ИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНО ЗАРЯЖЕННЫХ ИОНОВ НА УЧАСТОК ПОВЕРХНОСТИ
ION ACCELERATOR WITH DEVICE FOR REDUCING EFFECT OF POSITIVELY CHARGED IONS ON SURFACE AREA

Изобретение относится к устройству для уменьшения воздействия на участок поверхности с помощью положительно заряженных ионов, а также к ионному ускорителю, в частности, в качестве приводного устройства космического летательного аппарата.
Для приводных устройств в космических летательных аппаратах как, например, в частности, в спутниках или в космических зондах, наряду с химическими приводами или тепловыми приводами, работающими в пульсирующем режиме, известны также электростатические приводы. Последние используют особо высокое напряжение, в частности, для ускорения положительно заряженных ионов рабочего газа, ионизированного в ионизационной камере, в статическом поле высокого напряжения и для их испускания через отверстие в ионизационной камере в виде плазменного пучка. При этом космический летательный аппарат ускоряется по реактивному принципу в противоположном направлении. В качестве рабочего газа, предпочтительно, служит инертный газ как, например, в частности, ксенон. Такие электростатические приводы особенно предпочтительны благодаря своим мощным удельным импульсам.
При эксплуатации таких устройств оказывается, что окружающая выходное отверстие для пучка поверхность ионного ускорителя, обращенная в направлении испускаемого плазменного пучка, или корпус космического летательного аппарата корродируют. Повреждения из-за ионов могут появиться также на других участках поверхности, в частности, с чувствительными поверхностями или конструктивными элементами, причем такие повреждения у космических летательных аппаратов без возможности ремонта могут быть особенно существенными.
В основу изобретения положена задача уменьшения повреждений поверхностей, подверженных воздействию ионов, в частности эрозии участка поверхности, окружающего выходное отверстие ионного ускорителя.
Решения поставленной задачи согласно изобретению описаны в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения содержат варианты выполнения и усовершенствованные варианты изобретения.
За счет магнитного поля, преимущественно направленного параллельно участку поверхности в пространственной области, расположенной в направлении нормали к участку поверхности впереди него, неожиданно достигается значительное уменьшение воздействия ионов на участок поверхности, хотя действие магнитного поля на положительно заряженные ионы является незначительным. Действие магнитного поля, в частности, основывается на том, что положительный заряд участка поверхности, возникающий в результате начального воздействия ионов на участок поверхности, создает электрическое поле, отталкивающее другие ионы, причем электроны, ускоряющиеся таким полем в направлении участка поверхности, из-за их незначительной массы и высокой скорости в магнитном поле отклоняются и задерживаются перед упомянутым участком поверхности. В результате положительный заряд участка поверхности и результирующее из этого электрическое поле, отталкивающее ионы, сохраняется.
Участок поверхности, предпочтительно, имеет непроводящую поверхность или он отделен от проводящих поверхностей общего устройства, например космического летательного аппарата, высокоомным сопротивлением. Участок поверхности предпочтительным образом может быть элементом электрического устройства, в частности системой солнечных элементов космического летательного аппарата. Магнитное поле, предпочтительно, имеет по меньшей мере одну конфигурацию касп (от Cusp, магнитная щель), которая под влиянием большого градиента поля действует на электроны, движущиеся вдоль магнитных силовых линий по спиральным траекториям отражающим образом.
В ионном ускорителе оказывается неожиданным, что благодаря поверхности, окружающей выходное отверстие, обращенной к испускаемому плазменному пучку и именуемой в последующем и в формуле изобретения экранирующей поверхностью, которая во время работы ионного ускорителя пространственно расположена между испускаемым плазменным пучком, в частности, так называемой областью сгустка плазмы (Plume), и элементами с потенциалом массы, в частности, космического летательного аппарата, и имеет электрический потенциал, отделенный от потенциала массы космического летательного аппарата, может быть достигнуто существенное уменьшение эрозии поверхности.
В частности, предпочтительным является вариант исполнения, при котором экранирующая поверхность во время работы ионного ускорителя, то есть во время испускания плазменного пучка из выходного отверстия для пучка, имеет скользящий потенциал относительно потенциала массы космического летательного аппарата. Это может быть осуществлено, в частности, с помощью непроводящего исполнения экранирующей поверхности и/или электрической изоляции экранирующей поверхности от потенциала массы космического летательного аппарата. Тогда в режиме привода у экранирующей поверхности автоматически устанавливается потенциал, отделенный от потенциала массы.
