ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2011 года по МПК H05H1/54 

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП), применяемых в качестве электрореактивных двигателей, в частности в качестве стационарных плазменных двигателей (СПД), а также в составе технологических плазменных установок, применяемых для ионно-плазменной обработки материалов в вакууме.

Принцип работы УЗДП основан на ускорении ионов в кольцевом ускорительном канале, образованном в разрядной камере, в котором инициируется разряд со скрещенными электрическим и магнитным полями. Магнитная система УЗДП выполняется таким образом, чтобы вектор индукции магнитного поля в полости кольцевого ускорительного канала имел преимущественно радиальное направление. Между анодом и катодом, которые размещаются у противоположных торцов разрядной камеры, прикладывается разрядное напряжение, создающее в кольцевом ускорительном канале преимущественно продольное электрическое поле с напряженностью . Электрический разряд зажигается в потоке газа, например ксенона, движущегося в ускорительном канале в направлении от анода, выполняющего обычно функцию газораспределителя, к открытой торцевой части разрядной камеры, у среза которой установлен катод-компенсатор (эмиттер электронов). Величина индукции магнитного поля выбирается таким образом, чтобы ионы были не замагничены, и магнитное поле слабо влияло на движение ионов в продольном направлении в полости ускорительного канала. При этом величина индукции магнитного поля должна быть достаточной для замагничивания электронов в ускорительном канале. При указанных условиях движение электронов происходит преимущественно в азимутальном направлении перпендикулярно векторам . Вместе с тем, вследствие столкновения электронов с атомами и ионами рабочего газа, а также со стенками разрядной камеры, происходит постепенное смещение электронов вдоль направления действия электрического поля. При этом электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации рабочего газа при типичных для УЗДП разрядных напряжениях: от 200 В до 1000 В («Плазменные ускорители» под редакцией Л.А.Арцимовича. - М.: Машиностроение, 1973 г., стр.54-95).

УЗДП широко применяются для решения различных технических задач. В частности, СПД, разработанные на базе УЗДП, успешно используются в двигательных установках коррекции орбит космических аппаратов. К существующим конструкциям СПД в настоящее время предъявляются требования по увеличению скорости истечения рабочего тела до 30 км/с и более. Основными проблемами при разработке двигателя с повышенным удельным импульсом тяги являются снижение тяговой эффективности и ресурса при повышении разрядного напряжения с целью получения требуемых удельных импульсов тяги (скоростей истечения).

Необходимо отметить, что распределение радиальной составляющей магнитного поля определяет продольное распределение электрического потенциала В условиях ускорения ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях при увеличении индукции магнитного поля снижается подвижность электронов поперек магнитного поля и растет соответствующее электрическое сопротивление плазмы как проводящей среды. В современных конструкциях УЗДП топология магнитного поля в ускорительном канале выбирается таким образом, чтобы максимальное значение индукции магнитного поля и, соответственно, основное падение электрического потенциала происходило в выходной части ускорительного канала. За счет этого минимизируются потери, связанные с попаданием потока ионов на стенки разрядной камеры. При таком распределении магнитного поля ускоренные ионы выпадают на стенки разрядной камеры лишь в области выходных кромок разрядной камеры. Причем известно, что чем выше разрядное напряжение, тем выше энергия ионов и, следовательно, их распыляющая способность. Данное условие определяет сложность обеспечения требуемого ресурса двигателя.

Известен ряд технических решений, направленных на повышение тяговой эффективности и ресурса УЗДП за счет усовершенствования магнитной системы ускорителя таким образом, чтобы радиальное магнитное поле в ускорительном канале было минимальным вблизи анода-газораспределителя и резко возрастало у среза канала в области размещения магнитных полюсов. Так, например, в патентной заявке JP 2007071055 (МПК F03Н 1/00, опубл. 22.03.2007) описана магнитная система УЗДП, включающая в свой состав магнитопроводящий элемент, замыкающий магнитные потоки с тыльной стороны анода-газораспределителя. Расстояние между внешней катушкой намагничивания (внешним источником магнитодвижущей силы) и внутренней катушкой намагничивания (внутренним источником магнитодвижущей силы) уменьшается вдоль ускорительного канала в направлении к открытому срезу разрядной камеры. В данной конструкции УЗДП источники магнитодвижущей силы удалены друг от друга на максимальное расстояние в области размещения анода-газораспределителя и приближены друг к другу вблизи кольцевого межполюсного рабочего зазора магнитной системы.

