ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ
PLASMA ACCELERATOR WITH CLOSED ELECTRON DRIFT

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к плазменным ускорителям. Изобретение может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП), которые применяются в качестве стационарных плазменных двигателей (СПД) в составе электроракетных двигательных установок космических аппаратов, а также в качестве технологических ускорителей в составе оборудования для ионно-плазменной обработки деталей и изделий в вакууме.
Принцип работы УЗДП основан на ускорении ионов в кольцевом ускорительном канале разрядной камеры, в котором инициируется и поддерживается разряд со скрещенными электрическим и магнитным полями. В полости ускорительного канала размещается кольцевой анод, который, как правило, служит и для организации подачи и равномерного распределения потока рабочего газа в ускорительном канале. В качестве рабочего газа в УЗДП преимущественно используется ксенон. Катод располагается вне ускорительного канала и обычно представляет собой газоразрядный источник электронов на основе полого катода с подогреваемым (для зажигания разряда) эмиттером электронов, обладающим малой работой выхода. В ускорительном канале создается преимущественно радиальное магнитное поле с помощью магнитной системы и преимущественно продольное электрическое поля путем приложения постоянного напряжения между анодом и катодом. Электрический разряд инициируется и поддерживается между анодом и катодом в потоке газа, движущемся в ускорительном канале. Ионизация атомов рабочего газа осуществляется электронами, поступающими в разряд из катода, и электронами, образующимися в разряде. Ускоряемый электрическим полем ионный поток истекает из канала разрядной камеры и нейтрализуется электронами, поступающими из катода. В процессе ускорения ионов создается реактивная тяга, которую можно использовать для управления движением космических аппаратов.
В современных конструкциях УЗДП топология магнитного поля в ускорительном канале выбирается таким образом, чтобы максимальное значение индукции магнитного поля и соответствующее падение электрического потенциала происходило в выходной части ускорительного канала. За счет этого минимизируются потери, связанные с попаданием потока ионов на стенки разрядной камеры. При таком распределении магнитного поля ускоренные ионы выпадают на стенки разрядной камеры лишь в области выходных кромок разрядной камеры. Установлено, что чем выше разрядное напряжение, тем выше энергия ионов и, следовательно, их распыляющая способность. Данное условие определяет сложность обеспечения требуемого ресурса двигателя при повышенных разрядных напряжениях, необходимых для получения высоких удельных импульсов тяги.
В известных технических решениях увеличение ресурса УЗДП и повышение эффективности ускорения ионов (повышение тяговой эффективности СПД) обеспечивается за счет усовершенствования магнитной системы ускорителя таким образом, чтобы радиальное магнитное поле в ускорительном канале было минимальным вблизи анода и резко возрастало у среза канала в области размещения магнитных полюсов. Так, например, в патенте RU 2030134 С1 (опубликован 27.02.1995) описан плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, в котором для оптимизации топологии магнитного поля в ускорительном канале используются магнитные экраны, расположенные с внешней стороны разрядной камеры. Первый магнитный экран охватывает внутренний источник магнитодвижущей силы, а второй - выходную часть внешней стенки разрядной камеры. Выходные торцы магнитных экранов расположены с продольными зазорами относительно близлежащих магнитных полюсов, установленных у среза ускорительного канала. Величины продольных зазоров не превышают половины межполюсного зазора магнитной системы. Выходные части стенок разрядной камеры выполнены с увеличенной толщиной по сравнению с остальными частями стенки. Торцевые части стенок разрядной камеры смещены в направлении ускорения ионов за плоскости, проходящие через полюса магнитной системы. Для данной конструкции УЗДП интенсивное распыление стенок разрядной камеры происходит только в зоне ускорения, расположенной вблизи магнитных полюсов в межполюсном зазоре. Вследствие этого уменьшается протяженность области взаимодействия ускоренных ионов со стенками разрядной камеры, при этом за счет увеличения толщины стенок за пределами магнитных полюсов, в направлении ускорения ионов, увеличивается ресурс двигателя.
В международной заявке WO 96/06518 А1 (опубликована 29.02.1996) раскрыта конструкция УЗДП, в котором используются магнитные экраны, образующие стенки разрядной камеры, в полости которой установлен анод и секционированный газораспределитель. Наружный и внутренний экраны соединены между собой магнитопроводящей перемычкой со стороны анода. На торцевых частях магнитных экранов, обращенных к полюсам магнитной системы, установлены боковые диэлектрические стенки разрядной камеры, частично перекрывающие проходное сечение ускорительного канала. Боковые диэлектрические стенки и вогнутая металлическая часть анода образуют ускорительный канал УЗДП. При данном расположении элементов магнитной системы оптимизируется топология магнитного поля в ускорительном канале. В обрасти ускорения ионов, расположенной вблизи боковых диэлектрических стенок, создается распределение поля с преимущественно радиальным направлением силовых линий магнитного поля.
Конструкция известного УЗДП позволяет сократить протяженность боковых стенок разрядной камеры, контактирующих с плазмой в зоне ионизации, и повысить концентрацию плазмы в пристеночных областях на входе в зону ускорения за счет автономной подачи рабочего газа вдоль поперечного сечения ускорительного канала. В этом случае снижаются пристеночные энергетические потери, повышается эффективность ускорения и улучшается фокусировка ионного потока. Вместе с тем описанная конструкция УЗДП не исключает интенсивного распыления поверхности боковых диэлектрических стенок ускоренными ионами, обладающими высокой энергией. Образующиеся в процессе ионной бомбардировки продукты распыления осаждаются на поверхности металлических стенок разрядной камеры, что препятствует работе на расчетных режимах с высокой эффективностью ускорения ионов (тяговой эффективностью СПД) и существенно снижает ресурс УЗДП.
