RU2659009C1

RU2659009C1 - Plasma accelerator with closed electron drift

Info

Publication number: RU2659009C1
Application number: RU2017124758A
Authority: RU
Inventors: Мира Юрьевна Берникова; Владимир Васильевич Гопанчук; Михаил Викторович Коркунов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" ФГУП "ОКБ "Факел"
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2018-06-26

Abstract

FIELD: astronautics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of space equipment and can be used in the electric propulsion engines, in particular, in the stationary plasma engines (SPE), as well as in used in the vacuum-plasma technology technological plasma accelerators. In the plasma accelerator with closed electron drift comprising at least one compensator cathode, discharge system and magnetic system comprising the back magnetic core, inner and outer magnetic cores, inner and outer magnetic poles and at least one source of the magnetizing force, inner and outer magnetic poles end sections are made arc-shaped with such curvature radius that into the discharge system exit zone only the inner and outer magnetic poles edges are protruded. Internal magnetic core with internal magnetic pole and external magnetic core with external magnetic pole are conjugated in the arc-like manner. Back magnetic core and internal magnetic core may be conjugated in the arc-like manner. Back magnetic core and the outer magnetic core can also be conjugated in the arc-like manner. Inner magnetic core may be made hollow.

EFFECT: invention allows to increase the plasma accelerator operation efficiency.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях (ЭРД), например в стационарных плазменных двигателях (называемых также в соответствии с зарубежной классификацией как Холловские двигатели) и двигателях с анодным слоем, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.The invention relates to the field of space technology and can be used in electric rocket engines (ERE), for example in stationary plasma engines (also called in accordance with the foreign classification as Hall engines) and anode-layer engines, as well as in technological plasma accelerators used in vacuum -plasma technology.

Область применения различных ЭРД на борту космических аппаратов (КА) постоянно расширяется. Среди ЭРД наибольшую известность имеет стационарный плазменный двигатель (СПД), различные модели которого производятся серийно и успешно эксплуатируются как на отечественных КА, так и в составе КА иностранного производства. Другим известным ЭРД является двигатель с анодным слоем (ДАС), который также прошел демонстрационные летные испытания на борту КА. Эти разновидности ЭРД базируются на физических принципах ускорителя заряженных частиц и плазменных потоков. Одним из основополагающих физических принципов работы такого плазменного ускорителя является формирование в ускорительном канале структуры магнитного поля с положительным градиентом в направлении выхода ускоренного потока плазмы. Генерация магнитного поля в канале производится при помощи магнитной системы ЭРД, которая по своей конфигурации и составу в различных моделях СПД может принципиально отличаться. Так, если в одних магнитных системах, помимо прочего, снаружи используется один общий источник намагничивающей силы кольцеобразной формы [Арцимович Л.А. и др. Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытание на ИСЗ "Метеор". Космические исследования. М.: "Наука", 1974, т. XII, в. 3, с. 455, рис. 5], то в других магнитных системах снаружи используются несколько автономных источников намагничивающей силы соленоидального типа, равномерно расположенных по азимуту [Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989 г., с. 128]. В ДАС так же, как и в СПД, используются аналогичные конструкции магнитных систем для создания магнитного поля в ускорительном канале [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А., М.: Машиностроение, 1974 г., с. 75-81]. Добротность электрических магнитных систем в основном зависит от потерь ампер-витков намагничивающей силы в магнитном контуре при ее функционировании.The scope of various ERE on board spacecraft (SC) is constantly expanding. Among the electric propulsion engines, the stationary plasma engine (SPD) is most famous, various models of which are mass-produced and are successfully operated both on domestic spacecraft and as part of foreign-made spacecraft. Another well-known electric propulsion engine is the anode layer engine (DAS), which has also passed demonstration flight tests onboard the spacecraft. These types of electric propulsion are based on the physical principles of an accelerator of charged particles and plasma flows. One of the fundamental physical principles of the operation of such a plasma accelerator is the formation of a magnetic field structure in the accelerator channel with a positive gradient in the direction of the exit of the accelerated plasma stream. The magnetic field in the channel is generated using the magnetic propulsion system, which can be fundamentally different in its configuration and composition in various SPD models. So, if in some magnetic systems, among other things, one common source of ring-shaped magnetizing force is used outside [L. Artsimovich et al. Development of a stationary plasma engine and its testing on the Meteor satellite. Space exploration. M .: "Science", 1974, vol. XII, c. 3, p. 455, fig. 5], then in other magnetic systems outside, several autonomous sources of the magnetizing force of the solenoidal type uniformly located in azimuth are used [Grishin SD, Leskov LV Electric rocket engines of spacecraft. M.: Engineering, 1989, p. 128]. In DAS, as well as in SPD, similar designs of magnetic systems are used to create a magnetic field in the accelerating channel [Plasma accelerators. Ed. Artsimovich L.A., M.: Mechanical Engineering, 1974, p. 75-81]. The quality factor of electric magnetic systems mainly depends on the loss of ampere-turns of the magnetizing force in the magnetic circuit during its operation.

