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

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДЭ), применяемых в качестве электрореактивных двигателей, в частности в качестве стационарных плазменных двигателей, а также в составе технологических плазменных установок, предназначенных для ионно-плазменной обработки материалов в вакууме.
Принцип работы УЗДЭ основан на ускорении ионов в кольцевом ускорительном канале, образованном в разрядной камере, в котором инициируется разряд со скрещенными электрическим и магнитным полями. Магнитная система УЗДЭ выполняется таким образом, чтобы вектор индукции  магнитного поля в полости кольцевого ускорительного канала имел преимущественно радиальное направление. Между анодом и катодом, которые размещаются у противоположных торцов разрядной камеры, прикладывается разрядное напряжение. В результате в кольцевом ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле с напряженностью . Электрический разряд зажигается в потоке газа, например ксенона, движущегося в ускорительном канале в направлении от анода, выполняющего обычно функцию газораспределителя, к открытой торцевой части разрядной камеры. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. Величина индукции магнитного поля выбирается таким образом, чтобы ионы были не замагничены, и магнитное поле слабо влияло на движение ионов в продольном направлении в полости ускорительного канала. При этом величина индукции магнитного поля должна быть достаточной для замагничивания электронов в ускорительном канале. При указанных условиях движение электронов происходит преимущественно в азимутальном направлении перпендикулярно векторам  и . Вместе с тем, вследствие столкновения электронов с атомами и ионами рабочего газа а также со стенками разрядной камеры, происходит постепенное смещение электронов вдоль направления действия электрического поля. При этом электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации рабочего газа при типичных для УЗДЭ разрядных напряжениях: от 200 В до 1000 В («Плазменные ускорители» под редакцией Л.А.Арцимовича, М., «Машиностроение», 1973 г., стр.54-95).
Энергетическая эффективность УЗДЭ ограничена из-за высокой расходимости потока ускоренных ионов в ускорительном канале. Ускоренные ионы, сталкиваясь со стенками разрядной камеры, распыляют поверхностный слой стенок и исключаются из общего направленного движения ионов рабочего вещества. Данное явление приводит к дополнительным потерям мощности электрического разряда и к интенсивной эрозии стенок разрядной камеры. Вследствие этого снижается тяговая эффективность и ресурс плазменных двигателей, созданных на основе УЗДЭ. Так, например, тяговый КПД плазменного двигателя типа СПД-100 составляет ~0,5 при величине удельного импульса двигателя 16 км/с. Ресурс такого двигателя не превышает 5000 часов.
С целью устранения негативных явлений, связанных с существенной расходимостью ионов в ускорительном канале УЗДП, применяются устройства, предназначенные для концентрации пучка ионов. Так, в частности, в патенте RU 2163309 (МПК: F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубликован 20.02.2001) описана конструкция УЗДЭ, включающего в свой состав устройство, обеспечивающее формирование узконаправленного потока ускоренных ионов в заданном направлении. Устройство содержит расширенный магнитный полюсный наконечник в форме усеченного конуса, который установлен за срезом ускорительного канала. Дополнительная периферийная магнитная цепь соединяет расширенный полюсный наконечник с наружным полюсным наконечником магнитной системы. Периферийная магнитная цепь снабжена источником магнитодвижущей силы. С помощью дополнительного полюса магнитной системы, формирующего кольцеобразную корректирующую магнитную линзу за срезом ускорительного канала, большая часть ионов в генерируемом потоке ограничивается конической поверхностью, границы которой определяются геометрическими характеристиками расширенного полюсного наконечника (полюса) магнитной системы.
Следует отметить, что использование для регулирования потока ионов дополнительного магнитного полюса, расположенного за пределами ускорительного канала, не исключает возможности расхождения потока ионов в самом ускорительном
канале и связанные с этим потери мощности разряда, а также эрозию стенок разрядной камеры.
