ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H05H1/54 

Устройство относится к плазменным ускорителям. Плазменные ускорители (ионные ракетные двигатели малой тяги, силовые установки EPS) играют очень большую роль в качестве ракетных двигателей малой тяги в космических аппаратах как для спутников, двигающихся по орбите вблизи Земли, так и для полетов в космос за пределами орбиты Земли. Отношение импульса тяги к массе топлива, которое используется в качестве меры эффективности системы тяги, у плазменных ускорителей существенно больше, чем у традиционной химической системы тяги, в результате этого масса топлива пропорционально уменьшается. Уменьшение массы особенно важно для космических приложений. В качестве топлива часто используется инертный газ с высоким атомным весом, в частности ксенон.

В сетчатых ионных двигателях малой тяги, например в устройстве, описанном в патенте США 4,838,021, плазму получают в ионизационной камере из нейтрального газа путем воздействия высокочастотным полем или бомбардировкой электронами. Положительно заряженные ионы ускоряются в приложенном электрическом поле в направлении испускания в сторону сетчатого электрода. Для электрической нейтрализации в ускоряемый поток ионов необходимо добавить поток свободных электронов. Поток нейтрализованной плазмы выходит из системы тяги с высокой скоростью и ускоряет космический аппарат в противоположном направлении. Из-за образования объемных зарядов плотность ионного тока ограничена, и системы тяги этого типа требуют использования больших сечений в сочетании с умеренной тягой реактивного ракетного двигателя.

Согласно эффекту Холла в системах тяги на кольцевую ионизирующую камеру налагают электрическое ускоряющее поле, параллельное оси кольца, и радиальное магнитное поле. Электроны из внешнего источника электронов направляются в ионизирующую камеру, содержащую нейтральный газообразный ксенон, в направлении, противоположном направлению испускания ионов. В указанной ионизирующей камере электроны под действием магнитного поля принудительно направляются по спиральным орбитам, таким образом, расстояние, пройденное электроном внутри ионизирующей камеры, увеличивается по сравнению с расстоянием до анода по прямой, причем таким образом усиливается также ионизирующее взаимодействие с газообразным топливом. На вторичные электроны также действует отклоняющее магнитное поле, кроме того, они ускоряются электрическим полем. Более того, заданная конфигурация поля в значительной степени предотвращает формирование объемных заряженных зон, которые могли бы экранировать электрическое ускоряющее поле для положительных ионов топлива. Таким образом, ускорение положительных ионов происходит в основном в нейтральной плазме. Такое устройство позволяет обеспечить явно более высокие плотности тока, чем система тяги с сетчатым ионным двигателем, однако его эффективность существенно ограничена из-за сильного углового уширения потока испускаемых ионов.

В патенте Германии DE 1,222,589 В описано устройство для получения пучка заряженных частиц с нейтральным объемным зарядом, в котором пучок сильно ускоренных электронов вводят в ионизирующую камеру вдоль ее продольной оси и направляют магнитным полем, параллельным продольной оси. Дуговой разряд в ионизирующей камере приводит к формированию из поступившего газа медленных электронов и положительно заряженных ионов. В то время как положительно заряженные ионы ускоряются в направлении первичного пучка электронов электродом, ускоряющим ионы, и покидают ионизирующую камеру вместе с замедленными электронами первичного электронного пучка в виде пучка нейтральной плазмы, медленные электроны, образовавшиеся при газовом разряде, колеблются между электродами, расположенными на входной и выходной сторонах, удерживаемые магнитным полем, ориентированным параллельно продольной оси. Ускоренные ионы и замедленные электроны в электронном пучке выходят из устройства в виде пучка нейтральной плазмы.

Настоящее изобретение основано на проблеме предложения устройства плазменного ускорителя, в частности, в виде ракетного двигателя малой тяги в космическом аппарате, обеспечивающего повышенную эффективность.

В устройстве, предложенном в настоящем изобретении, сфокусированный пучок электронов вводится в ионизирующую камеру и первоначально начинает ионизацию нейтрального газообразного топлива, имеющегося в указанной ионизирующей камере или поданного в нее. Вторичные электроны, высвобожденные в процессе ионизации, ускоряются в противоположном направлении в электрическом поле, наложенном для ускорения положительных ионов, и сами вновь вызывают ионизацию. После запуска процесса ионизации электронным пучком вторичные электроны могут обеспечить основную часть дальнейшей ионизации.

