ТРЕХЭЛЕКТРОДНАЯ ИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2022 года по МПК H01J3/02 H01J27/02 H01J37/08 

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к ионным системам, и может быть использовано в области ракетно-космической техники при разработке и изготовлении ионно-оптических систем (ИОС) ионных двигателей, ионных пушек и ионных ускорителей.

ИОС является конструктивно и технологически наиболее сложным и ответственным элементом ионных двигателей, ионных пушек и ионных ускорителей. Она состоит, как правило, из эмиссионного (ЭЭ), ускоряющего (УЭ) и замедляющего электродов (ЗЭ), в которых выполнены отверстия. Одной из наиболее важных проблем при изготовлении и сборке ИОС является обеспечение точности юстировки электродов ИОС.

Известны ИОС, выполненные из перфорированных ЭЭ и УЭ (сеток) и одного ЗЭ, выполненного в виде кольца (авторское свидетельство СССР №908193 «Источник ионов» и «Пилотируемая экспедиция на Марс» под редакцией А.С. Коротеева. - М:2006, 318 с. (149-152 стр.).

Такой вариант упрощает изготовление ИОС, но не позволят обеспечить высокий ресурс ИОС. Ресурс ИОС ограничен распылением материала УЭ. Так как ускоряющий электрод в зоне нейтрализации ионного пучка, создает высокую напряженность электростатического поля, это приводит к увеличению энергии падающих на УЭ ионов перезарядки (тока перехвата) и, следовательно, увеличению скорости эрозии (ионного распыления) перемычек между отверстиями УЭ (эрозия УЭ идет на поверхности обращенной к ЗЭ), что отражено в работах О.А. Горшков и др. Холовские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. Москва, Машиностроение, 2008, Под редакцией РАН А.С. Коротеева с. 280 и R. Е. Wirz, J. R. Anderson, D. Μ. Goebel, Fellow, IEEE and I. Katz «Decel Grid Effects on Ion Thruster Grid Erosion», IEEE TRANSACTION ON PLASMA SCEIENCE, VOL. 36, NO. 5, OCTOBER 2008. c. 2122-2129.

Также известны ИОС, выполненные из трех перфорированных электродов (сеток), при этом количество отверстий во всех электродах (сетках) равно. (S.W. Patterson, А.K. Malik, M.G. Haines, D.G. Fearn «Characteriation of the discharge modes of a gas fed hollow cathode for a Kaufman-type ion thruster» и Ismat M. Ahmed Rudwan, N.C. Wallace, Michele Coletti, Stephen B. Gabriel «Emitter depletion measurement and modeling in the T5&T6 Kaufman-type ion thruster»), данное решение ведет к увеличению ресурса ИОС, по причине снижения тока перехвата УЭ, но существенно усложняет технологию изготовления ИОС, в особенности усложняется юстировка электродов друг относительно друга.

Также появляется нестабильность работы и наличие пробоев в ИОС с тремя перфорированными электродами при выходе данной ИОС на рабочий режим. Это происходит из-за попадания ионов на перемычки ЗЭ, УЭ и ЭЭ по причине тепловых деформаций возникающих при прогреве ИОС и приводящих к несоосности отверстий электродов.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.

Согласно изобретению для обеспечения простоты изготовления и увеличения ресурса ИОС и стабильности работы в ЗЭ делается количество отверстий больше чем одно и меньше общего количества отверстий ЭЭ и УЭ. Отверстия в ЗЭ выполняются таким образом, что формируют группы из нескольких ионных пучков полученных после прохождения отверстий УЭ.

Такой способ позволяет сохранить преимущества ИОС как с конструкцией ЗЭ выполненной в виде кольца, так и перфорированного ЗЭ, в котором количество отверстий равно количеству отверстий в ЭЭ и УЭ:

- увеличение ресурса двигателя в сравнении с ИОС с конструкцией ЗЭ в виде кольца;

- простота изготовления включая юстировку электродов в сравнении с ИОС с тремя перфорированными электродами;

- более стабильная работа ИОС при выходе на рабочий режим в сравнении с ИОС с тремя перфорированными электродами. Предлагаемая трехэлектродная ионно-оптической система представлен на фиг.1.

ИОС (1) состоит из: ЭЭ (2) с отверстиями, формирующими апертурную сетку, УЭ (3) и ЗЭ (4) с отверстиями, отличными по количеству от ЭЭ и УЭ, но больше чем одно, а также элементов крепежа (5, 10) и керамических изоляторов (6, 7, 8, 9).

На фиг. 2 и фиг. 3 представлены возможные варианты геометрии отверстий ЗЭ.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к ионным системам, и может быть использовано в области ракетно-космической техники при разработке и сборке ионно-оптических систем (ИОС) ионных двигателей, ионных пушек и ионных ускорителей. Данная трехэлектродная ионно-оптическая система обеспечивает упрощение изготовления, увеличение ресурса ионно-оптической системы согласно изобретению: в замедляющем электроде количество отверстий делается больше чем одно и меньше общего количества отверстий в эмиссионном электроде и ускоряющем электроде. Согласно изобретению для обеспечения простоты сборки, юстировки, стабильности работы и увеличения ресурса ионно-оптической системы в замедляющем электроде выполняются отверстия, расположенные таким образом, что они формируют группы ионных пучков, образованных эмиссионным и ускоряющим электродами, состоящие из более одного отверстия, но меньше общего количества отверстий в эмиссионном электроде и ускоряющем электроде. 3 ил.

Трехэлектродная ионно-оптическая система, содержащая эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, отличающаяся тем, что количество отверстий в замедляющем электроде, формирующих группы пучков ионов, больше одного и меньше количества отверстий в эмиссионном электроде и ускоряющем электроде.