В изобретении используется понимание того, что наблюдаемая эрозия в решающей степени объясняется тем, что в испускаемом плазменном пучке в направлении испускания за пределами ионизационной камеры так называемый потенциал сгустка для положительно заряженных ионов выше потенциала массы космического летательного аппарата, и поэтому ионы, образовавшиеся в области сгустка плазмы или находящиеся в ней, отклоняются от плазменного пучка и ускоряются в направлении потенциала массы космического летательного аппарата и при этом в области экранирующей поверхности, предпочтительно, ударяются о поверхность, окружающую выходное отверстие для пучка. Сам потенциал сгустка изменяется не целенаправленно. Плотность газа с увеличением расстояния от цента области сгустка плазмы быстро уменьшается. Типичное расширение области сгустка в направлении испускания за пределами выходного отверстия для пучка ионизационной камеры имеет порядок 10-40 см.
Благодаря отделению потенциала экранирующей поверхности от потенциала массы, в частности, с помощью скользящего потенциала в режиме привода, у экранирующей поверхности быстро устанавливается потенциал, располагающийся между потенциалом сгустка и более низким потенциалом массы, и экранирующий потенциал массы от ионов испускаемого плазменного пучка.
В другом варианте выполнения экранирующая поверхность может быть проводящей и иметь экранирующий потенциал, смещенный на определенное напряжение относительно массы.
В особенно предпочтительном варианте выполнения магнитное поле, преимущественно параллельное поверхностной области, у выходного отверстия для пучка может переходить в структуру касп, причем у структуры касп направление поля преимущественно направлено перпендикулярно направлению испускания плазменного пучка и действует больший градиент поля, чем над указанной поверхностной областью. Структура касп окружает ось испускания кольцеобразно и радиально располагается внутри бокового ограничения стенки камеры. Структура касп может быть, в частности, направлена на магнитомягкий полюсный наконечник магнитной системы. Предпочтительным образом структура касп смещена относительно области магнитного поля, проходящей преимущественно параллельно поверхностной области, в направлении градиента потенциала для электронов между катодом и анодом, установленным в ионизационной камере. Структура касп действует на электроны, движущиеся в направлении стенки камеры вдоль магнитных силовых линий, отражающим образом.
В принятом самом по себе виде электрод-катод предпочтительным образом установлен за пределами плазмореакционной камеры с боковым смещением относительно выходного отверстия для пучка. Анод, находящийся под высоким напряжением относительно электрода-катода, установлен у основания ионизационной камеры. Катод эмитирует электроны, которые в качестве первичных электронов служат для ионизации рабочего газа и для нейтрализации испускаемого плазменного пучка. Электрод-катод предпочтительным образом установлен радиально относительно центральной продольной оси ионизационной камеры дальше наружи, чем экранирующая поверхность, то есть по меньшей мере часть экранирующей поверхности расположена в радиальном направлении между катодом и выходным отверстием для пучка. При этом электроны, движущиеся с катода под действием высокого напряжения в направлении выходного отверстия для пучка и плазменного пучка, пересекают пространственную область между экранирующей поверхностью и испускаемым плазменным пучком. Предпочтительным образом ионный ускоритель содержит магнитную систему для создания магнитного поля, которое в пространственной области между экранирующей поверхностью и плазменным пучком формирует искривление магнитных силовых линий поля с составляющей поля преимущественно параллельной экранирующей поверхности. В результате электроны предпочтительным образом в значительной мере удерживаются от движения в направлении экранирующей поверхности.
Экранирующая поверхность предпочтительным образом по меньшей мере в своей преобладающей части поверхности может быть выполнена воронкообразной с расширением в направлении в сторону от космического летательного аппарата. Экранирующая поверхность может быть частично образована за счет поверхности полюсного наконечника в области выходного отверстия для пучка.
Экранирующая поверхность, предпочтительно, состоит из материала, устойчивого против ионного распыления, как, например, керамики или графита. Экранирующая поверхность, устойчивая против ионного распыления, в частности, может быть образована за счет слоя из материала, устойчивого против ионного распыления.
Ниже изобретение подробно показано также на предпочтительных примерах выполнения со ссылкой на фигуры, на которых:
фиг.1 изображает общее устройство для защиты участка поверхности,
фиг.2 - частичный разрез ионного ускорителя.
На фиг.1 изображен участок FA1 поверхности, который, в частности, может быть фотогальванически активной поверхностью системы солнечных элементов космического летательного аппарата. Движение положительно заряженных ионов из окружающего космического пространства также направлено на участок FA1 поверхности, в частности, за счет градиента потенциала для ионов, в направлении расположенной за участком поверхности проводящей поверхности FL с потенциалом массы космического летательного аппарата. Обозначим "расположенным впереди участка поверхности" полупространство VR со стороны участка FA1 поверхности, не закрытой от попадания ионов, "расположенным позади участка FA1 поверхности" - полупространство HR с противоположной стороны, с которой участок поверхности в значительной мере затенен от ионной бомбардировки корпусом, основой или самим космическим летательным аппаратом.
