Плазменный ускоритель

Изобретение относится к плазменным ускорителям. Предложен плазменный ускоритель для формирования ускоренного плазменного потока в продольном направлении, который содержит плазменную камеру, ограниченную с боков стенками и расположенную между анодом и расположенным на выходе плазменной камеры для плазменного потока ускоряющим электродом, и источник электронов, выполненный с возможностью подачи в плазменную камеру со стороны выхода плазменного потока электронов, на которую воздействуют формируемые в указанной плазменной камере для ионизации в ней рабочего газа электрическое и магнитное поля. При этом источник электронов образован пассивной электродной поверхностью внутри плазменной камеры, которая нагружена частью плазменного потока и при бомбардировке ионами эмитирует электроны. Предложен также аналогичный плазменный ускоритель, в котором устройство для создания магнитного поля содержит в продольном направлении между ускоряющими электродами, по меньшей мере, один первый окружающий плазменную камеру магнитный полюс, ответный полюс которого отстоит в продольном направлении от первого магнитного полюса, причем источник электронов включает в себя электрод, расположенный со стороны выхода плазменного потока вне плазменной камеры. Изобретение позволяет повысить эффективность работы плазменного ускорителя. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к плазменному ускорителю.

Известны, в частности, плазменные ускорители в форме ускорителей Холла с плазменной камерой, проходящей вокруг центральной продольной оси. На дне плазменной камеры предусмотрен кольцеобразный анод, от которого плазменная камера, выполненная практически в форме кругового цилиндра, простирается по продольной оси в направлении выхода плазменного потока. Со стороны выхода плазменного потока из плазменной камеры и обычно за ее пределами расположен активный катод, в частности в виде плазменного полого катода с газовым разрядом или термоионного катода, в качестве источника электронов, который испускает электроны, с одной стороны, в плазменную камеру, а с другой стороны, в направлении выходящего плазменного потока. Направленные в плазменную камеру электроны ускоряются магнитным полем в направлении анода и отклоняются магнитным полем на кольцеобразные траектории дрейфа. Магнитное поле пронизывает плазменную камеру, в основном, в радиальном направлении и формируется вокруг центральной продольной оси полюсным устройством, окруженным кольцеобразной плазменной камерой и окружающим снаружи плазменную камеру вторым полюсным устройством в качестве магнитного ответного полюса. Подобный ускоритель Холла известен, например, из ЕР 0541309 A1.

Описанный в US 5847493 ускоритель Холла имеет более комплексное магнитное поле, у которого вторая полюсная пара во встречной ориентации отстоит в продольном направлении от первой плюсной пары. Каждая полюсная пара содержит первый внутренний полюс, окруженный плазменной камерой, и второй внешний, окружающий плазменную камеру, полюс.

В DE 19828704 А1 описан плазменный ускоритель с плазменной камерой в форме по существу кругового цилиндра, которая содержит продольную ось в качестве средней оси. Направляемый извне пучок электронов проходит через окружающее плазменную камеру магнитное устройство с чередующимися в продольном направлении полюсами на средней оси и служит помимо ионизации рабочего газа для нейтрализации плазменного потока, выходящего в том же направлении из плазменной камеры.

Плазменный ускоритель из DE-AS 1222589 также направляет пучок электронов через протяженную ионизационную камеру и нейтрализует, тем самым, поток плазмы, выходящий в том же направлении из плазменной камеры. Часть электродов в плазменной камере может состоять из вольфрама.

В ускорителе частиц по патенту US 4296327 катод испускает высокоэнергетический импульсный электронный луч и направляет его через анодную диафрагму, края которой покрыты пластиком. Попадающие на пластик высокоэнергетические электроны выбивают из него протоны, которые за счет действия пространственного заряда притягиваются проходящим через отверстие диафрагмы электронным лучом и ускоряются в направлении луча.

В US 3735591 описан магнитоплазменный динамический ускоритель, в котором катод расположен вне плазменной камеры, стенка которой образована анодом в форме кругового цилиндра, на удалении от плазменной камеры в продолжении средней оси плазменной камеры в направлении плазменного потока и, соответственно, в центре плазменного потока. Катод запитывается газом для запуска ускорителя. В процессе эксплуатации катод нагревается за счет ионной бомбардировки почти до 2000 К и испускает термоэлектроны в направлении анода.

В основе настоящего изобретения лежит задача создания плазменного ускорителя, отличающегося, в частности, простой конструкцией.

