Ионный ускоритель

Изобретение относится к устройствам генерирования и ускорения плазмы, в частности для двигателей космических летательных аппаратов. Предлагаемый ускоритель содержит ионизирующую камеру, магнитную систему, электродную систему и средства для ввода нейтрального рабочего газа в камеру. Электродная система создает в камере электростатическое ускоряющее поле для положительно заряженных ионов, направленное преимущественно в продольном направлении. Магнитная система создает в камере магнитное поле так наз. остроконечной структуры. Эта структура характеризуется тем, что имеется в продольном направлении по меньшей мере один участок первого рода с магнитным полем, направленным преимущественно перпендикулярно этому продольному направлению. С обеих сторон указанного участка первого рода имеется по одному участку второго рода с магнитным полем, направленным преимущественно параллельно указанному продольному направлению. Камера имеет в продольном направлении выходное отверстие для ионов и ограничена с боков огибающей стенкой. Поперечное сечение камеры, перпендикулярное указанному продольному направлению, является односвязным и в первом направлении (у) по меньшей мере в два раза больше, чем в перпендикулярном ему втором направлении (z). Технический результат изобретения состоит в создании ионного ускорителя на более гибких конструктивных принципах. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к ионному ускорителю.

Ионные ускорители используются, например, для обработки поверхностей, в частности, в технологии полупроводников, или в качестве привода для космических летательных аппаратов. Для приводных целей ионы получают обычно из нейтрального рабочего газа, в частности, из благородного газа, и ускоряют. Для получения и ускорения ионов зарекомендовали себя, в частности, два конструктивных принципа.

У решетчатых ускорителей из плазмы посредством решетчатого устройства, у которого первая, граничащая с плазменной камерой решетка присоединена к потенциалу анода, а смещенная в направлении выхода пучка вторая решетка - к более отрицательному потенциалу катода, извлекают положительно заряженные ионы, которые электростатически ускоряют между обеими решетками. Подобное устройство известно, например, из US 3613370. За счет эффектов пространственного заряда плотность ионного тока такого ускорителя ограничена низкими значениями.

Другая конструктивная форма предусматривает плазменную камеру, которая, во-первых, пронизана электрическим полем для ускорения положительно заряженных ионов в направлении отверстия для выхода пучка, а, во-вторых, - магнитным полем для ведения электронов, служащих для ионизации нейтрального рабочего газа. С давних пор распространены, в частности, ускорители с кольцеобразной плазменной камерой, в которой магнитное поле проходит преимущественно радиально, а электроны под влиянием электрических и магнитных полей движутся по замкнутым траекториям дрейфа. Подобный ускоритель известен, например, из US 5847493.

Теоретически и практически значительно отличающееся от этого выполнение импульсного плазменного ускорителя, известное, например, из DE 1539264, предусматривает на противоположных сторонах плоского плазменного канала электродные шины, между которыми за счет импульсного разряда в находящемся в канале рабочем газе поперек продольного направления канала протекает ток и возникает плазма. Петля с электродными шинами и ток через плазменную камеру приводят за счет магнитного вытеснения к импульсному выталкиванию ионизированного газа.

У ионного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, имеющего электрическое и магнитное поля в ионизирующей камере, магнитное поле имеет особую структуру: оно направлено преимущественно параллельно продольной оси камеры на участках (отрезках длины) второго рода и преимущественно радиально на участках (отрезках длины) первого рода. Такое поле обычно называют магнитным полем с остроконечной структурой. Предлагаемое устройство выполнено преимущественно многоступенчатым - с попеременно чередующимися участками (отрезками длины) первого и второго родов. Подобные ионные ускорители известны, например, из DE 10014033 А1, DE 10130464 А1 или DE 19828704 А1.

В основе настоящего изобретения лежит задача создания ионного ускорителя на более гибких конструктивных принципах.

Изобретение охарактеризовано в п.1 формулы. Зависимые пункты содержат предпочтительные варианты осуществления и модификации изобретения.

В основу изобретения положена известная из DE 10014033 А1 структура магнитного поля. Ионизирующая камера имеет в проходящей поперек продольного направления плоскости односвязное сечение, т.е. выполнена без средней части, ограничивающей камеру у кольцеобразных ионизирующих камер радиально к середине.

