Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов

 

Использование: в плазменной технике, в частности в ускорителях плазмы, используемых в космической технике, в научных исследованиях и в производстве. Сущность изобретения: ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит кольцеобразный анод 1 с анодной полостью 2, магнитопровод 3, катушки намагничивания 4 и полюсные наконечники 5 с кольцеобразным межполюсным зазором, наружный 6 и внутренний 7 кольцеобразные катоды, катод-компенсатор 8, источник электропитания 9, средство 10 формирования магнитного поля с положительным градиентом, которое может быть образовано стенками анода 1 из ферромагнитного материала. Выходные кромки анода 1 снабжены насадками 11 из немагнитного материала, форма внешней поверхности которых совпадает с формой силовой линии магнитного поля, касательной к выходным кромкам анода. Анод 1 сообщен с системой подачи газообразного рабочего вещества посредством отверстия 12. Достигаемый технический результат заключается в повышении ресурса ускорителя за счет снижения износа стенок разрядной камеры. 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к ускорителям плазмы, и может быть использовано в космической технике при создании двигательных установок космических аппаратов, а также в научных исследованиях и в производстве при создании вакуумных технологических установок, использующих потоки ионов различных веществ.

Известны ускорители с замкнутым дрейфом электронов, в частности их разновидность, ускорители с анодным слоем. Ускоритель содержит магнитную систему с кольцевым межполюсным зазором, в котором размещен полый кольцевой анод, соединенный с положительным полюсом источника электропитания и сообщенный с системой подачи газообразного рабочего вещества. В межполюсном зазоре создается электрический разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях с замкнутым дрейфом электронов, в котором атомы рабочего вещества ионизируются и ускоряются. Часть ускоренного ионного потока попадает на стенки, ограничивающие заряд в радиальном направлении и защищающие от распыления полюса магнитной системы, что приводит к износу этих стенок под действием ионной бомбардировки и обуславливает малый ресурс такого ускорителя.

Известен также стационарный плазменный двигатель, содержащий диэлектрическую разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, в котором установлен кольцевой анод, катод-компенсатор (источник электронов), размещенный за срезом ускорительного канала, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы и магнитопроводом, полюса которого образуют кольцевой межполюсный зазор, соосный ускорительному каналу и расположенный в области его выходного среза, узлы подвода рабочего тела и электропитания, а также дополнительный катод, электрически соединенный с основным катодом-компенсатором и размещенный на стенке разрядной камеры в зоне межполюсного зазора. В этом двигателе обеспечивается повышение ресурса и тяго-энергетических характеристик за счет уменьшения радиальной составляющей электрического поля на выходе из ускорительного канала и, как следствие, улучшение фокусировки и снижение эрозии стенок ускорительного канала.

Ближайшим аналогом изобретения является ускоритель с анодным слоем, в котором обеспечивается улучшение фокусировки и снижение эрозии стенок, ограничивающих разряд в радиальном направлении, за счет снижения радиальной составляющей электрического поля [1, 2] Известный ускоритель содержит разрядную камеру, образованную соосно размещенным полым кольцеобразным анодом с газораспределителем и кольцевыми катодами, катод-компенсатор, расположенный за срезом разрядной камеры, источник электропитания, подключенный к электродам, магнитную систему, включающую магнитопровод с внутренним и внешним по отношению к разрядной камере кольцевыми магнитными полюсами и источник магнитодвижущей силы, а также установленные в полости анода вдоль направления ускорения плазмы по меньшей мере два кольцевых элемента, электрически соединенные с анодом и разделяющие его полость на кольцевые секции, каждая из которых сообщена с газораспределителем. За счет подбора величины расхода рабочего вещества через кольцевые секции достигается выравнивание концентрации плазмы и, тем самым, снижение радиального электрического поля, улучшение фокусировки и снижение эрозии стенок разрядной камеры кольцевых катодов. Для снижения поперечных электрических полей кольцевые элементы, разделяющие анод на секции, ограничены по длине в разрядной камере магнитной силовой поверхностью.