Дальнейшим важным последствием впуска электронного пучка является то, что фокусировке пучка ионов, ускоренных в электрическом ускоряющем поле, способствует компенсация его положительного объемного заряда электронным пучком, так что экранирование ускоряющего электрического поля отсутствует. Поле, ускоряющее положительные ионы, оказывает замедляющее действие на электроны электронного пучка, перемещающиеся в том же направлении, что и поток ускоряющихся ионов, так что плотность объемного заряда электронного пучка повышается в направлении продольной оси ионизационной камеры, что способствует концентрации ионного пучка, которую требуется обеспечить в концевой части ионизационной камеры. Средняя скорость электронов в электронном пучке и градиент потенциала ускоряющего поля для ионов, который соответствует повышению потенциала для электронов, преимущественно взаимодействуют друг с другом таким образом, чтобы в конце пути ускорения ионов (или пути замедления для электронов в электронном пучке) средние скорости электронов в электронном пучке и средние скорости ионов ускоренного потока ионов становились приблизительно равными, так что в конце пути ускорения выводится почти нейтральная плазма. Эти средние скорости преимущественно различаются меньше чем в 10 раз.

Кроме того, пучок электронов создает отрицательный объемный зарядом по всей длине ионизационной камеры, который является основным средством притяжения положительных ионов и способствует фокусировке ускоренных ионов в сфокусированный электронной ток и одновременно компенсирует взаимное отталкивание ионов. Система направления и/или фокусировки пучка, состоящая из магнитных и/или электрических полей, может противодействовать уширению пучка электронов. Особенно предпочтительно использование магнитного волновода пучка с полем, которое в зоне пучка в основном параллельно направлению пучка вдоль продольной оси ионизационной камеры. На те электроны в электронном пучке, которые имеют компоненту скорости, перпендикулярную продольной оси камеры, со стороны магнитного поля действует сила, заставляющая их двигаться по спиральным орбитам вокруг оси пучка. Магнитные волноводные системы известны сами по себе по электронно-лучевым трубкам, описано огромное разнообразие их форм, особенно в связи с лампами бегущей волны, в виде постоянных периодических магнитных систем, в которых изменение направления поля происходят вдоль центрально оси, где поле имеет также большие радиальные составляющие. Ссылка на такие известные волноводные системы делается с целью описания. Лампы бегущей волны с такими магнитными системами известны, например, по немецким патентам DE 2,652,020 В2 и DE-AS-1,491,516.

Кроме того, система с магнитным полем имеет преимущества по воздействию на медленные вторичные электроны, образовавшиеся в процессах ионизации, которые ускоряются по спиральным или подобным образом искривленным орбитам в электрическом поле, ускоряющим положительные ионы в противоположном направлении. Таким образом, с одной стороны, предотвращается быстрое попадание электронов на электрод, расположенный в направлении, противоположном направлению продольной оси ионизующей камеры, и явно повышается вероятность запуска одного или нескольких процессов дальнейшей ионизации вторичным электроном, так что газообразное топливо может быть ионизовано преимущественно вторичными электронами. С другой стороны, частично компенсируется положительный объемный заряд медленных ионов, обусловленный процессом ионизации, вследствие удлинения времени жизни вторичных электронов. Наконец, электроны могут большей частью удерживаться магнитным полем внутри соответствующего потенциальной ступени и в конце концов направляться к электроду, который является следующим в направлении, противоположном продольному направлению камеры, что позволяет избежать повышенных потерь энергии, вызванных вторичными электронами, ускоренными на больших расстояниях. Изменение направления вращения вторичных электронов по искривленным орбитам вокруг направления поля, оказывающего ускоряющее действие на электроны, особенно эффективно, если направления напряженности электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны. Таким образом, электрическое и магнитное поля преимущественно прикладывают таким образом, чтобы линии полей пересекались в преобладающей части объема ионизационной камеры, в частности более чем в 90% ее объема. Угол между направлениями напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля преимущественно составляет от 45^o до 135^o по меньшей мере в 50% процентах объема ионизационной камеры. В связи с этим как магнитное, так и электрическое поля имеют в отличие от преимущественных компоненты полей, параллельные продольной оси, а усредненные направления электрического поля и магнитного поля преимущественно совпадают на продольной оси ионизационной камеры. В связи с тем, что при перемещении вдоль продольной оси камеры направление магнитного поля изменяется, следует иметь в виду среднее направление этого поля без учета его полярности.

