ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2003 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике, непосредственно касается конструирования ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также технологических ускорителей, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии.

Известны ускорители с замкнутым дрейфом электронов двух схем. Один из них, так называемый ускоритель с анодным слоем, содержит металлическую разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, выходная часть которого размещена между полюсами магнитной системы, полый анод-газораспределитель, расположенный в глубине канала, и катод-компенсатор [1].

Введение полого анода в конструкцию данного ускорителя позволило более оптимально решить проблему ионизации рабочего газа вблизи высоковольтной границы анодного слоя. Металлическая разрядная камера под катодным потенциалом обеспечивает возможность предельно сузить анодный слой и уменьшить потери на стенках. В то же время, распыление в процессе работы ускорителя металлических стенок разрядной камеры снижает надежность данного типа ускорителя в части его электрической прочности.

Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными диэлектрическими стенками, образующими ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, анод-газораспределитель, расположенный в полости ускорительного канала, и катод-компенсатор [2].

Введение в конструкцию ускорителя диэлектрических стенок позволило устранить проблему распыления металла в разрядной камере, при этом несколько растянув ширину анодного слоя за счет увеличения поперечной подвижности электронов в пристеночной области.

Однако существующая геометрия ускорительного канала не оптимальна для обоих рассмотренных типов ускорителей. Одинаковое расстояние между кольцевыми стенками ускорительного канала в зонах ионизации и ускорения не позволяют оптимизировать процессы в каждой из этих зон.

Так, для эффективной ионизации, геометрия ускорительного канала должна обеспечивать высокую плотность рабочего газа и плавное падение потенциала в зоне ионизации. В зоне же ускорения оптимальными являются высокий градиент потенциала и пониженная плотность разрядного тока.

Противоречивость этих требований не позволяет проводить дальнейшую оптимизацию параметров ускорителя. Особенно критичным это обстоятельство становится при работе ускорителя на высоких удельных импульсах, при высоких значениях разрядного напряжения, напряженности магнитного поля с одной стороны и низкой плотностью разрядного тока с другой стороны. В результате, известным моделям ускорителей на этих режимах присущи низкие коэффициенты ионизации, ионообразование в области более значительного падения потенциала и большая протяженность зоны ускорения. Все эти факторы ведут к снижению кпд ускорителя.

Задачей изобретения является повышение кпд ускорителя в широком диапазоне рабочих характеристик за счет более эффективной организации рабочих процессов в зонах ионизации и ускорения, прежде всего при работе на высоких удельных импульсах.

Это достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, газораспределитель, анод и катод-компенсатор, согласно изобретению, стенки разрядной камеры в зоне ионизации выполнены таким образом, что расстояние между кольцеобразными стенками разрядной камеры в зоне ионизации меньше расстояния между этими стенками в зоне ускорения, причем по меньшей мере в зоне ионизации стенки разрядной камеры выполнены из диэлектрического материала, а стенки анода примыкают к разрядной камере и образуют анодную полость.

По меньшей мере на одной из стенок разрядной камеры в зоне ионизации может быть выполнена по меньшей мере одна кольцевая проточка.

Анод может содержать по меньшей мере две анодные полости, расположенные одна над другой по высоте ускорительного канала с соответствующими им кольцеобразными зонами ионизации, выходящими в единую зону ускорения разрядной камеры.

Особенность процессов, протекающих в ускорителе данной схемы, связана с измененной геометрией ускорительного канала. Ступенчатое изменение расстояния между кольцеобразными стенками разрядной камеры при переходе из зоны ионизации в зону ускорения оптимизирует процессы в обеих зонах ускорительного канала.

