СПОСОБ СОЗДАНИЯ УСКОРЕННОГО ПОТОКА ИОНОВ Российский патент 2007 года по МПК H05H1/54 

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям, а более конкретно - к плазменным ускорителям с замкнутым дрейфом электронов и способам создания ускоренных потоков ионов с помощью таких ускорителей.

Способ может использоваться для создания реактивной тяги с помощью электроракетного двигателя, устанавливаемого на борту космического летательного аппарата, а также для генерации плазменных потоков при проведении экспериментальных исследований и модельных испытаний. Кроме того, изобретение может применяться для осуществления различного рода технологических операций по ионно-плазменной обработке изделий и модификации свойств материалов.

Физический процесс ускорения потока ионов с помощью плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) основывается на принципе ускорения ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Данный принцип реализуется при ограниченной подвижности электронов в магнитном поле в направлении, перпендикулярном вектору индукции , вследствие чего в плазме за счет приложенной разности потенциалов создается электрическое поле , ускоряющее ионы.

Ускорительный канал разрядной камеры УЗД замкнут в азимутальном направлении и ограничен азимутально замкнутыми наружной и внутренней стенками. Разрядное напряжение подается к аноду, расположенному в полости разрядной камеры, и катоду-компенсатору, установленному за срезом разрядной камеры. В разрядную камеру УЗД через газораспределитель, в качестве которого обычно служит анод, подается газообразное рабочее вещество, в частности инертный газ, например, ксенон.

При описанных выше условиях в УЗД реализуется разряд с замкнутым дрейфом электронов, в котором усредненное движение электронов происходит преимущественно в азимутальном направлении перпендикулярно векторам и (так называемый азимутальный дрейф электронов). При этом объемный заряд дрейфующих электронов обеспечивает компенсацию объемного заряда ускоренных ионов.

При взаимодействии электронов с тяжелыми частицами рабочего вещества (атомами и ионами), а также со стенками разрядной камеры происходит рассеяние дрейфовой составляющей скорости электронов. Под действием приложенной разности потенциалов электроны смещаются к аноду, в результате чего разрядный ток УЗД включает значительную долю так называемого "сквозного" электронного тока. Источником электронов и, соответственно, электронного тока в УЗД является катод-компенсатор, установленный за срезом разрядной камеры.

Часть электронов, перемещаясь через разрядную камеру УЗД и образуя "сквозной" электронный ток, поддерживает процесс ионизации рабочего вещества в зоне ионизации разрядной камеры. Другая часть электронов, эмитируемых катодом-компенсатором, расположенным у среза разрядной камеры, обеспечивает компенсацию заряда ускоряемого потока ионов.

Энергия, затрачиваемая на перенос электронов в зону ионизации, достаточно высока, поскольку процесс переноса электронов осуществляется под действием разности потенциалов, близкой по величине к разрядному напряжению. Данные затраты энергии приводят к снижению эффективности процесса ускорения ионов с помощью УЗД.

Потери мощности растут при повышении разрядного напряжения, за счет которого, в частности, достигается увеличение удельного импульса тяги плазменных двигателей, создаваемых на базе УЗД.

В разрядном промежутке УЗД можно выделить функционально самостоятельные рабочие зоны: зону ионизации и зону ускорения. Формирование данных зон обеспечивается за счет распределения магнитного поля в разрядной камере. С учетом характера распределения магнитного поля в разрядной камере УЗД принято различать УЗД с короткой зоной ускорения и УЗД с протяженной зоной ускорения.

Стенки разрядной камеры УЗД с протяженной зоной ускорения выполняются из диэлектрического материала. Возможны также варианты выполнения конструкции УЗД, в которых диэлектрические стенки УЗД имеют проводящие участки для фиксации эквипотенциалей в разрядной камере (см. А.И.Бугрова, В.Ким "Современное состояние физических исследований в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения". В книге "Пламенные ускорители и ионные инжекторы". М.: Наука, 1984, с.107-129).

Стенки камеры УЗД с короткой зоной ускорения, которые называются также плазменными ускорителями с анодным слоем, выполняются из электропроводного материала. Такие стенки камеры обычно находятся под катодным потенциалом (см. В.И.Гаркуша, Л.В.Лесков, Е.А.Ляпин. Плазменные ускорители с анодным слоем. В книге "Плазменные ускорители и ионные инжекторы". М.: Наука, 1984, с.129-138).