В электромагнитной технике для создания магнитных полей используются самые разнообразные магнитные системы. Во время работы кроме основного рабочего магнитного потока (относительно высокого уровня), проходящего преимущественно по магнитопроводящим участкам рабочего магнитного контура с высокой магнитной проводимостью, и внутри магнитного контура действует внутреннее магнитное поле рассеивания (относительно среднего уровня), а также и в окружающем пространстве возникает внешнее магнитное поле рассеивания (относительно низкого уровня). Магнитные системы с одним общим кольцеобразным наружным источником намагничивающей силы (или электрокатушкой намагничивания) генерируют магнитные поля с такой структурой, в которой действующие магнитные поля рассеивания в различных ее зонах являются согласованными с рабочим магнитным полем в ускорительном канале [Гниздор Р.Ю., Козубский К.Н., Митрофанова О.А., "Компьютерное моделирование магнитных систем стационарных плазменных двигателей", Вестник Российского государственного университета им. И. Канта, 2010, Выпуск 10, с. 137-144]. При использовании в магнитной системе по периферии группы автономных источников намагничивающей силы (соленоидального типа) общая топология магнитного поля существенным образом трансформируется - если внутреннее магнитное поле рассеивания согласовано с рабочим магнитным полем в ускорительном канале, то внешнее магнитное поле рассеивания в азимутальном направлении противоположного действия и, таким образом, является несогласованным с рабочим, при этом по своему уровню оно значительно больше внутреннего поля рассеивания [В.В. Гопанчук, Н.М. Никулин, М.Ю. Потапенко. Оптимизация магнитных систем электрореактивных двигателей // Вестник Московского авиационного института, 2011, №1, т. 18, с. 64-74], то есть, при прочих равных условиях, магнитное поле рассеивания существенно больше в сравнении с вариантом магнитной системы с одним общим кольцеобразным источником намагничивающей силы. Такое разделение структуры магнитного поля на две области происходит по границе инверсии магнитного поля, вдоль которой магнитное поле равно нулю. Такое принципиальное разделение структуры магнитного поля приводит к дополнительным конструктивным ограничениям и трудностям, которые приходиться кроме прочего также учитывать при разработке ЭРД, в частности при выборе расположения катода-компенсатора [Патент РФ №2426913, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].In electromagnetic technology, a wide variety of magnetic systems are used to create magnetic fields. During operation, in addition to the main working magnetic flux (relatively high level), passing mainly along the magnetically conducting sections of the working magnetic circuit with high magnetic conductivity, and inside the magnetic circuit there is an internal magnetic field of dispersion (relative to the average level), and also in the surrounding space an external scattering magnetic field (relatively low level). Magnetic systems with one common ring-shaped external source of magnetizing force (or magnetizing coil) generate magnetic fields with a structure in which the effective magnetic fields of dispersion in its different zones are consistent with the working magnetic field in the accelerating channel [Gnizdor R.Yu., Kozubsky K .N., Mitrofanova OA, "Computer simulation of magnetic systems of stationary plasma engines", Bulletin of the Russian State University. I. Kant, 2010, Issue 10, p. 137-144]. When using a magnetic system around the periphery of a group of autonomous sources of magnetizing force (solenoidal type), the general topology of the magnetic field is substantially transformed - if the internal magnetic field of dispersion is consistent with the working magnetic field in the accelerating channel, then the external magnetic field of dispersion in the azimuthal direction of the opposite action and Thus, it is inconsistent with the worker, while in its level it is much larger than the internal dispersion field [V.V. Gopanchuk, N.M. Nikulin, M.Yu. Potapenko. Optimization of magnetic systems of electric jet engines // Bulletin of the Moscow Aviation Institute, 2011, No. 1, t. 18, p. 64-74], that is, ceteris paribus, the scattering magnetic field is significantly larger compared with the version of the magnetic system with one common ring-shaped source of magnetizing force. Such a separation of the structure of the magnetic field into two regions occurs along the boundary of the inversion of the magnetic field, along which the magnetic field is zero. Such a fundamental separation of the structure of the magnetic field leads to additional design limitations and difficulties, which also have to be taken into account when developing the electric propulsion, in particular when choosing the location of the compensator cathode [RF Patent No. 2426913, cl. 6 H05H 1/54, F03H 1/00].

Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, включающий катод-компенсатор, разрядную систему, содержащую разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, анод и газовый распределитель с каналами подвода и инжекции рабочего тела, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, источники намагничивающей силы [Патент РФ №2426913, Н05Н 1/54, F03H 1/00].Known plasma accelerator with a closed electron drift, including a cathode-compensator, a discharge system containing a discharge chamber with ionization and acceleration zones, an anode and a gas distributor with channels for supplying and injecting the working fluid, and a magnetic system containing a magnetic circuit, internal and external magnetic poles, sources of magnetizing force [RF Patent No. 2426913, Н05Н 1/54, F03H 1/00].

Известный плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов имеет следующие недостатки. Основной недостаток его магнитной системы, в которой внешний участок магнитного контура образован за счет сердечников нескольких цилиндрических источников намагничивающей силы (соленоидального типа), расположенных в азимутальном направлении равномерно, заключается в наличии в окружающем пространстве относительно больших магнитных полей рассеивания. С одной стороны это накладывает дополнительные ограничения и значительно осложняет процесс проектирования и компоновки основных функциональных элементов плазменного ускорителя: анодного узла и катода. С другой стороны большие внешние магнитные поля рассеивания свидетельствуют о больших потерях ампер-витков источников намагничивающей силы, что говорит о повышенных энергетических затратах, идущих на их компенсацию.Known plasma accelerator with a closed electron drift has the following disadvantages. The main drawback of its magnetic system, in which the outer part of the magnetic circuit is formed due to the cores of several cylindrical sources of magnetizing force (solenoidal type) located uniformly in the azimuthal direction, is the presence in the surrounding space of relatively large scattering magnetic fields. On the one hand, this imposes additional restrictions and significantly complicates the design and layout of the main functional elements of a plasma accelerator: anode assembly and cathode. On the other hand, large external scattering magnetic fields indicate large losses of ampere turns of sources of magnetizing force, which indicates increased energy costs that are spent on their compensation.

Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, включающий катод-компенсатор, разрядную систему и магнитную систему, содержащую тыльный, внутренний и наружный магнитопроводы, внутренний и наружный магнитные полюса и источники намагничивающей силы [Патент РФ №2191289, Н05Н 1/54, F03H 1/00].Known plasma accelerator with a closed electron drift, adopted as a prototype, including a cathode-compensator, a discharge system and a magnetic system containing the rear, inner and outer magnetic cores, inner and outer magnetic poles and sources of magnetizing force [RF Patent No. 2191289, H05H 1/54 , F03H 1/00].

