Устройство выброса ионов на эффекте холла

Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) имеет открытый конец, анод (26), находящийся внутри канала (21), катод (30), находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21). Магнитная цепь содержит, по меньшей мере, кольцевую внутреннюю стенку (22), кольцевую наружную стенку (23) и дно (8), соединяющее внутреннюю (22) и наружную (23) стенки и образующее выходную часть магнитной цепи (4), при этом магнитная цепь (4) выполнена с возможностью создания на выходе кольцевого канала (21) магнитного поля, не зависящего от азимута. Технический результат - повышение вероятности ионизирующих столкновений между электронами и атомами инертного газа. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области устройств выброса ионов на эффекте Холла и, в частности, к области плазменных двигателей.

В области космонавтики известно использование плазменных двигателей, в частности, для удержания спутника на геостационарной орбите, для перемещения спутника с одной орбиты на другую орбиту, для компенсации сил сопротивления, действующих на спутники, находящиеся на так называемой низкой орбите, то есть на высоте от 200 до 400 км, или для обеспечения движения космического аппарата во время межпланетного полета, требующего небольшой тяги в течение очень длительного времени.

Как правило, эти плазменные двигатели имеют форму тела вращения вокруг продольной оси, по существу параллельной направлению выброса ионов, и содержат, по меньшей мере, один главный кольцевой канал ионизации и ускорения, выполненный из огнеупорного материала, охваченного двумя круглыми цилиндрическими полюсами, при этом кольцевой канал является открытым на своем конце, при этом внутри канала находится кольцевой анод, при этом кольцевой катод находится снаружи канала на его выходе и, как правило, дублирован вторым избыточным анодом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в части кольцевого канала. Магнитное поле обычно создают при помощи электрических катушек, получающих питание от электрических генераторов, подключенных к панелям солнечных батарей.

Хотя теоретическая работа этих двигателей пока полностью не изучена, все же общепринято считать, что они работают следующим образом. Электроны, испускаемые катодом, направляются к аноду от входа к выходу кольцевого канала. Часть этих электронов улавливается в кольцевом канале междуполюсным магнитным полем. Столкновения между электронами и молекулами газа способствуют ионизации газа, подаваемого в кольцевой канал через анод. При этом смесь ионов и электронов образует самоподдерживающуюся ионизированную плазму. Ионы, выталкиваемые в направлении выхода под действием электрического поля, создают тягу двигателя, направленную к входу. Поток ионов электрически нейтрализуется электронами, испускаемыми катодом 2.

Такие плазменные двигатели описаны, например, в американских патентах US 5,359,258 и US 6,281,622.

Несмотря на то, что эти двигатели обеспечивают скорость выброса ионов, в пять раз превышающую скорость реактивной струи, достигаемую в химических двигателях, что позволяет существенно уменьшить вес и габариты космических аппаратов, например, таких как спутники, недостатком этого типа двигателя является необходимость в наличии тяжелых и громоздких генераторов и его высокая стоимость.

Чтобы устранить эти недостатки, были предложены плазменные двигатели, характеризующиеся при одинаковой тяге меньшим расходом электрического тока и, следовательно, меньшей массой электрических генераторов, меньшими массой и габаритами магнитной цепи, более высокой надежностью и меньшей себестоимостью.

Это относится, например, к французской патентной заявке FR 2842261, описывающей плазменный двигатель на эффекте Холла, в котором по меньшей мере одна ветвь магнитной цепи содержит постоянный магнит.

Указанный двигатель имеет продольную ось, по существу параллельную направлению тяги, определяющему входную часть и выходную часть, и содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, выполненный из огнеупорного материала, охваченного двумя круглыми цилиндрическими магнитными полюсами, при этом кольцевой канал открыт на своем входном конце, кольцевой газораспределительный анод, в который поступает газ из распределительных каналов и который оборудован каналами для прохождения газа в кольцевой канал, при этом указанный кольцевой анод установлен внутри канала в его выходной части, по меньшей мере, один полый катод, расположенный за пределами кольцевого канала и смежно по отношению к нему, магнитную цепь, содержащую входные полюсные концы для создания радиального магнитного поля во входной части кольцевого канала между этими полюсными частями, при этом цепь выполнена в виде выходной пластины, от которой в сторону входа параллельно продольной оси отходят центральная ветвь, расположенная в центре кольцевого канала, два круглых цилиндрических полюса по обе стороны кольцевого канала и периферические ветви, расположенные снаружи кольцевого канала смежно по отношению к нему. По меньшей мере, одна из ветвей магнитной цепи содержит постоянный магнит, за счет чего катушки создания магнитного поля могут иметь небольшое количество витков, намотанных из специального жаростойкого провода..