Сознательное отклонение от кругообразного сечения камеры и увеличение сечения камеры в одном поперечном направлении относительно размера камеры во втором поперечном направлении, преимущественно, по меньшей мере, на коэффициент 2, обеспечивает в значительной степени произвольное, при необходимости, масштабирование отдаваемого ионного тока при сохранении других параметров устройства. Устройство имеет, в частности, также предпочтительную плотность плазмы в расчете на площадь сечения.

Изобретение подробно поясняется ниже на предпочтительном примере его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:

- фиг.1: основную форму ионизирующей камеры;

- фиг.2: разрез в плоскости z-x;

- фиг.3: частичный разрез в плоскости х-у;

- фиг.4: разрез в плоскости y-z.

На фиг.1 в перспективе при виде спереди в выходное отверстие АО для ионов схематично изображена основная форма ионизирующей камеры IK ионного ускорителя, согласно изобретению, которая для простоты выполнена здесь приблизительно в форме прямоугольного параллелепипеда шириной KB в направлении у, высотой КН в направлении z и длиной KL в направлении х. Координатные оси системы координат проложены в направлении главных осей ионизирующей камеры. Начало координат пусть расположено на основании ионизирующей камеры у анодного электрода в продолжении средней продольной оси устройства, которая пусть совпадает в изображенном примере с осью х. Направление х обозначено так же как продольное направление, а направления у и z обозначены как поперечные направления. Ионизирующая камера выполнена преимущественно зеркально - симметричной как к плоскости x-z, так и к плоскости х-у.

Ограничивающие камеру в направлении у краевые участки RB имеют по сравнению с формой чисто прямоугольного параллелепипеда преимущественно скругленную форму поверхности стенки, ограничивающей ионизирующую камеру. В средней в направлении у части MI высота КН камеры IK, в основном, постоянная. Для упрощения пояснения ионизирующая камера считается ниже, в основном, цилиндрической, т.е. с постоянной в направлении х площадью сечения, причем изобретение не ограничено этим. На фиг.1 для наглядности не показаны электродная система, магнитная система, а также направление электрических и магнитных полей.

Из разреза на фиг.2 в плоскости x-z системы координат на фиг.1 хорошо видно, в частности, типичное прохождение известного, положенного в основу магнитного поля в ионизирующей камере. Это магнитное поле MF характеризуется тем, что в продольном направлении х устройства отрезки МА1 длины первого рода и отрезки МА2 длины второго рода следуют друг за другом, причем на отрезках МА1 длины первого рода магнитное поле проходит преимущественно параллельно плоскости y-z, т.е. перпендикулярно продольному направлению, а на отрезках МА2 длины второго рода - преимущественно параллельно продольному направлению х. На отрезках длины первого рода в продольном направлении происходит реверсирование направления продольной составляющей магнитного поля. Структура магнитного поля отрезке МА1 длины первого рода называется остроконечной структурой. Отрезки длины первого и второго родов могут непосредственно примыкать друг к другу или, как на чертеже, могут быть удалены друг от друга в продольном направлении посредством промежуточных отрезков. Линии магнитного поля продолжаются от отрезков длины первого рода непрерывно, при необходимости через лежащие между ними промежуточные отрезки, в отрезок МА1 длины первого рода. Магнитное устройство или магнитное поле выполнено предпочтительно многоступенчатым таким образом, что магнитное поле в ионизирующей камере в продольном направлении имеет попеременно несколько отрезков длины первого рода и несколько отрезков длины второго рода с описанными характерными прохождениями поля. Магнитное поле MF может вырабатываться известным сам по себе образом катушками и/или постоянными магнитами РМ.