Выполнение магнитной системы, в которой наружный участок магнитного контура образован при помощи наружного магнитопровода в виде цельной цилиндрической тонкостенной оболочки, в сравнении с известным аналогом, позволяет исключить разделение структуры магнитного поля на разнородные области и упростить проектирование плазменного ускорителя. Такая конфигурация магнитной системы обладает более низкими общими потерями ампер-витков источников намагничивающей силы.The implementation of the magnetic system, in which the outer portion of the magnetic circuit is formed using the outer magnetic core in the form of a solid cylindrical thin-walled shell, in comparison with the known analogue, eliminates the separation of the structure of the magnetic field into heterogeneous regions and simplifies the design of the plasma accelerator. This configuration of the magnetic system has lower total losses of ampere-turns of sources of magnetizing force.

Однако и такому известному плазменному ускорителю присущи недостатки.However, even such a known plasma accelerator has inherent disadvantages.

Потери суммарных ампер-витков всех источников намагничивающей силы, расположенных вдоль всего магнитного контура, относительно большие.The losses of the total ampere turns of all sources of magnetizing force located along the entire magnetic circuit are relatively large.

При длительной ресурсной наработке элементы конструкции подвергаются постепенному износу в результате эрозии от действия заряженных частиц. Вначале происходит износ выходных кромок керамических стенок разрядной камеры, которые закрывают другие элементы конструкции. После же их разрушения на всю толщину стенки износу также подвергаются и прочие элементы магнитной системы, и в-первую очередь те, которые расположены во фронтальной плоскости выхода (среза) разрядной камеры, обращенные к плазменной струе, откуда разрушающее воздействие в боковых направлениях «замагниченными» электронами и обратными потоками ускоренных ионов максимально [Arkhipov. В., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, а также Ben Welander, Christian Carpenter, Christian Carpenter, Richard R. Hofer, Thomas M. Randolph and David H. Manzella, "Life and Operating Range Extension of the BPT-4000 Qualification Model Hall Thruster", AIAA 2006-5263, 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 9-12 July 2006, Sacramento, California]. Именно процессы разрушающей эрозии основных элементов конструкции и ограничивают ресурс известных плазменных ускорителей.With a long service life, structural elements undergo gradual wear as a result of erosion from the action of charged particles. Initially, the wear edges of the ceramic walls of the discharge chamber wear, which cover other structural elements. After their destruction to the entire wall thickness, other elements of the magnetic system are also subject to wear, and primarily those located in the frontal plane of the exit (cut) of the discharge chamber, facing the plasma jet, from where the destructive effect in the lateral directions is “magnetized” electrons and reverse flows of accelerated ions as much as possible [Arkhipov. B., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, as well as Ben Welander, Christian Carpenter, Christian Carpenter, Richard R Hofer, Thomas M. Randolph and David H. Manzella, "Life and Operating Range Extension of the BPT-4000 Qualification Model Hall Thruster", AIAA 2006-5263, 42nd AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 9 -12 July 2006, Sacramento, California]. It is the processes of destructive erosion of the main structural elements that limit the resource of known plasma accelerators.

При создании изобретения решались задачи повышения эффективности работы плазменного ускорителя за счет снижения энергетических потерь в магнитной системе и ресурса его работы.When creating the invention, the tasks were solved to increase the efficiency of the plasma accelerator by reducing energy losses in the magnetic system and the resource of its work.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, включающем по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную систему и магнитную систему, содержащую тыльный магнитопровод, внутренний и наружный магнитопроводы, внутренний и наружный магнитные полюса и по меньшей мере один источник намагничивающей силы, согласно изобретению по меньшей мере концевые участки внутреннего и наружного магнитных полюсов выполнены дугообразной формы с радиусом кривизны таким, что в зону выхода разрядной системы выдвинуты только края внутреннего и наружного магнитных полюсов.The specified technical result is achieved in that in a plasma accelerator with a closed electron drift, including at least one cathode-compensator, a discharge system and a magnetic system containing a rear magnetic circuit, internal and external magnetic circuits, internal and external magnetic poles and at least one source of the magnetizing force according to the invention, at least the end sections of the inner and outer magnetic poles are made in an arcuate shape with a radius of curvature such that only the edges of the inner and outer magnetic poles are extended by the nuclear system.

