ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области плазменной техники и может быть использована при разработке источников ионов, применяемых в качестве электроракетных двигателей или устройств для ионно-плазменной обработки материалов в вакууме при решении различных технологических задач.
Известен ионно-плазменный двигатель (Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989, с. 100-111, 148-154), содержащий разрядную камеру и систему ускорения, называемую по аналогии организации движения частиц ионно-оптической и выполненную в виде набора перфорированных электродов, позволяющих формировать униполярные ионные потоки, для нейтрализации заряда которых применяется нейтрализатор, представляющий собой источник электронов (катод). В узле ионно-оптической системы реализуется принцип «ускорение-замедление» ионов, для чего используются три электрода: эмиссионный, ускоряющий и замедляющий. Такие двигатели обладают высокой эффективностью и широко применяются в космической технике и наземных технологических процессах. Основным недостатком данных устройств является процесс катодного распыления ускоренными ионами элементов разрядной камеры, находящихся под отрицательным потенциалом. Этот процесс лимитирует ресурс работы двигателя и создает потоки распыленного вещества, загрязняющие элементы ИОС и обрабатываемые поверхности в случае применения данного двигателя в качестве источника высокоэнергетичных потоков частиц в технологических задачах.
Наиболее близким аналогом предложенной модели является ионно-плазменный двигатель (Groh К.Н., Loeb H.W. State-of-the-Art of Radio-Frequency Ion Thrusters // J. Propulsion. - Vol. 7, No. 4, July-August 1991, p. 576), содержащий полую разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации высокочастотного электрического разряда в разрядной камере в виде осесимметричного индуктора, образованного проводником спиральной формы, и ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, за срезом которого по ходу ионного потока установлен нейтрализатор.
В разрядной камере этого двигателя использован безэлектродный разряд. Использование для ионизации энергии внешнего электромагнитного поля, в частности высокой частоты, позволяет исключить катодный узел в разрядной камере и тем самым повысить долговечность работы устройства. Однако недостатком безэлектродного разряда является низкая эффективность процессов ионизации из-за малой энергии электронов в разряде и большой доли заряженных частиц, нейтрализующихся на стенках разрядной камеры. Для борьбы с этими явлениями используется подбор формы камеры и оптимизация расположения витков индуктора и их числа.
В предложенной полезной модели решается задача снижения потерь вводимой в разряд ионно-плазменного двигателя высокочастотной мощности при сохранении высокой эффективности извлечения и формирования ускоренных потоков ионов.
Решение указанной задачи достигается тем, что в ионно-плазменном двигателе, содержащем полую разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации высокочастотного электрического разряда в разрядной камере в виде осесимметричного индуктора, образованного проводником спиральной формы, и ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, за срезом которого по ходу ионного потока установлен нейтрализатор, индуктор снабжен дополнительным спиральным проводником, размещенным между витками первого проводника и образующим с ним двухзаходную спираль, при этом оба проводника размещены без зазора относительно стенок разрядной камеры.
В предпочтительных вариантах проводники индуктора выполнены в виде электропроводящей оболочки, а двухзаходность спирали образована выполнением в оболочке винтовых прорезей.
При этом проводники индуктора могут быть размещены на внутренней поверхности разрядной камеры.
В этом варианте целесообразно, чтобы поверхности проводников, обращенные внутрь разрядной камеры, были покрыты диэлектрическим материалом.
В технологических вариантах проводники индуктора могут быть выполнены в виде слоя электропроводящего материала, нанесенного на стенки разрядной камеры.
Кроме того поперечное сечение проводников индуктора может иметь форму симметричного овала, малая ось симметрии которого ориентирована перпендикулярно поверхности разрядной камеры.
Сущность предложенного решения в полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена общая схема ионно-плазменного двигателя в виде продольного разреза, на фиг. 2, 3, 4 - варианты выполнения и размещения проводников индуктора относительно стенок разрядной камеры.
