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

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях (ЭРД), например, в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.
Ускорители заряженных частиц и плазменных потоков, на основе которых, кроме прочего, разрабатываются, как двигатели с анодным слоем (ДАС), так и стационарные плазменные двигатели (СПД), широко известны и используются для решения различных практических задач [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А., М.: Машиностроение, 1974 г., с.54-95].
Известен плазменный ускоритель с анодным слоем, содержащий металлическую разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, выходная часть которого размещена между полюсами магнита, полый анод-газораспределитель, размещенный в донной части ускорительного канала, и катод-компенсатор [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А., М.: Машиностроение, 1974 г., с.143].
Наличие в конструкции плазменного ускорителя полого анода позволило наиболее оптимально решить проблему ионизации рабочего газа вблизи высоковольтной границы анодного слоя. Металлическая же разрядная камера, находящаяся при работе такого плазменного ускорителя под катодным потенциалом, обеспечила возможность предельно сузить анодный слой и уменьшить тем самым потери на ее стенках.
В то же время, в процессе работы известного плазменного ускорителя распыление материала металлических стенок разрядной камеры снижает надежность данного типа ускорителя в части его электрической прочности, снижение которой происходит вследствие постепенного осаждения распыленных конструкционных материалов на изоляционных поверхностях его элементов конструкции, изменяя тем самым их электропроводность.
Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий разрядную камеру, формирующей ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения рабочего газа, образованную полым анодом, охватывающим зону ионизации, внутренним и наружным ступенчатыми кольцами, расстояние между которыми в зоне ионизации меньше расстояния между ними в зоне ускорения, примыкающими к торцам полого анода соответственно, газораспределитель с каналами подвода и инжекции рабочего тела в разрядную камеру, магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник намагничивающей силы и магнитопровод с межполюсным зазором в зоне выхода разрядной камеры, образованным противолежащими в радиальном направлении внутренним и наружным магнитными полюсами, и катод-компенсатор.
Введение в конструкцию такого известного плазменного ускорителя, по сравнению с известным аналогом, диэлектрических стенок разрядной камеры позволило устранить проблему распыления металла в разрядной камере, при этом несколько растянув ширину анодного слоя за счет увеличения поперечной подвижности электронов в пристеночной области [патент РФ №2209533, кл. 6 H05H 1/54, F03H 1/00].
Формирование зон ионизации и ускорения в слое происходит автоматически и определяется конфигурацией топологии магнитного поля, а так же сочетанием параметров плотности подаваемого в разрядную камеру рабочего газа и величины напряжения разряда. При этом получается, что оптимальные соотношения указанных параметров для обеих зон различны. Так, с точки зрения эффективности ускорения, ширина зоны ускорения должна быть предельно короткой для обеспечения максимального градиента радиальной компоненты магнитной индукции, что улучшает фокусировку ионного пучка и снижает ионный ток на стенки разрядной камеры. Как правило, это достигается увеличением напряженности магнитного поля, более высокие значения которого дополнительно снижают обратный электронный ток. В то же время увеличение напряженности магнитного поля и его продольного градиента автоматически приводит к адекватному увеличению градиента электрического потенциала в слое и соответствующему сужению оптимальной зоны ионизации с падением потенциала при этом на величину нескольких потенциалов ионизации. В результате чего, ширина этой зоны может оказаться меньше длины свободного пробега атомов рабочего газа и для компенсации этого эффекта потребуется увеличить его подачу, что приведет в свою очередь к увеличению энергонапряженности плазменного ускорителя и сокращению его ресурса. В противном случае ионизация рабочего газа будет происходить не только на высоковольтной границе слоя, но и в зоне со значительным падением потенциала, снижая эффективное ускоряющее напряжение и увеличивая, в конечном счете, тепловыделение на аноде и стенках разрядной камеры, приводя к их перегреву. Данная проблема наиболее критична при работе плазменного ускорителя на высоких удельных импульсах, когда для сохранения энергонапряженности плазменного ускорителя требуется одновременно увеличивать напряженность магнитного поля, вслед за ростом разрядного напряжения, и снижать плотность подачи рабочего газа. Указанный недостаток присущ обоим типам плазменных ускорителей, как ДАС, так и СПД. Принудительное же разделение зон ионизации и ускорения за счет введения дополнительных электродов, распределенных по глубине ускорительного канала, реализованное в двухступенчатых схемах плазменных ускорителей, приводит к очевидным, зачастую неоправданным, энергетическим потерям [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А., М.: Машиностроение, 1974 г., с.118].
