плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов

Формула изобретения

1. ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, открытым в выходной части разрядной камеры и образованным внутренней и наружной коаксиальными стенками камеры, кольцеобразный анод-газораспределитель с каналами для подвода газа и каналами для подачи газа в ускорительный канал, образованными сквозными отверстиями в выходной стенке анода, расположенный в полости ускорительного канала на расстоянии от выходных торцов стенок разрядной камеры, превышающем ширину ускорительного канала, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, симметрично установленными у выходной части канала с внешней стороны камеры соответственно у наружной и внутренней стенок камеры и образующими рабочий межполюсный зазор в ускорительном канале, магнитопроводом с центральным сердечником и по меньшей мере одним внутренним и одним наружным источниками магнитодвижущей силы, установленными в магнитной цепи магнитопровода у соответствующих полюсов, и газоразрядный полый катод-компенсатор, установленный за срезом ускорительного канала, отличающийся тем, что магнитопровод дополнительно снабжен внутренним и наружным магнитными экранами, выполненными из магнитомягкого материала, первый из которых, охватывающий внутренний источник магнитодвижущей силы, установлен с продольным зазором относительно внутреннего полюса, а второй выполнен с торцевой частью, охватывающей по меньшей мере выходную часть разрядной камеры, и расположен между наружным источником магнитодвижущей силы и разрядной камерой с продольным зазором относительно наружного полюса, при этом величины продольных зазоров между полюсами и соответствующими им магнитными экранами выбраны не большими половины рабочего межполюсного зазора.

2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что радиальное расстояние от торца по меньшей мере одного из магнитных экранов до серединной поверхности ускорительного канала выбрано меньшим, чем радиальное расстояние от серединной поверхности до соответствующего полюса магнитной системы, при этом толщина выходного участка стенки разрядной камеры, расположенной напротив экрана, выбрана большей толщины остальных участков стенки камеры, причем выходные торцы стенок разрядной камеры расположены вдоль направления ускорения плазменного потока за пределами торцевых поверхностей магнитных полюсов.

3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что магнитные экраны установлены с зазором относительно магнитопровода и соединены между собой со стороны анода-газораспределителя по меньшей мере одной перемычкой из магнитомягкого материала.

4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что разрядная камера, анод и магнитная система выполнены симметричными относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых совпадает с осью симметрии разрядной камеры, при этом наружные полюс и магнитный экран выполнены с четырьмя сквозными прорезями, разделяющими их на четыре симметричные относительно указанных плоскостей части, причем наружные источники магнитодвижущей силы выполнены в виде четырех групп электромагнитных катушек намагничивания, каждая из которых установлена в магнитной цепи магнитопровода, соединенной с одной из частей наружного полюса.

5. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что выходные торцы разрядной камеры, полюсов и магнитных экранов расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных продольной оси симметрии разрядной камеры, при этом в центральном сердечнике магнитопровода и внутреннем полюсе образована полость, в которой установлен катод-компенсатор, выходной торец катода-компенсатора расположен относительно плоскости выходного торца разрядной камеры в направлении ускорения плазменного потока или против него на расстоянии не более 0,1 внешнего диаметра катода-компенсатора, причем внешняя поверхность катода-компенсатора со стороны плазменного потока покрыта слоем изолятора, стойкого к распылению ускоренными ионами рабочего тела.

6. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что разрядная камера закреплена на наружном полюсе магнитной системы с помощью держателя, соединенного с нею со стороны анода-газораспределителя вне зоны крепления к наружному полюсу, с зазором относительно остальных элементов магнитной системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при разработке ускорителей с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ), применяемых в качестве электроракетных двигателей (ЭРД) или при ионно-плазменной обработке материалов в вакууме для решения различных технологических задач.

Известны плазменные УЗДЭ, содержащие разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, расположенный в ускорительном канале анод, магнитную систему и катод [1]. Эти УЗДЭ достаточно эффективны для ионизации и ускорения различных веществ и систематически используются в качестве ЭРД и технологических источников ускоренных потоков ионов.

Однако они обладают относительно невысокой эффективностью и недостаточным для решения ряда задач ресурсом.