В другом техническом решении, раскрытом в патенте RU 2092983 (МПК Н05Н 1/54, F03H 1/00, опубл. 10.10.1997), оптимальное распределение магнитного поля в ускорительном канале плазменного ускорителя обеспечивается посредством применения азимутально замкнутых магнитных экранов, установленных с внешней стороны ускорительного канала. Магнитные экраны выполняются из магнитомягкого материала. Предложенная конструкция магнитной системы обеспечивает экранирование части ускорительного канала, в которой установлен анод-газораспределитель, от магнитного поля, создаваемого с помощью источников магнитодвижущей силы, размещенных в полостях азимутально замкнутых экранов. Однако возможности изменения распределения магнитного поля в области кольцевого межполюсного зазора и, соответственно, повышения эффективности ускорения потока ионов в данной конструкции УЗДП существенно ограничены из-за расположения азимутально замкнутых магнитных экранов с внешней стороны ускорительного канала.

Наиболее близким аналогом изобретения является плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, конструкция которого описана в патенте RU 2030134 (МПК Н05Н 1/54, F03H 1/00, опубл. 27.02.1995). Магнитная система известного УЗДП включает в свой состав внутренний и наружный магнитные экраны. Экраны соединены между собой перемычкой, выполненной из магнитомягкого материала, и расположены с внешней стороны разрядной камеры, примыкая к внешней стенке камеры. Источники магнитодвижущей силы устанавливаются между торцевым магнитопроводом и полюсами магнитной системы плазменного ускорителя. Ускорительный канал УЗДП образован наружной и внутренней кольцеобразными стенками диэлектрической разрядной камеры, выполненной из керамики.

Анод-газораспределитель УЗДП установлен в ускорительном канале на расстоянии от выходного сечения канала, превышающем его ширину. Магнитные полюса расположены с внешней стороны наружной и внутренней стенок разрядной камеры и образуют рабочий магнитный зазор в области выходных кромок разрядной камеры. Магнитные экраны охватывают с внешней стороны разрядной камеры анод-газораспределитель и зону разряда. УЗДП описанной конструкции обеспечивает повышение эффективности и увеличение ресурса ускорителя. Вместе с тем следует отметить, что эффективность ускорения потока ионов, генерируемого с помощью известного ускорителя, ограничена вследствие того, что регулирование распределением магнитного поля в ускорительном канале УЗДП ограничено пространственной областью, расположенной за пределами стенок разрядной камеры. Из-за пространственного ограничения, связанного с расположением диэлектрических стенок разрядной камеры в области регулирования магнитного поля, невозможно обеспечить оптимальную топологию магнитного поля в ускорительном канале в области рабочего межполюсного зазора.

Изобретение направлено на повышение эффективности ускорения потока ионов (тяговой эффективности) и ресурса УЗДП за счет устранения указанного выше недостатка известных устройств-аналогов путем расширения зоны регулирования магнитного поля в области рабочего межполюсного зазора магнитной системы УЗДП.

Данные технические результаты достигаются за счет использования плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, включающего в свой состав следующие конструктивные элементы: разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими кольцеобразный ускорительный канал с открытой выходной частью, анод-газораспределитель, установленный в полости ускорительного канала на расстоянии от выходного торца разрядной камеры, превышающем ширину канала, катод-компенсатор, размещенный за срезом выходной части разрядной камеры, и магнитную систему, включающую в свой состав, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружный и внутренний магнитные полюса, образующие кольцевой межполюсный зазор у среза выходной части разрядной камеры, и кольцеобразный магнитный экран, выполненный из магнитомягкого материала. Магнитный экран охватывает ускорительный канал со стороны анода-газораспределителя. Торцевые части магнитного экрана установлены с зазором относительно наружных и внутренних магнитных полюсов.

Магнитный экран согласно изобретению размещается в полости ускорительного канала. Внутренняя поверхность магнитного экрана образует кольцеобразные стенки разрядной камеры в области между анодом-газораспределителем и выходной частью ускорительного канала. Выходные участки стенок разрядной камеры, образующие выходную часть ускорительного канала и примыкающие к торцевым частям магнитного экрана, выполняются из диэлектрического материала, в качестве которого может использоваться керамика.

Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий перечисленные выше конструктивные элементы, обеспечивает решение поставленной технической задачи за счет расширения пространственной зоны регулирования магнитного поля в области межполюсного зазора. Торцевые части магнитного экрана могут быть размещены вдоль ускорительного канала на любом расстоянии относительно плоскости установки полюсов магнитной системы. Данная возможность обусловлена расположением магнитного экрана в полости ускорительного канала, при этом стенки экрана образуют стенки ускорительного канала в области размещения анода-газораспределителя.

В качестве материала выходных участков стенок разрядной камеры предпочтительно используется диэлектрик, стойкий к ионному распылению, в частности нитрид бора. Магнитный экран может быть выполнен из магнитомягкого материала с высокой точкой (температурой) Кюри, например из пермендюра (железокобальтового сплава).

Для повышения эффективности ускорения потоков ионов необходимо сместить зону с максимальными значениями радиальной компоненты магнитного поля, в которой осуществляется интенсивное ускорение ионов, за плоскость размещения полюсов магнитной системы. В этом случае можно увеличить запас толщины выходных частей разрядной камеры и соответственно ресурс ускорителя, так как при размещении торцов разрядной камеры за плоскостью полюсов исключаются ограничения на толщину выходных частей разрядной камеры. Кроме того, для повышения эффективности ускорения потока ионов целесообразно создавать максимальный градиент радиальной составляющей магнитного поля в области среза разрядной камеры. Данные условия могут быть выполнены за счет приближения торцевых частей магнитного экрана к полюсам магнитной системы. Однако при фиксированных диаметрах полюсов магнитной системы и размещении магнитного экрана вне ускорительного канала приближение торцевых частей магнитного экрана к полюсам приводит к существенному росту магнитных потоков через экраны, и при прочих равных условиях уменьшаются рабочий магнитный поток в ускорительном канале и величина радиальной компоненты индукции магнитного поля.

Размещение магнитного экрана внутри ускорительного канала дает более широкие возможности управления характеристиками магнитного поля. В этом случае можно реализовать управление топологией магнитного поля в ускорительном канале в более широком диапазоне за счет неограниченного перемещения торцевых частей магнитных экранов. Такое регулирование может осуществляться без увеличения диаметров полюсов магнитной системы, поскольку в этом случае между торцами экранов и ближайшими к ним частями полюсов магнитной системы можно сохранить зазор, равный или превышающий толщину выходных частей диэлектрических стенок разрядной камеры. Вследствие этого значительно снижаются потери, связанные с приближением торцевых частей магнитного экрана к выходу из ускорительного канала, увеличивается скорость нарастания магнитного поля в канале при перемещении к срезу разрядной камеры (увеличивается градиент индукции магнитного поля) и более полно реализуется возможность смещения зоны ионизации и ускорения в направлении к выходной части ускорительного канала. Указанные преимущества обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности ускорения ионов (тяговой эффективности) и ресурса плазменного ускорителя за счет увеличения запаса на износ выходных частей стенок разрядной камеры.

Магнитный экран может быть изолирован от остальных элементов конструкции двигателя и снабжен электрическим выводом для задания на нем потенциала, отличающегося от его плавающего потенциала. Подключение магнитного экрана к внешнему источнику напряжения позволяет осуществлять дополнительное управление работой плазменного ускорителя. При подаче на магнитный экран отрицательного смещения потенциала относительно анода и включении основного ускоряющего напряжения между экраном и катодом-компенсатором ускоритель может работать в двухступенчатом режиме или в режиме с управляемым потенциалом. Эксперименты показывают, что в данном варианте выполнения удается дополнительно повысить тяговую эффективность ускорителя, в том числе, и на режимах работы с высоким удельным импульсом тяги.

Достигаемый технический результат проявляется наиболее полно при использовании следующих предпочтительных вариантов выполнения конструкции плазменного ускорителя.

Стенки разрядной камеры плазменного ускорителя выполняются так, что при выходе на установившийся тепловой режим торцевые части магнитного экрана примыкают к участкам диэлектрических стенок разрядной камеры, образующим выходную часть ускорительного канала, без образования зазора вдоль поверхности разрядной камеры.

Кроме того, стенки разрядной камеры плазменного ускорителя могут быть выполнены так, чтобы при выходе на установившийся тепловой режим расстояние от срединной поверхности ускорительного канала до близлежащей поверхности магнитного экрана было равно расстоянию от срединной поверхности ускорительного канала до близлежащей поверхности участков диэлектрических стенок разрядной камеры, образующих выходную часть ускорительного канала.