Ионно-плазменный двигатель (фиг. 1) состоит из полой разрядной камеры 1, узла подачи 2 газообразного рабочего вещества, осесимметричного и соосного с разрядной камерой индуктора, образованного первым проводником 3 и дополнительным проводником 4 (выделен жирным контуром) спиральной формы. Витки дополнительного проводника расположены между витками основного проводника так, что образуется двухзаходная спираль, образованная этими проводниками. Двигатель содержит также ионно-оптическую систему с эмиссионным электродом 5, ускоряющим электродом 6 и выходным замедляющим кольцевым электродом 7. Ускоряющий электрод 6 электрически соединен с отрицательным полюсом источника 8. На выходе из двигателя установлен нейтрализатор 9, подключенный к источнику электропитания 10. Внутри разрядной камеры 1 расположен анод 11, соединенный с положительным полюсом анодного источника 12. Первый и дополнительный проводники 3 и 4 индуктора размещены обычно с наружной стороны разрядной камеры 1 и параллельно соединены с высокочастотным генератором 13. При этом согласно предложенному решению, эти проводники охватывают разрядную камеру без зазора относительно ее стенок. В результате несущим элементом для проводников является сама разрядная камера, а индуктор, как конструктивный узел, выполнен бескаркасным.
Разрядная камера 1 выполнена из диэлектрического материала с малым тангенсом диэлектрических потерь. Форма камеры может быть различной и определяется требованием минимизации потерь заряженных частиц на ее поверхности при заданных параметрах индуктора. В практике используют коническую, сферическую или эллиптическую формы.
На фиг. 2 показано, что первый и дополнительный проводники 3 и 4 индуктора размещены на внешней поверхности разрядной камеры 1 и образованы из охватывающей камеру оболочки путем выполнения в ней винтовых прорезей 14. На фиг. 3 те же проводники индуктора размещены на внутренней поверхности разрядной камеры 1 и образованы такой же оболочкой с винтовым прорезями. В этом случае целесообразно заполнение непосредственно прорезей и других поверхностей проводников, обращенных внутрь разрядной камеры, защитным слоем диэлектрического материала 15. При любом размещении проводники индуктора могут быть выполнены в виде слоя электропроводящего материала, нанесенного на ту или иную стенку разрядной камеры различным методами напыления или осаждения.
На фиг. 4 проводники индуктора в поперечном сечении имеют форму симметричного выпуклого овала (эллипса). При этом малая ось симметрии 16 овала перпендикулярна к поверхности разрядной камеры, т.е. овал ориентирован своей вытянутостью вдоль образующей поверхности разрядной камеры.
Рабочий процесс в ионно-плазменном двигателе осуществляется следующим образом. При подаче рабочего тела через узел подачи 2 внутрь разрядной камеры 1 и запитывании проводников 3 и 4 индуктора током переменной частоты от высокочастотного генератора 13 в разрядной камере 1 зажигается разряд. Данный разряд по своему типу является индуктивным и самостоятельным. При этом переменный ток, протекающий в проводниках индуктора, генерирует переменное магнитное поле (преимущественно аксиальное), которое, в свою очередь, индуцирует электрическое поле (преимущественно азимутальное). Самостоятельность разряда означает, что для его стационарного горения не требуется катода, эмитирующего электроны. Единственным источником мощности, поддерживающей разряд, является электромагнитное поле. Как показано на фиг. 1, внутри разрядной камеры расположен только один электрод - анод 11, служащий для удаления из разряда избыточных электронов. Анод 11 имеет положительный потенциал и не подвержен катодному распылению. Задаваемый на аноде потенциал будет определять потенциал плазмы и за разностью пристеночного скачка потенциал контактирующих с плазмой диэлектрических стенок разрядной камеры. Анод может быть электрически соединен с эмиссионным электродом 5 в случае выполнения его из электропроводящего материала.
Нейтрализатор 9 служит для инжекции электронов в поток ионов, истекающий из двигателя, и представляет собой самостоятельный плазменный источник электронов.
В общем виде рабочий процесс в разрядной камере может быть представлен следующим образом. Высокочастотные токи в проводниках индуктора индуцируют в полости разрядной камеры 1 магнитное поле, которое генерирует электрическое высокочастотное поле, ускоряющее в плазме электроны, осциллирующие с частотой поля и аккумулирующие энергию поля, тратя ее на неупругие столкновения с тяжелыми частицами (атомами или ионами), вызывая их возбуждение или ионизацию. Каждое такое столкновение приводит к потере некоторого кванта энергии электроном. Атомы и ионы рабочего тела, например, инертного газа - ксенона, представляют собой сложную квантово-механическую систему. В плазме атомы и ионы находятся в разных квантово-механических состояниях. Распределение по состояниям (заселенность энергетических уровней) является важнейшей характеристикой плазмы. Плазма высокочастотного разряда в разрядной камере является разреженной и неравновесной. Следствием разреженности является то, что излучаемые возбужденными частицами фотоны доходят до стенок разрядной камеры, не взаимодействуя с частицами, находящимися на более низких энергетических уровнях, и поглощаются стенкой. Следствием неравновесности является то, что температура электронов намного больше температуры атомов и ионов, а заселенность тяжелых частиц по уровням не удовлетворяет распределению Больцмана.