Преимущественное для настоящих целей устройство предусматривает конфигурацию поля, при которой электроды для формирования электрического поля и полюса магнитного поля последовательно следуют одно за другим в направлении продольной оси, чередуясь друг с другом, при этом электроды и/или полюсные наконечники преимущественно располагаются на боковой стенке ионизационной камеры. Преимущественно поля являются осесимметричными по отношению к продольной оси и достигают максимальных и минимальных значений напряженности поля на продольной оси. В простейшей одноступенчатой структуре два электрода располагаются на определенном расстоянии друг от друга в направлении оси ионизационной камеры, а три полюсных наконечника, окружающие ионизационную камеру, также разносятся друг от друга в продольном направлении, а их полярность чередуется таким образом, чтобы один из двух электродов во всех случаях располагался между двумя полюсными наконечниками. В продольном направлении каждый электрод по меньшей мере приблизительно находится около максимумов напряженности магнитного поля на продольной оси, а минимумы напряженности магнитного поля на продольной оси в точке изменения направления напряженности поля совпадают по меньшей мере приблизительно с максимумом проекции напряженности электрического поля на продольную ось.

Особенно преимущественной является многоступенчатая система, в которой напряженность магнитного поля несколько раз меняет свое направление на продольной оси, а полюсные наконечники, окружающие ионизационную камеру в виде кольца, при перемещении вдоль продольной оси последовательно следуют друг за другом с переменной полярностью, и каждый из них вставлен между двумя электродами электрической электронной системы. Совокупность электродов образует ступени потенциала. Однако в отличие от магнитного поля при перемещении вдоль продольной оси направление электрического поля не изменяется. Электрический потенциал изменяется монотонно от одной ступени к другой при перемещении вдоль продольного направления ионизационной камеры. Не на продольной оси поля двух типов пересекаются друг с другом, причем преимущественно угол между направлениями напряженности полей составляет от 45^o до 135^o по меньшей мере в 60% объема камеры.

Электрическое и магнитное поля могут преимущественно согласовываться друг с другом так, чтобы вторичный электрон, образовавшийся при ионизации внутри зоны ступени электрического потенциала между двумя электродами, непосредственно соседствующими друг с другом, по возможности удерживался магнитным полем в указанной ступени, и вероятно направлялся на электрод, ближайший в направлении, противоположном направлению продольной оси, вызвав один или несколько дальнейших процессов ионизации.

В то время как электроны из-за своей малой массы подвержены сильному воздействию со стороны магнитного поля, движение ионов в основном определяется только электрическими полями. Ионы ускоряются в направлении градиента потенциала и концентрируются в направлении продольной оси, причем такой фокусировке также определенно совместно способствуют силовые линии поля, проходящие между соседними электродами. Таким образом, ионы в среднем способны поглощать энергию электрического поля от нескольких потенциальных ступеней, в то время как потери энергии, вызванные захватом вторичных электронов электродами, остаются низкими, с другой стороны, поскольку их перемещение ограничено одной или двумя потенциальными ступенями, поэтому результатом является высокая эффективность преобразования электрической энергии в механическую.

Предпочтительно кольцевые электроды, особенно промежуточные электроды многоступенчатой системы, заключенные между двумя другими электродами, имеют плоское протяжение преимущественно в продольном направлении для надежного захвата вторичных электронов, причем в каждом случае длина промежуточных электродов в направлении продольной оси преимущественно составляет по меньшей мере 30%, предпочтительно по меньшей мере 80% расстояния до следующего электрода.

Для получения описанных свойств поля с ограничением перемещения вторичных электронов и фокусировкой положительных ионов полевыми линзами, диаметр промежуточного электрода преимущественно составляет менее 300%, предпочтительно менее 100% длины электрода в направлении продольной оси.