Для снижения скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры УЗДП и массы распыляемого материала используются профилированные участки наружной и внутренней стенок разрядной камеры, которые расположены в области межполюсного зазора, т.е. в зоне ускорения ионов. В патенте RU 2312471 С2 (опубликован 10.06.2005) описан УЗДП, используемый в качестве плазменного двигателя - СПД, в котором выходной участок ускорительного канала расширяется в направлении ускорения ионов. Стенки разрядной камеры на выходном участке ускорительного канала имеют коническую форму. При данном выполнении разрядной камеры масса распыляемого материала в течение ресурса СПД снижается на 35-45% и, соответственно, снижается масса диэлектрического материала, осаждаемого в полости ускорительного канала. Размеры конических участков стенок разрядной камеры выбираются на основании полученных экспериментальным путем профилей эрозии наружной и внутренней стенок выходного участка разрядной камеры.
Наиболее близким аналогом изобретения является УЗДП, описанный в патенте RU 2414107 С1 (опубликован 10.03.2011). Ускоритель содержит разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими кольцеобразный ускорительный канал с открытой выходной частью. Анод-газраспределитель установлен в полости ускорительного канала. Катод (катод-компенсатор) расположен за срезом ускорительного канала. Магнитная система ускорителя включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружный и внутренний магнитные полюса, образующие кольцевой межполюсный зазор в выходной части разрядной камеры, и магнитный экран, охватывающий ускорительный канал со стороны анода-газораспределителя.
Торцевые части магнитного экрана расположены с зазором относительно близлежащих магнитных полюсов. Внутренняя поверхность магнитного экрана образует кольцеобразные стенки разрядной камеры в области между анодом-газораспределителем и выходной частью ускорительного канала. Выходные участки стенок разрядной камеры, образующие выходную часть ускорительного канала и примыкающие к торцевым частям магнитного экрана, выполняются из диэлектрического материала, в качестве которого может использоваться керамика на основе нитрида бора.
Данное конструктивное выполнение магнитной системы УЗДП позволяет расширить пространственную зону регулирования магнитного поля в области межполюсного зазора за счет возможности размещения торцевых частей магнитных экранов практически с любым продольным зазором относительно магнитных полюсов. В этом случае зона с максимальным значением радиальной компоненты индукции магнитного поля, в которой осуществляется интенсивное ускорение ионов и, соответственно, интенсивное распыление стенок разрядной камеры, может быть смещена за плоскость размещения магнитных полюсов на большее расстояние по сравнению с другими известными аналогами. При данных условиях можно существенно увеличить ресурс УЭДП путем увеличения толщины стенок выходного участка разрядной камеры за пределами межполюсного зазора. В такой конструкции увеличению толщины стенок в области интенсивного ускорения ионов не препятствует ограничение толщины стенок разрядной камеры, характерное для традиционно используемых в УЗДП магнитных систем. Вследствие увеличения толщины выходных участков стенок разрядной камеры увеличивается и запас на износ стенок камеры.
Повышение эффективности ускорения ионов в известном УЗДП обеспечивается за счет создания максимального градиента радиальной составляющей индукции магнитного поля в области среза ускорительного канала посредством приближения торцевых частей магнитного экрана к плоскости поперечного сечения ускорительного канала, проходящей через кромки магнитных полюсов. Однако, несмотря на возможность расширения зоны регулирования магнитного поля в области межполюсного зазора, известный УЗДП обладает существенным недостатком, связанным с образованием в полости ускорительного канала мелкодисперсного порошка распыленного диэлектрического материала. Данное явление обусловлено следующими процессами: интенсивным распылением диэлектрического материала выходной части стенок, попаданием части потока нейтральных частиц распыленного материала в полость разрядной камеры и осаждением распыленного материала на поверхность металлического анода и металлического магнитного экрана, образующего стенки разрядной камеры.
Осаждающаяся на металлические части анода и магнитного экрана диэлектрическая пленка имеет рыхлую структуру из-за существенного различия теплофизических и адгезионных свойств металла (сплава металлов), из которого выполняется анод и магнитный экран, и распыленного диэлектрического материала (керамики, распыленной с поверхности выходных участков разрядной камеры). В результате теплового воздействия, возникающего в процессе работы УЗДП, происходит разрушение образованной при осаждении рыхлой диэлектрической пленки с получением мелкодисперсного порошка. Под воздействием ускоряемого ионного потока мелкодисперсные частицы (порошок) смещаются к выходной части ускорительного канала. Вследствие неравномерного распределения диэлектрических частиц на поверхности стенок разрядной камеры образуются скопления порошка, которые вызывают возмущение движения электронов, дрейфующих в ускорительном канале в азимутальном направлении. В результате происходит торможение электронов на диэлектрических частицах и смещение их траекторий движения относительно невозмущенных траекторий движения. При взаимодействии с выступающими в разрядный объем частями скоплений частиц электроны теряют свою энергию, не производя ионизацию атомов рабочего вещества, и смещаются в направлении действующего на них электрического поля, увеличивая долю так называемого «сквозного» электронного тока. Вследствие протекания указанных явлений существенно снижается энергетическая эффективность УЗДП.
Изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков, связанных с проблемой осаждения рыхлой диэлектрической пленки на поверхности металлического магнитного экрана и образованием скоплений мелкодисперсных частиц диэлектрического материала в ускорительном канале. Решение данной задачи позволяет увеличить ресурс УЗДП и повысить эффективность ускорения ионов (повысить тяговую эффективность при использовании УЗДП в качестве СПД).
