ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к плазменной технике 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 технологических задачах.
Наиболее близким аналогом предложенной модели является ионно-плазменный двигатель (Groh K.H., Loeb H.W State-of-the-Art Radio-Frequency Ion Thruster // J. Propulsion. - Vol. 7, No. 4, Jule-August 1991, p. 576), который содержит разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации высокочастотного электрического разряда в полости разрядной камеры и ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, при этом эмиссионный и ускоряющий электроды выполнены в виде круглых перфорированных пластин с совмещаемыми подобными и соосными отверстиями, а замедляющий электрод выполнен в виде электропроводящего кольца, за которым 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 формы и числа витков индуктора. В то же время в электродах ионно-оптической системы при воздействии переменного электромагнитного поля наводятся вихревые токи, которые снижают эффективность увеличения энергии электронов, находящихся вблизи их поверхности. Кроме того наличие короткозамкнутого витка в виде относительно массивных электрододержателей приводит к тому, что витки индуктора, примыкающие к узлу ионно-оптической системы способствуют нагреву конструкции и практически не участвуют в процессах повышения энергии электронов, т.е. в процессах ионизации.
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.
Данные технические результаты достигаются тем, что, в ионно-плазменном двигателе, содержащем разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации высокочастотного электрического разряда в полости разрядной камеры и ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, при этом эмиссионный и ускоряющий электроды выполнены в виде круглых перфорированных пластин с совмещаемыми подобными и соосными отверстиями, а замедляющий электрод выполнен в виде электропроводящего кольца, за которым по ходу ионного потока установлен нейтрализатор, по крайней мере, одна из перфорированных пластин электродов ионно-оптической системы выполнена, по крайней мере, с одной радиально ориентированной прорезью от внешней стороны пластины к ее центру, причем ширина прорези равна или превышает наименьший размер отверстий в этой пластине.
Влияние указанной радиально ориентированной прорези максимально в случае, когда ее началом является центр пластины.
Усилению эффекта от выполнения прорези способствует выполнение отверстий в пластинах щелеобразными с постоянной шириной, вытянутыми в радиальном направлении и расположенными группами по концентрическим кольцам в плоскости пластин, при этом более протяженные отверстия по одному из концентрических колец осесимметрично расположены между менее протяженными отверстиями по другим концентрическим кольцам. При этом отверстия в центральной части пластин могут быть выполнены круглой формы.
Кроме того электропроводящее кольцо замедляющего электрода может быть также выполнено, по крайней мере, с одной радиально ориентированной прорезью.
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 изображена перфорированная пластина одного из электродов ионно-оптической системы с обычными круглыми отверстиями и с радиально ориентированной прорезью, на фиг.3 изображен вариант выполнения перфорированной пластины с щелеобразными отверстиями.
Ионно-плазменный двигатель (фиг.1) состоит из разрядной камеры 1, узла подачи 2 газообразного рабочего вещества с газоэлектрической развязкой, индуктора 3, ионно-оптической системы с эмиссионным электродом 4, ускоряющим электродом 5 и выходным замедляющим кольцевым электродом 6. Ускоряющий электрод 5 электрически соединен с отрицательным полюсом источника 7. На выходе из двигателя установлен нейтрализатор 8, подключенный к источнику электропитания 9. Внутри разрядной камеры 1 расположен анод 10, соединенный с положительным полюсом источника 11. Индуктор 3, размещенный с наружной стороны разрядной камеры 1, соединен с высокочастотным генератором 12. Корпус разрядной камеры 1 выполнен из диэлектрического материала с малым тангенсом диэлектрических потерь. Форма корпуса может быть различной и определяется требованием обеспечения высокой степени ионизации рабочего вещества. Обычно используют коническую, сферическую или эллиптическую формы. Индуктор 3 выполнен, как правило, в виде медной трубчатой спирали с относительно небольшим числом витков.
Эмиссионный 4 и ускоряющий 5 электроды ионно-оптической системы выполнены в виде перфорированной пластины 13 (фиг.2, 3) из электропроводящего материала. Перфорация пластин образована круглыми отверстиями 14 (фиг.2) или щелеобразными отверстиями 15 (фиг.3) с постоянной шириной. Щелеобразные отверстия вытянуты в радиальном направлении и расположены группами по концентрическим кольцам в плоскости пластины. Более протяженные отверстия 16 осесимметрично расположены между менее протяженными отверстиями 15. При этом центральные отверстия 17 выполнены круглыми. Замедляющий электрод 6 выполнен в виде электропроводящего кольца, установленного на выходе из ионно-оптической системы и имеющего прорезь в радиальном направлении. Перфорированная пластина с круглыми отверстиями (фиг. 1) выполнена с прорезью 18 от края пластины до ее центра.