Известен способ создания ускоренного потока ионов с помощью поликанального плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, в состав которого входят четыре разрядные камеры (см. С.Д.Гришин, Л.В.Лесков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989, с.153). Известный способ включает подачу в разрядные камеры УЗД рабочего вещества и создание магнитного поля с преимущественным направлением индукции от одной из стенок камеры к противоположной. При этом каждая разрядная камера УЗД ограничена равноудаленными друг от друга проводящими стенками. В процессе работы УЗД в разрядных камерах зажигают и постоянно поддерживают электрический разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Данный способ ускорения ионов позволяет снизить массу УЗД и расширить рабочий диапазон характеристик генерируемого ионного потока.

Наиболее близким аналогом патентуемого изобретения является способ создания ускоренного потока ионов с помощью плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, описанный в авторском свидетельстве СССР 580663 (МПК-5 Н 05 Н 1/00, опубликовано 21.11.1977). Известный способ включает подачу рабочего вещества в разрядные камеры УЗД с протяженной зоной ускорения, создание в разрядной камере, выполненной из диэлектрического материала, магнитного поля с преимущественным направлением индукции поля от одной из стенок к противоположной стенке. Стенки разрядных камер УЗД полностью выполнены из диэлектрического материала.

На аноды, установленные в полостях разрядных камер, и на катод, расположенный за срезом разрядной камеры, подаются импульсы напряжения с периодически повторяющейся последовательностью от вторичных обмоток питающего многофазного трансформатора. Согласно примеру реализации известного способа обмотки трансформатора соединяются по схеме "звезда". Между анодом, имеющим в текущий момент времени наибольший положительный потенциал, и катодом, находящимся под отрицательным потенциалом, зажигается и поддерживается электрический разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. После завершения цикла ионизации рабочего вещества и ускорения ионов в одной из разрядных камер происходит последовательное периодическое изменение напряжения во вторичных обмотках трансформатора, после чего электрический разряд зажигается и поддерживается в течение цикла ионизации и ускорения в следующей разрядной камере.

В результате периодически последовательного изменения напряжения в разрядных камерах осуществляются периодически последовательные циклы зажигания и поддержания разрядов в скрещенных и полях, в течение которых происходит эффективная ионизация рабочего вещества и ускорение ионов в канале разрядной камеры в продольном направлении.

Данный способ ускорения ионов позволяет упростить схему электропитания и обеспечить высокую надежность работы УЗД. Однако способ-прототип и другие способы-аналоги патентуемого изобретения не позволяют снизить электрические потери в процессе ускорения ионов в УЗД, связанные с переносом электронов из прикатодной области в зону ионизации.

Изобретение направлено на снижение энергетических потерь, связанных с протеканием электронного тока через разрядную камеру УЗД, в процессе создания ускоренного потока ионов.

Достигаемый технический результат заключается в повышении энергетической эффективности процесса ускорения потока ионов с помощью УЗД за счет снижения затрат энергии на перенос электронов поперек силовых линий магнитного поля из прикатодной области в зону ионизации.

Указанный выше технический результат достигается при осуществлении способа создания ускоренного потока ионов с помощью, по меньшей мере, одного УЗД. Способ включает подачу в разрядную камеру УЗД рабочего вещества, создание в азимутально замкнутом канале разрядной камеры, ограниченном наружной и внутренней стенками, магнитного поля с преимущественным направлением индукции поля от одной из стенок камеры к противоположной стенке, зажигание и поддержание электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях посредством подачи на анод, установленный в разрядной камере, и катод, расположенный за срезом разрядной камеры, импульсов напряжения с периодически повторяющейся последовательностью.

Согласно настоящему изобретению период Т₀ повторения импульсов напряжения не превышает пролетного времени τ_а атома рабочего вещества вдоль разрядной камеры плазменного ускорителя, величина которого определяется согласно следующему выражению:

τ_а=L/V_а,

где L - протяженность разрядной камеры в направлении ускорения ионов,

V_а - тепловая скорость атомов рабочего вещества в разрядной камере.

Необходимо отметить, что в течение времени Т₀ в УЗД осуществляется единичный цикл протекания рабочих процессов, обеспечивающих создание ускоренного потока ионов.