Магнитная система AS, содержащая, предпочтительно, магнитопровод РК с постоянным магнитом, установлена около участка FA1 и создает в пространственной области RS в направлении нормали к поверхности участка FA поверхности впереди участка поверхности магнитное поле MS с направлением поля, преимущественно параллельным участку поверхности, то есть чтобы силовые линии поля имели наклон относительно нормали к поверхности более чем на 45°, а относительно направления, параллельного поверхности, менее чем на 45°. Магнитная система в изображенном примере содержит позади участка поверхности магнитопроводы РК1, РК2 с постоянными магнитами, установленными с одинаковой ориентацией поля параллельно плоскости участка поверхности и соединенными магнитомягким ярмом. Другая часть магнитной системы, аналогичная РК1, РК2, JS, позади соседнего участка FA2 поверхности показана как магнитопровод РК3 с постоянным магнитом, причем ориентация полюсов другой части магнитной системы противоположна первой части РК1, РК2, JS магнитной системы, так что у магнитопроводов РК2, РК3  с постоянными магнитами одноименные магнитные полюса S расположены друг против друга. Между магнитопроводами РК2, РК3  с постоянными магнитами установлен магнитомягкий полюсный наконечник SS. У полюсного наконечника SS магнитное поле в переднем полупространстве VR содержит структуру касп с особенно большим градиентом поля. Другой полюсный наконечник SE может быть установлен у магнитопровода РК1 с постоянным магнитом.
Если, покидая электрически нейтральную поверхность участка FA1 поверхности, ионы и электроны по направлению своего движения нацелены на участок FA1 поверхности, то положительно заряженные ионы, почти не подвергаясь воздействию магнитного поля, попадают на поверхность участка FA1 поверхности и заряжают ее положительно, так что быстро создается электрическое поле, действующее на другие ионы отталкивающим образом. Электроны, поступающие в направлении участка FA1 поверхности из полупространства VR и/или ускоряемые положительно заряженной поверхностью в направлении участка FA1 поверхности, из-за своей незначительной массы под действием магнитного поля вынуждены двигаться по круговым или спиральным траекториям вокруг магнитных силовых линий и могут дрейфовать вдоль них в направлении магнитопровода РК1 с постоянным магнитом или структуры касп у полюсного наконечника SS, где они из-за большого градиента поля преимущественно отражаются. Из-за запирающего действия магнитного поля для электронов отталкивающее поле на поверхности участка FA1 поверхности, предпочтительно, непроводящей или по меньшей мере отделенной от других проводящих элементов, как, например, поверхность FL, высокоомным сопротивлением, сохраняется.
В качестве пространственной области RS впереди участка FA1 поверхности рассмотрим, в частности, область впереди участка поверхности, протяженность которого в направлении нормали к поверхности меньше расстояния между полюсами, или полюсными наконечниками, магнитной системы с внешним воздействием, например, полюсных наконечников SE и SS.
На фиг.2 в сечении секущей плоскостью, содержащей ось испускания плазменного пучка, схематически изображен частичный разрез ионного ускорителя в космическом летательном аппарате RF.
Ионизационная камера IK с центральной продольной осью LA, предпочтительно, имеет круговое поперечное сечение вокруг продольной оси, и она в направлении поперек продольной оси ограничена, предпочтительно, диэлектрической стенкой KW камеры. Со стороны стенки камеры, радиально противоположной ионизационной камере, установлена магнитная система МА, окружающая ионизационную камеру и создающая в ней магнитное поле. Ионизационная камера в продольном направлении с одной стороны открыта за счет выходного отверстия АО для пучка, через которое положительно заряженные ионы, образовавшиеся под влиянием электростатического поля в результате ионизации рабочего газа, испускаются в продольном направлении в виде плазменного пучка РВ.
Часть магнитной системы и/или другие элементы ионного ускорителя, и/или проводящие элементы космического летательного аппарата имеют потенциал М массы космического летательного аппарата. Катод КА, установленный за пределами ионизационной камеры с боковым смещением относительно выходного отверстия АО для пучка, типичным образом также имеет потенциал массы. Не показанный на фиг.1 анод, противоположно расположенный у основания ионизационной камеры, находится под высоким напряжением порядка 1 кВ относительно потенциала массы.
В области плазменного пучка, называемой областью сгустка, которая расположена в направлении движения плазменного пучка после его выхода из выходного отверстия для пучка, действует потенциал сгустка, который для положительно заряженных ионов типичным образом превышает потенциал массы на 20-100 В, так что область сгустка устанавливает для ионов градиент потенциала в направлении элементов, имеющих потенциал массы, и ионы ускоряются в направлении потенциала массы. Протяженность области сгустка в направлении испускания типичным образом располагается между 10 и 40 см.