Наиболее близким аналогом изобретения является УЗДЭ, конструкция которого раскрыта в патенте RU 2119275 (МПК: F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубликован 20.09.1998). Устройство содержит разрядную камеру с наружной и внутренней диэлектрическими стенками. Стенки камеры образуют замкнутый в азимутальном направлении ускорительный канал с закрытой торцевой частью и открытой выходной частью. Анод-газораспределитель плазменного ускорителя установлен в полости ускорительного канала со стороны его закрытой торцевой части. Катод-компенсатор размещен за срезом ускорительного канала. Магнитная система включает в свой состав источники магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружные и внутренние магнитные полюса и магнитные экраны, выполненные из магнитомягкого материала. Экраны окружают ускорительный канал со стороны его закрытой торцевой части. Магнитные полюса замкнуты в азимутальном направлении и расположены вдоль стенок разрядной камеры с их внешних сторон. Расстояние между близлежащими полюсами выбирается не более полуширины ускорительного канала для организации работы магнитных полюсов как единой системы. Полюса образуют несколько межполюсных зазоров вдоль ускорительного канала, при этом один из межполюсных зазоров расположен у среза ускорительного канала, а другой - между анодом-газораспределителем и первым межполюсным зазором.
Относительное сближение магнитных полюсов и межполюсных зазоров вдоль ускорительного канала позволяет обеспечить в известном УЗДЭ взаимное влияние магнитных полей, создаваемых в соседних межполюсных зазорах. Снижение потерь энергии и уменьшение плотности потока ионов, направленного на стенки разрядной камеры, связывается в известном техническом решении с увеличением скорости спадания магнитного поля в направлении к аноду. Величина индукции магнитного поля имеет максимальное значение вблизи среза ускорительного канала. При этом магнитное поле спадает с большей скоростью в направлении анода, чем в направлении выходного сечения ускорительного канала.
Данный эффект связан с использованием магнитной системы, обеспечивающей смещение рабочей зоны в ускорительном канале к срезу канала. При использовании такой системы магнитные силовые линии имеют сильно выпуклую форму в направлении к аноду. Вследствие этого возникает неоднородная ионизация атомов рабочего вещества вдоль силовых линий поля и образуются радиальные электрические поля, направленные к стенкам разрядной камеры. Возникающие радиальные электрические поля являются причиной направленного движения ионов из области ионизации и ускорения к стенкам разрядной камеры.
Изобретение направлено на уменьшение потока ускоренных ионов, направленного на стенки разрядной камеры. Решение данной технической задачи позволяет существенно повысить величину тягового КПД (тяговой эффективности) и увеличить ресурс УЗДЭ.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается с помощью УЗДЭ, который включает в свой состав разрядную камеру с наружной и внутренней диэлектрическими стенками, образующими замкнутый в азимутальном направлении ускорительный канал с закрытой торцевой частью и открытой выходной частью. Ускоритель содержит также анод и газораспределитель, установленные в полости ускорительного канала со стороны его закрытой торцевой части. Анод и газораспределитель могут быть выполнены в виде единого узла конструкции, называемого анодом-газораспределителем. Катод-компенсатор устанавливается за срезом ускорительного канала.
Согласно изобретению магнитная система плазменного ускорителя включает в свой состав, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, две пары наружных и внутренних магнитных плюсов и магнитные экраны. Экраны выполняются из магнитомягкого материала, размещаются с внешней стороны каждой стенки разрядной камеры и окружают ускорительный канал со стороны его закрытой части. Магнитные полюса имеют замкнутую в азимутальном направлении форму и устанавливаются с внешней стороны каждой стенки разрядной камеры. Первая пара магнитных полюсов образует первый межполюсный зазор у среза ускорительного канала. Вторая пара магнитных полюсов образует второй межполюсный зазор в области между анодом и срезом ускорительного канала.
Существенное значение имеет то, что магнитные полюса второй пары установлены с образованием зазоров относительно магнитных полюсов первой пары и относительно магнитных экранов. Протяженность магнитных полюсов второй пары вдоль ускорительного канала составляет не менее половины ширины ускорительного канала. Торцевые плоскости магнитных полюсов второй пары со стороны среза ускорительного канала совпадают с плоскостью поперечного сечения ускорительного канала, проходящей через зазор между близлежащими торцевыми плоскостями магнитных экранов и магнитных полюсов первой пары.
Описанное выше выполнение магнитной системы УЗДЭ позволяет создать конструкцию, в которой магнитные полюса второй пары, расположенные между срезом ускорительного канала и анодом, не связаны магнитопроводящими элементами с другими узлами и деталями магнитной системы и, вследствие этого, находятся под плавающими магнитными потенциалами. С помощью второй пары магнитных полюсов в укорительном канале перед областью, в которой с помощью первой пары магнитных полюсов формируется магнитное поле с линзоподобной конфигурацией силовых линий, создается магнитное поле с преимущественно радиальным направлением вектора индукции поля со стороны анода. При этом область с линзоподобной конфигурацией магнитных силовых линий остается смешенной в направлении ускорения ионов относительно плоскости расположения первой пары магнитных полюсов.
