ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАКРЫТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2009 года по МПК H05H1/54 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается плазменных ускорителей с закрытым дрейфом электронов, образующих источники ионной плазмы, используемые, в частности, в космической технике в качестве стационарных плазменных двигателей, а также в других областях техники, например для ионной обработки механических деталей.

Уровень техники

Известны источники ионов, образованные двухуровневыми системами, обеспечивающими электростатическое ускорение потока ионов.

Один из примеров такого источника описан в патентном документе WO 01/93293. Описанный в этом документе источник ионов содержит катодную камеру с газовым распределителем, тогда как полый анод образует анодную камеру, соединенную с катодной камерой посредством выходного отверстия, предусмотренного в стенке последней. Электростатическая система обеспечивает извлечение ионов при помощи электрически изолированного эмиссионного электрода, расположенного в выходном отверстии анодной камеры. Система магнитов создает в катодной и анодной камерах магнитное поле, вектор индукции которого направлен, по существу, по оси камер. Газовый распределитель катодной камеры используется также в качестве электрода зажигания, соединенного с полым анодом. Дополнительный электрод, электрически изолированный от полого анода и от катодной камеры, установлен в районе выходного отверстия катодной камеры и снабжен отверстием, диаметр которого значительно меньше наибольшего внутреннего диаметра полого анода. Под воздействием, по существу, продольного магнитного поля в анодной и катодной камерах происходит ионизация, а электростатическая система обеспечивает извлечение и ускорение ионов. Такие источники ионов работают в области небольших значений плотности тока (j_i<2 мА/см²) и эффективны лишь при больших ускоряющих напряжениях (U>1000 В), что ограничивает возможности их применения.

Среди источников ионов, ускорение ионов в которых обеспечивается электромагнитным воздействием, можно назвать плазменный ускоритель типа КСПУ: коаксиальный квазистационарный плазменный ускоритель (описанный, например, в работе А.Ю.Волочко и др. под названием «Изучение двухуровневого коаксиального квазистационарного плазменного ускорителя (КСПУ) с несущими электродами», опубликованной в журнале Академии Наук СССР «Физика плазмы», т.16, вып.2, М.: Наука, февраль 1990 г.).

КСПУ содержит анодную группу, катодную группу и блок ввода ионов, прикрепленные к крайнему (заднему) фланцу и изолированные от этого фланца. Анодная и катодная группы разделены при помощи кольцевого дискового изолятора. Анодная группа содержит несущий цилиндрический анод, выполненный в форме «беличьего колеса» и прикрепленный к переходному фланцу. Вокруг анода дополнительно предусмотрен цилиндрический диэлектрический экран, способствующий повышению концентрации газа и плазмы вне анода. Катодная группа находится внутри «беличьего колеса» анодной группы и содержит две медные трубки, расположенные одна вокруг другой, к концам которых прикреплены пластины, образующие эллипсоид вращения. К внутренней трубке прикреплены 128 конически заостренных источников тока, образующих восемь рядов в продольном сечении и расположенных в интервалах между пластинами, повторяя форму катода. Блок ввода ионов состоит из четырех входных ионных камер, соединенных с активным источником газа и введенных в канал ускорения КСПУ через отверстия в краевом фланце, расположенные симметрично относительно оси системы. Каждая из камер содержит монолитный цилиндрический анод и монолитный конусообразный катод.

Таким образом, ускоритель типа КСПУ сконструирован в виде двухуровневой системы. На первом уровне ускорителя активное вещество ионизуется и подвергается предварительному ускорению до скорости:

ν≈0,1ν_m

где: ν_m - скорость потока для плазменных ускорителей с собственным магнитным полем:

,

где: θ - постоянный коэффициент,

m - удельный расход массы активного вещества,

с - скорость света,

I - сила тока, протекающего через объем плазмы между двумя коаксиальными электродами.

На втором уровне происходит окончательное ускорение плазмы.

При токе разряда около 500 кА и напряжениях разряда около 10 кВ в КСПУ были получены потоки плазмы 0,2 мКл с энергией ионов водорода около 1 кэВ. Ускорители типа КСПУ обладают высокой мощностью, позволяющей создавать потоки частиц с большой энергией. Следует отметить, что для такого ускорителя практически не существует пределов по мощности и энергии.

Эти плазменные ускорители относятся к электромагнитным ускорителям, в которых ускорение плазмы обеспечивается магнитодвижущей силой плотности:

,

где с - скорость света,

j - плотность тока,

Н - собственное магнитное поле тока I, проходящего через объем плазмы.