Указанные выше условия обусловлены тем, что в процессе работы плазменного ускорителя на внутренней поверхности разрядной камеры осаждается пленка материала, распыляемого с участков ускорительного канала, образующих выходную часть ускорительного канала. Из-за различия в свойствах материала магнитного экрана и осаждающегося диэлектрического вещества пленка оказывается достаточно рыхлой и в течение срока эксплуатации плазменного ускорителя разрушается, образуя мелкодисперсный порошок. Под воздействием ускоряемого потока частицы порошка смещаются в направлении выходного участка ускорительного канала.

В результате проведенных исследований было установлено, что наличие выступов или углублений на участке между магнитным экраном и выходной частью ускорительного канала способствует образованию скоплений упомянутого выше порошка в пазах или углублениях стенок разрядной камеры. Такие скопления порошка выступают в полость ускорительного канала, что приводит к возмущению движения электронов, дрейфующих в азимутальном направлении. В результате этого происходит торможение электронов на частицах порошка и смещение их траекторий движения поперек силовых линий магнитного поля. Электроны теряют свою энергию без столкновений с атомами рабочего вещества, т.е. не осуществляя ионизации. Более того, азимутальная неравномерность распределения осажденного порошка и возмущение движения электронов приводят к развитию неустойчивостей и увеличению колебаний в плазме разряда и в разрядной цепи, снижая в целом эффективность ускорения ионов.

При указанном выше выполнении магнитного экрана и выходных частей стенок разрядной камеры накопление частиц порошка на стенках камеры минимизируется: частицы порошка уносятся с гадкой поверхности стенок разрядной камеры ионным потоком. Таким образом, выполнение указанных выше условий направлено на предотвращение снижения тяговой эффективности и повышение стабильности характеристик плазменного ускорителя в процессе его длительной работы.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов.

На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 схематично изображен продольный разрез плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов;

на фиг.2 изображен график изменения величины радиальной составляющей индукции магнитного поля (Вr) в направлении ускорения ионов (Z) и форма магнитных силовых линий в ускорительном канале.

Выполненный согласно изобретению плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, который изображен на фиг.1, включает в свой состав разрядную камеру, состоящую из основной кольцеобразной части 1 и двух кольцеобразных выходных участков 2 и 3 наружной и внутренней стенок, образующих открытую выходную часть ускорительного канала. Стенки разрядной камеры образуют кольцевой ускорительный канал с открытой выходной частью. Со стороны закрытой торцевой части ускорительного канала установлен анод-газораспределитель 4 на расстоянии от среза выходной части разрядной камеры, превышающем ширину ускорительного канала. За срезом выходной части разрядной камеры расположен катод-компенсатор (не показан).

Магнитная система плазменного ускорителя включает в свой состав несколько источников магнитодвижущей силы, в качестве которых используются электромагнитные катушки намагничивания: одна центральная катушка намагничивания 5, установленная на сердечнике 6, и пять равномерно расположенных по окружности внешних катушек намагничивания 7, установленных на сердечниках 8. Катушки намагничивания 5 и 7 с сердечниками 6 и 8 установлены между торцевой частью магнитопровода 9 и кольцеобразными полюсами 10 и 11. Полюса 10 и 11 образуют межполюсный рабочий зазор у среза выходной части разрядной камеры. В основной части 1 разрядной камеры размещен кольцеобразный магнитный экран 12, выполненный из магнитомягкого материала. В рассматриваемом варианте конструкции экран 12 выполнен из пермендюра.

Выходные участки 2 и 3 стенок разрядной камеры, образующие выходную часть разрядной камеры и примыкающие к торцевым частям магнитного экрана 12, выполнены из диэлектрического материала, стойкого к ионному распылению. В рассматриваемом варианте выполнение конструкции плазменного ускорителя в качестве такого материала используется керамика на основе нитрида бора.

Магнитный экран 12 охватывает ускорительный канал со стороны анода-газораспределителя 4. Он электрически электроизолирован от остальных элементов конструкции основной частью 1 разрядной камеры и от анода-газораспределителя 4 специальными изоляторами (не показаны). Магнитный экран 12 снабжен электрическим выводом для подключения к внешнему источнику напряжения (не показан) с целью подачи и регулирования управляющего потенциала в процессе работы плазменного ускорителя. Торцевые части магнитного экрана 12 установлены с продольными зазорами относительно наружных и внутренних магнитных полюсов 10 и 11. Внутренняя поверхность магнитного экрана 12 образует кольцеобразные стенки разрядной камеры в пространственной области между анодом-газораспределителем 4 и выходной частью ускорительного канала.

