Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов

 

Использование: плазменная техника, при разработке электроракетных двигателей, а также технологических плазменных ускорителей. Сущность изобретения: плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит диэлектрическую разрядную камеру 6 с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источниками магнитодвижущей силы 3, магнитопроводом 2, наружным 4 и внутренним 5 магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры. Анод - газораспределитель 7 расположен в полости ускорительного канала на расстоянии от его выходного сечения, превышающем ширину канала. Катод-компенсатор 1 установлен за выходным срезом разрядной камеры 6. Выходные участки стенок разрядной камеры, обращенные к ускорительному каналу, выполнены из электропроводящего материала. На каждой стенке камеры между электропроводящей и основной ее частями выполнено по меньше мере одно разделяющее кольцеобразное углубление 12. Электропроводящие участки стенок камеры выполняются в виде кольцеобразных вставок 8 и 9 из материала, стойкого к ионному распылению. Использование изобретения позволяет повысить КПД и снизить скорость распыления элементов конструкции плазменного ускорителя и расходимость плазменной струи. 9 з.п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно, касается конструирования ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ) и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также технологических ускорителей, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии.

Ускорители заряженных частиц и плазменных потоков, в том числе и УЗДЭ, широко известны в науке и технике и используются для решения различных практических задач (см. Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л. А. М.: Машиностроение, 1974 г., c.54-95).

Были предложены и изучены ускорители двух схем. Один из них, так называемый ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП), имеет диэлектрическую разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, выходная часть которого размещена между полюсами магнита, анод-газораспределитель, расположенный в глубине канала (см. там же, с.75-81). Второй ускоритель с так называемым анодным слоем (УАС) имеет похожую схему, как правило, с металлической разрядной камерой.

Основные отличия этих ускорителей сводятся к следующему (см. A.S. Bober, V. Kim, A. S. Koroteev et al. State of work on Electrical Thrusters in the USSR - AIAA Paper IEPC - 91 - 003, p.6 ): УЗДП имеет принципиально неоднородное магнитное поле в относительно длинном ускорительном канале, стенки которого непосредственно ограничивают ускоряемый плазменный поток. Так можно записать следующие соотношения, определяющие параметры УЗДП и УАС: УЗДП: L_C/L_B≈1, L_C/b_C≥1, b_O/b_C≈1, УАС: L_C/L_B<1, L_C/b_C<1, b_O/b_C<1,C и L_B - соответственно длина ускорительного канала и характерная протяженность зоны с достаточно большим значением магнитной индукции; b_C и b_O - соответственно ширина ускорительного канала и ускоряемого потока в нем.

Указанные отличия являются существенными и определяют различия в организации рабочих процессов в рассматриваемых ускорителях. В частности, в УАС потенциалы стенок ускорительного канала (как в одно, так и в двухступенчатой схемах) задаются, как правило, с помощью внешних источников напряжения, что во многом определяет продольные размеры ступеней ускорения. В УЗДП же положение и продольные размеры слоя ионизации и ускорения связаны с распределением магнитного поля в ускорительном канале и определяются в значительной мере процессами взаимодействия ускоренного потока со стенками разрядной камеры. Таким образом, распределение электрического поля в большей части ускорительного канала УЗДЭ в отличие от УАС формируется без использования дополнительных источников напряжения и электродов.

Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий диэлектрическую разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источниками магнитодвижущей силы (МДС), магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, анод- газораспределитель, расположенный в полости ускорительного канала на расстоянии от его выходного сечения, превышающем ширину канала, и катод-компенсатор (см. там же). Данное устройство обладает интегральными параметрами, позволившими создать на его базе двигатели для космических летательных аппаратов и технологические ускорители. Однако известный ускоритель обладает недостаточным для решения ряда задач ресурсом, который ограничивается распылением элементов конструкции ускоренными ионами, относительно невысокой тяговой эффективностью (КПД) и значительной расходимостью струи. Так, ресурс современного УЗДЭ типа СПД-100 составляет около 5000 ч, а его КПД не превышает 50% при удельном импульсе ≈16 км/с. При этом для 95% ионного потока полуугол β_0,95 расходимости струи составляет ≈45^o.