Длительность Т_И импульсов напряжения выбирают из условия: 2L/V_i≤T_И,

где V_i - максимальная скорость ионов за срезом разрядной камеры.

При этом величина скорости V_i определяется в зависимости от величины разрядного напряжения в УЗД.

Изобретение основывается на следующих физических принципах ускорения ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Скорость атомов рабочего вещества в разрядной камере и скорость ионов, ускоренных в электрическом поле, существенно различаются по величине. Такое различие скоростей позволяет реализовать фазовое разделение процессов ионизации и ускорения ионов в разрядной камере УЗД.

Значительная часть времени каждого цикла рабочих процессов в УЗД, которая определяется величиной тепловой скорости V_а атомов рабочего вещества в разрядной камере, может использоваться для заполнения разрядной камеры при отсутствии электрического поля.

С учетом того, что в реальных конструкциях УЗД протяженность зоны ионизации L_и существенно меньше полной длины разрядной камеры: L_и=(0,5÷0,8)L, для заполнения зоны ионизации разрядной камеры рабочим веществом в действительности требуется время τ_а(р)<τ_а, при этом τ_а(р)≫τ_i, где τ_i - время ионизации рабочего вещества и ускорения ионов в каждом цикле рабочих процессов в УЗД.

После заполнения разрядной камеры рабочим веществом в азимутально замкнутом канале УЗД создается электрическое поле посредством подачи импульса напряжения на анод и катод-компенсатор. В результате воздействия электрического поля происходит ионизация рабочего вещества и ускорение образовавшихся ионов. При этом минимальная длительность Т_И импульса напряжения определяется промежутком времени τ_i, в течение которого происходит ионизация рабочего вещества, поступившего в зону ионизации разрядной камеры, и ускорение ионов.

Полное время τ_ai цикла заполнения разрядной камеры, ионизации и ускорения ионов определяет период Т₀ повторения импульсов разрядного напряжения: Т₀≈τ_ai. При этом величина τ_ai определяется согласно зависимости: τ_ai=τ_i+τ_а(р).

При Т₀>τ_ai эффективность способа создания ускоренного потока ионов снижается вследствие следующих причин.

Для снижения потерь рабочего вещества в перерывах между циклами зажигания и поддержания разряда необходимо будет увеличить длительность Т_И так, чтобы выполнялось условие Т₀-Т_И<τ_а. Таким образом, увеличение Т_И приведет к уменьшению отношения Т₀/Т_И, определяющего степень снижения электронной составляющей разрядного тока по сравнению с известными аналогами.

С другой стороны, при Т₀≪τ_ai эффективность способа создания ускоренного потока ионов также снижается из-за значительного уменьшения отношения Т₀/Т_И, поскольку требуется выполнение условия осуществления заявленного способа: условия зажигания и поддержания электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. Данное условие может быть реализовано при длительности Т_И импульса разрядного напряжения не менее времени τ_i ионизации рабочего вещества и ускорения ионов (Т_И>τ_i).

С учетом указанных условий период повторения импульсов напряжения ограничивается величиной пролетного времени атома рабочего вещества в разрядной камере: Т₀<τ_a=L/V_a.

Для равновесного состояния плазмы наиболее вероятная скорость V_a атомов рабочего вещества вычисляется по формуле:

где k - постоянная Больцмана (k=1.38×10^-23 Дж/К);

T_K - абсолютная температура газа, К;

m_a - масса атома рабочего вещества, кг.

Время ионизации рабочего вещества и ускорения ионов определяется в соответствии со следующим выражением:

τ_i=τ_и+τ_v,

где τ_и - время, затрачиваемое на ионизацию атомов рабочего вещества в течение каждого цикла;

τ_v - время, затрачиваемое на ускорение ионов в течение каждого цикла.

Приняв величину средней скорости иона V_iСР за время его пролета через канал разрядной камеры УЗД равной V_i/2, можно оценить длительность Т_И импульса напряжения, необходимую для эффективного ускорения ионов.

Поскольку протяженность L_у зоны ускорения в разрядной камере УЗД меньше длины L канала разрядной камеры, то в этом случае время τ_v не превысит величину 2L/V_i(τ_v≤2L/V_i).

При условии лавинообразного развития процесса ионизации в разрядной камере УЗД можно принять τ_v≫τ_и и, следовательно, τ_i≈τ_v. Тогда длительность Т_И импульса напряжения, в течение которого обеспечивается эффективное развитие процессов ионизации и ускорения ионов, должна быть не менее τ_v.