Магнитный экран 12 и выходные участки 2 и 3 стенок разрядной камеры в рассматриваемом варианте выполнения конструкции плазменного ускорителя установлены относительно друг друга таким образом, чтобы выполнялись следующие условия:

1) при выходе плазменного ускорителя на установившийся тепловой режим торцевые части магнитного экрана 12 должны примыкать к противолежащим торцевым частям выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры без образования зазора вдоль поверхности разрядной камеры;

2) при выходе на установившийся тепловой режим расстояние от срединной поверхности ускорительного канала до близлежащей поверхности магнитного экрана 12 равно расстоянию от срединной поверхности ускорительного канала до близлежащей поверхности выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры.

Выполнение указанных условий выбора размеров элементов конструкции исключает возникновение зазоров и уступов между выходными торцами магнитного экрана 12 и торцами выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры на установившемся тепловом режиме работы плазменного ускорителя. Диаметры обращенных к разряду поверхностей магнитного экрана 12 и выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры в месте их стыка будут одинаковыми. Вследствие этого обеспечивается гладкость внутренних поверхностей стенок разрядной камеры на установившемся тепловом режиме. За счет этого создаются благоприятные условия для сноса ионным потоком частиц порошка, образующегося на внутренней поверхности стенок разрядной камеры, в том числе и на поверхности магнитного экрана 12, в направлении к выходной части разрядной камеры.

Работа плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, конструкция которого изображена на фиг.1, осуществляется следующим образом.

В полость ускорительного канала через анод-газраспределитель 4 подается рабочий газ, в качестве которого используется ксенон. Через катушки намагничивания 5 и 7 пропускаются токи, необходимые для генерации в полости ускорительного канала магнитного моля с заданной величиной радиальной составляющей магнитной индукции. Затем между анодом-газораспределителем 4 и катодом-компенсатором (не показан) прикладывается разрядное напряжение (200÷1000 В), создающее в ускорительном канале преимущественно продольное электрическое поле с напряженностью поля . После выхода на рабочий режим катода-компенсатора в потоке газа, направленном от анода-газораспределителя 4 к выходу из ускорительного канала, зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. В разрядном объеме происходит ионизация атомов рабочего газа, и образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем до скоростей, определяемых приложенной разностью потенциалов. Истекающий из ускорительного канала поток ионов захватывает необходимое для компенсации его объемного заряда количество электронов, которые эмитируются катодом-компенсатором. Ускоряющийся в ускорительном канале и истекающий из него поток плазмы создает реактивную тягу.

Размещение магнитного экрана 12 непосредственно в ускорительном канале плазменного ускорителя позволяет расширить возможности регулирования магнитного поля. Торцевые части магнитного экрана 12 в рассматриваемой конструкции плазменного ускорителя максимально смещены в область рабочего межполюсного зазора, образованного магнитными полюсами 10 и 11. При этом такое смещение осуществляется без увеличения диаметров магнитных полюсов. Величина зазора между торцами магнитного экрана 12 и магнитными полюсами 10 и 11 ограничена только в радиальном направлении толщиной стенок разрядной камеры.

За счет расширения диапазона возможного продольного смещения торцевых частей магнитного экрана 12 относительно магнитных полюсов 10 и 11 в ускорительном канале плазменного ускорителя обеспечивается более резкое нарастание индукции магнитного поля в межполюсном рабочем зазоре и смещение максимума радиальной составляющей магнитного поля в направлении к выходной части разрядной камеры, за плоскость полюсов магнитной системы. Изменение величины радиальной составляющей индукции магнитного поля (В_r) в направлении ускорения ионов (Z) вдоль срединной поверхности ускорительного канала и топология магнитного поля в ускорительном канале показаны на фиг.2.