Магнитное поле образуется в КСПУ током, проходящим через объем плазмы (благодаря наличию коаксиальных электродов), и является собственным магнитным полем этого тока. Следовательно, ускорители этого типа могут работать только с высокой мощностью. По этой причине, в частности, их использование в качестве движителей в космической технике не представляется возможным.

В патентном документе FR 2693770 также описан плазменный ускоритель с закрытым дрейфом электронов, в котором были осуществлены значительные усовершенствования, касающиеся условий ионизации активного вещества и конфигурации магнитного поля во всем объеме коаксиального канала. Такой плазменный ускоритель содержит ионизационную (успокоительную) камеру и разрядную камеру с коаксиальным каналом ионизации и ускорения с открытым выходом. На входе в коаксиальный канал расположен кольцевой анод. В успокоительной камере расположен кольцевой газовый распределитель, не закрывающий доступа к коаксиальному каналу. Разрядная и успокоительная камеры образованы элементами магнитной системы ускорителя, содержащей два полюса магнита, магнитопровод и генератор магнитного поля. Полюсы магнита образуют один из краев ускорителя со стороны открытого выхода кольцевого канала. Один из полюсов магнита является внешним, а другой - внутренним; таким образом, они ограничивают разрядную камеру снаружи и изнутри. Другой край ускорителя, со стороны успокоительной камеры, образован частью магнитопровода, соединенного с полюсами магнита. Центральный цилиндрический сердечник и вспомогательные несущие элементы, равномерно расположенные вокруг камер, соединяют края ускорителя. Первый генератор магнитного поля расположен между успокоительной камерой и внешним полюсом магнита, вокруг канала ускорения; второй генератор магнитного поля находится на центральном цилиндрическом сердечнике в зоне расположения кольцевого анода и, следовательно, ближе к успокоительной камере.

Таким образом, вследствие наличия ионизационной (успокоительной) камеры зона ионизации активного газа не совпадает с зоной ускорения. Это происходит благодаря тому, что кольцевой газовый распределитель впрыскивает активный газ непосредственно перед анодом. Магнитная система с тремя генераторами создает в кольцевом канале, по существу, радиальное магнитное поле, градиент которого обеспечивает достижение максимальной индукции на выходе из канала. В районе выхода силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно оси симметрии кольцевого канала, а в зоне канала, расположенной вблизи анода, эти линии слегка наклонены. Ионизация активного газа обеспечивается в районе анода до того, как газ достигнет кольцевого канала. Это позволяет увеличить к.п.д. плазменного двигателя до 60-70% и уменьшить угол расходимости ионного пучка до 10-15%.

Тем не менее, в таком ускорителе степень ионизации активного газа в успокоительной зоне невысока, что подтверждено на опыте.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении недостатков известных плазменных ускорителей и, в частности, в повышении эффективности ионизации активного газа.

Изобретение также направлено на обеспечение возможности использования активных веществ с высоким выходом, значительное уменьшение угла расходимости ионного пучка, снижение уровня шумов, связанных с процессом ускорения ионов, повышение производительности и сокращение потерь электрического тока на стенках, увеличение срока службы вследствие уменьшения интенсивности аномальной ионной и электронной эрозии и расширение рабочего диапазона по скорости (интенсивности) потока и удельному импульсу.

Для решения поставленной задачи предлагается плазменный ускоритель с закрытым дрейфом электронов, содержащий:

(a) кольцевую ионизационную камеру, ограниченную стенками из электроизолирующего материала, внутренняя поверхность которых покрыта электропроводящим материалом,

(b) ускорительную камеру, образованную кольцевым ускорительным каналом из изолирующего материала, коаксиальным с ионизационной камерой, выход которого открыт вперед, а вход сообщается с ионизационной камерой,

(c) кольцевой анод, расположенный на переднем краю ионизационной камеры вблизи входа ускорительного канала,

(d) полый катод, расположенный вблизи выхода ускорительного канала, но вне его,

(e) первый источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный полюс соединен с анодом,

(f) кольцевой газовый распределитель, расположенный вблизи задней стенки, составляющей заднюю часть ионизационной камеры,

(g) магнитопровод, содержащий, по меньшей мере, центральный цилиндрический сердечник, внутренний магнитный полюс и внешний магнитный полюс, которые ограничивают открытый выход ускорительного канала, и заднюю стенку, образующую задний край ионизационной камеры,

(h) систему генерации магнитного поля, содержащую, по меньшей мере, первый генератор магнитного поля, расположенный вокруг ускорительной камеры, между внешним магнитным полюсом и ионизационной камерой, второй генератор магнитного поля, расположенный вокруг центрального цилиндрического сердечника, между внутренним магнитным полюсом и входом ускорительного канала, находящимся рядом с ионизационной камерой, и третий генератор магнитного поля, расположенный вокруг центрального цилиндрического сердечника, между вторым генератором магнитного поля и задним краем ионизационной камеры.