За счет данной конфигурации магнитного поля в ускорительном канале зона ионизации смещается по направлению к аноду относительно первого межполюсного зазора. Вследствие этого формируется плазмооптическая система, позволяющая сфокусировать ускоренный поток ионов и уменьшить расходимость потока ионов в ускорительном канале. Данные явления обеспечивают, в свою очередь, снижение потерь энергии ионов на стенках разрядной камеры, а также уменьшение скорости износа (эрозии) стенок.
Магнитные полюса второй пары могут быть установлены на поверхностях стенок разрядной камеры, которые обращены к ускорительному каналу, или на поверхностях стенок, которые обращены к магнитным экранам. В последнем случае магнитные полюса второй пары могут быть электрически соединены с анодом, например, с помощью элементов крепления, которые выполняются из немагнитного материала, например из нержавеющей стали.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения конструкции УЗДЭ. На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - изображен продольный разрез УЗДЭ с магнитными полюсами, размешенными на поверхностях стенок разрядной камеры, которые обращены к магнитным экранам;
на фиг.2 - изображен местный разрез разрядной камеры УЗДЭ с магнитными полюсами, расположенными на поверхностях стенок, которые обращены к ускорительному каналу (в увеличенном масштабе).
Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов в варианте конструкции, изображенном на фиг.1 чертежей, содержит разрядную камеру 1 с азимутально замкнутыми наружной и внутренней диэлектрическими стенками 2 и 3. Ускорительный канал, образованный стенками 2 и 3, имеет закрытую торцевую часть и выходную часть со стороны среза канала. Стенки 2 и 3 со стороны среза ускорительного канала выполнены с утолщениями. Анод и газораспределитель конструктивно объединены в одном узле - аноде-газораспределителе 4, который установлен в ускорительном канале со стороны его закрытой части. Катод-компенсатор размещен со стороны среза ускорительного канала (на чертеже не показан).
Магнитная система включает в свой состав центральный и периферийные источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде электромагнитных катушек намагничивания 5 и 6. Магнитопровод выполнен в виде сборки, состоящей из магнитопроводящих элементов 7 и сердечников 8 и 9, которые образуют магнитную цепь. Наружный и внутренний магнитные экраны 10 и 11, включенные в магнитную цепь, расположены с внешних сторон стенок 2 и 3 соответственно. Экраны 10 и 11 выполнены из магнитомягкого материала, например из электротехнической стали, и окружают ускорительный канал со стороны его закрытой части.
Первая пара магнитных полюсов, образующих первый межполюсный зазор, состоит из наружного полюса 12 и внутреннего полюса 13. Полюса 12 и 13 замкнуты в азимутальном направлении и установлены у среза ускорительного канала с внешних сторон стенок 2 и 3 соответственно. Вторая пара магнитных полюсов, образующих второй межполюсный зазор, состоит из наружного полюса 14 и внутреннего полюса 15. Полюса 14 и 15 также замкнуты в азимутальном направлении и установлены между анодом-газораспределителем 4 и срезом ускорительного канала. В примере реализации изобретения в конструкции УЗДЭ, изображенном на фиг.1 чертежей, магнитные полюса 14 и 15 установлены на поверхностях стенок 2 и 3, которые обращены к магнитным экранам 10 и 11. В рассматриваемом примере полюса 14 и 15 электрически изолированы от анода-газораспределителя 4.
Магнитные полюса 14 и 15 второй пары расположены с образованием зазоров относительно магнитных полюсов 12 и 13 первой пары и относительно магнитных экранов 10 и 11. Зазоры обеспечиваются с помощью элементов крепления 16 и 17, выполненных из немагнитного материала, которые фиксируют положение полюсов 14 и 15 относительно других элементов магнитной системы. Элементы крепления 16 и 17 расположены в азимутально замкнутых зазорах между поверхностями полюсов 14 и 15 второй пары, полюсов 12 и 13 первой пары и торцевых частей магнитных экранов 10 и 11.