Как следует из представленного распределения магнитного поля в ускорительном канале, масштаб области спада магнитной индукции в полости магнитного экрана 12 примерно равен радиальному расстоянию между торцевыми частями магнитного экрана, которое в плазменном ускорителе значительно меньше, чем в известных ускорителях-аналогах. Данный эффект способствует улучшению качества фокусировки ионного потока и, как следствие, повышению эффективности ускорения ионов (тяговой эффективности плазменного двигателя). Кроме того, обеспечивается большее, по сравнению с известными плазменными ускорителями, смещение максимума радиальной составляющей в направлении к выходной части разрядной камеры, за плоскость размещения магнитных полюсов. Такая возможность позволяет сдвинуть зону ускорения и соответственно зону интенсивного износа стенок разрядной камеры за плоскость размещения магнитных полюсов. В этом случае можно использовать более толстые выходные участки стенок разрядной камеры для создания запаса на износ стенок камеры. Вследствие этого при сопоставимых с аналогами затратах на генерацию магнитного поля достигается более высокая эффективность ускорения ионов и более длительный ресурс плазменного ускорителя.

Дополнительного повышения тяговой эффективности ускорителя можно добиться на отдельных режимах работы за счет управления электрическим потенциалом электроизолированного магнитного экрана 12. В данном случае плазменный ускоритель переводится в двухступенчатый режим работы: электрический разряд первой ступени организуется между анодом-газораспредлеителем 4 и магнитным экраном 12, а электрический разряд второй ступени - между магнитным экраном 12 и катодом-компенсатором.

В результате исследования характеристик СПД, созданного на основе плазменного ускорителя, было установлено увеличение тяговой эффективности плазменного двигателя до 7% по сравнению с известными аналогами и снижение полуугла расходимости ускоренного потока ионов на 7÷10° при одновременном снижении затрат энергии на создание магнитного поля в ускорительном канале.

В процессе работы плазменного ускорителя элементы конструкции разогреваются и изменяют свои размеры. В частности, увеличиваются как радиальные, так и продольные размеры магнитного экрана 12, основной кольцеообразной части 1 разрядной камеры и выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры. Материал магнитного экрана 12, как правило, имеет более высокий коэффициент теплового линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения диэлектрического материала, из которого выполняются другие элементы конструкции разрядной камеры. Учитывая указанные явления, диаметры торцевых участков магнитного экрана 12 предварительно выбираются несколько меньшими, чем диаметры ближайших к ним выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры. Между торцами магнитного экрана 12 и ближайшими к ним торцами выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры в исходном (холодном) состоянии плазменного ускорителя выбираются такие зазоры, которые при нагреве конструкции ускорителя и выходе ускорителя на установившийся тепловой режим исчезают.

Для компенсации неравномерного линейного расширения элементов конструкции плазменного ускорителя их размеры выбираются таким образом, чтобы разность диаметров обращенных к ускорительному каналу поверхностей магнитного экрана 12 и выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры была равна по величине и противоположна по знаку разности изменений указанных диаметров при выходе элементов конструкции плазменного ускорителя на установившийся тепловой режим. При этом торцевые части магнитного экрана 12 располагаются от близлежащих торцевых частей выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры на расстоянии, равном изменению указанного расстояния, которое вызвано тепловым расширением элементов конструкции при выходе плазменного ускорителя на установившийся тепловой режим. Выполнение данных условий обеспечивает равенство диаметров элементов конструкции, образующих стенки разрядной камеры, и отсутствие продольных зазоров на поверхности стенок разрядкой камеры между торцевыми частями магнитного экрана 12 и близлежащими торцами выходных участков 2 и 3 стенок разрядной камеры.

При выполнении элементов конструкции ускорителя согласно указанным выше условиям после выхода плазменного ускорителя на установившийся тепловой режим поверхности стенок разрядной камеры, образующие ее выходную часть, будут гладкими, без каких-либо углублений и уступов, на которых могут образовываться скопления частиц (порошка) распыленного материала. Образование частиц распыленного материала связано с осаждением на внутренней поверхности разрядной камеры пленки диэлектрического материала, распыляемого с выходных участков ускорительного канала. Пленка имеет достаточно рыхлую структуру из-за различия в свойствах материала магнитного экрана и осаждающегося диэлектрического вещества. В процессе работы плазменного ускорителя пленка разрушается, образуя мелкодисперсный порошок. При наличии гладкой поверхности стенок разрядной камеры частицы порошка беспрепятственно смещаются под воздействием ускоряемого потока ионов в направлении к выходному участку ускорительного канала. В результате этого предотвращается снижение тяговой эффективности плазменного двигателя в процессе его длительной работы, что эквивалентно повышению эффективности ускорения ионов по сравнению с известными аналогами.

