Источник плазмы и способы его работы (варианты)

 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к источникам плазмы для снятия электростатического потенциала космического аппарата и плазменного контактора в электродинамических тросовых системах. Технический результат: повышение инжектируемого ионного тока источником плазмы. Источник плазмы содержит по меньшей мере два полых катода, каждый из которых содержит эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод, а также источники питания накала, подключенные к стартовым нагревателям, и источники поджигного разряда, подключенные к эмиттерам и поджигным электродам. Полые катоды размещены на расстоянии не более 0,2 м друг от друга, а их эмиттеры электрически соединены. Способ работы источника плазмы, содержащего по меньшей мере два полых катода, включает подачу плазмообразующего газа в один из катодов, его стартовый разогрев, зажигание в нем разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают. После зажигания разряда в первом катоде подают плазмообразующий газ в другой катод и зажигают в нем поджигной разряд. По другому варианту способа работы источника плазмы для упрощения алгоритма его управления плазмообразующий газ может одновременно подаваться в оба катода, и после стартового разогрева одного из катодов одновременно включают источники питания поджигного разряда обоих катодов. Кроме того, после возникновения поджигных разрядов в обоих катодах поджигной разряд в первом катоде может быть выключен. 3 c. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к источникам плазмы, применяемым в космической технике, а именно плазменным контакторам для электродинамических тросовых систем, катодам-компенсаторам электрореактивных плазменных двигателей (ЭРД) и источникам плазмы для снятия электростатического потенциала космического аппарата.

Известен полый катод, содержащий эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод [1].

Известен способ работы полого катода, для включения которого подают рабочий газ (например ксенон), выполняют стартовый разогрев и зажигают разряд на поджигной электрод [1].

Известен источник плазмы, принятый авторами за прототип, содержащий основной и резервный полые катоды, электрически изолированные друг от друга, каждый из которых содержит эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод. Источники питания накала подключены к соответствующим стартовым нагревателям, а источники питания поджига к соответствующим поджигным электродам и эмиттерам основного и резервного катода [2].

Известен способ работы источника плазмы, принятый за прототип, включающий подачу плазмообразующего газа в один из полых катодов, его стартовый разогрев и зажигание разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают. Второй полый катод предназначен для резервирования и не включается [2].

Общим недостатком известных аналога и прототипа, а также способов их работы является малый ионный ток, который в зависимости от типоразмера полого катода, составляет 0,5...2,0 мА. Из-за малого ионного тока низка концентрация истекающей плазмы, что, в свою очередь, ограничивает инжектируемый электронный ток.

В известных устройствах поджигной разряд, организованный внутри полого катода, ограничен элементами конструкции, на поверхностях которой происходит рекомбинация плазмы. К тому же электрический потенциал спадает от поджигного электрода к эмиттеру. Такое электрическое поле направляет низкоэнергетичные ионы в сторону эмиттера, что препятствует их истечению в пространство, ограничивая ионный ток уровнем 0,5...2 мА.

При создании изобретения решалась задача по повышению инжектируемого ионного тока источника плазмы.

Поставленная задача решена за счет того, что в источнике плазмы, содержащем по меньшей мере два полых катода, каждый из которых содержит эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод, а также источники питания накала, подключенные к стартовым нагревателям, и источники поджигного разряда, подключенные к эмиттерам и поджигным электродам, согласно изобретению полые катоды размещены на расстоянии не более 0,2 м друг от друга, а их эмиттеры электрически соединены.

Такое подключение позволяет организовать, помимо поджигного разряда в одном катоде, дополнительный разряд в объеме перед поджигным электродом другого катода. Дополнительный разряд не ограничен стенками конструкции первого катода, а электрическое поле направлено от поджигного электрода второго катода, что способствует эффективной инжекции ионов.

При расстоянии между катодами менее 0,2 м существенно снижаются потери на транспортировку электронов, что приводит к уменьшению напряжения питания поджигного разряда второго катода, повышая эффективность источника плазмы в целом.

Указанный технический результат также достигается тем, что в способе работы источника плазмы, содержащего по меньшей мере два полых катода, включающем подачу плазмообразующего газа в один из катодов, его стартовый разогрев, зажигание в нем разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают, согласно изобретению после зажигания разряда в первом катоде подают плазмообразующий газ в другой катод и зажигают в нем поджигной разряд.

Подача плазмообразующего газа в оба полых катода, эмиттеры которых электрически соединены, с последующим зажиганием поджигного разряда на поджигных электродах обоих катодов позволяет повысить уровень инжектируемого ионного тока за счет того, что помимо поджигного разряда в первом катоде возникает дополнительный разряд с внешней стороны поджигного электрода другого катода. Электроны, замыкаемые на поджигной электрод другого катода, ионизуют истекающий из него газ. Плазменное образование, возникшее перед другим катодом, не ограничено стенками. Электрическое поле при этом спадает по мере удаления от поджигного электрода другого катода, что благоприятствует стоку ионов в пространство.

