ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1999 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки, а также может использоваться в технологических процессах ионной обработки изделий.

Предшествующий уровень техники
Плазменные ускорители с замкнутым дрейфом электронов, в отличие, например, от ионных, характеризуются низкой энергетической ценой тяги за счет создания условий, благоприятных для ионизации, при этом создаваемый ими ионный поток квазинейтрален, что снимает ограничения величины плотности ионного тока за счет действия объемного заряда. В связи с этим такой плазменный ускоритель, применяемый в качестве двигателя, может работать в широком диапазоне ускоряющих напряжений. Ионный ток в хороших моделях плазменных ускорителей такого типа близок к разрядному и определяется лишь величиной массового расхода рабочего тела. Таким образом, в известных плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов, в отличие от ионных, имеется возможность независимо изменять массовый расход и ускоряющее напряжение, то есть тягу и скорость истечения при высоком КПД двигателя.

В статье Л.А.Арцимовича и др. "Разработка стационарного плазменного двигателя (СПД) и его испытание на ИСЗ "Метеор" ("Космические исследования", Москва, 1974 г. ,т. XII, вып. 3, стр. 451-468) описан плазменный двигатель (ускоритель) с замкнутым дрейфом электронов, который состоит из разрядной камеры с кольцевым каналом ионизации и ускорения с открытым выходом, выполненной из электроизоляционного материала, газоразрядного полого катода, установленного со стороны открытого выхода из кольцевого канала и подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения (U=200-300 В). К положительному полюсу источника напряжения подключен полый кольцевой анод-газораспределитель, установленный на входе в кольцевой канал, соосно с ним. Плазменный ускоритель содержит также средства для подвода ионизируемого газа к газоразрядному полому катоду и к полому кольцевому аноду- газораспределителю, имеющему отверстия для подвода к нему газа и для подачи ионизируемого газа в разрядную камеру.

В состав ускорителя входит система для создания магнитного поля в полости разрядной камеры, включающая источник магнитного поля и магнитопровод, состоящий из центрального сердечника, торцевой части со стороны, противоположной выходу из кольцевого канала, и кольцевой части, размещенной снаружи кольцевого канала и образующей выходной торец ускорителя. Торцевые части магнитопровода скреплены с помощью восьми периферийных магнитопроводящих стержневых элементов, равномерно расположенных вокруг разрядной камеры, соосно с ней. Источник магнитного поля известного ускорителя состоит из восьми последовательно соединенных и включенных в электрическую цепь электромагнитных катушек, намотанных на стержневых магнитопроводящих элементах.

В описанной конструкции плазменного ускорителя создается магнитное поле такой конфигурации, при которой максимальная величина напряженности поля находится в канале, поэтому в выходной части канала движение ионов происходит в магнитном поле с отрицательным градиентом. Это приводит к развитию в канале колебаний и выбросу ионов на стенки диэлектрического канала (см. "Плазменные ускорители" под ред. Л.А.Арцимовича, Москва, Машиностроение, 1973 г. , стр. 5-15, стр. 75-91). Данное явление не позволяет получить КПД ускорителя - η >40%. Кроме того, в канале такого ускорителя формируется сильно расходящийся поток ионов с полууглом расходимости β≈40^o, что приводит к быстрому износу стенок канала и, как следствие этого, к ограниченному ресурсу двигателя.

Известен целый ряд попыток, сделанных с целью устранения указанных недостатков и улучшения технических характеристик плазменного ускорителя данного типа. Так, известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, усовершенствование конструкции которого направлено на создание более рациональной структуры магнитного поля в канале разрядной камеры (RU 2030134 C1, МПК-6 H 05 H 1/54, F 03 H 1/00, 1992 г.)
Он состоит из разрядной камеры с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненной из электроизоляционного материала и имеющего открытый выход, газоразрядного полого катода, установленного со стороны открытого выхода из кольцевого канала, и кольцеобразного анода-газораспределителя с каналами для подвода ионизируемого газа и отверстиями в выходной стенке анода для подачи газа в кольцевой канал. Анод расположен в полости кольцеобразного канала на расстоянии от выходных торцов стенок разрядной камеры, большем ширины кольцевого канала. Известный ускоритель содержит также средства для подачи ионизируемого газа к полому катоду и аноду-газораспределителю и систему для создания магнитного поля в полости разрядной камеры, которая включает в себя магнитопровод, источники магнитного поля и магнитные экраны, выполненные из магнитомягкого материала. Магнитопровод выполнен в виде соединенных посредством центрального цилиндрического сердечника и стержневых элементов, равномерно расположенных вокруг разрядной камеры, торцевых частей ускорителя. Источники магнитного поля установлены у соответствующих полюсов: первый - вокруг разрядной камеры, второй - вокруг центрального цилиндрического сердечника.