Протяженность магнитных полюсов 14 и 15 вдоль ускорительного канала в рассматриваемом примере равна ширине канала. Торцевые плоскости полюсов 14 и 15 со стороны среза ускорительного канала совпадают с плоскостью поперечного сечения ускорительного канала, проходящей через зазор между близлежащими торцевыми плоскостями магнитных экранов 10 и 11 и полюсов 13 и 15 первой пары. Для крепления УЗДЭ, например, на кронштейне двигательного блока, торцевая часть магнитопровода выполняется с выступом 18.
В другом варианте конструкции УЗДЭ, изображенном на фиг.2 чертежей, используются магнитные полюса 19 и 20 второй пары, которые выполнены в виде азимутально замкнутых элементов конструкции сложной формы. Полюса 19 и 20 установлены на поверхностях стенок 2 и 3 разрядной камеры 1, обращенных к ускорительному каналу. Полюса 19 и 20 зафиксированы в ускорительном канале со стороны его среза с помощью диэлектрических вставок 21 и 22, имеющих азимутально замкнутую форму. Со стороны анода-газораспределителя 4 полюса 19 и 20 соединены с элементами крепления 23 и 24, которые выполнены из немагнитного электропроводящего материала, в частности из нержавеющей стали. Элементы крепления 23 и 24 также имеют азимутально замкнутую форму и обеспечивают электрическое соединение анода-газораспределителя 4 с полюсами 19 и 20 соответственно.
Работа УЗДЭ, конструкция которого изображена на фиг.1 чертежей, осуществляется следующим образом.
В полости ускорительного канала с помощью магнитной системы создается магнитное поле, вектор  индукции которого преимущественно направлен от одной стенки разрядной камеры к другой стенке, например от наружной стенки 2 к внутренней стенке 3. Через катушки намагничивания 5 и 6 пропускаются токи, необходимые для генерации в полости ускорительного канала магнитного моля с заданной величиной радиальной составляющей магнитной индукции. Одновременно от системы электропитания подается разрядное напряжение (200÷1000 В) на анод-газораспределитель 4, установленный в полости ускорительного канала со стороны его закрытой части, и катод-компенсатор, расположенный за срезом ускорительного канала. В результате этого в ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле с напряженностью . Рабочий газ, в качестве которого используется ксенон, подается в ускорительный канал через анод-газораспределитель 4 из системы хранения и подачи рабочего вещества.
После выхода на рабочий режим катода-компенсатора в потоке газа, направленном от анода-газораспределителя 4 к срезу ускорительного канала, зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. В разрядном объеме происходит ионизация атомов рабочего газа, и образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем до скоростей, определяемых разностью потенциалов между анодом-газораспределителем 4 и катодом-компенсатором. Истекающий из ускорительного канала поток ионов захватывает необходимое для компенсации его объемного заряда количество электронов, которые эмитируются катодом-компенсатором.
В ускорительном канале усредненное движение электронов, так называемый азимутальный дрейф электронов, происходит в азимутальном направлении, перпендикулярном векторам  и . При взаимодействии электронов с тяжелыми частицами рабочего вещества (атомами и ионами), а также со стенками 2 и 3 разрядной камеры 1 происходит рассеяние дрейфовой составляющей скорости электронов и смещение электронов к аноду-газораспределителю 4. Вследствие этого через ускорительный канал протекает значительная доля электронного тока, влияющего на движение ионов рабочего вещества. При этом расходимость потока ускоренных ионов в ускорительном канале обусловлена в значительной степени конфигурацией магнитного поля, создаваемого с помощью магнитной системы.
С целью снижения расходимости потока ускоренных ионов в УЗДЭ применяется система магнитных полюсов, состоящая из двух пар полюсов. Магнитные полюса 12 и 13 первой пары образуют первый межполюсный зазор в области среза ускорительного канала. Магнитные полюса 14 и 15 второй пары образуют второй межполюсный зазор в области ускорительного канала между анодом-газораспределителем 4 и срезом канала. Магнитные полюса 14 и 15 находятся под плавающим магнитным потенциалом за счет того, что они размещены с образованием зазоров относительно других элементов магнитной системы, в частности относительно магнитных полюсов 12 и 13 и относительно магнитных экранов 10 и 11.
