УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ
PLASMA ACCELERATOR

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в области космической техники при создании стационарных плазменных двигателей, а так же в вакуумно-плазменных технологиях.
Известен ионный двигатель на основе электрон-циклотронного резонанса (ЭЦР) [JP 2856740 В2, МПК: F03H 1/00, опубликован 10.02.1999 г.] - [I], содержащий цилиндрическую разрядную камеру (резонатор), вход которой подсоединен емкостным сверхвысокочастотным (СВЧ) вводом в виде штыря к генератору СВЧ-колебаний, магнитную систему в виде кольцевых постоянных магнитов, размещенных на внешней поверхности разрядной камеры, ускоряющую металлическую сетку, закрепленную в разрядной камере у ее открытого конца, и катод-компенсатор, размещенный за пределами открытого конца разрядной камеры.
Недостатком ионного двигателя-аналога [1] является использование катода-компенсатора и ускоряющей сетки, распыляющейся во время работы, что существенно снижает срок использования двигателя. Кроме того, не обеспечивается пространственная однородность потока плазмы за счет неоднородного электромагнитного поля в цилиндрическом резонаторе.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранным в качестве прототипа является ионный двигатель [RU 2246035 С1, МПК: F03H 5/00, опубликован 10.02.2005 г.] - [2], содержащий генератор СВЧ-колебаний, открытый четвертьволновый резонатор, разрядную камеру (реактор), которая связана с резонатором посредством диэлектрического вакуумно-плотного окна, магнитную систему, магнитные полюса которой разной полярности замкнуты магнитопроводом с наружной стороны разрядной камеры, систему подачи рабочего вещества (РВ) в разрядную камеру.
Недостатком конструкции ионного двигателя-прототипа [2] является потеря электронов на стенке разрядной камеры, приводящая к ее нагреву и снижению КПД. Это требует дополнительных мер по охлаждению стенок разрядной камеры и увеличению подачи рабочего вещества.
В основу предлагаемого технического решения поставлена задача создания конструкции ускорителя плазмы, обеспечивающей при ограниченном использовании рабочего вещества:
- устранение потерь ионов рабочего вещества на стенках разрядной камеры;
- увеличение объема плазмы, заполняющей разрядную камеру;
- уменьшение неоднородности потока плазмы, например, на обрабатываемый объект;
- использование обратного потока плазмы с целью увеличения рабочего вещества;
- уменьшение потерь мощности генератора СВЧ-колебаний.
Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:
- увеличение тяги за счет увеличения плотности потока плазмы;
- увеличение КПД устройства за счет уменьшения потерь рабочего вещества и мощности генератора СВЧ-колебаний, увеличения эффективности использования рабочего вещества.
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигается тем, что ускоритель плазмы, содержащий генератор сверхвысокочастотных колебаний, осесимметричную разрядную камеру, магнитную систему из кольцевых постоянных магнитов, размещенную соосно на внешней поверхности разрядной камеры, и систему подачи рабочего вещества в разрядную камеру через управляемый натекатель, снабжен сверхвысокочастотным трансформатором, твердотельным источником нейтральных частиц рабочего вещества, модулятором частоты сверхвысокочастотных колебаний, измерительным зондом и блоком управления подачей рабочего вещества, при этом разрядная камера выполнена из диэлектрика в виде цилиндра с одним закрытым торцом и имеет газораспределительную емкость, которая присоединена посредством управляемого натекателя к системе подачи рабочего вещества, размещена вокруг закрытого торца разрядной камеры и связана с ней по периметру радиальной щелью, генератор сверхвысокочастотных колебаний выполнен широкополосным, при этом сверхвысокочастотный трансформатор выполнен широкополосным одномодовым и имеет соосные металлические внешний усеченный конус, большее основание которого имеет внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру разрядной камеры, и присоединено соосно к ее закрытому торцу, а меньшее его основание присоединено к внешнему коаксиальному проводнику коаксиальной линии передачи, и внутренний усеченный конус, большее основание которого выполнено закрытым и размещено на внешней стороне закрытого торца разрядной камеры, а меньшее основание его присоединено к центральному проводнику коаксиальной линии передачи, которая соединена с выходом генератора сверхвысокочастотных колебаний, вход которого соединен с выходом модулятора частоты сверхвысокочастотных колебаний, вход которого соединен с размещенным перед открытым торцом разрядной камеры измерительным зондом, причем в сверхвысокочастотном трансформаторе во внешнем усеченном конусе со стороны его меньшего основания плотно закреплена кольцевая диэлектрическая вставка, которой электрически изолированы и соосно зафиксированы внешний усеченный конус и внутренний усеченный конус с присоединенным к нему центральным проводником коаксиальной линии передачи, кроме того, твердотельный источник нейтральных частиц рабочего вещества выполнен из диэлектрика, имеет осесимметричную форму с величиной диаметра, которая не превышает величину внешнего диаметра внутреннего усеченного конуса сверхвысокочастотного трансформатора со стороны его большего основания, и закреплен соосно на внутренней поверхности закрытого торца разрядной камеры, при этом кольцевые постоянные магниты магнитной системы закреплены с возможностью перемещения, по крайней мере, части из них в сторону закрытого и открытого торцов относительно среднего поперечного сечения 0r разрядной камеры по образующей ее внешней поверхности, при этом управляемый натекатель системы подачи рабочего вещества присоединен к выходу блока управления, вход которого соединен с измерительным зондом.
