СПОСОБ ПЕРФОРАЦИИ ОТВЕРСТИЙ В ЭЛЕКТРОДАХ ИОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2018 года по МПК H01J3/38 H01J9/14 

Предлагаемое изобретение относится к области плазменной техники, а именно к ионным системам, и может быть использовано в области ракетно-космической техники, при разработке, изготовлении и сборке ионно-оптической системы (ИОС) ионных двигателей (ИД), ионных пушек и ускорителей.

ИОС является конструктивно и технологически наиболее сложным и ответственным элементом ИД. Она состоит, как правило, из эмиссионного, ускоряющего и замедляющего электродов, в которых выполнены отверстия, причем обычно отверстия в каждом из электродов имеют свой, отличный от отверстий в других электродах, диаметр. Одной из наиболее важных проблем при изготовлении и сборке ИОС ИД является обеспечение точности изготовления электродов ИОС, обеспечение как зазора между электродами, так и соосности отверстий в электродах.

Изменение зазора между электродами на 10% по сравнению с расчетным номинальным значением приводит к падению плотности тока до 5%, отклонение диаметра отверстий в электродах от номинального на 2,5% приводит к снижению плотности тока на 2-6,5%, отклонение сосности между отверстиями на 2,5% приводит к падению плотности тока до 5%. Кроме того, плохо сфокусированный пучок ионов приводит к распылению стенок отверстий в электродах, что в итоге ведет к ухудшению параметров ИД. Все это требует особого внимания, создает существенные трудности при проектировании, изготовлении и сборке ИОС ИД.

Известен способ перфорации отверстий ионно-оптической системы, содержащей эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды. Способ включает послойную укладку углеродных волокон или углеволоконной ткани на рабочую поверхность формообразующего элемента (патент РФ №2543063 (2013 г.) "Способ изготовления электродов ионно-оптической системы" - аналог; Лесневский Л.Н. Технология производства космических двигателей и энергоустановок с использованием наноматериалов: Учебно-методический комплекс / Л.Н. Лесневский, В.Н. Тюрин. - Калуга, Москва: Изд-во «Эйдос», 2011. - 482 с.; - прототип).

Такой способ перфорации ионно-оптической системы обладает следующими недостатками:

- сложность обеспечения соосности между отверстиями в электродах при сборке;

- сложность обеспечения соосности между отверстиями в электродах, связанной с учетом термического смещения;

- сложность обеспечения соосности между отверстиями в электродах, связанной с учетом выпуклости (коробления) самих электродов;

- высокие требования к точности изготовления электродов;

- ограниченность параметров геометрических форм отверстий.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:

- упрощение обеспечения соосности между отверстиями в электродах при сборке ИОС;

- упрощение обеспечения соосности между отверстиями в электродах с учетом термического смещения;

- упрощение обеспечения соосности между отверстиями, связанной с учетом выпуклости (коробления) самих электродов;

- снижение требований к точности изготовления электродов;

- расширение параметров геометрических форм отверстий в электродах.

В предлагаемом изобретении технический эффект достигается тем, что в известном способе перфорации отверстий в электродах ионно-оптической системы, основанном на формировании ионных пучков с последующим их воздействием на обрабатываемую поверхность электрода, согласно изобретению перед воздействием ионных пучков на обрабатываемую поверхность собирают ионно-оптическую систему, включая эмиссионный электрод, затем формируют разряд, создавая поток ионов, и направляют его через отверстия эмиссионного электрода на обрабатываемую поверхность электрода, где ионы распыляют материал электрода в точках воздействия.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря ей появляется возможность обеспечить высокую точность изготовления перфорированной решетки электродов ионно-оптической системы, минимизировав время на ее изготовление и последующую настройку (юстировку) соосности отверстий между электродами во время сборки.

