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, обеспечивающую ионизацию рабочего тела в разряде, горящем между катодом и анодом; 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 этих потоков 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 ионно-оптической системы и обрабатываемые поверхности в случае применения данного двигателя в качестве источника высокоэнергетичных потоков частиц в технологических задачах. Кроме того использование химически активных газов или их примесей в рабочем теле приводит к выходу из строя катода газоразрядной камеры.
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), который содержит разрядную камеру, выполненную из диэлектрического материала с расширяющимся в продольном направлении поперечным сечением, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, индуктор, размещенный на ее наружной поверхности, средство генерации высокочастотного электрического разряда в полости разрядной камеры, ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, и катод-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 негативными 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.
Результат достигается тем, что ионно-плазменный двигатель, содержащий разрядную камеру, выполненную из диэлектрического материала с расширяющимся в продольном направлении поперечным сечением, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, индуктор, размещенный на ее наружной поверхности, средство генерации высокочастотного электрического разряда в полости разрядной камеры, ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, и катод-нейтрализатор, снабжен магнитной системой, содержащей осесимметричный магнитопровод, включающий оболочку, охватывающую индуктор, и осесимметричные магнитные полюса, один из которых образован замедляющим электродом, выполненным из магнитомягкого материала, а другой примыкает к оболочке с ее противоположной стороны.
Достигаемый положительный эффект будет возрастать, если магнитная система будет снабжена источником магнитной индукции в виде постоянного магнита, образованного осесимметричным элементом поперечного сечения оболочки, намагниченным в осевом направлении.
Сущность предложенного решения в полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена общая схема ионно-плазменного двигателя в виде продольного разреза.
Ионно-плазменный двигатель состоит из разрядной камеры 1, узла подачи газообразного рабочего вещества 2 в разрядную камеру, индуктора 3, ионно-оптической системы с эмиссионным электродом 4, ускоряющим электродом 5 и выходным замедляющим электродом 6. Ускоряющий электрод 5 электрически соединен с отрицательным полюсом источника 7. На выходе из двигателя установлен катод-нейтрализатор 8, подключенный к источнику 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 стенок внутренней поверхности разрядной камеры может быть различной и определяется требованием обеспечения высокой степени ионизации рабочего вещества. Двигатель снабжен магнитной системой, содержащей осесимметричный магнитопровод, включающий магнитопроводящую оболочку 13 с магнитными полюсами. Первый магнитный полюс образован замедляющим электродом 6, который в этом случае выполняется из магнитомягкого материала. Второй магнитный полюс 14 примыкает к оболочке 13 с противоположной стороны. Магнитная система может содержать источник магнитной индукции, например, в виде постоянного магнита 15, который по форме является элементом поперечного сечения оболочки 13 и намагничен в осевом направлении.
При подаче рабочего вещества через узел подачи 2 разрядной камеры 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. Разрядная камера содержит в своем объеме только один 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. Анод 10 может быть электрически соединен с эмиссионным электродом 4 в случае выполнения его электропроводящим.
Катод-нейтрализатор 8 служит для инжекции электронов в истекающий из двигателя поток ионов и представляет собой самостоятельный плазменный источник электронов.
В 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, применяемого в космической технике 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.
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 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.
-6
Вероятность рекомбинации ионов за счет присоединения электрона близка к нулю. Ступенчатые процессы ионизации с практически важной вероятностью возможны лишь в случае возбуждения метастабильных состояний, время жизни которых ≈10с примерно на два порядка выше, чем остальных состояний.
Особенностью данного двигателя являются значительные потери мощности в процессах ионизации. Так вследствие конструктивной целесообразности размещение индуктора 3 вне объема разрядной камеры 1, способствует половинной потери высокочастотной мощности при ее рассеянии во внешнее пространство. 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.
Использование в предложенном техническом решении магнитопровода, который охватывает индуктор и ионно-оптическую систему, позволяет «собрать» рассеянную во вне разрядной камеры мощность и направить ее для создания дополнительного магнитного потока, что увеличивает значение индукции магнитного поля и способствует повышению энергии электронов и, соответственно, степени ионизации рабочего вещества. По сути указанный магнитопровод выполняет роль магнитного экрана, который кроме того способствует снижению возмущений в конфигурации магнитного поля в разрядной камере, а неизбежное «запаздывание» в перемагничивании такого экрана облегчает перевод энергии вращающихся электронов на формирование вихревого электрического поля во время изменения направления их движения из-за смены полярности переменного магнитного поля.
Возможное выполнение части оболочки в виде постоянного магнита позволяет использовать его предварительную осевую намагниченность для создания в разрядной камере продольное аксиальное постоянное магнитное поле, что облегчает условия зажигания разряда. При этом из-за сильного гистерезиса при перемагничивании магнитотвердого материала высокочастотный ток в индукторе не сможет полностью «размагнить» материал постоянного магнита.
Таким образом, в целом полезная модель позволяет повысить эффективность высокочастотного ионно-плазменного двигателя при сохранении высокой эффективности извлечения и формирования ускоренных потоков ионов.