В технологии электронно-лучевых трубок известно много способов создания сфокусированного электронного пучка в виде центрального пучка или полого пучка, поэтому эти детали опущены здесь и приводятся ссылки на известные устройства, например на немецкие патенты DE 1,222,589 В или DE 2,931,746 С2. В настоящем изобретении электронный ток, испущенный катодом, фокусируется и образует ламинарный пучок, например, с помощью электронно-оптической системы, похожей на предложенную Пирсом, и вводится в ионизирующую камеру вдоль ее продольной оси. Когда электронный пучок вводится в ионизирующие камеры, их входная зона преимущественно представляет собой барьер для ионов, образованных в ионизирующей камере, с целью предотвращения попадания ионов на катод под действием на них проникающего потенциала катода, что приводит к потерям или деградации способности катода испускать электроны, либо по меньшей мере для ограничения этого нежелательного ионного потока на низком уровне. Например, первый электрод можно изготовить в виде ионного барьера, имеющего форму кольцевого затвора, причем перфорированный затвор малого диаметра находится напротив диаметра ионизирующей камеры. Внутри ионизирующей камеры пучок направляется описанным магнитным полем в виде сфокусированного пучка.

Первичные электроны сфокусированного электронного пучка замедляются разностью потенциалов, приложенной для ускорения ионов на участке ускорения между первым и последним электродами преимущественно многоэлектродного устройства, которое преимущественно идентично ионизирующей камере. Электроны достигают конца участка замедления без дополнительных потерь энергии с остаточной скоростью, которая должна быть намного ниже, чем скорость в начале участка замедления (участок замедления для электронов). С этой целью разность потенциалов на последнем электроде и на катоде преимущественно небольшая и положительная. Если в ионизирующей камере нет газообразного топлива, то электроны с низкой остаточной энергией могут захватываться в конце ускорительного участка последним электродом, который в этом случае играет роль коллектора.

В реальном случае при наличии газообразного топлива в ионизирующей камере некоторые из первичных электронов отдают свою энергию на своем пути по ионизирующей камере вследствие взаимодействия с газообразным топливом, в особенности вследствие возбуждения и ионизации газообразного топлива, и теряют скорость. Однако такая потеря скорости очень незначительна по сравнению с начальной скоростью, ее можно учесть и детально определить эмпирически, изменяя потенциал последнего электрода для получения нейтральной плазмы в выходящем плазменном пучке.

Подача газообразного топлива преимущественно производится через отверстия в боковой стенке ионизирующей камеры в зоне, которая удалена как от стороны подачи электронного пучка, так и от той стороны, из которой выводится плазменный пучок. Зона подачи предпочтительно удалена от входа электронного пучка на расстояние, составляющее от 10% до 40% длины ионизирующей камеры в продольном направлении.

Перечисленные выше и в формуле изобретения особенности могут успешно применяться как по отдельности, так и в сочетаниях.

Настоящее изобретение подробно описывается ниже с помощью поясняющих реализаций и с помощью чертежей, на которых
на фиг.1 приведено продольное сечение многоступенчатой структуры,
на фиг.2 показаны силовые линии поля для многоступенчатого устройства и
на фиг.3 показаны силовые линии поля для устройства с одной степенью.

Устройство, схематически изображенное на фиг.1 в виде продольного разреза вдоль продольной оси "Z", имеет ионизирующую камеру "IK", расположенную вдоль продольной оси "Z". Эта ионизирующая камера имеет структуру, например, обладает осевой симметрией относительно продольной оси "Z". Предполагается, что продольное протяжение ионизирующей камеры "IK" в направлении продольной оси "Z" существенно превышает диаметр "DK" ионизирующей камеры, перпендикулярный продольной оси "Z". Предполагается, что ионизирующая камера "IK" ограничена цилиндрической боковой стенкой, края которой перпендикулярны продольной оси.

Магнитные полюсные наконечники "РР" и электроды Е1, Е2 и т.д. до Е5 расположены вдоль боковой стенки, причем полюсные наконечники и электроды образуют осесимметричную структуру по меньшей мере на сторонах, обращенных к продольной оси "Z". Магнитные полюсные наконечники "РР" отклоняют магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом "РМ", причем последний охватывает ионизирующую камеру "IK" в виде кольца, так что каждый полюсный наконечник "PP" образует магнитный полюс, причем полюсные наконечники установлены один сразу за другим в продольном направлении и образуют магнитные полюса противоположной полярности. Поэтому магнитное поле, сформированное в ионизирующей камере "IK" между полюсными наконечниками, меняет свое направление в точке расположения каждого полюсного наконечника "РР". Такое устройство магнитного поля достаточно известно само по себе из технологии ламп бегущей волны как постоянная периодическая магнитная система.