Выполнение разрядной камеры из диэлектрика (например, кварца) совместно с использованием широкополосного одномодового СВЧ-трансформатора обеспечивает устранение потерь заряженных частиц плазмы рабочего вещества (газа) на стенках разрядной камеры за счет способности стенки из диэлектрика накапливать заряд на поверхности, облучаемой электронами. При этом знак заряда определяется согласованием фазы электромагнитных колебаний у поверхности стенки разрядной камеры со средним временем пролета электронов вдоль силовых линий магнитного поля от мест их пересечения со стенкой камеры. Для согласования фазы электромагнитных колебаний используется возможность перемещения кольцевой магнитной системы вдоль образующей внешней поверхности разрядной камеры и подстройка основной частоты электромагнитных колебаний. При этом за счет согласования фазы электромагнитных колебаний на стенке разрядной камеры появляется «положительный» заряд, который не только препятствует потерям ионов рабочего вещества, что повышает КПД устройства, но и снижает процесс распыления стенок рабочей камеры, что положительно влияет на надежность устройства.
Кроме того, использование в ускорителе широкополосного одномодового конусного СВЧ-трансформатора обеспечивает снижение потерь мощности СВЧ-колебаний, поступающих в разрядную камеру.
Использование модулятора частоты СВЧ-колебаний в совокупности с измерительным зондом, размещенным перед открытым торцом разрядной камеры, необходимо для обеспечения поперечной однородности потока плазмы за счет смещения области электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) в радиальном направлении в неоднородном магнитном поле.
Использование газораспределительной емкости вокруг закрытого торца разрядной камеры и их связь посредством радиальной щели по периметру разрядной камеры также способствует повышению поперечной однородности потока плазмы и более эффективному использованию рабочего вещества за счет его равномерного распределения в разрядной камере.
Наличие твердотельного источника нейтральных частиц позволяет использовать часть потока плазмы, распространяющуюся в сторону закрытого торца разрядной камеры, для повышения плотности потока плазмы за счет распыления или испарения его. При этом твердотельный источник нейтральных частиц не должен перекрывать кольцевой промежуток между усеченными конусами у их больших оснований в СВЧ-трансформаторе. Кроме того, обеспечивается возможность введения в поток легирующих добавок при использовании предлагаемого устройства в технологических установках за счет материала твердотельного источника.
Диэлектрическая кольцевая вставка обеспечивает одновременно надежную юстировку конусов СВЧ-трансформатора, что необходимо для поперечной однородности потока плазмы, и фиксированное присоединение коаксиальной линии передачи от выхода генератора СВЧ-колебаний к усеченным конусам СВЧ-трансформатора у их меньших оснований.
Наличие соединенного с измерительным зондом блока управления натекателем системы подачи рабочего вещества обеспечивает возможность стабилизировать параметры потока плазмы, выходящего со стороны открытого торца разрядной камеры, за счет открывания или закрывания натекателя в зависимости от показаний измерительного зонда.
Совокупность указанных признаков обеспечивает увеличение тяги за счет высокой плотности и равномерности потока плазмы при рациональном использовании рабочего вещества.
Сопоставительный анализ предлагаемого ускорителя плазмы с устройствами подобного рода, известными из источников информации, и отсутствие описания аналогичного устройства позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Заявляемое устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
На чертеже, поясняющей предлагаемое техническое решение, схематически изображен ускоритель плазмы (в разрезе) с элементами управления.
