УСТРОЙСТВО КОНЦЕНТРАЦИИ ПУЧКА ИОНОВ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ОБОРУДОВАННЫЙ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2001 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к электронным плазменным двигателям, которые используются, в частности, для приведения в движение аппаратов в космосе, а также для осуществления промышленных процессов на земле, и более точно - к плазменному двигателю с закрытым дрейфом электронов, которые также называют двигателями с устойчивой плазмой, двигателями Холла или двигателями с анодным слоем.

Предшествующий уровень техники
Из статьи Л.X. Арцимовича и др., 1974, где описана программа разработки двигателя с устойчивой плазмой и его исследования, осуществленные на спутнике "МЕТЕОР", известны двигатели с закрытым дрейфом электронов и двигатели с устойчивой плазмой, которые отличаются от других классов ионных двигателей тем, что ионизация и ускорение не отличаются друг от друга, и тем, что зона ускорения содержит равное количество ионов и электронов, что позволяет исключить любое формирование объемного заряда.

Ниже описан со ссылками на фиг. 6 двигатель с закрытым дрейфом электронов в соответствии с предложением, изложенном в статье Л.Х. Арцимовича и др.

Кольцевой канал 1, образованный одной деталью 2 из изоляционного материала, установлен в электромагните, содержащем наружный 3 и внутренний 4 кольцевые полюсные наконечники, расположенные соответственно снаружи и внутри детали 2. Магнитное ярмо 12 расположено перед двигателем, катушки электромагнита 11 расположены по всей длине канала 1 и установлены последовательно вокруг магнитных сердечников 10, соединяющих наружный полюсный наконечник 3 и ярмо 12. Соединенный с корпусом полый катод 7 соединен с устройством 17 подачи ксенона для образования тучи плазмы перед задним выходом канала 1. Кольцевой анод 5, соединенный с положительным полюсом источника снабжения электроэнергией, например током 300 В, расположен в закрытой передней части кольцевого канала 1. Трубка впрыска ксенона, взаимодействующая с термо- и электроизолятором 8, выходит в кольцевой распределительный канал 9, расположенный в непосредственной близости от кольцевого анода 5.

Ионизирующие и нейтрализующие электроны поступают из полого катода 7. Ионизирующие электроны увлекаются в изоляционный кольцевой канал 1 посредством электрического поля, образованного между анодом 5 и тучей плазмы, поступающей из катода 7.

Под действием электрического поля E и магнитного поля В, созданного катушками 11, ионизирующие электроны перемещаются по траектории дрейфа по азимуту, необходимому для того, чтобы удержать электрическое поле в канале.

Таким образом, ионизирующие электроны дрейфуют по траекториям, закрытым внутри изоляционного канала. В соответствии с этой особенностью было дано название этому двигателю.

Дрейф электронов значительно увеличивает вероятность столкновения электронов с нейтральными атомами. В результате этого производятся ионы (в данном случае, ионы ксенона).

Магнитное поле зависит от формы деталей 3, 4. По существу силовые линии 13 магнитного поля являются радиальными в плоскости 14 выходного отверстия двигателя.

Таким образом, двигатели с закрытым дрейфом электронов осуществляют ускорения ионов в плазме. Ионы не являются моноэнергетическими. При первой приблизительной оценке было определено, что пучок ионов имеет две составляющие:
весьма узкую составляющую с высокой энергией, которая поступает из зоны ионизации перед ускоряющим каналом 1, и
сильно расходящуюся составляющую со слабой энергией, которая поступает из выхода ускоряющего канала 1 и расширяется в объеме сразу после плоскости 14 выходного отверстия двигателя.

На фиг. 8a и 8b показано распределение потока ионов ионного пучка в зависимости от энергии ионного двигателя, который работает с разным напряжением V, равным 33 В.

На фиг.8a показано шесть кривых, соответствующих углам, которые составляют соответственно 0^o, 7^o30', 15^o, 22^o30', 30^o, 37^o30' относительно оси двигателя. Можно констатировать, что поток ионов имеет максимум, соответствующий 270 эВ, амплитуда которого значительно уменьшается, когда величина угла увеличивается относительно угла двигателя. Этот главный максимум создается первичными ионами. Вторичные ионы, производимые на уровне плоскости выходного отверстия двигателя, образуют вторичный максимум, соответствующий энергии, равной 20-30 эВ. Амплитуда вторичного максимума практически не зависит от величины угла расходимости относительно оси двигателя.

