УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ С ЗАМКНУТЫМ ХОЛЛОВСКИМ ТОКОМ (ВАРИАНТЫ)
PLASMA ACCELERATOR WITH CLOSED HALL CURRENT (VERSIONS)

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при создании ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов (холловских двигателей), а также для научных исследований и производства при создании вакуумных технологических установок.
Экспериментальные исследования процессов работы ускорителей плазмы с замкнутым током и холловских двигателей показали, что возникающие по ряду причин пульсации разрядного тока, с одной стороны, снижают тягу и, с другой стороны, расширяют поток ионов, который задевает полюса магнитопровода и разрушает их, снижая ресурс устройства в целом.
н
Известен ускоритель плазмы (RU 2156555 С1, МПК: H05H 1/54, 1/16, F03H 1/00, опубликовано 20.09.2000 г. Бюл. №26, [1]), содержащий осесимметричную магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, кольцеобразными внутренним и внешним магнитопроводами, снабженными полюсными наконечниками, образующими кольцеобразную разрядную камеру, открытую со стороны среза ускорителя и закрытую с противоположной стороны анодом, совмещенным с системой подачи газообразного рабочего вещества (РВ), катод-компенсатор (КК), расположенный за срезом ускорителя, и источник электропитания постоянного напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом, а отрицательный - с катодом-компенсатором. Для равномерной подачи РВ в разрядную камеру, которая в данной конструкции является и ускорительным каналом, анод устройства [1] использует пористую перегородку. Внешняя поверхность пористой перегородки (диафрагмы) анода находится в ускорительном канале и удалена от среза ускорителя на расстояние R, которое превышает длину магнетронной отсечки, по крайней мере, на величину теплового ларморовского радиуса.
е
1
2
1
2
В предложенном в [1] ускорителе использовали КК типа КЭ-5 с полым катодом, в котором конструктивно не предусмотрено ограничение эмиссионного тока. Если процесс ионизации РВ первичными электронами, поступающими с КК (I), а также процесс формирования потока ионов будет превосходить поступление РВ через систему подачи (пористую диафрагму на аноде), то в системе процесс горения разряда периодически прекращается из-за выгорания РВ, а затем вновь возобновляется, что приводит к пульсациям разрядного тока, следовательно, и ионного тока, который протекает в течение времени τ и полностью отсутствует в течении времени τ, так что τ/τ изменяется в широком интервале от 10 до 0.1, что, в свою очередь, приводит к временному изменению оптики ионного потока (расширению его) и способствует разрушению стенок полюсов магнитопровода. Это применительно к двигателю, как показано экспериментально, значительно снижает тягу двигателя и может приводить к разрушению космического корабля за счет значительного расширения ионного потока в переходный период. Явление расширения ионного потока в переходный период не допустимо также для технологических установок.
Наиболее близким устройством (А.Н.Ермилов, А.Ю.Коваленко, Ю.А.Коваленко и др., «Экспериментальные исследования макета холловского двигателя», журнал «Теплофизика высоких температур», 2008 г., том 46, №4, стр.588-595, [2]), выбранным в качестве прототипа, является макет холловского электрореактивного двигателя с полым анодом (ХЭРДП), авторы которого отказываются от постоянного по z (направления вдоль оси симметрии двигателя) внешнего магнитного поля и создают спадающее к аноду магнитное поле, а также формируют развитую анодную полость, выступающую над пористой диафрагмой анода, для включения механизма классической проводимости в спадающем у анода магнитном поле и тем самым частичного устранения пульсаций разрядного и ионного токов.