При подаче рабочего тела через узел подачи 2 внутрь диэлектрического корпуса 1 и запитывании индуктора 3 током переменной частоты от высокочастотного генератора 12 в разрядной камере 1 зажигается разряд. Данный разряд является индуктивным и самостоятельным. При этом переменный ток, протекающий в индукторе, 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 видно из фиг. 1, разрядная камера содержит в своем объеме только электрод - анод 10, служащий для удаления из разряда избыточных электронов. Этот электрод 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.
Нейтрализатор 8 служит для инжекции электронов в истекающий из двигателя пучок ионов и представляет собой самостоятельный плазменный источник электронов.
В самом общем виде рабочий процесс в разрядной камере может быть описан следующим образом.
Высокочастотные токи в индукторе 3 генерируют в объеме разрядной камеры 1 магнитное поле, которое индуцирует электрическое высокочастотное поле, ускоряющее в разрядной плазме электроны, осциллирующие с частотой поля и аккумулирующие энергию поля, тратя ее на неупругие столкновения с тяжелыми частицами (атомом или ионом), вызывая возбуждение или ионизацию тяжелых частиц. Каждое такое столкновение приводит к потере некоторого кванта энергии. 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. Последняя зависит от равновесного потенциала плазмы относительно стенок, который устанавливается автоматически. Избыточные электроны выпадают на анод 10 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 за счет присоединения электрона близка к нулю. Ступенчатые процессы ионизации с практически важной вероятностью возможна лишь в случае возбуждения метастабильных состояний, время жизни которых ≈10 с примерно на два порядка выше, чем остальных состояний.
Снижению эффективности процессов ионизации способствует рассеяние высокочастотной мощности, подводимой к плазме. Это происходит как вследствие конструктивной целесообразности размещения индуктора 3 вне объема разрядной камеры 1, что является причиной половинной потери высокочастотной мощности при ее рассеянии во внешнее пространство, так и возникновении потерь из-за кольцевых вихревых токов, возникающих в электропроводящих элементах и, в частности, в электродах и узлах ионно-оптической системы.
Изготовление конструктивных элементов ионно-оптической системы с радиальными прорезями позволяет сократить потери высокочастотной мощности на создание кольцевых вихревых токов в них. При этом выполнение перфорированных пластин электродов с радиально ориентированной прорезью (см. фиг. 2) от внешней стороны пластины к ее центру не снижает эффективности извлечения ионов, если ширина прорези равна или превышает наименьший размер отверстий в этой пластине, выбранный из условия непропускания электронов в межэлектродный зазор.
Выполнение электропроводящего кольца замедляющего электрода с радиально ориентированной прорезью также не оказывает существенного влияния на извлечение ионов. Так при включении плазменного источника электронов 8, электроды которого подключаются к источнику электропитания 9, осуществляется инжекция электронов в поток ускоренных ионов за внешней поверхностью замедляющего электрода 6. Граница внешней квазинейтральной плазмы устанавливается за отверстием в замедляющем электроде 6. В результате на внешней поверхности электрода 6 фиксируется потенциал нейтрализатора, равный нулю. Наличие радиальной щели в электроде 6 не оказывает существенного влияния на данный процесс.
С целью повышения прочностных свойств перфорированных пластин отверстия в пластинах можно выполнять щелеобразными с постоянной шириной (см. фиг.3). Эти отверстия 15, 16 вытянуты в радиальном направлении и расположены группами по концентрическим кольцам в плоскости пластин, при этом более протяженные отверстия по одному из концентрических колец осесимметрично расположены между менее протяженными отверстиями по другим концентрическим кольцам. При этом отверстия в центральной части пластин можно выполнять круглой формы, поскольку влияние высокочастотного поля в данной области невелико, и вихревые токи, формируемые здесь, незначительны.
Таким образом, в целом полезная модель позволяет повысить эффективность ионно-плазменного двигателя при сохранении высокой эффективности извлечения и формирования ускоренных потоков ионов.