На фиг. 8b изображены в увеличенном масштабе пять кривых, соответствующих углам, которые составляют 37^o30', 45^o, 52^o30', 60^o и 67^o30'. Можно заметить, что плотность ионов с высокой энергией очень сильно уменьшается при высоких значениях угла расходимости относительно оси аппарата. Однако для угла расходимости 67^o30' существует еще процент ионов, имеющих энергию более 100 эВ, которым нельзя пренебрегать. Эти ионы могут вызвать повреждение в результате их выброса.

Фиг. 9 изображает распределение в угловом направлении ионов со слабой энергией и с высокой энергией и представляет общий вид профиля пучка. Кривая 31, изображенная сплошной линией, представляет величину потока ионов, измеренного в коллекторе, равную 30 В в зависимости от угла расходимости относительно оси двигателя, а кривая 32, изображенная прерывистой линией, представляет величину потока иона, измеренного в коллекторе, равную 50 B в зависимости от угла расходимости относительно оси двигателя.

На фиг. 9 видно, что максимум плотности 33, 34, расположенный у 0^o, создан ионами с высокой энергией, поступающими от фронта ионизации, расположенного внутри канала ускорения в то время, как разброс значений с низкой энергией соответствует ионам с низкой энергией.

На фиг. 7 показана часть обычного двигателя с закрытым дрейфом электронов, выполненного согласно варианту, описанному со ссылками на фиг. 6. Стрелки 52 определяют ориентацию векторов скорости ионов, кривая 51, изображенная пунктирной линией, представляет распределение плотности ионов точно на выходе из ускоряющего канала. Силовые линии магнитного поля 113 на выходе из ускоряющего канала 1, созданные полюсными наконечниками 3, 4 и катушками 11, 15, также изображены с наложением на изображение распределения ионов. Видно, что траектории ионов перпендикулярны силовым линиям магнитного поля. Отсюда следует, что траектории 54, 56 ионов в точках 53, 55, расположенных по периферии ускоряющего канала 1 перед плоскостью 14 выходного отверстия, практически перпендикулярны оси Z двигателя.

Траектория ионов сильно расходящейся составляющей с низкой энергией пучка ионов, которые направляются силовыми линиями магнитного поля, соответствующими эквипотенциалам, оказывает вредное воздействие на поверхность космического летательного аппарата, на котором установлен этот двигатель.

В случае применения для промышленных целей, в частности в установках для распыления с помощью ионного пучка, возникают сложные проблемы ввиду того, что пока еще не создан пучок с хорошо определенными границами и поэтому пучок выходит за пределы цели и ударяется о стенки камеры устройства, вызывая таким образом загрязнение покрытия.

Краткое описание существа изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача устранения указанных недостатков и обеспечения возможности создания ионного пучка на выходе двигателя, имеющего хорошо определенный контур и плотность ионов, при этом распределение плотности улучшено для устранения вредного воздействия ионов с низкой энергией, расположенных по периферии пучка.

Поставленная задача решается путем создания плазменного двигателя с закрытым дрейфом электронов, который содержит
кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал, образованный элементами из изоляционного материала и имеющий на заднем конце отверстие,
по меньшей мере один полый катод, расположенный снаружи кольцевого канала и за этим каналом,
концентричный кольцевому каналу кольцевой анод, расположенный перед отверстием канала на некотором расстоянии относительно этого отверстия,
первое и второе средства подачи ионизируемого газа, соединенные соответственно с полым катодом и с кольцевым анодом,
магнитная цепь для создания магнитного поля в кольцевом канале, которая содержит несколько отдельных средств для создания магнитного поля, ярмо, магнитную периферийную цепь, расположенную в осевом направлении снаружи кольцевого канала и периферийный и центральный полюсные наконечники, соединенные между собой периферийной магнитной цепью и расположены с двух сторон кольцевого канала для создания радиального магнитного поля в плоскости выходного отверстия, перпендикулярной оси кольцевого канала, который согласно изобретению содержит
расширенный магнитный полюсный наконечник, выполненный в виде усеченного конуса, который открыт с двух концов, расположен соосно оси кольцевого канала плоскостью выходного отверстия и расширяется в направлении к задней части, и
по меньшей мере одну дополнительную периферийную магнитную цепь, соединяющую задний конец расширенного магнитного полюсного наконечника с периферийным полюсным наконечником, расположенным снаружи вспомогательного канала, при этом расширенный магнитный полюсный наконечник взаимодействует с дополнительной периферийной магнитной цепью и с полюсными наконечниками, расположенными с двух сторон кольцевого канала для определенной формы магнитного поля за кольцевым каналом, чтобы излучаемый кольцевым каналом пучок ионов оставался внутри конической зоны, угол которой в предварительно определенной вершине определяется углом при вершине расширенного магнитного полюсного наконечника.