Недостатком всех известных аналогов, в том числе ближайшего к изобретению, является то, что достигается лишь частичное снижение эрозии стенок разрядной камеры под действием расфокусированной части ускоренного ионного потока, в результате чего ресурс ускорителя оказывается недостаточным. Все описанные выше средства улучшения фокусировки не позволяют полностью устранить попадание ионного потока на стенки камеры, так как наличие определенной расфокусированной части органически присуще ионному потоку в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов. Попадание в этой части ионного потока на стенки разрядной камеры, расположенные в известных конструкциях ускорителей вдоль ускоряемого потока на расстоянии от анода не менее, чем характерна длина L_{расчет.} ускорения где e заряд электрона; m масса электрона; V_p приложенное напряжение; _e циклотронная частота электронов; _e, _i частота рассеяния электронов и частота ионизирующих столкновений.

будет вызывать их эрозию и, тем самым, ограничивать ресурс работы ускорителя и вносить примеси атомов распыленного вещества в ионный поток.

Как показали экспериментальные исследования, величина износа стенок практически равна нулю на уровне анода и увеличивается в направлении от анода вниз по потоку рабочего вещества. Отсюда вытекает принципиальная возможность управления величиной износа за счет изменения глубины разрядной камеры: уменьшение расстояния от анода до выходного среза ускорителя позволяет снизить износ до любой требуемой величины. Однако выдвижение анода к выходному срезу ускорителя во всех известных аналогах ограничено, а именно: при определенном смещении анода к выходному срезу разряд переходит в область спадающего вниз по потоку рабочего вещества магнитного поля, что приводит к появлению интенсивных колебаний, разряд теряет устойчивость, эффективность ускорителя резко снижается, ускоренный ионный поток становится расфокусированным и вызывает интенсивный износ стенок разрядной камеры ускорителя.

Задачей изобретения является создание высокоэффективного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, свободного от недостатков, присущих известным устройствам. Достигаемым при этом техническим результатом является повышение ресурса ускорителя за счет снижения износа стенок разрядной камеры, а также уменьшение загрязнения ионного потока атомами распыляемого вещества.

Указанный технический результат достигается тем, что ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий магнитную систему, включающую кольцеобразный полый магнитопровод с полюсами, снабженными полюсными наконечниками, образующими между собой кольцеобразный межполюсный зазор, и источник магнитодвижущей силы, полый кольцеобразный анод, размещенный в полости магнитопровода, открытый в сторону кольцеобразного межполюсного зазора своей полостью, выходные кромки которой размещены между полюсными наконечниками, образующими вместе с полым кольцеобразным анодом разрядную камеру, сообщенную с системой подачи газообразного рабочего вещества, наружный и внутренний кольцеобразные катоды, размещенные в межполюсном зазоре вниз по потоку рабочего вещества, и катод-компенсатор, размещенный за срезом ускорителя, источник электропитания постоянного тока, положительный полюс которого соединен с полым кольцеобразным анодом, а отрицательный полюс с катодами, согласно изобретению, содержит средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества, размещенное в полости магнитопровода и охватывающее по меньшей мере частично полость кольцеобразного полого анода со стороны, противоположной выходным кромкам упомянутого анода, при этом положение выходного среза полого кольцеобразного анода таково, что расстояние между его выходными кромками и внешней торцевой поверхностью полюсов магнитопровода удовлетворяет условию -L₁< L < L₂, где L₁, L₂ расстояния, определяющие соответственно величину погружения кромок полого кольцеобразного анода в полость магнитопровода относительно внешней торцевой поверхности полюсов магнитопровода и величину выдвижения упомянутых кромок за срез ускорителя, причем L₁= L расчет протяженность зоны разряда вдоль оси ускорителя, определяемая выражением

