ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к устройству плазменного ускорителя.

Устройства плазменных ускорителей известны, в частности, как устройства Холла. В них ионизируемый газ, в частности инертный газ, подается в плазменную камеру. Плазменная камера по существу представляет собой кольцо вокруг центральной продольной оси и открыта в основном направлении выпуска, параллельному продольной оси. Анод расположен в основании плазменной камеры со стороны, противоположной направлению выпуска. Катод как источник электронов расположен снаружи плазменной камеры и радиально смещен относительно ее. Стенки плазменной камеры из непроводящего материала. Магнитная система создает в плазменной камере практически радиально ориентированное магнитное поле с помощью первого внутреннего и второго внешнего магнитных полюсов. Поток электронов, испускаемый катодом, разгоняется в электрическом поле между катодом и анодом, поступает в плазменную камеру и отклоняется там под прямыми углами к градиенту электрического потенциала и линиям магнитного поля под действием радиального магнитного поля, ионизируя топливный газ в камере. В процессе этого образуется плазма и положительно заряженные ионы разгоняются в направлении выпуска. Часть электронов, испускаемых катодом, используется для нейтрализации пучка ионов.

В устройствах такого типа, где создается специальное магнитное поле для повышения эффективности и жизненного цикла, известно, например, из ЕР 0541309 A1. С помощью противоположно поляризованных магнитных полюсных наконечников, расположенных напротив друг друга и разделенных радиально в зоне выпуска кольцевой плазменной камеры, внутренние и внешние системы катушек создают практически радиальное магнитное поле в этой зоне плазменной камеры. Пространство в глубине плазменной камеры вместе с кольцевым электродом окружено магнитным экраном.

В US 5847493 А представлен плазменный ускоритель на основе эффекта Холла, у которого внутренние и внешние системы катушек, каждая из которых создает два магнитных полюса, разделенных между собой в направлении выпуска. Соответствующие радиально противоположные полюса внутренней и внешней систем катушек противоположно поляризованные и в свою очередь создают практически радиальное магнитное поле. Подобная установка плазменного ускорителя с полюсными наконечниками частично конической формы представлено в ЕР 0982976 A1.

В DE 19828704 A1 представлена установка плазменного ускорителя, у которой в круговую цилиндрическую плазменную камеру в продольном направлении подается сфокусированный пучок электронов, разогнанный снаружи камеры и управляемый вдоль оси постоянным периодическим магнитным устройством, цилиндрически окружающим плазменную камеру и имеющим несколько чередующихся секций.

Целью настоящего изобретения является описание модифицированного устройства плазменной камеры для использования, например, в качестве двигателя для космических летательных аппаратов.

Существенным отличием настоящего изобретения в сравнении с известными устройствами является принципиально другая конфигурация магнитного поля, проходящего через плазменную камеру. В существующих устройствах магнитная система имеет полюсную систему внутри, а вторую полюсную систему снаружи тороидальной плазменной камеры, расположена практически радиально и зачастую замкнута за плазменной камерой через обратные магнитные линии. Данное изобретение предлагает магнитную систему, имеющую устройство с переменой полюсов в продольном направлении, то есть в направлении, параллельном продольной оси устройства, как радиально внутри, так и снаружи относительно плазменной камеры. Предпочтение имеет, в частности, устройство, у которого перемена полюсов внешнего и внутреннего магнитного устройства происходит в одном направлении таким образом, что идентичные магнитные полюса, радиально разделенные плазменной камерой и принадлежащие двум отдельным магнитным устройствам, находились напротив друг друга.

В первой конструкции магнитная система может состоять из одной секции, в которой происходит смена полюсов внешнего и внутреннего магнитных систем с помощью разноименных магнитных полюсов, разделенных между собой в продольном направлении. В каждом случае по меньшей мере один из двух магнитных полюсов расположен в пространстве плазменной камеры в продольном направлении. Оба полюса односекционной магнитной системы, разделенные между собой в продольном направлении, преимущественно расположены в пределах продолжения плазменной камеры в продольном направлении. Особым преимуществом обладает устройство с многосекционной магнитной системой с несколькими последовательными подсистемами в продольном направлении, каждая из которых имеет внешнее и внутреннее магнитное устройство, а последовательные в продольном направлении подсистемы установлены с чередованием в противоположных направлениях. Радиально противоположные полюса преимущественно имеют одинаковое направление, в результате этого получается наилучшее распределение движения электронов.

