Плазменный ускоритель

 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в электрических ракетных двигателях, в частности плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов, предназначенных для работы в космических условиях, и может найти применение в электронике для ионной очистки, получения покрытий различного функционального назначения в вакуумной металлургии для совершенствования поверхностных характеристик металлов и сплавов. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит азимутально замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный в направлении оси ускорителя двумя соосными с ним стенками и открытый с одного конца. Азимутально замкнутые анод и коллектор для подачи рабочего тела расположены в канале у конца, противоположного открытому. Магнитная система выполнена в виде не менее четырех полюсов, причем у каждой стенки размещено нечетное число полюсов с чередующейся в направлении оси ускорителя полярностью. В канале создается магнитное поле с максимумом в области открытого конца канала и спадающего по направлению к аноду. Расстояние между близлежащими полюсами выбирается не более полуширины канала. Средние полюса магнитной системы, размещенные у разных стенок, располагаются у открытого конца канала. Изобретение позволяет значительно увеличить скорость спадания магнитного поля вдоль канала ускорителя, что приводит к снижению потерь энергии и уменьшению числа ионов, попадающих на стенки канала. 14 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в электрических ракетных двигателях, в частности, плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов, предназначенных для работы в космических условиях при выполнении транспортных задач, а также коррекции орбиты и ориентации космических аппаратов, и может найти применение в электронике для ионной очистки, получения покрытий различного функционального назначения (защитных, эмиссионных и т.п.) и создании полупроводников, в вакуумной металлургии для совершенствования поверхностных характеристик металлов и сплавов, а также других областях техники.

В известных плазменных ускорителях (двигателях) с замкнутым дрейфом электронов, которые в зависимости от токопроводящих свойств материала стенок ускорительного канала разделяют на два типа: стационарные плазменные двигатели СПД (материал стенок-диэлектрик) и двигатели с анодным слоем ДАС (материал стенок-металл), такие параметры как КПД и долговечность зависят от пространственной конфигурации магнитного поля в ускорительном (Кирдяшев К.П. Высокочастотные волновые процессы в плазмодинамических системах. -М.:Энергоатомиздат, 1982, с.14-15). Опыт разработки и эксплуатации этих устройств показывает, что одним из основных приемов улучшения указанных параметров является увеличение скорости спадания магнитного поля в канале от его максимальной величины, лежащей в пространстве между полюсами, как в направлении к аноду, так и от него (в сторону катода), т.е. сокращение зоны ускорения.

Известен плазменный ускоритель (Авторское свидетельство СССР N1715183 от 11.04.90), в котором для увеличения скорости спадания магнитного поля вдоль оси ускорителя введены два тонкостенных, вытянутых вдоль каждой стенки канала, магнитных экрана, создавая тем самым систему с четырьмя полюсами, по два разнополярных полюса у каждой стенки: два одних - края магнитопровода, два других - края магнитных экранов.

Недостатком известного плазменного ускорителя является ограниченность области воздействия на магнитное поле: полюса экранов влияют на поле в канале только в пространстве от анода до полюсов магнитопровода, а на поле в пространстве от них до катода практически не влияют; а также большая протяженность экранов вдоль канала, что снижает эффект полюсности края экрана (начинает работать как полюс весь экран). Кроме того, четное число разнополярных полюсов с обеих сторон канала не сужает область максимума (пика) распределения магнитного поля в направлении оси ускорителя, а делает его более пологим.

Ближайшим техническим решением является плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий азимутально замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный в направлении оси ускорителя двумя соосными с ним стенками и открытый с одного конца, азимутально замкнутые анод и коллектор для подачи рабочего тела в канал, расположенные в нем у конца, противоположного открытому, по крайней мере один катод, размещенный вне канала у его открытого конца, магнитную систему, расположенную вне канала, содержащую два азимутально замкнутых полюса, размещенные у стенок по разные стороны канала, магнитопровод и источники магнитодвижущей силы (Плазменные ускорители и ионные инжекторы.-М: Наука, 1984, с. 108, 130).

Недостатком этого устройства является то, что скорость спадания магнитного поля вдоль оси ускорителя от своей максимальной величины ограничена наличием предела в минимальном расстоянии между полюсами: ширина канала плюс толщина стенок, т.е. невозможность дальнейшего сокращения зоны ускорения, а следовательно, нельзя уменьшить потери энергии (увеличить КПД), снизить эрозию стенок канала (увеличить долговечность).

Техническим результатом предложенного технического решения является уменьшение зоны ускорения и эрозии стенок канала, что позволяет увеличить КПД и долговечность ускорителя.