Плазменный ускоритель по изобретению характеризуется тем, что дополнительно содержит кольцевую коаксиальную катушку, расположенную в полости ионизационной камеры, снабженную находящейся под постоянным напряжением проводящей оболочкой, соединенной с электропроводящим материалом на внутренних стенках ионизационной камеры и положительным полюсом второго источника постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с анодом, и образующую четвертый генератор магнитного поля, который совместно с другими генераторами магнитного поля создает магнитное поле, силовая линия которого имеет точку «X», соответствующую нулю магнитного поля и расположенную между кольцевой коаксиальной катушкой и анодом.

Плазменный ускоритель по изобретению обеспечивает низкий уровень шума и хорошую локализацию потока благодаря введению в зону успокоения ионизационной камеры катушки под током, магнитное поле которой в сочетании с магнитным полем от других источников магнитного поля создает особую конфигурацию поля, содержащую силовую линию, называемую разделительной линией, имеющую точку Х нулевого магнитного поля. Благодаря этим характеристикам можно обеспечить поступление в ускорительный канал плазменного ускорителя потока ионов, хорошо сформированного с использованием явления эквипотенциализации силовых линий магнитного поля и создаваемой ускоряющей разности потенциалов. Окрестность точки Х с нулевым магнитным полем представляет собой ловушку для ионов, образующихся вдоль разделительной линии.

В оптимальном варианте система генерации магнитного поля содержит пятый генератор магнитного поля, расположенный вблизи кольцевого газового распределителя.

Магнитопровод может дополнительно содержать вспомогательные ферромагнитные несущие элементы, распределенные вокруг ионизационной камеры и ускорительной камеры и соединяющие заднюю стенку магнитопровода с внешним магнитным полюсом.

В этом случае система генерации магнитного поля предпочтительно содержит дополнительно шестой генератор магнитного поля, содержащий элементы, расположенные вокруг указанных вспомогательных ферромагнитных несущих элементов.

Система генерации магнитного поля может содержать электромагнитные катушки; кроме того, по меньшей мере, частично, она может быть образована постоянными магнитами.

Радиальный размер ионизационной камеры превосходит радиальный размер ускорительного канала из изолирующего материала.

Согласно одной из отличительных особенностей изобретения кольцевая коаксиальная катушка и ее находящаяся под постоянным напряжением проводящая оболочка установлены при помощи фиксирующих элементов, жестко прикрепленных к ионизационной камере.

Кольцевой анод предпочтительно установлен с радиальным зазором относительно стенки ускорительного канала.

Кольцевой анод непосредственно соединен проводником с положительным полюсом первого источника постоянного напряжения и не соединен ни механически, ни электрически с газовым распределителем или с электропроводящим материалом внутренней поверхности стенок ионизационной камеры иначе, чем через второй источник постоянного напряжения.

Например, второй источник постоянного напряжения может подавать на проводящую оболочку кольцевой коаксиальной катушки положительное напряжение величиной в несколько десятков вольт относительно анода.

Второй источник напряжения предпочтительно подает на электропроводящий материал внутренней поверхности стенок кольцевой ионизационной камеры потенциал, составляющий приблизительно от 20 до 40 В относительно анода.

Система генерации магнитного поля настроена таким образом, чтобы потенциал силовой линии магнитного поля, содержащей точку «X» нуля магнитного поля, был близок к потенциалу анода.

Согласно оптимальному варианту осуществления изобретения третий генератор магнитного поля содержит первую и вторую части разных диаметров, причем первая часть расположена вблизи анода и имеет больший диаметр, чем вторая часть, расположенная вблизи ионизационной камеры.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения расстояние между проводящей оболочкой кольцевой коаксиальной катушки и стенками ионизационной камеры больше или равно приблизительно 20 мм.

Плазменный ускоритель по изобретению может использоваться в космическом плазменном двигателе, образующем электрический реактивный движитель спутника.

Плазменный ускоритель по изобретению также может использоваться в источнике ионов для ионной обработки механических деталей.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания отдельных способов его осуществления, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений.

На чертежах:

на фиг.1 представлена схема, иллюстрирующая основную концепцию двухуровневого плазменного ускорителя по изобретению;

фиг.2 представляет собой плазменный ускоритель по изобретению в продольном осевом разрезе, с демонстрацией электрической схемы, предусмотренной для запуска этого ускорителя;

фиг.3 изображает в продольном осевом разрезе пример осуществления плазменного ускорителя по изобретению;

фиг.4 представляет карту магнитного поля, полученного в примере осуществления плазменного ускорителя по изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг.3 изображен пример плазменного ускорителя по изобретению.