Особым преимуществом в соответствии с данным изобретением обладает установка плазменного ускорителя, у которой по-прежнему есть по меньшей мере одно электродное устройство между катодом и анодом в зоне боковых стенок плазменной камеры, которое находится под действием промежуточного потенциала между потенциалами катода и анода. На этом электроде могут задерживаться электроны, просто накопившие энергию от части потенциала разности потенциалов между катодом и анодом. В результате разность потенциалов между катодом и анодом может разделяться на две или более ускоряющие секции, а потери от столкновения электронов со стенкой можно существенно снизить. Электрическая эффективность, в частности, монотонно повышается с количеством секций. В продольном направлении электроды в каждом случае выгодно расположены между краями полюсов магнитной системы или подсистемы. Результатом этого является наилучшее направление распространения электрических и магнитных полей.

Далее настоящее изобретение описывается более подробно со ссылками на иллюстрации и с использованием наиболее предпочтительных вариантов конструкций, где:

на фиг.1 представлен вид сбоку известной плазменной камеры;

на фиг.2 представлены направления полей и токов в плазменной камере в соответствии с данным изобретением;

на фиг.3 представлен вид в направлении оси симметрии, относящийся к фиг.2;

на фиг.4 представлена одна секция магнитного устройства;

на фиг.5 представлен вид сбоку предпочтительной схемы.

Как известно из физики плазмы, в результате подвижности электронов, вызванной их небольшой по сравнению с обычно положительно заряженными ионами массой, плазма ведет себя подобно металлическому проводнику и принимает постоянный потенциал.

Тем не менее если плазма находится между двумя электродами с разными потенциалами, то она принимает примерно потенциал электрода с потенциалом, который выше для положительных ионов (анод), так как электроны очень быстро движутся по направлению к аноду, пока потенциал плазмы не станет почти равным постоянному потенциалу анода, а следовательно, плазма станет вне действия поля. Как известно, только в сравнительно тонком пограничном слое около катода потенциал резко падает до величины потенциала катода.

Поэтому разные потенциалы могут сохраняться в плазме, только когда проводимость плазмы анизотропная. В соответствии с настоящим изобретением в устройстве может создаваться преимущественно высокая анизотропия проводимости. Это связано с тем, что электроны под действием силы Лоренца испытывают силы под прямыми углами к линиям магнитного поля и под прямыми углами к направлению движения во время движения поперек линий магнитного поля. Поэтому естественно, что электроны могут с легкостью перемещаться в направлении линий магнитного поля, то есть в направлении с высокой электрической проводимостью и для более легкой компенсации разности потенциалов при движении в этом направлении. Однако ускорению электронов с помощью составляющей электрического поля, направленной под прямыми углами к линиям магнитного поля, препятствует вышеупомянутая сила Лоренца, поэтому электроны движутся спирально вокруг линий магнитного поля. Соответственно, электрические поля под прямыми углами к линиям магнитного поля могут создаваться без непосредственной компенсации потоком электронов. Для устойчивости таких электрических полей особенно благоприятно, если связанные с ними эквипотенциальные поверхности простираются примерно параллельно линиям магнитного поля, а следовательно, электрические и магнитные поля в значительной степени пересекаются.

На фиг.1 представлена базовая конструкция традиционного плазменного ускорителя на основе принципа Холла (двигатель Холла). Плазменная камера РК имеет тороидальную конструкцию вокруг центральной оси симметрии SА, изолированные боковые стенки WA, WI и заднюю стенку RW. Плазменная камера открыта с одной стороны в продольном направлении LR параллельно оси симметрии SА и может иметь также в этом месте ускоряющую сетку.

В качестве источника электронов снаружи плазменной камеры установлен катод КА. Анод AN установлен на краю основания плазменной камеры и повернут в сторону, противоположную выпускному отверстию AU. Электрическое поле Е между анодом и катодом распространяется по плазменной камере практически параллельно продольному направлению LR. Магнитная система имеет радиально внешний первый магнитный полюс МА (например, северный полюс) и второй радиально внутренний магнитный полюс MI (например, южный полюс). Эти два магнитных полюса сконструированы таким образом, чтобы иметь форму кольца, практически симметричного относительно оси симметрии SА, и соединяться через замкнутые магнитные силовые линии за плазменной камерой. Такая магнитная система создает практически радиально ориентированное магнитное поле В в плазменной камере РК.

