Источник ионов

 

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержа- !дий газоразрядную камеру, ограничен- ;ную боковой, торцовой стенками и • антикатодом с отверстиями, внутри которой установлены тёрмокатод, анод и кольцевые намагниченные в радиальном направлении магниты, расположенные вдоль боковой стенки камеры с последовательным чередованием полюсов, основной источник питаниявразряда, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный - с анодом, а также дополнительный источник питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, магниты изолированы от боковой стенки и электрически соединены с положительным полюсом дополнительного источника питания.2. Источник ПОП.1, отличающ и и с я тем, что, анод выполнен в виде кольца, охватывакщего катод, и установлен параллельно задней торцо- ;вой стенке камеры.(ЛSе0000 СлЭ 05а>&

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„SU» 818366 51) 4 Н 01 J 27/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2819138/31-25 (22) 17.09. 79 (46) 23.08,87, Бюл. 9 31 (71) Московский авиационный институт ,им.Серго Орджоникидзе (72) В.В.Виноградов, С.А.Карев и В.А.Обухов (53) 621.385(088.8) (56) Патент США Р 3304718,кл.60-202, опублик. 1967.

Sterling M.L. ТЬе 15-cm ion Souгсеduopigotron. Review of science instruments, v.48, Ф 5, 1977, с.533.

Моог ТЛ. Magneto-electrostatically contained plasma ion thruster .

AIAA paper У 69-260, 1960. (54)(57) 1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий газоразрядную камеру, ограничен,ную боковой, торцовой стенками и антикатодом с отверстиями, внутри ко торой установлены термокатод, анод и кольцевые намагниченные в радиальном направлении магниты, расположенные вдоль боковой стенки камеры с последовательным чередованием полюсов, основной источник питания разряда, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный — с ано-. дом, а также дополнительный источник питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью упрощения конструкции, магниты изолированы от боковой стенки и электрически соединены с положительным полюсом дополнительного источника питания. Е

2. Источник по п.1, о т л и ч а ю- шийся тем, что, анод выполнен в виде кольца, охватывающего катод, и С, установлен параллельно задней торцо вой стенке камеры.

818366

Изобретение относится к области

- ускорителей и инжекторов ионов, а также электроракетных (ионных) двигателей с газоразряднымн источниками ио5 нов и может быть использовано в ионно-лучевой технологии, космической технике, при разработке установок тер- . моядерногр синтеза.

Известен газоразрядный источник 1О ионов носящий название ионного двигателя Кауфмана".

В этом источнике ионизация рабоче.го вещества осуществляется в разряде

Пеннинга C однородным аксиальным маг- 15 нитным полем, создаваемым соленоидом,, с протяженным анодом и горячим катодом.

Извлечение, формирование и уско- 20 рение ионного пучка производится с помощью многоаппертурной ионно-оптической системы.

Известному источнику присущи недостатки, связанные с высокими энергетическими затратами на ионизацию и неоднородным распределением плотности ионного тока на выходе из источника.

Совершенствование источника ионов 30 данного типа шло цо нескольким направлениям, наиболее плодотворное из которых связано с организацией удержания. газоразрядной плазмы в объеме камеры.

Известен, например, газоразрядный источник ионов, магнитное поле в котором создается с помощью продольных намагниченных в поперечном направлении магнитов, расположенных равномерно по окружности с наружной стороны 40 газоразрядной камеры с последовательным чередованием полюсов.

При такой магнитной системе вблизи боковой стенки источника образуется область быстро спадающего к оси маг- 45 нитного поля. Электроны в этой области замагничены и их дрейф на стенку затруднен.

Недостатком данного источника является невозможность эффективного удер- бб жания ионного компонента плазмы, что приводит к дополнительным затратам энергии на повторную ионизацию прорекомбинировавших на стенке ионов. . Частично этот. недостаток устранен в источнике ионов с магнитно-электростатическим удержанием плазмы, который является ближайшим техническим решением.

Известный источник содержит газоразрядную камеру, ограниченную боковой, задней торцевой стенками и антикатодом с отверстиями для извлечения ионов, внутри которой установлены термокатод, анод и кольцевые, намагниченные в радиальном направлении магниты, расположенные вдоль боковой стенки камеры с последовательным чередованием полюсов, основной источ" ник питания разряда, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный — с анодом, а также дополнительный источник питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.

В известном источнике постоянные магниты введены внутрь газоразрядной камеры и электрически соединены . с боковой стенкой камеры, находящейся под потенциалом катода. Кроме того в. разряд, кроме основного анода, введены еще дополнительные (пристеночные) аноды, установленные в промежутках между полюсами магнитов. Положительный полюс дополнительного источника соединен с указанными пристеночными анодами. Таким образом, кро" ме основного разряда в ристеночной области газоразрядной камеры осуществляется несамостоятельный разряд в скрещенных Е х В полях.