+
+
i
i
Однако эти конструктивные элементы устройства [2] не позволяют полностью устранить пульсации, так как отсутствует механизм стока электронов, формирующих процесс ионизации РВ и холловского тока перед пористой диафрагмой анода, тем самым исключить разрушения магнитопроводов. Недостатком устройства-прототипа является также то, что достигается только частичное снижение эрозии стенок магнитопровода, которая может способствовать возникновению катодных пятен и катодному распылению, и остается значительная расфокусировка плазменного потока, вызванная пульсациями разрядного тока, и в создании тяги участвуют не только ионы ксенона Хе (или быстрые атомы Хе, полученные в результате резонансной перезарядки), но также ионы железа Fe, потенциал ионизации у которых меньше чем у Хе φ(Xe)=12.13 эВ, а φ(Fe)=7.9 эВ), и атомный вес почти в 2.5 раза меньше (A(Xe)=131, a A(Fe)=56), что приводит, как показали эксперименты, к двукратному снижению тяги. Кроме того, в устройстве-прототипе используется КК в виде полого катода, в котором не предусмотрен механизм ограничения эмиссионного тока.
В основу предлагаемых технических решений поставлена задача создания вариантов конструкций ускорителя плазмы с замкнутым холловским током, позволяющим использовать регулируемый ток эмиссии КК и обеспечить сток излишних электронов вдоль магнитных силовых линий, что устраняет пульсации разрядного тока, одновременно сохраняя высокую плотность потока РВ.
Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:
- повышение тяговых характеристик за счет устранения пульсаций разрядного тока и частиц железа из потока ионов;
- увеличение ресурса двигателя за счет снижения распыляемости стенок магнитопровода.
1
2
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в одном из предлагаемых вариантов ускорителя плазмы с замкнутым холловским током, содержащем осесимметричную магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, кольцеобразным магнитопроводом, снабженным внутренним и внешним полюсными наконечниками, которые формируют кольцевой канал, размещенный внутри магнитной системы по центру кольцевого канала полюсных наконечников и совмещенный с системой подачи газообразного рабочего вещества кольцевой анод, который имеет разделенные пористой диафрагмой выравнивающую рабочее вещество область и полость, катод-компенсатор, расположенный за срезом ускорителя, источник постоянного напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом, а отрицательный - с катодом-компенсатором, а также с внутренним и внешним полюсными наконечниками магнитопровода, в полости кольцевого анода размещены выполненные из материала анода внутреннее и внешнее кольца, которые соответствующими боковыми поверхностями и торцами плотно прижаты к стенкам полости кольцевого анода и к пористой диафрагме соответственно, причем торцы удалены от плоскости кольцевого анода на глубину h не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, при этом кольца выступают за пределы плоскости кольцевого анода на высоту h не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, а их выступающие за пределы анода торцы удалены от полюсных наконечников на расстояние d не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, при этом кольцевой канал полюсных наконечников имеет со стороны кольцевого анода минимальный размер ΔR, который не менее чем в полтора раза превышает ширину δ открытой части пористой диафрагмы, кроме того, катод-компенсатор выполнен в виде эмитирующей петли из проволоки, которая размещена в кольцевом корпусе соосно ускорителю плазмы за его срезом и электрически соединена своими концами с регулируемым источником накала, причем корпус выполнен из электропроводного и высокотемпературного материала, при этом между срезом ускорителя плазмы и кольцевым корпусом катода-компенсатора размещен, по крайней мере, один кольцевой тепловой экран, причем петля из эмитирующей проволоки катода-компенсатора, ее кольцевой корпус и каждый из тепловых экранов гальванически соединены с магнитопроводом ускорителя плазмы.