Наиболее близким аналогом изобретения, по совокупности существенных признаков, является плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий диэлектрическую разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источниками МДС, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, анодный блок с газораспределителем и катод-компенсатор. При этом, часть одной из стенок выполнена из электропроводящего материала [2]. КПД и ресурс данного плазменного ускорителя также ограничены ввиду недостаточной фокусировки ионного потока, что и определяет значительные энергетические потери и ионное распыление элементов его конструкции.

Изобретение направлено на повышение КПД, снижение скорости распыления элементов конструкции плазменного ускорителя под действием ионного потока и расходимости струи. Решение данной технической задачи обеспечивает повышение эффективности применения плазменного ускорителя в прикладных задачах.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем диэлектрическую разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, часть которых выполнена из электропроводящего материала, магнитную систему с источниками магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, газораспределитель, анод, расположенный в полости ускорительного канала на расстоянии от его выходного сечения, превышающем ширину канала, и катод-компенсатор, согласно изобретению, из электропроводящего материала выполнены выходные участки стенок разрядной камеры, обращенные к ускорительному каналу, при этом на каждой диэлектрической части стенки камеры между электропроводящей и основной ее частями выполнено, по меньшей мере, одно разделяющее кольцеобразное углубление.

Предпочтительно выполнение разделяющих кольцеобразных углублений на стенках основной части разрядной камеры со стороны, обращенной к ускорительному каналу, между анодом и электропроводящими участками дополнительных кольцеобразных углублений и размещать в них экраны. При этом экраны устанавливаются с зазором относительно поверхностей камеры, формирующих дополнительные углубления, а расстояния от срединной поверхности (равноудаленой от стенок камеры) до экранов должны быть не меньше расстояния от упомянутой поверхности до ближайших к ней участков стенок основной части разрядной камеры, расположенных между электропроводящими участками и экранами.

Целесообразно выполнение электропроводящих участков стенок разрядной камеры в виде кольцеобразных вставок из материала, стойкого к ионному распылению.

Для повышения эффективности ускорителя предпочтительно, чтобы протяженность кольцеобразных вставок вдоль канала не превышала протяженность зоны, в пределах которой значения поперечной к направлению ускорения составляющей индукции магнитного поля B_r на срединной поверхности, изменяются от значения 0,9 B_{r max} до значения B_{r max}, где B_{r max}-максимальное значение B_r на указанной поверхности, а расстояние от упомянутой поверхности до обращенных к ней поверхностей вставок должно быть не меньше, чем расстояния от этой поверхности до ближайших к вставкам участков стенок основной части разрядной камеры, примыкающих к разделяющим углублениям.

Несмотря на снижение скорости распыления выходных участков стенок разрядной камеры - электропроводящих вставок, возможно распыление последних и образование проводящих покрытий на стенках основной части разрядной камеры. Для снижения вероятности их отслаивания, обращенные к ускорительному каналу, участки стенок основной части разрядной камеры должны быть выполнены из или покрыты материалом с высокой адгезионной способностью к конденсирующимся продуктам распыления материала вставок.

Для предотвращения образования в кольцеобразных углублениях электропроводящего покрытия целесообразно их выполнять таким образом, чтобы прямая линия, проведенная через любую точку поверхности электропроводящей части поверхности одной из стенок разрядной камеры, обращенной к ускорительному каналу, к точкам, по крайней мере, отдельных кольцеобразных участков поверхностей, формирующих разделяющее углубление, расположенных на противоположной стенке разрядной камеры, пересекала часть объема стенок, образующих соответствующее кольцеобразное углубление. При этом протяженность углубления вдоль ускорительного канала должна быть выбрана не меньше величины ларморовского радиуса электронов, рассчитанного по величинам разрядного напряжения и индукции магнитного поля, соответствующим рабочему режиму ускорителя.