Таким образом, принимая во внимание, что Т_И≥τ_i=τ_и+τ_v≈τ_v, длительность Т_И выбирается из условия: Т_И≥2L/V_i.

При уменьшении разрядного напряжения U_р длительность Т_И импульсов напряжения следует увеличить пропорционально .

С целью повышения эффективности ускорения потока ионов в паузах между импульсами разрядного напряжения на аноде и катоде УЗД может поддерживаться достаточно низкое напряжение U_min, величина которого не превышает порогового значения, при котором осуществляется ионизация атомов рабочего вещества. В этом случае величину напряжения U_min выбирают из условия:

U_min≤2ε_i/е+ΔU_k,

где ε_i - первый потенциал ионизации атомов рабочего вещества,

е - заряд электрона;

ΔU_k - прикатодное падение потенциала в электрическом разряде.

Для обеспечения постоянного отбора мощности от источника электропитания могут использоваться несколько УЗД или несколько групп УЗД. При этом каждая группа УЗД состоит, по меньшей мере, из двух УЗД, на аноды и катоды которых синхронно подаются периодически повторяющиеся импульсы напряжения.

Количество УЗД или групп УЗД в данном случае реализации изобретения выбирается из условия: N≤Т₀/Т_И. В процессе создания ускоренного потока ионов осуществляется последовательно-попеременная подача импульсов напряжения на анод и катод каждого УЗД или каждой группы УЗД.

При выборе количества УЗД или групп УЗД в соответствии с указанным выше дополнительным условием корректируется длительность Т_И импульса напряжения. В варианте реализации изобретения, когда для создания ускоренного потока ионов используются два УЗД или две группы УЗД (N=2), длительность Т_И импульса напряжения выбирается согласно условию: 2L/V_i≤Т_И≤Т₀/2. В этом случае с целью обеспечения постоянного отбора электрической мощности от источника электропитания длительность Т_И импульса напряжения выбирается равной Т₀/2.

С учетом указанного дополнительного условия для нескольких УЗД или нескольких групп УЗД (N≥2) длительность импульса напряжения выбирается из диапазона значений: 2L/V_i≤Т_И<Т₀/N.

С целью повышения эффективности патентуемого способа, а также упрощения схемы электропитания и конструкции УЗД, с помощью которых осуществляется реализация способа создания ускоренного потока ионов, может использоваться один общий для всех применяемых для осуществления способа УЗД катод.

В варианте реализации изобретения, в котором применяются несколько групп УЗД, один общий катод может использоваться для каждой из групп УЗД.

При использовании общего катода его температурный режим поддерживается на постоянном уровне независимо от пульсаций напряжения в каждом отдельном УЗД.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров реализации и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее:

на фиг.1 представлена принципиальная схема установки, состоящей из одного УЗД, для осуществления способа создания ускоренного потока ионов;

на фиг.2 представлена принципиальная схема установки, состоящей из трех УЗД, для осуществления способа создания ускоренного потока ионов;

на фиг.3 - графическая зависимость, отражающая изменение разрядного напряжения U в течение периода T₀;

на фиг.4 - графическая зависимость, отражающая изменение разрядного напряжения U в течение периода Т₀ при условии поддержания минимального напряжения U_min между импульсами разрядного напряжения;

на фиг.5 - графическая зависимость, отражающая изменение разрядного напряжения U в течение периода Т₀ при условии поддержания минимального напряжения U_min между импульсами разрядного напряжения в случае использования установки, состоящей из N УЗД;

на фиг.6 - графическая зависимость, отражающая потребление электрической мощности Р в течение процесса создания ускоренного потока ионов в случае использования установки, состоящей из N УЗД.

В качестве подтверждения возможности осуществления изобретения ниже приведено описание двух примеров реализации способа создания ускоренного потока ионов: с помощью одного УЗД (см. фиг.1) и с помощью трех УЗД (см. фиг.2).