Технический результат достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем азимутально замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный в направлении оси ускорителя двумя соосными с ним стенками и открытый с одного конца, азимутально замкнутые анод и коллектор для подачи рабочего тела в канал, расположенные в нем у конца, противоположного открытому, по крайней мере один катод, размещенный вне канала у его открытого конца, магнитную систему, расположенную вне канала и создающую в нем преимущественно перпендикулярное оси ускорителя поле с максимумом в области открытого конца канала и спадающего по направлению к аноду, содержащую азимутально замкнутые полюса, размещенные у стенок по разные стороны канала, источники магнитодвижущей силы, магнитная система выполнена в виде не менее четырех полюсов, причем у каждой стенки размещено нечетное число полюсов с чередующейся в направлении оси ускорителя полярностью с расстоянием между близлежащими полюсами не более полуширины канала, при этом средние полюса, размещенные у разных стенок, расположены у открытого конца канала, при этом по крайней мере один из полюсов образован магнитопроводом или магнитным экраном; причем магнитопровод и магнитные экраны выполнены из магнитомягкого материала и неоднородными по толщине; по крайней мере один из источников магнитодвижущей силы выполнен в виде постоянного магнита или в виде катушки, соосной с осью ускорителя; при этом размещенные у разных стенок средние полюса смещены вдоль оси ускорителя друг относительно друга на расстояние, меньшее полуширины канала, по крайней мере на часть поверхности наиболее удаленных от анода двух полюсов у разных стенок канала нанесено покрытие с низким коэффициентом ионного распыления; магнитопровод и по крайней мере один магнитный экран выполнены по крайней мере с одной щелью, ориентированной по направлению магнитного потока в нем; стенки канала выполнены из диэлектрика или токопроводящего материала.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан схематично разрез плазменного ускорителя с равным числом полюсов у каждой стенки, причем полюса принадлежат магнитопроводу и магнитным экранам, а на фиг.2 - с неравным числом, причем все полюса принадлежат магнитопроводу.

Ускоритель содержит ускорительный канал 1, анод 2 и коллектор 3 для подачи рабочего тела в канал, катод 4, расположенный вне канала, магнитную систему, состоящую из источников магнитодвижущей силы 5, 6, 7, 8, 9 полюсов 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, нечетное число которых расположено у каждой стенки 17, 18 канала, а средние 11, 13 из них размещены у его открытого конца, магнитопровода 19 и магнитных экранов 20, 21. На поверхности полюсов есть пленка 22, а в магнитопроводе и магнитных экранах щели 23, 24.

Ускоритель работает следующим образом.

Рабочее тело, например, ксенон, через коллектор 3, выполненный из металла со множеством отверстий, равномерно распределенных по азимуту, подают в ускорительный канал. Между анодом 2, выполненным из тугоплавкого материала, например, молибдена, и катодом 4 (полый катод с высокоэффективным термоэмиттером, например, гексаборидом лантана) зажигают разряд, и в рабочем теле, находящемся в канале, происходит образование ионов и электронов. Ионы, ускоряясь внешним полем, возникающим между анодом и катодом, выходят из канала, формируя поток ионов. Электроны, эмиттируемые катодом, разбиваются на две группы, одна идет на компенсацию потока ионов, другая поступает в канал и идет на анод. Источники магнитодвижущей силы 5, 6, 7, 8, 9, например, катушки, магнитопровод 19 и магнитные экраны 20, 21 посредством своих полюсов 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 формируют в канале преимущественно перпендикулярное оси ускорителя магнитное поле такой величины и конфигурации, что электроны в силу замагниченности медленно протекают с катода на анод. Ионы, наоборот, не замагничены, поэтому основная часть тока в ускорителе переносится ими, что и требуется для нормального функционирования ускорителя. Максимальную величину магнитного поля ≈200 Гс получают в области открытого конца канала, а в области анода и катода поле уменьшают по крайней мере в несколько раз. Расположение у каждой стенки 17, 18 нечетного числа полюсов с чередующейся в направлении оси ускорителя полярностью позволяет увеличить скорость спадания магнитного поля относительно средних полюсов 11, 13 как в направлении анода, так и в направлении катода. Таким образом, минимальное число полюсов равно четырем.

Для создания магнитного поля в канале преимущественно радиального направления, необходимого для лучшего замагничивания электронов, средние полюса 11, 13 размещают у открытого конца канала.

Для увеличения скорости спадания магнитного поля вдоль оси ускорителя необходимо рядом лежащие полюса у одной стенки не удалять друг от друга на расстояние, большее полуширины канала. При большем расстоянии влияние магнитного поля одного из двух рядом лежащих полюсов на магнитное поле другого станет незначительным, т.е. полюса перестанут работать как система.

Для расширения технических возможностей в качестве полюсов магнитной системы можно использовать как полюса 10, 11, 12, 13, 14 магнитопровода 19, так и полюса 15, 16 магнитных экранов 20, 21, причем возможны их комбинации.

Для обеспечения однородности в намагничивании магнитопривода и магнитных экранов, например при смене полярности тока катушки в источнике магнитодвижущей силы, а также для исключения влияния остаточной намагниченности магнитопривода и экранов на окружающие ускоритель объекты в перерыве его работы, магнитопривод 19 и магнитные экраны 20, 21 вместе с их полюсами выполнены из магнитомягкого материала, например железа Армко.