Предлагаемый ускоритель плазмы содержит: генератор СВЧ-колебаний - 1, который выполнен широкополосным; осесимметричную разрядную камеру - 2, которая выполнена из диэлектрика (например, кварца) в виде цилиндра с одним закрытым торцом - 3 и имеет присоединенную к системе подачи рабочего вещества - 4 посредством управляемого натекателя - 5 газораспределительную емкость - 6, размещенную соосно вокруг закрытого торца - 3 разрядной камеры - 2 и соединенную с ней по всему периметру радиальной щелью - 7; магнитную систему в виде кольцевых постоянных магнитов - 8, которые размещены соосно на внешней поверхности разрядной камеры - 2 с возможностью перемещения, по крайней мере, части из них по ее образующей к закрытому - 3 и открытому торцам относительно среднего поперечного сечения 0r разрядной камеры - 2; СВЧ-трансформатор, который выполнен широкополосным одномодовым и состоит из соосных друг другу и разрядной камере - 2 внешнего - 9 и внутреннего - 10 усеченных конусов, выполненных из металла; источник нейтральных частиц - 11 рабочего вещества, размещенный соосно внутреннему конусу - 10 СВЧ-трансформатора и разрядной камере - 2 на внутренней стороне ее закрытого торца - 3; модулятор частоты СВЧ-колебаний - 12, выход которого соединен с входом широкополосного генератора СВЧ-колебаний - 1; измерительный зонд - 13, который размещен перед открытым торцом разрядной камеры - 2 и соединен с входами модулятора частоты СВЧ-колебаний - 12 и блока управления - 14 натекателя - 5 системы подачи рабочего вещества - 4.
При этом в широкополосном одномодовом СВЧ-трансформаторе его внешний усеченный конус 9 со стороны большего основания соосно присоединен к закрытому торцу 3 разрядной камеры 2 и имеет внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру разрядной камеры 2, а его внутренний усеченный конус 10 имеет закрытое большее основание, которое размещено на внешней стороне закрытого торца 3 разрядной камеры 2.
Кроме того, в СВЧ-трансформаторе во внешнем усеченном конусе 9 со стороны его меньшего основания плотно закреплена кольцевая диэлектрическая вставка 15, электрически изолирующая внешний 9 и внутренний 10 усеченные конусы СВЧ-трансформатора и соосно фиксирующая их между собой. Коаксиальная линия передачи 16, соединенная с выходом генератора СВЧ-колебаний 1, присоединена центральным проводником к меньшему основанию внутреннего усеченного конуса 10, а внешним коаксиальным проводником присоединена к меньшему основанию внешнего усеченного конуса 9 широкополосного одномодового СВЧ-трансформатора.
При этом источник нейтральных частиц рабочего вещества 11 имеет диаметр, который не превышает величину внешнего диаметра внутреннего усеченного конуса 10 со стороны его большего основания.
-2
-4
16
Ускоритель плазмы, представленный на чертеже, работает следующим образом. Сначала при помощи системы подачи рабочего вещества 4 с управляемым натекателем 5 в разрядной камере 2 создается давление Р в диапазоне 10-10 мм рт.ст. Поток газа от закрытого торца 3 разрядной камеры 2 к открытому торцу определяется величиной порядка 3,310PqS (где q - скорость звука, S - площадь поперечного сечения разрядной камеры 2) и в единицах силы тока составляет 5-0.05 А. Скорость откачки вакуумной системы (не показана) должна обеспечивать необходимый проток газа.
се
01
Затем включается генератор СВЧ-колебаний 1, который настраивается на частоту электромагнитного излучения ω, равную электронной циклотронной частоте ω, определяемой средней величиной индукции магнитного поля В(r,0) в среднем поперечном сечении разрядной камеры при z=0:  (где е и m - заряд и масса электрона, z - ось симметрии ускорителя плазмы). Для равномерного распределения СВЧ электромагнитного поля в поперечном сечении разрядной камеры 2 используется широкополосный СВЧ-трансформатор, состоящий из внешнего 9 и внутреннего 10 усеченных конусов и обеспечивающий согласование во всем необходимом диапазоне частот. Сформированный сигнал со структурой волны E через диэлектрическое окно в виде закрытого торца 3 поступает в заполненную рабочим газом разрядную камеру 2. Электроны получают энергию от электромагнитного поля как в результате столкновений с частицами газа, когда энергия передается со скоростью
так и за счет ЭЦР, при котором передача энергии происходит бесстолкновительным образом со скоростью
0
0
0
3
3
3
-8
(где Е - амплитуда колебаний электрического поля в волне, ν - частота столкновений, τ - время взаимодействия). При умеренной мощности генератора СВЧ-колебаний 1W~1 кВт, работающего на частоте f=ω/2π~1 ГГц, среднее значение E=2W/(ε·f·V) по объему V~10см разрядной камеры 2 составляет 310 В/м. Если время взаимодействия τ порядка времени пролета электроном области, занятой магнитным полем, с величиной индукции, близкой к необходимой для ЭЦР τ~10 с, то электрон наберет кинетическую энергию не менее 20эВ, что достаточно для ионизации частиц газа. В результате ионизации газа электронами зажигается СВЧ-разряд и в разрядной камере 2 образуется неравновесная плазма. В неоднородном магнитном поле по мере увеличения энергии электроны могут покидать резонансную область разряда, двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля, которые пересекают поверхность разрядной камеры 2. Попадая на диэлектрическую поверхность, электроны ее заряжают, отражаясь от поверхности и вызывая эмиссию вторичных электронов. Если энергия электронов превосходит энергию, при которой коэффициент вторичной электрон-электронной эмиссии δ больше 1, то потенциал внутренней поверхности разрядной камеры 2 в этом месте будет положительным, а в противоположном случае отрицательным. Вторичные электроны, которые влетают в разрядную область в фазе с волной СВЧ-поля, будут многократно пересекать область циклотронного резонанса, приобретая энергию от СВЧ-волны, и участвовать в размножении электронов. Таким образом, устанавливается самосогласованное распределение потенциала электрического поля как вдоль поверхности разрядной камеры 2, ограничивающей газоразрядную область, так и в объеме разряда. Положительный потенциал на стенке разрядной камеры 2 препятствует потере ионов из разряда и уменьшает распыление разрядной камеры 2. С целью увеличения количества вторичных электронов в предлагаемом ускорителе плазмы применена разрядная камера 2 из диэлектрического материала. Это позволяет повысить степень ионизации и эффективность использования рабочего газа, а также увеличить КПД ускорителя плазмы за счет уменьшения потерь заряженных частиц на стенке разрядной камеры 2. После зажигания разряда перемещением магнитной системы 8 вдоль образующей разрядной камеры 2, а также вариацией частоты генератора СВЧ-колебаний 1 модулятором частоты СВЧ-колебаний 12 и давления газа Р добиваются максимальных величин степени ионизации плазмы и тока на измерительный зонд 13.
