СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ
ELECTROSTATIC ION ACCELERATOR SYSTEM

Изобретение относится к системе электростатического ионного ускорителя.
Системы электростатического ионного ускорителя предпочтительно предназначены для использования в качестве приводных устройств в космических аппаратах. В известном из WO 2003/000550 A1 предпочтительном варианте выполнения предусмотрена конструкция с ионизационной камерой, имеющей форму кругового цилиндра, средняя продольная ось которой определяет продольное направление геометрии камеры. В другом варианте выполнения ионных ускорителей, выполненных в виде так называемых ускорителей Холла, камера выполнена кольцеобразной вокруг центральной внутренней части. Ионизационная камера имеет в продольном направлении на одной стороне отверстие для выхода струи, через которое выталкивается плазменная струя в продольном направлении. Катод расположен снаружи ионизационной камеры с боковым смещением относительно отверстия для выхода струи. Анод расположен в продольном направлении противоположно отверстию для выхода струи у основания ионизационной камеры. Высокое напряжение между анодом и катодом создает в ионизационной камере ориентированное в продольном направлении электростатическое поле, которое ускоряет ионы ионизированного в камере рабочего газа в направлении отверстия для выхода струи, а электроны - в направлении анода. Пронизывающее камеру магнитное поле обеспечивает длительное время нахождения электронов в камере, пока они не попадут на анод. Остаточная энергия электронов при попадании на анод и ток через анод приводят к возникновению тепла потерь в аноде, так что анод нагревается, за счет чего при известных условиях приводная мощность ограничивается и/или необходимо сложное и возможно склонное к неисправностям охлаждение за счет отвода тепла твердых тел и/или охлаждение текучей средой.
В основу изобретения положена задача создания системы электростатического ионного ускорителя, который при простой конструкции справляется с высоким теплом потерь на аноде.
Изобретение раскрывается в независимом пункте формулы изобретения. Зависимые пункты содержат предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения.
За счет отдачи тепла потерь, возникающего в аноде, по меньшей мере, при работе с полной нагрузкой, изначально за счет энергии сталкивающихся с анодом электронов, представленного большей частью (более 50%) в виде теплового излучения в направлении ионизационной камеры, то есть в обращенное к отверстию для выхода струи половинное пространство перед анодной системой, обеспечивается простая конструкция анодной системы, в которой доля возникающей в аноде энергии тепла потерь, отводимая, в частности, через металлические и неметаллические конструктивные элементы за счет теплопроводности твердых тел, при максимальной мощности системы ионного ускорителя составляет меньше 50% всей возникающей в аноде мощности тепловых потерь. Другую, хотя и меньшую долю отводимого от анода тепла потерь предпочтительно обеспечивает подача холодного нейтрального рабочего газа с обтеканием анодной системы, при этом рабочий газ принимает тепло от анодной системы и переносит в ионизационную камеру. При этом посредством увеличения газового потока более высокая мощность тепла потерь коррелирует с более сильным охлаждением потоком. Однако основная доля возникающей в аноде энергии тепла потерь излучается в виде теплового излучения в направлении ионизационной камеры.
Поверхность анодной системы, обращенная к ионизационной камере, предпочтительно достигает в рабочей точке системы ионного ускорителя с максимальной возникающей энергией тепла потерь температуры, составляющей по меньшей мере 500°C. При этом предпочтительно используется, что отдаваемая телом в виде теплового излучения мощность повышается непропорционально высоко (с четвертой степенью) относительно температуры.
Поверхность анодной системы, обращенная к ионизационной камере, предпочтительно направлена по существу перпендикулярно продольной оси ионизационной камеры, так что доля излучения, обращенная в направлении нормалей к поверхности, проходит в направлении отверстия для выхода струи, и тепло, излучаемое в этом направлении, отдается непосредственно в окружающее свободное пространство.