Часть испускаемых катодом электронов разгоняется в электрическом поле между анодом и катодом, направляется в плазменную камеру и отклоняется там магнитным полем В под прямыми углами к направлению движения электронов и линиям магнитного поля, то есть практически под прямыми углами к плоскости рисунка. В результате электроны вынуждены медленно перемещаться около оси симметрии, оставаясь в течение относительно большого периода времени в плазменной камере, перед тем как достигнуть анода AN. Во время движения в плазменной камере в результате столкновений с поступающим в камеру газом, например ксеноном, электроны создают положительные ионы и вторичные электроны. Ионы и электроны образовывают в плазменной камере высоко проводимую плазму. Ионы испускаются из камеры в продольном направлении. Во избежание зарядки самого устройства электроны с катода КА присоединяются к испускаемому потоку ионов, таким образом испускаемый поток плазмы РВ электрически нейтрален. Такое устройство по существу известно по многим конструкциям.

На фиг.2 представлена многосекционная установка в соответствии с настоящим изобретением, у которой опять-таки в практически тороидальной плазменной камере, форма которой доступна при индивидуальном изготовлении, анод установлен у задней стенки и повернут в сторону, противоположную направлению выпуска. Существенным фактором данной установки согласно фиг.2 является то, что магнитная система больше не имеет внешнего и внутреннего полюсов, соединяемых замкнутыми силовыми магнитными линиями. Вместо этого снаружи плазменной камеры расположено магнитное устройство RМА, каждая из его последовательных секций S0, S1, S2 в продольном направлении параллельна оси симметрии, внутри имеет оба разноименных магнитных полюса, разделенных между собой в продольном направлении LR. Таким же образом следующее многосекционное магнитное устройство RMI установлено радиально внутри плазменной камеры, и каждая секция внутри имеет оба разноименных магнитных полюса, разделенных между собой в продольном направлении LR. Два магнитных устройства каждой секции RMA и RMI расположены радиально напротив друг друга, примерно одинаковой длины в продольном направлении LR и с одинаковой последовательностью полюсов в этом направлении. Вследствие этого одинаковые полюса (N-N и S-S) расположены радиально напротив друг друга, а магнитные полюса в каждом из двух магнитных устройств внутренне замкнуты. Поэтому можно заметить, что магнитные поля от радиально противоположных магнитных устройств RMA и RMI разделены центральной поверхностью, находящейся практически в центре плазменной камеры. Линии магнитного поля распространяются в дугообразной форме между магнитными полюсами каждого устройства, не пересекая центральную поверхность, которая не обязательно должна быть плоской. Следовательно, на каждую радиальную сторону этой центральной поверхности по существу действует только магнитное поле от одного из двух магнитных устройств RMA или RMI.

Существенным отличием устройства согласно фиг.2 является то, что магнитное поле в плазменной камере между двумя разноименными полюсами не распространяется примерно монотонно. Вместо этого линии магнитного поля в тороидальной плазменной камере замкнуты на той же радиальной стороне центральной поверхности.

Описываемые выше конструкции применимы также к магнитным системам, имеющим только одну внутреннюю и наружную части. Такая одинарная магнитная секция может быть образована, например, двумя концентрическими кольцевыми постоянными магнитами с полюсами, разделенными между собой практически параллельно оси симметрии SА. Такое устройство представлено отдельно на фиг.4.

Предпочтение отдается такой конструкции данного изобретения согласно фиг.2, у которой два или более таких устройств расположены одно за другим в продольном направлении LR, а полюса соседних магнитных устройств расположены противоположно, в результате чего разноименные полюса соседних магнитных устройств в продольном направлении одного типа, поэтому не возникает короткое замыкание магнитных полей, и схема [пропуск текста] распространения описываемых выше полей остается по существу постоянной для всех последовательных секций.