где e заряд электрона;
m масса электрона;
V_p приложенная разность потенциалов;
_e циклотронная частота электронов;
_e, _i частота рассеяния электронов и частота ионизирующих столкновений соответственно
L₂=H расстояние между полюсными наконечниками,
а за положительное направление отсчета расстояний принято направление вниз по потоку рабочего вещества относительно внешней торцевой поверхности полюсов магнитопровода. При этом средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества может быть выполнено в виде кольцеобразного полого элемента из ферромагнитного материала, открытого своей полостью в сторону кольцеобразного межполюсного зазора и размещенного соосно с полым кольцеобразным анодом так, что кольцеобразные полости анода и элемента из ферромагнитного материала, по меньшей мере, частично перекрываются, при этом расстояние l между выходными кромками упомянутых анода и элемента из ферромагнитного материала удовлетворяет условию
-l₁< l < l₂,
где l₁, l₂ расстояния, определяющие соответственно величину погружения выходных кромок кольцеобразного полого анода в полость кольцеобразного элемента из ферромагнитного материала и величину выдвижения упомянутых кромок относительно плоскости выходного среза кольцеобразного элемента, причем
l₁ L_{расчет.},
l₂ h расстояние между наружными поверхностями стенок кольцеобразного полого элемента из ферромагнитного материала в плоскости его выходного среза, не превышающее расстояние между полюсными наконечниками магнитной системы.

Предпочтительным является то, что средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества может быть образовано слоем ферромагнитного материала, нанесенного на стенки полости кольцеобразного анода или на внешние поверхности кольцеобразного полого анода.

Предпочтительным также является то, что средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества может быть образовано полым кольцеобразным анодом, выполненным из ферромагнитного материала.

Кроме того, предпочтительным является то, что средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом, выполненное в виде кольцеобразного полого элемента из ферромагнитного материала, может быть размещено внутри кольцеобразного полого анода и примыкать своими внешними стенками к стенкам полости упомянутого анода либо может быть размещено снаружи кольцеобразного полого анода и примыкать стенками своей полости к внешним поверхностям упомянутого анода.

Также предпочтительным является то, что выходные кромки кольцеобразного полого анода снабжены насадками из немагнитного материала, в качестве которого может быть выбран графит или температуростойкий металл, например молибден, титан, нержавеющая сталь, а внешняя поверхность насадок из немагнитного электропроводного материала выполнена с кривизной, совпадающей с кривизной силовой линии магнитного поля, касательной к выходным кромкам анода.

Кроме того, предпочтительно, что кольцеобразный полый элемент из ферромагнитного материала снабжен, по меньшей мере, одним отверстием для подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, а в качестве ферромагнитного материала выбран сплав с высокой температурой Кюри, например кобальтовый сплав.

А также предпочтительно, что наружный и внутренний кольцеобразные катоды выполнены из электропроводного немагнитного стойкого к распылению материала, например графита, а полюсные наконечники соединены с отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока. При этом источник магнитодвижущей силы может быть выполнен в виде катушек намагничивания или постоянного магнита.

Достижение указанного выше технического результата обеспечивается всей совокупностью существенных признаков за счет создания условий для уменьшения глубины разрядной камеры и оптимального расположения выходного среза анода относительно выходного среза ускорителя при одновременном формировании в прианодной зоне вниз по потоку рабочего вещества возрастающего магнитного поля (положительного градиента магнитного поля). Протяженность области с положительным градиентом магнитного поля при оптимальном выборе параметров конструкции равна или превышает протяженность области, занятой разрядом. В результате снимаются присущие известному уровню техники ограничения на возможность выдвижения анода к выходному срезу и снижения эрозии, устраняется неустойчивость разряда и возникновение расфокусированных и обратных потоков ионов, вызываемых колебаниями в электрическом разряде ускорителя, сохраняется высокая эффективность ускорителя независимо от положения анода относительно выходных кромок разрядной камеры ускорителя.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, выполненного согласно изобретению, со средством формирования магнитного поля с положительным градиентом за выходным срезом анода, образованным стенками кольцеобразного полого анода из ферромагнитного материала; на фиг.2 то же, что на фиг.1, но при ином расположении кольцеобразного полого анода относительно среза ускорителя; на фиг.3 - конструктивная схема ускорителя, выполненного согласно изобретению, со средством формирования магнитного поля с положительным градиентом в виде кольцеобразного полого элемента из ферромагнитного материала; на фиг.4, 5 - фрагменты конструктивной схемы ускорителя по фиг.3, иллюстрирующие различное взаимное расположение кольцеобразного полого анода и средства формирования магнитного поля с положительным градиентом относительно среза ускорителя; на фиг.6, 7 фрагменты конструктивной схемы ускорителя по фиг.3, иллюстрирующие возможные варианты расположения кольцеобразного полого элемента, примыкающего изнутри или снаружи к кольцеобразному полому аноду.