Поскольку магнитный поток в различных местах магнитопровода 19 и магнитн6ых экранов 20, 21 может быть различен, то для уменьшения массы ускорителя целесообразнее магнитопривод и магнитные экраны выполнять неоднородными по толщине, например их части, расположенные ближе к оси ускорителя, делать толще.

При конструировании маломощных ускорителей эффективнее в качестве источников магнитодвижущей силы 5, 6, 7, 8, 9 выбрать постоянные магниты, например на основе самарий кобальта. И наоборот, при изготовлении мощного ускорителя с системой управления его характеристиками через магнитное поле источники магнитодвижущей силы целесообразнее выполнить в виде катушек. Возможны комбинации обоих конструктивных выполнений.

Для создания в канале магнитного поля преимущественно радиального направления, необходимого для коллинеарности направления ионного потока оси ускорителя (больший КПД), желательно средние полюса, лежащие у разных стенок, располагать приблизительно напротив друг друга, т.е. смещение вдоль оси ускорителя полюсов 11 и 13 не должно превышать полуширину канала.

Для увеличения долговечности ускорителя, т.е. снижения эрозии, поверхности полюсов 10, 12 (фиг.1) и 11, 12 (фиг.2), наиболее удаленных от анода, покрыты пленкой 22 из материала, стойкого к ионному распылению, например, оксида алюминия.

Выполнением щелей 23, 24 в магнитопроводе и магнитных экранах можно эффективнее отводить тепло от стенок канала, причем для уменьшения степени влияния щелей на магнитное поле последние ориентируют по направлению магнитного потока, т.е. вдоль оси ускорителя.

Для создания ускорителя аналогичного СПД стенки 17, 18 канала выполняют из диэлектрика, например нитрида бора, а применительно к ДАС стенки канала выполняют из токопроводящего материала, например, стали 12х18H140T/ Таким образом, изобретение позволяет значительно увеличить (≈20%) скорость спадания магнитного поля вдоль оси ускорителя, что приводит к сокращению зоны ускорения (≈20%), а следовательно, к снижению потерь энергии (≈20%) и уменьшению числа ионов, попадающих на стенки канала. Вследствие этих действий происходит увеличение КПД и долговечности ускорителя.

Использование магнитной системы с разным числом полюсов у стенок канала позволяет делать более однородным магнитное поле в канале, т.е. исправлять неоднородность пространственной конфигурации ускорителя вследствие его цилиндричности.

Формула изобретения

1. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий азимутально замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный в направлении оси ускорителя двумя соосными с ним стенками и открытый с одного конца, азимутально замкнутые анод и коллектор для подачи рабочего тела в канал, расположенные в нем у конца, противоположного открытому, по крайней мере один катод, размещенный вне канала у его открытого конца, магнитную систему, расположенную вне канала и создающую в нем преимущественно перпендикулярное оси ускорителя поле с максимумом в области открытого конца канала и спадающего по направлению к аноду, содержащую азимутально замкнутые полюса, размещенные у стенок по разные стороны канала, источники магнитодвижущей силы, отличающийся тем, что магнитная система выполнена в виде не менее четырех полюсов, причем у каждой стенки размещено нечетное число полюсов с чередующейся в направлении оси ускорителя полярностью с расстоянием между близлежащими полюсами не более полуширины канала, при этом средние полюса, размещенные у разных стенок, расположены у открытого конца канала.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере один из полюсов образован магнитопроводом.

3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере один из полюсов образован магнитным экраном.

4. Ускоритель по п.2, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из магнитомягкого материала.

5. Ускоритель по п.3, отличающийся тем, что магнитные экраны выполнены из магнитомягкого материала.

6. Ускоритель по пп.2 и 4, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен неоднородным по толщине.

7. Ускоритель по пп.3 и 5, отличающийся тем, что магнитные экраны выполнены неоднородными по толщине.

8. Ускоритель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что по крайней мере один источник магнитодвижущей силы выполнен в виде постоянного магнита.

9. Ускоритель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что по крайней мере один источник магнитодвижущей силы выполнен в виде катушки, соосной с осью ускорителя.

10. Ускоритель по пп.1 - 9, отличающийся тем, что размещенные у разных стенок средние полюса смещены вдоль оси ускорителя друг относительно друга на расстояние, меньшее полуширины канала.

11. Ускоритель по пп.1 - 10, отличающийся тем, что по крайней мере на часть поверхности наиболее удаленных от анода двух полюсов у разных стенок канала нанесено покрытие с низким коэффициентом ионного распыления.

12. Ускоритель по п.2, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен по крайней мере с одной щелью, ориентированной по направлению магнитного потока в нем.

13. Ускоритель по п.3, отличающийся тем, что по крайней мере один магнитный экран выполнен по крайней мере с одной щелью, ориентированной по направлению магнитного потока в нем.

14. Ускоритель по пп. 1 - 13, отличающийся тем, что стенки канала выполнены из диэлектрика.

15. Ускоритель по пп. 1 - 13, отличающийся тем, что стенки канала выполнены из токопроводящего материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2