Таким образом, согласно изобретению выходящий из ускоряющего кольцевого канала ионный пучок вынужден оставаться внутри конуса, полуугол которого при вершине определяется полууглом при вершине расширенного полюсного наконечника, однако нет необходимости, чтобы полуугол при вершине конусного ионного пучка был бы точно равен полууглу расширенного полюсного наконечника.

Расширенный полюсный наконечник, расположенный перед обычной плоскостью выходного отверстия ускоряющего канала, предназначен для формирования конфигурации магнитного поля перед плоскостью выходного отверстия и для изменения эквипотенциалей снаружи двигателя и траектории ионов таким образом, чтобы обеспечить более направленную траекторию ионов и устранить любую возможность повреждения наружных стенок, расположенных рядом с ионным пучком.

Следует отметить, что сам расширенный полюсный наконечник защищен от воздействия ионов, поскольку траектории периферийных ионов расположены по существу касательно по отношению к расширенному полюсному наконечнику.

Полуугол при вершине α расширенного полюсного наконечника выполнен в виде усеченного конуса и составляет от 30 до 60^o.

Целесообразно, чтобы полуугол при вершине расширенного полюсного наконечника был равен приблизительно 45^o.

Согласно предпочтительному варианту выполнения расширенный полюсный наконечник имеет такую форму, что угол, образованный наконечником и осью двигателя, увеличивается по мере удаления от плоскости выходного отверстия в направлении к задней части таким образом, чтобы обеспечить возможность постепенного развертывания линий магнитного поля.

Согласно рациональному варианту выполнения на расширенный полюсный наконечник наносят покрытие, предназначенное для увеличения излучательной способности поверхности наконечника, для электрической изоляции или для образования защитной пленки против загрязнения между кольцевым каналом и расширенным полюсным наконечником.

Покрытие может быть выполнено из материала, аналогичного материалу деталей, ограничивающий кольцевой канал, и выбранного из группы, состоящей из алюминия, нитрида бора, кремния, нитрида алюминия, нитрида кремния, Al₂O₃ - TiO₂ и TiN.

Согласно еще одному варианту выполнения дополнительная периферийная магнитная цепь выполнена из одного ферромагнитного кольца.

Согласно более целесообразному варианту выполнения полый катод вставлен в отверстие, образованное в расширенной полюсной детали, и снабжен защитным ферромагнитным экраном, расположенным напротив местного магнитного поля.

Дополнительная периферийная магнитная цепь может также включать ферромагнитные стержни.

В этом случае согласно особенно целесообразному варианту выполнения ферромагнитные стержни выполнены из мягкой стали и охвачены катушками, направление обмоток которых является таким, чтобы направление магнитного потока, создаваемого в дополнительной периферийной магнитной цепи, было бы противоположным направлению магнитного потока, образованного в магнитной периферийной цепи, расположенной вдоль оси снаружи кольцевого канала.