Как показано на фиг.1, ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит кольцеобразный анод 1 с анодной полостью 2, магнитную систему, включающую магнитопровод 3, катушки намагничивания 4 и полюсные наконечники 5 с кольцеобразным межполюсным зазором H между ними, наружный 6 и внутренний 7 кольцеобразные катоды, размещенные в межполюсном зазоре и выполняющие роль полюсных экранов, катод-компенсатор (источник электронов) 8, источник электропитания постоянного тока 9, средство 10 формирования магнитного поля с положительным градиентом, образованное стенками анода 1, выполненными из ферромагнитного материала, например из кобальтового сплава 49КФ. Выходные кромки анода 1 снабжены насадками 11 из немагнитного материала (например, молибдена), форма внешней поверхности которых совпадает с формой силовой линии магнитного поля B, касательной к выходным кромкам анода. Анод 1 сообщен с системой подачи газообразного рабочего вещества посредством отверстия 12.

Показанная на фиг.2 конструктивная схема ускорителя отличается от представленной на фиг.1 иным размещением кольцеобразного полого анода 1 и совмещенного с ним средства 10 формирования магнитного поля с положительным градиентом. Согласно фиг.1, анод 1 заглублен внутрь магнитной системы на глубину L, величина которой ограничена значением L_{расчетн.}, определяемым согласно уравнению (1), как указано выше.

Согласно фиг. 2, анод выдвинут за срез ускорителя на величину L, ограниченную, как было определено выше, величиной H расстояния между полюсными наконечниками.

Показанная на фиг.3 конструктивная схема ускорителя отличается от представленных на фиг.1, 2 выполнением средства формирования магнитного поля с положительным градиентом за выходным срезом анода в виде кольцеобразного полого элемента 13 из ферромагнитного материала, например кобальтового сплава, размещенного снаружи полого кольцеобразного анода 1. Положение выходного среза анода таково, что расстояние L до выходных кромок полого анода 1 относительно внешней торцевой поверхности полюсов с полюсными наконечниками 5 магнитопровода, как и в ускорителе по фиг.1, удовлетворяет условию:
-L₁ < L < L₂
при тех же ограничениях для L₁ и L₂, что и упомянутые для фиг. 1, 2.

При этом, как показано на фиг.4, 5, взаимное расположение анода 1 и полого элемента 13 таково, что расстояние l между выходными кромками элемента 13 удовлетворяет условию
-l₁ < l < l₂
где величина l₁ ограничена величиной наибольшего заглубления выходных кромок анода внутрь полого кольцеобразного элемента 13 из ферромагнитного материала, равной L_{расчет.}, а величина l₂ ограничена величиной наибольшего выдвижения выходных кромок анода 1 за выходные кромки упомянутого элемента 13, равной расстоянию h между наружными поверхностями стенок полого элемента 13 в плоскости его выходного среза.