Такой плазменный ускоритель с закрытым дрейфом электронов содержит первую камеру 2, ограниченную стенками 52 из электроизолирующего материала, внутренняя поверхность которых покрыта проводящим материалом 9. Эта первая камера 2 образует ионизационную (или успокоительную) камеру.

Вторая, так называемая ускорительная, камера 3 содержит кольцевой ускорительный канал 53 из электроизолирующего материала, выход 55 которого открыт в направлении течения потока. Задняя часть 54 ускорительного канала 53 сообщается с полостью ионизационной камеры 2, расположенной коаксиально с ускорительной камерой 3.

Полый газоразрядный катод 8 расположен снаружи от ускорительного канала 53, вблизи его выхода 55. Через 81 обозначено электрическое соединение катода с отрицательным полюсом первого источника 82 постоянного напряжения (см. фиг.2). Через 88 обозначен канал подачи газа в полый катод 8.

Кольцевой анод 7 расположен на переднем краю ионизационной камеры 2, вблизи входа 54 ускорительного канала 53, образующего ускорительную камеру 3.

Как показано на фиг.2, катод 8 и анод 7 присоединены посредством проводников 81 и 83, соответственно, к отрицательному и положительному полюсам источника 82 постоянного напряжения и образуют цепь электропитания. Анод 7, в свою очередь, изолирован от проводящего материала 9 стенок ионизационной камеры 2.

Кольцевой газовый распределитель 11 расположен в полости ионизационной камеры 2, не загораживая вход 54 ускорительного канала 53. Газовый распределитель расположен в задней части ионизационной камеры 2. Катод 8 и газовый распределитель 11 соединены соответственно каналами 88 и 110 с источниками ионизируемого газа, которые могут быть независимыми, или с общим источником. Газ, поступающий в газовый распределитель 11 по каналу 110, распределяется по успокоительной камере 2 через отверстия 111, расположенные по поверхности распределителя 11.

Ионизационная (или успокоительная) камера 2 имеет радиальный размер, превосходящий радиальный размер ускорительной камеры 3, причем ее передняя часть 521 может иметь форму усеченного конуса, открывающегося во вход 54 ускорительного канала 53.

В свою очередь, кольцевой анод 7 также может иметь форму усеченного конуса.

Плазменный ускоритель с закрытым дрейфом электронов содержит магнитопровод и генераторы магнитного поля.

Магнитопровод содержит центральный цилиндрический сердечник 60, внутренний магнитный полюс 61 и внешний магнитный полюс 62, ограничивающие открытый выход 55 ускорительного канала 53, и заднюю стенку 63, образующую задний край ионизационной камеры 2.

Магнитопровод дополнительно содержит вспомогательные несущие ферромагнитные элементы 64, которые могут быть равномерно распределены по образующей поверхности цилиндра вокруг ионизационной камеры 2 и ускорительной камеры 3 и соединять заднюю стенку 63 магнитопровода с передним внешним магнитным полюсом 62. Эти вспомогательные несущие ферромагнитные элементы 64 могут иметь форму отдельных стержней, как показано на фиг.3, но могут также быть соединены в цилиндрическую решетку, окружающую ионизационную камеру 2 и ускорительную камеру 3.

Следует отметить, что внутренний магнитный полюс 61 и задняя стенка 63 магнитопровода могут быть выполнены в виде единого узла вместе с центральным цилиндрическим сердечником 60.

Система генерации магнитного поля содержит первый генератор 21 магнитного поля, расположенный вокруг ускорительной камеры 3 между внешним магнитным полюсом 62 и ионизационной камерой 2. Этот первый генератор 21 магнитного поля может содержать экранированную электромагнитную катушку.

Второй генератор 22 магнитного поля расположен вокруг центрального цилиндрического сердечника 60 между внутренним магнитным полюсом 61 и входом 54 ускорительного канала 53, расположенным рядом с ионизационной камерой 2. В примере, описываемом со ссылками на фиг.3, этот второй генератор 22 магнитного поля также содержит электромагнитную катушку.

Третий генератор 23 магнитного поля расположен между вторым генератором 22 магнитного поля и входом успокоительной камеры 2, вокруг центрального цилиндрического сердечника 60. Он предпочтительно содержит два участка разного диаметра. Диаметр одной части 231 этого генератора, окружающей ускорительный канал 53, включая коническую зону анода 7, больше диаметра второй части 232 генератора, расположенной в зоне успокоительной камеры 2. Соотношение диаметров этих двух частей 231, 232 третьего генератора 23 магнитного поля подобрано таким образом, что:

^,

где r_δ - расстояние от оси симметрии до стенки успокоительной камеры,

r_k - расстояние от оси симметрии канала до внешней стенки внешнего канала.