Целесообразно выполнять экраны из электропроводящего материала предпочтительно с высокой адгезионной способностью к конденсирующимся продуктам распыления электропроводящих вставок.

При работе двигателя на отдельных режимах целесообразно электрическое соединение электропроводящих экранов, расположенных у противоположных стенок разрядной камеры. Целесообразно также в этом случае размещение ближайших к выходному сечению ускорительного канала торцов экранов между поперечными сечениями, в пределах которых значения поперечной к направлению ускорения составляющей индукции магнитного поля B_r на срединной поверхности ускорительного канала изменяются от значения 0,7 B_{r max} до значения 0,85 B_{r max}, где B_{r max}- максимальное значение B_r на указанной поверхности.

Для снижения влияния колебаний, возбуждаемых в разряде, на работу и характеристики ускорителя, целесообразно электрическое соединение основных электропроводящих вставок с катодом-компенсатором через выпрямительные элементы, обеспечивающие протекание электрического тока в направлении от вставок к катоду. Желательно также, чтобы каждая основная электропроводящая вставка была электрически соединена с катодом-компенсатором через электрические элементы, полное сопротивление которых переменному току с частотой от 5 до 250 кГц меньше их полного сопротивления постоянному току.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема ускорителя ; на фиг. 2 - схема выполнения кольцеобразных разделяющих углублений и расположения основных электропроводящих вставок; на фиг. 3 - конструктивная схема разрядной камеры с дополнительными кольцеобразными углублениями и экранами; на фиг. 4 - вариант схемы выполнения кольцеобразных разделяющих углублений и экранов; на фиг. 5 - распределение величины поперечной составляющей B_r индукции магнитного поля вдоль канала на срединной его поверхности; на фиг. 6-9 - варианты схем электрического соединения электропроводящих вставок с катодом-компенсатором.

Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов (фиг.1), согласно изобретению содержит катод-компенсатор 1, магнитопровод 2, основные источники магнитодвижущей силы 3, наружный кольцеобразный полюс 4, внутренний кольцеобразный полюс 5, диэлектрическую разрядную камеру 6, анод-газораспределитель 7 (в данном варианте исполнения ускорителя анод и газораспределитель конструктивно объединены в одном блоке, хотя возможно раздельное выполнение данных элементов, например, как в ближайшем аналоге изобретения), внутреннюю вставку 8 и наружную вставку 9 из электропроводящего материала с повышенной стойкостью к распылению ускоренными ионами, газоподвод 10. Стенки основной части разрядной камеры выполнены из или покрыты материалом 11 с высокой адгезионной способностью к конденсирующимся продуктам распыления материала электропроводящих вставок, с которыми взаимодействует ускоренный ионный поток, вызывая их распыление. Электропроводящие вставки отделены от основной части разрядной камеры кольцеобразными разделяющими углублениями 12 (фиг.2). Ближайшие к упомянутым разделяющим углублениям участки стенок 13 основной части разрядной камеры расположены на расстоянии от срединной поверхности 14 ускорительного канала, меньшим соответствующих расстояний от нее до вставок. Разделяющие углубления имеют такую конфигурацию, что прямые линии, проведенные через любую точку поверхности электропроводящих участков одной стенки, обращенной к ускорительному каналу, к точкам, по крайней мере, отдельных кольцевых участков поверхностей, формирующих разделяющее углубление, расположенное на противоположной относительно указанной вставке стенке разрядной камеры, пересекают часть объема стенок, образующих соответствующее кольцеобразное углубление. Ускоритель предпочтительно выполнять с дополнительными кольцеобразными экранами 15 и 16 (фиг.3), размещенными в дополнительных кольцеобразных углублениях 17 с зазором относительно поверхностей, формирующих углубления 17. При выполнении дополнительных кольцеобразных углублений и экранов, разделяющие углубления 12 могут иметь минимальную продольную протяженность или полностью отсутствовать (фиг.4). Предпочтительна такая продольная протяженность (длина) электропроводящих вставок, чтобы они размещались в зоне между поперечными сечениями канала, в пределах которой на срединной поверхности канала, значения поперечной к направлению ускорения составляющей индукции магнитного поля B_r изменяются от значения ~ 0,9 B_{r max} до значения B_{r max}, где B_{r max} - максимальное значение B_r на указанной поверхности (фиг. 5). При наличии дополнительных кольцеобразных углублений и экранов, ближайшие к выходу торцы экранов должны располагаться между поперечными сечениями канала, в пределах которых величина поперечной составляющей B_r индукции магнитного поля изменяются от значения 0,7 B_{r max} до значения 0,85 B_{r max}. Для более активного воздействия на процессы в ускорителе основные электропроводящие вставки (фиг.6) электрически соединяются с катодом- компенсатором 1 через выпрямительный элемент, обеспечивающий протекание тока в направлении от вставок к катоду. Данный элемент может представлять собой диод 18 (фиг.6) или выпрямительный элемент 19 с регулируемым диапазоном отсечки (фиг.7). Активное воздействие может осуществляется также при электрическом соединении электропроводящих вставок с катодом-компенсатором через элемент, обладающий малым полным сопротивлением переменному току, частота которого изменяется в диапазоне 5. ..250 кГц, и большим полным сопротивлением постоянному току. В качестве такого элемента возможно использовать емкость 20 (фиг.8) или схему колебательного контура 21 (фиг.9) с последовательным соединением емкости С и индуктивности L.

