Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов
Использование: в плазменной технике при разработке источников плазмы и электроракетных двигателей на основе ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и технологических ускорителей потоков ионов для вакуумной ионно-плазменной обработки материалов. Сущность изобретения: магнитная система плазменного ускорителя выполнена с магнитными экранами 4 и 5, первый из которых охватывает внутренний источник 9 магнитодвижущей силы ( МДС ), а второй - выходную часть стенок разрядной камеры 3. Выходные торцы магнитных экранов расположены с продольными зазорами относительно соответствующих полюсов 6 и 7, величины которых не превышают половины межполюсного зазора. Выходной торец магнитного экрана 4 расположен ближе к серединной поверхности ускорительного канала, чем внутренний полюс 7. Выходной торец внутренней стенки разрядной камеры выполнен увеличенной толщины. Выходные торцы стенок разрядной камеры расположены за плоскостями, в которых лежат полюса магнитной системы. Магнитные экраны могут быть расположены с зазором относительно магнитопровода. В этом случае они соединяются перемычкой из магнитомягкого материала со стороны анода-газораспределителя 1. Катод-компенсатор 2 расположен в полости 20 центрального сердечника 12. Разрядная камера 3, анод 1 и магнитная система могут быть выполнены симметричными относительно двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостей, а наружные полюс 6 и экран 5 - со сквозными прорезями, которые делят их на четыре симметричные части. Наружные источники МДС выполнены в виде четырех электромагнитных катушек 10, включенных в цепи магнитопровода, каждая из которых соединена лишь с одной из частей наружного полюса. Данное выполнение ускорителя позволяет повысить его эффективность за счет оптимизации топографии магнитного поля в разрядной камере, повысить ресурс и уменьшить долю примесей в струе. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при разработке ускорителей с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ), применяемых в качестве электроракетных двигателей (ЭРД) или при ионно-плазменной обработке материалов в вакууме для решения различных технологических задач.
Известны плазменные УЗДЭ, содержащие разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, расположенный в ускорительном канале анод, магнитную систему и катод [1]. Эти УЗДЭ достаточно эффективны для ионизации и ускорения различных веществ и систематически используются в качестве ЭРД и технологических источников ускоренных потоков ионов. Однако они обладают относительно невысокой эффективностью и недостаточным для решения ряда задач ресурсом. Наиболее близким к предложенному является УЗДЭ, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, открытым в выходной части разрядной камеры и образованным внутренней и наружной ее стенками с замкнутыми цилиндрическими эквидистантными участками рабочих поверхностей, кольцеобразный анод-распределитель, выполненный с каналами для подвода к нему газа и подачи газа из него в ускорительный канал в виде системы сквозных отверстий на выходной его поверхности и расположенный внутри ускорительного канала на расстоянии от выходных торцов упомянутых стенок разрядной камеры, превышающем ширину ускорительного канала, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, установленными у выходной части стенок разрядной камеры соответственно снаружи наружной ее стенки и внутри внутренней стенки и формирующими рабочий зазор, магнитопроводом с центральным сердечником и по крайней мере с одним наружным и одним внутренним источниками магнитодвижущей силы (МДС), установленными в цепи магнитопровода у соответствующих полюсов, и газоразрядный полый катод, установленный за пределами ускорительного канала. Этот УЗДЭ обладает отмеченными выше недостатками. Целью изобретения является повышение эффективности и ресурса УЗДЭ, уменьшение доли примесей в струе. Цель достигается за счет создания в ускорительном канале рациональной структуры магнитного поля и, в конечном счете, за счет совершенствования конструкции УЗДЭ. В плазменном УЗДЭ, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, открытым в выходной части разрядной камеры и образованным внутренней и наружной стенками разрядной камеры с замкнутыми цилиндрическими эквидистантными участками рабочих поверхностей, кольцеобразный анод-газораспределитель с каналами для подвода газа в него и подачи газа из него в ускорительный канал в виде системы сквозных отверстий на выходной его поверхности, расположенный внутри ускорительного канала на расстоянии от выходных торцов упомянутых стенок разрядной камеры, превышающем ширину ускорительного канала, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, установленными у выходной части стенок разрядной камеры соответственно снаружи наружной ее стенки и внутри внутренней стенки и формирующими рабочий зазор, магнитопроводом