Данные технические результаты достигаются с помощью УЗДП, включающего в свой состав разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал с открытой выходной частью. УЗДП содержит анод и газораспределитель, установленные в полости ускорительного канала, катод, размещенный за срезом выходной части ускорительного канала, и магнитную систему. Анод и газораспределитель могут использоваться в составе УЗДП как в виде отдельных узлов (сборочных единиц), так и в виде функционально совмещенного блока (анода-газораспределителя), выполняющего одновременно функции анода и газораспределителя.
Магнитная система ускорителя содержит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружные и внутренние магнитные полюса, образующие кольцевой межполюсный зазор в выходной части ускорительного канала, и кольцеобразный магнитный экран, выполненный из магнитопроводящего металла или сплава металлов, охватывающий ускорительный канал и образующий стенки разрядной камеры. Торцевая часть каждого магнитного полюса, формирующая межполюсный зазор, выполнена с внешними и внутренними кромками, расположенными с ее противоположных сторон, обращенных соответственно к катоду и аноду.
Согласно изобретению ускорительный канал выполнен с расширяющейся выходной частью. В выходной части ускорительного канала у торцевых частей магнитных экранов установлены наружный и внутренний кольцеобразные диэлектрические элементы. Каждый диэлектрический элемент содержит сопряженные между собой цилиндрический и расширяющийся участки. Поверхности расширяющихся участков, обращенные к ускорительному каналу, образуют расширяющуюся выходную часть ускорительного канала. Поверхности цилиндрических участков, обращенные к ускорительному каналу, образуют часть ускорительного канала, ограниченную двумя соосными цилиндрическими поверхностями и расположенную в области межполюсного зазора. Торцевые части цилиндрических участков диэлектрических элементов расположены в полости магнитного экрана.
Протяженность каждого цилиндрического участка вдоль направления ускорения ионов выбрана согласно условию, в соответствии с которым прямая линия, проведенная в плоскости продольного сечения разрядной камеры между точкой сопряжения границ продольных сечений цилиндрического и расширяющегося участков диэлектрического элемента и любой точкой границы продольного сечения расширяющегося участка того же диэлектрического элемента, обращенной к ускорительному каналу, не пересекает поверхности анода и стенок разрядной камеры, образованных магнитным экраном, за пределами границ продольных сечений цилиндрических участков, обращенных к ускорительному каналу.
Достижение технического результата при использовании профилированных диэлектрических элементов в ускорительном канале УЗДП обусловлено следующими эффектами и процессами. Применение расширяющегося выходного участка ускорительного канала, образованного диэлектрическими стенками разрядной камеры, обеспечивает значительное снижение массы распыляемого материала со стенок камеры в области входного участка ускорительного канала, где индукция магнитного поля достигает максимальных значений и локализуется зона ускорения ионов. Данный эффект связан с тем, что согласно условию выбора протяженности цилиндрических участков диэлектрических элементов поверхности анода и магнитного экрана находятся вне зоны прямой видимости из любой точки поверхностей расширяющихся частей диэлектрических элементов, обращенных к ускорительному каналу. При такой конструкции УЗДП снижается количество распыленного материала, осаждающегося в полости ускорительного канала на металлических элементах конструкции (на аноде и магнитном экране). Снижение количества осаждаемого материала происходит в результате значительного уменьшения потока распыленного вещества, что обусловлено следующими процессами: снижается поток ионов, распыляющий стенки разрядной камеры; максимум диаграммы направленности потока распыленного вещества отклоняется в сторону среза ускорительного канала; поток частиц распыленного материала, движущихся внутрь разрядной камеры, перехватывается (экранируется) поверхностью цилиндрических частей диэлектрических элементов.
При использовании наружного и внутреннего диэлектрических элементов, выполненных в виде сопряженных цилиндрических и конических участков, размеры которых выбираются согласно указанному выше условию, большая часть распыленного с конической поверхности конических участков диэлектрического материала вылетает из ускорительного канала наружу, и лишь небольшая часть распыленного материала остается внутри канала и осаждается на поверхностях цилиндрических участков диэлектрических элементов. В этом случае за счет высокой адгезии между однородными материалами на поверхности цилиндрических участков образуется достаточно прочная пленочная структура. Таким образом, конструкция УЗДП препятствует образованию и скоплению мелкодисперсных диэлектрических частиц на поверхностях анода и металлического магнитного экрана, образующего стенки разрядной камеры между анодом и выходным участком разрядной камеры.
Интенсивность распыления частиц материала при ионной бомбардировке зависит от массы и энергии ионов, структуры вещества, из которого выполняются диэлектрические элементы, и угла падения ионов относительно распыляемых поверхностей. Первые три фактора зависят от заданных расчетных характеристик УЗДП, в том числе от используемого рабочего вещества, разрядных параметров (величины тока и напряжения), электро- и теплофизических свойств используемых диэлектрических материалов. Последний фактор, характеризующий диаграмму направленности потока частиц распыленного материала, влияет на снижение интенсивности потока распыленных частиц, двигающихся внутрь ускорительного канала, за счет поворота максимума диаграммы направленности потока частиц распыленного материала в направлении к срезу ускорительного канала. При использовании условия выбора размеров цилиндрических участков диэлектрических элементов практически полностью исключается прямое попадание распыленных атомов в полость ускорительного канала за пределами цилиндрических участков диэлектрических элементов.