УЗД, изображенный на фиг.1, содержит разрядную камеру 1 с азимутально замкнутым каналом, образованным равноудаленными друг от друга наружной 2 и внутренней 3 коаксиальными стенками. В рассматриваемом примере осуществления изобретения используются анод и газораспределитель рабочего вещества, которые конструктивно объединены в общем узле аноде-газораспределителе 4, установленном в полости камеры 1 у ее закрытой торцевой части. Катод-компенсатор 5 расположен за срезом разрядной камеры 1. Магнитная система УЗД включает в свой состав источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде электромагнитных катушек намагничивания 6 и 7, и установленные на магнитопроводящих сердечниках, магнитопровод 8, размещенный со стороны задней торцевой стенки разрядной камеры 1, наружный и внутренние магнитные полюса 9 и 10.

Система электропитания включает источник 11 электрической энергии и блок 12 преобразования энергии и управления.

Установка для осуществления способа, изображенная на фиг.2, состоит из трех УЗД. Каждый УЗД содержит разрядную камеру 13 с анодом-газораспределителем 14 и катодом-компенсатором 15. Азимутально замкнутый канал разрядной камеры каждого УЗД образован коаксиально размещенными наружной и внутренней стенками. Магнитная система каждого УЗД содержит источники магнитодвижущей силы и магнитопроводы (на чертеже не показаны). Система электропитания, общая для трех разрядных камер, включает источник 16 электрической энергии и блок 17 преобразования энергии и управления.

В первом примере реализации способа создания ускоренного потока ионов используется УЗД, схема которого показана на фиг.1. Способ осуществляется следующим образом.

В разрядную камеру 1 через анод-газораспределитель 4 подается газообразное рабочее вещество, например ксенон. С помощью анода-газораспределителя 4 рабочее вещество равномерно распределяется в канале разрядной камеры 1.

С помощью магнитной системы, состоящей из электромагнитных катушек намагничивания 6 и 7 с сердечниками, магнитопровода 8 и полюсов 9 и 10, в рабочих зазорах разрядной камеры создается магнитное поле. Вектор индукции магнитного поля преимущественно направлен от внутренней стенки 3 к наружной стенке 2 разрядной камеры 1.

Одновременно осуществляется подача разрядного напряжения на анод-газораспределитель 4 и катод-компенсатор 5 от блока 12 преобразования электрической энергии и управления, который подключен к источнику 11 электрической энергии,.

В результате подключения источников магнитодвижущей силы и электродов УЗД к блоку 12 в азимутально замкнутом канале разрядной камеры 1, ограниченном наружной и внутренней стенками, создаются скрещенные электрическое и магнитное поля. От блока 12 подается также напряжение поджига разряда и ток накала на термоэмиссионный катод-компенсатор 5.

После подключения систем и узлов УЗД к блоку 12 и к системе подачи рабочего вещества (последняя на чертеже не показана) осуществляется зажигание и поддержание электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. Усредненное движение электронов в таких полях происходит преимущественно в азимутальном направлении перпендикулярно векторам и .

При взаимодействии электронов с тяжелыми частицами рабочего вещества (атомами и ионами), а также со стенками разрядной камеры происходит рассеяние дрейфовой скорости электронов и их смещение к аноду. Поэтому в разрядном токе УЗД присутствует доля электронного тока.

Образовавшиеся при ионизации рабочего вещества ионы ускоряются до скоростей V_i, соответствующих разности потенциалов Δϕ электрического поля:

где q_i и m_i - заряд и масса иона соответственно.

Отличительной особенностью способа создания ускоренного потока ионов является импульсное электропитание электродов УЗД с периодически повторяющейся последовательностью импульсов напряжения. При этом период повторения импульсов Т₀ и длительность Т_И импульсов напряжения выбираются согласно заданным условиям:

Т₀≤τ_а=L/V_a,

2L/V_i≤Т_И<T₀.

При указанных условиях реализуется фазовое разделение процессов, происходящих в канале разрядной камеры УЗД согласно графической зависимости, изображенной на фиг.3.

В течение времени T_А первой фазы (см. фиг.3), когда разрядное напряжение отсутствует (U=0), атомы рабочего вещества поступают в зону ионизации при величине электронного тока на анод, равной нулю. Движение атомов рабочего вещества происходит с тепловой скоростью V_а. При использовании в качестве рабочего вещества ксенона при температуре Т_K=1000 К наиболее вероятная тепловая скорость атомов составит V_а≈400 м/с.