с центральным сердечником и по крайней мере с одним наружным и одним внутренним источниками МДС, установленными в цепи магнитопровода у соответствующих полюсов, и газоразрядный полый катод, установленный за пределами ускорительного канала, магнитопровод выполнен с дополнительными внутренним и наружным магнитопроводящими экранами из магнитомягкого материала, первый из которых охватывает внутренний источник МДС и установлен с продольным зазором относительно внутреннего полюса, а второй выполнен с цилиндрической торцовой частью, расположенной между наружным источником МДС и разрядной камерой и охватывающей, по крайней мере, ее выходную часть, установленной с продольным зазором относительно наружного полюса, при этом величины зазоров между полюсами и соответствующими им магнитными экранами не превышают половины рабочего зазора между полюсами. УЗДЭ предпочтительно выполнять таким образом, чтобы расстояние от выходного торца по меньшей мере одного из магнитных экранов до серединной поверхности ускорительного канала было меньше расстояния от этой поверхности до соответствующего полюса магнитной системы, при этом выходной торец соответствующей стенки разрядной камеры выполняется с увеличенной толщиной, выходные торцы стенок разрядной камеры расположены за плоскостями (по направлению движения потока), касающимися выходных поверхностей соответствующих полюсов. Магнитные экраны в ускорителе могут быть установлены с зазором относительно магнитопровода и соединены между собой по меньшей мере одной перемычкой из магнитомягкого материала. Возможен вариант выполнения УЗДЭ с разрядной камерой, анодом и магнитной системой, симметричными относительно двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостей, при этом наружные полюс и магнитный экран выполняются с симметричными относительно указанных плоскостей сквозными прорезями, разделяющими их на четыре симметричные относительно упомянутых плоскостей части, наружные источники МДС выполняются в виде четырех групп катушек намагничивания, каждая из которых установлена в цепи магнитопровода, соединенной лишь с одной частью наружного полюса. УЗДЭ предпочтительно выполнить так, чтобы выходные торцы разрядной камеры, полюсов и магнитных экранов были расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных направлению ускорения, центральный сердечник магнитопровода и внутренний полюс выполнить с полостью, при этом катод располагается в указанной полости, а его выходной торец располагается относительно плоскости торца разрядной камеры на расстоянии не более 0,1 dк, где dк - диаметр катода. УЗДЭ предпочтительно выполнить таким образом, чтобы разрядная камера была закреплена на наружном полюсе магнитной системы с помощью держателя, соединенного с нею в передней ее части и размещенного между наружным магнитным экраном и разрядной камерой с зазором, за исключением места их соединения. На фиг. 1 представлен УЗДЭ в разрезе; на фиг.2 - УЗДЭ с магнитными экранами, установленными с зазором относительно магнитопровода, в разрезе; на фиг. 3 - УЗДЭ с магнитными полюсами и экранами, разрезанными на четыре части, снабженный четырьмя системами катушек намагничивания, вид сзади; на фиг.4 - тот же УЗДЭ, но с плоскопараллельными участками ускорительного канала, вид сзади. Предложенный плазменный УЗДЭ (фиг.1) состоит из анода-газораспределителя 1, катода 2, разрядной камеры 3 с выходными торцами, внутреннего магнитного экрана 4, наружного магнитного экрана 5, наружного плюса 6, который может быть выполнен из отдельных частей (фиг.3 и 4), и внутреннего полюса 7 магнитной системы, магнитопровода 8, внутреннего источника МДС - электромагнитной катушки 9 и наружного источника МДС - электромагнитной катушки 10, которых может быть несколько (фиг.3 и 4), центрального сердечника 12 магнитной системы, тепловых экранов 13, трубки 14 с каналом для подвода газа к аноду-газораспределителю, который выполнен с газораспределительными полостями 15 и сквозными отверстиями 16 для подачи газа из этих полостей, и держателя 17. Наружные полюс и магнитный экран могут быть выполнены с прорезями (на фиг.3 и 4). Если магнитные экраны расположены с зазором относительно магнитопровода, то они соединяются между собой перемычками 19 из магнитомягкого материала. Центральный сердечник может быть выполнен с полостью 20. Разрядная камера может быть выполнена с плоскопараллельными участками 21 (фиг. 4). На участках показаны также плоскости симметрии I, II УЗДЭ (фиг. 3 и 4) и образующая III (фиг.1) конуса, касающегося внутренней кромки торца наружной стенки разрядной камеры 3. Разрядная камера 3 выполняется, как правило, из теплостойкого керамического материала с кольцеобразным ускорительным каналом, сформированным ее стенками. Анод-газораспределитель 1, держатель 17 и тепловые экраны 13 изготовляются из теплостойкого металлического немагнитного материала, например из нержавеющей стали. Для изготовления электромагнитных катушек 10 намагничивания используется высокотемпературный провод. Магнитопровод 8, центральный сердечник 12, сердечники катушек 9 и 10 выполняются из магнитомягкого материала. Катод 2 может иметь как боковое расположение, так и центральное (фиг. 1). При центральном расположении он размещается в полости 20 центрального сердечника. Магнитные экраны 4 и 5 совместно с магнитопроводом 8 или перемычками 19 охватывают, по крайней мере, выходную часть стенок разрядной камеры 3. Для эффективной работы УЗДЭ необходимо, чтобы продольные зазоры между экранами и полюсами







































