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 траекторий движения частиц ионно-оптической системой (ИОС) и выполненную в виде набора последовательно расположенных электродов, позволяющих формировать униполярные ионные потоки, для нейтрализации заряда которых применяется нейтрализатор, представляющий собой источник электронов (катод). В узле ИОС 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 случае применения данного двигателя в качестве источника высокоэнергичных потоков частиц в технологических процессах.
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), содержащий полую разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи рабочих газов в разрядную камеру, генератор высокочастотного электрического разряда в разрядной камере в виде осесимметричного индуктора, образованного проводником спиральной формы, ИОС, включающую последовательно расположенные эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, нейтрализатор и систему электропитания.
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. Это особенно критично при работе двигателя на смесях различных газов, когда из-за разных масс частицы смеси газов имеют разную скорость на входе в разрядную камеру, и часть из них уходит из нее, не ионизовавшись. Вследствие этого снижается газовая эффективность двигателя и нарушается процентный состав струи ионов по сравнению с исходным составом поданного рабочего вещества.
В предложенной полезной модели при использовании в качестве рабочего вещества смеси газов решается задача сохранения процентного состава в струе ионов по сравнению с вводимым составом путем эффективного смешивания частиц при их поступлении в область ионизации.
Данный технический результат достигаются тем, ионно-плазменный двигатель, содержащий полую разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи рабочих газов в разрядную камеру, генератор высокочастотного электрического разряда в разрядной камере в виде осесимметричного индуктора, образованного проводником спиральной формы, ИОС, включающую последовательно расположенные эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, нейтрализатор и систему электропитания, снабжен средством смешивания рабочих газов в виде выделенного стенками разрядной камеры объема в ее торцевой области впуска рабочих газов, который отделен от другой части объема разрядной камеры перфорированной перегородкой, выполненной из металлической сетки с коэффициентом прозрачности не более 0,8, а система электропитания снабжена дополнительным источником, положительный полюс которого соединен с сеткой.
Для повышения эффективности смешивания в выделенном объеме может быть дополнительно установлен дефлектор, изменяющий направления движения потоков рабочих газов. Кром того предпочтительно, чтобы проводник индуктора был размещен в осевом направлении в пределах от поперечного сечения разрядной камеры, в котором заканчивается область выделенного объема средства смешивания, до сечения выхода из разрядной камеры.
Сущность предложенного решения поясняется чертежом, на котором представлена схема ионно-плазменного двигателя в виде продольного разреза со схемой подключения источников системы электропитания.
Ионно-плазменный двигатель состоит из разрядной камеры 1, узла подачи 2 рабочих газов А и В с газоэлектрической развязкой, индуктора 3, ИОС с эмиссионным электродом 4, ускоряющим электродом 5 и выходным замедляющим кольцевым электродом б. 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 расположена перфорированная перегородка 10, отделяющая выделенный объем 11 разрядной камеры от основного. В выделенном объеме 11 установлен газовый дефлектор 12. Индуктор 3 размещен с наружной стороны основного объема разрядной камеры / и соединен с высокочастотным генератором 13. Перфорированная перегородка 10 выполнена из металлической сетки и соединена с положительным полюсом дополнительного источника 14.
Рабочее вещество в виде смеси газов подается в выделенный объем 11 через узел подачи 2. Дефлектор 12 и выделенный объем 11 служат для ускорения и повышения полноты перемешивания частиц рабочего тела и хаотизации направления их скоростей за счет соударений с поверхностями стенок. При запитывании индуктора 3 током переменной частоты от высокочастотного генератора 13 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 энергии, поддерживающей разряд, является энергия электромагнитного поля.
В самом общем виде рабочий процесс генерации ионов в разрядной камере двигателя может быть описан следующим образом. Высокочастотные токи в индукторе 3 индуцирует в объеме разрядной камеры 1 магнитное поле, которое генерирует электрическое высокочастотное поле, ускоряющее в плазме электроны, осциллирующие с частотой поля и аккумулирующие энергию поля, тратя ее на неупругие столкновения с тяжелыми частицами (атомами или ионами), вызывая их возбуждение или ионизацию. Каждое такое столкновение приводит к потере некоторого кванта энергии электроном. Атомы и ионы рабочего тела 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; а следствием неравновесности является то, что температура электронов намного больше температуры атомов и ионов.
В самостоятельном разряде 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.