Фиг.6, 7 иллюстрируют возможные примеры выполнения и взаимного расположения средства формирования магнитного поля с положительным градиентом и кольцеобразного анода. В частности, согласно фиг.6, полый кольцеобразный элемент из ферромагнитного материала 14 примыкает своими внешними стенками полости анода 1, а согласно фиг.7, полый кольцеобразный элемент 15 из ферромагнитного материала примыкает стенками своей полости к внешним поверхностям кольцеобразного полого анода 1. (Аналогичным образом может быть проиллюстрировано выполнение средства формирования магнитного поля с положительным градиентом в виде слоя ферромагнитного материала, нанесенного на стенки полости кольцеобразного анода 1 (соответствует поз. 14 на фиг.6), или в виде слоя ферромагнитного материала, нанесенного на внешние поверхности кольцеобразного анода 1 (соответствует поз. 15 на фиг.7).

Поскольку принцип функционирования ускорителя одинаков для всех представленных на чертежах примеров его выполнения, работа ускорителя будет рассмотрена на примере конструктивной схемы, показанной на фиг.1.

Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, выполненный согласно изобретению, работает следующим образом.

С помощью катушек намагничивания 4 либо постоянных магнитов (не показаны) в межполюсном зазоре создается магнитное поле с индукцией B. С помощью источника электропитания постоянного тока 9 между анодом 1 и катодами 6, 7, 8 создается постоянное напряжение V_p. От системы подачи газообразного рабочего вещества через систему отверстий (на фиг.1 условно показано одно отверстие 12) в анодную полость 2 подается газообразное рабочее вещество, например ксенон. У выходного среза анода 1 формируется область скрещенных полей: магнитного, направленного преимущественно в радиальном направлении, и электрического, направленного преимущественно вдоль оси ускорителя.

В скрещенных полях возникает разряд с замкнутым дрейфом электронов, в котором атомы рабочего вещества ионизируются и ускоряются.

На выходе из ускорителя формируется поток ускоренных ионов, пространственный заряд и ток которых компенсируется потоком электронов с катода-компенсатора 8, в качестве которого может быть использован, например, термоэмиссионный накаливаемый катод или полый катод с подачей газообразного рабочего вещества в полость катода от системы подачи.

Характерная протяженность области, в которой формируется заряд и происходит ускорение ионов рабочего вещества, составляет L_{расчет.} 10 мм и определяется выражением

величина e/m 1,75910⁺¹¹ Ккг^-1
при характерных значениях B=1,510^-2 Тл; V_p=300 В; _e/_i= 3

L_{расчет.} 6,74 мм.

Средство формирования магнитного поля с положительным градиентом в виде ферромагнитных стенок 10 анода (фиг.1,2) либо в виде кольцеобразного полого элемента 13 ( или слоев 15, 14) из ферромагнитного материала ( фиг.3-7) экранирует магнитное поле внутри анодной полости 2, где величина индукции магнитного поля близка к нулю и, следовательно, у выходного среза анода, где горит электрический разряд, формируется область с увеличивающейся вниз по потоку рабочего вещества индукцией магнитного поля, т.е. положительный градиент магнитного поля (grad ). В отличие от известных аналогов, положительный grad в зоне разряда сохраняется независимо от положения выходных кромок анода относительно полюсов магнитной системы, что позволяет выдвинуть анод к выходному срезу на расстояние L, меньшее, чем минимальное расстояние L_min реализуемое в известных ускорителях, причем
L < L_min L_{расчет.}
или даже выдвинуть анод за внешнюю торцевую поверхность полюсов магнитной системы без потери устойчивости разряда, развития колебаний и потери эффективности работы ускорителя.

В этом случае разряд полностью или частично горит вне конструкции ускорителя. Стенки, ограничивающие разряд в радиальном направлении, отсутствуют или их длина сокращена, в результате чего эрозия радикальным образом снижается. Тем самым снимаются ограничения на ресурс ускорителя и обеспечивается чистота ускоренного ионного потока. Таким образом, изобретение позволяет создать условия для удаления стенок и элементов конструкции ускорителя из зоны ускоренного ионного потока и перейти к "бесстеночной" конструкции ускорителя.