Прежде всего изменяется структура распределения потенциала в ускорительном канале. Известно, что протяженность разрядного слоя при заданном падении потенциала зависит от поперечной подвижности электронов, которая в общем случае определяется величиной магнитного поля. Однако использование диэлектрических стенок разрядной камеры приводит к увеличению этой подвижности за счет эффекта пристеночной проводимости [3]. Очевидно, что влияя на величину пристеночной проводимости, можно управлять протяженностью разрядного слоя. Величина пристеночной проводимости, при прочих равных условиях, зависит от частоты столкновений электронов со стенками. Таким образом, при максимальной величине расстояния между кольцеобразными стенками в зоне ускорения и размещения кольцеобразных стенок непосредственно у магнитных полюсов в области сильного сужающегося магнитного поля обеспечивается минимальная частота взаимодействия электронов со стенками, а следовательно, и минимальный пристеночный ток, что приводит к максимальному сужению зоны ускорения. В свою очередь, уменьшенное по сравнению с прототипом расстояние между кольцеобразными стенками в зоне ионизации приводит к ее растяжению пропорционально корню квадратному от прироста пристеночной проводимости за счет увеличения частоты взаимодействия электронов со стенками.

В результате такого перераспределения потенциала по длине слоя создаются условия, повышающие вероятность ионизации на высоковольтной границе слоя - в зоне ионизации, и, соответственно, снижается вероятность ионизации в более узкой зоне ускорения. Дополнительно, само по себе, сужение зоны ускорения снижает энергетические потери в ускорителе от взаимодействия ускоряемого ионного потока со стенками.

Кроме того, уменьшение расстояния между кольцеобразными стенками разрядной камеры в зоне ионизации пропорционально повышает плотность разрядного тока в этой зоне и, следовательно, повышает эффективность ионизации. Наличие же полого анода обеспечивает поступление значительного процента атомов в зону ионизации уже в возбужденном состоянии. Все эти эффекты дают возможность обеспечить достаточно высокое отношение высоты зоны ионизации и ее протяженности и, следовательно, минимальные потери ионов на стенках зоны.

Очевидно, что рассмотренные положительные эффекты в значительной мере проявляются уже при соотношении расстояний между кольцеобразными стенками в зонах ускорения и ионизации, равном 1,5-2.

Таким образом, данная геометрия ускорительного канала позволяет, во-первых, повысить эффективность ускорителя за счет перехода на режим работы с более сильным магнитным полем, а следовательно, меньшим обратным электронным током за счет оптимизации ионизационных процессов; во-вторых, обеспечить эффективную работу на высоких удельных импульсах, когда необходимо обеспечить эффективную ионизацию рабочего газа при пониженной плотности его подачи и более высоких градиентах электрического поля.

Следует отметить, что стенки разрядной камеры в зоне ускорения могут быть как диэлектрическими, так и выполненными по схеме ускорителя с анодным слоем, то есть металлическими под катодным потенциалом.

Использование на стенках зоны ионизации кольцевых проточек (различной геометрии) увеличивает пристеночную проводимость в зоне ионизации, усиливая эффект ее растяжения и связанное с ним описанное выше положительное влияние на интегральные параметры ускорителя.

Использование конструкции ускорителя с несколькими анодными полостями и соответствующими им кольцеобразными зонами ионизации позволяет обеспечить более равномерную подачу ионов на вход в зону ускорения по высоте этой зоны. Данная схема ускорителя обеспечивает более высокую степень фокусировки ускоряемого ионного потока и предпочтительна, в силу конструктивных особенностей, для ускорителей с большими диаметрами.

Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы ускорителя позволит повысить его удельные энергетические характеристики, расширить диапазон рабочих параметров в область высоких ускоряющих напряжений и увеличить ресурс его работы.

Предлагаемый плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов может быть использован как в космической технике, так и в ионно-плазменной технологии.

Использование изобретения в космической технике позволит создать электроракетные двигательные установки с более высоким КПД для выполнения различных задач в составе космических аппаратов.

Использование изобретения в ионно-плазменной технологии позволит создать более эффективное оборудование для процессов нанесения различных покрытий и сухого травления материалов.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен осевой разрез предлагаемого плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов.

На фиг.2 показаны варианты выполнения кольцевых проточек различных геометрических форм на стенках разрядной камеры в зоне ионизации, выносной элемент А.

На фиг. 3 изображена конструктивная схема ускорителя с несколькими анодными полостями и соответствующими им кольцеобразными зонами ионизации, выносной элемент А.

Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, согласно изобретению, содержит разрядную камеру 1 с кольцеобразными стенками 2, образующими ускорительный канал с зонами ионизации 3 и ускорения 4, магнитную систему, содержащую, в свою очередь, источники магнитодвижущей силы 5, магнитопровод 6, наружный и внутренний кольцеобразные магнитные полюсы 7, образующие рабочий межполюсный зазор. К разрядной камере 1 примыкает газораспределитель 8, конструктивно совмещенный с полым анодом 10. За пределами наружной области 9 рабочего межполюсного зазора установлен катод-компенсатор 11. Расстояние между кольцевыми стенками разрядной камеры в зоне ионизации 3 меньше расстояния между стенками разрядной камеры в зоне ускорения 4.

На стенках 2 разрядной камеры в зоне ионизации 3 могут быть выполнены кольцевые проточки 12 различной геометрической формы.

Ускорители большого диаметра предпочтительно выполнять с несколькими анодными полостями 13, расположенными одна над другой по высоте ускорительного канала разрядной камеры 1, и соответствующими им кольцеобразными зонами ионизации 3, выходящими в единую зону ускорения 4.

Ускоритель работает следующим образом.

В ускорительном канале разрядной камеры 1, ограниченном стенками 2, в области полюсов 7 магнитной системы с помощью источников магнитодвижущей силы 5 создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения магнитное поле. В разрядную камеру 1 через газораспределитель 8 и полый анод 10 подается рабочий газ. Разрядное напряжение прикладывается между анодом 10 и катодом-компенсатором 11 и зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов от катода к аноду. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют атомы рабочего вещества. Образовавшиеся в газовом разряде ионы ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором 11 и анодом 10. На выходе из зоны ускорения 4 поток ускоренных ионов компенсируется электронами, истекающими из катода-компенсатора 11. Таким образом, меньшая часть электронов, истекающих из катода-компенсатора, поступает обратным током в разрядную камеру, участвуя в ионизационных процессах, а большая часть электронов нейтрализует ускоренный ионный поток. Ступенчатое изменение расстояния между стенками разрядной камеры 1 в зонах ионизации 3 и ускорения 4 оптимизирует протекающие в этих зонах рабочие процессы и их взаимодействие.

Источники информации
1. С. Д. Гришин, Л.В. Лесков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов, М.: Машиностроение, 1989 г., с. 138.

2. С. Д. Гришин, Л.В. Лесков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов, М.: Машиностроение, 1989 г., с. 143 - прототип.

3. С. Д. Гришин, Л.В. Лесков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов, М.: Машиностроение, 1989 г., с. 114.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в электроракетных двигателях на базе ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов, а также в технологических ускорителях, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии. Технический результат - повышение кпд ускорителя в широком диапазоне рабочих характеристик. В плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, газораспределитель, анод и катод-компенсатор, стенки разрядной камеры в зоне ионизации выполнены таким образом, что расстояние между кольцеобразными стенками разрядной камеры в зоне ионизации меньше расстояния между этими стенками в зоне ускорения, причем по меньшей мере в зоне ионизации стенки разрядной камеры выполнены из диэлектрического материала, а стенки анода примыкают к разрядной камере и образуют анодную полость. По меньшей мере на одной из стенок разрядной камеры в зоне ионизации может быть выполнена по меньшей мере одна кольцевая проточка. Анод может содержать по меньшей мере две анодные полости, расположенные одна над другой по высоте ускорительного канала с соответствующими им кольцеобразными зонами ионизации, выходящими в единую зону ускорения разрядной камеры. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, газораспределитель, анод и катод-компенсатор, отличающийся тем, что стенки разрядной камеры в зоне ионизации выполнены таким образом, что расстояние между кольцеобразными стенками разрядной камеры в зоне ионизации меньше расстояния между этими стенками в зоне ускорения, причем по меньшей мере в зоне ионизации стенки разрядной камеры выполнены из диэлектрического материала, а стенки анода примыкают к разрядной камере и образуют анодную полость. 2. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на одной из стенок разрядной камеры в зоне ионизации выполнена по меньшей мере одна кольцевая проточка. 3. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что анод содержит по меньшей мере две анодные полости, расположенные одна над другой по высоте ускорительного канала с соответствующими им кольцеобразными зонами ионизации, выходящими в единую зону ускорения разрядной камеры.