По другому варианту работы источника плазмы для упрощения алгоритма его управления плазмообразующий газ может одновременно подаваться в оба катода и после стартового разогрева одного из катодов одновременно включают источники питания поджигного разряда обоих катодов.

После возникновения поджигных разрядов в обоих катодах, поджигной разряд в первом катоде может быть выключен, что снижает суммарное энергопотребление источника плазмы.

Таким образом, источник плазмы и способ его работы позволит повысить инжектируемый ионный ток в 15...20 раз.

Изобретение проиллюстрировано чертежами.

На фиг.1 показана электропневматическая схема источника плазмы.

На фиг. 2 показана топология электрических полей и направление движения заряженных частиц.

Источник плазмы состоит из системы подачи газа, содержащей источник газа 1, электрические клапаны 2 и 3, трубопроводы 4 двух полых катодов 5 и 6 и системы электропитания. В свою очередь, катоды состоят из электрически соединенных эмиттеров 7 и 8, электроизоляционных трубок 9 и 10 для изоляции эмиттеров от трубопроводов 4 и корпусных деталей, стартовых нагревателей 11 и 12, поджигных электродов 13 и 14, выполненных в виде стаканов с осевым отверстиями 15 и 16. Система электропитания содержит источники питания накала 17 и 18, источники тока 19 и 20 и источники питания электроклапанов 21 и 22.

Источник плазмы работает следующим образом.

Включив источник питания 21, открывают электрический клапан 2 и из источника газа 1 в катод 5 подают газ. Включив источник питания 17, с помощью стартового нагревателя 11 выполняют разогрев эмиттера 7 катода 5 до рабочих температур. Затем включают источник поджига 19. После появления тока в цепи источника 19 и возникновения поджигного разряда источник накала 17 выключают. Затем включают источник питания 22 для осуществления подачи газа в катод 6 и аналогичным образом зажигают в нем поджигной разряд. Возникшая в катоде 5 плазма истекает в пространство через отверстие 15. Часть инжектируемых электронов 23, траектория движения которых в электрическом поле показана на фиг. 2, замыкается на поджигной электрод 14 катода 6. Перенос электронов сопровождается столкновениями с потоками нейтральных атомов 24, истекающих из отверстий 15 и 16, что приводит к их дополнительной ионизации. Перед поджигным электродом 14 вероятность ионизационных столкновений возрастает за счет увеличения концентрации нейтральных атомов, плотности электронного тока и энергии электронов, что приводит к возникновению дополнительной области плазмообразования 25, которая инжектирует ионный ток в 15...20 раз больше, чем ионный ток, истекающего из катода 5. Электрическое сопротивление вакуумного промежутка между катодами существенно выше электрического сопротивления плазмы, поэтому электронный ток замыкается преимущественно в потоках нейтральных атомов 24, формируя траекторию движения электронов 23.

Алгоритм управления источника плазмы по другому варианту работы упрощается при одновременном включении источников 21 и 22, а после стартового разогрева катода 5 при одновременном включении источников 19 и 20.

Для уменьшения энергопотребления источника плазмы после появления номинального тока в источнике 20 источник поджига 19 может быть выключен.

Источники информации 1. Патент РФ 2012946, кл. 5 H 01 J 37/077.

2. V. Gopanchuk, A. Koryakin, A. Nesterenko, V. Ageyew and V. Syromyatnikov Plasma Contactor for Tether System. 37^th AIAA/Asme/SAE/ASEE JPC, 8-11 July 2001, Salt Lake City, Utah. AIAA 2001 - 3916 - прототип.

Формула изобретения

1. Источник плазмы, содержащий по меньшей мере два полых катода, каждый из которых содержит эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод, а также источник питания накала, подключенный к стартовому нагревателю, и источник поджигного разряда, подключенный к эмиттеру и поджигному электроду, отличающийся тем, что полые катоды размещены на расстоянии не более 0,2 м друг от друга, а их эмиттеры электрически соединены.

2. Способ работы источника плазмы, содержащего по меньшей мере два полых катода, включающий подачу плазмообразующего газа в один из катодов, его стартовый разогрев, зажигание в нем разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают, отличающийся тем, что после зажигания разряда в первом катоде подают плазмообразующий газ в другой катод и зажигают в нем поджигной разряд.

3. Способ работы источника плазмы по п.2, отличающийся тем, что после возникновения поджигных разрядов в обоих катодах, поджигной разряд в первом катоде выключают.

4. Способ работы источника плазмы, содержащего по меньшей мере два полых катода, включающий подачу плазмообразующего газа в один из катодов, его стартовый разогрев, зажигание в нем разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают, отличающийся тем, что плазмообразующий газ подают одновременно в оба катода и после стартового разогрева одного из катодов одновременно включают источники питания поджигного разряда обоих катодов.

5. Способ работы источника плазмы по п.4, отличающийся тем, что после возникновения поджигных разрядов в обоих катодах поджигной разряд в первом катоде выключают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2