Решения согласно изобретению приведены в независимых пунктах формулы. Зависимые пункты содержат предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования изобретения.

В первом варианте осуществления изобретения предлагается плазменный ускоритель, у которого в качестве источника электронов для ионизации рабочего газа внутри плазменной камеры преимущественно в зоне выхода плазменного потока расположена пассивная электродная поверхность, которая нагружена частью ионов плазменного потока и при попадании ионов освобождает электроны. В качестве испускающих электроны пассивного электрода или пассивного катода следует понимать, в отличие от вышеупомянутого активного катода, электрод, который является ни нагретым, ни эксплуатируемым с газовым разрядом. Освобожденные таким образом электроны вначале, по меньшей мере, частично ускоряются электрическим полем между ускоряющим электродом и анодом против направления движения плазменного потока и в направлении анода, при этом на них воздействует пронизывающее плазменную камеру магнитное поле, в частности они отклоняются на траектории дрейфа поперек продольного направления плазменной камеры для увеличения продолжительности пребывания и тонизирующего действия. Ударная ионизация рабочего газа освобождает одновременно дополнительные электроны.

За счет использования пассивной электродной поверхности в качестве источника ионизирующих электронов плазменный ускоритель может быть существенно упрощен. Можно не использовать активный источник электронов, причем в этом случае пассивный источник электронов при бомбардировке ионами плазменного потока также испускает электроны для нейтрализации плазменного потока, которые за счет пространственного заряда ионов притягиваются в направлении плазменного потока и подхватываются. Источник электронов формируется с этой целью преимущественно частью поверхности ускоряющего электрода.

Для эффективного вырабатывания свободных электронов при бомбардировке источника электронов ионами потока плазмы источник электронов содержит материал, преимущественно металл, с невысокой собственной распыляемостью для увеличения срока службы при бомбардировке ионами и/или с высоким коэффициентом освобождения электронов, который является мерой объема потока электронов, вызванного ионной бомбардировкой.

Расположение источника электронов в зоне выхода плазменного потока из плазменной камеры обеспечивает высокую энергию бомбардирующих источник электронов ионов ускоренного плазменного потока и, тем самым, вырабатывание достаточного числа электронов. При помещении источника электронов в краевой зоне плазменного потока, в частности у стенки плазменной камеры, источник электронов бомбардируется, в частности, ионами из сильнее расходящегося плазменного потока, которые за счет расхождения уменьшенной части плазменного потока в любом случае способствуют росту импульса отдачи плазменного потока.

Источник электронов для вырабатывания электронов с целью ионизации рабочего газа может быть расположен также на расстоянии от ускоряющего электрода между ускоряющим электродом и анодом и нагружен ионами меньшей кинетической энергии, чем на выходе плазменной камеры, что является предпочтительным в случае многоступенчатого в продольном направлении электрического электродного устройства с одним или несколькими промежуточными электродами между ускоряющим электродом и анодом. При вырабатывании электронов для ионизации рабочего газа на ступени промежуточного электрода предпочтительно использовать отдельный источник электронов для нейтрализации плазменного потока в зоне выхода плазменного потока из плазменной камеры.

Запуск ионизации в плазменной камере может происходить посредством образованных спонтанно, например за счет воздействия высокоэнергетического космического излучения, электронно-ионных пар, которые расходятся при приложении электрического поля между ускоряющим электродом и анодом и за счет ударной ионизации вызывают отделение носителей заряда, а за счет ионной бомбардировки пассивного источника электронов - освобождение электронов и создание плазмы. Начальная ионизация может быть вызвана и/или поддержана кратковременным повышением электрического поля и/или давления рабочего газа в плазменной камере выше номинальных значений.

Вырабатывание электронов для ионизации рабочего газа и/или нейтрализации выходящего плазменного потока посредством пассивного, не нагретого и бомбардируемого ионами плазменного потока источника электронов применяется для большинства известных геометрических форм плазменной камеры, в частности кольцевой формы ускорителя Холла и формы кругового цилиндра плазменной камеры с центральной продольной осью. Наиболее предпочтительным является применение пассивного источника электронов в сочетании с конструкцией плазменной камеры с несколькими следующими друг за другом в продольном направлении плазменной камеры ступенями, каждая из которых имеет собственный электрод, имеющий промежуточный потенциал между ускоряющим электродом и анодом, а за счет сильных радиальных составляющих магнитного поля между следующими друг за другом электродами обеспечивает высокий коэффициент умножения электронов. За счет вырабатывания электронов в плазменной камере они обладают небольшой скоростью, что является предпочтительным для ударной ионизации рабочего газа.