В случае использования расширяющихся участков диэлектрических элементов с конической поверхностью минимальная интенсивность поступления в полость ускорительного канала распыленных частиц с поверхности конических участков диэлектрических элементов достигается за счет выбранного взаимного расположения и размеров участков диэлектрических элементов, при котором образующая поверхности конического участка каждого диэлектрического элемента пересекает поверхность цилиндрического участка диэлектрического элемента, расположенного на противоположной торцевой части магнитного экрана. Данное условие выполняется за счет выбора размеров сопряженных между собой цилиндрических и конических участков диэлектрических элементов.
В частности, при заданном значении угла при вершине конической поверхности, рассчитанном из условия минимизации количества распыленного материала в течение ресурса УЗДП, и расчетной ширине ускорительного канала определяется длина цилиндрического участка диэлектрического элемента, расположенного на противоположной торцевой части магнитного экрана, для выполнения вышеуказанного условия. В этом случае внутрь ускорительного канала могут попадать только частицы, распыленные с расширяющихся конических участков диэлектрических элементов, которые двигаются вдоль конической поверхности или под небольшим углом к ней и затем осаждаются на поверхностях цилиндрических участков диэлектрических элементов. Поверхности анода и магнитного экрана, обращенные к ускорительному каналу, оказываются в теневой зоне по отношению к потокам распыленного вещества, двигающимся со стороны выходной части ускорительного канала внутрь канала, за счет того, что поверхности цилиндрических участков полностью перехватывают потоки частиц, распыленных с поверхности расширяющихся конических участков диэлектрических элементов.
Поверхности стенок расширяющихся участков диэлектрических элементов разрядной камеры могут иметь иную форму, при этом должно выполняться общее существенное условие выбора протяженности цилиндрических участков диэлектрических элементов вдоль направления ускорения ионов. При выполнении данного условия поверхности анода и магнитных экранов, обращенные к ускорительному каналу, должны находиться вне пределов прямой видимости с любой точки поверхностей расширяющихся частей диэлектрических элементов, обращенных к ускорительному каналу. Такое взаимное расположение участков диэлектрических элементов позволяет экранировать поток нейтральных частиц, движущихся по прямолинейным траекториям от поверхности расширяющихся участков к открытым поверхностям анода и магнитных экранов.
Поверхности расширяющихся участков диэлектрических элементов, обращенные к ускорительному каналу, наряду с конической могут иметь выпуклую или вогнутую форму или иную сложную (комбинированную) форму, образованную несколькими поверхностями: поверхности расширяющихся участков могут быть образованы по меньшей мере двумя сопряженными осесимметричными участками различных поверхностей, расположенных соосно ускорительному каналу. В частном случае поверхности расширяющихся участков могут быть образованы двумя сопряженными участками конических поверхностей.
Для оптимального расположения области с максимальным значением радиальной составляющей индукции магнитного поля в межполюсном зазоре кромки торцевых частей магнитного экрана могут быть размещены в продольном сечении ускорительного канала между отрезками прямых линий, соединяющих внутренние кромки магнитных полюсов, и отрезками прямых линий, соединяющих внешние кромки магнитных полюсов.
Снижение распыления выходной части стенок разрядной камеры может быть достигнуто за счет расположения расширяющейся выходной части ускорительного канала в направлении ускорения ионов за пределами отрезков прямых линий, соединяющих внешние кромки магнитных полюсов.
Фокусирующая топология магнитного поля определяется взаимным расположением торцевых частей магнитного экрана и магнитных полюсов. В частном случае выполнения конструкции УЗДП кромки торцевых частей магнитного экрана могут быть расположены в одной плоскости поперечного сечения ускорительного канала.
Магнитный экран может быть электрически изолирован от анода, магнитопровода и катода. При данном выполнении магнитный экран гальванически развязан от остальных элементов конструкции УЗДП, что обеспечивает возможность дополнительного управления процессами, происходящими в ускорительном канале. Для повышения эффективности ускорения ионов на отдельных режимах работы УЗДП магнитный экран, служащий стенками разрядной камеры, может находиться под плавающим потенциалом или под заданным смещением потенциала относительно анода.
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации УЗДП. На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг. 1 - схематичный продольный разрез УЗДП с диэлектрическими элементами, расширяющаяся часть которых имеет коническую форму;
на фиг. 2 - продольный разрез диэлектрических элементов с расширяющимися участками, имеющими выпуклую форму.
на фиг. 3 - продольный разрез диэлектрических элементов с расширяющимися участками, имеющими вогнутую форму.
на фиг. 4 - продольный разрез диэлектрических элементов с расширяющимися участками, имеющими сложную форму, образованную двумя сопряженными участками конических поверхностей.
на фиг. 5 - продольный разрез диэлектрических элементов с расширяющимися участками, образованными уступами цилиндрической формы.
УЗДП в примере выполнения, изображенном на фиг. 1, включает в свой состав разрядную камеру 1 с наружной и внутренней кольцеобразными стенками. Стенки камеры 1 образуют ускорительный канал 2 с открытой выходной частью. В полости ускорительного канала 2 установлен анод-газораспределитель 3, выполненный в виде совмещенного (единого) узла конструкции, одновременно выполняющего функции анода и газораспределителя УЗДП. Анод-газораспределитель 3 соединен через газоподвод 4 с системой хранения и подачи рабочего вещества, в качестве которого в рассматриваемом примере используется газообразный ксенон. С системой электропитания анод-газораспределитель 3 соединен через электроподвод 5, выполненный в виде крепежного элемента. За срезом выходной части ускорительного канала 2 установлен катод (на чертеже не показан), выполненный в виде газоразрядного источника электронов с полым катодом.