В процессе работы источника газоразрядная плазма в основном объеме источника поддерживается под потенциалом, близкий к потенциалу основного анода. Потенциал же дополнительных анодов с помощью дополнительного источника питания и в силу известных физических закономерностей, присущих несамостоятельному разряду в пристеночной области камеры, поддерживается на 4-6 в выше потенциала плазмы основного разряда. За счет указанного скачка потенциала обеспечивают эффективное удержание ионов при одновременной замагниченности электронов.

Недостатком известного источника является необходимость затраты мощности на поддержание пристеночного разряда,.что ограничивает возможности дальнейшего повышения его энергоэкономйчности, Необходимость введения допапнительных анодов усложняет конструкцию источника.

Целью изобретения является упрощение конструкции.

818366

Цель эта достигается тем, что магниты изолированы от боковой стенки и электрически соединены с положительным полюсом дополнительного источника питания.

Кроме того, анод выполнен в виде кольца, охватывающего катод и установлен параллельно задней торцовой стенке камеры, преимущественно в закатодной области камеры.

На чертеже схематично изображен источник ионов и схема его питания.

Источник содержит газоразрядную камеру, в которой установлены термокатод 1, например типа полого катода, анод 2, постоянные магниты 3. В ис- . точниках большого размера может быть установлено несколько катодов. Тип катода выбирают в зависимости от рода рабочего вещества. Газоразрядная камера ограничена цилиндрической боковой и задней торцовой стенками, а также антикатодом 4 с отверстиями для извлечения ионов. Ионный пучок 26 формируется ионно"оптической системой, содержащей ускоряющий 5 и кольцевой замедляющий 6 электроды. Магнитное поле в пристеночной зоне образу-. ется магнитами 3, а в прикатодной З0 области — магнитной системой 7, выпол-. ненной, например, в виде соленоида.

Катод 1 и анод 2 запитываются от основного источника 8 питания. Отрицательныи полюс дополнит ельно1 о источни 3 ка 9 подключен к аноду 2, а положительный вЂ,к магнитам 3. Для осуществления такой электрической связи магниты 3 изолированы от боковой стенки.

Источник ионов работает следующим 4р .образом. Рабочее вещество подается через полый катод 1 и в камеру через систему подачи (на чертеже не показа.- на). При подаче напряжения с основного источника 8 порядка 15- 30 В (в зависимости от рода рабочего вещества) зажигается разряд. Электроны, эмиттируемые катодом-(первичные электроны), ионизируют рабочее вещество и нагревают образовавшиеся в результате ионизации электроны плазмы (вторичные электроны). Ток первичных электронЬв и их энергия регулируются величиной расхода газа через катод 1 и напряжением разряда,.что позволяет выбрать оптимальный с точки зрения энергозатрат режим работы источника.

Уровень энергозатрат и газовая экономичность источника во многом определяется величиной потока ионов и электронов на боковую стенку камеры. В дан ном источнике магниты 3 создают вблизи боковой стенки знакопеременное магнитное поле, в котором электроны замагничены, что затрудняет их дрейф на боковую стенку. Поддержание положительного потенциала на магнитах относительно плазмы (потенциал плазмы близок к потенциалу анода 2 в силу известных физических закономерностей) приводит к .возникновению радиального направленного к оси электрического поля перпендикулярного пристеночному

Ф магнитному полю. Известно, что такое электрическое поле может существовать только в условиях замкнутого азиму-. тального дрейфа электронов. Это условие выполняется в данной конструкции за счет кольцевой формы магнитов..Указанное электрическое поле обеспечивает удержание ионов в объеме ГРК, Для электронов имеются каналы утечки на полюса пристеночных маг. нитов 3.

Одйако из теоретических работ из-. вестно, что ширина этих каналов составляет порядка ларморовского диамет-ра электронов. С учетом этого плот,ность электронного тока на полюса обратно пропорциональна величине маг-( нитного поля В. При В 10 Т энерге- .. тические затраты на поддержание электронного тока в цепи: анод-магниты малы .по отношению к затратам на ионизацию. По сравнению с известным источником поток ионов на боковую стенку снижен за счет того, что в известном источнике .имеются каналы утечек ионов на полюса магнитов, а в данной конструкции они отсутствуют. Таким образом, затраты мощности на поддержание пристеночного разряда исключены, а ток дополнительного источника питания определяется током утечек электронов. Для того, чтобы снизить поток ионов на заднюю стенку целесообразно анод 2 основного разряда выполнять в виде кольца, расположенного вблизи задней торцовой стенки. Это и предопределяет положительный эффект изоб; ретения..

В экспериментах исследовалась мо- . дель источника с кольцевыми магнитами из сплава ЮНДК. При расстоянии между полюсами 12 мм магнитное поле составляло 2 10 Т. При работе .на цезии

Составитель А.Горячев

Техред В.Кадар

Редактор С.Титова

Корректор С.Шекмар т

Заказ 3985/1 . Тираж 697

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул.

Подписное

Проектная, 4

5 818366 6 удельные энергетические затраты (от- вестном источнике, Изобретение позвоношение мощности в разряде к ионному ляет снизить удельные энергозатраты току пучка) не превышали 90 эВ/ион, в источнике на 10-12Ж при одновременчто на 10-12Х ниже энергозатрат в из- ном Упрощении конструкции источника.