СПОСОБ ПЕРФОРАЦИИ ОТВЕРСТИЙ В ЭЛЕКТРОДАХ ИОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD OF PERFORATING HOLES IN ELECTRODES OF ION OPTICAL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области плазменной техники, а именно к ионным системам, и может быть использовано в области ракетно-космической техники, при разработке, изготовлении и сборке ионно-оптической системы (ИОС) ионных двигателей (ИД), ионных пушек и ускорителей.
ИОС является конструктивно и технологически наиболее сложным и ответственным элементом ИД. Она состоит, как правило, из эмиссионного, ускоряющего и замедляющего электродов, в которых выполнены отверстия, причем обычно отверстия в каждом из электродов имеют свой, отличный от отверстий в других электродах, диаметр. Одной из наиболее важных проблем при изготовлении и сборке ИОС ИД является обеспечение точности изготовления электродов ИОС, обеспечение как зазора между электродами, так и соосности отверстий в электродах.
Изменение зазора между электродами на 10% по сравнению с расчетным номинальным значением приводит к падению плотности тока до 5%, отклонение диаметра отверстий в электродах от номинального на 2,5% приводит к снижению плотности тока на 2-6,5%, отклонение сосности между отверстиями на 2,5% приводит к падению плотности тока до 5%. Кроме того, плохо сфокусированный пучок ионов приводит к распылению стенок отверстий в электродах, что в итоге ведет к ухудшению параметров ИД. Все это требует особого внимания, создает существенные трудности при проектировании, изготовлении и сборке ИОС ИД.
Известен способ перфорации отверстий ионно-оптической системы, содержащей эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды. Способ включает послойную укладку углеродных волокон или углеволоконной ткани на рабочую поверхность формообразующего элемента (патент РФ №2543063 (2013 г.) "Способ изготовления электродов ионно-оптической системы" - аналог; Лесневский Л.Н. Технология производства космических двигателей и энергоустановок с использованием наноматериалов: Учебно-методический комплекс / Л.Н. Лесневский, В.Н. Тюрин. - Калуга, Москва: Изд-во «Эйдос», 2011. - 482 с.; - прототип).
Такой способ перфорации ионно-оптической системы обладает следующими недостатками:
- сложность обеспечения соосности между отверстиями в электродах при сборке;
- сложность обеспечения соосности между отверстиями в электродах, связанной с учетом термического смещения;
- сложность обеспечения соосности между отверстиями в электродах, связанной с учетом выпуклости (коробления) самих электродов;
- высокие требования к точности изготовления электродов;
- ограниченность параметров геометрических форм отверстий.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:
- упрощение обеспечения соосности между отверстиями в электродах при сборке ИОС;
- упрощение обеспечения соосности между отверстиями в электродах с учетом термического смещения;
- упрощение обеспечения соосности между отверстиями, связанной с учетом выпуклости (коробления) самих электродов;
- снижение требований к точности изготовления электродов;
- расширение параметров геометрических форм отверстий в электродах.
В предлагаемом изобретении технический эффект достигается тем, что в известном способе перфорации отверстий в электродах ионно-оптической системы, основанном на формировании ионных пучков с последующим их воздействием на обрабатываемую поверхность электрода, согласно изобретению перед воздействием ионных пучков на обрабатываемую поверхность собирают ионно-оптическую систему, включая эмиссионный электрод, затем формируют разряд, создавая поток ионов, и направляют его через отверстия эмиссионного электрода на обрабатываемую поверхность электрода, где ионы распыляют материал электрода в точках воздействия.
Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря ей появляется возможность обеспечить высокую точность изготовления перфорированной решетки электродов ионно-оптической системы, минимизировав время на ее изготовление и последующую настройку (юстировку) соосности отверстий между электродами во время сборки.
Предлагаемая «технология» перфорации электродов ионно-оптической системы иллюстрируется на фиг. 1 (общая схема), на фиг. 2, 3 представлен элемент ионно-оптической системы, где:
1 - эмиссионный электрод;
2 - ускоряющий электрод;
3 - замедляющий электрод;
4 - внутренний фланец эмиссионного электрода;
5 - внешний фланец эмиссионного электрода;
6 - отверстия в эмиссионном электроде;
7, 14 - регулировочная шайба;
8, 9, 12, 13 - керамический изолятор;
10, 11 - винт;
15 - ионный пучок;
16 - отверстия в ускоряющем электроде;
УЭ
I - сила тока ускоряющего электрода;
ЭЭ
I - сила тока эмиссионного электрода.
Ионно-оптическая система состоит из эмиссионного электрода 1 с отверстиями 5, формирующими апертурную сетку, и ускоряющего 2 электрода, фланцев 3, 4 эмиссионного электрода, керамических изоляторов 6, 8, регулировочных шайб 7. Изолятор между электродами для исключения пробоев из-за распыления материала ускоряющего электрода может быть закрыт металлической сеткой.
Принцип изготовления отверстий ускоряющего электрода для ионно-оптической системы заключается в следующем.
Ионно-оптическую систему (ИОС) в сборе с газоразрядной камерой (ГРК) помещают в вакуумную камеру. В ГРК зажигается плазменный разряд. На готовый перфорированный ЭЭ 1 и обрабатываемый УЭ 2 подается разность напряжений. Появившиеся ионные пучки бомбардируют УЭ 2, начиная распыление материала (фиг. 2).
Вследствие длительного воздействия ионных пучков на УЭ 2 начнут образовываться отверстия (фиг. 3). Данный метод повышает точность соосности отверстий даже с учетом термического смещения. При этом качество и форма отверстий в электродов ЭЭ не имеет значение.
УЭ
ЭЭ
УЭ
ЭЭ
УЭ
УЭ
ЭЭ
Для уточнения готовности отверстий УЭ с электродов снимаются показания силы токов I и I. В начале изготовления отверстий I=I, так как весь заряд ионов оседает на УЭ. При выполнении операции ионные пучки начнут пробивать и проходить сквозь образующиеся отверстия (фиг. 2). В результате этого сила тока УЭ I начнет падать (фиг 3.). Отверстия УЭ считаются окончательно готовыми, когда I<0,1⋅I (фиг. 4).
Изготовление перфорационной сетки данным методом позволит увеличить высокую точность соосности между отверстиями электродов при сборке. А так как для перфорации УЭ требуется только один готовый ЭЭ, то это уменьшает требования к точности изготовления самого ЭЭ, что снижает стоимость затрат на изготовление электродов.
Таким образом, благодаря использованию изобретения обеспечивается изготовление отверстий электродов ионно-оптической системы с минимальным отклонением соосности отверстий между электродами от номинального расчетного значения, что обеспечит минимальный разброс параметров и характеристик ионно-оптической системы для любых геометрических форм электродов.