Магнитная система УЗДП включает в свой состав внутренний и наружный источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде электромагнитных катушек намагничивания 6 и 7. Со стороны выходной части ускорительного канала 2 вблизи внешней поверхности стенок разрядной камеры 1 установлены наружный и внутренний магнитные полюса 8 и 9. Элементы магнитной системы соединены между собой магнитопроводом 10, образующим магнитную цепь. Катушка намагничивания 6 установлена на внутреннем сердечнике, Катушка намагничивания 7 размещена на внешней кольцевой части магнитопровода. Полюса 8 и 9 магнитной системы образуют в выходной части ускорительного канала 2 кольцевой межполюсный зазор. Торцевая часть каждого магнитного полюса, формирующая межполюсный зазор, выполнена с внешними и внутренними кромками, расположенными с ее противоположных сторон, обращенных соответственно к катоду и аноду.
Магнитная система содержит кольцеобразный металлический магнитный экран с наружной торцевой частью 11 и внутренней торцевой частью 12. Магнитный экран охватывает ускорительный канал 2 и образует стенки разрядной камеры 1. Магнитный экран выполнен из магнитомягкого материала (сплава металлов), в частности из пермендюра, и электрически изолирован от других элементов конструкции УЗДП, в том числе от анода-газораспределителя 3, катода, магнитопровода 10 и газоподвода 4. Для гальванической развязки магнитного экрана используются диэлектрические изоляторы 13, установленные между экраном, электроподводом 5 и анодом-газораспределителем 3.
Кромки торцевых частей 11 и 12 магнитного экрана расположены в продольном сечении ускорительного канала 2 между отрезками прямых линий, соединяющих внутренние кромки магнитных полюсов 8 и 9, и отрезками прямых линий, соединяющих внешние кромки магнитных полюсов 8 и 9. При данном расположении кромок обеспечивается оптимальное смещение максимума магнитного поля в ускорительном канале 2 в направлении ускорения ионов и оптимальная топология магнитного поля в области зоны ускорения ионов. В рассматриваемом примере конструкции УЗДП кромки торцевых частей 11 и 12 магнитного экрана расположены в одной плоскости поперечного сечения ускорительного канала 2.
Вблизи торцевых частей 11 и 12 магнитного экрана установлены наружный и внутренний кольцевые диэлектрические элементы 14 и 15, выполненные из стойкой к ионному распылению керамики на основе нитрида бора. Внутренние (обращенные к ускорительному каналу) поверхности диэлектрических элементов 14 и 15 образуют выходную расширяющуюся часть ускорительного канала 2. Торцевые части цилиндрических участков диэлектрических элементов 14 и 15 расположены в полости магнитного экрана. В рассматриваемом примере конструкции УЗДП диэлектрические элементы 14 и 15 установлены в разрядной камере 1 с частичным перекрытием поверхности магнитного экрана, обращенной к ускорительному каналу 2.
Каждый диэлектрический элемент содержит сопряженные между собой цилиндрический и расширяющийся конический участки (фиг. 1 чертежей). Конические участки диэлектрических элементов 14 и 15 образуют расширяющуюся выходную часть ускорительного канала, расположенную за пределами отрезков прямых линий, соединяющих внешние кромки магнитных полюсов 8 и 9. Цилиндрические участки диэлектрических элементов 14 и 15 имеют равную длину и образуют часть ускорительного канала, расположенную в области межполюсного зазора.
Размеры диэлектрических элементов выбраны таким образом, что образующая 16 поверхности конического участка каждого диэлектрического элемента пересекает поверхность цилиндрического участка диэлектрического элемента, расположенного на противоположной торцевой части магнитного экрана. Данное условие является частным случаем выполнения общего существенного условия, согласно которому прямая линия, проведенная в плоскости продольного сечения разрядной камеры 1 между точкой сопряжения границ продольных сечений цилиндрического и расширяющегося участков каждого диэлектрического элемента и любой точкой границы продольного сечения расширяющегося участка того же диэлектрического элемента, обращенной к ускорительному каналу 2, не пересекает поверхность стенок разрядной камеры 1, образованных магнитным экраном, за пределами границ продольных сечений цилиндрических участков, обращенных к ускорительному каналу 2. В рассматриваемом варианте конструкции УЗДП (фиг. 1 чертежей) образующая 16 конической поверхности расширяющегося конического участка диэлектрического элемента 14 или 15 является, согласно существенному условию изобретения, прямой линией, проведенной в плоскости продольного сечения разрядной камеры 1 между точкой сопряжения границ продольных сечений цилиндрического и расширяющегося участков каждого диэлектрического элемента и любой точкой границы продольного сечения расширяющегося участка того же диэлектрического элемента, обращенной к ускорительному каналу 2.
Указанное существенное условие реализуется в рассматриваемом примере осуществления изобретения при выбранных углах при вершинах конических поверхностей расширяющихся конических участков диэлектрических элементов 14 и 15, равных 90°. При выбранных размерах участков диэлектрических элементов 14 и 15 образующие конических участков каждого диэлектрического элемента 14 или 15 пересекают цилиндрические участки противолежащего диэлектрического элемента.