Такой выбор направлен на формирование оптимальной геометрии силовых линий магнитного поля, определяющих ввод ионизованной плазмы из успокоительной камеры 2 в ускорительный канал 53 (т.е. на обеспечение удаления силовых линий магнитного поля от стенок успокоительной камеры).

В полости успокоительной камеры 2 установлена центральная коаксиальная кольцевая катушка 24 с находящейся под постоянным напряжением оболочкой 28, подключенной посредством соединения 86 к источнику 85 постоянного напряжения (см. фиг.2). При помощи данного источника регулируют потенциал оболочки 28 витка 24 обмотки катушки относительно анода 7 (см. фиг.2), причем источник 85 напряжения, в свою очередь, подключен к положительному полюсу источника 82 напряжения и к аноду 7 посредством соединения 84. Коаксиальный виток 24 может быть закреплен при помощи фиксирующих элементов 29, жестко соединенных с успокоительной камерой 2 и изолированных от магнитопровода. Таким образом, виток 24 образует четвертый генератор магнитного поля. Размеры успокоительной камеры 2 подбираются в соответствии с требуемыми параметрами таким образом, что расстояние от оболочки 28 центрального витка 24 до стенок успокоительной камеры 2 составляет около 16 ларморовских радиусов. С учетом значений температуры электронов электронная температура, обеспечивающая эффективную ионизацию атомов газа, находится в интервале от 15 эВ до 20 эВ, а напряженность магнитного поля на разделительной линии составляет Н≈100 Э. Следовательно, расстояние b от оболочки 28 центрального витка 24 до стенок успокоительной камеры 2 должно отвечать условию b≥20-25 мм.

Для получения оптимальной конфигурации силовых линий магнитного поля можно дополнительно предусмотреть первый и второй дополнительные генераторы 25, 26 магнитного поля. Следует отметить, что первый дополнительный генератор 25 магнитного поля расположен в районе успокоительной камеры 2, вблизи кольцевого газового распределителя 11, и служит для формирования желательной геометрии магнитного поля вблизи его заднего края, характеризующейся удалением силовых линий магнитного поля от задней стенки камеры. Его положение определяется положением задней стенки 63 магнитопровода на основе соотношения:

L=L_pp-Δ,

где L_pp - расстояние от ускорительного канала 53 до задней стенки 63 магнитопровода,

Δ - толщина изолятора, обеспечивающая изоляцию между задней стенкой 63 магнитопровода и генератором 25 магнитного поля и составляющая 2-3 мм.

Второй дополнительный генератор 26 магнитного поля представляет собой совокупность внешних элементов, каждый из которых расположен вокруг вспомогательного несущего элемента 64. Этот генератор обеспечивает вместе с другими генераторами магнитного поля расположение нуля магнитного поля в районе анода 7, заданную величину градиента Н=100 Э/см в районе среза и выпуклую форму силовых линий в районе анода 7, необходимую для образования зоны нулевого магнитного поля. Следует отметить, что этот генератор 26 может быть образован одной тороидальной катушкой, расположенной вокруг двигателя, поскольку внешний несущий элемент 64 магнитопровода также имеет тороидальную форму.

Конструкция магнитной системы плазменного ускорителя позволяет получать требуемую конфигурацию магнитного поля путем подбора внутренних диаметров магнитных полюсов 61, 62, соответствующего положения центрального витка 24 и тока, протекающего через него, и генераторов 21-26 магнитного поля (см. фиг.1 и 4).

Эта конфигурация отличается нулевой величиной магнитного поля в районе расположения анода 7, углом между ветвями разделительных линий 27 (см. фиг.2), приблизительно равным 90°, и тем, что эти разделительные линии 27 пересекают стенки канала под углом, приблизительно равным 45°, и сходятся в районе анода 7, окружая центральный виток 24, но не соприкасаясь со стенками успокоительной камеры 2. В районе анода 7 направление разделительных линий создает магнитное поле под углом, равным 45°, что обеспечивает отделение потока от стенок канала и его фокусировку в середине поверхности ускорительной (разрядной) камеры 3 при заданном градиенте поля (не менее 1000 Э/см) от нулевого значения в районе расположения анода 7 до максимального значения на выходе из канала 53.