Внутренний магнитный экран охватывает второй источник магнитного поля и установлен с продольным зазором относительно внутреннего полюсного элемента. Наружный магнитный экран выполнен с торцевой частью, охватывающей выходную часть разрядной камеры, и расположен между первым источником магнитного поля и разрядной камерой с продольным зазором относительно наружного полюсного элемента. Величины указанных зазоров выбираются не более половины межполюсного зазора. В конструкции данного плазменного ускорителя предусмотрены и другие усовершенствования, позволяющие дополнительно улучшить его характеристики. Достигнутые значения составляют: увеличение ресурса ускорителя до 3000-4000 часов, увеличение тяговой эффективности до 0,4-0,7 при скоростях истечения (1-3)•10⁴ м/с и снижении доли примесей в потоке. Данные результаты обеспечиваются, главным образом, за счет получения нарастающего в направлении ускорения магнитного потока.

Однако, как показали экспериментальные исследования такого плазменного ускорителя, его КПД не превышает 50%, а полуугол расходимости потока остается на уровне β > 40^° (см. Development and Application of Electric Propulsion Thruster in Russia. A.Bober, N.Maslennikov, G.Popov, Yu.Rylov. JEPC-93-001).

Принципиально иной путь повышения эффективности реализован в другом известном плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов (FR 2693770 A1, МПК-6 F 03 H 1/00, 1992 г.), в котором существенно улучшены условия ионизации и конфигурация магнитного поля во всем объеме кольцевого канала.

Плазменный ускоритель (двигатель) с замкнутым дрейфом электронов, являющийся аналогом заявленного, состоит из разрядной камеры с кольцевым каналом ионизации и ускорения, имеющей открытый выход, буферной камеры, газоразрядного полого катода, установленного со стороны открытого выхода канала, анода, соосно установленного на входе в канал, и кольцевого газраспределительного устройства, размещенного в буферной камере без перекрытия входа в кольцевой канал. Ускоритель содержит также средства для подачи ионизируемого газа в кольцевое газораспределительное устройство и к полому катоду.

Магнитная система такого ускорителя содержит пару магнитных полюсов, магнитопровод и источники магнитного поля. Магнитные полюса образуют торец двигателя со стороны открытого выхода из кольцевого канала. Один из магнитных полюсов является внешним, а второй - внутренним. Таким образом, магнитные полюса охватывают разрядную камеру снаружи и изнутри соответственно. Магнитопровод ускорителя содержит торцевую часть, образующую торец ускорителя со стороны буферной камеры, а также центральный цилиндрический сердечник и периферийные стержневые элементы, равномерно расположенные вокруг камер и скрепляющие торцы ускорителя. Первый источник магнитного поля расположен за внешним магнитным полюсом, второй источник - на центральном цилиндрическом сердечнике между внутренним магнитным полюсом и третьим источником, который также размещен на сердечнике в области установки анода и буферной камеры. При этом первый и третий источники магнитного поля снабжены бронирующими элементами.

Такое выполнение магнитной системы обеспечивает возможность формирования в кольцевом канале преимущественно радиального магнитного поля, градиент которого характеризуется максимальной индукцией на выходе канала, причем его магнитные силовые линии направлены перпендикулярно оси симметрии кольцеобразного канала в области выхода из канала и наклонно в области канала, находящейся вблизи анода. При этом размеры буферной камеры в радиальном и осевом направлениях выбираются большими, чем размер кольцевого канала в радиальном направлении соответственно в 2(±0,2) раза и 1,5(±0,2) раза.

Такое техническое решение позволило увеличить КПД плазменного ускорителя до 50-70% и уменьшить расходимость пучка ионов (величина полуугла расходимости составляет β ≈ ±15^°.