Ускоритель работает следующим образом.

В ускорительном канале разрядной камеры 6 в области полюсов магнитной системы 4 и 5 с помощью источников магнитодвижущей силы 3 создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения магнитное поле. В разрядную камеру через анод-газораспределитель 7 (возможны и другие варианты организации подачи газа) подается рабочее вещество в газообразном виде. Разрядное напряжение прикладывается между анодом 7 и катодом 1 и зажигается разряд в потоке рабочего газообразного вещества. Наличие поперечного магнитного поля препятствует свободному движению электронов в продольном электрическом поле от катода к аноду. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении. Перемещение электронов к аноду происходит за счет столкновений с тяжелыми частицами и стенками канала и колебательных процессов в плазме. В процессе движения электроны ионизуют атомы рабочего вещества. В образовавшейся плазме за счет приложенного между анодом и катодом напряжения создается электрическое поле, ускоряющее ионы преимущественно в осевом направлении. Процессы образования и ускорения ионов происходят в основном в области максимального магнитного поля. Эта область располагается обычно у среза разрядной камеры 6 и называется слоем ионизации и ускорения (СИУ). Рабочие процессы, протекающие в слое, определяют в основном ресурс и эффективность ускорителя.

Основным процессом, определяющим ресурс, является эрозия выходных кромок разрядной камеры 6, выпадающими на стенки ускоренными ионами. Интегральные характеристики УЗДЭ во многом определяются геометрией и величиной магнитного поля в ускорительном канале и остаются стабильными даже при значительном уширении выходной части разрядной камеры в результате распыления ее ионами. Заметное ухудшение эффективности работы ускорителя наблюдается лишь при полном распылении стенок разрядной камеры 6 в межполюсном зазоре магнитной системы и значительном распылении полюсов 4 и 5. Происходящее при этом отклонение топологии и величины магнитного поля от оптимальных значений является основной причиной указанного ухудшения. Установка на выходных участках стенок разрядной камеры колец 8 и 9 из электропроводящего материала с повышенной стойкостью к распылению ускоренными ионами позволяет повысить эффективность и увеличить ресурс работы ускорителя за счет следующих факторов.