Внутренний магнитопровод с внутренним магнитным полюсом и наружный магнитопровод с наружным магнитным полюсом могут быть сопряжены дугообразно. Также тыльный магнитопровод с внутренним магнитопроводом могут быть сопряжены дугообразно. Кроме того, тыльный магнитопровод с наружным магнитопроводом также могут быть сопряжены дугообразно. Внутренний магнитопровод предпочтительней выполнять полым.The internal magnetic circuit with the internal magnetic pole and the external magnetic circuit with the external magnetic pole can be interfaced in an arc. Also, the rear magnetic circuit with the internal magnetic circuit can be interfaced in an arc. In addition, the rear magnetic circuit with the external magnetic circuit can also be paired in an arc. The inner magnetic circuit is preferably hollow.

Выполнение концевых участков внутреннего и наружного магнитных полюсов дугообразной формы с радиусом кривизны таким, что в зоне выхода разрядной системы располагаются только края внутреннего и наружного магнитных полюсов, позволяет решить задачи по уменьшению внешнего поля магнитного рассеивания во фронтальной области и снижению потерь магнитного потока, а также снизить разрушающее воздействие на элементы конструкции магнитной системы, оказываемое ускоренным потоком заряженных частиц путем придания полюсам геометрической формы, приближенной к форме силовых линий магнитного поля на данных участках, и, тем самым, расположив поверхности основных элементов магнитной системы таким образом, чтобы бомбардировка потоками заряженных частиц происходила тангенциально, то есть по касательной.The execution of the end sections of the internal and external magnetic poles of an arcuate shape with a radius of curvature such that only the edges of the internal and external magnetic poles are located in the exit zone of the discharge system allows us to solve the problem of reducing the external magnetic field in the frontal region and reducing magnetic flux losses, as well as to reduce the destructive effect on the structural elements of the magnetic system exerted by the accelerated flow of charged particles by giving the poles a geometric shape, which is close to the shape of the lines of force of the magnetic field in these areas, and, thereby, positioning the surfaces of the main elements of the magnetic system so that the bombardment by flows of charged particles occurs tangentially, that is, tangentially.

Сопряжение внутреннего магнитопровода с внутренним магнитным полюсом и наружного магнитопровода с наружным магнитным полюсом по дуге позволяет решить задачу по дополнительному уменьшению магнитных потерь в магнитной системе путем перехода на данных участках магнитного контура от стыков, выполняемых под прямым углом к плавным сопряжениям по радиусу кривизны, за счет сближения геометрической формы участков магнитного контура с естественной кривизной силовых линий магнитного поля. Радиус кривизны сопряжений выбирается из условия его превышения характерной толщины на данном участке магнитного контура в несколько раз.The conjugation of the internal magnetic circuit with the internal magnetic pole and the external magnetic circuit with the external magnetic pole in an arc allows us to solve the problem of additionally reducing the magnetic losses in the magnetic system by switching at these parts of the magnetic circuit from the joints that are made at right angles to smooth conjugations along the radius of curvature, due to approximation of the geometric shape of the sections of the magnetic circuit with the natural curvature of the lines of force of the magnetic field. The radius of curvature of the joints is selected from the condition that it exceeds the characteristic thickness in this section of the magnetic circuit several times.

Выполнение внутреннего магнитопровода полым позволяет решить задачу по расширению вариативности предлагаемого технического решения и использованию его при разработке плазменных ускорителей увеличенного типоразмера, в которых за счет этого формируется полая центральная зона, в которой может быть расположен катод-компенсатор, что представляется наиболее предпочтительным с точки зрения исключения асимметричности расположения катода в плазменном ускорителе.Performing an internal magnetic circuit hollow allows you to solve the problem of expanding the variability of the proposed technical solution and its use in the development of plasma accelerators of increased size, in which due to this a hollow central zone is formed in which a cathode-compensator can be located, which seems most preferred from the point of view of exclusion asymmetric arrangement of the cathode in a plasma accelerator.

