Радиальный ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов

 

Использование: в космической технике в качестве источников плазмы для различных астрофизических экспериментов, а также в технологии плазменной обработки материалов. Сущность изобретения: радиальный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит магнитную систему, состоящую из магнитных полюсов 1, источников 2 магнитодвижущей силы и магнитопроводов 3. В межполюсном зазоре 4 расположена радиальная разрядная камера 5 с диэлектрическими стенками 6, анодом 7 и устройством 8 газораспределения с каналами 9 впрыска рабочего газа. Катод-компенсатор 10 установлен за срезом разрядной камеры. Дополнительная разрядная камера 11 расположена в межполюсном зазоре 12 дополнительной магнитной системы соосно основной и состоит из магнитных полюсов 13, магнитопроводов 14 и источников 15 магнитодвижущей силы. Магнитопровод между двумя соседними каналами выполнен в виде единого конструктивного элемента 16. На ускорителе может быть установлен экран-компенсатор, поверхность которого со стороны разрядной камеры выполнена из диэлектрического материала. Изобретение позволяет повысить электрическую и газовую эффективность ускорителя плазмы. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к прикладному применению плазменных ускорителей в качестве источников плазмы для различных астрофизических экспериментов, а также к технологии плазменной обработки материалов.

Известны радиальные ускорители с замкнутым дрейфом электронов радиальные магнетроны, содержащие магнитную систему, радиальную металлическую разрядную камеру с анодом и катод-компенсатор [1] В данной конструкции ускорителя реализуется так называемый разряд с анодным слоем, эффективность которого резко снижается при снижении кратности разрядного тока и соответственно мощности разряда, что связано с малой протяженностью слоя ионизации этого ускорителя. Это приводит к резкому снижению коэффициента ионизации рабочего тела при снижении плотности токового эквивалента массового расхода до уровня 0,2.0,3 А/см² (при работе на ксеноне).

Известен ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, принятый за прототип, содержащий магнитную систему, состоящую из магнитных полюсов, источников магнитодвижущей силы, магнитопроводов, аксиальную разрядную камеру с анодом-газораспределителем и диэлектрическими стенками и катод-компенсатор [2] Использование в конструкции стенок из диэлектрического материала позволяет за счет стабилизации электронной температуры в канале ускорителя на уровне 10-20 эВ увеличить длину слоя ионизации и ускорения и, как следствие, обеспечить эффективную работу ускорителя с увеличенной глубиной дросселирования по расходу рабочего тела в области более низких расходов.

Однако аналоги и прототип имеют один существенный недостаток, связанный с динамикой ускоренного потока плазмы и обусловленный наличием, помимо осевой составляющей скорости истечения ускоренного потока, закрутки от ионной компоненты плазменного потока, которая может оказывать негативное влияние при работе ускорителя на космическом аппарате.

Основной задачей, решаемой в предложенном ускорителе, является повышение его электрической и газовой эффективности путем взаимной компенсации закрутки ионной компоненты плазменного потока и, как следствие, создание конструкции, удовлетворяющей широкому классу задач при проведении астрофизических экспериментов на борту КЛА.

Поставленная задача решена за счет того, что в радиальный ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру кольцеобразной формы, выполненную из диэлектрического материала, магнитную систему, в состав которой входит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы и магни- топровод с магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходного среза разрядной камеры, кольцеобразный анод с устройством газораспределения, расположенный в полости разрядной камеры, и катод-компенсатор, введены по меньшей мере одна дополнительная разрядная камера, установленная соосно основной разрядной камере, и дополнительная магнитная система с магнитными полюсами, образующие рабочий межполюсный зазор в области выходного среза каждой дополнительной разрядной камеры, при этом угол α между осью симметрии разрядных камер и образующей внут- ренней поверхности каждого ускорительного канала выбран из условия 0^о< α<180, причем источники магнитодвижущей силы включены так, что векторы индукции магнитного поля в межполюсных зазорах соседних разрядных камер имеют противоположные направления.

Задача увеличения длины зоны ионизации решена за счет того, что, во-первых, анод может быть образован частью магнитопровода, которая расположена в полости каждой разрядной камеры и отделена от остальных участков магнитопровода диэлектрическими прокладками; во-вторых, каналы впрыска устройства газораспре- деления направлены под углом к поверхности стенки зарядной камеры.