Введение вставок, приобретающих низкие значения потенциала "плавания", повышает смещение потенциала стенки относительно потенциала прилегающих к ней слоев плазмы по сравнению с аналогичным смещением у диэлектрической стенки, что приводит к снижению интенсивности взаимодействия электронов со стенкой. В результате этого уменьшается "паразитный" пристеночный ток электронов вдоль канала, происходит сокращение продольной протяженности слоя ионизации и ускорения в выходном направлении и резкое снижение общего потока ионов на стенки разрядной камеры и связанных с этим энергетических потерь. В результате этого улучшается фокусировка ионного потока (значения β_0,95 уменьшается примерно в 1,5 раза) и повышается тяговая эффективность работы ускорителя, а также возрастает ресурс ускорителя. Размеры электропроводящих вставок 8 и 9 (фиг.2) выбираются таким образом, чтобы они размещались между поперечными сечениями ускорительного канала, в пределах которых на воображаемой срединной поверхности канала значения поперечной по отношению к направлению ускорения потока плазмы, составляющей индукции магнитного поля B_r равны, соответственно, 0.9 B_{r max} и B_{r max} (где B_{r max}- максимальное значение индукции магнитного поля на указанной поверхности). Дело в том, что слой ионизации и ускорения, т.е. область, где реализуются максимальные значения электрического поля, локализуется в области максимальных значений B_r. Поэтому такое расположение вставок обеспечивает контакт плазмы с поверхностью вставок именно в этом слое, что и обеспечивает достигаемый технический результат.

Сужение слоя ионизации и ускорения происходит, как уже отмечалось, из-за снижения интенсивности взаимодействия электронов со стенками разрядной камеры. Это вытекает из известного соотношения для продольной протяженности указанного слоя: , где R_Le - ларморовский радиус электронов, рассчитанный при энергии электронов, соответствующей используемым на рабочем режиме разрядному напряжению и индукции магнитного поля; v_eo- суммарная частота столкновений электронов, определяемая суммой частот столкновений электронов с ионами (v_ei), атомами (v_ea), стенками разрядной камеры (v_ew) и эффективной частотой v_eff соответствующей колебаниям; v_i- частота ионизационных столкновений.

В СИУ современных ускорителей доминирующим является слагаемое v_ew, поэтому резкое его снижение при переходе к схеме с электропроводящими вставками определяет значительное (до двух раз, как показывают эксперименты) уменьшение δ . Такое сужение может быть реализовано лишь в том случае, когда вставки расположены в области максимальных значений индукции магнитного поля. Эксперименты подтверждают, что технический результат достигается при расположении вставок в зоне, где значения B_r изменяются от 0,9 B_{r max} до B_{r max} (со стороны анода). При оптимальном положении и длине вставок удается получить повышение тягового КПД на 5-10% при его исходном уровне 40-50%, снижение линейных скоростей износа не менее, чем в два раза, уменьшение β_0,95 примерно в полтора раза.

В качестве материала электропроводящих вставок 8 и 9 возможно применение графита или материалов на основе графита, обладающих большой стойкостью к распылению ускоренными ионами. Эксперименты показывают, что в результате использования всех перечисленных выше средств ресурс ускорителя может быть повышен более, чем в два раза.

В результате распыления вставок распыленный материал осаждается на внутренних поверхностях стенок разрядной камеры 6. При этом изменяются электрические свойства стенок и характеристики ускорителя. Для повышения стабильности работы устройства необходимо обеспечить электрическую изоляцию вставок от наносимого покрытия, в противном случае время работы ускорителя с высокой эффективностью будет ограничено временем образования эквипотенциального покрытия, шунтирующего плазму во всем разрядном промежутке от анода до вставок. Для предотвращения этого на стенках камеры 6 со стороны (см. фиг.2), обращенной к ускорительному каналу, выполняются разделяющие кольцеобразные углубления 12 между ее участками со вставками 8 и 9 и остальными поверхностями разрядной камеры, ограничивающими ускорительный канал. При этом углубления 12 выполнены таким образом, чтобы прямые линии, проведенные из любой точки поверхностей любой из вставок 8 и 9, обращенных к ускорительному каналу, по крайней мере, к точкам на отдельных кольцеобразных участках поверхностей, формирующих разделяющие углубления, пересекали, по меньшей мере, часть объема стенок, образующих соответствующие кольцеобразные углубления. То есть, хотя бы часть поверхностей, формирующих углубления 12, должна находиться вне пределов прямой видимости из любой точки рассматриваемых поверхностей вставок, обращенных к ускорительному каналу и расположенных на противоположной стенке. Это предотвращает электрическое соединение вставок с остальными частями разрядной камеры в результате осаждения распыленного материала вставок. Кроме того, продольная протяженность δ_k углублений 12 должна превышать толщину покрытия, которое может образовываться за все время работы ускорителя в результате осаждения распыленного материала на поверхностях, ограничивающих углубления. Данные углубления являются также препятствием для движения электронов вдоль стенки, в результате чего снижаются потери мощности в ускорителе. Углубление становится препятствием, если его протяженность вдоль ускорительного канала имеет величину δ_k≥ R_Le , где R_Le - ларморовский радиус электронов, рассчитанный при энергии электронов, соответствующей используемым на рабочем режиме разрядному напряжению и индукции магнитного поля. Возможно выполнение нескольких таких углублений, снижающих пристеночный ток.

