Ускоритель заряженных частиц
Изобретение относится к ускорительной технике, в частности, к конструкции ускорителей заряженных частиц, в том числе для электрореактивных двигателей. Предложен ускоритель заряженных частиц, содержащий рабочее газообразное вещество, электронно-ионную оптическую систему с катодом, анодом и коллектором электронов и систему фокусирующих магнитов. Катод с торцевой эмитирующей поверхностью имеет в центре сквозные отверстия в вакуумное пространство для выхода ускоренных ионов, при этом потенциал анода определяет энергию положительных ионов, потенциал коллектора меньше потенциала анода, а система фокусирующих магнитов расположена на участке катод-анод. Вместе с тем: торцевой катод имеет симметричную относительно центра форму в виде круга или части сферы; катод со стороны выхода ускоренных ионов в вакуумное пространство может обеспечивать эмиссию электронов для компенсации зарядов ионов; в качестве рабочего вещества используются вещества, не отравляющие электронную эмиссию катода; ускоритель может иметь несколько электронно-ионных оптических систем.
Изобретение относится к ускорительной технике, в частности, к конструкции ускорителей заряженных частиц, в том числе для электрореактивных двигателей.
Известны ускорители заряженных частиц с рабочей камерой, заполненной газообразным веществом (например, инертными газами аргоном, ксеноном, или парами лития), с катодом и анодом, в которой осуществляется газовый электрический разряд [1]. Струя образовавшейся плазмы вытекает из сопла, обеспечивая реактивный импульс. Недостатками такой конструкции являются: большой расход рабочего вещества (токи разряда до 10 кА), низкая энергия ионов (напряжение разряда 50-60 В ограничено возникновением паразитных пробоев), и, как следствие, малый импульс струи на единицу расходуемого вещества и потребляемой мощности.
Известны также ускорители заряженных частиц (далее - ускорители) с электронно-оптической системой, содержащей катод, сетчатый анод, ускоряющую сетку и систему фокусирующих магнитов [2]. Магнитное поле усиливает ионизацию газообразного рабочего вещества, а сетчатый анод пропускает образовавшиеся положительные ионы к ускоряющей сетке с отрицательным потенциалом. Таким образом можно увеличить энергию ионов в 10-100 раз по сравнению с конструкцией [1]. Однако электронный поток значительно нагревает сетчатый (диаметр отверстий 3 мм) анод, охлаждение которого конструктивно затруднено. Ионы частично также оседают на ускоряющей сетке (диаметр отверстий 1 мм), нагревая ее. Сетка и анод имеют толщину 0,5-1,0 мм, располагаются на близком расстоянии 0,5-0,8 мм, и их коробление может привести к ухудшению прохождения ионов и замыканию. Эти конструктивные трудности не позволяют выполнять ускорители с большим размером сетчатых электродов (диаметром до 70 см, 36500 отверстий), что требуется для получения больших мощностей, например, до 50 кВт. Кроме того, у таких ускорителей остаются главные недостатки: большие токи разряда до нескольких кА, и, следовательно, большие расходы вещества и низкий уровень энергии ионов - 300-400 эВ.
Технический эффект, обеспечиваемый изобретением, заключается в уменьшении расхода рабочего вещества, увеличении энергии ионов, повышении надежности и ресурса ускорителя.
Указанный технический эффект достигается благодаря тому, что в ускорителе, содержащем рабочее газообразное вещество, электронно-ионную оптическую систему с катодом, анодом и коллектором электронов и систему фокусирующих магнитов, катод с торцевой эмитирующей поверхностью имеет в центре сквозные отверстия в вакуумное пространство для выхода ускоренных ионов, при этом потенциал анода определяет энергию положительных ионов, потенциал коллектора меньше потенциала анода, а система фокусирующих магнитов расположена на участке катод-анод. Вместе с тем: торцевой катод имеет симметричную относительно центра форму в виде круга или части сферы; катод со стороны выхода ускоренных ионов в вакуумное пространство может обеспечивать эмиссию электронов для компенсации зарядов ионов; ускоритель может иметь несколько электронно-ионных оптических систем, в качестве газообразного рабочего вещества используются вещества, не отравляющие электронную эмиссию катода, например, водород, азот, инертные газы, пары щелочных, щелочноземельных, редкоземельных металлов и ртути.