Перфорированная перегородка 10 в виде электропроводящей сетки соединена с положительным полюсом источника 14 и выполняет функцию анода, препятствующего проникновению ионов в выделенный объем камеры 11. Кроме этого положительный потенциал сетки способствует удалению из разряда в основной камере 1 избыточного количества электронов, определяет потенциал плазмы и за разностью пристеночного скачка потенциал контактирующих с плазмой диэлектрических стенок разрядной камеры, а также задает потенциал эмиссионного электрода в ИОС.
-6
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 перфорированную перегородку 10 и уходят из разряда. Баланс атомов и ионов в разряде определяется скоростями ионизации и ухода их на стенки разрядной камеры 1, перфорированную перегородку 10 и в отверстия эмиссионного электрода 4. Вероятность рекомбинации ионов в объеме разрядной камеры 1 за счет присоединения электрона близка к нулю. Ступенчатые процессы ионизации с практически важной вероятностью возможны лишь в случае возбуждения метастабильных состояний, время жизни которых ≈10 c, что примерно на два порядка выше, чем остальных состояний.
Нейтрализатор 8 служит для инжекции электронов в истекающий из двигателя пучок ионов и представляет собой самостоятельный плазменный источник электронов.
Прозрачность перфорированной перегородки 10 выбирается из учета максимальной проводимости для частиц рабочего вещества и барьером для ионов, образующихся в основном объеме разрядной камеры и способных двигаться в сторону узла подачи рабочего вещества. В результате такого движения ионов из основного объема разрядной камеры в выделенный объем они будут рекомбинировать на его стенках, снижая процентный состав компонентов в струе ионов. Для преодоления движения ионов сквозь перфорированную перегородку, последняя выполняется в виде сетки из проводящего материала с заданным на ней источником системы электропитания положительным потенциалом.
Для того чтобы заряженные частицы не проникали из основного объема камеры, в выделенный он отделен перфорированной перегородкой в виде электропроводящей сетки, геометрическая прозрачность которой выбирается из условия максимальной проводимости для нейтральных частиц рабочего тела и создания потенциального барьера для предотвращения обратного движения заряженных частиц в выделенный объем. При задании потенциала на сетке электрическое поле, препятствующее движению заряженных частиц, сосредоточено вокруг проводников и его напряженность спадает по мере удаления от них. В отверстиях напряженность электрической поля может быть недостаточной для воздействия на заряженные частицы, что вызовет проникновение («вываливание») плазмы внутрь выделенного объема и, соответственно создадутся условия для свободного движения ионов в него. Для предотвращения этого явления необходимо выбрать геометрическую прозрачность сетки, достаточную для удержания плазмы.
Прозрачность сетки можно оценить по известным соотношениям. Разрыв плазмы - ее удержание в ячейках сетки достигается при следующих условиях:
где dc - толщина слоя объемного заряда возле проводников, h - размер отверстия в сетке, е - заряд электрона, Uc - потенциал сетки, k - постоянная Больцмана, Te - температура электронов.
Для неизотермической плазмы, когда температура ионов существенно меньше Те, оценку можно провести по следующему соотношению, известному из теории многосеточных зондов:
0
-3
здесь n - концентрация плазмы, выраженная в см, dc выражено в сантиметрах, а Te - в электрон-вольтах.
12
--3
Для концентраций частиц, характерных для рабочего процесса в рассматриваемом двигателе 10 см, Te=5 эВ и положительном потенциале 1000 В, шаг сетки h должен быть не более 0,1 см. Если принять толщину проволоки равной 0,05 см, то геометрическая прозрачность однорядной сетки, образованной параллельными проволоками, должна быть не более 0,7; а для переплетенной - двухрядной - можно принять величину порядка 0,8.
Известно, чем ниже прозрачность сетки тем более ее задерживающий эффект для движения ионов, но снижение прозрачности приводит к уменьшению проводимости для нейтральных частиц, двигающихся из выделенного объема в камеру 1. Это скажется на снижении эффективности ионизации и в конечном итоге на процентном составе компонентов в струе ионов по сравнению с составом, поданным в двигатель. Поэтому для полезной модели предлагается остановиться на величине геометрической прозрачности не выше 0,8.
Таким образом, в целом полезная модель позволяет решить задачу сохранения процентного состава в струе ионов по сравнению с вводимым составом путем выравнивания скоростей частиц вводимого рабочего тела перед их ионизацией.