Однако управлять таким двигателем достаточно сложно, так как формирование требуемой конфигурации магнитного поля осуществляется с помощью трех источников. В этом случае крайне затруднительно достижение в области анода заданной топографии магнитного поля, в том числе значения магнитной индукции поля близкого к нулю. Кроме того, третий источник магнитного поля располагается в такой конструкции в энергонапряженной зоне, что существенно снижает надежность двигателя. Относительно большие размеры буферной камеры, а также наличие трех источников магнитного поля, один из которых примыкает к полюсу, а два других снабжены броней, приводит к увеличению общих габаритов и веса двигателя. Кроме того, в этом случае затрудняется регулировка магнитного поля в буферной и разрядной камерах.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения по совокупности существенных признаков является плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий магнитную систему с тремя парами магнитных полюсов (US 4703222 A, МПК-6 H 05 H 1/00, 1987 г.). Известный плазменный ускоритель содержит разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразного канала, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала, и кольцеобразный анод, соосно установленный на входе в канал разрядной камеры. Кольцеобразное газораспределительное устройство размещено в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполнено с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру в радиальном направлении. Магнитная система известного плазменного ускорителя состоит из источников магнитного поля, магнитропровода и трех пар кольцеобразных магнитных полюсов, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры. Первая пара магнитных полюсов охватывает кольцеобразный канал со стороны его открытого выхода и образует торцевую часть ускорителя. В состав магнитопровода входит центральный цилиндрический сердечник, установленный коаксиально каналу разрядной камеры вместе с внутренними магнитными полюсами и источниками магнитного поля, которые размещаются между внутренними магнитными полюсами. Внешние элементы магнитопровода соединяют внешние магнитные полюса. Остальные источники магнитного поля расположены вокруг внешней стенки кольцеобразного канала между внешними магнитными полюсами.

Данное выполнение магнитной системы позволяет создать оптимальную для ионизации и ускорения ионов конфигурацию магнитного поля, что обеспечивает повышение газовой эффективности ускорителя и его КПД в целом.

Кроме того, использование предыонизации в буферной камере ускорителя наряду с повышением эффективности использования рабочего тела обеспечивает регулирование характеристик плазменного ускорителя в широких пределах.

Однако присущие выбранному наиболее близкому аналогу заявленного изобретения преимущества не исключают тех недостатков, которые были описаны выше применительно к другим известным конструкциям плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. Указанные недостатки касаются, в первую очередь, расходимости ионного пучка, недостаточно высокого КПД, ограниченной надежности, сложности конструкции, достаточно большого веса и больших габаритов плазменного ускорителя, который должен использоваться в составе космической двигательной установки.

Сущность изобретения
В основу предлагаемого изобретения положены задачи по упрощению конструкции плазменного ускорителя, снижению его веса и габаритов, уменьшению полуугла расходимости пучка ионов до значения β < ±15^° и повышению КПД до 65-72%. Решение этих задач позволит повысить надежность и эффективность работы плазменного ускорителя, его управляемость, а также улучшить массогабаритные характеристики конструкции.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразного канала, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала, кольцеобразный анод, соосно установленный на входе в канал разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему с источниками магнитного поля, магнитропроводом и тремя парами кольцеобразных магнитных полюсов, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры, при этом первая пара магнитных полюсов охватывает кольцеобразный канал со стороны его открытого выхода и образует торцевую часть ускорителя, в состав магнитопровода входит центральный цилиндрический сердечник, установленный коаксиально каналу разрядной камеры вместе с внутренними магнитными полюсами и первым источником магнитного поля, размещенным между внутренними магнитными полюсами, и внешние элементы, соединяющие внешние магнитные полюса, а второй источник магнитного поля расположен вокруг внешней стенки кольцеобразного канала между внешними магнитными полюсами, согласно настоящему изобретению, межполюсный зазор второй пары полюсов закрыт кольцевым немагнитным элементом, образующим вместе с указанными полюсами торцевую часть ускорителя со стороны буферной камеры, причем внешний полюс третьей пары магнитных полюсов установлен между буферной камерой и внешним полюсом первой пары, внутренний полюс третьей пары образован на центральном сердечнике и расположен напротив буферной камеры со смещением относительно плоскости внешнего полюса этой же пары полюсов в сторону газораспределителя, первый источник магнитного поля размещен между внутренними полюсами первой и третьей пары, а второй источник магнитного поля установлен между внешними полюсами первой и третьей пары.

Внутренние диаметры магнитных полюсов из различных пар могут быть выполнены отличными друг от друга для изменения топологии магнитного поля в канале разрядной камеры.

Местоположение внутреннего полюса третьей пары магнитных полюсов преимущественно выбирается из следующего соотношения: a/b=0,4-0,6, где а и b- расстояния от внутреннего полюса третьей пары магнитных полюсов до внешних полюсов соответственно третьей и первой пары.