Таким образом, уменьшение числа витков позволяет снизить потери из-за эффекта Джоуля, что приводит к снижению нагрева двигателя, к повышению надежности его работы и снижению стоимости изготовления, поскольку специальный провод является хрупким и дорогим.

Однако такой тип двигателя не соответствует малоразмерным двигателям, предназначенным для некоторых вариантов применения, например, таких как приведение в движение небольших спутников.

Известен также документ US 2005/116652, в котором описан плазменный ионный двигатель, содержащий два концентрических кольцевых канала ионизации и ускорения, анод, находящийся внутри каждого канала, и катод, находящийся снаружи каналов на выходе этих каналов. Указанный двигатель содержит магнитную цепь, состоящую из электрических катушек или из кольцевых постоянных магнитов.

Кроме того, в документе US 2005/247885 описан плазменный двигатель на эффекте Холла, содержащий кольцевой канал ионизации и ускорения, анод, находящийся внутри канала, катод, находящийся снаружи канала на выходе этого канала, и магнитную цепь для создания магнитного поля в кольцевом канале. Магнитная цепь содержит постоянные магниты: центральный кольцевой постоянный магнит, неподвижно соединенный с внутренней стенкой магнитной цепи, периферический кольцевой постоянный магнит, который неподвижно соединен с наружной стенкой, и так называемый отклоняющий магнит, расположенный на дне кольцевого канала. Кроме того, плазменный двигатель содержит отклоняющие элементы, позволяющие концентрировать магнитное поле для создания зеркального магнитного поля на выходе кольцевого канала, при этом указанное зеркальное магнитное поле является относительно симметричным между полюсами постоянных магнитов.

Кроме того, в документе US 5,763,989 описан плазменный двигатель, содержащий кольцевой канал ионизации и ускорения, анод, находящийся внутри канала, катод, находящийся снаружи канала, и магнитную цепь для создания магнитного поля в части кольцевого канала. Магнитная цепь содержит постоянные магниты: центральный постоянный магнит и периферический кольцевой постоянный магнит. Чтобы убрать магнитное поле на уровне анода, устройство содержит экран, который локально деформирует линии поля вблизи анода.

Все эти устройства требует использования экрана, чтобы избежать любого пробоя на уровне анода и не приспособлены для двигателей небольшого размера.

Одной из задач настоящего изобретения является устранение всех этих недостатков путем создания устройства выброса ионов, специально предназначенного для реализации плазменного двигателя простой, недорогой и малогабаритной конструкции.

В этой связи изобретением предлагается устройство выброса ионов на эффекте Холла, имеющее продольную ось, по существу параллельную направлению выброса ионов, и содержащее, по меньшей мере, один главный кольцевой канал ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал открыт на своем конце, анод, находящийся внутри канала, катод, находящийся снаружи канала на его выходе, и магнитную цепь для создания магнитного поля в части кольцевого канала, в который подается инертный газ, при этом указанная цепь содержит, по меньшей мере, одну кольцевую внутреннюю стенку, кольцевую наружную стенку и дно, соединяющее внутреннюю и наружную стенки и образующее выходную часть магнитной цепи; при этом магнитная цепь выполнена с возможностью создания на выходе кольцевого канала магнитного поля, не зависящего от азимута, и создания в зоне анода магнитного поля, радиальная составляющая которого равна нулю.

Следует отметить, что поскольку магнитное поле не зависит от азимута, на выходе кольцевого канала получают в основном постоянное при любом азимуте и практически радиальное магнитное поле. Таким образом, электроны, попадающие в выходную зону кольцевого канала со скоростью, параллельной оси вращения устройства, подвергаются действию силы Лапласа, которая сообщает им циклотронное движение в выходной плоскости кольцевого канала. Таким образом, электроны массово улавливаются в выходной зоне, что приводит к увеличению вероятности ионизирующих столкновений с атомами инертного газа. Кроме того, поскольку в зоне анода радиальная составляющая магнитного поля является нулевой, устройство не требует использования экрана для деформации силовых линий поля.

Устройство содержит так называемый центральный кольцевой постоянный магнит, неподвижно соединенный с внутренней стенкой магнитной цепи, и так называемый периферический кольцевой постоянный магнит, неподвижно соединенный с наружной стенкой магнитной цепи, направление намагниченности которого противоположно направлению намагниченности центрального магнита.

Кроме того, дно кольцевого канала содержит сквозную кольцевую щель, образующую воздушный зазор.