Изобретение относится также к устройству концентрации пучка ионов для плазменного двигателя с закрытым дрейфом электронов, который согласно изобретению содержит расширенный магнитный наконечник, выполненный в форме усеченного конуса, открытый с двух концов и предназначенный для установки за плоскостью выходного отверстия плазменного двигателя, содержащего ионизирующий и ускоряющий кольцевой канал и периферийный и центральный полюсные наконечники, расположенные по обе стороны относительно кольцевого канала для создания магнитного поля, по существу, радиального в плоскости выходного отверстия, перпендикулярной оси кольцевого канала, и дополнительную периферийную магнитную цепь, соединяющую задний конец расширенного магнитного полюсного наконечника с периферийным полюсным наконечником, при этом расширенный полюсный магнитный наконечник взаимодействует с дополнительной периферийной магнитной цепью, с периферийным полюсным наконечником и с центральным полюсным наконечником для формирования магнитного поля за кольцевым каналом таким образом, чтобы излучаемый кольцевым каналом пучок ионов оставался внутри конической зоны, угол которой в предварительно определенной вершине, определяется в зависимости от угла при вершине расширенного полюсного магнитного наконечника.

Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества изобретения будут понятны из нижеследующего описания предпочтительных вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает часть плазменного двигателя (продольный разрез) с закрытым дрейфом электронов, снабженного устройством формирования пучка в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения;
фиг. 2 - плазменный двигатель (продольный разрез) с закрытым дрейфом электронов, снабженный устройством формирования пучка, выполненного в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения;
фиг. 3 - часть двигателя (продольный разрез) с закрытым дрейфом электронов, снабженного устройством формирования пучка, в который встроен полый катод согласно изобретению;
фиг. 4 - вариант выполнения устройства формирования пучка (продольный разрез), установленного на плазменном двигателе с закрытым дрейфом электронов согласно изобретению;
фиг. 5 - сравнительные гистограммы профиля ионного пучка для обычного плазменного двигателя и для различных двух вариантов выполнения двигателей, оборудованных устройствами формирования пучка согласно изобретению;
фиг. 6 - известный плазменный двигатель с закрытым дрейфом электронов (продольный разрез);
фиг. 7 - часть известного плазменного двигателя с закрытым дрейфом электронов, и распределение плотности электронов, наложенной на силовые линии магнитного поля снаружи ускоряющего канала;
фиг. 8a и 8b изображают кривые, иллюстрирующие распределение ионного потока в зависимости от энергии в различных направлениях относительно оси известного плазменного двигателя;
фиг. 9 изображает профиль совокупности пучка ионов на выходе известного плазменного двигателя для двух коллекторов, имеющих различное напряжение.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения
На фиг. 1 показан вариант выполнения средств формирования ионного пучка, которые расположены согласно изобретению перед плоскостью 14 выходного отверстия плазменного двигателя с закрытым дрейфом электронов.

Задняя часть ускоряющего кольцевого канала 1 образована деталями 2 из изоляционного материала, изображенными пунктирными линиями, и задняя часть главной магнитной цепи формирования магнитного поля в канале 1. Главная магнитная цепь содержит центральный полюсный наконечник 4 и периферийный кольцевой полюсный наконечник 3, расположенные рядом с плоскостью 14 выходного отверстия, а также периферийную магнитную цепь 10, периферийные электромагнитные катушки 11 и электромагнитные катушки, взаимодействующие с центральным полюсным наконечником 4, а также ярмо, аналогичное ярму 12, изображенному на фиг. 6, но не представленное на фиг. 1. Элементы 1-4, 10, 11 выполнены аналогично соответствующим элементам, показанным на фиг. 7, где показано известное устройство.

Плазменный двигатель с закрытым дрейфом содержит в случае его выполнения согласно варианту, изображенному на фиг. 6, кольцевой анод 5, который концентричен кольцевому каналу 1 и расположен на некотором расстоянии перед отверстием канала 1 и средство 6 подачи ионизируемого газа такого, как ксенон, соединенные с кольцевым анодом 5. Кроме того, плазменный двигатель, выполненный согласно изобретению, содержит полый электрод 7, не изображенный на фиг. 1, но представленный на фиг. 2, расположенный снаружи канала 1 за этим каналом и соединенный со средствами 17 подачи ионизируемого газа такого, как ксенон.