Наиболее близким к предложенному является УЗДЭ, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, открытым в выходной части разрядной камеры и образованным внутренней и наружной ее стенками с замкнутыми цилиндрическими эквидистантными участками рабочих поверхностей, кольцеобразный анод-распределитель, выполненный с каналами для подвода к нему газа и подачи газа из него в ускорительный канал в виде системы сквозных отверстий на выходной его поверхности и расположенный внутри ускорительного канала на расстоянии от выходных торцов упомянутых стенок разрядной камеры, превышающем ширину ускорительного канала, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, установленными у выходной части стенок разрядной камеры соответственно снаружи наружной ее стенки и внутри внутренней стенки и формирующими рабочий зазор, магнитопроводом с центральным сердечником и по крайней мере с одним наружным и одним внутренним источниками магнитодвижущей силы (МДС), установленными в цепи магнитопровода у соответствующих полюсов, и газоразрядный полый катод, установленный за пределами ускорительного канала. Этот УЗДЭ обладает отмеченными выше недостатками.

Целью изобретения является повышение эффективности и ресурса УЗДЭ, уменьшение доли примесей в струе.

Цель достигается за счет создания в ускорительном канале рациональной структуры магнитного поля и, в конечном счете, за счет совершенствования конструкции УЗДЭ. В плазменном УЗДЭ, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, открытым в выходной части разрядной камеры и образованным внутренней и наружной стенками разрядной камеры с замкнутыми цилиндрическими эквидистантными участками рабочих поверхностей, кольцеобразный анод-газораспределитель с каналами для подвода газа в него и подачи газа из него в ускорительный канал в виде системы сквозных отверстий на выходной его поверхности, расположенный внутри ускорительного канала на расстоянии от выходных торцов упомянутых стенок разрядной камеры, превышающем ширину ускорительного канала, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, установленными у выходной части стенок разрядной камеры соответственно снаружи наружной ее стенки и внутри внутренней стенки и формирующими рабочий зазор, магнитопроводом с центральным сердечником и по крайней мере с одним наружным и одним внутренним источниками МДС, установленными в цепи магнитопровода у соответствующих полюсов, и газоразрядный полый катод, установленный за пределами ускорительного канала, магнитопровод выполнен с дополнительными внутренним и наружным магнитопроводящими экранами из магнитомягкого материала, первый из которых охватывает внутренний источник МДС и установлен с продольным зазором относительно внутреннего полюса, а второй выполнен с цилиндрической торцовой частью, расположенной между наружным источником МДС и разрядной камерой и охватывающей, по крайней мере, ее выходную часть, установленной с продольным зазором относительно наружного полюса, при этом величины зазоров между полюсами и соответствующими им магнитными экранами не превышают половины рабочего зазора между полюсами.

УЗДЭ предпочтительно выполнять таким образом, чтобы расстояние от выходного торца по меньшей мере одного из магнитных экранов до серединной поверхности ускорительного канала было меньше расстояния от этой поверхности до соответствующего полюса магнитной системы, при этом выходной торец соответствующей стенки разрядной камеры выполняется с увеличенной толщиной, выходные торцы стенок разрядной камеры расположены за плоскостями (по направлению движения потока), касающимися выходных поверхностей соответствующих полюсов.

Магнитные экраны в ускорителе могут быть установлены с зазором относительно магнитопровода и соединены между собой по меньшей мере одной перемычкой из магнитомягкого материала.

Возможен вариант выполнения УЗДЭ с разрядной камерой, анодом и магнитной системой, симметричными относительно двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостей, при этом наружные полюс и магнитный экран выполняются с симметричными относительно указанных плоскостей сквозными прорезями, разделяющими их на четыре симметричные относительно упомянутых плоскостей части, наружные источники МДС выполняются в виде четырех групп катушек намагничивания, каждая из которых установлена в цепи магнитопровода, соединенной лишь с одной частью наружного полюса.

УЗДЭ предпочтительно выполнить так, чтобы выходные торцы разрядной камеры, полюсов и магнитных экранов были расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных направлению ускорения, центральный сердечник магнитопровода и внутренний полюс выполнить с полостью, при этом катод располагается в указанной полости, а его выходной торец располагается относительно плоскости торца разрядной камеры на расстоянии не более 0,1 d_к, где d_к - диаметр катода.

УЗДЭ предпочтительно выполнить таким образом, чтобы разрядная камера была закреплена на наружном полюсе магнитной системы с помощью держателя, соединенного с нею в передней ее части и размещенного между наружным магнитным экраном и разрядной камерой с зазором, за исключением места их соединения.

На фиг. 1 представлен УЗДЭ в разрезе; на фиг.2 - УЗДЭ с магнитными экранами, установленными с зазором относительно магнитопровода, в разрезе; на фиг. 3 - УЗДЭ с магнитными полюсами и экранами, разрезанными на четыре части, снабженный четырьмя системами катушек намагничивания, вид сзади; на фиг.4 - тот же УЗДЭ, но с плоскопараллельными участками ускорительного канала, вид сзади.