Для создания требуемого распределения магнитного поля в ускорительном канале положение магнитных полюсов 14 и 15 фиксируется относительно полюсов 12 и 13 первой пары и относительно магнитных экранов 10 и 11. Данное условие определяется тем, что торцевые плоскости магнитных полюсов 14 и 15 со стороны среза ускорительного канала совпадают с плоскостью поперечного сечения ускорительного канала, проходящей через зазор между близлежащими торцевыми плоскостями магнитных экранов 10 и 11 и магнитных полюсов 12 и 13 первой пары. Кроме того, существенным условием создания требуемой конфигурации магнитного поля в ускорительном канале является протяженность второго межполюсного зазора вдоль стенок 2 и 3, которая определяется продольным размером магнитных полюсов 14 и 15. Заданная конфигурация магнитного поля обеспечивается при протяженности (продольном размере) магнитных полюсов 14 и 15 вдоль ускорительного канала, составляющей не менее половины ширины ускорительного канала.
При выполнении указанных выше условий в ускорительном канале со стороны анода-газораспределителя 4 создается магнитное поле с преимущественно радиальным направлением магнитных силовых линий и плавным спадом напряженности поля в направлении к аноду-газораспределителю 4. При этом область с линзоподобной конфигурацией силовых линий и максимальной скоростью спада напряженности магнитного остается смещенной в направлении истечения ускоренных ионов из ускорительного канала относительно первого межполюсного зазора.
Вследствие выполнения данных условий зона ионизации в ускорительном канале смещается к аноду-газораспределителю 4 по сравнению с другими известными аналогами. За счет этого ионизация рабочего газа происходит в области ускорительного канала между анодом-газораспределителем 4 и зоной действия магнитного поля с линзоподобной конфигурацией силовых линий магнитного поля вблизи первого межполюсного зазора. Из-за этого происходит выравнивание плотности потока ускоренных ионов по поперечному сечению ускорительного канала на входе в зону действия магнитного поля с линзоподобной конфигурацией магнитных силовых линий. В этом случае распределение потенциала плазмы вдоль вогнутых в сторону анода-газораспределителя 4 силовых линий магнитного поля становится более однородным.
В результате действия описанных выше явлений в ускорительном канале УЗДЭ формируется плазмооптическая система, обладающая фокусирующей способностью по отношению к ускоренному потоку ионов. Данная система позволяет уменьшить расходимость потока ускоренных ионов при их движении в ускорительном канале. Вследствие этого снижаются потери энергии ионов, связанные со столкновениями ускоренных ионов со стенками 2 и 3, и уменьшается скорость износа (эрозии) стенок.
Работа варианта УЗДЭ, конструкция которого изображена на фиг.2 чертежей, осуществляется аналогичным образом. Отличие в работе данного варианта конструкции УЗДЭ связано с расположением магнитных полюсов 19 и 20 на поверхностях стенок 2 и 3, обращенных к ускорительному каналу, и электрическим соединением указанных полюсов с анодом-газораспределителем 4 с помощью элементов крепления 23 и 24, выполненных из немагнитного материала. В этом случае разрядное напряжение подается не только на анод-газораспределитель 4, но и на магнитные полюса 19 и 20 через элементы крепления 23 и 24. При этом магнитные полюса 19 и 20 находятся под потенциалом анода. Вследствие этого зона ионизации смещается в область второго межполюсного зазора, которая является смежной с областью действия магнитного поля с линзоподобной конфигурацией магнитных силовых линий. Часть данной области ускорительного канала ограничена поверхностями диэлектрических элементов крепления 23 и 24.
За счет создания в ускорительном канале заданной конфигурации магнитного поля с помощью магнитных полюсов 19 и 20, находящихся под плавающим магнитным потенциалом, также формируется плазмооптическая система, обладающая фокусирующей способностью по отношению к ускоренному потоку ионов. В результате снижается расходимость потока ускоренных ионов при их движении в ускорительном канале и из-за уменьшения потерь энергии ионов повышается тяговый КПД плазменного ускорителя. Вместе с тем увеличивается ресурс УЗДЭ вследствие уменьшения эрозии стенок разрядной камеры.
Вышеописанные примеры осуществления изобретения основываются на конкретных вариантах выполнения конструкции УЗДЭ, однако это не исключает возможности достижения указанных технических результатов в других частных случаях реализации конструкции УЗДЭ в том виде, как изобретение описано в независимом пункте формулы. Так, в частности, анод и газораспределитель могут быть выполнены в виде отдельных узлов конструкции, установленных в полости ускорительного канала, а магнитные полюса второй пары могут быть электроизолированы от анода.