Предпочтительно центральный и/или периферический магниты содержат несколько магнитных элементов, расположенных по окружности.

Кроме того, центральный и/или периферический магниты содержат один или несколько немагнитных элементов.

Каждый магнитный элемент периферического магнита имеет определенную мощность.

Указанные элементы центрального и/или периферического магнитов выполнены в виде цилиндров из металлического сплава SmCo.

Согласно варианту выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением, центральный и/или периферический магниты выполняют из магнитотвердых ферритов, называемых гексаферритами.

Предпочтительно магнитную цепь выполняют из магнитомягких ферритов, которые предпочтительно выбирают из группы, в которую входят ферриты с общей формулой MFe2O4 или МО, Fе2O3.

Кроме того, устройство содержит кольцевую деталь, выполненную из пористого огнеупорного материала и установленную на дне кольцевого канала для закрывания воздушного зазора и дна кольцевого канала.

Предпочтительно эту кольцевую деталь выполняют из пористой керамики.

Кроме того, анод имеет кольцевую форму и расположен в центральной части кольцевого канала.

Устройство может найти широкое промышленное применение, например, в плазменном двигателе на эффекте Холла или в устройстве ионной поверхностной обработки.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания нескольких вариантов выполнения, представленных в качестве не ограничительных примеров, устройства выброса электронов на эффекте Холла в соответствии с настоящим изобретением со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - вид в осевом разрезе плазменного двигателя в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - вид в осевом разрезе магнитной цепи плазменного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг.1;

фиг.3 - графическая характеристика магнитной индукции магнитов плазменного двигателя в зависимости от азимута;

фиг.4 - график изменений составляющей Вr магнитной индукции в зависимости от радиуса г вдоль среднего радиуса для определенного угла θ;

фиг.5 - график отклонений между измеренными значениями составляющей Вr магнитной индукции и функцией, характеризующей наилучшую регулировку;

фиг.6 - вид в осевом разрезе варианта выполнения плазменного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

Далее следует описание устройства выброса электронов на эффекте Холла для плазменного двигателя; вместе с тем, устройство выброса электронов может найти широкое применение, в частности, в качестве источника ионов для промышленных видов обработки, в частности, таких как нанесение покрытия осаждением в вакууме, ионное нанесение покрытия, называемое IAD от английского сокращения "Ion Assisted Deposition", сухая гравировка микросхем или в качестве любого другого устройства ионной обработки поверхности.

Как показано на фиг.1, плазменный двигатель в соответствии с настоящим изобретением содержит основание 1, имеющее форму тела вращения с осью OO' и содержащее в выходной части, то есть в своей задней части, контур 2 подачи инертного газа, например, такого как ксенон, который может ионизироваться, а во входной части, то есть в своей передней части - центральный цилиндрический сердечник 3, при этом «выталкивание» ионов происходит от выхода к входу, что будет подробно описано ниже.

Кроме того, двигатель содержит магнитную цепь 4, показанную на фиг.1 и 2 и выполненную в виде короны 5 с U-образным сечением, содержащего внутреннюю стенку 6, наружную стенку 7 и дно 8, соединяющее внутреннюю стенку 6 и наружную стенку 7 и образующее выходную часть магнитной цепи 4. Входная часть магнитной цепи 4 образована диском 9, закрывающим корону 5. Указанный диск 9 содержит кольцевую щель 10, находящуюся напротив дна 8 короны 5, и отверстие 11 для прохождения винта 12 (фиг.1), позволяющего соединить магнитную цепь 4 с основанием 1, при этом центральный сердечник 3 содержит резьбовое отверстие 13 для винта 12. Кроме того, в дне 8 магнитная цепь 4 имеет кольцевую выемку 14, образующую воздушный зазор и выходящую в кольцевую канавку 15, питаемую радиальными вспомогательными каналами 16, соединенными с распределителем 17, питаемым главным каналом 18, соосным с осью 00' двигателя, при этом кольцевая канавка 15, вспомогательные каналы 16, распределитель 17 и главный канал 18 образуют контур подачи газа. Вся магнитная цепь выполнена из магнитомягкого железа.

Наружная кольцевая стенка 7 магнитной цепи 4 содержит первый кольцевой магнит 19, называемый периферическим магнитом, намагниченность которого имеет направление север-юг от входа к выходу, а внутренняя кольцевая стенка 6 содержит второй кольцевой магнит 20, называемый центральным магнитом, намагниченность которого имеет направление север-юг, от выхода к входу, противоположно направлению намагниченности первого кольцевого магнита 19 таким образом, чтобы создавать магнитное поле, не зависящее от азимута. Такое выполнение магнитов 19 и 20 позволяет получить геометрию чечевицеобразного поля в выходной зоне канала выброса ионов, обеспечивающую хорошее схождение ионов. Кроме того, следует заметить, что положение магнитов 19, 20, их размеры и воздушный зазор 14 позволяют получить магнитное поле, радиальная составляющая которого в зоне анода является нулевой.