Анализ и эксперименты показывают, что надежная изоляция электропроводящих участков стенок разрядной камеры может быть достигнута, если на стенках разрядной камеры между упомянутыми участками и анодом выполнить дополнительные кольцеобразные углубления 17 (фиг.4) и разместить в них кольцеобразные экраны 15 и 16, установленные в дополнительных кольцеобразных углублениях с зазором относительно стенок. При наличии дополнительных кольцеобразных углублений и экранов не обязательно (фиг.4) наличие основных кольцеобразных разделяющих углублений 12 (фиг.2). Кроме того, расстояние от срединной поверхности ускорительного канала до этих экранов должно превышать расстояние от этой поверхности до участков стенок разрядной камеры, расположенных между дополнительным кольцеобразным углублением и электропроводящими участками разрядной камеры (фиг. 3 и 4). Величина указанного зазора должна обеспечить его сохранение в течение всего расчетного времени работы ускорителя, т.е. не перемыкаться за счет процесса напыления на экраны и стенки разрядной камеры продуктов распыления электропроводящих участков.

В ходе работы ускорителя на стенках разрядной камеры, как уже отмечалось выше, осаждается распыленный материал. При циклической работе возможно чешуйчатое отслаивание кусков покрытия, приводящее обычно к временному возмущению рабочих процессов, сопровождающемуся увеличением разрядного тока и снижением эффективности работы устройства. Кроме того, образовавшиеся в результате отслаивания на стенках камеры локальные нарушения однородности электрических свойств поверхности приводят к возникновению неустойчивостей в плазме, также снижающих эффективность работы. Для уменьшения влияния этих эффектов обращенные к ускорительному каналу участки стенок разрядной камеры выполняются из или покрываются материалом 11 с высокой адгезионной способностью к конденсирующимся продуктам распыления материала вставок. В частности, возможно предварительное нанесение на стенки разрядной камеры за исключением поверхностей, формирующих разделяющие углубления, подслоя из графита, если вставки изготавливаются из графита.

Одним из способов снижения интенсивности взаимодействия электронов со стенками разрядной камеры в области ионизации и ускорения является удаление электропроводящих стенок от срединной поверхности ускорительного канала. Для этого расстояние от срединной поверхности ускорительного канала до вставок 8 и 9 должно превышать расстояние от поверхности до ближайших к ней участков стенок 13 разрядной камеры 6, непосредственно примыкающих к ограничивающим углубления поверхностям со стороны анода-газораспределителя. Это усиливает эффект влияния электропроводящих вставок на характеристики ионного потока.