Целесообразно также, чтобы размеры буферной камеры были выбраны из следующих соотношений: D_б/D_к=1,1 - 1,2 и L_б/D_к=0,1 - 0,3, где D_б - внешний диаметр буферной камеры, D_к - внешний диаметр кольцеобразного канала разрядной камеры, L_б - длина буферной камеры.

Магнитопровод плазменного ускорителя может содержать внешние стержневые элементы, равномерно расположенные вокруг разрядной и буферной камер, с помощью которых осуществляется крепление торцевых частей ускорителя.

В качестве катода плазменного ускорителя преимущественно используется полый газоразрядный катод.

Целесообразно, чтобы кольцевой анод был установлен с радиальным зазором относительно стенки кольцевого канала.

Анод может быть механически и электрически соединен с корпусом кольцеобразного газораспределительного устройства и подключен через линию электропитания с положительным полюсом источника постоянного напряжения.

Предпочтительно также, чтобы отверстия для подачи ионизируемого газа из газораспределительного устройства в буферную камеру были ориентированы перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры и выполнены в стенке корпуса газораспределительного устройства, обращенной к буферной камере.

В состав плазменного ускорителя могут входить автономные средства для подачи ионизируемого газа к катоду и в газораспределительное устройство и система электропитания по меньшей мере с одним источником постоянного напряжения.

В качестве источников магнитного поля предпочтительно использование электромагнитных катушек.

Краткое описание чертежей
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее:
на фиг. 1 - продольный разрез плазменного ускорителя согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 - фрагмент продольного разреза плазменного ускорителя в другом варианте исполнения;
на фиг. 3 - поперечный разрез плазменного ускорителя, изображенного на фиг. 2, в области размещения газораспределительного устройства в буферной камере.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Патентуемый плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит (см. фиг. 1 и 3) разрядную камеру 1 с кольцеобразным каналом 2 ионизации и ускорения, имеющую открытый выход. С каналом 2 со стороны его входа сообщается полость буферной камеры 3. Обе камеры выполнены из электроизоляционного материала. Со стороны открытого выхода из кольцевого канала 2 установлен газоразрядный полый катод 4, а на входе в кольцеобразный канал 2 - кольцеобразный анод 5. Катод 4 и анод 5 соответственно подключены к отрицательному и положительному полюсам источника постоянного напряжения 6, образуя цепь электропитания. В полости буферной камеры 3 размещено кольцеобразное газораспределительное устройство 7 без перекрытия входа в кольцеобразный канал 2.

Ионизируемый газ подается в полый катод 4 и в газораспределитеьное устройство 7 от отдельных или от общего источника сжатого газа. В качестве рабочего ионизируемого газа используется инертный газ, в рассматриваемом случае ксенон (Xe). В кольцевом газораспределительном устройстве 7 выполнено входное отверстие 8 для подачи в него ионизируемого газа посредством подводящей трубки 9. Ионизируемый газ подается в буферную камеру через отверстия 10, которые ориентированы перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры 1 (см. фиг. 3) и выполнены в стенках корпуса газораспределительного устройства 7, обращенной к полости буферной камеры 3, по окружности максимального диаметра. Выполнение отверстий для подвода ионизируемого газа в буферную камеру 3 радиально направленными способствует созданию равномерной по плотности рабочего газа зоны, занимающей практически весь объем буферной камеры.

Магнитное поле в полостях буферной 3 и разрядной камер создается с помощью магнитной системы, включающей центральный цилиндрический сердечник 11 и магнитопроводящие стержневые элементы 12, образующие магнитопровод плазменного ускорителя, три пары магнитных полюсов 13, 14, 15, 16, 18 и 19 с кольцевым немагнитным элементом 17 и два источника магнитного поля 20 и 21.

Кольцеобразный анод 5 в одном из вариантов исполнения плазменного ускорителя устанавливается с радиальным зазором Δ (см. фиг. 2) относительно стенки канала 2 путем механического соединения, с помощью жестких перемычек 22, с корпусом газораспределительного устройства 7. Выполнение перемычек 22 из электропроводного материала обеспечивает электрическое соединение анода с линией электропитания от положительного полюса источника постоянного напряжения 6. Такая конструкция анода обеспечивает дополнительную возможность токопереноса через поверхность анода, обращенную к стенке канала, на которой не происходит образование непроводящих пленок за счет перенапыления материала стенки канала или попадания в канал элементов, из которых состоят стенки камеры или мишени.