Предлагаемая «технология» перфорации электродов ионно-оптической системы иллюстрируется на фиг. 1 (общая схема), на фиг. 2, 3 представлен элемент ионно-оптической системы, где:

1 - эмиссионный электрод;

2 - ускоряющий электрод;

3 - замедляющий электрод;

4 - внутренний фланец эмиссионного электрода;

5 - внешний фланец эмиссионного электрода;

6 - отверстия в эмиссионном электроде;

7, 14 - регулировочная шайба;

8, 9, 12, 13 - керамический изолятор;

10, 11 - винт;

15 - ионный пучок;

16 - отверстия в ускоряющем электроде;

I_УЭ - сила тока ускоряющего электрода;

I_ЭЭ - сила тока эмиссионного электрода.

Ионно-оптическая система состоит из эмиссионного электрода 1 с отверстиями 5, формирующими апертурную сетку, и ускоряющего 2 электрода, фланцев 3, 4 эмиссионного электрода, керамических изоляторов 6, 8, регулировочных шайб 7. Изолятор между электродами для исключения пробоев из-за распыления материала ускоряющего электрода может быть закрыт металлической сеткой.

Принцип изготовления отверстий ускоряющего электрода для ионно-оптической системы заключается в следующем.

Ионно-оптическую систему (ИОС) в сборе с газоразрядной камерой (ГРК) помещают в вакуумную камеру. В ГРК зажигается плазменный разряд. На готовый перфорированный ЭЭ 1 и обрабатываемый УЭ 2 подается разность напряжений. Появившиеся ионные пучки бомбардируют УЭ 2, начиная распыление материала (фиг. 2).

Вследствие длительного воздействия ионных пучков на УЭ 2 начнут образовываться отверстия (фиг. 3). Данный метод повышает точность соосности отверстий даже с учетом термического смещения. При этом качество и форма отверстий в электродов ЭЭ не имеет значение.

Для уточнения готовности отверстий УЭ с электродов снимаются показания силы токов I_УЭ и I_ЭЭ. В начале изготовления отверстий I_УЭ=I_ЭЭ, так как весь заряд ионов оседает на УЭ. При выполнении операции ионные пучки начнут пробивать и проходить сквозь образующиеся отверстия (фиг. 2). В результате этого сила тока УЭ I_УЭ начнет падать (фиг 3.). Отверстия УЭ считаются окончательно готовыми, когда I_УЭ<0,1⋅I_ЭЭ (фиг. 4).

Изготовление перфорационной сетки данным методом позволит увеличить высокую точность соосности между отверстиями электродов при сборке. А так как для перфорации УЭ требуется только один готовый ЭЭ, то это уменьшает требования к точности изготовления самого ЭЭ, что снижает стоимость затрат на изготовление электродов.

Таким образом, благодаря использованию изобретения обеспечивается изготовление отверстий электродов ионно-оптической системы с минимальным отклонением соосности отверстий между электродами от номинального расчетного значения, что обеспечит минимальный разброс параметров и характеристик ионно-оптической системы для любых геометрических форм электродов.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к ионным системам, и может быть использовано в области ракетно-космической техники, при разработке, изготовлении и сборке ионно-оптической системы (ИОС) ионных двигателей (ИД), ионных пушек и ускорителей. Технический результат- : упрощение обеспечения соосности между отверстиями в электродах при сборке ИОС. В способе перфорации отверстий в электродах ионно-оптической системы, основанном на формировании ионных пучков с последующим их воздействием на обрабатываемую поверхность электрода, перед воздействием ионных пучков на обрабатываемую поверхность собирают ионно-оптическую систему, включая эмиссионный электрод, затем формируют разряд, создавая поток ионов, и направляют его через отверстия эмиссионного электрода на обрабатываемую поверхность электрода, где ионы распыляют материал электрода в точках воздействия. 4 ил.

Способ перфорации отверстий в электродах ионно-оптической системы, основанный на формировании ионных пучков с последующим их воздействием на обрабатываемую поверхность электрода, отличающийся тем, что перед воздействием ионных пучков на обрабатываемую поверхность собирают ионно-оптическую систему, включая эмиссионный электрод, затем формируют разряд, создавая поток ионов, и направляют его через отверстия эмиссионного электрода на обрабатываемую поверхность электрода, где ионы распыляют материал электрода в точках воздействия.