1
2
В другом варианте предлагаемого ускорителя плазмы с замкнутым холловским током, содержащем осесимметричную магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, кольцеобразным магнитопроводом, снабженным внутренним и внешним полюсными наконечниками, которые формируют кольцевой канал, размещенный внутри магнитной системы по центру кольцевого канала полюсных наконечников и совмещенный с системой подачи газообразного рабочего вещества кольцевой анод, который имеет разделенные пористой диафрагмой выравнивающую рабочее вещество область и полость, катод-компенсатор, расположенный за срезом ускорителя, источник постоянного напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом, а отрицательный - с катодом-компенсатором, а также с внутренним и внешним полюсными наконечниками магнитопровода, в полости кольцевого анода размещены выполненные из материала анода внутреннее и внешнее кольца, которые соответствующими боковыми поверхностями и торцами плотно прижаты к стенкам полости кольцевого анода и к пористой диафрагме соответственно, причем торцы удалены от плоскости кольцевого анода на глубину h не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, при этом кольца выступают за пределы плоскости кольцевого анода на высоту h не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, а их выступающие за пределы анода торцы удалены от полюсных наконечников на расстояние d не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, при этом кольцевой канал полюсных наконечников имеет со стороны кольцевого анода минимальный размер ΔR, который не менее чем в полтора раза превышает ширину δ открытой части пористой диафрагмы, кроме того, катод-компенсатор имеет эмитирующую таблетку, которая закреплена с заглублением в открытом с одного торца цилиндрическом корпусе катода-компенсатора, и нагревательную спираль, один конец которой через корпус соединен с одним из входов регулируемого источника накала, а другой конец электрически изолирован от корпуса катода-компенсатора и соединен с другим входом регулируемого источника накала, при этом эмитирующая таблетка гальванически соединена с корпусом катода-компенсатора и магнитопроводом ускорителя плазмы, а открытый торец корпуса катода-компенсатора размещен за образующей внешней поверхности магнитопровода.
1
2
Выполнение катода-компенсатора в виде эмитирующей петли из проволоки, концы которой соединены с входами регулируемого источника накала, обеспечивая управление эмиссионным током, способствует стабильности процесса ионизации РВ, что позволяет убрать пульсации и повысить эффективность процесса формирования ионного потока. Выполнение анода с развитой поверхностью за счет размещения в его полости выступающих за ее пределы внутреннего и внешнего колец включает механизм классической проводимости электронов и позволяет убрать лишние электроны, поступающие с КК, которые уходят на соответствующие части колец анода, что также способствует устранению пульсаций ионного тока. Это в совокупности создает условия для непрерывности проходящих в ускорителе процессов. Экспериментально установлено, что механизм классической проводимости в спадающем к аноду магнитном поле начинает действовать при глубине размещения колец h в полости анода и их высоте h над телом анода не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы. Кроме того, наличие колец, которые сужают поток ионов, расстояние между наконечниками магнитопровода ΔR, полуторократно превышающее ширину δ открытой части пористой диафрагмы, не допускают разрушение наконечников.
Конструкция КК предусматривает разогрев эмитирующей петли до высоких температур, что требует тепловой защиты устройства, по крайней мере, одним экраном. Для исключения плавающего потенциала на металлических элементах устройства они гальванически объединяются с эмитирующей петлей.
Второй вариант исполнения ускорителя плазмы обеспечивает регулирование эмиссионного тока путем разогрева эмитирующей таблетки нагревательной спиралью, концы которой соединены со входами регулируемого источника накала. Такой вариант исполнения КК не требует больших энергетических затрат, а размещение его открытого торца с заглублением таблетки в корпусе за образующей внешней поверхности магнитопровода устраняет необходимость в тепловой защите от него.
На фиг.1 - схематически показана в разрезе конструкция ускорителя плазмы с катодом-компенсатором в виде эмитирующей петли.
На фиг.2 - схематически показана в разрезе конструкция ускорителя плазмы, катод-компенсатор которого имеет катод в виде эмитирующей таблетки с нагревательной спиралью.