К электродам с E1 по E5, расположенным между полюсными наконечниками "РР", приложены различные потенциалы А1, А2 и т.д. по А5. Система электродов дополнена катодом "К" и анодом "Е0". Катод "К" и анод "Е0" образуют систему формирования пучка, служащую для формирования сфокусированного электронного пучка "ЕВ" из ламинарного тока электрода "ES". Кроме того, уже известно большое количество вариантов систем, предназначенных для формирования и фокусировки электронных пучков. Анодный электрод Е0 и электроды с E1 пo EN, ограничивающие ионизирующую камеру с боковых сторон, совместно образуют систему электродов с градиентом потенциала, монотонным для ионов и возрастающим от потенциала Е0 до потенциала А5 электрода E5, причем А0>А1>А2>A3>А4>А5 для положительно заряженных ионов. Для отрицательно заряженных ионов электронного пучка "ЕВ" последовательность потенциалов от А0 до А5 формирует тормозящий потенциал, который постоянно снижает стартовую скорость электронов в электронном пучке "ЕВ" по мере его продвижения вдоль продольной оси "Z". Потенциал катода К выбирается небольшим и отрицательным по отношению к потенциалу последнего электрода E5, чтобы электроны из электронного пучка "ЕВ" все еще имели низкую остаточную скорость после прохождения по ионизирующей камеры до электрода E5. Электронный пучок "ЕВ" направляется в ионизирующей камере в виде сфокусированного пучка магнитным полем "НК", которое приложено между полюсными наконечниками.

Нейтральное газообразное топливо "TG" подается в ионизирующую камеру через боковую стенку. Электроны электронного пучка "ЕВ" взаимодействуют с нейтральным газообразным топливом и вызывают частичную ионизацию газа. Положительно заряженные ионы, сформированные при таком взаимодействии, ускоряются в направлении градиента потенциала от А0 до А5 и фокусируются на своем пути в направлении продольной оси электронным пучком "ЕВ" и полевыми линзами, образованными последовательно установленными электродами. Вторичные ионы, освобожденные в процессе ионизации, имеют очень низкие стартовые скорости, причем направления скоростей описываются статистическим распределением. Вторичные электроны ускоряются в электрическом поле "ЕК" между отдельными электродами в направлении, противоположном направлению ускорения ионов. Одновременно направление вращения ускоренных вторичных электронов изменяется на обратное магнитным полем "НК", которое одновременно приложено в ионизирующей камере "IKL", и они направляются по искривленным орбитам вокруг направления ускоряющего электрического поля. Таким образом, время жизни электронов в ступени между двумя электродами значительно увеличивается, и многократно возрастает вероятность того, что такой вторичный электрон инициирует процесс дальнейшей ионизации. В конце концов вторичные электроны захватываются ближайшим электродом, расположенным в направлении анода "Е0". Кроме того, повышенное время жизни электронов в ионизирующей камере между двумя электродами до соударения с электродом препятствует быстрому накоплению положительного объемного заряда положительно заряженными ионами и, следовательно, препятствует экранированию поля, которое ускоряет ионы.

Ионизация газообразного топлива "TG" как первичными электронами электронного пучка ЕВ, так и вторичными электронами, образованными в предшествующих процессах ионизации, в значительной степени распределяет топливо по всей длине ионизирующей камеры. Ионы, ускоренные вдоль градиента потенциала между А0 и А5 в направлении продольной оси "Z" и сфокусированные вокруг продольной оси "Z", а также замедленные электроны сфокусированного электронного пучка "ЕВ" совместно образуют на выходе "КА" ионизирующей камеры в основном нейтральный плазменный пучок "РВ", характеризующийся незначительной расходимостью пучка.