Электродное устройство может содержать известным сам по себе образом катод КА, расположенный у выходного отверстия АО для ионов ионизирующей камеры IK, и анод ЕА, расположенный в направлении х напротив выходного отверстия для ионов. Предпочтительным образом, в частности у предпочтительного многоступенчатого выполнения магнитной системы, на стенке WA ионизирующей камеры могут быть предусмотрены еще промежуточные электроды EZ1, EZ2, EZ3, которые, в частности, могут быть присоединены к неподвижным или скользящим промежуточным потенциалам между потенциалами анода и катода. Анод ЕА может быть расположен, как показано, на обращенном от выходного отверстия АО для ионов дне ионизирующей камеры. Катод КА на фиг.2 известным сам по себе образом расположен в продольном направлении у выходного отверстия для ионов со смещением в сторону относительно него. В частности, катод может служить источником электронов для направляемых в ионизирующую камеру первичных электронов с целью ионизации рабочего газа и/или для электронов, вводимых в выходящий ионный пучок РВ с целью электрической нейтрализации. Нейтральный рабочий газ AG направляют в ионизирующую камеру преимущественно в зоне анода ЕА.

В другом предпочтительном варианте катод может быть выполнен в виде электрода, не излучающего электроны и, тем самым, не служащего в качестве нейтрализатора и/или источника первичных электронов для газовой ионизации. Катод может быть при этом реализован оптимальным образом частью корпуса, окружающей выходное отверстие ионизирующей камеры и присоединенной к потенциалу катода.

Под воздействием схематично обозначенного на фиг.2 прерывистыми линиями электростатического поля EF электродного устройства электроны ускоряются в сторону анода, а положительно заряженные ионы газа - в сторону выходного отверстия, причем электроны под воздействием магнитного поля, в частности на отрезках МА1 длины первого рода магнитного поля образуют кольцеобразно замкнутые дрейфовые токи DS вокруг продольного направления (фиг.4). На фиг.3 изображен фрагмент разреза в плоскости х-у на фиг.1 с типичным прохождением магнитного поля в этой зоне. На фиг.4 изображен разрез в параллельной плоскости у-z плоскости в зоне отрезка МА1 длины с типичным прохождением магнитного поля и кольцеобразно замкнутым дрейфовым током DS. Направление вращения дрейфовых токов зависит от радиального направления магнитного поля на отрезках МА1 длины первого рода и чередуется соответственно между следующими друг за другом в продольном направлении отрезками МА1 длины первого рода. На фиг.4 магнитная система РМ дополнительно изображена окружающей камеру с внешней стороны и может быть образована катушками или преимущественно постоянными магнитами. Электродная система и/или магнитная система по своей геометрии предпочтительно согласованы с вытянутой формой сечения ионизирующей камеры.

Содержащиеся в описании, формуле изобретения и на чертежах признаки могут быть реализованы как по отдельности, так и в различных комбинациях. Изобретение не ограничено описанными примерами его осуществления, может быть видоизменено различным образом в рамках специальных знаний.

1. Ионный ускоритель, содержащий ионизирующую камеру, магнитную систему, электродную систему и средства для ввода нейтрального рабочего газа в ионизирующую камеру, причем электродная система создает в ионизирующей камере электростатическое ускоряющее поле для положительно заряженных ионов, направленное преимущественно в продольном направлении, магнитная система создает в ионизирующей камере магнитное поле так, что в указанной камере имеется в продольном направлении по меньшей мере один участок первого рода с магнитным полем, направленным преимущественно перпендикулярно указанному продольному направлению, и смежно расположенные с обеих сторон указанного участка первого рода по одному участку второго рода с магнитным полем, направленным преимущественно параллельно указанному продольному направлению, при этом ионизирующая камера имеет в продольном направлении выходное отверстие для ионов, ограничена с боков огибающей стенкой и имеет односвязное поперечное сечение, перпендикулярное продольному направлению камеры, которое в первом направлении (у) по меньшей мере в два раза больше, чем в перпендикулярном ему втором направлении (z).

2. Ускоритель по п.1, в котором в средней части (MI) относительно первого направления (у) магнитное поле (MF), электростатическое поле (EF) и размер (КН) сечения камеры во втором направлении (z) приблизительно постоянны.

3. Ускоритель по п.1 или 2, в котором ионизирующая камера выполнена зеркально-симметричной по отношению к двум перпендикулярным плоскостям (х-у, x-z).

4. Ускоритель по п.1, в котором катод (КА), используемый в качестве источника электронов, расположен в зоне выходного отверстия (АО) для ионов, сбоку и на расстоянии от него.

5. Ускоритель по п.1, в котором катод не использован в качестве источника, излучающего электроны для нейтрализации ионов и/или первичные электроны для создания ионного пучка.