Главная магнитная цепь формирует магнитное поле, силовые линии магнитного поля 13 являются, по существу, радиальными в плоскости 14 выходного отверстия, которая перпендикулярна оси двигателя. Следует отметить, что изменения, внесенные согласно изобретению в плазменный двигатель, не изменяют форму силовых линий магнитного поля 13 внутри кольцевого канала 1. Эти силовые линии магнитного поля 13 внутри канала 1 аналогичны силовым линиям известного двигателя 7. После плоскости 14 выходного отверстия силовые линии магнитного поля 113a изменяются сильно, в случае варианта выполнения, изображенного на фиг. 1, по сравнению с силовыми линиями магнитного поля 113 на фиг. 7.

Действительно, изображенный на фиг.1 плазменный двигатель снабжен дополнительной периферийной магнитной цепью 60, соединяющей с периферийным полюсным наконечником 3, расположенным снаружи кольцевого канала 1, расширенный полюсный магнитный наконечник 63, который имеет, по существу, форму усеченного конуса и открыт с двух концов, установлен соосно оси кольцевого канала 1 и расположен за плоскостью 14 выходного отверстия и расширяется в направлении к задней части.

Полюсный наконечник 63, выполненный в виде усеченного конуса, взаимодействует с дополнительной периферийной магнитной цепью 60 и с полюсными наконечниками 3, 4, установленными по обе стороны канала 1 для формирования магнитного поля за кольцевым каналом 1.

Согласно более целесообразному варианту выполнения полуугол при вершине α полюсного наконечника 63, выполненного в виде усеченного конуса, может быть в пределах от 30 до 60^o и может составлять приблизительно 45^o.

Дополнительный полюсный наконечник 63 может быть соединен с главной магнитной цепью 10, 3 на уровне плоскости 14 выходного отверстия с помощью стержней 60. Эти стержни 60 можно собрать из простых ферромагнитных деталей, не устанавливая активный элемент на магнитную плоскость (постоянный магнит, электромагнитную катушку), ни на уровень полюсного наконечника 63, ни на уровень стержней 60, образующих дополнительную периферийную магнитную цепь.

Однако предпочтительно, чтобы активные элементы на магнитной плоскости были бы встроены в дополнительную периферийную магнитную цепь. Таким образом, стержни 60 могут быть собраны из постоянных магнитов.

Согласно целесообразному варианту выполнения стержни 60 выполнены из низкоуглеродистой стали (фиг. 1) и охвачены катушками 61, направление обмотки которых таково, что направление магнитного потока, создаваемого в дополнительной периферийной магнитной цепи было бы противоположным направлению магнитного потока, образованного магнитной цепью 10, расположенной снаружи кольцевого канала 1 параллельно оси двигателя.

На фиг. 2 изображен другой вариант выполнения согласно изобретению, в котором дополнительная периферийная магнитная цепь 80 состоит из одного ферромагнитного кольца.

На фиг. 2 изображен более детально вариант выполнения, согласно которому комплекс полюсного наконечника 63, выполненного, по существу, в виде усеченного конуса, и дополнительно периферийной магнитной цепи 80 состоит из одной детали, закрепленной, например, с помощью болтового соединения или сварки на периферийных полюсных наконечниках, расположенных снаружи кольцевого канала 1.

Полюсный наконечник 63 в виде усеченного конуса, стрежни 60 или ферромагнитное кольцо 80 могут быть изготовлены из электроизоляционного феррита.

Как следует из варианта выполнения, изображенного на фиг. 3, в плазменном двигателе с закрытым дрейфом электронов, выполненном согласно изобретению, полый катод 7 может быть вставлен в отверстие 163, образованное в расширенном полюсном наконечнике 63. В этом случае катод снабжен защитным ферромагнитным экраном 164, расположенным напротив локального магнитного поля. Защитный ферромагнитный экран 164 может быть расположен вокруг электрода зажигания 72, который сам охватывает корпус 71 полого катода 7, в который подается ионизируемый газ. Таким образом, электрод зажигания 72 и труба 164 способствуют образованию защищающего экрана для защиты корпуса 71 от нагревания. Полый катод 7 может быть установлен на полюсных наконечниках 3 и 63 с помощью фланца 73. Ось катода 7 приблизительно параллельна силовым линиям локального магнитного поля.