В примере выполнения диэлектрических элементов, изображенном на фиг. 1, поверхности расширяющихся частей диэлектрических элементов 14 и 15, обращенные к ускорительному каналу имеют коническую форму, однако возможны и другие варианты формообразования поверхностей расширяющихся частей этих элементов. Примеры таких поверхностей изображены на фиг. 2-5 чертежей. При использовании выпуклых поверхностей 17, образующих расширяющуюся часть диэлектрических элементов 14 и 15 (фиг. 2 чертежей), прямые линии, проведенные в плоскости продольного сечения разрядной камеры между точкой сопряжения границ продольных сечений цилиндрического и расширяющегося участков диэлектрического элемента и любой точкой границы продольного сечения расширяющегося участка того же диэлектрического элемента, обращенной к ускорительному каналу, не пересекают поверхность стенок разрядной камеры, образованных магнитным экраном, за пределами границ продольных сечений цилиндрических участков, обращенных к ускорительному каналу.
На фиг. 2 граничная прямая линия 18, проведенная согласно существенному условию изобретения между двумя ближайшими точками сечения выпуклой поверхности 17, пересекает поверхность цилиндрической части диэлектрического элемента 15, не пересекая поверхность анода и стенок разрядной камеры, образованных магнитным экраном, за пределами границ продольных сечений цилиндрических участков, обращенных к ускорительному каналу. Данное условие реализуется за счет выбора протяженности (длины) цилиндрических участков диэлектрических элементов вдоль направления ускорения ионов. Иными словами, поверхности анода и магнитного экрана, обращенные к ускорительному каналу, должны быть расположены вне пределов прямой видимости из любой точки поверхностей расширяющихся частей диэлектрических элементов.
Указанное условие может быть реализовано при использовании вогнутых формообразующих поверхностей 19 расширяющихся частей диэлектрических элементов 14, 15 (фиг. 3 чертежей). На фиг. 3 граничная прямая линия 20, проведенная согласно указанному условию между двумя наиболее удаленными точками сечения вогнутой поверхности 19, пересекает поверхность цилиндрической части диэлектрического элемента 15, не пересекая поверхность анода и стенок разрядной камеры, образованных магнитным экраном, за пределами границ продольных сечений цилиндрических участков, обращенных к ускорительному каналу.
Условие, необходимое для осуществления изобретения, может быть также реализовано при использовании сложных формообразующих поверхностей, образованных, например, по меньшей мере двумя сопряженными осесиммтричными участками различных поверхностей, расположенных соосно ускорительному каналу. В примере осуществления изобретения, изображенном на фиг. 4, используется сложная формообразующая поверхность расширяющихся участков диэлектрических элементов в виде двух сопряженных конических поверхностей 21 и 22, расположенных соосно ускорительному каналу. Граничная прямая линия 23, проведенная согласно существенному условию изобретения, между любыми двумя точками сечения сопряженных конических поверхностей 21 и 22, является образующей конической поверхности 22. Прямая линия 23 пересекает поверхность цилиндрической части диэлектрического элемента 15, не пересекая поверхность анода и стенок разрядной камеры, образованных магнитным экраном, за пределами границ продольных сечений цилиндрических участков, обращенных к ускорительному каналу.
Формообразующие поверхности расширяющихся участков диэлектрических элементов 14 и 15, обращенные к ускорительному каналу, могут быть выполнены в форме цилиндрических уступов 24 (фиг. 5 чертежей). Данный пример формообразующей поверхности относится к случаю использования сложных поверхностей: цилиндрический уступ образован сопряженными плоской кольцеобразной и цилиндрической поверхностями. На фиг. 5 граничная прямая линия 25, проведенная согласно существенному условию изобретения между двумя наиболее удаленными точками сечения сложной поверхности цилиндрического уступа 24, пересекает поверхность цилиндрической части диэлектрического элемента 15, не пересекая поверхность анода и стенок разрядной камеры, образованных магнитным экраном, за пределами границ продольных сечений цилиндрических участков, обращенных к ускорительному каналу.
Работа УЗДП, конструкция которого изображена на фиг. 1-5 чертежей, осуществляется следующим образом.
В полость ускорительного канала 2 через анод-газораспределитель 3, к которому подключен газоподвод 4, подается рабочий газ, в качестве которого используется ксенон. При подключении катушек намагничивания 6 и 7 к источнику электропитания (на чертеже не показан) в ускорительном канале генерируется магнитное поле с заданной величиной радиальной составляющей магнитной индукции в области межполюсного зазора. За счет использования кольцеобразного магнитного экрана, охватывающего ускорительный канал 2 и образующего стенки разрядной камеры 1, магнитное поле проникает во внутреннюю полость ускорительного канала на небольшую глубину, порядка размера межполюсного зазора, концентрируясь за срезом выходной части канала.
При подключении электродов к системе электропитания между анодом-газораспределителем 3, соединенным с источником электропитания через электроподвод 5, и катодом, в качестве которого используется газоразрядный источник электронов (на чертеже не показан), прикладывается разрядное напряжение. Типичный диапазон напряжений составляет от 200 В до 1000 В. При подаче напряжения на электроды в ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле с заданной напряженностью . После выхода катода на рабочий режим и поджига вспомогательного электрического разряда, в потоке газа, движущемся от анода-газораспределителя 3 к выходной части ускорительного канала 2, зажигается и поддерживается основной разряд в скрещенных электрическом  и магнитном  полях в ускорительном канале 2.
В разрядном объеме происходит ионизация атомов рабочего газа электронами, поступающими в разряд из катода, и электронами, образующимися в разряде. Генерируемые ионы ускоряются электрическим полем  до скоростей, определяемых приложенной между электродами разностью потенциалов. Истекающий из ускорительного канала поток ионов захватывает необходимое для нейтрализации своего пространственного заряда количество электронов, эмитируемых катодом. В процессе ускорения ионов создается реактивная тяга.