При создании изобретения решалась задача увеличения ресурса плазменного ускорителя, генерирующего высокие удельные импульсы.
Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения рабочего газа, образованную полым анодом, охватывающим зону ионизации, внутренним и наружным ступенчатыми кольцами, расстояние между которыми в зоне ионизации меньше расстояния между ними в зоне ускорения, примыкающими к торцам полого анода соответственно, газораспределитель с каналами подвода и инжекции рабочего тела в разрядную камеру, магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник намагничивающей силы и магнитопровод с межполюсным зазором в зоне выхода разрядной камеры, образованным противолежащими в радиальном направлении внутренним и наружным магнитными полюсами, и катод-компенсатор, согласно изобретению, стенки внутреннего и наружного ступенчатых колец в зоне ускорения расположены под углом, а топология магнитных силовых линий в области этих стенок сконфигурирована так, что по меньшей мере в выходной части ускорительный канал расширяется в направлении по потоку рабочего газа, а угол наклона магнитных силовых линий в точке их пересечения со стенками составляет преимущественно величину более 90° с осью плазменного ускорителя со стороны полого анода.
Кроме того, по меньшей мере на одном торцевом участке стенок внутреннего и наружного ступенчатых колец может быть дополнительно выполнена по меньшей мере одна кольцевая проточка.
Известно, что под действием радиального градиента электронного давления часть ускоряемого ионного потока попадает на стенки разрядной камеры, находящиеся в зоне ускорения, вызывая их эрозию. В процессе эрозии стенки, утоняясь, приближаются к магнитным полюсам, где благодаря сужению магнитной линзы зона ускорения также сужается. Скорость выработки (распыления) материала стенок разрядной камеры снижается при этом в степенной зависимости. Вследствие этого, целесообразней изначально делать ускорительный канал расширяющимся, по меньшей мере, в выходной части зоны ускорения. Данное решение приведет к снижению потока ионов, попадающих на стенки разрядной камеры плазменного ускорителя, что снизит среднюю скорость эрозии и, таким образом, обеспечит лучшую стабильность характеристик в процессе выработки ресурса. Необходимый же запас толщины изоляторов при этом размещается за внешними поверхностями магнитных полюсов, что можно обеспечить при достаточном выносе максимума радиальной составляющей вектора магнитной индукции за срез магнитных полюсов. Следует отметить, что расширение ускорительного канала целесообразней выполнять преимущественно в области, где угол наклона магнитной силовой линии к оси ускорителя со стороны анода превышает 90°. Это связано с тем, что, при неупругом взаимодействии электрона со стенками разрядной камеры, при котором он падает на нее в срезе поверхности силовых линий под достаточно острым углом, электрон, постепенно смещаясь на величину ларморовского радиуса при стремлении к аноду, может неоднократно взаимодействовать со стенкой, прежде чем он покинет пристеночную область. В свою очередь, это может привести к локальным концентрациям плотности плазмы и азимутальной неоднородности выработки стенок зоны ускорения и, следовательно, к снижению ресурса плазменного ускорителя в целом.
Выполнение на торцевых переходных участках стенок внутреннего и наружного ступенчатых колец в зоне ионизации кольцевых проточек (различной геометрической формы) увеличивает пристеночную проводимость в зоне ионизации, усиливая тем самым эффект ее растяжения и связанное с этим описанное выше положительное влияние на интегральные параметры плазменного ускорителя.
Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы плазменного ускорителя позволит увеличить ресурс его работы в режимах создания высоких удельных импульсов.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг.1 представлена половина осевого разреза предлагаемого плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов с расширяющимся ускорительным каналом разрядной камеры преимущественно в зоне ускорения.