Формула изобретения
1. ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, открытым в выходной части разрядной камеры и образованным внутренней и наружной коаксиальными стенками камеры, кольцеобразный анод-газораспределитель с каналами для подвода газа и каналами для подачи газа в ускорительный канал, образованными сквозными отверстиями в выходной стенке анода, расположенный в полости ускорительного канала на расстоянии от выходных торцов стенок разрядной камеры, превышающем ширину ускорительного канала, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, симметрично установленными у выходной части канала с внешней стороны камеры соответственно у наружной и внутренней стенок камеры и образующими рабочий межполюсный зазор в ускорительном канале, магнитопроводом с центральным сердечником и по меньшей мере одним внутренним и одним наружным источниками магнитодвижущей силы, установленными в магнитной цепи магнитопровода у соответствующих полюсов, и газоразрядный полый катод-компенсатор, установленный за срезом ускорительного канала, отличающийся тем, что магнитопровод дополнительно снабжен внутренним и наружным магнитными экранами, выполненными из магнитомягкого материала, первый из которых, охватывающий внутренний источник магнитодвижущей силы, установлен с продольным зазором относительно внутреннего полюса, а второй выполнен с торцевой частью, охватывающей по меньшей мере выходную часть разрядной камеры, и расположен между наружным источником магнитодвижущей силы и разрядной камерой с продольным зазором относительно наружного полюса, при этом величины продольных зазоров между полюсами и соответствующими им магнитными экранами выбраны не большими половины рабочего межполюсного зазора. 2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что радиальное расстояние от торца по меньшей мере одного из магнитных экранов до серединной поверхности ускорительного канала выбрано меньшим, чем радиальное расстояние от серединной поверхности до соответствующего полюса магнитной системы, при этом толщина выходного участка стенки разрядной камеры, расположенной напротив экрана, выбрана большей толщины остальных участков стенки камеры, причем выходные торцы стенок разрядной камеры расположены вдоль направления ускорения плазменного потока за пределами торцевых поверхностей магнитных полюсов. 3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что магнитные экраны установлены с зазором относительно магнитопровода и соединены между собой со стороны анода-газораспределителя по меньшей мере одной перемычкой из магнитомягкого материала. 4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что разрядная камера, анод и магнитная система выполнены симметричными относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых совпадает с осью симметрии разрядной камеры, при этом наружные полюс и магнитный экран выполнены с четырьмя сквозными прорезями, разделяющими их на четыре симметричные относительно указанных плоскостей части, причем наружные источники магнитодвижущей силы выполнены в виде четырех групп электромагнитных катушек намагничивания, каждая из которых установлена в магнитной цепи магнитопровода, соединенной с одной из частей наружного полюса. 5. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что выходные торцы разрядной камеры, полюсов и магнитных экранов расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных продольной оси симметрии разрядной камеры, при этом в центральном сердечнике магнитопровода и внутреннем полюсе образована полость, в которой установлен катод-компенсатор, выходной торец катода-компенсатора расположен относительно плоскости выходного торца разрядной камеры в направлении ускорения плазменного потока или против него на расстоянии не более 0,1 внешнего диаметра катода-компенсатора, причем внешняя поверхность катода-компенсатора со стороны плазменного потока покрыта слоем изолятора, стойкого к распылению ускоренными ионами рабочего тела. 6. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что разрядная камера закреплена на наружном полюсе магнитной системы с помощью держателя, соединенного с нею со стороны анода-газораспределителя вне зоны крепления к наружному полюсу, с зазором относительно остальных элементов магнитной системы.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4