При размещении магнитного экрана непосредственно в ускорительном канале расширяются возможности регулирования магнитного поля и зависящих от него параметров ускоряемого потока ионов. Торцевые части 11 и 12 магнитного экрана могут быть максимально смещены в область рабочего межполюсного зазора. В этом случае зазор между торцевыми частями магнитного экрана и магнитными полюсами ограничен в радиальном направлении толщиной стенок разрядной камеры.
Вследствие того, что кромки торцевых частей 11 и 12 магнитного экрана расположены в продольном сечении ускорительного канала 2 между отрезками прямых линий, соединяющих внутренние кромки магнитных полюсов 8 и 9, и отрезками прямых линий, соединяющих внешние кромки магнитных полюсов 8 и 9, обеспечивается более резкое нарастание индукции магнитного поля в межполюсном зазоре и смещение максимума индукции радиальной составляющей магнитного поля в выходной части ускорительного канала за пределы области размещения магнитных полюсов. Максимум индукции поля может быть смещен на максимальное расстояние при сохранении фокусирующей геометрии силовых линий магнитного поля. За счет такого смещения максимума индукции слой ионизации и ускорения ионов располагается в расширяющейся части ускорительного канала.
При расположении расширяющейся выходной части ускорительного канала, образованной расширяющимися коническими частями диэлектрических элементов 14 и 15, в направлении ускорения ионов за пределами отрезков прямых линий, соединяющих внешние кромки магнитных полюсов 8 и 9, снижается распыление выходной части стенок разрядной камеры. Данный эффект также связан с размещением слоя ионизации ускорения ионов в расширяющейся выходной части ускорительного канала.
Масштаб области спада магнитной индукции до минимального значения в полости магнитного экрана не превышает радиальное расстояние между его торцевыми частями 11 и 12. Данное пространственное распределение магнитного поля способствует улучшению качества фокусировки ионного потока, а размещение слоя ионизации и ускорения в расширяющейся части канала позволяет снизить интенсивность взаимодействия потока ионов со стенками, что в целом обеспечивает снижение скорости износа стенок разрядной камеры, повышение эффективности ускорения ионов (тяговой эффективности СПД) и ресурса УЗДП. За счет указанных эффектов можно использовать более толстые выходные участки стенок разрядной камеры (за пределами области размещения магнитных полюсов) для увеличения запаса материала стенок на износ, что также способствует увеличению ресурса УЗДП.
Решение проблемы, связанной с осаждением рыхлой диэлектрической пленки на поверхности металлического магнитного экрана и образованием скоплений мелкодисперсных частиц диэлектрического материала в ускорительном канале, обеспечивается путем профилирования выходной части ускорительного канала согласно изобретению. Профилирование обеспечивается с помощью наружного и внутреннего кольцевых диэлектрических элементов 14 и 15, внутренние поверхности которых образуют расширяющуюся выходную часть ускорительного канала. Необходимая форма канала образована сопряженными между собой цилиндрическими и коническими участками диэлектрических элементов 14 и 15 (фиг. 1 чертежей). В других варрантах выполнения формообразущей поверхности расширяющихся участков, изображенных на фиг. 2-5 чертежей, необходимая форма канала образована сопряженными между собой цилиндрическими и расширяющимися участками диэлектрических элементов 14 и 15, последние из которых могут иметь различную форму.
Расширяющаяся выходная часть канала расположена за пределами области размещения магнитных полюсов, а часть канала, образованная поверхностями цилиндрических участков диэлектрических элементов, - в области межполюсного зазора. Вследствие того, что образующая 16 (для конической поверхности) или иная граничная прямая линия 18, 20, 23 или 25 (для других форм поверхностей расширяющихся участков) пересекает поверхность цилиндрического участка диэлектрического элемента, расположенного на противоположной стенке разрядной камеры, предотвращается осаждение распыленного в расширяющейся части канала материала на поверхностях анода и магнитного экрана. Данный эффект обеспечивается из-за того, что частицы диэлектрического материала, распыленные потоком ускоренных ионов с поверхностей расширяющихся частей, осаждаются на поверхности цилиндрических участков диэлектрических элементов 14 и 15.
Большая часть ионов фокусируется в направлении ускорения потока, а остальная часть ионов отклоняется к стенкам разрядной камеры, пространственно ограничивающим зону ускорения в выходной части канала. Ускоренные ионы, попадая на стенки расширяющейся выходной части канала, распыляют поверхностный слой диэлектрика. Образующиеся частицы диэлектрика двигаются преимущественно в направлении от распыляемого поверхностного слоя, но небольшая часть частиц может перемещаться и вдоль поверхности расширяющегося участка в соответствии с широкой диаграммой направленности потока распыленных частиц. Перемещаясь в данном направлении частицы проникают в полость ускорительного канала и осаждаются на поверхности цилиндрических участков, сопряженных с расширяющимися участками диэлектрических элементов, не попадая на поверхность анода и магнитного экрана.
При перепылении диэлектрического материала с расширяющихся на цилиндрические участки диэлектрических элементов осажденный материал образует достаточно прочную однородную пленку по сравнению с рыхлой диэлектрической пленкой, образующейся в процессе осаждения диэлектрического материала на металлические элементы конструкции, размещенные в полости разрядной камеры. В результате предотвращается осаждение распыленного диэлектрического материала на металлических элементах с образованием порошкообразных мелкодисперсных частиц, существенно влияющих на рабочие характеристики, что приводит к сокращению ресурса УЗДП.