Внешние стержневые элементы 12 равномерно расположены вокруг камер 1 и 3 по окружности и скрепляют торцевые части плазменного ускорителя. Торец ускорителя со стороны открытого выхода из канала 2 образован внешним 13 и внутренним 14 магнитными полюсами первой пары, которые охватывают разрядную камеру 1 снаружи и изнутри, соответственно. Закрытый торец ускорителя со стороны буферной камеры 3 образован внешним 15 и внутренним 16 магнитными полюсами второй пары полюсов вместе с кольцевым немагнитным элементом 17, установленным между ними в межполюсном зазоре. Внутренние магнитные полюса 14 и 16 установлены на сердечнике 11, а внешние полюса 13 и 15 скреплены стержневыми элементами 12. Внешний магнитный полюс 18 третьей пары полюсов также установлен на стержневых элементах 12 - между внешними полюсами 13 и 15. Внутренний магнитный полюс 19 третьей пары полюсов образован соосным кольцевым выступом на центральном сердечнике 11 и расположен напротив буферной камеры 3 со смещением относительно плоскости внешнего полюса 18 этой же пары полюсов в сторону газораспределителя 7. Внутренние магнитные полюса 14, 16 и 19 могут быть выполнены в виде единого элемента конструкции вместе с центральных сердечником 11.

Источники магнитного поля установлены следующим образом: первый источник 20 размещен вокруг разрядной камеры 1 между внешними магнитными полюсами 13 и 18 первой и третьей пар полюсов, второй источник 21 установлен на центральном сердечнике 11 между внутренними магнитными полюсами 14 и 19 первой и третьей пар полюсов.

Для формирования в полостях буферной 3 и разрядной 1 камер оптимальной конфигурации силовых линий магнитного поля должны быть соблюдены следующие требования при выборе размеров буферной камеры и расположения магнитных полюсов. Положение внутреннего полюса 19 и внешнего полюса 18 третьей пары магнитных полюсов выбираются из соотношения: a/b=0,4-0,6, где a - расстояние от внутреннего полюса 19 до внешнего полюса 18, b - расстояния от внутреннего полюса 19 до внешнего полюса 13 первой пары полюсов. Размеры буферной камеры 3 выбираются из соотношений: D_б/D_к=1,1 - 1,2 и L_б/D_к=0,1 - 0,3, где D_б - внешний диаметр буферной камеры 3, D_к - внешний диаметр кольцеобразного канала 2 разрядной камеры 1, L_б - длина буферной камеры 3.

Конструкция шестиполюсной магнитной системы плазменного ускорителя позволяет создать путем подбора внутренних диаметров магнитных полюсов и взаимного расположения полюсов 18 и 19 третьей пары требуемую конфигурацию магнитного поля, которая характеризуется заданным градиентом поля (не менее 100 Э/см) от нулевого значения в области размещения анода до максимального значения на выходе из кольцеобразного канала 2 и углом между ветвями сепаратрис силовых линий поля, равным примерно 90^o, причем сепаратрисы пересекают стенки канала 2 под углом примерно 45^o. Такая конфигурация магнитного поля обеспечивает создание фокусирующей ионы геометрии магнитных силовых линий в выходной части канала 2 и положительного градиента магнитного поля от анода до выхода из канала. Причем вблизи анода создается магнитное поле с направлением сепаратрис под углом 45^o, что обеспечивает условия для отрыва потока ионов от стенок канала и его фокусировку на срединную поверхность разрядной камеры.

Кольцевой анод 5 (фиг. 1) может быть размещен, непосредственно примыкая ко входу в кольцеобразный канал 2. В этом случае возможно перенапыление материала изоляционных стенок камеры 1 под действием ионной бомбардировки. В результате этого, как показал эксперимент, на поверхности анода 5 может образоваться непроводящая пленка. Поэтому целесообразно для сохранения активной поверхности кольцевого анода 5 установить его с радиальным зазором Δ относительно стенки кольцеобразного канала 2. При выборе величины зазора следует иметь в виду, что большое выдвижение анода 5 в радиальном направлении в поток плазмы будет приводить к его эрозии за счет ионной бомбардировки и нарушению целостности потока. Чрезмерное уменьшение зазора, в свою очередь, затруднит возможность токопереноса через поверхность анода 5, обращенную к стенке канала 2.