На Фиг.2 более подробнее показана разрядная камера, у которой стенки в зоне ускорения расположены под углом относительно стенок разрядной камеры в зоне ионизации, выносной элемент А (с увеличением изображения).
Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, согласно изобретению, содержит разрядную камеру 1, образованную в закрытой донной части полым анодом 4, к соответствующим торцам которого 11 и 12 без зазора примыкают внутреннее 5 и наружное 6 ступенчатые кольца, одни стенки которых 7 и 8 образуют часть ускорительного канала на выходе из зоны ионизации 2, другие же стенки которых 9 (и 9а) и 10 (и 10а) образуют выходную часть ускорительного канала в зоне ускорения 3. Также плазменный ускоритель имеет магнитную систему, содержащую источники магнитодвижущей силы 16: которые могут размещаться на различных участках магнитного контура - как в центральной части 16а, так и на внешних его участках 16б, магнитопровод 17, внутренний 19 и наружный 20 магнитные полюсы, образующие между собой рабочий межполюсный зазор 18. В глубине разрядной камеры также расположен газораспределитель 13 с каналами подвода 14 и инжекции 15 рабочего газа в разрядную камеру 1, конструктивно совмещенный с полым анодом 4. За пределами наружной области рабочего межполюсного зазора 18 размещен катод-компенсатор 21. Стенки 9а и 10а разрядной камеры 1 плазменного ускорителя наклонены под углом таким образом, чтобы по меньшей мере в выходной части ускорительный канал расширялся в направлении от анода 4 к срезу, а угол наклона магнитных силовых линий 22 в точке их пересечения со стенками 9а и 10а в зоне ускорения 3 составлял величину более 90° с осью ускорителя со стороны анода 4. Дополнительно на торцевых переходных участках стенок внутреннего и наружного ступенчатых колец 23 и 24 могут быть размещены по меньшей мере по одной кольцевой проточке 25.
Плазменный ускоритель работает следующим образом.
В ускорительном канале разрядной камеры 1, образованном в его донной части полым анодом 4, который частично охватывает зону ионизации 2, к торцам которого 11 и 12 плотно примыкают внутреннее 5 и наружное 6 ступенчатые кольца, одни стенки которых 7 и 8 формируют часть ускорительного канала на выходе зоны ионизации 2, другие стенки которых 9 (9а) и 10 (10а) образуют выходную часть ускорительного канала в зоне ускорения 3. В области рабочего межполюсного зазора 18, образованного парой магнитных полюсов 19 и 20 из состава магнитной системы, с помощью источников магнитодвижущей силы 16а и 16б создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения плазмы магнитное поле. В разрядную камеру 1 через каналы подвода 14 и инжекции 15 рабочего газа газораспределителя 13, объединенные с полым анодом 4, подается рабочий газ. Разрядное напряжение прикладывается между полым анодом 4 и катодом-компенсатором 21, при запуске и последующей работе между которыми зажигается основной разряд в скрещенных  электрическом и магнитном полях. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов  от катода-компенсатора 21 к полому аноду 4. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют нейтральные атомы рабочего газа. Образовавшиеся в газовом разряде ионы  ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором и полым анодом. На выходе ускорительного канала поток ускоренных ионов компенсируется электронами, истекающими из катода-компенсатора 21. Таким образом, одни электроны, истекающие из катода-компенсатора, поступают обратным током в разрядную камеру 1, участвуя при этом в ионизационных процессах, а другая часть электронов нейтрализует уже ускоренный ионный поток за пределами разрядной камеры 1.
Использование предложенного изобретения в космической технике позволит создавать электроракетные двигательные установки (ЭРДУ) на базе плазменных ускорителей с более высоким ресурсом работы при выполнении задач в составе космических аппаратов (КА).
Использование данного изобретения в ионно-плазменной технологии позволит создать более эффективное промышленное оборудование в виде технологических плазменных ускорителей для процессов нанесения различных покрытий и сухого травления материалов.