Каждый из магнитов 19 и 20 может быть монолитным или предпочтительно может содержать несколько магнитных элементов, расположенных вдоль окружности.

Следует заметить, что намагниченность периферического магнита 19 может иметь направление север-юг от входа к выходу, а намагниченность центрального магнита 20 может иметь направление север-юг от выхода к входу, что не выходит за рамки настоящего изобретения.

Каждый магнитный элемент периферического 19 и/или центрального 20 магнитов имеет определенную магнитную силу. Кроме того, предпочтительно магнитные элементы выполняют в виде цилиндров из твердого металлического сплава, например, SmCo, преимуществом которого является повышенная магнитодвижущая сила.

Согласно варианту выполнения плазменного двигателя, периферический 19 и/или центральный 20 магнит содержит магнитные элементы и один или несколько немагнитных элементов. Следует отметить, что в этом примере выполнения каждый магнитный элемент может иметь собственную магнитную силу, при этом все магнитные и немагнитные элементы выполняют таким образом, чтобы создавать магнитное поле, не зависящее от азимута.

Следует заметить, что использование разных магнитных элементов позволяет получать кольцевые магниты разного диаметра и/или разной высоты, чтобы адаптировать их к геометрии и размерам двигателя или чтобы, при определенной геометрии двигателя, адаптировать магнитодвижущую силу,. заменяя магнитные элементы немагнитными элементами.

Согласно другому, не показанному на фигурах варианту выполнения, периферический 19 и/или центральный 20 магнит заменяют тороидальным магнитом с радиальным намагничиванием, при этом центр тора совпадает с осью OO' плазменного двигателя.

Под магнитным полем, не зависящим от азимута, следует понимать магнитное поле, значение которого в основном является постоянным для высоты (z) по оси вращения OO' и для данного радиуса (r), то есть магнитное поле, не зависящее от азимута (θ), или в котором значение меняется менее чем на 1% в зависимости от азимута (θ).

Действительно, следует отметить, что хотя магнитное поле, создаваемое кольцевыми магнитами, не зависит от азимута (θ) для данной высоты (z) и для данного радиуса (г), результат измерения магнитного поля при помощи гауссметра может меняться с учетом погрешностей измерения и неточности выравнивания оси 00' плазменного двигателя с осью вращения зонда гауссметра.

Показанная на фиг.3 магнитная индукция была измерена при помощи трехмерного гауссметра для определения магнитного поля в зависимости от азимута (-180°<9<+180°) в зоне выходной плоскости плазменного двигателя, с учетом среднего радиуса (r=19 мм).

Составляющая Вr является постоянной при любом азимуте.

Вr=43.55±0.31 мТл

То есть отклонение меньше одного процента (0,7%).

Однако если анализировать Вr(θ) более тщательно, можно заметить систематическое изменение синусоидального типа с периодом в 360 градусов (фиг.3).

Это отклонение связано с небольшой неточностью центровки оси OO' двигателя относительно оси гауссметра. Действительно, если ось OO' плазменного двигателя не совпадает с осью вращения держателя зонда гауссметра, измерение по 9 оказывается чувствительным к изменению Вr по радиусу r.

Например, на фиг.4 показано изменение Вr в зависимости от радиуса r в области среднего радиуса (r=19 мм) для угла θ, равного - 90 градусов, а также контрольная кривая полинома второго порядка.

Аналогичные кривые строили через каждые 90 градусов, что позволило определить чувствительность поля при изменении радиуса в области r=19 мм:

ΔВ/Δr=2.7 мТл/мм

Принимая го за амплитуду смещения центров, получают изменение положения зонда во время одного оборота

Δr(9)=r0 sin (θ-Ф),

где Ф является действительным азимутом центра вращения.

Это приводит к изменению Вr:

ΔВr(θ)=ΔВ/Δr*Δr(θ)

=(ΔВ/Δr)*r0 sin(θ-Ф)

=b0 sin(θ-Ф)

Параметрами контрольной кривой на фиг.4, которая наилучшим образом соответствует измерениям, являются

b0=0.445 мТл

Ф=28 градусов

С учетом значения ΔВ/Δr=2.7 мТл/мм можно вывести амплитуду смещения центров

r0=0.165 мм

или общее отклонение в 0.33 мм на полном обороте зонда гауссметра.