Эти условия реализуются только при определенном предусмотренном в изобретении положении выходных кромок анода относительно внешней торцевой поверхности полюсов магнитной системы ( т.е. выходного среза ускорителя). Положение анода в предусмотренной изобретением конструкции может варьироваться в пределах от L₁=L_расчет до L₂=H, при этом L₁ определяет допустимое заглубление анода вовнутрь магнитопровода, а L₂ допустимое выдвижение кромок анода за внешнюю торцевую поверхность полюсов магнитной системы. Первое предельное значение определяется характерной протяженностью зоны разряда L_{расчет.}. Во всех известных ускорителях анод заглублен вовнутрь магнитопровода на величину больше или равную L_{расчет.} и снижение эрозии по сравнению с известными конструкциями достигается только для
-L₁ < L.

Второе предельное значение L<H обусловлено тем, что выдвижение анода за выходной срез магнитной системы на расстояние более H приведет к тому, что анод окажется вне области, в которой присутствует магнитное поле, т.к. характерный размер такой области примерно равен расстоянию между полюсными наконечниками H.

В примере осуществления изобретения по фиг.3-5, где используется полый кольцеобразный элемент 13 из ферромагнитного материала, имеющий отверстие для подачи газа, вышеуказанный технический результат, т.е. снижение эрозии, реализуется только при определенном, предусматриваемом изобретением, положении выходных кромок полого элемента 13 относительно выходных кромок полого анода 1. Так, если заглубление выходных кромок анода 1 внутрь полого кольцеобразного элемента 13 из ферромагнитного материала превысит величину l₁= L_{расчет.}, то стенки упомянутого элемента 13 окажутся под действием расфокусированной части ускоренного ионного потока, вследствие чего их эрозия будет примерно на уровне эрозии катодов полюсных экранов в известных конструкциях ускорителей.

Протяженность области с возрастающим вниз по потоку магнитным полем примерно равна расстоянию h между наружными поверхностями полого элемента 13 из ферромагнитного материала в зоне его выходного среза, так как протяженность области магнитного поля, в которой внесение полого элемента из ферромагнитного материала вызывает изменение поля, примерно равна размерам этого элемента. Поэтому выдвижение кромок анода 1 на расстояние, превышающее h, по отношению к выходным кромкам элемента 13 из ферромагнитного материала, не имеет смысла, так как в этом случае выходной срез анода 1 оказывается в области, где ферромагнитный элемент 13 уже не экранирует магнитное поле и необходимое условие формирования положительного grad зоне разряда не выполняется. В результате разряд будет терять устойчивость и эффективность ускорителя существенно снизится.

На аноде 1 ускорителя выделяется значительная часть мощности, вкладываемой в разряд. Поэтому анод в процессе работы ускорителя разогревается до температур 500-800^oC. Для того, чтобы магнитные стенки 10 анодной полости (фиг. 1) или полый элемент 13 (фиг.3-5), 14, 15 (фиг.6,7) из ферромагнитного материала сохраняли магнитные свойства при работе ускорителя, целесообразно использовать в качестве ферромагнитного материала сплавы с высокой точкой Кюри, например кобальтовые сплавы типа 49КФ, 92К.

Для равномерного распределения теплового потока, приносимого на анод электронами, исключения перегревов и обгораний острых и выступающих частей анода, его внешняя обращенная к разряду поверхность выполнена с формой, совпадающей с формой магнитной силовой линии, касающейся анода (см. форму насадок 11 на фиг.1, 2 или форму кромок анода 1 на фиг.3). В этом случае анод 1 равномерно воспринимает тепловой поток. В случае выполнения анода из ферромагнитного материала (фиг. 1,2) согласование его формы с формой силовых линий магнитного поля возможно только, если выходные кромки анода снабжены насадками из немагнитного материала. В противном случае магнитные силовые линии будут пересекать поверхность ферромагнитного материала под углом 90^o. Поэтому анод 1 снабжен насадками 11 из немагнитного материала, в качестве которого используется стойкий к нагреву материал, например графит, нержавеющая сталь, молибден и др. Насадки 11 выполняют также роль тепловых экранов, препятствующих распространению тепла, выделяющегося на выходных кромках анода, к ферромагнитным элементам конструкции и повышают энергоемкость ускорителя.