Представленный выше пример реализации изобретения является предпочтительным, однако это не исключает другие варианты реализации конструкции плазменного ускорителя, в которых возможно образование технологических зазоров между магнитным экраном и близлежащими выходными участками стенок разрядной камеры. Возможен также выбор других материалов, обычно используемых в элементах конструкции плазменных ускорителей. Существенным условием достижения технического результата является выполнение условия, согласно которому магнитный экран устанавливается в полости ускорительного канала. Внутренняя поверхность магнитного экрана должна образовывать кольцеобразные стенки разрядной камеры в области между анодом-газораспределителем и выходной частью ускорительного канала. При этом выходные участки стенок разрядной камеры, образующие выходную часть ускорительного канала и примыкающие к торцевым частям магнитного экрана, выполняются из диэлектрического материала.

Использование в конструкции плазменного ускорителя и стационарных плазменных двигателей, созданных на его основе, усовершенствованной магнитной системы с магнитным экраном, установленным в полости ускорительного канала, позволяет в целом повысить эффективность ускорения потока ионов (тяговую эффективность двигателя) и существенно увеличить ресурс плазменного ускорителя за счет расширения зоны регулирования магнитного поля в области межполюсного рабочего зазора.

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, применяемых в качестве электрореактивных двигателей, а также в составе технологических плазменных установок. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими кольцеобразный ускорительный канал с открытой выходной частью. Анод-газораспределитель (4) установлен в полости ускорительного канала на расстоянии от среза выходной части разрядной камеры, превышающем ширину ускорительного канала. Катод-компенсатор размещен за срезом выходной части разрядной камеры. Магнитная система включает в свой состав источники магнитодвижущей силы, в качестве которых используются катушки намагничивания (5, 7), установленные на сердечниках (6, 8), торцевая часть магнитопровода (9), наружный и внутренний магнитные полюса (10, 11), образующие кольцевой межполюсный рабочий зазор у среза выходной части разрядной камеры, и кольцеобразный магнитный экран (12). Изобретение направлено на повышение эффективности ускорения потока ионов (тяговой эффективности) и ресурса плазменного ускорителя за счет расширения зоны регулирования магнитного поля в непосредственной близости от полюсов магнитной системы. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими кольцеобразный ускорительный канал с открытой выходной частью, анод-газораспределитель, установленный в полости ускорительного канала, катод-компенсатор, размещенный за срезом выходной части разрядной камеры, и магнитную систему, включающую в свой состав, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружные и внутренние магнитные полюса, образующие кольцевой межполюсный зазор у среза выходной части разрядной камеры, и кольцеобразный магнитный экран, выполненный из магнитомягкого материала и охватывающий ускорительный канал со стороны анода-газораспределителя, при этом торцевые части магнитного экрана установлены с зазором относительно наружных и внутренних магнитных полюсов, отличающийся тем, что магнитный экран установлен в полости ускорительного канала, внутренняя поверхность магнитного экрана образует кольцеобразные стенки разрядной камеры в области между анодом-газораспределителем и выходной частью ускорительного канала, причем выходные участки стенок разрядной камеры, образующие выходную часть ускорительного канала и примыкающие к торцевым частям магнитного экрана, выполнены из диэлектрического материала.

2. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что магнитный экран электроизолирован от элементов конструкции плазменного ускорителя и снабжен электрическим выводом для подключения к внешнему источнику напряжения.

3. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что магнитный экран выполнен из пермендюра.

4. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, в качестве диэлектрического материала, из которого выполнены участки стенок разрядной камеры, образующие выходную часть ускорительного канала, использован материал, стойкий к ионному распылению.

5. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что стенки разрядной камеры выполнены так, что при выходе на установившийся тепловой режим торцевые части магнитного экрана примыкают к участкам стенок разрядной камеры, образующим выходную часть ускорительного канала, без образования зазора вдоль поверхности разрядной камеры.

6. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что стенки разрядной камеры выполнены так, что при выходе на установившийся тепловой режим расстояние от срединной поверхности ускорительного канала до близлежащей поверхности магнитного экрана равно расстоянию от срединной поверхности ускорительного канала до близлежащей поверхности участков стенок разрядной камеры, образующих выходную часть ускорительного канала.