Задача, связанная с различной эффективностью работы катода-компенсатора на ближнем к нему и расположенном за ним разрядных каналах, решена за счет того, что входы устройств газораспределения каждой разрядной камеры соединены с системой перераспределения расхода рабочего тела.

Задача по обеспечению заданного вектора механического усилия, создаваемого ускорителем при работе, связанная с необходимостью компенсации усилий, возникающих при экранировании части ускоренного потока плазмы, решена за счет того, что ускоритель дополнительно содержит экран-компенсатор, установленный за срезом по меньшей мере одной разрядной камеры в зоне слабого магнитного поля и перекрывающий часть поперечного сечения ускоренного потока плазмы, причем поверхностный слой экрана-компенсатора, обращенный к потоку плазмы, выполнен из диэлектрического материала.

На фиг.1 изображены ускоритель с дополнительными разрядным каналом и магнитной системой, а также система перераспределения расхода в разрезе; на фиг. 2 ускоритель плазмы, в котором часть осевого магнитопровода совмещает функции анода и газораспределителя; на фиг.3 представлена разрядная камера с устройством газораспределения, в котором каналы впрыска направлены под углом к плоскости разрядной камеры; на фиг.4 и 5 показан ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, на котором размещен экран-компенсатор.

Радиальный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит магнитную систему, состоящую из магнитных полюсов 1, источников 2 магнитодвижущей силы и магнитопроводов 3, расположенную в межполюсном зазоре 4 радиальную разрядную камеру 5 с диэлектрическими стенками 6, анодом 7 и устройством 8 газораспределения с каналами 9 впрыска рабочего газа, катод-компенсатор 10, а также дополнительную разрядную камеру 11, расположенную в дополнительном межполюсном зазоре 12 дополнительной магнитной системы, состоящей из магнитных полюсов 13, магнитопроводов 14 и источников 15 магнитодвижущей силы, причем магнитопровод между двумя соседними каналами выполнен в виде единого конструктивного элемента 16, а на входе в ускоритель перед устройствами 8 и 17 газораспределения установлена система 18 перераспределения расхода в разрядные камеры.

В ускорителе по фиг.2 часть осевого магнитопровода 3, расположенная в зоне разрядной камеры 5, отделена от остальных его участков диэлектрическими прокладками 19 и на нее подан анодный потенциал.

В ускорителе по фиг.3 в устройствах 8 и 17 газораспределения каналы 9 впрыска направлены под углом к поверхности стенки разрядной камеры 5.

На ускорителе по фиг.4 и 5 за срезом разрядной камеры 5 установлен экран-компенсатор 20, поверхность которого со стороны разрядной камеры выполнена из диэлектрического материала 21.

Ускоритель работает следующим образом.

Входящая в состав ускорителя магнитная система обеспечивает заданную величину и конфигурацию распределения магнитного поля в межполюсном зазоре 4, в котором размещена разрядная камера 5. Величина магнитного поля определяется мощностью источников 2 магнитодвижущей силы, а конфигурация обеспечивается взаиморасположением полюсов 1. Таким образом магнитный поток, проходя через насыщенные магнитные полюса и связывающие их магнитопроводы 3, создает в разрядной камере 5 магнитную линзу с крутым градиентом радиальной составляющей вектора магнитной индукции. Рабочий газ поступает в устройство 8 газораспределения, которое обеспечивает радиальную однородность его впрыска через каналы 9 в разрядную камеру 5, которые могут быть конструктивно выполнены в аноде 7. Часть поступающих из катода-компенсатора 10 электронов замыкается на анод, дрейфуя в скрещенных -полях, обеспечивая ионизацию поступающих в разрядную камеру нейтральных атомов электронным ударом. Стабилизацию электронной температуры в камере и ширину слоя ионизации и ускорения обеспечивают диэлектрические стенки 6. Остальная часть электронов вытягивается ускоренными ионами, вследствие чего формируется ускоренный квазинейтральный поток плазмы на выходе из ускорителя.