min
max
min
min
max
mах
min
mах
i
0
Для управления энергией ионов и плотностью потока ускоренной плазмы, а также его однородностью в поперечном сечении используется модулятор частоты СВЧ-колебаний 12, соединенный обратной связью с измерительным зондом 13 на открытом торце разрядной камеры 2. С целью обеспечения ширины полосы, необходимой для модуляции, используется широкополосный генератор СВЧ-колебаний 1, выход которого соединен коаксиальной линией передачи 16 с коническим широкополосным одномодовым СВЧ-трансформатором. Диапазон изменения рабочей частоты генератора СВЧ-колебаний 1 (f, f) определяется степенью неоднородности магнитного поля в разрядной камере 2, а граничные частоты f=eB/2πm; f= еВ/2πm (где B и В - минимальная и максимальная величина индукции магнитного поля соответственно в сечении z=0 на чертеже.). Скорость изменения частоты генератора СВЧ-колебаний 1 должна быть, по крайней мере, меньше частоты ионизации v молекул рабочего газа электронным ударом:  (где f - основная частота генератора, Т - длительность развертки частоты, v, - частота ионизации).
i
e
e
0
i
е
е
0
e
0
е
e
0
2
l/2
l/2
12
-3
20
-1
-2
1/2
4
В неоднородном магнитном поле ускорение плазмы происходит за счет градиента давления плазмы grad(P+P)~Tgrad(N) и градиента давления магнитного поля grad(B/2µ), где Р и Р - давление ионов и электронов соответственно. Т - электронная температура, N - концентрация плазмы, а µ - магнитная проницаемость вакуума [Л.А. Арцимович, Р.З. Сагдеев. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979, с. 156-164] - [3]. В рассматриваемом в изобретении случае действием магнитного поля на ионы можно пренебречь. Поэтому, исходя из условия квазинейтральности плазмы СВЧ-разряда и уравнений Эйлера для ионов и электронов, можно получить оценку для потока плазмы J в направлении открытого торца разрядной камеры 2: J=N(2T/M)(lnN/N). Например, для типичных значений параметров СВЧ-разряда в режиме ЭЦР: Т~20эВ и N~10 см, для водорода получаем J~10 ссм. При этом для величины силы тяги, которая определяется величиной приращения полного импульса в единицу времени, получаем оценку: F=2TN(lnN/N)S~0.2 н. При этих параметрах удельный импульс, развиваемый ускорителем плазмы, составляет величину ~10 с. Таким образом, даже при умеренных режимах СВЧ-разряда можно получить выходные параметры ускорителя плазмы, сравнимые с достигнутыми в настоящее время параметрами на электроразрядных ускорителях других типов.
В предлагаемой конструкции ускорителя плазмы предполагается использовать обратный поток плазмы в направлении закрытого торца 3 разрядной камеры 2 для испарения и распыления твердотельного источника нейтральных частиц рабочего вещества 11 с целью создания дополнительного потока газа или добавки ионов легирующих элементов для осуществления различных технологических процессов. Даже если коэффициент испарения под действием ионов составит 0.01, то этого достаточно для создания необходимого потока нейтралов в направлении открытого торца разрядной камеры 2 и поддержания СВЧ-разряда. Твердотельный источник нейтральных частиц рабочего вещества 11 позволяет использовать систему подачи рабочего вещества 4 только для зажигания СВЧ-разряда. Это создаст значительную экономию газообразного рабочего вещества, что способствует увеличению КПД.