Таким образом, реализация предложенной конструкции магнитной системы округлой формы позволит создавать плазменные ускорители нового облика и конфигурации с высокой эффективностью работы за счет снижения потерь генерации магнитного поля и увеличения ресурса работы за счет уменьшения воздействия ускоренного потока плазмы на критичные элементы конструкции.Thus, the implementation of the proposed design of a round-shaped magnetic system will allow creating plasma accelerators of a new shape and configuration with high work efficiency by reducing the loss of magnetic field generation and increasing the service life by reducing the impact of the accelerated plasma flow on critical structural elements.

Изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 представлена половина осевого разреза предлагаемого плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов с магнитной системой, в которой внутренний магнитопровод с внутренним магнитным полюсом и наружный магнитопровод с наружным магнитным полюсом сопряжены дугообразно, при этом одновременно и концевые участки внутреннего и наружного магнитных полюсов выполнены дугообразной формы (радиусы кривизны двух участков одинаковые) с радиусом кривизны таким, что в зоне выхода из разрядной системы оказываются расположены только края внутреннего и наружного магнитных полюсов.In FIG. 1 shows a half axial section of the proposed plasma accelerator with a closed electron drift with a magnetic system in which the internal magnetic circuit with the internal magnetic pole and the external magnetic circuit with the external magnetic pole are arcuate, while at the same time the end sections of the internal and external magnetic poles are arched (radii the curvatures of the two sections are the same) with a radius of curvature such that in the exit zone from the discharge system only the edges lower and outer magnetic poles.

На Фиг. 2 показана половина осевого разреза варианта магнитной системы плазменного ускорителя, в которой тыльный магнитопровод с внутренним и наружным магнитопроводами сопряжены по дуге.In FIG. Figure 2 shows a half axial section of a variant of the magnetic system of a plasma accelerator in which the rear magnetic circuit with the internal and external magnetic circuits are connected in an arc.

На Фиг. 3 показана половина осевого разреза другого варианта магнитной системы плазменного ускорителя, в которой внутренний магнитопровод выполнен полым, что предпочтительней для случая реализации предлагаемого изобретения в плазменном ускорителе увеличенного типоразмера.In FIG. 3 shows a half axial section of another embodiment of a magnetic system of a plasma accelerator, in which the internal magnetic circuit is hollow, which is preferable for the case of implementing the invention in an increased size plasma accelerator.

Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению включает разрядную систему 2, магнитную систему, содержащую тыльный магнитопровод 3, внутренний 4 и наружный 5 магнитопроводы, внутренний 6 и наружный 7 магнитные полюса и источники намагничивающей силы 8 (на рисунке в качестве примера показан вариант с внутренним 8а и наружным 8б источниками намагничивающей силы), и катод-компенсатор 1.A closed electron drift plasma accelerator according to the invention includes a discharge system 2, a magnetic system comprising a rear magnetic circuit 3, an internal 4 and an external 5 magnetic cores, an internal 6 and an external 7 magnetic poles and magnetizing force sources 8 (an example with an internal 8a and external 8b sources of magnetizing force), and the cathode-compensator 1.

В различных конструктивных схемах плазменных ускорителей основными функциональными элементами разрядной системы 2 являются разрядная камера, анод и газовый распределитель подачи рабочего тела (на рисунке данные компоненты условно не показаны).In various design schemes of plasma accelerators, the main functional elements of the discharge system 2 are the discharge chamber, the anode, and the gas distributor of the working fluid supply (these components are not conventionally shown in the figure).

В варианте конструкции плазменного ускорителя, в котором только концевые участки 6а, 7а внутреннего и наружного магнитных полюсов выполняются дугообразной формы с радиусом кривизны таким, чтобы в зоне выхода разрядной системы располагались бы только края внутреннего и наружного магнитных полюсов, предельно снижаются риски интенсивного износа наиболее важных участков магнитных полюсов, определяющих топологию магнитного поля на выходе из разрядной камеры.In the design variant of the plasma accelerator, in which only the end sections 6a, 7a of the inner and outer magnetic poles are arched in shape with a radius of curvature so that only the edges of the inner and outer magnetic poles are located in the exit zone of the discharge system, the risks of intensive wear of the most important sections of magnetic poles that determine the topology of the magnetic field at the outlet of the discharge chamber.