Полюсный наконечник 63, образующий диффузор, может быть покрыт покрытием 263 (фиг. 3), которое может выполнять несколько функций. Покрытие 263 может увеличивать излучательную способность поверхности наконечника таким образом, чтобы увеличить поток излучения и понизить температуру работы двигателя.

Покрытие 263 может также обеспечить электроизоляцию.

Наконец, покрытие 263 может образовывать защиту против загрязнения между кольцевым каналом 1 и расширенным полюсным наконечником 63.

Такой же слой покрытия может обеспечивать выполнение этих трех целей. Покрытие 263 может также быть продолжено покрытием 263b, выполненным на боковых поверхностях двигателя (фиг. 3).

Покрытие 263 и 263b может быть выполнено из материала, аналогичного материалу, из которого изготовлены детали, образующие кольцевой канал 1.

В качестве примера, покрытие 263, 263b может быть выполнено из одного из материалов, или из комбинации из материалов, выбранных из группы, состоящей из алюминия, нитрида бора, кремния, нитрида алюминия, нитрида кремния, Al₂O₃-TiO₂ и TiN.

На фиг. 4 показан вариант выполнения, согласно которому дополнительный полюсный наконечник 63 не имеет точную форму усеченного конуса, а скорее выполнен в виде полой расширяющейся детали, которая похожа на тюльпан, причем этот расширенный полюсный наконечник 63 имеет такую кривую 363, что угол, образованный этой деталью и осью двигателя увеличивается при удалении от плоскости 14 выходного отверстия в направлении к задней части таким образом, что силовые линии магнитного поля могут постепенно расходиться.

Если вновь обратиться к фиг.1, то увидим, что силовые линии 113a магнитного поля снаружи кольцевого канала 1 менее выпуклые, чем силовые линии 113 на фиг.7, в то время, как силовые линии магнитного поля 13 внутри канала 1 практически не изменились.

Образованные и ускоренные снаружи канала 1 ионы вынуждены оставаться внутри конуса, образованного дополнительным полюсным наконечником 63. Этот дополнительный полюсный наконечник 63, соединенная дополнительная магнитная цепь 60, 61 и полюсные наконечники 3, 4 взаимодействуют для образования магнитного поля и, следовательно, эквипотенциальных силовых линий 113a за плоскостью 14 выходного отверстия двигателя. Созданный в точке 53a ион ускоряется по вектору 54a в нормальном направлении эквипотенциали, которая соответствует очень точно силовой линии магнитного поля. Таким образом, ионы, ускоренные на периферии ионного пучка, являются практически параллельными наконечнику 63 и могут оставаться внутри конуса, полуугол которого при вершине образован полууглом при вершине α наконечника 63 в виде усеченного конуса или расширенного наконечника, похожего на усеченный конус.

В плазменном двигателе, выполненном согласно изобретению, плотность ионов увеличивается рядом с осью и сильно уменьшается в смещенной от центра зоне. Таким образом, ионный пучок направлен лучше, что улучшает его применение в промышленности и уменьшает во всех случаях возможность загрязнения.

На фиг. 5 представлены три гистограммы, которые представляют профиль ионного пучка на расстоянии 500 мм от выхода двигателя для трех следующих случаев:
S) со стандартным известным плазменным двигателем;
Р) с плазменным двигателем, выполненным согласно изобретению, оборудованным пассивной цепью формирования магнитного поля при выходе из двигателя, причем такая пассивная цепь содержит полюсный наконечник 63 и дополнительную магнитную цепь 60 без активных магнитных элементов таких, как постоянные магниты и электромагниты;
A) с плазменным двигателем, выполненным в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, в этом случае, цепь формирования поля 60, 63 на выходе из двигателя является активной и содержит активные магнитные элементы такие, как постоянные магниты или электромагниты.

Если мы рассмотрим гистограмму S, которая иллюстрирует расхождение ионного пучка, вышедшего из стандартного плазменного двигателя, то мы заметим, что плотность ионов на краях имеет такую величину, которой нельзя пренебрегать, в то время, как величина плотности ионов рядом с осью остается небольшой.