В состав показанного на фиг.1 ускорителя плазмы входят: кольцеобразный магнитопровод с внешним полюсным наконечником N-1 и внутренним полюсным наконечником S-2, образующими кольцевой канал 3; источник магнитодвижущей силы (МДС) 4; кольцевой анод 5 (например, из графита), который имеет разделенные пористой диафрагмой 6 выравнивающую рабочее вещество область 7 и полость 8 и снабжен выполненными из материала анода 5 внутренним 9 и внешним 10 кольцами, которые частично размещены в полости 8 анода 5, а частично выступают за его пределы; система подачи газообразного рабочего вещества 11, совмещенная с анодом 5; источник постоянного напряжения 12, положительный полюс которого подсоединен к аноду 5, а отрицательный полюс - к магнитопроводу; размещенный соосно ускорителю за его срезом 13 катод-компенсатор, выполненный в виде петли 14 из эмитирующей проволоки (например, из вольфрамовой), которая помещена в кольцевой корпус 15 из электропроводного и высокотемпературного материала (например, Та) и своими концами электрически соединена со входами регулируемого источника накала 16; по крайней мере, один кольцевой тепловой экран 17, размещенный между ускорителем плазмы (за его срезом 13) и корпусом 15 катода-компенсатора.
При этом эмитирующая петля 14 катода-компенсатора, его корпус 15 и каждый из тепловых экранов 17 гальванически соединены с кольцеобразным магнитопроводом.
Кроме того, необходимыми условиями представленной на фиг.1 конструкции ускорителя плазмы являются:
1
- одна часть колец 9, 10 размещена (погружена на глубину h, равную не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы 6) в полости 8 анода 5, при этом соответствующие торцы и боковые поверхности колец 9, 10 плотно прилегают к пористой диафрагме 6 и стенкам полости 8 анода 5;
2
- другая часть колец 9, 10 выступает за пределы плоскости кольцевого анода 5 на высоту h, равную не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы 6, а ее торцы удалены от полюсных наконечников 1 и 2 магнитопровода на расстояние d, равное не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы 6;
- кольцевой канал 3 между полюсными наконечниками 1 и 2 магнитопровода имеет ширину ΔR, которая должна быть минимальной со стороны анода 5 и не должна быть меньше полуторакратной ширины δ открытой части пористой диафрагмы 6.
6
Конструкция ускорителя плазмы, показанная на фиг.2, отличается вариантом выполнения и размещения катода-компенсатора, который содержит: эмитирующую таблетку 18, например, из гексаборида лантана (LaB) с функцией катода, закрепленную с заглублением в цилиндрическом корпусе 19, выполняющего функцию экрана и открытого с одного торца; нагревательную спираль 20 из вольфрама, один конец которой контактирует через корпус 19 катода-компенсатора с одним из входов регулируемого источника накала 21, а другой электрически изолирован от корпуса 19 и электрически соединен с другим входом регулируемого источником накала 21. При этом эмитирующая таблетка 18 гальванически соединена с корпусом 19 катода-компенсатора и магнитопроводом, а открытый торец корпуса 19 катода-компенсатора размещен за образующей внешней стенки магнитопровода.
Ускоритель (двигатель), показанный на фиг.1, работает следующим образом.