Установка кольцеобразного анода 5 с зазором относительно стенки канала 2 может быть осуществлена путем его механического соединения посредством жестких перемычек 22 (см. фиг. 2) с корпусом газораспределительного устройства 7. Выполнение перемычек 22 из электропроводного материала делает возможным электрическое соединение газораспределителя 7 с анодом 5 и, соответственно, с линией электропитания от положительного полюса источника постоянного напряжения 6.

В качестве источников магнитного поля в рассматриваемом примере используются электромагнитные катушки 20 и 21, хотя возможно и комбинированное использование катушек и постоянных магнитов с точкой Кюри, превышающей рабочую температуру при включении плазменного ускорителя. Кроме того, постоянные магниты могут использоваться в качестве единственных источников магнитного поля.

Выбор вариантов выполнения источников магнитного поля определяется исходя из размеров и мощности двигателя, а также его компоновкой с другими бортовыми устройствами. Первый источник магнитного поля 20 может быть выполнен в виде нескольких последовательно включенных электромагнитных катушек, каждая их которых устанавливается на соответствующем стержневом элементе 12. Кроме того, для нейтрализации потока ионов со стороны открытого выхода из кольцеобразного канала 2 могут быть установлены один или несколько газоразрядных катодов 4. Возможно также размещение катода 4 внутри центрального цилиндрического сердечника 11 со стороны открытого выхода канала 1.

Работа патентуемого плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов осуществляется следующим образом.

Магнитное поле создается с помощью источников магнитного поля 20 и 21 и других элементов магнитной системы. При подаче инертного рабочего газа, в рассматриваемом случае ксенона, в предварительно включенный накальный катод 4 и в кольцеобразное газораспределительное устройство 7 между разрядными электродами зажигается электрический разряд. Электроны, эмиттируемые катодом 4, под действием электрического поля попадают в канал 2. Величина магнитного поля в канале 2 подбирается такой, чтобы эмиттируемые катодом 4 электроны были замагничены, то есть, чтобы ларморовский радиус электронов R_eΛ был много меньше длины канала L_к и ширины канала b_к, а ионы - не замагничены, иными словами должно выполняться условие: R_iΛ > L_к. Поэтому в канале ионы движутся преимущественно под действием электрического поля, а электроны дрейфуют по азимуту в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Нейтральные атомы рабочего газа, выходящие из кольцеобразного газораспределительного устройства 7, сталкиваясь с электронами, ионизируются вблизи анода 5 и в облаке электронов, вращающихся под действием скрещенных электрического и магнитного полей. Образовавшиеся ионы подхватываются электрическим полем, ускоряются в нем и покидают канал 2, а электроны, образующиеся во время ионизации, возвращаются на анод 5. Заряд электронов, поступающих на анод 5, переносится через линию электропитания на катод 4, из которого эмиттируются электроны, нейтрализующие поток ускоряемых ионов. В результате этого процесса ионы и электроны покидают канал ускорителя. Поскольку ускорение ионов в ускорителе происходит в облаке электронов, которое компенсирует объемный заряд ионов, то становится возможным исключение ограничений, связанных с объемным зарядом ускоряемого потока ионов.

Исходной предпосылкой, положенной в основу работы патентуемого плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, является создание в канале ионизации и ускорения определенного рельефа электрического потенциала. Электрическое поле должно удовлетворять, как минимум, двум условиям: во-первых, оно должно быть макроустойчивым, и, во-вторых, эквипотенциали поля должны быть выпуклыми в сторону анода 5. Только в этом случае будет обеспечиваться "фокусировка" ионного потока, то есть отжатие ускоряемых ионов от стенок камеры на середину канала (срединную поверхность). Макроустойчивость электрического поля обеспечивается за счет создания магнитного поля, нарастающего от анода 5 к выходной поверхности канала 2 и проводимостью канала 2 для электронов, образующихся при ионизации. Такая проводимость обеспечивается различными механизмами: классической проводимостью, пристеночной проводимостью, высокочастотными колебаниями.

Возможность создания электрического поля, выпуклого в сторону анода 5 и фокусирующего ионы на середину канала 2, связано с эквипотенциализацией магнитных силовых линий. Сущность этого процесса состоит в том, что для плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов уравнение движения электронов имеет следующий вид:
0 = ▿P_e+eE+1/c•[V_eH]; E = -gradΦ,
где ▿P_e - градиент электронного давления;
e - заряд электрона;
E - напряженность электрического поля;
V_e - скорость электронов;
H - напряженность магнитного поля;
Φ - потенциал электрического поля.