Второй вариант осуществления изобретения предусматривает применение известного из ускорителя Холла расположения, в частности, активного источника электронов вне плазменной камеры в конструкции плазменной камеры, при котором плазменная камера имеет, в основном, осесимметричную форму и в отличие от ускорителя Холла не оставляет свободной кольцеобразную зону вокруг средней продольной оси, а содержит среднюю продольную ось. Устройство для создания магнитного поля содержит при этом, по меньшей мере, один первый, окружающий плазменную камеру, магнитный полюс между ускоряющим электродом и анодом и, по меньшей мере, один второй, удаленный в продольном направлении от первого, магнитный полюс в качестве ответного полюса. В противоположность этому у ускорителя Холла соответствующие магнитные полюса, создающие большую часть магнитного поля в плазменной камере, расположены, в основном, радиально против друг друга.

Внешний источник электронов, помимо электронов, введенных в плазменную камеру для ионизации рабочего газа, может также вырабатывать электроны, необходимые для нейтрализации выходящего плазменного потока. При этом целесообразно оптимально использовать опыт применения подобных внешних источников электронов в ускорителях Холла.

В отличие от известных плазменных ускорителей с конструкцией плазменной камеры, с продольной осью и с сопоставимыми устройствами для создания магнитного поля, в которую введен электронный луч на продольной оси, не требуется системы для создания пучка электронов, что упрощает компоновку в конструкции и уменьшает ее длину. В частности, плазменная камера может быть закрыта сзади со стороны анода.

Устройство для создания магнитного поля выполняется предпочтительно многоступенчатым с чередующимися в продольном направлении полюсами и преимущественно в комбинации с многоступенчатым в продольном направлении расположением электродов с различными потенциалами, по меньшей мере, с одним промежуточным электродом в продольном направлении плазменной камеры с промежуточным потенциалом между ускоряющим электродом и анодом. Промежуточные электроды расположены преимущественно в продольном направлении между следующими друг за другом противоположными магнитными полюсами.

Изобретение подробно поясняется ниже описанием предпочтительных примеров его выполнения со ссылкой на чертежи, на которых:

- Фиг.1 изображает продольный разрез плазменной камеры с пассивным источником электронов;

- Фиг.2 - продольный разрез плазменной камеры с внешним источником электронов.

Изображенная на фиг.1 в продольном разрезе конструкция плазменной камеры сильно упрощена. Плазменная камера 1 ограничена с боков непроводящими стенками 2. Плазменная камера может иметь известную форму, например выполнена осесимметричной вокруг первой средней продольной оси 3, проходящей через плазменную камеру, в основном, в форме кругового цилиндра или по типу ускорителя Холла кольцеобразной вокруг второй средней продольной оси 4, которая в этом случае не проходит через плазменную камеру. В последнем случае следует добавить второй продольный разрез зеркально-симметрично продольной оси 4. Ниже в основе дальнейшего пояснения фиг.1 лежит названная первой конструкция с центральной продольной осью 3.

Плазменная камера может быть снабжена фланцем 5 со стороны анода и фланцем 6 со стороны выхода для закрепления внутри большего устройства. Стенка 2 камеры может быть выполнена, например, из керамики.

В плазменной камере, простирающейся между анодом 7 и находящимся у выхода 8 плазменного потока 9 катодом 10 в качестве ускоряющего электрода для положительно заряженных ионов рабочего газа, например ксенона, друг за другом в продольном направлении 11 могут быть предусмотрены дополнительные промежуточные электроды Z1-Zn, в приведенном на фигуре примере - Z1, Z2. Промежуточные электроды Z1, Z2 имеют различные электрические промежуточные потенциалы между потенциалами анода 7 и катода 10. Подводы к отдельным электродам не показаны.

Вне плазменной камеры 1 и окружающей ее стенки 2 расположено магнитное устройство, которое преимущественно кольцеобразно окружает плазменную камеру 1.

Полярность следующих друг за другом в продольном направлении ступеней магнитного устройства чередуется от ступени к ступени. Магнитные полюса отдельных ступеней находятся предпочтительно в промежутках между следующими друг за другом в продольном направлении ступенями. За счет чередующейся полярности следующих друг за другом ступеней магнитного устройства в плазменной камере возникает особенно благоприятная структура магнитного поля с сильными радиальными составляющими в промежутках между следующими друг за другом электродами.