Для защиты полюсов магнитной системы от распыления и сохранения оптимального распределения магнитного поля в зоне разряда в процессе работы ускорителя, полюсные наконечники 5 закрыты наружным 6 и внутренним 7 катодами ( полюсными экранами ), которые выполнены из стойкого к ионному распылению немагнитного материала, например графита. В этом случае износ катодов 6, 7 не будет приводить к изменению формы элементов магнитной системы, и распределение магнитного поля в зоне разряда будет сохраняться по меньшей мере до момента полного распыления катодов и начала износа полюсов магнитной системы. Тем самым обеспечивается стабильность параметров ускорителя в процессе работы.

Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, выполненный согласно изобретению, может найти применение в двигательных установках коррекции и поддержание орбиты долгоживущих, в первую очередь телекоммуникационных, космических аппаратов; в двигательных установках транспортных энергодвигательных систем для межорбитальной транспортировки космических аппаратов и полезной нагрузки, а также в качестве источников плазменных потоков с минимальным загрязнением потока атомами конструкционных материалов ускорителя для технологических процессов ионной очистки поверхности и ионного ассистирования при нанесении покрытий.

Экспериментальный образец ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, выполненный в соответствии с изобретением, имеет следующие технические характеристики:
Масса 4 кг
Габариты 125 х 125 х 150 мм
Рабочее напряжение 200-500 В
Рабочее вещество ксенон
Расход рабочего вещества 2-5 мг/сек
Тяга 4-10 Гс
Удельный импульс 1000-2500 с
Ресурс (по данным ускоренных ресурсных испытаний) не менее 5000 часовс

Формула изобретения

1. Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий магнитную систему, включающую кольцеобразный полый магнитопровод с полюсами, снабженными полюсными наконечниками, образующими между собой кольцеобразный межполюсный зазор, и источник магнитодвижущей силы, полый кольцеобразный анод, размещенный в полости магнитопровода, открытый в сторону кольцеобразного межполюсного зазора своей полостью, выходные кромки которой размещены между полюсными наконечниками, образующими вместе с полым кольцеобразным анодом разрядную камеру, сообщенную с системой подачи газообразного рабочего вещества, наружный и внутренний кольцеобразные катоды, размещенные в полюсном зазоре вниз по потоку рабочего вещества, и катод-компенсатор, размещенный за срезом ускорителя, источник электропитания постоянного тока, положительный полюс которого соединен с полым кольцеобразным анодом, а отрицательный полюс с катодами, отличающийся тем, что содержит средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества, размещенное в полости магнитопровода и охватывающее по меньшей мере частично полость кольцеобразного полого анода со стороны, противоположной выходным кромкам упомянутого анода, при этом положение выходного среза полого кольцеобразного анода таково, что расстояние L между его выходными кромками и внешней торцевой поверхностью полюсов магнитопровода удовлетворяет условию
L₁ < L <L,
где L₁ и L₂ расстояния, определяющие соответственно величину погружения кромок полого кольцеобразного анода в полость магнитопровода относительно внешней торцевой поверхности полюсов магнитопровода и величину выдвижения упомянутых кромок за срез ускорителя,
причем L₁ L_расчет протяженность зоны разряда вдоль оси ускорителя, определяемая выражением

где e заряд электрона;
m масса электрона;
U_p приложенное напряжение;
_e - циклотронная частота электронов;
_e - частота рассеяния электронов;
_i - частота ионизирующих столкновений;
L₂ H расстояние между полюсными наконечниками, а за положительное направление отсчета расстояний принято направление вниз по потоку рабочего вещества относительно внешней торцевой поверхности полюсов магнитопровода.