Все генераторы 21-26 магнитного поля могут быть изготовлены с использованием электромагнитных катушек или постоянных магнитов, точка Кюри которых должна лежать выше рабочей температуры плазменного ускорителя. Возможно также совместное использование электромагнитных катушек и постоянных магнитов. Если генераторы изготовлены с использованием электромагнитных катушек, питание на них может подаваться от разных источников питания и в одном направлении, либо от одного источника питания (последовательно соединенные катушки). В последнем случае необходимо подобрать количество витков в каждой катушке так, чтобы обеспечить требуемую геометрию магнитного поля.

Кольцевой анод 7 расположен в зоне нулевого магнитного поля и непосредственно соединен с входом ускорительного канала 53. Однако в этом случае существует вероятность повторного распыления материала изолирующих стенок ускорительной камеры 3 в результате их бомбардировки ионами; как следствие, на поверхности анода 7 может образоваться непроводящая пленка. Поэтому для сохранения активной поверхности анода 7 следует расположить его с радиальным зазором Δ относительно стенок ускоряющего канала 53. Величина этого зазора должна быть подобрана так, чтобы обеспечивать оптимальные условия. С одной стороны, величина зазора не должна быть чрезмерно большой, чтобы не нарушать целостности потока или эрозии анода 7 в результате его бомбардировки ионами. С другой стороны, зазор не должен быть слишком малым, чтобы не мешать прохождению тока по поверхности анода, обращенной к ускорительному каналу. Регулировка величины зазора Δ может быть осуществлена посредством механического крепления анода при помощи жестких прокладок. Если данные прокладки электропроводны, этим обеспечивается электрическое соединение анода с положительным полюсом источника питания по цепи питания.

Для нейтрализации потока ионов, выходящего из ускорительного канала 53, можно установить полый газоразрядный катод 8 любого типа. Этот катод 8 может дополнительно быть помещен либо на этой стороне двигателя, либо, по другому варианту осуществления изобретения, внутри центрального сердечника, причем катод должен быть обращен наружу.

Плазменный ускоритель по изобретению имеет следующий принцип действия. При помощи генераторов магнитного поля 21-26 и других элементов магнитопровода получают магнитное поле требуемой геометрии. Инертный газ, например ксенон, подается в предварительно нагретый катод 8 и в кольцевой газовый распределитель 11, после чего к элементам ускорителя прикладывается напряжение, и в первой, и второй камерах 3, 2 возникает разряд.

Принципиальная схема ускорителя представлена на фиг.1 и 2.

Успокоительный уровень 2 содержит эквипотенциальную стенку 9 (обозначаемую далее буквами SB), кольцевой виток 24, через который течет ток, и анод 7, который определяет потенциал в зоне нулевого магнитного поля и играет для этого уровня роль катода. Рабочее вещество поступает на заднюю сторону этого уровня 2. Ускорительный уровень 3 имеет традиционную конструкцию. Этот уровень содержит диэлектрический канал 53 и катод 8, расположенный на выходе генератора.

Особенностью успокоительного уровня 2 является анод 7, который действует в качестве успокоительного катода. Он обеспечивает разряд между разделительной линией 27 и эквипотенциальной стенкой 9 (SB) успокоительного объема. Другой особенностью является «центральный виток» 24 с протекающим через него током, который образует кольцевой проводник, формирующий разделительную линию и улавливающий образовавшиеся ионы.

К элементам первого уровня приложены следующие напряжения:

U_mix=U_SB=U_A+δ_SB,

U_sep=U_A,

где: U_A - потенциал анода 7,

U_sep - потенциал разделительной линии 27,

U_mix - потенциал "улавливающей" поверхности, т.е. находящейся под напряжением поверхности 28 центрального витка 24,

U_SB - потенциал стенки 9.

Величина δ_SB≈20-30 В.

Благодаря эквипотенциальности силовых линий магнитного поля с заданным потенциалом разделительная линия 27, потенциал которой определен анодом 7, образует дно потенциальной ямы, в которой скапливаются образованные ионы. Ионы осциллируют, сталкиваясь с потенциальным барьером у "улавливающей" поверхности 28 или у эквипотенциальной стенки 9 (SB). Поскольку расстояние между пределами осцилляций увеличивается по мере приближения к точке «X» 4, ионы направляются к каналу 53, теряя (вследствие сохранения поперечной адиабатической инварианты Vⁱ _⊥h=const, где h - расстояние между пределами осцилляции) поперечную скорость и увеличивая продольную скорость, направленную к входу 54 ускорительного канала 53. Внутри канала 53 конфигурация магнитного поля должна придавать ионам требуемое направление. Величина магнитного поля Н на разделительной линии 27 должна соответствовать условию:

,

где n_е - концентрация электронов в разряде,

k - постоянная Больцмана,

Т_e - электронная температура.