В изображенном примере полюсный наконечник PR предусмотрен около выходного отверстия для пучка, кольцеобразно окружая его. Кольцеобразный полюсный наконечник типичным образом состоит из железа. Полюсный наконечник изолирующим корпусом IR изолирован от частей магнитной системы с потенциалом массы и/или от других элементов, имеющих потенциал массы. Воронкообразный корпус TR, расширяющийся в продольном направлении или направлении испускания плазменного пучка, примыкает к кольцеобразному корпусу PR полюсного наконечника. Кольцеобразный корпус может состоять из металла, не являющегося магнитомягким и не влияющего на магнитное поле, или из диэлектрика.
Катод располагается в радиальном направлении за пределами поверхностной области воронкообразного корпуса NR и установлен предпочтительным образом в продольном направлении со смещением относительно воронкообразного корпуса.
Если при включении ионного ускорителя предполагается, что полюсный наконечник PR и воронкообразный корпус TR имеют потенциал массы или потенциал, близкий к нему, то ионы из области сгустка PL ускоряются в направлении элементов с потенциалом массы и попадают на поверхности полюсного наконечника PR и воронкообразного корпуса TR, обращенные к области сгустка, и создают на этих корпусах или - при исполнении воронкообразного корпуса в качестве диэлектрического корпуса - на его поверхности, обращенной к области сгустка, электростатический заряд. При этом эти корпуса или их поверхности приобретают промежуточный потенциал, превышающий для ионов потенциал массы. Градиент потенциала для ионов из области сгустка, "видящих" только этот промежуточный потенциал, существенно снижается, и быстро устанавливается состояние равновесия с отсутствием или с наличием лишь незначительного ионного тока из области сгустка в направлении корпусов PR, TR.
Остающийся остаточный ионный ток из области сгустка в направлении корпусов PR, TR, в частности, может получиться за счет того, что на корпуса PR, TR поступают также электроны, в частности электроны, эмитируемые катодом КА, смещенным в сторону относительно выходного отверстия. Катод поставляет первичные электроны для ионизации рабочего газа в ионизационной камере и служит нейтрализатором для испускаемого плазменного пучка РВ.
Чтобы электронный ток в направлении корпусов PR, TR был небольшим, предусмотрено, чтобы в магнитном поле MFE, создаваемом магнитной системой за пределами ионизационной камеры в пространственной области между областью сгустка плазмы и корпусами PR, TR, в частности в области NB, близко расположенной к поверхностям корпусов, магнитные силовые линии преимущественно проходили параллельно поверхностям. При этом под их преимущественно параллельным прохождением следует понимать, что для большей части (>50%) участков поверхности поверхностей корпусов PR, TR в области NB в направлении нормалей к поверхностям над этими участками поверхностей направление искривленных магнитных силовых линий скорее является параллельным поверхности, чем перпендикулярным. Тогда электроны направляются вдоль магнитных силовых линий преимущественно параллельно поверхности на некотором расстоянии от нее, и не попадая на нее. Ионы благодаря их большой массе и незначительным скоростям по существу не подвергаются воздействию магнитного поля.
Магнитное поле при его преимущественно параллельном прохождении относительно поверхностной области корпуса TR основы переходит из области NB в структуру касп CS около выходного отверстия ионизационной камеры, в которой направление магнитного поля является преимущественно радиальным и действует большой радиальный градиент поля. Радиальная составляющая поля у структуры касп направлена противоположно радиальной составляющей поля в области NB, так что силовые линии между областью NB и структурой касп претерпевают изменение направления. Электроны, эмитируемые катодом, в области NB отводятся магнитным полем от поверхности воронкообразного корпуса и направляются в сторону области сгустка PL, то есть ионизационной камеры, и там подаются, в частности, в структуру касп, где они под действием структуры касп удерживаются с большим временем задержки. Действие структуры касп в таком ионном ускорителе само по себе известно из упомянутого выше уровня техники.
Воронкообразный корпус TR предпочтительным образом состоит из ненамагничивающегося материала с хорошей теплопроводностью, и с хорошей теплопроводностью он соединен с полюсным наконечником, вследствие чего потерянное тепло, выделяемое на полюсном наконечнике, предпочтительным образом быстро отводится и излучается в окружающее космическое пространство благодаря существенно большей поверхности воронкообразного корпуса. Как показано на фиг.2, поверхность воронкообразного корпуса TR, обращенная к области сгустка PL плазмы, является экранирующей поверхностью.
Корпус PR полюсного наконечника и/или воронкообразный корпус TR, предпочтительно, могут быть снабжены покрытием как, например, в частности, из графита или керамики, которые по сравнению с материалами этих корпусов имеют большую устойчивость против ионного распыления.
Признаки, приведенные выше и в пунктах формулы изобретения, а также в различных сочетаниях, успешно реализуются. Изобретение не ограничено описанными примерами выполнения, а может различным образом модифицироваться в рамках профессиональных знаний.