Последовательные магнитные поля, во-первых, оказывают фокусирующее влияние на первичный пучок электронов, испускаемый катодом и поступающий в плазменную камеру, а во-вторых, предотвращают перетекание из одной секции в другую вторичных электронов, создаваемых в плазменной камере. Преимуществом обладает установка плазменного ускорителя, у которой вдобавок к катоду и аноду установлен по меньшей мере один добавочный электрод, находящийся под промежуточным потенциалом, между потенциалом катода и анода. Такой промежуточный электрод предпочтительно располагать по меньшей мере на одной боковой стенке и желательно, чтобы он состоял из двух отдельных электродов, расположенных напротив друг друга на внутренней и внешней боковых стенках плазменной камеры. Особенно полезно размещать электрод между двумя магнитными полюсами в продольном направлении. Установка, представленная на фиг.2, имеет несколько секций S0, S1, S2, в каждой из которых есть магнитная подсистема и система электродов в продольном направлении. Каждая магнитная подсистема состоит из внутреннего и внешнего магнитных колец, как уже было описано и показано на фиг.4. Каждая из составляющих систем электродов последовательных секций S0, S1, S2 состоит из внешнего кольцевого электрода АА0, АА1, АА2 и радиально противоположного внутреннего кольца AI0, AI1, AI2. Длина электродов внутренних и внешних колец в продольном направлении практически одинакова. Взаимно противоположные кольцевые электроды АА0 и AI0, АА1 и AI1, AA2 и AI2 в каждом случае находятся под одним потенциалом, что дает возможность, в частности, электродам АА0 и AI0 быть под потенциалом земли всей установки. Электрические поля, создаваемые электродами в зонах, наиболее важных для образования плазмы, распространяются примерно под прямыми углами к линиям магнитных полей. В частности, в зоне наибольшего градиента электрического потенциала между электродами последовательных секций линии магнитного и электрического полей практически пересекаются. Поэтому вторичные электроны, порождаемые вдоль направления движения первичных электронов, не могут создавать никаких явных коротких замыканий электродов. В связи с тем, что вторичные электроны могут двигаться только вдоль линий магнитного поля практически тороидальной многосекционной магнитной системы, создаваемая плазменная струя ограничена практически объемом цилиндрического слоя сфокусированных первичных электронов. Выступы плазмы в основном имеются только в зоне смены знака осевой составляющей магнитного поля, где магнитное поле направлено практически радиально относительно полюсов магнитных устройств.

В представленном устройстве концентрации плазмы образуются в зонах между соседними электродами в продольном направлении, что в то же время совпадает с точками полюсов последовательных магнитных устройств. В устройстве, представленном на фиг.2, плазма в отдельных последовательных секциях может пошагово соединяться с разными потенциалами последовательных электродов. Для этого электроды в особенности и магнитные устройства располагают в продольном направлении таким образом, чтобы физические фазовые углы квазипериодического магнитного поля в сравнении с подобными углами квазипериодического электрического поля, измеренные между абсолютным минимумом магнитного осевого поля и центром электродов, сдвигались максимум на +/-45°, а в отдельных случаях на +/-15°. В этом месте может происходить контакт между линиями магнитного поля и электродом, расположенным на боковой стенке плазменной камеры. Вследствие легкости перемещения электронов вдоль линий магнитного поля потенциал плазмы может становиться равным потенциалу электрода данной секции. Поэтому концентрации плазмы в разных последовательных секциях имеют разные потенциалы.

В связи с этим наибольший градиент потенциала в осевом направлении находится в слое плазмы, который характеризуется радиальными дуговыми линиями магнитного поля, электрически изолированными в осевом направлении. В этих точках имеет место существенное ускорение положительных ионов в направлении электрического поля, которое разгоняет эти ионы в продольном направлении. Поскольку имеется достаточное количество вторичных электронов, которые, как токи Холла, циркулируют по замкнутым траекториям тороидальной структуры, практически нейтральная плазма ускоряется в продольном направлении к выпускному отверстию плазменной камеры. При этом в плоскости слоя в определенном месте на продольном направлении LR устройства имеются противоположные кольцевые токи Холла II и IA на разных радиусах вокруг продольной оси LA, как показано на фиг.2 и 3.

