Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов (варианты)

 

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться в электроракетных двигателях на базе ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов, а также в технологических ускорителях, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии. Технический результат - повышение КПД ускорителя и обеспечение более мягкого режима его запуска. В плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, включающем по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, расположенной между кольцеобразными стенками разрядной камеры и внешней областью, расположенной за кольцеобразными стенками, распределитель газа и анод, расположенные в полости разрядной камеры, на наружном магнитном полюсе в зоне расположения катода-компенсатора размещена магнитопроводящая накладка таким образом, что между ней и наружным магнитным полюсом образован по меньшей мере один магнитоизолированный канал для проникновения электронов от катода-компенсатора сквозь силовые линии магнитного поля внешней области рабочего межполюсного зазора к границе между внутренней и внешней областями рабочего межполюсного зазора. В другом варианте ускорителя магнитная система может быть снабжена дополнительным магнитным полюсом, установленным с зазором относительно наружного магнитного полюса (магнитоизолированный канал в таком варианте формируется в зазоре между наружным и дополнительным магнитными полюсами). В поперечном направлении магнитоизолированный канал может иметь по меньшей мере один промежуточный выход для электронов непосредственно во внешнюю область рабочего межполюсного зазора. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

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

Ускорители заряженных частиц и плазменных потоков широко известны в науке и технике и используются для решения различных практических задач [1].

Были предложены и изучены ускорители с замкнутым дрейфом электронов двух схем. Один из них, так называемый ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, имеет диэлектрическую разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, выходная часть которого размещена между полюсами магнита, анод-газораспределитель, расположенный в глубине канала, и катод-компенсатор. Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов другой схемы, так называемый ускоритель с анодным слоем, имеет похожую схему, как правило, с металлической разрядной камерой [2].

Ускорители обеих схем имеют достаточно высокие интегральные характеристики, однако для их рабочих режимов характерны значительные колебания разрядного тока, что приводит к снижению их эффективности. Одним из технических решений, позволивших существенно снизить уровень колебаний в разрядной цепи, является создание в ускорительном канале магнитного поля, нарастающего от анода к срезу разрядной камеры.

Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, анод-газораспределитель, расположенный в полости ускорительного канала, и катод-компенсатор [3].

В данном ускорителе конструкция магнитной системы обеспечивает структуру магнитного поля в ускорительном канале с положительным продольным градиентом. Данное техническое решение позволило стабилизировать мелкомасштабные колебания в разряде и повысить в целом эксплуатационные характеристики ускорителя.

Однако колебания разряда в этом случае все же остаются, приводя к энергетическим потерям ускорителя. Более того, уровень колебаний, как правило, значительно возрастает при расширении диапазона рабочих характеристик. Одна из причин, порождающих развитие колебаний в разрядной цепи (прежде всего в высокочастотном диапазоне 1-100 МГц), заключается в следующем. Создание высоких положительных градиентов магнитного поля в ускорительном канале приводит к тому, что значительная, зачастую большая часть магнитного потока сосредоточена за срезом ускорителя. При этом, если ускоряющее напряжение сосредоточено в пределах ускорительного канала, то доступ первичных электронов в ускорительный канал возможен только в результате колебаний, обеспечивающих им подвижность поперек силовых линий магнитного поля за срезом ускорителя. Кроме того, вентильные свойства внешнего "неработающего" магнитного поля дополнительно затрудняют процесс зажигания разряда при определенных режимах. Устранение влияния данного фактора путем установки за срезом ускорителя последовательно несколько катодов-компенсаторов не приемлемо с точки зрения эффективности ускорителя в целом [4].