В наиболее предпочтительном варианте конструкции плазменного ускорителя, обладающего предельно слабым магнитным полем рассеивания в окружающем пространстве (на уровне фонового) и малыми потерями в магнитном контуре его магнитной системы, все сопряжения между магнитопроводящими элементами (тыльный 3, внутренний 4 и наружный 5 магнитопроводы, внутренний 6 и наружный 7 магнитные полюса), образующими рабочий магнитный контур, должны выполняться с плавным переходом по дуге (в общем случае дугообразно) с радиусами кривизны, соизмеримыми с кривизной силовых линий магнитного потока на соответствующих участках.In the most preferred embodiment of the design of a plasma accelerator having an extremely weak scattering magnetic field in the surrounding space (at the background level) and low losses in the magnetic circuit of its magnetic system, all the interfaces between the magnetic conductive elements (back 3, inner 4 and outer 5 magnetic cores, inner 6 and outer 7 magnetic poles), forming a working magnetic circuit, must be performed with a smooth transition along an arc (generally arched) with radii of curvature commensurate with from the magnetic field lines in the corresponding areas.

Для вариантов конструкции больших типоразмеров и использования в них предлагаемой формы магнитного контура с плавными переходами предпочтительней, чтобы внутренний магнитопровод 4 выполнялся полым.For design options of large sizes and the use of the proposed shape of the magnetic circuit with smooth transitions, it is preferable that the inner magnetic core 4 is made hollow.

Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов работает следующим образом.A plasma accelerator with a closed electron drift works as follows.

В рабочую полость разрядной системы 2 через газовый распределитель подается рабочий газ. Между внутренним 6 и наружным 7 магнитными полюсами при помощи источников магнитодвижущей силы 8а (внутренний) и 8б (наружный) создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения плазмы магнитное поле. Генерируемый источниками магнитодвижущей силы 8 согласованный магнитный поток распространяется преимущественно по магнитному контуру магнитной системы, которая в себе объединяет тыльный 3, внутренний 4 и наружный 5 магнитопроводы, внутренний 6 и наружный 7 магнитные полюса и необходимое количество источников намагничивающей силы 8 (например, внутренний 8а и наружный 86, размещенные на внутреннем 4 и наружном 5 магнитопроводах соответственно). При запуске и последующей стационарной работе разрядное напряжение прикладывается между анодом разрядной системы 2 и катодом-компенсатором 1, между которыми инициируется основной плазменный разряд, происходящий в скрещенных

электрическом и магнитном полях. Транспортировка электронов

от катода-компенсатора 1 к аноду разрядной системы 2 происходит по спиралеобразным траекториям вдоль и вокруг силовых линий магнитного поля. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют нейтральные атомы (n) рабочего газа. Образовавшиеся в газовом разряде ионы

ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором 1 и анодом разрядной системы 2. На выходе из разрядной системы 2 поток ускоренных ионов также компенсируется частью электронов, имитируемых катодом-компенсатором 1. Часть электронов из катода-компенсатора поступает в виде обратного тока к аноду через рабочую полость разрядной системы 2, в которой участвуют в массовом столкновительном процессе в виде встречных соударений с нейтральными атомами подаваемого газа с одновременной передачей им при этом части своей энергии, ионизируя тем самым нейтралы, превращающиеся в ионы, которые ускоряются электрическим полем, действующим вдоль ускорительного канала. Другая часть электронов из катода-компенсатора 1 при этом нейтрализует ускоренный ионный поток за пределами разрядной системы 2.Working gas is supplied to the working cavity of the discharge system 2 through a gas distributor. Between the inner 6 and outer 7 magnetic poles by means of sources of magnetomotive force 8a (internal) and 8b (external), a magnetic field is predominantly transverse to the direction of plasma acceleration. The coordinated magnetic flux generated by the sources of magnetomotive force 8 propagates mainly along the magnetic circuit of the magnetic system, which combines the back 3, inner 4 and outer 5 magnetic cores, inner 6 and outer 7 magnetic poles and the required number of sources of magnetizing force 8 (for example, internal 8a and outer 86, located on the inner 4 and outer 5 magnetic cores, respectively). When starting and subsequent stationary operation, a discharge voltage is applied between the anode of the discharge system 2 and the cathode-compensator 1, between which the main plasma discharge, which occurs in crossed