За счет расположения устройства отражения теплового излучения на противоположной ионизационной камере стороне обращенного к ионизационной камере анодного электрода тепловое излучение сильнее направляется в ионизационную камеру и к отверстию для выхода струи. Отражательное устройство может содержать в первом варианте выполнения отражательное покрытие противоположной ионизационной камере поверхности задней стороны анодного электрода. При этом излучательная способность поверхности передней стороны, обращенной к ионизационной камере в направлении отверстия для выхода струи, больше, в частности, по меньшей мере, в два раза больше излучательной способности снабженной покрытием поверхности задней стенки анодного электрода, относительно спектрального максимума теплового излучения, излучаемого поверхностью передней стороны.
Предпочтительно, отражательное устройство содержит, по меньшей мере, одну отражательную поверхность, находящуюся в продольном направлении на расстоянии от анодного электрода и расположенную на противоположной ионизационной камере стороне анодного электрода, которая выполнена с возможностью отражения теплового излучения. При этом излучательная способность обращенной к ионизационной камере поверхности передней стороны анодного электрода больше, в частности, по меньшей мере, в два раза излучательной способности обращенной к анодному электроду отражательной поверхности отражательного устройства. Предпочтительно, предусмотрены две отражательные поверхности, находящиеся на расстоянии друг от друга в продольном направлении. Отражательные поверхности являются предпочтительно металлическими, и предпочтительно лежат на потенциале анодного электрода, и могут быть конструктивно объединены с ним в состоящую из нескольких частей анодную систему.
В другом варианте выполнения анод может состоять из, в частности, металлической опоры и из обращенного к ионизационной камере материала электрода, удерживаемого на ней и находящегося с ней в непосредственном физическом контакте, при этом опора может иметь форму чаши, и излучательная способность противоположной ионизационной камере задней стороны опоры меньше, в частности, по меньшей мере, в два раза меньше излучательной способности обращенной к ионизационной камере передней стороны материала электрода.
Особенно предпочтительно применение графита в качестве материала для анодного электрода, в частности для обращенной к ионизационной камере поверхности анодного электрода. Предпочтительно, анодный электрод образован посредством дискообразного тела, которое может быть, в частности, выполнено в виде гомогенного по материалу графитного тела. Графит сохраняет форму вплоть до высоких температур и имеет небольшое электрическое сопротивление и, в частности, отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. Поверхность графита имеет особенно хорошие свойства излучения. Покрытие поверхности задней стороны в качестве отражательного устройства можно обеспечивать с помощью напыленного металлического слоя.
Дискообразное тело анодного электрода занимает предпочтительно по существу с однородной температурой по поверхности большую часть площади поперечного сечения камеры. Предпочтительно, дискообразное тело в зоне своей середины по центру соединено лишь в одной точке крепления с опорным телом анодной системы, в частности свинчено. Крепежная структура предпочтительно состоит из высокотеплостойкого материала, в частности молибдена. Доля тепловой энергии, переходящая через крепление тела электрода внутри анодной системы на опорное тело, и доля тепловой энергии, попадающая на опорное тело посредством отражательного устройства в качестве остаточного излучения, могут отводиться за счет теплопроводности твердых тел без особых активных охлаждающих мер через имеющиеся структуры, такие как подвеска опорного тела в конструкции камеры и/или металлический проводник для подвода высокого напряжения.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании предпочтительного примера выполнения со ссылками на фиг.1.
На фиг.1 показана схематично и лишь частично система электростатического ионного ускорителя с анодной системой. Ионизационная камера IK системы ионного ускорителя выполнена без ограничения других возможностей с вращательной симметрией вокруг средней продольной оси LA. Средняя продольная ось LA проходит параллельно продольному направлению LR. Показано также радиальное направление R. Круглое поперечное сечение ионизационной камеры в продольном направлении LR по существу постоянно. Ионизационная камера имеет в продольном направлении LR на одной стороне, на фиг.1 справа, отверстие AO для выхода струи, из которого выталкивается ускоренный направленный плазменный поток PB. В зоне отверстия AO для выхода струи и предпочтительно с боковым смещением относительно него расположена катодная система KA. В продольном направлении противоположно отверстию AO для выхода струи у основания ионизационной камеры находится анодная система AN. На фиг.1 вследствие принятой вращательной симметрии вокруг продольной оси LA изображена лишь часть системы ионного ускорителя, находящаяся над продольной осью LA.