Для УЗД с протяженной зоной ускорения, длина канала разрядной камеры которого L=25 мм, пролетное время τ₀ атома рабочего вещества при указанной величине V_а равно 62,5 мкс. Таким образом, следуя существенному условию изобретения Т₀≤τ_а=L/V_а, период Т₀ повторения импульсов напряжения не должен превышать в рассматриваемом примере реализации изобретения 62,5 мкс.

Во второй фазе процесса на электроды УЗД подается импульс разрядного напряжения длительностью Т_И. В результате происходит ионизация атомов рабочего вещества, заполняющих зону ионизации, на переднем фронте импульса напряжения и последующее ускорение ионов. Ускорение ионов происходит до скоростей, соответствующих величине U_max импульса напряжения (см. фиг.3).

Следует также отметить, что однородность потока ионов по скоростям V_i растет, если форма импульса напряжения приближается к прямоугольной.

При величине разрядного напряжения ˜1000 В скорость ионов в УЗД может достигать V_i≈35000 м/с. Тогда длительность Т_И импульса разрядного напряжения, выбираемая согласно условию Т_И≥2L/V_i, при выполнении которого обеспечивается эффективное развитие процессов ионизации атомов и ускорения ионов, должна быть не менее 1,4 мкс.

Для патентуемого способа создания ускоренного потока ионов средняя величина ионного тока в генерируемом потоке ионов соответствует расходу рабочего вещества, как и для любого известного способа-аналога, однако средняя величина электронного тока, протекающего через канал разрядной камеры УЗД в течение цикла ионизации и ускорения ионов, снижена по сравнению с известными способами-аналогами в Т₀/Т_И раз.

Таким образом, при использовании патентуемого способа можно достичь существенного снижения потерь потребляемой УЗД электрической мощности, которые связаны с энергетическими затратами на перенос электронов из прикатодной области в зону ионизации. За счет решения данной технической задачи обеспечивается повышение энергетической эффективности процесса ускорения потока ионов.

Эффективность способа повышается, если в промежутках времени между импульсами разрядного напряжения U_max на катоде-компенсаторе 5 и на аноде-газораспределителе 4 (см. фиг.1) будет поддерживаться относительно низкое напряжение U_min, величина которого определяется согласно зависимости:

U_min≤2ε_i/е+ΔU_k.

Пороговое значение U_min определяется условием исключения ионизации атомов рабочего вещества между импульсами разрядного напряжения. В рассматриваемом примере реализации изобретения при использовании в качестве рабочего вещества ксенона U_min не превышает 40 В.

Поддержание на электродах УЗД в промежутках между импульсами разрядного напряжения относительно низкого напряжения U_min (см. фиг.4) позволяет поддерживать в рабочем состоянии катод-компенсатор в течение всего рабочего цикла, а также обеспечивать протекание процессов переноса электронов из прикатодной области к срезу разрядной камеры.

Реализация способа создания ускоренного потока ионов с помощью УЗД с несколькими разрядными камерами (см. фиг.2) осуществляется аналогично описанному выше примеру осуществления изобретения.

Отличие осуществления патентуемого способа в случае использования установки, состоящей из нескольких УЗД, заключается в возможности реализации условия обеспечения постоянного отбора мощности от источника 16 электрической энергии, согласно которому длительность Т_И импульса разрядного напряжения выбирается в зависимости от количества УЗД или групп УЗД: Т_И≤Т₀/N. В целом условие выбора длительности Т_И импульса напряжения может быть представлено в следующем виде: 2L/V_i≤T_И≤T₀/N.

В рассматриваемом варианте реализации изобретения, изображенном на фиг.2, N=3, соответственно Т_И≤Т₀/3, а в частном случае Т_И=Т₀/3.

Подставляя численные значения, определенные для описанного выше примера реализации изобретения, диапазон значений Т_И будет выражен через следующие предельные величины: 1,4 мкс ≤Т_И≤20,8 мкс.

Импульсы напряжения U_max (при уровне напряжения U_min между импульсами напряжения) подаются от блока 17 преобразования энергии и управления на анод-газораспределитель 14 и катод-компенсатор 15 первого УЗД (УЗД 1), затем осуществляется последовательно-попеременная подача импульсов напряжения на аноды-газораспределители и катоды-компенсаторы каждого последующего УЗД (УЗД 2 и УЗД 3). Аналогичным образом подача разрядного напряжения может осуществляться на несколько электрически связанных между собой групп УЗД.