Плазменный поток образуется в виде пучка без резких границ вокруг продольной оси (или у кольцеобразной плазменной камеры вокруг ее центра) и имеет обычно к выходу 8 в продольном направлении легкое расхождение. Электрическое поле в плазменной камере ускоряет ионы рабочего газа в направлении выхода 8 плазменного потока. При этом образуются также ионы, которые в краевой зоне 12 плазменного потока удалены от центральной продольной оси настолько, что они попадают сбоку на электродные поверхности, в частности в зоне выхода 8 потока на катод 10. При этом за счет высокой кинетической энергии ионов из поверхности пассивного катода могут быть выбиты электроны. Указанные освобожденные из пассивного катода электроны могут быть ускорены в направлении анода за счет разностей приложенных потенциалов и могут двигаться в плазменной камере под влиянием действующих в ней электрических и магнитных полей и при этом за счет ударной ионизации рабочего газа, введенного в качестве нейтрального газа в зону анода, могут вырабатывать как положительно заряженные ионы, так и дополнительные электроны. Доля электронов, выбитых из катода в результате ионной бомбардировки, обозначена на фиг.1 поз. е1.

Кроме того, освобожденные из катода электроны под влиянием положительного пространственного заряда еще не нейтрализованного плазменного потока в качестве доли е2 могут перемещаться в направлении плазменного потока для его нейтрализации.

Катод 10 на всей своей поверхности или, по меньшей мере, на обращенной к бомбардирующим ионам части поверхности может содержать материал с низкой собственной распыляемостью, из которого при ионной бомбардировке не освобождаются его собственные атомы, и иметь для этого также специально подготовленную частичную поверхность или вставку 13.

Бомбардировка ионами с освобождением электронов может происходить также и на других участках, в частности на промежуточных электродах Z1, Z2, причем потери энергии плазменного потока из-за меньшей на данном участке кинетической энергии бомбардирующего иона оказываются ниже. Удар иона по катоду в качестве последнего электрода в продольном направлении плазменной камеры может вследствие более высокой энергии ионов выбивать больше электронов, которые на более длинном участке пути через плазменную камеру имеют существенно более высокий коэффициент умножения, в частности при многоступенчатой конструкции электродного и магнитного устройств.

Вместо самого ускоряющего электрода 10 или в дополнение к нему может быть предусмотрен также отдельный электрод для освобождения электронов за счет ионной бомбардировки. Далее, в случае недостаточного нейтрализующего действия за счет свободных электронов, выработанных посредством ионной бомбардировки, может быть предусмотрен дополнительный источник электронов в качестве нейтрализатора на выходе плазменной камеры. Представляется предпочтительным использовать упрощенную конструкцию без активного источника электронов и с вырабатыванием свободных электронов для ионизации и нейтрализации из пассивного электрода только за счет бомбардировки ионами из плазменного потока.

Запуск процесса ионизации рабочего газа может происходить при вводе рабочего газа в плазменную камеру при определенных условиях за счет спонтанного отделения носителей заряда или воздействия высокоэнергетического космического излучения с последующим умножением отделенных носителей заряда в плазменной камере. Для поддержания и/или обеспечения запуска процесса ионизации вначале при вводе рабочего газа за счет кратковременно более высокого давления рабочего газа и/или более высокого напряжения между двумя электродами можно также зажечь газовый разряд.

Согласно изображенному на фиг.2 варианту осуществления изобретения предлагается конструкция плазменной камеры, заключающей центральную продольную ось и известной из упомянутой публикации DE 19828704 А1. Согласно изображенной на фиг.2 формы выполнения электроны е1 для ионизации рабочего газа 16 и электроны е2 для нейтрализации выходящего плазменного потока выработаны во внешнем источнике 14 электронов, который, как у обычных ускорителей Холла, расположен в зоне выхода плазменного потока и может быть, в частности, нагрет и/или работать с газовым разрядом.