Вышеупомянутый благоприятный сдвиг фаз квазипериодических магнитной и электрической структур можно получить в первую очередь с помощью устройства, представленного на фиг.2, с упомянутым допустимым смещением максимум +/-45°, в отдельных случаях +/-15°. Альтернативный вариант представлен на фиг.5, где периодическая длина секций электродов AI_i, AI_i+1, разделенных между собой в продольном направлении, вдвое больше периодической длины установленных последовательно магнитных колец. Такое устройство также может быть разделено на секции с вдвое большей длиной, чем на фиг.2, каждая из которых имеет две противоположные магнитные подсистемы и одну систему электродов.

В представленном на фиг.5 устройстве в зонах, где электроды перекрывают зоны полюсов последовательных магнитных подсистем, образуются контактные зоны, в которых вторичные электроны, двигающиеся вдоль магнитных линий, захватываются электродами. В результате между плазмой и электродом образуется контактная зона, тогда как в зоне полюса, расположенной также между двумя соседними электродами в продольном направлении, в плазме образуется зона изоляции с высоким градиентом потенциала.

В другой конструкции с противоположными внешним и внутренним магнитными кольцами магнитной системы или подсистемы также могут устанавливаться разноименные полюса, чтобы получить четырехполюсное магнитное поле для каждой секции в продольном разрезе устройства согласно фиг.2. Соответственным образом в таком устройстве могут использоваться другие мероприятия в рамках данного изобретения. Кривые линии распространения тока проходят в том же направлении, в плоскости под прямыми углами к продольному направлению, отличаясь от фиг.3.

Описываемые выше конструктивные особенности, а также указанные в данной заявке на изобретение, могут с успехом применяться как по отдельности, так и в различных сочетаниях. Изобретение не ограничивается приведенными примерами конструкций и может модифицироваться различными способами в рамках компетентности специалиста. В частности, нет безусловной необходимости в строгой симметрии вокруг оси SА. Вместо этого на симметричность может специально накладываться асимметрия. Кольцевая форма полей, электродов и магнитных устройств не обязательно означает круговую цилиндрическую форму, а может отклоняться от нее как по отношению к симметрии вращения, так и по отношению к цилиндричности в продольном направлении.

Изобретение относится к устройству плазменного ускорителя. Технический результат позволяет устанавливать многосекционные конструкции с существенным повышением эффективности. Плазменный ускоритель содержит катод, анод и плазменную камеру с ионизируемым газом, расположенную между анодом и катодом. Плазменная камера имеет практически кольцевую форму вокруг центральной продольной оси и магнитную систему с внешним и внутренним магнитными устройствами, разделенными между собой радиально плазменной камерой и имеющими по меньшей мере одну перемену полюсов в продольном направлении каждый в одном направлении для обоих устройств. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плазменный ускоритель с катодом, анодом и плазменной камерой, расположенной между катодом и анодом, с ионизируемым газом, камера имеет практически кольцевую форму вокруг центральной продольной оси и магнитную систему с внешним и внутренним магнитным устройством, разделенных между собой радиально плазменной камерой и имеющих, по меньшей мере, одну перемену полюсов в продольном направлении каждый в одном направлении для обоих устройств.2. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что магнитные полюса, по меньшей мере, одного, а предпочтительно обоих магнитных устройств расположены в пространстве продольного продолжения плазменной камеры.3. Плазменный ускоритель по п.1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одной боковой стенке плазменной камеры имеется электродное устройство, электрически связанное с промежуточным потенциалом между потенциалами катода и анода.4. Плазменный ускоритель по п.3, отличающийся тем, что электродное устройство имеет, по меньшей мере, два составных электрода, расположенных на противоположных сторонах боковой стенки камеры.5. Плазменный ускоритель по п.3 или 4, отличающийся тем, что электроды расположены в продольном направлении между магнитными полюсами магнитных устройств.6. Плазменный ускоритель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что несколько магнитных устройств, следующих одно за другим в продольном направлении, установлены с чередованием перемены полюсов.7. Плазменный ускоритель по п.3, отличающийся тем, что несколько электродных устройств, следующих одно за другим в продольном направлении, пошагово соединены с промежуточными потенциалами.8. Плазменный ускоритель по п.7, отличающийся тем, что, по меньшей мере, несколько промежуточных электродов в продольном направлении частично или полностью охватывают полюса последовательных магнитных устройств.