Между обычно лежащей на потенциале M массы космического аппарата катодной системой KA и анодной системой AN, в частности обращенным к ионизационной камере анодным электродом EK, приложено высокое напряжение HV, которое создает в ионизационной камере электрическое поле, ориентированное в продольном направлении. Это электрическое поле ускоряет электроны в направлении анодной системы и положительно заряженные ионы, образованные в ионизационной камере посредством ионизации рабочего газа, - в направлении отверстия AO для выхода струи. Ионизационная камера ограничена поперек продольной оси LA стенкой KW камеры из предпочтительно диэлектрического, в частности керамического материала. На лежащей снаружи в радиальном направлении относительно продольной оси стороне стенки камеры расположена магнитная система MA, возможные различные конструкции которой в принципе известны из уровня техники и поэтому изображены без подробностей лишь схематично. Магнитная система создает в ионизационной камере магнитное поле, которое увеличивает длительность времени нахождения электронов в ионизационной камере, при этом их энергия за счет ионизирующих ударов отдается в рабочий газ, прежде чем они попадают на анодный электрод EK. Принципы действия таких ионных ускорителей в различном конструктивном выполнении, в частности также с кольцеобразной геометрией камеры, такие как ионные ускорители Холла, известны из уровня техники.
Электроны, попадающие из ионизационной камеры на анодный электрод EK, вызывают возникновение тепла потерь в анодном электроде и его нагревание.
В показанном предпочтительном примере выполнения анодная система AN содержит в направлении продольной оси LA от ионизационной камеры IK влево следующие друг за другом анодный электрод EK, первую отражательную поверхность R1, вторую отражательную поверхность R2 и опорное тело AT анода. Несколько конструктивных элементов анодной системы механически соединены друг с другом через опорную структуру, которая проходит в виде опорного болта TB от опорного тела AT в направлении анодного электрода EK. Несколько конструктивных элементов являются предпочтительно все электрически проводящими и лежат на общем электрическом потенциале в соответствии с анодным напряжением HV, которое присоединяется, например, посредством опорного тела AT. Для механического соединения нескольких конструктивных элементов друг с другом в анодную систему AN опорный болт TB может предпочтительно иметь на своем обращенном к ионизационной камере конце резьбу, на которую навинчена и зафиксирована гайка. Относительное положение отдельных конструктивных элементов анодной системы AN в направлении продольной оси LA можно точно устанавливать с помощью распорных втулок.
Анодный электрод EK предпочтительно образован имеющим гомогенный материал графитным телом. Отражательные поверхности R1 и R2 предпочтительно выполнены в виде по существу дискообразных листовых тел из теплостойкого металла, например из молибдена. Опорное тело AT и предпочтительно выполненный с ним в виде единого целого опорный болт TB также состоят из высокотеплостойкого материала, такого как, в частности, молибден. В направлении продольной оси на противоположной ионизационной камере IK стороне опорного тела AT имеется подвод для рабочего газа AG через экран GB, через который рабочий газ AG подается в окружение продольной оси в осевом направлении к опорному телу AT и направляется вдоль его поверхности, противоположной ионизационной камере IK, в радиальном направлении наружу, а в зоне камерной стенки KW в продольном направлении LR к ионизационной камере. Предпочтительно, между лежащим снаружи в радиальном направлении краем анодного электрода EK и камерной стенкой также предусмотрена часть отражательной системы, которая может быть образована, например, с помощью краевых участков, отогнутых из плоскости диска одного или обоих отражательных устройств R1, R2 в продольном направлении LR. За счет этого, с одной стороны, уменьшается радиальное излучение тепла от анодного электрода EK в направлении стенки камеры, а, с другой стороны, предотвращается попадание рабочего газа на анодный электрод EK в краевой зоне.