В ускорителе по фиг.2 анодный потенциал подается на часть осевого магнитопровода 3 в зоне разрядной камеры, которая отделена от остальных его частей диэлектрическими прокладками 19. В данном примере анод-магнитопровод 3,7 при работе ускорителя также обеспечивает газораспределение подводимого рабочего газа.

В ускорителе по фиг.3 рабочий газ подается в разрядную камеру 5 через каналы 9 впрыска устройства 8 газораспределения под углом к плоскости разрядной камеры. В приведенном примере этот угол равен 90^о, что максимально увеличивает время нахождения нейтральных атомов в зоне ионизации разрядной камеры.

В поликанальном ускорителе источники 2 и 15 магнитодвижущей силы, расположенные на соответствующих магнитопроводах 3 и 14, с помощью полюсов формируют в межполюсных зазорах 4 и 12 магнитное поле требуемой величины и конфигурации. Причем источники магнитодвижущей силы включены так, что направления радиальной составляющей вектора индукции магнитного поля в соседних зазорах имеют противоположные направления и складываются при прохождении через единый для обеих магнитных систем магнитопровод 16 между двумя соседними каналами. Рабочий газ подается в любую из разрядных камер 5 и 11, либо в обе одновременно в зависимости от решаемой при работе ускорителя задачи. Причем при одновременной работе обоих каналов закрутка ионов по ларморовскому радиусу имеет противоположное направление из-за противоположности направления магнитного поля в каналах, что приводит к самокомпенсации возникающих при ионной закрутке крутящих моментов.

В ускорителе рабочий газ поступает в устройство перераспределения рабочего газа, в котором происходит перераспределение расхода рабочего газа с помощью, например, жиклерных шайб 18. Далее газ с заданными уровнями расхода поступает в разрядные камеры 5 и 11. Причем жиклерные шайбы в рассматриваемом примере подобраны таким образом, что выравнивается сопротивление нагрузки между катодом-компенсатором и анодами каждого из разрядных каналов и, как следствие, выравниваются разрядные токи, а также границы устойчивой работы по разрядному напряжению и по расходу рабочего тела.

В ускорителе по фиг.4 и 5 часть потока плазмы, истекающей из разрядной камеры 5, попадает на обращенную к потоку поверхность экрана-компенсатора 20, покрытую слоем диэлектрического материала 21, где происходит в основном неупругое отражение ионов потока от диэлектрической поверхности. Толщина диэлектрического покрытия определяется в зависимости от плотности и энергии ионного потока в зоне размещения экрана-компенсатора, а также коэффициентом ионного распыления материала диэлектрика. Поглощенная и частично отраженная часть импульса ускоренного потока ионов обуславливает наличие нескомпенсированного вектора механического усилия при работе ускорителя. Направление вектора усилия определяется местом установки экрана-компенсатора.

Формула изобретения

1. РАДИАЛЬНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий разрядную камеру кольцеобразной формы, выполненную из диэлектрического материала, магнитную систему, в состав которой входит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы и магнитопровод с магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходного среза разрядной камеры, кольцеобразный анод с устройством газораспределения, расположенный в полости разрядной камеры, и катод-компенсатор, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере одну дополнительную разрядную камеру, установленную соосно с основной разрядной камерой, и дополнительную магнитную систему с магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходного среза каждой дополнительной разрядной камеры, при этом угол α между осью симметрии разрядных камер и образующей внутренней поверхности каждого ускорительного канала выбран из условия 0°<α<180°, причем источники магнитодвижущей силы включены таким образом, что векторы индукции магнитного поля в межполюсных зазорах соседних разрядных камер имеют противоположные направления.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что анод образован частью магнитопровода, которая расположена в полости каждой разрядной камеры и отделена от остальных участков магнитопровода диэлектрическими прокладками.

3. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что каналы впрыска устройств газораспределения направлены под углом к поверхности стенки разрядной камеры.

4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что входы устройств газораспределения каждой разрядной камеры соединены с системой перераспределения расхода рабочего тела.

5. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит экран-компенсатор, установленный за срезом по меньшей мере одной разрядной камеры в зоне слабого магнитного поля и перекрывающий часть поперечного сечения ускоренного потока плазмы, причем поверхностный слой экрана-компенсатора, обращенный к потоку плазмы, выполнен из диэлектрического материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5