На фиг.1 представлена схема конструкции ускорителя заряженных частиц и электрическая схема его питания. В корпусе 1 расположена электронно-ионная оптическая система с катодом 2, фокусирующим электродом 3, анодом 4, коллектором 5, фокусирующим магнитом бис вводом газообразного рабочего вещества 7, также обозначены траектории движения электронов 8 и ионов 9, изоляторы катода 1' и токовводы анода и коллектора на изоляторах 4' и 5'. От источника энергии, например, батареи 10, подается напряжение на анод U, напряжение на коллектор U' (U'<U) и напряжение U" на накал подогревателя катода. Питание электромагнитов не показано, так как можно использовать постоянные кольцевые магниты.
Ускоритель работает следующим образом. В электронно-ионную оптическую систему подается газообразное рабочее вещество - газы или пары указанных выше веществ. На анод подается относительно катода положительный потенциал в пределах 1000-100000 В в зависимости от мощности ускорителя, на коллекторе устанавливается потенциал меньше, чем на аноде, для торможения ускоренных электронов с целью меньшего выделения тепловой энергии. Электронный поток с катода ускоряется потенциалом анода и ионизирует рабочее газообразное вещество. Магниты фокусируют электронный поток, повышая степень ионизации газов. Образовавшиеся положительные ионы фокусируются электронным потоком в шнур и под действием потенциала катода ускоряются и вылетают в вакуум. Электронный поток, пройдя отверстие в аноде, рассыпается, так как прекращается магнитная фокусировка, и оседает на коллекторе в тормозящем поле. Следует отметить, что центр катода должен быть соосным с электронно-ионной оптической системой. В противном случае ионный поток будет подвергать катод бомбардировке, разрушая его. При необходимости обратная сторона катода, обращенная в вакуум, может также эмиттировать электроны, обеспечивая компенсацию заряда ионного потока. Для повышения мощности ускорителя он может иметь в одном корпусе несколько электронно-ионных оптических систем.
Нами проведены экспериментальные испытания макета ускорителя в составе электровакуумного прибора. Давление газов составляло 10-5-10-6 мм рт.ст. Состав газов - 90% водород, 8-9% азот, 1-2% аргон. Плотность тока с катода составляла до 5 А/см2, напряжение на аноде - до 20 кВ, напряжение на коллекторе - до 10 кВ. Испытания проводились в импульсном режиме (длительность импульса 10 мкс, частота 100 Гц) для уменьшения выделения тепла на коллекторе. Получена удельная мощность ионного потока на выходе за катодом не менее 200 Вт/см 2.
На основании полученных данных можно ожидать значительного увеличения мощности ионного потока при повышении давления и молекулярного веса рабочего газообразного вещества. Исследования продолжаются.
ЛИТЕРАТУРА,
1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Плазменные ускорители. М., Машиностроение, 1983 г., 231 с.
2. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. М., Машиностроение, 2008 г., 280 с.
1. Ускоритель заряженных частиц (ионов), содержащий рабочее газообразное вещество, электронно-ионную оптическую систему с катодом, анодом и коллектором электронов и систему фокусирующих магнитов, отличающийся тем, что катод с торцевой эмитирующей поверхностью имеет в центре сквозные отверстия в вакуумное пространство для выхода ускоренных ионов, при этом потенциал анода определяет энергию положительных ионов, потенциал коллектора меньше потенциала анода, а система фокусирующих магнитов расположена на участке катод-анод.
2. Ускоритель заряженных частиц по п.1, отличающийся тем, что катод имеет симметричную относительно центра форму в виде круга или части сферы.
3. Ускоритель заряженных частиц по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он имеет несколько электронно-ионных оптических систем.
4. Ускоритель заряженных частиц по пп.1-3, отличающийся тем, что катод со стороны выхода ускоренных ионов в вакуумное пространство обеспечивает эмиссию электронов для компенсации зарядов ионов.
5. Ускоритель заряженных частиц по пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве газообразного рабочего вещества используются вещества, не отравляющие электронную эмиссию катода, например водород, инертные газы, пары щелочных металлов, щелочноземельных металлов, редкоземельных металлов и ртути.