Кроме того, с учетом возможной диффузии необходимо, чтобы расстояние h_М-С между "улавливающей" поверхностью 28 и разделительной линией 27 и расстояние h_C-Cb между разделительной линией 27 и буферной стенкой были больше или равны величине 8×ρ_е, т.е. восьми электронным радиусам. Отсюда следует:

Образование на успокоительном уровне 2 полностью ионизованной плазмы низкой энергии (5÷15 эВ) позволяет получить в ускорительном канале 53 практически моноэнергетический ионизованный поток, который хорошо поддается фокусировке и может быть отделен от стенок.

Ускорительный уровень 3 действует по классическому принципу. Величина магнитного поля увеличивается по мере приближения к выходу и достигает своего максимума в выходной плоскости. Градиент магнитного поля составляет 1000 Э/см. Силовые линии магнитного поля выгибаются в направлении анода 7. Электрическое поле обеспечивает перемещение ионов. Электроны перемещаются в азимутальном направлении в перекрестном электрическом и магнитном поле.

Возможность создания электрического поля, выпуклого в направлении анода 7 и фокусирующего ионы в центре ускорительного канала 53, связана с приданием силовым линиям магнитного поля равного потенциала. Этот процесс связан с тем обстоятельством, что для плазменного ускорителя с дрейфом электронов в закрытом контуре движение электронов определяется следующим уравнением:

0=▿P_e+еЕ+1/c·[V_eH]; Е=-▿Ф,

где: ▿P_e - градиент электронного давления,

е - заряд электрона,

Е - напряженность электрического поля;

V_e - скорость электронов,

Н - напряженность магнитного поля,

Ф - потенциал электрического поля.

Интегрирование этого уравнения вдоль силовой линии 27 магнитного поля дает следующую формулу:

Ф*(γ)-Ф(χ)-kT_e/е·In n_е/n_е(γ),

где: Ф*(γ) - постоянная величина потенциала на силовой линии магнитного поля, так называемый термализованный потенциал,

Ф(χ) - электрический потенциал;

Т_е - электронная температура;

k - постоянная Больцмана;

n_е - концентрация электронов в разряде;

n_е(γ) - степень концентрации электронов на данной силовой линии магнитного поля (нормализованное значение).

Из последнего уравнения следует, что силовые линии магнитного поля эквипотенциальны, если Т_е→0 или n_е=n_е(γ). При выполнении этих условий для получения требуемой геометрии эквипотенциальных линий электрического поля достаточно получить силовые линии магнитного поля, выпуклые в направлении анода 7. Таким образом, для создания плазменного ускорителя с высоким к.п.д. необходимо выполнить следующие условия.

Во-первых, необходимо обеспечить постоянную плотность ионного потока (и, следовательно, нейтральных частиц) в районе анода 7, что снижает влияние составляющей ▿P_e на процесс. Во-вторых, следует обеспечить выпуклую в направлении анода 7 форму силовых линий магнитного поля. Для этого важно обеспечить необходимую фокусировку ионов в зоне ионизации, где их скорость мала.

Таким образом, ускоритель действует как двухуровневая система. На успокоительном уровне 2 решается всего одна задача: наиболее полная ионизация вещества, причем энергия ионов остается крайне низкой. Объем зоны ионизации ничем не ограничен, что позволяет получить практически полную ионизацию вещества и не допустить попадания нейтральных частиц в ускорительный канал 53. За счет этого достигается сокращение доли нейтральных частиц, ионизованных в зоне ускорения, и расширение рабочего диапазона в отношении тяги и удельного импульса.

В результате проведенных опытов был получен требуемый профиль магнитного поля в успокоительной камере 2 и в канале, близкий к идеальной конфигурации магнитного поля. Расхождение ионного пучка было сокращено до величины порядка ±10° и даже ±3°, к.п.д. был увеличен до уровня 65-70% и, что не менее важно, было достигнуто расширение рабочего диапазона двигателя по напору и удельному импульсу.

Технические преимущества изобретения, связанные с повышением степени ионизации ускоряемого активного вещества, подтверждены результатами экспериментальных исследований. Удалось получить значительно более высокую ионизацию активного газа, чем в известных устройствах, используя квадрупольную систему из двух катушек, по которым текут сонаправленные токи. В этом случае между катушками образуется зона нулевого магнитного поля, окруженная магнитным барьером. Когда в эту зону помещают катод с положительным относительно катушек потенциалом, возникает разряд, и все окрестности разделительной линии заполняются плазмой. В этой системе по изобретению с мощностью источника питания около 30 Вт (U_p≤200 В, J_p≤160 мА) при использовании ксенона получены следующие характеристики:

М=2 мг/с,

n_е≈10¹² _см^-3,

при Т_е≈30 эВ и ε_i≈50 эВ,

где: М - интенсивность потока активного вещества,

n_е - концентрация электронов,

Т_е - электронная температура,

ε_i - средняя энергия ионов.