Гистограмма P показывает улучшение, достигнутое в результате применения плазменного двигателя, оборудованного согласно изобретению дополнительными средствами 63, 60, при этом катушки 61 не возбуждаются, что соответствует средствам формирования пассивного типа. В этом случае отмечено некоторое улучшение плотности ионов рядом с осью и некоторое уменьшение плотности ионов на краях.

Гистограмма A соответствует осуществлению дополнительных средств формирования магнитного поля 63, 60 активного типа, т.е., например, вариант выполнения, изображенный на фиг.1 с возбужденными катушками 61. В этом случае отмечают, что плотность ионов рядом с осью умножается практически на коэффициент три, в то время, как плотность на сторонах является незначительной.

Двигатель и устройство концентрации пучка ионов относятся к электронной плазменной технике и предназначены для использования как на Земле, так и в космосе. Устройство содержит расширенный магнитный полюсный наконечник, выполненный в виде усеченного конуса, открытый с двух концов и предназначенный для установки за плоскостью выходного отверстия плазменного двигателя, содержащего ионизирующий и ускоряющий кольцевой канал, периферийный и центральный полюсные наконечники, расположенные по обе стороны кольцевого канала для создания магнитного поля, по существу, радиально в плоскости, перпендикулярной оси кольцевого канала. Устройство содержит также дополнительную периферийную магнитную цепь, соединяющую задний конец расширенного полюсного магнитного наконечника с периферийным полюсным наконечником, при этом расширенный полюсный магнитный наконечник взаимодействует с дополнительной периферийной магнитной цепью и центральным полюсным наконечником для формирования магнитного поля за кольцевым каналом, чтобы излучаемый кольцевым каналом пучок ионов оставался внутри конической зоны, угол которой в предварительно определенной вершине определяется углом в вершине расширенного магнитного полюсного наконечника. Изобретение обеспечивает возможность создания ионного пучка, имеющего хорошо определенный контур и плотность ионов. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Плазменный двигатель с закрытым дрейфом электронов, содержащий ионизирующий и ускоряющий кольцевой канал (1), образованный элементами (2) из изоляционного материала и имеющий на заднем конце отверстие, по меньшей мере один полый катод (7), расположенный снаружи кольцевого канала (1) и за этим каналом, кольцевой анод (5), расположенный концентрично кольцевому каналу на некотором расстоянии относительно него, первое (17) и второе (6) средства подачи ионизируемого газа, соединенные соответственно с полым катодом (7) и с кольцевым анодом (5), магнитную цепь (3, 4, 10, 12) для создания магнитного поля в кольцевом канале (1), которая содержит несколько отдельных средств (10, 15) для создания магнитного поля, ярмо (12), магнитную периферийную цепь (10), расположенную по оси снаружи кольцевого канала (1) и периферийный (3) и центральный (4) полюсные наконечники, соединенные между собой посредством периферийной цепи (10) и ярма (12) и расположенные по обе стороны кольцевого канала (1) для создания магнитного поля радиально в полости (14) выходного отверстия, перпендикулярной оси кольцевого канала (1), отличающийся тем, что дополнительно содержит магнитный расширенный полюсный наконечник (63), выполненный в виде усеченного конуса, который открыт с его двух концов, расположен коаксиально кольцевому каналу (1) за плоскостью (14) выходного отверстия и расширяется в направлении к задней части, и по меньшей мере одну дополнительную периферийную магнитную цепь (60, 80), соединяющую задний конец расширенного магнитного полюсного наконечника (63) с периферийным полюсным наконечником (3), расположенным снаружи вспомогательного канала (1), при этом расширенный магнитный полюсный наконечник (63) взаимодействует с дополнительной периферийной магнитной цепью (60, 80) и с полюсными наконечниками (3,4), расположенными по обе стороны кольцевого канала (1), для формирования магнитного поля за кольцевым каналом (1), чтобы излучаемый кольцевым каналом пучок ионов оставался внутри конической зоны, угол которой в предварительно определенной вершине определяется углом в вершине расширенного магнитного полюсного наконечника. 2. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что полуугол при вершине α расширенного полюсного наконечника (63), выполненного в виде усеченного конуса, составляет 30 - 60^o. 3. Плазменный двигатель по п.2, отличающийся тем, что полуугол при вершине α расширенного полюсного наконечника (63), выполненного в виде усеченного конуса, составляет 45^o. 4. Плазменный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что расширенный полюсный наконечник (63) имеет такую кривую, при которой угол, образованный наконечником и осью двигателя, увеличивается по мере удаления от плоскости (14) выходного отверстия в направлении к задней части, чтобы обеспечить возможность постепенного развертывания линий магнитного поля. 5. Плазменный двигатель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что расширенный полюсный наконечник (63) имеет покрытие (263), предназначенное для увеличения излучательной способности поверхности наконечника, для создания электроизоляции, или образования защиты от загрязнения между кольцевым каналом (1) и расширенным полосным наконечником (63). 6. Плазменный двигатель по п.5, отличающийся тем, что покрытие (263) выполнено из материала, аналогичного материалу элементов (2), ограничивающих кольцевой канал (1). 7. Плазменный двигатель по п.5 или 6, отличающийся тем, что покрытие (263) выполнено по меньшей мере из одного из материалов, выбранных из группы, состоящей из титана, нитрида бора, кремния, нитрида алюминия, нитрида кремния, Al₂O₃-TiO₂ и TiN. 8. Плазменный двигатель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что расширенный полюсный наконечник (63) и дополнительная периферийная магнитная цепь (60, 80) выполнены из ферромагнитного материала без присоединения постоянного магнита или электромагнитной катушки. 9. Плазменный двигатель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один из элементов, состоящих из расширенного полюсного наконечника (63) и дополнительной периферийной магнитной цепи (60, 80), выполнен из электроизоляционного феррита. 10. Плазменный двигатель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительная периферийная магнитная цепь (80) состоит из одного ферромагнитного кольца. 11. Плазменный двигатель по п.10, отличающийся тем, что расширенный полюсный наконечник (63) и дополнительная периферийная магнитная цепь (80) состоят из одной детали, закрепленной на периферийном полюсном наконечнике (3), расположенном снаружи кольцевого канала (1). 12. Плазменный двигатель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что полый катод (7) встроен в отверстие (163), выполненное в расширенном полюсном наконечнике (63), и снабжен защитным ферромагнитным экраном (164), расположенным напротив локального магнитного поля. 13. Плазменный двигатель по п.12, отличающийся тем, что защитный ферромагнитный экран (164) расположен вокруг электрода зажигания (72), который охватывает корпус (71) полого катода (7). 14. Плазменный двигатель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что дополнительная периферийная магнитная цепь (60) содержит ферромагнитные стержни. 15. Плазменный двигатель по п.14, отличающийся тем, что ферромагнитные стержни выполнены из постоянных магнитов. 16. Плазменный двигатель по п.14, отличающийся тем, что ферромагнитные стержни выполнены из низкоуглеродистой стали и охвачены катушками (61), направление обмотки которых выполнено так, что магнитный поток, создаваемый дополнительной периферийной магнитной цепью (60) имеет противоположное направление магнитному потоку, периферийной магнитной цепи (10), расположенной внутри кольцевого канала (1). 17. Устройство концентрации пучка ионов для плазменного двигателя с закрытым дрейфом электронов, отличающееся тем, что содержит расширенный полюсный магнитный наконечник (63), выполненный в виде усеченного конуса, открытого с двух концов и предназначенного для установки за плоскостью выходного отверстия плазменного двигателя, содержащего кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал (1) и периферийный (3) и центральный (4) полюсные наконечники, расположенные по обе стороны относительно кольцевого канала (1) для создания магнитного поля радиального в плоскости (14) выходного отверстия, перпендикулярной оси кольцевого канала (1), и дополнительную магнитную периферийную цепь (60, 80), соединяющую задний конец расширенного магнитного полюсного наконечника (63) с периферийным полюсным наконечником (3), при этом расширенный полюсный магнитный наконечник (63) взаимодействует с дополнительной периферийной магнитной цепью (60, 80) и с периферийным полюсным наконечником (3) и с центральным полосным наконечником (4) для формирования магнитного поля за кольцевым каналом (1), чтобы излучаемый кольцевым каналом (1) пучок ионов оставался внутри конической зоны, угол которой в предварительно определенной вершине определяется углом в вершине расширенного полюсного магнитного наконечника (63).