-6
В самостоятельном разряде отсутствуют быстрые электроны, ускоренные катодным падением потенциала, поэтому, несмотря на наличие высокочастотного электрического поля, электроны распределены по энергиям в соответствии с равновесным распределением Больцмана-Максвелла. Основным механизмом установления такого распределения является термализация (электрон-электронные соударения). Благодаря этому процессу холодные электроны, образовавшиеся в результате неупругого соударения, приобретают температуру плазменных электронов. Баланс электронов в разряде определяется скоростью их образования в результате ионизации и скоростью их ухода (выпадения) на стенки разрядной камеры. Это зависит от равновесного потенциала плазмы относительно стенок, который устанавливается автоматически. Избыточные электроны выпадают на анод 11 и уходят из разряда. Баланс атомов и ионов в разряде определяется скоростями ионизации и ухода их на стенки разрядной камеры и в отверстия в электродах ионно-оптической системы. Вероятность рекомбинации ионов в объеме разрядной камеры за счет присоединения электрона близка к нулю. Ступенчатые процессы ионизации с практически важной вероятностью возможны лишь в случае возбуждения метастабильных состояний, время жизни которых ≈10 с примерно на два порядка выше, чем остальных состояний.
Особенностью схемы данного двигателя являются значительные потери мощности в процессах ионизации. Так, вследствие конструктивной целесообразности, размещение проводников индуктора на внешней стороне разрядной камеры 1, способствует половинной потери высокочастотной мощности при ее рассеянии во внешнее пространство. Кроме того потери мощности возникают из-за кольцевых вихревых токов, протекающих в электропроводящих конструктивных элементах, в частности, в электродах и узлах ионно-оптической системы. Помимо этого снижению эффективности процессов ионизации способствует неоднородность распределения магнитного поля в объеме разрядной камеры 1, особенно в пристеночной области, что сказывается на неоднородности передачи энергии электронам. Данная неоднородность обусловлена спиральной намоткой индуктора. При этом количество витков и их расположение относительно друг друга определяется опытным путем и в случае традиционного исполнения индуктора изменено быть не может. Это связано с параметрами тока и напряжения на индукторе, которые необходимо выдерживать для максимальной эффективности ионизации при заданных его геометрических размерах и подведенной мощности.
Примененное в предложенном техническом решении выполнение индуктора в виде двухзаходной спирали, размещенной как можно ближе к оси симметрии разрядной камеры (без зазора со стенками разрядной камеры), позволяет повысить однородность распределения магнитного поля в объеме разрядной камеры при сохранении электрических параметров индуктора.
Указанный эффект особенно проявляется при выполнении проводников индуктора в виде электропроводящей оболочки, охватывающей наружную поверхность разрядной камеры, и выполненной с прорезями для образования спиральных проводников. При таком выполнении проводники индуктора могут быть размещены и на внутренней, обращенной к плазме, поверхности разрядной камеры, для еще большего проявления эффекта.
Максимальная эффективность снижения потерь мощности достигается при уменьшении зазора между витками индуктора и поверхностью разрядной камеры, Для этого в предложенном техническом решении проводники индуктора образованы слоем электропроводящего материала, нанесенного на стенки разрядной камеры, с толщиной, достаточной для протекания высокочастотного тока без потерь на омическое сопротивление.
Кроме того было показано, что форма поперечного сечения проводников индуктора также оказывает влияние на получение максимальной однородности индуцированного ими магнитного поля. Так расчеты и измерения показывают, что замена круглого или прямоугольного сечения проводника на овальное (эллипсоидное) и ориентирование вытянутости овала вдоль образующей разрядной камеры повышает однородность распределения индукции магнитного поля почти в два раза.
Таким образом, в целом предложенная полезная модель позволяет повысить эффективность ионно-плазменного двигателя при сохранении высокой эффективности извлечения и формирования ускоренных потоков ионов.