electric and magnetic fields. Electron transport

from the cathode-compensator 1 to the anode of the discharge system 2 occurs along spiral paths along and around the magnetic field lines. The interaction of electric and magnetic fields causes the drift of electrons in the azimuthal direction, during which the electrons ionize the neutral atoms (n) of the working gas. Ions formed in a gas discharge

accelerated due to the applied voltage between the cathode-compensator 1 and the anode of the discharge system 2. At the exit from the discharge system 2, the stream of accelerated ions is also compensated by a part of the electrons simulated by the cathode-compensator 1. Some of the electrons from the cathode-compensator enters in the form of a reverse current to the anode through the working cavity of the discharge system 2, in which they participate in a mass collision process in the form of collisions with neutral atoms of the feed gas while simultaneously transferring part of their energy to them thereby ionizing the neutrals that turn into ions, which are accelerated by an electric field acting along the accelerating channel. Another part of the electrons from the cathode-compensator 1 thus neutralizes the accelerated ion flux outside the discharge system 2.

Во время работы максимальная эффективность магнитной системы плазменного ускорителя достигается в варианте конструкции с магнитным контуром оптимальной конфигурации, при которой потери генерации магнитного потока будут минимальными, что достигается исключением крутых участков переходов между отдельными магнитопроводящими элементами, образующими магнитный контур.During operation, the maximum efficiency of the magnetic system of the plasma accelerator is achieved in the design with the magnetic circuit of the optimal configuration, in which the loss of magnetic flux generation will be minimal, which is achieved by eliminating steep sections of the transitions between the individual magnetically conducting elements forming the magnetic circuit.

Использование предложенного изобретения в космической технике позволит создавать более эффективные электроракетные двигатели (ЭРД) на базе плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов для выполнения различных практических задач в составе космических аппаратов (КА).Using the proposed invention in space technology will allow the creation of more efficient electric rocket engines (EREs) based on plasma accelerators with closed electron drift to perform various practical tasks as part of spacecraft (SC).

Использование данного изобретения в ионно-плазменной технологии позволит разрабатывать более производительное промышленного оборудование, использующее технологические плазменные ускорители, применяемые для процессов нанесения различных покрытий и сухого травления материалов.The use of this invention in ion-plasma technology will allow the development of more productive industrial equipment using technological plasma accelerators used for the processes of applying various coatings and dry etching of materials.

Claims

1. Plasma accelerator with a closed electron drift, comprising at least one cathode-compensator, a discharge system and a magnetic system comprising a rear magnetic circuit, an internal and external magnetic circuit, an internal and external magnetic pole, and at least one source of magnetizing force, characterized in that at least the end sections of the inner and outer magnetic poles are arched in shape with a radius of curvature such that only the edges of the inner and really magnetic poles.

2. The plasma accelerator according to claim 1, characterized in that the internal magnetic circuit with the internal magnetic pole and the external magnetic circuit with the external magnetic pole are arcuate.

3. The plasma accelerator according to claim 1, characterized in that the rear magnetic circuit with the internal magnetic circuit are conjugated in an arcuate manner.

4. The plasma accelerator according to claim 1, characterized in that the rear magnetic circuit with the external magnetic circuit are conjugated in an arcuate manner.

5. The plasma accelerator according to claim 1, characterized in that the internal magnetic circuit is hollow.