Предложенный плазменный УЗДЭ (фиг.1) состоит из анода-газораспределителя 1, катода 2, разрядной камеры 3 с выходными торцами, внутреннего магнитного экрана 4, наружного магнитного экрана 5, наружного плюса 6, который может быть выполнен из отдельных частей (фиг.3 и 4), и внутреннего полюса 7 магнитной системы, магнитопровода 8, внутреннего источника МДС - электромагнитной катушки 9 и наружного источника МДС - электромагнитной катушки 10, которых может быть несколько (фиг.3 и 4), центрального сердечника 12 магнитной системы, тепловых экранов 13, трубки 14 с каналом для подвода газа к аноду-газораспределителю, который выполнен с газораспределительными полостями 15 и сквозными отверстиями 16 для подачи газа из этих полостей, и держателя 17. Наружные полюс и магнитный экран могут быть выполнены с прорезями (на фиг.3 и 4). Если магнитные экраны расположены с зазором относительно магнитопровода, то они соединяются между собой перемычками 19 из магнитомягкого материала. Центральный сердечник может быть выполнен с полостью 20. Разрядная камера может быть выполнена с плоскопараллельными участками 21 (фиг. 4). На участках показаны также плоскости симметрии I, II УЗДЭ (фиг. 3 и 4) и образующая III (фиг.1) конуса, касающегося внутренней кромки торца наружной стенки разрядной камеры 3.

Разрядная камера 3 выполняется, как правило, из теплостойкого керамического материала с кольцеобразным ускорительным каналом, сформированным ее стенками. Анод-газораспределитель 1, держатель 17 и тепловые экраны 13 изготовляются из теплостойкого металлического немагнитного материала, например из нержавеющей стали. Для изготовления электромагнитных катушек 10 намагничивания используется высокотемпературный провод. Магнитопровод 8, центральный сердечник 12, сердечники катушек 9 и 10 выполняются из магнитомягкого материала.

Катод 2 может иметь как боковое расположение, так и центральное (фиг. 1). При центральном расположении он размещается в полости 20 центрального сердечника. Магнитные экраны 4 и 5 совместно с магнитопроводом 8 или перемычками 19 охватывают, по крайней мере, выходную часть стенок разрядной камеры 3.

Для эффективной работы УЗДЭ необходимо, чтобы продольные зазоры между экранами и полюсами ₁ и ₂ не превышали половины расстояния между полюсами. Предпочтительно такое выполнение магнитной системы, при котором, по крайней мере, внутренний полюс удален от серединной поверхности ускорительного канала на расстояние ₄ , превышающее расстояние ₃ от соответствующего экрана до упомянутой серединной поверхности, а выходные торцы стенок разрядной камеры имеют увеличенную толщину ₁ и ₂ (фиг.1). При этом выходные торцы стенок разрядной камеры выдвинуты на расстояния ₅ и ₆ относительно плоскостей, касающихся выходных поверхностей полюсов магнитной системы.

Держатель 17 разрядной камеры 3 соединяется с ней лишь в ее передней части и устанавливается на наружном полюсе 6, анод 1 фиксируется в разрядной камере, а катод - на элементах магнитной системы. Таким образом, магнитная система служит силовым каркасом УЗДЭ, на котором крепятся все остальные элементы конструкции. Держатель 17 контактирует с разрядной камерой и магнитной системой лишь в местах их соединения, т.е. он представляет собой тепловое сопротивление. Тепловые экраны 13 охватывают разрядную камеру и экранируют магнитную систему от тепловых потоков со стороны разрядной камеры.

В случае центрального расположения катода 2 его торец располагается вблизи плоскости, касающейся торцовой поверхности стенки за разрядной камерой (фиг. 2), а именно расстояние ₇ (фиг.1 и 2) от выходного торца катода до упомянутой плоскости в направлении ускорения или против него не должно превышать 0,1 d_к, где d_к - диаметр катода. При боковом расположении катода 2 он размещается вне зоны интенсивного воздействия ускоренного потока ионов. Для этого обычно достаточно его разместить вне условного конуса с полууглом раскрытия 45^о, поверхность которого с образующей III (фиг.1) касается внутренней кромки торца наружной стенки разрядной камеры, а вершина находится внутри объема УЗДЭ.