Изменение разрядного напряжения U при последовательно-попеременной подаче импульсов напряжения на аноды и катоды нескольких (N) УЗД показано на фиг.5. В случае, когда N=Т₀/Т_И, обеспечивается равномерный отбор электрической мощности от источника 16 энергии (см. фиг 6).

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о повышении энергетической эффективности процесса ускорения потока ионов при использовании патентуемого способа. Достижение данного технического результата позволяет существенно расширить область применения УЗД за счет повышения эффективности ускорения ионов.

Следует отметить, что согласно представленным примерам реализации изобретения используются отдельные катоды-компенсаторы, входящие в состав каждого УЗД. Однако возможны и другие варианты осуществления изобретения. Так, например, в случае реализации изобретения с помощью нескольких УЗД или нескольких групп УЗД, каждая из которых включает, по меньшей мере, два УЗД, может использоваться один общий катод. В данном случае создание ускоренного потока ионов будет осуществляться более эффективно за счет поддержания постоянного температурного режима катода-компенсатора вне зависимости от текущей величины напряжения, подаваемого на электроды отдельно взятого УЗД.

Патентуемый способ может использоваться в различных областях техники: для создания реактивной тяги с помощью электрореактивных двигательных установок, при осуществлении различного рода экспериментов, в различных технологических процессах, включая обработку поверхностей изделий, напыления покрытий и получения новых композиционных материалов.

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям, а более конкретно - к плазменным ускорителям с замкнутым дрейфом электронов и способам создания ускоренных потоков ионов с помощью таких ускорителей. Способ включает подачу в разрядную камеру плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов рабочего вещества. В азимутально замкнутом канале разрядной камеры, ограниченном наружной и внутренней стенками, создают магнитное поле с преимущественным направлением индукции поля от одной из стенок камеры к противоположной стенке. Электрический разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях создают и поддерживают посредством подачи на анод, установленный в разрядной камере, и катод, расположенный за срезом разрядной камеры, импульсов напряжения с периодически повторяющейся последовательностью. Период Т₀ повторения импульсов напряжения не превышает пролетного времени атома рабочего вещества вдоль разрядной камеры плазменного ускорителя τ_a=L/V_a, где L - протяженность разрядной камеры в направлении ускорения ионов, V_a - тепловая скорость атомов рабочего вещества в разрядной камере, при этом длительность Т_И импульсов напряжения выбирают из условия 2L/V_i≤T_И≤T₀, где V_i - максимальная скорость ионов за срезом разрядной камеры. Для создания ускоренного потока ионов могут использоваться несколько плазменных ускорителей или несколько групп плазменных ускорителей, при этом количество N плазменных ускорителей или групп плазменных ускорителей выбирают из условия N≤T₀/T_И. В данном случае осуществляют последовательно-попеременную подачу импульсов напряжения на анод и катод каждого плазменного ускорителя или каждой группы плазменных ускорителей. Для осуществления процесса ускорения ионов может использоваться один общий для всех плазменных ускорителей катод. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности ускорения ионов за счет снижения потерь энергии, связанных с электронной составляющей разрядного тока. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ создания ускоренного потока ионов с помощью, по меньшей мере, одного плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, включающий подачу в разрядную камеру плазменного ускорителя рабочего вещества, создание в азимутально замкнутом канале разрядной камеры, ограниченном наружной и внутренней стенками, магнитного поля с преимущественным направлением индукции поля от одной из стенок камеры к противоположной стенке, зажигание и поддержание электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях посредством подачи на анод, установленный в разрядной камере, и катод, расположенный за срезом разрядной камеры, импульсов напряжения с периодически повторяющейся последовательностью, отличающийся тем, что период Т₀ повторения импульсов напряжения не превышает пролетного времени атома рабочего вещества вдоль разрядной камеры плазменного ускорителя τ_a=L/V_a, где L - протяженность разрядной камеры в направлении ускорения ионов, V_a - тепловая скорость атомов рабочего вещества в разрядной камере, при этом длительность Т_И импульсов напряжения выбирают из условия

2L/V_i≤T_И≤T₀,

где V_i - максимальная скорость ионов за срезом разрядной камеры.

U_min≤2ε_i/e+ΔU_k,

где ε_i - первый потенциал ионизации атомов рабочего вещества;

е - заряд электрона;

ΔU_k - прикатодное падение потенциала в электрическом разряде.