Повысить фокусировку ионного потока можно за счет более рациональной организации рабочего процесса в прианодной зоне разрядной камеры 6. В частности, можно выровнять распределение потенциала в ней и снизить соответствующие потери. Кроме того, можно уменьшить интенсивность колебаний в этой зоне. Эксперименты показывают, что перечисленных эффектов можно добиться, если выполнить экраны 15 и 16 из электропроводящего материала. При этом торцы дополнительных вставок должны быть расположены достаточно близко к основным электропроводящим вставкам, а именно, между сечениями, в которых значения B_r на срединной поверхности ускорительного канала, равноудаленной от стенок камеры, изменяются в пределах (0,7-0,85) B_{r max}. Естественно, расположение упомянутых торцов должно быть согласовано с длиной основных проводящих вставок. Так, если длина основных проводящих вставок такова, что их ближайшие к аноду торцы расположены в сечении, где B_r =0,9 B_{r max}, то, естественно, торцы экранов могут быть расположены лишь в более близких к аноду сечениях, например, в сечении, где B_r≅0,8 B_{r max}. Расстояния от поверхностей экранов до срединной поверхности ускорительного канала также предпочтительно иметь большими, чем расстояния от этой поверхности до поверхностей стенок 13 основной части разрядной камеры (см. фиг.4), расположенных между вставками и экранами. Экраны необходимо выполнять из материала с высокой адгезией к конденсирующимся продуктам распыления материала основных вставок по изложенным выше причинам. Эксперименты показывают, что в случае выполнения основных вставок из графита дополнительные вставки также могут быть изготовлены из графита или нержавеющей стали с тонким подслоем графита или без него. Важно также установить их с зазором относительно поверхностей, формирующих дополнительные углубления. Тогда стенки основной части разрядной камеры будут прикрыты от потоков распыленного с дополнительных вставок вещества, что обеспечит надежную изоляцию последних от остальных элементов разрядной камеры. Эксперименты подтверждают эту возможность.

Введение основных электропроводящих вставок позволяет снизить интенсивность колебаний в СИУ, вызываемых периодической декомпенсацией объемного заряда в этом слое из-за неизбежных в разряде пульсаций потоков ионов и электронов. Это является одной из причин снижения δ (см. приведенное выше выражение 2). Но на ряде режимов воздействия одних лишь вставок оказывается недостаточно. Поэтому в этих случаях целесообразно использование дополнительных стабилизирующих элементов. Так, возможно электрическое соединение электропроводящих вставок 8 и 9 с катодом-компенсатором 1 через выпрямительные элементы (фиг. 6 и 7), обеспечивающие протекание тока от вставок к катоду. Эти элементы могут представлять из себя как простой диод 18, так и выпрямитель 19 с регулируемым диапазоном отсечки. Последний обеспечивает перетекание электронов со вставок на катод при достижении заданного потенциала вставки, что позволяет выбирать более оптимальные условия протекания рабочего процесса в ускорителе. Такой элемент может представлять собой электрическую схему с управляемым полупроводниковым прибором, например, семистором.

Для эффективного подавления колебаний в диапазоне частот 5-250 кГц, характеризующихся наибольшей интенсивностью, электропроводящие вставки 8 и 9 должны быть электрически соединены с катодом- компенсатором 1 через элементы с малым полным сопротивлением переменному току в данном диапазоне частот и большим полным сопротивлением постоянному току. В качестве такого элемента можно использовать емкость 20 (фиг.8) или колебательный контур 21 с последовательным соединением емкости C и индуктивности L (фиг.9). Путем регулировки параметров C и L можно управлять условиями возникновения резонанса в колебательном контуре и тем самым осуществлять преимущественное подавление колебаний на заданной частоте.

В целом предлагаемые электрические соединения вставок с катодом- компенсатором позволяют получить фильтрующий элемент, эффективно гасящий колебания потенциала в ускорительном канале и тем самым существенно повышающий эффективность работы ускорителя.

Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы ускорителя позволит значительно повысить ресурс и тяговую эффективность плазменных ускорителей типа УЗДЭ, снизить расходимость струи.

Предлагаемый плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов может быть использован как в космической технике, так и в процессах ионно-плазменной технологии.

Использование изобретения в космической технике позволит создать электроракетные двигательные установки, обладающие достаточным ресурсом и тяговой эффективностью для выполнения различных задач в составе космических аппаратов, например: осуществление коррекции орбиты искусственного спутника Земли, ориентация и стабилизация космического аппарата.

Использование изобретения в ионно-плазменной технологии в качестве ускорителя потока плазмы позволит эффективно наносить покрытия на изделия и осуществлять ионную поддержку различных процессов и операции избирательного ионного травления для производства микроэлектронных приборов.

Формула изобретения

1. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий диэлектрическую разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, часть которых выполнена из электропроводящего материала, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, газораспределитель, анод, расположенный в полости ускорительного канала на расстоянии от его выходного сечения, превышающем ширину канала, и катод-компенсатор, отличающийся тем, что из электропроводящего материала выполнены выходные участки стенок разрядной камеры, обращенные к ускорительному каналу, при этом на диэлектрической части каждой стенки камеры между электропроводящей и основной ее частями выполнено по меньшей мере одно разделяющее кольцеобразное углубление.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с дополнительными кольцеобразными углублениями и дополнительными экранами, размещенными в последних, выполненных на обращенных к ускорительному каналу поверхностях основной части разрядной камеры между электропроводящими участками стенок разрядной камеры и анодом, при этом экраны размещены с зазором относительно поверхностей камеры, формирующих углубления, а расстояние от срединной поверхности ускорительного канала до экранов не меньше расстояния от упомянутой поверхности до ближайших к ней участков стенок основной части разрядной камеры, расположенных между электропроводящими участками стенок разрядной камеры и экранами.

3. Ускоритель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что электропроводящие участки стенок разрядной камеры выполнены в виде кольцеобразных вставок из материала, стойкого и ионному распылению.

4. Ускоритель по п.3, отличающийся тем, что протяженность кольцеобразных вставок вдоль ускорительного канала не превышает протяженность зоны, в пределах которой значение поперечной по отношению к направлению ускорения плазменного потока составляющей индукции магнитного поля B_r на срединной поверхности ускорительного канала изменяется от значения 0,9 B_r,max до B_r.max, где B_r.mam - максимальная величина B_r на указанной поверхности, а расстояние от упомянутой поверхности до обращенных к ней поверхностей вставок не менее расстояния от упомянутой поверхности до ближайших к вставкам участков стенок основной части разрядной камеры, примыкающих к разделяющим углублениям.

5. Ускоритель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что основная часть разрядной камеры выполнена из материала с адгезионной способностью к конденсирующимся продуктам распыления материала электропроводящих вставок.

6. Ускоритель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что разделяющие кольцеобразные углубления выполнены такими, чтобы прямые линии, проведенные через любую точку поверхности электропроводящих участков одной из стенок разрядной камеры, обращенной к ускорительному каналу, к точкам по крайней мере отдельных кольцеобразных участков поверхностей, формирующих разделяющее углубление на противоположной относительно указанной стенке разрядной камеры, пересекали по меньшей мере часть объема стенок, образующих соответствующее разделяющее углубление, при этом протяженность углубления вдоль ускорительного канала выбрана не менее величины ларморовского радиуса электронов, рассчитанного по величинам разрядного напряжения и индукции магнитного поля, соответствующего рабочему режиму ускорителя.

7. Ускоритель по пп.2 - 6, отличающийся тем, что экран выполнен из электропроводящего материала.

8. Ускоритель по п. 7, отличающийся тем, что экраны, расположенные у противоположных стенок разрядной камеры, электрически соединены между собой, а их ближайшие к выходному сечению ускорительного канала торцы размещены в зоне, в пределах которой значения поперечной по отношению к направлению ускорения плазменного потока составляющей индукции магнитного поля B_r на срединной поверхности ускорительного канала изменяются от значения 0,7 B_r.max до значения 0,85 B_r.max.

9. Ускоритель по пп.1 - 8, отличающийся тем, что электропроводящие участки стенок разрядной камеры электрически соединены с катодом-компенсатором через выпрямительный элемент, обеспечивающий протекание электрического тока в направлении от вставок к катоду.

10. Ускоритель по пп. 1 - 8, отличающийся тем, что электропроводящие участки стенок разрядной камеры электрически соединены с катодом-компенсатором через электрические элементы, полное сопротивление которых переменному току с частотой 5 - 250 кГц меньше их полного сопротивления постоянному току.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9