2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества выполнено в виде кольцеобразного полого элемента из ферромагнитного материала, открытого своей полостью в сторону кольцеобразного межполюсного зазора и размещенного соосно с полым кольцеобразным анодом так, что кольцеобразные полости анода и элемента из ферромагнитного материала по меньшей мере частично перекрываются, при этом расстояние l между выходными кромками упомянутых анода и элемента из ферромагнитного материала выбрано из условия
-l₁ < l < l₂,
где l₁ и l₂ расстояния, определяющие соответственно величину погружения выходных кромок кольцеобразного полого анода в полость кольцеобразного элемента из ферромагнитного материала и величину выдвижения упомянутых кромок относительно плоскости выходного среза кольцеобразного элемента, причем l₁ L_расчет, l₂ h расстояние между наружными поверхностями стенок кольцеобразного полого элемента из ферромагнитного материала в плоскости его выходного среза, не превышающее расстояние между полюсными наконечниками магнитной системы, а за положительное направление отсчета расстояний принято направление вниз по потоку рабочего вещества относительно плоскости выходного среза кольцеобразного полого элемента из ферромагнитного материала.

3. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества образовано слоем ферромагнитного материала, нанесенного на стенки полости кольцеобразного анода.

4. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества образовано слоем ферромагнитного материала, нанесенного на внешние поверхности кольцеобразного полого анода.

5. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что средство формирования за выходным срезом анода магнитного поля с положительным градиентом в направлении по потоку рабочего вещества образовано полым кольцеобразным анодом, выполненным из ферромагнитного материала.

6. Ускоритель по п.2, отличающийся тем, что кольцеобразный полый элемент из ферромагнитного материала размещен внутри кольцеобразного полого анода и примыкает своими внешними стенками к стенкам полости упомянутого анода.

7. Ускоритель по п. 2, отличающийся тем, что кольцеобразный полый элемент из ферромагнитного материала размещен снаружи кольцеобразного полого анода и примыкает стенками своей полости к внешним поверхностям кольцеобразного полого анода.

8. Ускоритель по любому из пп.3 7, отличающийся тем, что выходные кромки кольцеобразного полого анода снабжены насадками из немагнитного электропроводного материала.

9. Ускоритель по п. 8, отличающийся тем, что в качестве немагнитного электропроводного материала выбран графит.

10. Ускоритель по п. 8, отличающийся тем, что в качестве немагнитного электропроводного материала выбран температуростойкий металл из группы, состоящей из молибдена, титана, нержавеющей стали.

11. Ускоритель по п.8, отличающийся тем, что внешняя поверхность насадок из немагнитного электропроводного материала выполнена с кривизной, совпадающей с кривизной силовой линии магнитного поля, касательной к выходным кромкам анода.

12. Ускоритель по п.2, отличающийся тем, что кольцеобразный полый элемент из ферромагнитного материала снабжен по меньшей мере одним отверстием для подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру.

13. Ускоритель по любому из пп.2 12, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала выбран сплав с высокой температурой Кюри.

14. Ускоритель по п.13, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала выбран кобальтовый сплав.

15. Ускоритель по любому из пп.1 14, отличающийся тем, что полюсные наконечники соединены с отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока.

16. Ускоритель по любому из пп.1 15, отличающийся тем, что наружный и внутренний кольцеобразные катоды выполнены из электропроводного немагнитного стойкого к распылению материала.

17. Ускоритель по п.16, отличающийся тем, что в качестве материала наружного и внутреннего кольцеобразных катодов выбран графит.

18. Ускоритель по любому из пп.1 17, отличающийся тем, что источник магнитодвижущей силы выполнен в виде катушек намагничивания.

19. Ускоритель по любому из пп.1 15, отличающийся тем, что источник магнитодвижущей силы выполнен в виде постоянного магнита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.07.2008

Извещение опубликовано: 20.07.2010        БИ: 20/2010

---