Когда при работе системы ионного ускорителя, в частности, за счет остаточной энергии электронов, попадающих на анодный электрод EK, анодный электрод EK нагревается, то он при возрастающей температуре излучает все больше тепловое излучение WS в направлении ионизационной камеры IK. Максимум характеристики излучения поверхности анодного электрода EK, обращенной к ионизационной камере IK, проходит в направлении нормали к поверхности, так что при по существу плоском выполнении дискообразного анодного электрода EK максимум характеристики излучения ориентирован в направлении отверстия AO для выхода струи, и тепловое излучение WS, излучаемое в этом направлении, излучается непосредственно в свободное пространство. За счет применения графита в качестве материала анодного электрода EK излучение теплового излучения WS является особенно эффективным.
Анодный электрод EK излучает равным образом тепловое излучение на своей задней стороне в противоположном ионизационной камере IK направлении на отражательное устройство R1. За счет выполненной с возможностью отражения тепла отражательной поверхности R1, излучательная способность которой меньше, в частности составляет максимально половину излучательной способности поверхности передней стороны анодного электрода, большая часть этого теплового излучения снова отражается обратно к анодному электроду ЕК, так что доля теплового излучения, эффективно излучаемая в направлении от ионизационной камеры IK, остается небольшой. Этот эффект усиливается за счет второй отражательной поверхности R2, которая максимально отражает энергию теплового излучения, излучаемую при нагревании первой отражательной поверхности R1 из нее с меньшей излучательной способностью в направлении отражательной поверхности R2. Тепловая энергия, отраженная в конечном итоге от отражательной поверхности R2 в направлении опорного тела TK, остается за счет этого небольшой. Попадающая за счет этой остающейся энергии теплового излучения, а также за счет теплопроводности твердых тел через опорный болт TB на опорное тело TK, отводится большей частью за счет теплопроводности твердых тел через металлический подвод высокого напряжения и обычно неметаллическую конструкцию, несущую анодную систему. Дополнительно небольшая доля тепловой энергии может снова отводиться с помощью рабочего газа, проходящего по задней стороне опорного тела в радиальном направлении наружу.
Тепловое излучение, излучаемое обращенной к ионизационной камере IK поверхностью передней стороны анодного электрода EK не непосредственно через отверстие AO для выхода струи, попадает на стенку KW камеры и от стенки излучается частично в ионизационную камеру, и в конечном итоге через отверстие AO для выхода струи в свободное пространство, или же частично поглощается стенкой камеры, и за счет ее нагревания снова отдается в виде теплового излучения в ионизационную камеру и через отверстие AO для выхода струи - в свободное пространство.
Анодный электрод EK может предпочтительно при максимальной мощности потерь, которая возникает обычно при максимальной приводной мощности системы ионного ускорителя, достигать температуры свыше 500°C. Высокая температура приводит к высокой интенсивности теплового излучения WS со сверхпропорциональным (в четвертой степени) по отношению к температуре подъемом, так что устанавливается равновесное состояние. Несмотря на высокую температуру анодного электрода EK, из-за высокой мощности отдаваемого теплового излучения и его предпочтительно одностороннего излучения в направлении ионизационной камеры IK отвод тепла потерь анодной системы за счет теплопроводности твердых тел является второстепенным и может осуществляться в достаточной степени через металлическое электрическое соединение для подвода анодного напряжения и через подвеску опорного тела в конструкции камеры. Активного охлаждения через контур циркуляции охлаждающей текучей среды, отводящий большую часть тепла потерь, не требуется.
Признаки, вытекающие из приведенного выше описания и из формулы изобретения, а также чертежей, предпочтительно предназначены для реализации как по отдельности, так и в различных комбинациях. Изобретение не ограничивается указанными примерами выполнения, а может быть различно модифицировано в рамках знания специалиста в области техники.