Анодный электрод Е0 одновременно создает электронный барьер и имеет форму электрода-затвора с малым диаметром отверстия затвора по сравнению с диаметром "DK" ионизирующей камеры. На фиг.1 потенциал электродов с Е0 по Е4 измеряется относительно потенциала последнего электрода Е5 с целью получения примера значений для ступеней потенциала. Потенциал катода К несколько отрицателен по отношению к потенциалу последнего электрода Е5. Полюса магнитной системы различаются путем использования общепринятых обозначений "S" и "N".

На фиг.2 качественно показаны график напряженности поля и распределение электронного заряда вдоль продольной оси "Z" для вырезки из структуры, изображенной на фиг.1. На фиг.2 показано также расположение по отношению к продольной оси "Z" электродов Е0, Е1 и т.д., полюсных наконечников "РР", а также графиков напряженности полей и распределение зарядов электронов. Первичный пучок электронов "ЕВ" симметрично показан по обе стороны продольной оси "Z", в то время как накопление вторичных электронов "ЕС" для облегчения читаемости рисунка показано только по одну сторону от продольной оси "Z". Приведены графики напряженности полей на продольной оси или в непосредственной близости от нее, они обозначены "Ez" и "Hz". Продольная ось "Z" образует абсциссу графика, а ордината качественно показывает графики напряженности полей "Ez" и "Hz". Напряженность электрического поля "Ez" на продольной оси достигает минимальных значений в точках расположения электродов Е0, Е1 и т. д., а максимальных значений - посередине между электродами. В связи с этим направление напряженности поля не изменяется, так что знак напряженности электрического поля на этом чертеже не меняется. Проекция напряженности магнитного поля на ось Z имеет минимальные значения в точках расположения полюсных наконечников "РР", а максимальные значения - между двумя соседними полюсными наконечниками. В отличие от электрического поля изменение направления магнитного поля происходит на каждом отдельном полюсном наконечнике, на чертеже оно изображено как переход через продольную ось "Z", представляемую как воображаемую нулевую линию, что можно рассматривать как изменение знака. Вторичные ионы, образовавшиеся в процессе ионизации, ускоряются электрическим полем в ионизирующей камере и направляются магнитным полем по криволинейным орбитам. Накопление электронов, то есть повышенная концентрация электронов, наблюдается в кольцевых зонах "ЕС", охватывающих продольную ось "Z"; указанные зоны приблизительно соответствуют минимальным значениям проекции на продольную ось напряженности электрического поля или максимальным значениям проекции напряженности магнитного поля на продольную ось.

На фиг.3 показано сравнительное представление, как и на фиг.2, графиков напряженности полей и распределений электронов для устройства с одной ступенью и двумя электродами E1, E2, на которые поданы потенциалы А0 и, соответственно, A1, а также с магнитной структурой, имеющей три полюсных наконечника РР1, РР2 и РР3, из которых два полюсных наконечника окружают в каждом случае один из двух электродов Е1 и Е2 соответственно. График напряженности поля в случае одной ступени показывает, что как и в распределении, изображенном на фиг. 2, минимальные значения напряженности электрического поля на оси достигаются в точках расположения электродов E1, E2, а максимальное значение напряженности электрического поля "Ez" - на оси между двумя электродами. Проекция напряженности магнитного поля на продольную ось "Z" "Hz" достигает минимального значения в зоне центрального полюсного наконечника РР2, где также происходит изменение направления напряженности поля. Максимальные значения напряженности магнитного поля опять наблюдаются в зоне электродов Е1 и E2, где напряженность электрического поля "Ez" имеет минимальные значения на оси. Режим работы устройства при наличии кольцеобразных электронных облаков "ЕС", охватывающих продольную ось "Z", соответствует тому, что излагалось выше при описании фиг.2.

Изобретение не ограничено приведенными выше примерами реализации; эксперты, обладающие опытом в соответствующей области, могут модифицировать его различными способами в пределах своих возможностей. Особенно много возможных вариантов для отдельных случаев можно предложить для размеров ионизирующей камеры, отношений между размерами электродов, междуэлектродных расстояний и диаметров электродов, возможны много вариантов, приспособленных для частного случая. В устройствах с несколькими ступенями междуэлектродные расстояния и/или расстояния между полюсными наконечниками, а также длина электродов в направлении продольной оси не обязательно являются постоянными во всех ступенях. Градиент потенциала между первым и последним электродами не обязательно должен быть линейным, в отдельном случае он может описываться нелинейной зависимостью. Применения плазменного ускорителя не ограничиваются описанным преимущественным случаем применения в качестве ионного ракетного двигателя малой тяги космического аппарата, он может также успешно использоваться для бесконтактной обработки металла при использовании высокой плотности мощности при таких операциях, как, например, сварка, пайка, резка и т.д., включая также обработку тугоплавких металлов.