Наконец, на фиг.5 показаны отклонения между измерениями и их оптимальная коррекция при помощи функции синуса.

Общее азимутальное изменение магнитного поля составляет менее одного процента до учета неточности выравнивания оси OO' плазменного двигателя с осью вращения зонда гауссметра.

С учетом этой систематической погрешности реальное азимутальное изменение поля оказывается меньше 0.1 мТл (по сути дела типовое отклонение остатков составляет 0.4 мТл, то есть 0.1%), и, следовательно, именно точность гауссметра (+/-0.1 мТл) ограничивает точность определения азимутальной однородности магнитного поля.

Таким образом, магнитное поле, создаваемое блоком постоянных магнитов, характеризуется отличной азимутальной однородностью, которая теоретически является постоянной, но ограничена точностью современного измерительного прибора (0.25%).

Кроме того, плазменный двигатель в соответствии с настоящим изобретением содержит главный кольцевой канал 21 ионизации и ускорения, образованный внутренней кольцевой стенкой 22 и наружной кольцевой стенкой 23, соосными с осью OO' и выполненными из электроизоляционного материала, такого как керамика BN: например, SiO2, при этом указанный кольцевой канал 21 выполнен от дна 8 до щели 10 магнитной цепи 4. Этот кольцевой канал 21, выполненный из огнеупорного материала, обеспечивает электрическую изоляцию между зоной плазмы, которая образуется в указанном кольцевом канале 21, и магнитной цепью 4, что будет подробно описано ниже.

Выходной конец кольцевого канала 21, то есть конец кольцевого канала, опирающийся на дно 8 магнитной цепи 4, закрыт пористым керамическим кольцом 24, расположенным напротив кольцевой выемки 14, образующей воздушный зазор и выходящей в кольцевую канавку 15 подачи инертного газа. Это пористое керамическое кольцо 24 обеспечивает контролируемую и однородную диффузию газа в кольцевом канале 21.

Следует заметить, что это пористое керамическое кольцо 24 предпочтительно можно адаптировать для всех известных плазменных двигателей, например, описанных в американских патентах US 6,359,258 и US 6,281,622 и во французской патентной заявке FR 2842261, например, для обеспечения контролируемой и однородной диффузии газа в кольцевом канале.

Предпочтительно наружная кольцевая стенка 23 кольцевого канала 21 содержит кольцевой выступ 25, выполненный между центральной частью кольцевого канала 21 и дном магнитной цепи 4, обеспечивая локальное сужение указанного кольцевого канала 21,. чтобы избежать пробоя его внутренней 22 и/или наружной 23 стенок.

Между кольцевым выступом 25 и входным концом кольцевого канала 21 плазменный двигатель содержит кольцевой анод 26, расположенный в центральной части указанного кольцевого канала 21 и соединенный с проводом 27 поляризации, проложенным радиально и проходящим через наружные стенки 7 и 23 соответственно магнитной цепи 4 и кольцевого канала 21 в радиальных отверстиях 28 и 29.

Кроме того, плазменный двигатель содержит, по меньшей мере, один катод 30 и предпочтительно два катода, расположенные на выходе кольцевого канала 21 и предназначенные для создания между указанным анодом 26 и катодом или катодами 30 электрического поля, ориентированного в осевом направлении OO', оставаясь за пределами реактивной струи, и предназначенного для создания плазмы.

Предпочтительно основание 1 плазменного двигателя в соответствии с настоящим изобретением выполняют из теплопроводящего материала, например, такого как медь, чтобы обеспечивать отвод тепла, производимого плазмой в кольцевом канале 21, и, таким образом, медное основание 1 образует контур термического регулирования.

Согласно последнему предпочтительному варианту выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением, представленному на фиг.6, периферический 19 и/или центральный 20 магниты могут быть выполнены из магнитотвердых керамических материалов, таких как гексаферриты, тогда как узел магнитной цепи 4 можно выполнить из магнитомягких керамических материалов, таких как феррошпинели.

Действительно, магнитные цепи известных плазменных двигателей и описанный выше вариант выполняют из магнитомягкого железа, такого как армко-железо, которое обладает очень высокой намагниченностью насыщения (2.2 Тл) и имеет также очень высокую точку Кюри (770°C). Речь идет о довольно магнитомягком материале, то есть требующем для намагничивания всего лишь умеренных магнитных полей. Вместе с тем, магнитная цепь 4 является цепью с воздушным зазором 14, в котором действительные поля намагничивания являются значительно более сильными, чем в замкнутом контуре.