При выполнении УЗДЭ симметричным относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей I и II (фиг.3 и 4) наружные полюс и экран должны состоять из частей 6, симметричных относительно плоскостей I и II. При этом наружные источники МДС должны быть выполнены в виде четырех групп электромагнитных катушек 10 намагничивания (фиг.3 и 4), каждая из которых включена в цепь магнитопровода, соединенную с одной из частей наружного полюса. Приведенные условия необходимо сохранить и в том случае, когда разрядная камера 3 выполнена с плоскопараллельными участками 21 (фиг.4). При этом УЗДЭ выполняется с удлиненными частями 6 полюсов и большим числом катушек 10. Центральный сердечник при этом может быть выполнен с несколькими полостями 20, в каждой из которых может быть установлен катод 2 (фиг.4). Несколько катодов может быть установлено и при их боковом расположении.

УЗДЭ работает следующим образом.

Источники МДС-катушки 9 и 10 - создают в выходной части ускорительного канала преимущественно радиальное (поперечное к направлению ускорения) магнитное поле с индукцией . Электрическое поле с напряженностью вдоль направления ускорения создается подачей напряжения между анодом-газораспределителем 1 и катодом 2. Рабочий газ подается через трубку 14 в газораспределительные полости 15 внутри анода, выравнивающие распределение газа по азимуту (вдоль кольца-анода), и через отверстия 16 поступает в ускорительный канал. Для запуска УЗДЭ в полом катоде 2 зажигается поджигающий разряд и электроны получают возможность под действием электрического поля попадать в ускорительный канал. Наличие поперечного к электрическому магнитного поля вызывает электрический дрейф электронов, и усредненное движение их сводится к перемещению по азимуту (перпендикулярно и ) со скоростью дрейфа = ( )/B². Расстояние дрейфующих электронов на атомах, ионах и стенках канала приводит к постепенному их смещению (диффузии) к аноду. Это перемещение сопровождается получением ими энергии от электрического поля. В то же время при неупругих столкновениях электронов с атомами, ионами и стенками они теряют часть энергии. Баланс приобретения энергии и ее потерь определяет средние значения энергии электронов, которые при достаточно больших напряжениях U_p между катодом и анодом и соответственно напряженности оказываются достаточными для эффективной ионизации газа. Образующиеся ионы ускоряются электрическим полем и приобретают скорости v, соответствующие пройденной ими от места рождения до областей плазмы за срезом ускорительного канала разности потенциалов , т.е. V , где q и М - заряд и масса иона. Ускоренный ионный поток на выходе из ускорителя захватывает с собой необходимое для компенсации объемного заряда пучка количество электронов и, истекая из УЗДЭ, создает реактивную тягу. Особенностью УЗДЭ является то, что ускорение ионов в нем осуществляется электрическим полем в квазинейтральной среде. Поэтому получаемые плоскости ионного тока j ( 1^. 10² мА/см² и более) значительно превышают плотности тока в электростатических (ионных) ускорителях при сопоставимых напряжениях ( 100-500 В).

Для получения высокой эффективности УЗДЭ в ускорительном канале необходимо создать определенную топографию магнитного поля. В частности, теоретический анализ показывает, что для обеспечения устойчивости ускоряемого потока необходимо создать в канале область с нарастающим в направлении ускорения магнитным полем. Кроме того, конфигурация силовых линий магнитного поля, определяющая в первом приближении конфигурацию эквипотенциалей электрического поля, должна быть "фокусирующей".

Как показали эксперименты, эти условия можно обеспечить, если магнитопровод магнитной системы выполнить с дополнительными внутренним и наружным магнитными экранами из магнитомягкого материала, первый из которых охватывает внутренний источник МДС и установлен с продольным зазором относительно внутреннего полюса, а второй выполнен с торцовой частью, расположенной внутри наружного источника МДС, охватывающей, по крайней мере, выходную часть ускорительного канала и установленной с продольным зазором относительно наружного полюса. Такая магнитная система обладает значительно более широкими возможностями управления топографией магнитного поля в ускорительном канале по сравнению с использовавшимися ранее магнитными системами за счет того, что экранирование большей части ускорительного канала позволяет резко снизить напряженность магнитного поля в нем. Как показали эксперименты, она позволяет получать необходимые магнитные поля при увеличенных межполюсных зазорах (фиг.1), если величина зазоров ₁ и ₂ между торцами магнитных экранов 4 и 5 и соответствующими им полюсами не превышает . При увеличении этих зазоров выше начинается постепенное снижение тяговой эффективности УЗДЭ. Наилучшие результаты получаются при минимальном расстоянии между торцовыми частями экранов, т.е. при максимальном их приближении к разрядной камере, достижимом, исходя из конструктивных соображений. Минимальная величина зазоров ₁ и ₂ зависит от размеров полюсов и от соотношения расстояний торцовых частей экранов и соответствующих им полюсов до серединной поверхности канала ( ₃ и ₄на фиг.1). При большем удалении полюсов от серединной поверхности допустимы меньшие продольные зазоры между экранами и полюсами. При выбранных размерах полюсов и экранов расстояния должны выбираться такими, чтобы не происходило магнитного насыщения материала экранов. Проверить это можно расчетным или экспериментальным путем.