Интегрирование этого уравнения вдоль магнитной силовой линии дает следующее выражение;

где Ф^*(γ) - постоянная величина потенциала вдоль магнитной силовой линии, называемая термализованным потенциалом;
Ф(χ) - электрический потенциал;
T_e - электронная температура;
k - постоянная Больцмана;
n_e - концентрация электронов в разряде;
n_e(γ) - характеристика концентрации электронов на данной силовой линии магнитного поля (нормировочная величина).

Из последнего уравнения видно, что магнитные силовые линии являются эквипотенциалями, если T_e→ 0 или n_e= n_e(γ). Если эти условия выполнены, то достаточно создать магнитные силовые линии выпуклыми в сторону анода 5, чтобы получить нужную геометрию эквипотенциалей электрического поля. Следовательно, для создания плазменного ускорителя с высокими характеристиками при его работе должны выполняться следующие условия: во-первых, следует обеспечить равномерность плотности потока ионов (и, следовательно, нейтральных частиц) вблизи анода, что ослабляет влияние на процесс составляющей ▿P_e, и, во-вторых, созданию предельно выпуклой в направлении к аноду геометрии магнитных силовых линий. Особенно важно для этого обеспечить необходимую фокусировку ионов в зоне ионизации, где их скорость мала.

Это можно легко сделать, создав вблизи анода магнитное поле с нулевым значением индукции, а перед входом в канал создать буферный объем с расположенным в нем газораспределительным устройством 7. Использование этих элементов создает предпосылки для отрыва потока ионов от стенок канала в зоне ускорения. Применение буферной камеры 3 позволяет добиться однородности поступающего в канал потока нейтральных частиц, а следовательно, и ионов.

Хотя использование буферной камеры в плазменном ускорителе данного типа известно (см. например, аналоги FR 2693770 A1 и US 4703222 A), однако необходимая для фокусировки потока ионов конфигурация магнитного поля, характеризующаяся, в основном, тремя параметрами - положением нулевого значения индукции магнитного поля, ориентацией сепаратрис магнитных силовых линий поля и изменением напряженности магнитного поля вдоль канала разрядной камеры, - достигалась в известных решениях путем выбора положения трех и более источников магнитного поля, а также изменением величины тока в них. Смещение нулевой точки магнитного поля вдоль оси симметрии канала разрядной камеры в известных решениях достигалось смещением источников магнитного поля вдоль оси и по радиусу канала и изменением тока в них. Изменение наклона сепаратрис обеспечивалось за счет изменения относительного положения источников магнитного поля вдоль оси симметрии канала. А изменение величины магнитного поля по длине канала достигалось изменением величины тока, протекающего через электромагнитные катушки - источники поля.

При работе патентуемого плазменного ускорителя требуемая топология магнитного поля, близкая к идеальной, достигается более простым и эффективным конструктивным решением, за счет чего появилась возможность использовать для решения этой задачи лишь два источника магнитного поля. Это было достигнуто путем оптимального расположения третьей пары магнитных полюсов, позволяющего наиболее простым способом создать выпуклые магнитные силовые линии у стенок канала разрядной камеры в его выходной части.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что требуемый профиль магнитного поля в буферной камере 3 организуется путем оптимизации ее размеров согласно приведенным выше соотношениям. Наклон сепаратрис и выпуклость магнитных силовых линий корректируется положением внешнего 18 и внутреннего 19 магнитных полюсов третьей пары. Такое конструктивное выполнение определяет создание близкой к идеальной (для управления формой ускоряемого потока ионов) конфигурации магнитного поля, при этом из энергонапряженной зоны внутреннего магнитопровода исключаются излишние источники магнитного поля. Данные возможности позволили упростить конструкцию плазменного ускорителя, снизить его вес и габариты, уменьшить полуугол расходимости пучка ионов до значения <±15 и повысить КПД до 65-72%. Решение указанных поставленных задач, в свою очередь, обеспечивает достижение при использовании изобретения технических результатов, которые заключаются в повышении надежности и эффективности работы плазменного ускорителя, его управляемости, а также в улучшении массогабаритных характеристик конструкции ускорителя.

Промышленная применимость
Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов согласно патентуемому изобретению может использоваться, в первую очередь, в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Кроме того, плазменный ускоритель может применяться в научных исследованиях, для моделирования направленных плазменных потоков.