Таким образом, чтобы оптимизировать не только значение радиального магнитного поля, но также пространственное распределение двигателей из предшествующего уровня техники, необходимо установить экраны тоже из мягкого железа. Эти экраны ограничивают кольцевой канал 21 и образуют короткозамыкатель для ионов и электронов в канале, поэтому в конечном счете известные плазменные двигатели содержат изоляционную керамику, чтобы избежать явления электрического «короткого замыкания» экранов.

Замена мягких ферромагнитных частей магнитной цепи 4 магнитомягкими ферритами (структура шпинели) и металлических магнитов магнитотвердыми ферритами, называемыми гексаферритами (гексагональная структура), позволяет отказаться от использования изоляционной керамики кольцевого канала 21, в котором создается плазма.

Таким образом, в этом варианте выполнения, плазменный двигатель, как и в предыдущем варианте, содержит основание 1, имеющее форму тела вращения с осью OO' и содержащее в выходной части контур 2 подачи инертного газа, а во входной части - цилиндрический центральный сердечник 3.

Кроме того, двигатель содержит магнитную цепь 4, выполненную из магнитомягкого феррита, такого как феррит со шпинельной структурой, и представляющую собой корону 5 с U-образным сечением, содержащую внутреннюю стенку 6, наружную стенку 7 и дно 8, соединяющее внутреннюю 6 и наружную 7 стенки и образующее выходную часть магнитной цепи 4. Входная часть магнитной цепи 4 образована диском 9, закрывающим корону 5. Указанный диск 9 содержит кольцевую щель 10, находящуюся напротив дна 8 короны 5, и отверстие 11 для прохождения винта 12 (фиг.1), позволяющего соединить магнитную цепь 4 с основанием 1, при этом центральный сердечник 3 содержит резьбовое отверстие 13 для винта 12. Кроме того, магнитная цепь 4 содержит в дне 8 кольцевую щель, образующую воздушный зазор 14 и выходящую в кольцевую канавку 15, питаемую контуром 5 подачи газа. Узел магнитной цепи 4 выполнен из магнитомягких ферритов, например, общей формулы MFe2O4 или МО, Fе2O3 (М = двухвалентный металл или комбинация двухвалентных металлов).

В целом магнитную цепь 4 можно выполнить из магнитомягкого феррита, описанного, в частности, в публикации J. Smith and H.P.J. Wijn "Ferrites", Philips Tech Library (1959).

Наружная кольцевая стенка 7 магнитной цепи 4 содержит первый кольцевой магнит 19, называемый периферическим магнитом, намагниченность которого имеет направление север-юг от входа к выходу, и внутренняя кольцевая стенка 6 содержит второй кольцевой магнит 20, называемый центральным магнитом, намагниченность которого имеет направление север-юг от выхода к входу противоположно направлению намагниченности первого кольцевого магнита 19 таким образом, чтобы создавать магнитное поле, не зависимое от азимута. Такое выполнение магнитов 19 и 20 позволяет получить геометрию чечевицеобразного поля в выходной зоне канала выброса, обеспечивающую хорошее схождение ионов. Кроме того, следует заметить, что положение магнитов 19, 20, их размеры и воздушный зазор 14 позволяют получить магнитное поле, радиальная составляющая которого в зоне анода является нулевой.

Каждый из магнитов 19 и 20 может быть монолитным или предпочтительно может содержать несколько магнитных элементов, расположенных вдоль окружности.

Кроме того, предпочтительно магнитные элементы выполнены в виде цилиндров из магнитомягкого феррита или гексаферрита, описанного, в частности, в публикации J. Smith and H.P.J. Wijn "Ferrites", Philips Tech Library (1959).

Кроме того, плазменный двигатель в соответствии с настоящим изобретением содержит главный кольцевой канал 21 ионизации и ускорения, образованный внутренней 6 и наружной 7 стенками магнитной цепи 4, при этом использование магнитомягких ферритов для магнитной цепи 4 и магнитотвердых ферритов для магнитов позволяет отказаться от кольцевой короны 5, как было указано выше.

Предпочтительно выходной конец магнитной цепи 4 закрывают кольцевой деталью 24, выполненной из пористого огнеупорного материала и установленной в дне кольцевого канала 21. Эту кольцевую деталь 24 выполняют из пористой керамики напротив кольцевой щели 14, образующей воздушный зазор, выходящий в кольцевую канавку 15 подачи инертного газа, при этом указанная пористая керамическая деталь 24 обеспечивает контролируемую и однородную диффузию газа в кольцевом канале 21.