Эти данные уникальны, т.к. в стационарном разряде малой мощности удалось получить высокую электронную температуру и значительную концентрацию электронов вне зависимости от типа используемого активного газа.

Подтверждена возможность использования с большим к.п.д. различных активных веществ со следующими характеристиками:

a) менее дорогостоящих (Kr, Ar, N₂);

b) присутствующих в атмосфере планет (CO₂, СН₄, NH₃);

c) состоящих из паров металлов (от легких: Na, Mg, К, - до тяжелых - Hg, Pb, Br).

Плазменный ускоритель с закрытым дрейфом электронов содержит кольцевую ионизационную камеру (2), ускорительную камеру (3), коаксиальную с ионизационной камерой (2), кольцевой анод (7), полый катод (8), первый источник (82) постоянного напряжения, кольцевой газовый распределитель (11), магнитопровод и генераторы магнитного поля. Кольцевая коаксиальная катушка (24), расположенная в полости ионизационной камеры (2), снабжена находящейся под постоянным напряжением проводящей оболочкой, соединенной с электропроводящим материалом (9) на внутренних стенках (52) ионизационной камеры (2) и положительным полюсом второго источника постоянного напряжения (85), отрицательный полюс которого соединен с анодом (7), и образует дополнительный генератор магнитного поля, который совместно с другими генераторами магнитного поля создает магнитное поле, силовая линия (27) которого имеет точку "X" (4), соответствующую нулю магнитного поля и расположенную между указанной кольцевой коаксиальной катушкой (24) и анодом (7). Использование изобретения позволит повысить эффективность ионизации активного газа. 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Плазменный ускоритель с закрытым дрейфом электронов, содержащий:

(a) кольцевую ионизационную камеру (2), ограниченную стенками (52) из электроизолирующего материала, внутренняя поверхность которых покрыта электропроводящим материалом (9);

(b) ускорительную камеру (3), образованную кольцевым ускорительным каналом (53) из изолирующего материала, коаксиальным с ионизационной камерой (2), выход (55) которого открыт вперед, а вход (54) сообщается с ионизационной камерой (2);

(c) кольцевой анод (7), расположенный на переднем крае ионизационной камеры (2) вблизи входа (54) ускорительного канала (53);

(d) полый катод (8), расположенный вблизи выхода (55) ускорительного канала (53), но вне его;

(e) первый источник (82) постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с катодом (8), а положительный полюс соединен с анодом (7);

(f) кольцевой газовый распределитель (11), расположенный вблизи задней стенки, составляющей заднюю часть ионизационной камеры (2);

(g) магнитопровод, содержащий, по меньшей мере, центральный цилиндрический сердечник (60), внутренний магнитный полюс (61) и внешний магнитный полюс (62), которые ограничивают открытый выход (55) ускорительного канала (53), и заднюю стенку (63), образующую задний край ионизационной камеры (2);

(h) систему генерации магнитного поля, содержащую, по меньшей мере, первый генератор (21) магнитного поля, расположенный вокруг ускорительной камеры (3) между внешним магнитным полюсом (62) и ионизационной камерой (2), второй генератор (22) магнитного поля, расположенный вокруг центрального цилиндрического сердечника (60) между внутренним магнитным полюсом (61) и входом (54) ускорительного канала (53), находящимся рядом с ионизационной камерой (2), и третий генератор (23) магнитного поля, расположенный вокруг центрального цилиндрического сердечника (60) между вторым генератором (22) магнитного поля и задним краем ионизационной камеры (2),

отличающийся тем, что дополнительно содержит кольцевую коаксиальную катушку, расположенную в полости ионизационной камеры (2), снабженную находящейся под постоянным напряжением проводящей оболочкой (28), соединенной с электропроводящим материалом (9) на внутренних стенках (52) ионизационной камеры (2) и положительным полюсом второго источника постоянного напряжения (85), отрицательный полюс которого соединен с анодом (7), и образующую четвертый генератор магнитного поля, который совместно с другими генераторами магнитного поля создает магнитное поле, силовая линия (27) которого имеет точку "X" (4), соответствующую нулю магнитного поля и расположенную между кольцевой коаксиальной катушкой (24) и анодом (7).