Изобретение относится к плазменным ускорителям и предназначено, в частности, для использования в качестве ионного двигателя малой тяги в космическом аппарате. Ускоренный электронный пучок вводится в ионизирующую камеру ускорителя, заполненную газообразным топливом. Пучок направляется по ионизирующей камере в виде сфокусированного пучка в замедляющее электрическое поле, причем упомянутое замедляющее электрическое поле одновременно играет роль ускоряющего поля для ионов топлива, получаемых при ионизации. Технический результат - устройство с высокой степенью эффективности формирует сфокусированный пучок в основном нейтральной плазмы. 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Плазменный ускоритель с ионизирующей камерой (IK), расположенной вокруг продольной оси (Z), с системой электродов для формирования градиента электрического потенциала для положительно заряженных ионов топлива на пути ускорения вдоль продольной оси (Z), со средствами введения сфокусированного электронного пучка (ЕВ) в ионизирующую камеру вдоль продольной оси (Z) и с магнитным волноводом для направления электронного пучка вдоль продольной оси (Z), отличающийся тем, что магнитный волновод для направления электронного пучка имеет одну или несколько точек с изменениями направления магнитного поля, расположенных на продольной оси (Z). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод включает устройство с постоянным магнитом (РМ). 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что система электродов на участке ускорения имеет один или несколько промежуточных электродов (Е1, Е2, ....) согласно разделению градиента потенциала на несколько ступеней. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что промежуточные электроды установлены на боковом ограничении ионизирующей камеры. 5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что в каждом случае длина промежуточного электрода в направлении продольной оси составляет не менее 30%, преимущественно не менее 80% расстояния до следующего электрода. 6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что диаметр промежуточного электрода составляет преимущественно менее 100% размера электрода вдоль продольной оси. 7. Устройство по одному из пп.1-6, отличающееся тем, что полюса (РР) магнитного волновода пучка и электроды (Е1, Е2,.....) системы электродов последовательно чередуются в направлении продольной оси. 8. Устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что электрические и магнитные поля пересекаются в преобладающей части, в частности, более чем в 90% объема ионизирующей камеры. 9. Устройство по пп.8, отличающееся тем, что более чем в 60% объема ионизирующей камеры угол между направлением электрического поля и направлением магнитного поля составляет 45 - 135^oC. 10. Устройство по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что для формирования сфокусированного электронного пучка потенциал катода (К) является отрицательным по отношению к потенциалу электрода (E5) в системе электродов, расположенного на выходе (КА) ионизирующей камеры. 11. Устройство по одному из пп.1-10, отличающееся тем, что в плазменном пучке (РВ), выходящем в конце участка ускорения, средняя скорость электронов приблизительно равна средней скорости положительно заряженных ионов. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что средние скорости электронов и ионов отличаются друг от друга не больше чем в 10 раз. 13. Устройство по одному из пп.1-12, отличающееся тем, что участок ускорения для ионов уплотнен в направлении стороны подачи электронного пучка ионным барьером. 14. Устройство по одному из пп.1-13, отличающееся тем, что электрод (Е0), расположенный в начале участка ускорения ионов, имеет форму электрода-заслонки с центральным отверстием для пропускания электронного пучка, причем диаметр этого отверстия существенно меньше, чем диаметр ионизирующей камеры. 15. Устройство по одному из пп.1-14, отличающееся тем, что нейтральное газообразное топливо (ТG) подают в ионизирующую камеру (IK) сбоку. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что подача топлива происходит в зоне, расстояние от которой до стенки, через которую вводится электронный пучок, составляет 10-40% от продольного протяжения ионизирующей камеры. 17. Устройство по одному из пп.1-16, отличающееся тем, что длина ионизирующей камеры существенно превышает ее диаметр, в частности превышает ее диаметр более чем в 3 раза. 18. Устройство по одному из пп.1-17, отличающееся тем, что участок ускорения и длина ионизирующей камеры практически совпадают.