Плазменный двигатель содержит кольцевой анод 26, расположенный в центральной части указанного кольцевого канала 21 и соединенный с проводом 27 поляризации, проложенным радиально через наружную стенку 7 магнитной цепи 4 в радиальном отверстии 28.

Кроме того, плазменный двигатель содержит, по меньшей мере, один катод 30 и предпочтительно два катода, расположенные на выходе кольцевого канала 21, для создания между указанным анодом 26 и катодом или катодами 30 электрического поля, ориентированного в осевом направлении OO', за пределами реактивной струи, с целью создания плазмы.

Следует отметить, что магниты 19 и/или 20 и/или всю магнитную цепь 4 или ее часть можно заменить, например, ферритами NiZn (Ni1-xZnxFe2O4); содержание цинка х в пределах от 0.2 до 0.4 может быть хорошим компромиссом между намагничиванием и температурой Кюри при рабочей температуре плазменного двигателя.

Кроме того, разумеется, настоящее изобретение можно применять, заменяя магниты и/или всю или часть магнитной цепи известных плазменных двигателей, таких как плазменные двигатели, описанные, например, в американских патентах US 5,359,258 и US 6,281,622 и во французской патентной заявке FR 2 842261, не выходя при этом за рамки настоящего изобретения.

Кроме того, разумеется, что магнитотвердыми ферритами можно заменять только магниты 19 и/или 20, не выходя при этом за рамки настоящего изобретения.

Наконец, само собой разумеется, что представленные выше примеры являются лишь частными иллюстрациями и не носят ограничительного характера в том, что касается областей применения изобретения.

1. Устройство выброса ионов на эффекте Холла, имеющее продольную ось (OO'), по существу параллельную направлению выброса ионов, содержащее, по меньшей мере:
один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) открыт на конце,
анод (26), расположенный внутри канала (21),
катод (30), расположенный снаружи канала на его выходе,
магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21), при этом указанная цепь содержит, по меньшей мере, кольцевую внутреннюю стенку (22), кольцевую наружную стенку (23) и дно (8), соединяющее внутреннюю (22) и наружную (23) стенки и образующее выходную часть магнитной цепи (4),
отличающееся тем, что магнитная цепь (4) выполнена с возможностью создания на выходе кольцевого канала (21) магнитного поля, не зависящего от азимута, и создания в зоне анода магнитного поля, радиальная составляющая которого равна нулю.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит центральный кольцевой постоянный магнит (20), неподвижно соединенный с внутренней стенкой (6) магнитной цепи (4), и периферический кольцевой постоянный магнит (19), неподвижно соединенный с наружной стенкой (7) магнитной цепи (4), направление намагниченности которого противоположно направлению намагниченности центрального магнита (20).

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что дно (8) содержит сквозную кольцевую щель (14), образующую воздушный зазор.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что центральный (20) и/или периферический (19) магниты содержат несколько магнитных элементов, расположенных вдоль окружности.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что центральный (20) и/или периферический (19) магниты содержат один или несколько немагнитных элементов.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каждый магнитный элемент центрального (20) и/или периферического (19) магнитов имеет определенную мощность магнита.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что элементы центрального (20) и/или периферического (19) магнитов выполнены в виде цилиндров из металлического сплава SmCo.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что центральный (20) и/или периферический (19) магниты выполнены из магнитотвердых ферритов, называемых гексаферритами.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитная цепь (4) выполнена из магнитомягких ферритов.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что магнитомягкие ферриты выбраны из группы, в которую входят ферриты с общей формулой MFe2O4 или MO, Fе2О3, где M обозначает атом двухвалентного металла или комбинацию атомов с общей валентностью 2.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит кольцевую деталь (24), выполненную из пористого огнеупорного материала и установленную на дне (8) кольцевого канала (21) для закрывания воздушного зазора (14) и дна (8) кольцевого канала (21).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что кольцевая деталь (24) выполнена из пористой керамики.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод (26) имеет кольцевую форму и расположен в центральной части кольцевого канала (21).

14. Применение устройства по любому из пп.1-13 в плазменном двигателе на эффекте Холла.

15. Применение устройства по любому из пп.1-13 в устройстве ионной обработки поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения. Технический результат - увеличение светосилы ионного источника тлеющего разряда за счет уменьшения диффузионных потерь ионов в разрядной камере.

Изобретение относится к физике взаимодействия ионов с поверхностью вещества. .

Изобретение относится к технике получения электронных и ионных пучков и может быть использовано в электронных и ионных источниках, генерирующих пучки с большим поперечным сечением.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к источникам получения пучка ионов, и может быть использовано в ионно-лучевых технологиях для модификации поверхностей изделий и для нанесения на них тонких пленок SiC, AIN, твердых растворов на их основе и т.д.