При создании изобретения решались задачи по повышение КПД ускорителя и обеспечение более мягкого режима его запуска за счет устранения одной из причин возникновения колебаний в разрядной цепи.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, включающим катод-компенсатор, разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, расположенной между кольцеобразными стенками разрядной камеры и внешней областью, расположенной за кольцеобразными стенками, распределитель газа и анод, расположенные в полости разрядной камеры, согласно изобретению на наружном магнитном полюсе в зоне расположения катода-компенсатора размещена магнитопроводящая накладка таким образом, что между ней и наружным магнитным полюсом образован по меньшей мере один магнитоизолированный канал для проникновения электронов от катода-компенсатора сквозь силовые линии магнитного поля внешней области рабочего межполюсного зазора к границе между внутренней и внешней областями рабочего межполюсного зазора.

Указанная задачи могут быть решены по другому варианту за счет того, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, включающим катод-компенсатор, разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, расположенной между кольцеобразными стенками разрядной камеры, и внешней областью, расположенной за кольцеобразными стенками, распределитель газа и анод, расположенные в полости разрядной камеры, согласно изобретению магнитная система снабжена дополнительным магнитным полюсом, установленным с зазором относительно наружного магнитного полюса.

В поперечном направлении магнитоизолированный канал может содержать по меньшей мере один промежуточный выход для электронов непосредственно во внешнюю область рабочего межполюсного зазора.

В предлагаемой схеме плазменного ускорителя электроны, образующие обратный электронный ток, поступают в разрядную камеру не через поперечное магнитное поле внешней области рабочего межполюсного зазора (как в известных моделях ускорителей), а проходя через магнитоизолированный канал магнитопроводящей накладки, образуя внутри него плазменный мостик. В результате такого решения исключается причина возникновения колебаний в разрядной цепи, связанных с прохождением электронов через поперечное магнитное поле внешней области рабочего межполюсного зазора. Кроме того, данная конструктивная схема делает некритичным расположение катода-компенсатора относительно полюсов магнитной системы, так как в общем случае его оптимальное расположение связано с минимизацией суммарных потерь от колебаний как в основном контуре разряда, так и в контуре обратного тока. Дополнительно, исключая "неработающую" внешнюю область магнитного зазора для первичных электронов, поступающих из катода-компенсатора на анод, автоматически облегчаются условия зажигания основного разряда в ускорителе.

В другом варианте формирования магнитоизолированного канала обеспечение азимутальной однородности магнитного поля, замыкающегося на наружный магнитный полюс, достигается установкой дополнительного магнитного полюса и, соответственно, полной симметричностью конструкции его рабочей зоны. Обеспечение же азимутальной однородности магнитного поля, в свою очередь, приведет к повышению удельных характеристик ускорителя.

Создание дополнительных боковых выходов для электронов из магнитоизолированного канала во внешнюю область рабочего магнитного зазора, шунтированную этим каналом, облегчит доступ электронов во внешнюю часть магнитной линзы. В результате, практически полностью исключается негативное влияние на динамику электронной компоненты "неработающей" внешней области поперечного магнитного поля за пределами ускорительного канала. Очевидно, что данный эффект будет максимальным в случае, если боковой выход будет выполнен в виде сплошной щели.

Таким образом, реализация предложенных конструктивных схем ускорителя позволяет повысить его удельные энергетические характеристики и обеспечить надежный, более мягкий запуск.

Использование изобретения в космической технике позволит создать электроракетные двигательные установки с более высоким КПД для выполнения задач в составе космических аппаратов.

Использование изобретения в ионно-плазменной технологии позволит создать более эффективное оборудование для процессов нанесения различных покрытий и сухого травления материалов.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 изображен осевой разрез плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, на наружном магнитном полюсе которого размещена магнитопроводящая накладка.

На фиг. 2 представлен вариант формирования магнитоизолированного канала при помощи дополнительного магнитного полюса.

На фиг.3 и 4 представлен вариант плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, в котором магнитоизолированный канал содержит дополнительный боковой выход щелевого типа для электронов непосредственно во внешнюю область рабочего межполюсного зазора за срезом разрядной камеры.

Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению содержит разрядную камеру 1 со стенками 2, образующими ускорительный канал 3, магнитную систему, содержащую, в свою очередь, источники магнитодвижущей силы 4, магнитопровод 5, наружный 6 и внутренний 7 кольцеобразные магнитные полюсы, образующие рабочий межполюсный зазор. Внутренняя область 8 рабочего межполюсного зазора расположена непосредственно в ускорительном канале 3, а внешняя область 9 рабочего межполюсного зазора расположена, соответственно, за срезом кромок разрядной камеры 1. В глубине разрядной камеры расположен газораспределитель 10, конструктивно совмещенный с анодом 11. За пределами наружной области 9 рабочего межполюсного зазора установлен катод-компенсатор 12. На наружном магнитном полюсе 6 со стороны размещения катода-компенсатора 12 расположена магнитопроводящая накладка 13, которая образует с наружным магнитным полюсом 6 магнитоизолированный канал 14 со стенками из магнитомягкого материала, соединяющий периферийную зону внешней области 9 рабочего межполюсного зазора и зону рабочего межполюстного зазора в непосредственной близости от разрядной камеры 1.

В другом варианте исполнения ускоритель может содержать дополнительный магнитный полюс 15, установленный со стороны катода-компенсатора 12 относительно наружного магнитного полюса 6 с зазором, в котором формируется магнитоизолированный канал 14.

Магнитоизолированный канал 14 может содержать по меньшей мере один дополнительный выход 16 для выхода электронов в наружную область 9 рабочего межполюсного зазора. В предельном оптимальном случае дополнительный выход представляет собой непрерывную щель, расположенную вдоль всего магнитоизолированного канала 14.

Ускоритель работает следующим образом.

В ускорительном канале 3 разрядной камеры 1, ограниченном стенками 2, в области полюсов магнитной системы 6 и 7 с помощью источников магнитодвижущей силы 4 создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения магнитное поле. В разрядную камеру через газораспределитель 10 подается рабочее вещество. Разрядное напряжение прикладывается между анодом 11 и катодом-компенсатором 12 и зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов от катода к аноду. Влияние скрещенных электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют атомы рабочего вещества. Образовавшиеся в газовом разряде ионы ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором 12 и анодом 11. Все эти процессы протекают во внутренней области 8 рабочего межполюсного зазора. На выходе из ускорительного канала 3 поток ускоренных ионов компенсируется электронами, истекающими из катода-компенсатора 12 и проникающими по магнитоизолированному каналу 14, который образован между наружным полюсом 6 и участком магнитопроводящей накладки 13 (или дополнительным полюсом 15). Таким образом, меньшая часть электронов, истекающих из катода-компенсатора, поступает обратным током в разрядную камеру, участвуя в ионизационных процессах, а большая часть электронов нейтрализует ускоренный ионный поток.

Источники информации 1. Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А. М.: Машиностроение, 1974 г., с. 54-95.

2. Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А. М.: Машиностроение, 1974 г., с. 75-81.

3. Патент РФ 2030134, кл. Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00 - прототип.

4. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989 г., с. 124-125.

Формула изобретения

1. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, включающий по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, расположенной между кольцеобразными стенками разрядной камеры и внешней областью, расположенной за кольцеобразными стенками, распределитель газа и анод, расположенные в полости разрядной камеры, отличающийся тем, что на наружном магнитном полюсе в зоне расположения катода-компенсатора размещена магнитопроводящая накладка таким образом, что между ней и наружным магнитным полюсом образован по меньшей мере один магнитоизолированный канал для проникновения электронов от катода-компенсатора сквозь силовые линии магнитного поля внешней области рабочего межполюсного зазора к границе между внутренней и внешней областями рабочего межполюсного зазора.

2. Плазменный ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что в поперечном направлении магнитоизолированный канал содержит по меньшей мере один промежуточный выход для электронов непосредственно во внешнюю область рабочего межполюсного зазора.

3. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, включающий по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, расположенной между кольцеобразными стенками разрядной камеры и внешней областью, расположенной за кольцеобразными стенками, распределитель газа и анод, расположенные в полости разрядной камеры, отличающийся тем, что магнитная система снабжена дополнительным магнитным полюсом, установленным с зазором относительно наружного магнитного полюса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4