H
H
2
1
2
Магнитное поле формируется в кольцеобразном канале 3 между полюсными наконечниками 1, 2 с помощью источника МДС 4 вплоть до пористой диафрагмы 6, спадая по величине в 2÷3 раза в направлении к аноду 5 и уменьшаясь за срезом 13 до нуля, имея максимальное значение в минимуме ширины ΔR канала 3. Электрическое поле создается источником постоянного напряжения 12, положительный полюс которого подсоединен к аноду 5, а отрицательный - к полюсным наконечникам 1 и 2 общего магнитопровода, к гальванически соединенным эмитирующей петле 14 регулируемого катода-компенсатора, его корпусу 15 и тепловым экранам 17, размещенным между срезом ускорителя 13 и корпусом 15 КК. Подача РВ (например, ксенона) в канал 3 ускорителя осуществляется через пористую диафрагму 6 из области 7, выравнивающей по азимуту подачу РВ из системы подачи газа 11. Регулируемым источником накала 16 КК осуществляется разогрев током накала I эмитирующей петли 14 с целью образования эмиссионных электронов в необходимом количестве для зажигания разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. При зажигании разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в канале 3 возникает замкнутый холловский ток, инициируемый электронами из КК, осуществляющими ионизацию РВ, которое равномерно поступает через пористую диафрагму 6. При этом в области между пористой диафрагмой 6 и максимумом магнитного поля формируется двойной электрический слой, который ускоряет первичные электроны (с КК) в направлении к аноду 5, создавая холловский ток и осуществляя ионизацию РВ, поступающего через пористую диафрагму 6, и ускоряет образовавшиеся ионы РВ в направлении к выходу. При этом предварительно необходимо установить величину тока накала I на катоде-компенсаторе, обеспечивающую эмиссионный ток, который при заданном расходе рабочего вещества и ускоряющем напряжении обеспечивает процессы, исключающие появление пульсаций в разрядном токе, следовательно, и в токе ускоренных ионов. Одновременно с этим выбор геометрии разрядного промежутка (наличие колец 9, 10 в полости 8 и за ее пределами анода 5) обеспечивает попадание избыточных электронов с КК на развитую часть анода 5, сформированную утопленной в тело анода 5 на глубину частью h1≥δ частью колец 9, 10 и выступающей их частью за пределы анода 5 на высоту h≥δ. Эксперименты показали, что меньшие значения h и h не приводят к исчезновению пульсаций. А уменьшение расстояния d между внутренней поверхностью наконечников 1, 2 магнитопровода и выступающими торцами колец 9 и 10 приводит к снижению эффективности процесса ионизации РВ, а следовательно, к уменьшению ионного тока и эффективности ускорителя. При этом выбор минимального размера ΔR кольцевого канала 3 со стороны анода 5, в полтора раза превышающем ширину δ открытой части пористой диафрагмы 6, обеспечивает не распыляемость полюсов 1, 2 магнитопровода, так как расходимость ионного пучка меньше минимального размера ΔR кольцевого канала 3.
Этот вариант выполнения ускорителя плазмы достаточно энергоемкий (например, на разогрев проволоки из W тратится до 500 Вт), но обеспечивает равномерное распределение эмиссионных электронов по всему кольцевому каналу 3. При этом для защиты устройства от высоких температур предусматривается не менее одного теплового экрана 17.
6
Работа предлагаемого на фиг.2 ускорителя плазмы отличается тем, что в катоде-компенсаторе по этому варианту исполнения эмитирующая электроны таблетка 18, например из гексаборида лантана, нагревается с помощью нагревательной спирали 20, соединенной со входами регулируемого источника накала 21. Это позволяет создавать управляемый ток эмиссии с меньшими энергетическими затратами (например, на разогрев таблетки из LaB тратится 120÷150 Вт) по сравнению с вариантом на фиг.1. Однако этот вариант конструкции КК не обеспечивает равномерного поступления эмиссионных электронов по кольцевому каналу 3 и может быть применен в тех случаях, когда важнее снижение энергетических затрат на работу устройства в целом.
Необходимо отметить, что описанные на фиг.1 и 2 ускорители плазмы используют принцип наименьшего количества материалов. Кольцевой анод 5 изготавливали из пироуплотненного графита. В качестве пористой диафрагмы 6 использовался композиционный углерод - углеродный наноматериал с матрицей из войлока марки «Войлокарбон 5-2.2». Кольца 9 и 10 изготавливались тоже из пироуплотненного графита. После сборки анода 5 вся конструкция проходила пиролитическое насыщение углеродом в термохимическом реакторе, что обеспечивало жесткость конструкции и подачу РВ только через открытую часть пористой диафрагмы 6 шириной δ. Газовое сопротивление пористой диафрагмы определялось длительностью пиронасыщения используемого войлока. Как правило, для обеспечения расхода в 1÷2 А (в токовом выражении) перепад давления между областью 7 и полостью 8 составлял несколько десятков Тор, что обеспечивало высокую однородность поступления РВ в канал 3 ускорителя.