Реализация оптимальной структуры магнитного поля позволяет улучшить фокусировку потока и снизить общую интенсивность взаимодействия ускоряемого потока плазмы со стенками разрядной камеры и тем самым повысить тяговую эффективность, снизить износ и соответственно увеличить ресурс ускорителя и уменьшить поток распыленных со стенок частиц (примесей) в струе. Возможность получения высокой эффективности УЗДЭ при увеличенном межполюсным зазоре позволяет увеличить выходные кромки стенок разрядной камеры ( ₁ и ₂ на фиг.1), т.е. увеличить запас материала стенок на износ и дополнительно повысить ресурс УЗДЭ. Это свойство магнитных систем с экранами позволяет выдвинуть выходные торцы разрядной камеры за плоскость расположения полюсов (на расстояния ₅ и ₆ на фиг.1) и защитить полюса магнитной системы от распыления периферийными потоками ионов. Наличие поперечных и обратных потоков ионов незначительной величины является важной особенностью работы УЗДЭ.

Эффективность УЗДЭ может быть повышена, если его схема и конфигурация позволяют осуществлять поперечное отклонение ускоряемого потока плазмы. Возможны различные схемы реализации такого отклонения. В предложенном варианте разделение наружных полюса и магнитного экрана позволяет осуществить отклонение потока практически без изменения остальных элементов конструкции. Отклонение потока достигается за счет того, что в различных секторах по азимуту удается создать различную конфигурацию силовых линий магнитного поля. Так, если в одной группе катушек 10 (фиг.4) увеличить токи намагничивания по отношению к номинальным значениям, а в другой группе катушек 10 уменьшить их, то создается конфигурация магнитного поля, при которой ионный поток в верхней части канала (на фиг.4) больше отклонен к плоскости II, а в нижней части канала он отклонен от плоскости II. В результате этого вектор тяги УЗДЭ отклоняется сверху вниз (на фиг.4) от своего номинального положения. Эксперименты показали, что возможно отклонение вектора тяги на 1-1,5^о без существенного снижения тяговой эффективности и ресурса УЗДЭ предложенной схемы. Такое отклонение может быть использовано для юстировки вектора и во многих случаях позволяет существенно повысить эффективность использования УЗДЭ.

Типичным является выполнение УЗДЭ с плоскими торцами разрядной камеры и плоскими полюсами. При этом выполнение центрального сердечника с полостью 20 и размещение в нем катода позволяют повысить азимутальную (в направлении дрейфа электронов) равномерность горения разряда и повысить, хотя и незначительно (на несколько процентов), тяговую эффективность УЗДЭ. При этом целесообразно размещение выходного торца катода вблизи плоскости, касающейся плоскости торца внутренней стенки разрядной камеры, из-за того, что при выдвижении катода из полости на расстояние, превышающее 0,1 d_к, происходит интенсивный износ наружных элементов катода ускоренными ионами основной струи, а при установке его в полости на глубине, превышающей 0,1 d_к, приводит к резкому возрастанию напряжения зажигания разряда в УЗДЭ. Поэтому оптимальным является описанное выше расположение катода.

Закрепление разрядной камеры с помощью специального держателя к наружному полюсу магнитной системы улучшает тепловую схему УЗДЭ. Действительно основное выделение тепла имеет место в разрядной камере. Поэтому введение теплового сопротивления, а также экранов между нею и магнитной системой снижает тепловой поток от первой к второй, улучшает условия теплосброса с магнитной системы за счет использования большой поверхности наружного полюса, снижает уровень температур за счет прямого отвода тепла непосредственно к теплосбрасывающему элементу. Все это позволяет снизить энергетические потери в магнитной системе и повысить ее ресурс.

Таким образом, в целом изобретение позволяет повысить эффективность и ресурс УЗДЭ, уменьшить долю примесей в струе из-за распыления элементов его конструкции. На основе изобретения в настоящее время созданы опытные и летные образцы УЗДЭ с тяговой эффективностью _т= 0,4-0,7 при скоростях истечения v = (1-3) ^.10⁴ м/с, обладающие ресурсом 3000-4000 ч и более, подтвержденным испытаниями.