Патентуемый плазменный ускоритель может также использоваться в технологических процессах обработки материалов и изделий, в том числе для ионной обработки полупроводниковых подложек.

Изобретение относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической технике. Магнитная система плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов содержит два источника магнитного поля, магнитопровод и три пары кольцеобразных магнитных полюсов. Первая пара магнитных полюсов охватывает кольцеобразный канал ускорения и ионизации со стороны его открытого выхода и образует торцевую часть ускорителя. Первый источник магнитного поля размещен между внутренними магнитными полюсами первой и третьей пары. Второй источник магнитного поля расположен вокруг внешней стенки кольцеобразного канала между внешними магнитными полюсами первой и третьей пары. Внешний полюс третьей пары магнитных полюсов установлен между буферной камерой и внешним полюсом первой пары. Внутренний полюс третьей пары образован на центральном сердечнике и расположен напротив буферной камеры со смещением относительно плоскости внешнего полюса этой же пары полюсов в сторону газораспределителя. Использование такой конструкции позволяет повысить надежность ускорителя и его КПД до 65-72%, а также уменьшить полуугол расходимости пучка до значения менее ±15° при снижении общего веса и габаритов. 10 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразного канала, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала, кольцеобразный анод, соосно установленный на входе в канал разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему с источниками магнитного поля, магнитопроводом и тремя парами кольцеобразных магнитных полюсов, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры, при этом первая пара магнитных полюсов охватывает кольцеобразный канал со стороны его открытого выхода и образует торцевую часть ускорителя, в состав магнитопровода входит центральный цилиндрический сердечник, установленный коаксиально каналу разрядной камеры вместе с внутренними магнитными полюсами и первым источником магнитного поля, размещенным между внутренними магнитными полюсами, и внешние элементы, соединяющие внешние магнитные полюса, а второй источник магнитного поля расположен вокруг внешней стенки кольцеобразного канала между внешними магнитными полюсами, отличающийся тем, что межполюсный зазор второй пары полюсов закрыт кольцевым немагнитным элементом, образующим вместе с указанными полюсами торцевую часть ускорителя со стороны буферной камеры, причем внешний полюс третьей пары магнитных полюсов установлен между буферной камерой и внешним полюсом первой пары, внутренний полюс третьей пары образован на центральном сердечнике и расположен напротив буферной камеры со смещением относительно плоскости внешнего полюса этой же пары полюсов в сторону газораспределителя, первый источник магнитного полюса размещен между внутренними полюсами первой и третьей пары, а второй источник магнитного поля установлен между внешними полюсами первой и третьей пары. 2. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что внутренние диаметры магнитных полюсов из различных пар выполнены отличными друг от друга. 3. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что местоположение внутреннего полюса третьей пары магнитных полюсов выбирается из следующего соотношения: a/b = 0,4 - 0,6, где a и b - расстояния от внутреннего полюса третьей пары магнитных полюсов до внешних полюсов соответственно третьей и первой пары. 4. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что размеры буферной камеры выбраны из соотношений: D_б/D_к = 1,1 - 1,2 и L_б/D_к = 0,1 - 0,3, где D_б - внешний диаметр буферной камеры, D_к - внешний диаметр кольцеобразного канала разрядной камеры, L_б - длина буферной камеры. 5. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод содержит внешние стержневые элементы, равномерно расположенные вокруг разрядной и буферной камер, с помощью которых осуществляется крепление торцевых частей ускорителя. 6. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что в качестве катода используется полый газоразрядный катод. 7. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что кольцевой анод установлен с радиальным зазором относительно стенки кольцевого канала. 8. Плазменный ускоритель по п.1 или 7, отличающийся тем, что анод механически и электрически соединен с корпусом кольцеобразного газораспределительного устройства и подключен через линию электропитания с положительным полюсом источника постоянного напряжения. 9. Плазменный ускоритель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что отверстия для подачи ионизируемого газа из газораспределительного устройства в буферную камеру ориентированы перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры и выполнены в стенке корпуса газораспределительного устройства, обращенной к буферной камере. 10. Плазменный ускоритель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит средства для подачи ионизируемого газа к катоду и в газораспределительное устройство и систему электропитания по меньшей мере с одним источником постоянного напряжения. 11. Плазменный ускоритель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве источников магнитного поля используются электромагнитные катушки.