем. Тез. докл. VII Всесоюзн. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам, Харьков, 1989, с. 210-211.

5. Garner C. E. and aa. Experimental Evaluation of Russian Anode Layer Thrusters. 30 th AIAA/ASME/SAE/ASEE/ Joint Propulsion Conference. Indianapolis. June 27-29, 1994.

Использование: плазменная технология и космическая техника. Сущность изобретения: в ускорителе плазмы с анодным слоем на поверхностях полюсных экранов со стороны анода и на внешних, обращенных к аноду, поверхностях магнитных полюсов нанесено диэлектрическое покрытие. Изолирующее покрытие может также наноситься на боковые поверхности анода-газораспределителя со стороны полюсных экранов и магнитных полюсов. Изобретение позволяет снизить эрозию полюсов и экранов магнитной системы ускорителя, а также уменьшить вероятность электрических пробоев между анодом и магнитной системой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ускоритель с анодным слоем, содержащий магнитную систему с магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, а также полюсными экранами, образующими разрядную камеру, и анод-газораспределитель, выход которого расположен у среза разрядной камеры, отличающийся тем, что на поверхностях полюсных экранов со стороны анода и на внешних, обращенных к аноду, поверхностях магнитных полюсов нанесено диэлектрическое покрытие. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что на боковых поверхностях анода-газораспределителя со стороны экранов и полюсов нанесено диэлектрическое покрытие.