Пленка из распыленного диэлектрического материала, осаждаемая на поверхности цилиндрического участка диэлектрических элементов 14 и 15, обладает высокими адгезионными свойствами по отношению к подложке (поверхностному слою диэлектрических элементов), выполненной из того же материала. Осаждаемая прочная пленка может трескаться при тепловом воздействии и отделяться от стенок разрядной камеры в виде лепестков, которые могут попадать в разрядный объем ускорительного канала. Фрагменты пленки подвергаются воздействию вращающегося в выходной части ускорительном канале потока электронов. Однако интенсивность процессов, негативно влияющих на рабочие характеристики УЗДП, существенно снижена за счет использования профилированной выходной части канала вследствие снижения потока ионов на поверхности выходной части и соответствующего снижения потока распыленных частиц, а также из-за ориентации максимума диаграммы направленности потока распыленных частиц в направлении ускорения ионов. Поэтому вышеописанные процессы вызывает лишь кратковременное снижение тяговых характеристик УЗДП по сравнению с квазинепрерывным процессом интенсивного накопления диэлектрического порошка в полости канала, который происходит при использовании устройств-аналогов.
Таким образом, при использовании диэлектрических профилированных диэлектрических элементов, образующих выходную часть ускорительного канала, минимизируется влияние распыляемого диэлектрического материала стенок разрядной камеры на рабочие характеристики УЗДП и обеспечивается их стабильность в течение ресурса УЗДП. В результате увеличивается ресурс УЗДП и повышается эффективность ускорения ионов.
В случае использования электроизолированного магнитного экрана (фиг. 1 чертежей) появляется возможность управления процессами, происходящими в ускорительном канале, и рабочими характеристиками УЗДП. С помощью дополнительного источника электропитания (на чертеже не показан) на экран может подаваться отрицательное относительно анода смещение потенциала. При таком распределении потенциалов в полости ускорительного канала уменьшаются потери электронов на стенках разрядной камеры.
Одновременное подключение электродов и магнитного экрана к основному и дополнительному источнику электропитания позволяет перевести УЗДП в двухступенчатый режим работы. Разряд первой ступени организуется между анодом-газораспредлеителем 3 и магнитным экраном, а разряд второй ступени - между магнитным экраном и катодом. При данном режиме работы УЗДП повышается эффективность ускорения ионов (тяговая эффективность СПД).
В рассматриваемом варианте конструкции УЗДП кромки торцевых частей 11 и 12 магнитного экрана расположены в одной плоскости поперечного сечения ускорительного канала, что обеспечивает фокусирующую геометрию силовых линий магнитного поля в области межполюсного зазора. Вследствие того, что силовые линии магнитного поля близки к эквипотенциалям электрического поля, улучшается фокусировка ускоренных ионов вдоль срединной линии ускорительного канала.
Вышеописанный пример осуществления изобретения основывается на конкретном варианте конструкции УЗДП, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях осуществления изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы. В зависимости от заданных рабочих характеристик УЗДП и требуемых режимов работы выбираются размеры, материалы и количественный состав элементов конструкции. Так, например, могут использоваться один или пять несколько источников магнитодвижущей силы, выполненных в виде электромагнитных катушек намагничивания или постоянных магнитов.
В частности, наружные источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде электромагнитных катушек намагничивания с магнитопроводящими сердечниками, могут быть равномерно расположены по окружности с внешней стороны разрядной камеры. Анод и газораспределитель могут быть выполнены в виде отдельных блоков, последовательно расположенных в полости разрядной камеры. В качестве фоормообразущей поверхности расширяющихся участков диэлектрических элементов могут использоваться различные поверхности при выполнении существенного условия изобретения, определяющего длину цилиндрических участков в зависимости от формы внутренней поверхности расширяющихся участков диэлектрических элементов.
В зависимости от размеров ускорительного канала, которые, выбираются на основании заданных (расчетных) рабочих характеристик УЗДП, рассчитываются размеры и геометрия наружного и внутреннего кольцевых диэлектрических элементов в соответствии с существенным условием изобретения, определяющим взаимное расположение поверхностей цилиндрического и расширяющегося участков. Расстояние между кромками магнитных полюсов и близлежащими торцевыми частями магнитного экрана выбирается в каждом конкретном случае исходя из требуемого положения ускоряющего слоя с максимальным значением индукции магнитного в выходной части ускорительного канала. Положение ускоряющего слоя, в свою очередь, определяется на основании заданных значений рабочих характеристик УЗДП и требуемой фокусировки потока ускоренных ионов.
При отсутствии необходимости управления потенциалом магнитного экрана или при малой площади поверхности экрана, обращенной к полости ускорительного канала, он может быть выполнен без электрической изоляции и соединен с анодом. Возможен также вариант выполнения конструкции, при котором электроизолированный магнитный экран будет находиться под плавающим потенциалом в процессе работы УЗДП.
Использование в различных модификациях конструкции УЗДП ускорительного канала с профилированной выходной частью, выполненной из диэлектрического материала, и размещение металлического магнитного экрана непосредственно в полости ускорительного канала позволяет повысить эффективность ускорения ионов и увеличить ресурс УЗДП. Согласно приведенному выше описанию примеров осуществления изобретения технический результат достигается за счет улучшения топологии магнитного поля в ускорительном канале и снижения вероятности осаждения рыхлой диэлектрической пленки на поверхностях анода и магнитного экрана и последующего образования скопления мелкодисперсных частиц диэлектрического материала в ускорительном канале.
УЗДП, выполненные согласно изобретению, могут применяться в технологических процессах, связанных с поверхностной ионно-плазменной обработкой, и в качестве СПД, используемых в составе электроракетных двигательных установок на борту космических аппаратов, имеющих различные функциональные назначения.