В то время как у ускорителей Холла плазменная камера выполнена кольцеобразной, и предусмотрено магнитное устройство с окруженным плазменной камерой первым внутренним магнитным полюсом 15 и окружающим плазменную камеру вторым внешним магнитным полюсом, у изображенного на фиг.2 устройства существенной является комбинация внешнего источника электронов с заключающей среднюю продольную ось формой плазменной камеры и с магнитным устройством, которое, как уже было описано со ссылкой на фиг.1, содержит расположенные на расстоянии друг от друга в продольном направлении, кольцеобразно окружающие плазменную камеру, чередующиеся в продольном направлении магнитные полюса. Такая комбинация признаков обеспечивает оптимальный режим для кольцевого потока и высокую эффективность устройства. Наиболее предпочтительным является многоступенчатая конструкция более чем с двумя положениями полюсов магнитного устройства в продольном направлении и с имеющими промежуточные потенциалы промежуточными электродами между внешним катодом 14 и анодом 7. Кроме того, предпочтительным является также позиционирование магнитных полюсов в продольном направлении в промежутках между следующими друг за другом в продольном направлении электродами в плазменной камере.

Указанные выше и в формуле изобретения, а также на чертежах признаки могут быть предпочтительно реализованы как по отдельности, так и в различных комбинациях. Изобретение не ограничено описанными примерами выполнения, а может быть дополнено вариантами осуществления в рамках материалов заявки.

1. Плазменный ускоритель для формирования ускоренного плазменного потока в продольном направлении, содержащий плазменную камеру, ограниченную с боков стенками и расположенную между анодом и расположенным на выходе плазменной камеры для плазменного потока ускоряющим электродом, и источник электронов, выполненный с возможностью подачи в плазменную камеру со стороны выхода плазменного потока электронов, на которую воздействуют формируемые в указанной плазменной камере для ионизации в ней рабочего газа электрическое и магнитное поля, причем источник электронов образован пассивной электродной поверхностью внутри плазменной камеры, которая нагружена частью плазменного потока и при бомбардировке ионами эмитирует электроны.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что пассивная электродная поверхность отстоит от средней продольной оси плазменной камеры.

3. Ускоритель по п.1 или 2, отличающийся тем, что пассивная электродная поверхность расположена на стенке камеры.

4. Ускоритель по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что пассивная электродная поверхность выполнена в форме кольцевой поверхности или кольцеобразно расположенных вокруг средней продольной оси отдельных поверхностей.

5. Ускоритель по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что источник электронов образован частью поверхности ускоряющего электрода, который эксплуатируется без нагрева и газового разряда.

6. Ускоритель по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что в продольном направлении между анодом и ускоряющим электродом расположен один или несколько промежуточных электродов, имеющих промежуточные электрические потенциалы, при этом многоступенчатое в продольном направлении магнитное устройство выполнено с возможностью формирования магнитного поля с концентрацией его радиальных составляющих между следующими друг за другом электродами.

7. Ускоритель по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что источник электронов выполнен из металла.

8. Ускоритель по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что источник электронов дополнительно вырабатывает электроны для нейтрализации выходящего плазменного потока.

9. Плазменный ускоритель для формирования направленного ускоренного плазменного потока, содержащий плазменную камеру между анодом и расположенным на выходе плазменного потока ускоряющим электродом, а также источник электронов, выполненный с возможностью подачи в плазменную камеру со стороны выхода плазменного потока электронов, на которые в плазменной камере для ионизации в ней рабочего газа воздействуют электрическое и магнитное поля, причем плазменная камера выполнена осесимметричной относительно продольной оси и содержит ее, а устройство для создания магнитного поля содержит в продольном направлении между ускоряющими электродами, по меньшей мере, один первый окружающий плазменную камеру магнитный полюс, ответный полюс которого отстоит в продольном направлении от первого магнитного полюса, причем источник электронов включает в себя электрод, расположенный со стороны выхода плазменного потока вне плазменной камеры.

10. Ускоритель по п.9, отличающийся тем, что устройство для создания магнитного поля содержит в продольном направлении более двух чередующихся полюсов.

11. Ускоритель по п.9 или 10, отличающийся тем, что между анодом и ускоряющим электродом предусмотрен один или несколько дополнительных электродов, имеющих электрические промежуточные потенциалы между потенциалами ускоряющего электрода и анода.

12. Ускоритель по одному из пп.9-11, отличающийся тем, что внешний источник электронов выполнен с возможностью формирования нейтрализующего тока дополнительно к выходящему из плазменной камеры не нейтральному плазменному потоку.

13. Ускоритель по одному из пп.9-12, отличающийся тем, что плазменная камера закрыта со стороны анода, так что со стороны анода, противоположной выходу плазменного потока в продольном направлении, отсутствует поток электронов в плазменную камеру.