Изобретение относится к инжекционной технике, применяемой для создания мощных ионных пучков. .

Изобретение относится к технике генерации пучков отрицательных ионов и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, системах нагрева плазмы и других устройствах.

Изобретение относится к физике взаимодействия ускоренных частиц с поверхностью вещества и может быть использовано для создания источника нанокластеров металлов, физические свойства которых обусловливают их широкое применение в науке и технике.

Изобретение относится к технике формирования ионных пучков с широкой апертурой пучка ионов, а именно к источникам ионов на основе основного и вспомогательного разрядов.

Изобретение относится к оптике заряженных частиц и может быть использовано в энерго- и масс-анализе. .

Изобретение относится к области аналитической химии, к анализу чистых веществ, и может быть использовано в масс-спектрометрии тлеющего разряда при элементном анализе твердых веществ, газов и жидкостей с высокой чувствительностью.

Изобретение относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов. Электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. В модели стационарного плазменного двигателя (СПД), содержащей кольцевую диэлектрическую разрядную камеру, с расположенным внутри нее кольцевым анодом-газораспределителем, магнитную систему и катод, внутри его разрядной камеры установлен дополнительный газораспределитель, выполненный в виде кольца, пристыкованного через изолятор к аноду-газораспределителю.

Изобретение относится к электрореактивным двигателям, использующим электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком между ними, заполненным жидким рабочим телом в виде пленки.

Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой, в частности к способам создания подъемной силы у летательных аппаратов с электрической силовой установкой.

Изобретение относится к устройству для отвода тепловых потерь, а также к системе ионного ускорителя с таким устройством. .

Изобретение относится к воздушному транспорту с вертикальным взлетом и посадкой. .

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДЭ).

Изобретение относится к ионному ускорителю в качестве приводного устройства космического летательного аппарата. .

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано в качестве двигателя и источника электроэнергии для аэрокосмических транспортных средств и аппаратов.

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям и может использоваться в импульсных плазменных ускорителях, применяемых, в частности, в качестве электроракетных двигателей. Катод (1) и анод (2) эрозионного импульсного плазменного ускорителя (ЭИПУ) имеют плоскую форму. Между разрядными электродами (1 и 2) установлены две диэлектрические шашки (4), выполненные из абляционного материала. Торцевой изолятор (6) установлен между разрядными электродами в области размещения диэлектрических шашек (4). Устройство (9) инициирования электрического разряда подключено к электродам (8). Емкостный накопитель энергии (3) системы электропитания подключен через токоподводы к разрядным электродам (1 и 2). Разрядный канал ЭИПУ образован поверхностями разрядных электродов (1 и 2), торцевого изолятора (б) и торцевых частей диэлектрических шашек (4). Разрядный канал выполнен с двумя взаимно перпендикулярными срединными плоскостями. Разрядные электроды (1 и 2) установлены симметрично относительно первой срединной плоскости. Диэлектрические шашки (4) установлены симметрично относительно второй срединной плоскости. Касательная к поверхности торцевого изолятора (6), обращенной к разрядному каналу, направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. В торцевом изоляторе (6) выполнено углубление (7) с прямоугольным поперечным сечением. В углублении (7) со стороны катода (1) расположены электроды (8). Касательная к фронтальной поверхности углубления (7) направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. Углубление (7) вдоль поверхности торцевого изолятора (6) имеет форму трапеции. Большее основание трапеции расположено у поверхности анода (2). Меньшее основание трапеции расположено у поверхности катода (1). На поверхности торцевого изолятора (6) выполнены три прямолинейные канавки, ориентированные параллельно поверхностям разрядных электродов (1 и 2). Технический результат заключается в увеличении ресурса, повышении надежности, тяговой эффективности, эффективности использования рабочего вещества и стабильности тяговых характеристик ЭИПУ за счет равномерного испарения рабочего вещества с рабочей поверхности диэлектрических шашек. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал имеет открытый конец, анод, находящийся внутри канала, катод, находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь для создания магнитного поля в части кольцевого канала. Магнитная цепь содержит, по меньшей мере, кольцевую внутреннюю стенку, кольцевую наружную стенку и дно, соединяющее внутреннюю и наружную стенки и образующее выходную часть магнитной цепи, при этом магнитная цепь выполнена с возможностью создания на выходе кольцевого канала магнитного поля, не зависящего от азимута. Технический результат - повышение вероятности ионизирующих столкновений между электронами и атомами инертного газа. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх