CN1218541A - 霍尔效应等离子加速器 - Google Patents
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Abstract
一种霍尔效应等离子加速器,包括具有封闭和开口端的环形加速通道(1)。在中空环形磁体(6)中,磁场源(11)位于通道封闭端后并具有沿与通道轴相同的方向延伸的轴。通过采用诸如单个线圈或永磁体的单个磁场源的简化和减轻重量的设置,可以使霍尔效应加速器实现磁场在加速通道内的最佳分布。此外,本发明可减小磁场源的发热。
Description
本发明涉及一种霍尔效应等离子加速器，也称为闭合电子漂移加速器。本发明是在设计这种用于卫星或其它空间飞行器的推进器的加速器时提出的。但是，本发明也可应用于其它用途的加速器，例如真空中的等离子蚀刻和加工工件。
传统霍尔效应等离子推进器包括绕加速器的轴周向延伸并沿轴向从封闭端向开口端延伸的环状加速通道。阳极通常位于通道的封闭端，阴极位于通道之外并靠近其开口端。设置了用于将推进剂例如氙气导入通道的装置，导入推进剂经常是通过形成于阳极内或靠近阳极的通路进行。磁系统沿径向穿过通道施加磁场，使得从阴极发射的电子绕通道周向运动。从阴极发射的电子部分但不是全部地进入通道并被阳极吸引。径向磁场沿周向偏转电子，从而使它们沿螺旋轨迹运动，在其逐渐向阳极漂移时积聚能量。在靠近阳极的区域，电子与推进剂的原子碰撞，产生电离作用。产生的带正电离子由电场向通道的开口端加速，其以高速从通道开口端喷出，从而产生所需的推进力。因为离子的质量远比电子的质量大，因此它们不易受到磁场的影响并且其加速的方向主要是相对于通道的轴向而不是周向，被那些从阴极发射的电子中和的离子不进入通道。
在本说明书中，将采用术语“上游”和“下游”以便于参照离子在通道中的运动来描述方向。
传统上，采用具有磁性材料的磁轭的电磁体使所需的径向磁场施加于通道，磁性材料的磁轭确定通道相对侧的磁极，即一个是相对通道径向向内，另一个是相对通道径向向外。欧洲专利说明书0463408示出了一个实例，其示出了具有单一圆柱部并装有单一磁化线圈的磁轭，圆柱部穿过环形通道的中部；及若干与加速通道外侧相隔并装有其各自外线圈的外圆柱体。内和外圆柱件与磁性背板栓接，以形成单一的磁轭。另一相似的装置示于欧洲专利说明书0541309。
众所周知，在通道内实现磁场的适宜限定的分布是很重要的，并且过去已为这一目的提出了线圈和磁体的各种设置。例如，俄国专利说明书2022167描述了最多达16个线圈和磁隔离屏的设置。
当把加速器设计为卫星推进器时，这种实现磁场在通道内的最佳分布的意图就与使加速器的重量和复杂程度保持最小的需要相冲突。俄国专利说明2022167中提出，还需要考虑的一个重要因素是通道内的温度非常高，应将线圈与此高温隔离以防止其损坏。
根据第一方面，本发明提供了一种霍尔效应等离子加速器，包括具有封闭和开口端的大体环形加速通道以及位于通道封闭端后面并具有沿与通道轴相同方向延伸的轴的磁场源。
根据第二方面，本发明提供了一种霍尔效应等离子加速器，包括具有封闭和开口端的大体环形加速通道以及位于通道封闭端后面并绕通道轴延伸的磁场源。
采用本发明，可以通过利用单一磁场源如单个线圈或永磁体形成更加简单并更轻的装置从而获得具有在加速通道内最佳磁场分布的霍尔效应加速器。更简化的设计特别适合于较小的加速器并允许磁场源位于加速通道之外，从而减小从通道传递的热量导致的线圈内的热效应。磁场源位于加速通道后面也改进了磁场源在运行中的冷却，从而进一步减小了过热带来的损害。与加速器外壁成对地对中可有显著的热量优势。
大体环形的加速通道的形状并不限于圆截面，还可以是长条形、多边形或非规则形。磁场源(根据需要可以是永磁体或电磁体)具有一沿与通道轴相同的方向延伸的轴，即至少一个磁场源的轴的分量沿通道轴的方向延伸。磁场源的轴不必平行于通道的轴。
加速器优选包括第一磁体，其确定由通道径向向内和向外的磁极。依据具体的应用，该第一磁体可以是基本或部分围绕或者仅接近磁场源。例如，当线圈的冷却很重要时，可以优选没有封闭的线圈的更为开放的结构。
第一磁体优选包括两个主内和外壁，这两个壁可以是圆柱形状或者是另一种适于所用加速通道形状的适宜形状，并且分别在通道的内侧和外侧从靠近通道开口端的各磁极向通道封闭端后的位置延伸。根据具体应用中对磁场和减小热水平的需要，通道封闭端后的第一磁体的连接件可把两壁之间的空间封闭成较完全或较不完全的程度。该连接件优选地，可能与内和/或外主壁(或其延伸件)一起，限定与通道轴同轴的环形空间。该环形空间容纳磁场源，并且在优选装置中，其外壁由主外壁的上游延伸件限定，从而使磁场源尽可能合理地远离热源并使用于散热的表面面积最大。连接件的实际形状根据所用磁源的形状而定，可包括单个或多个线性或曲线段。
本发明的优选特征是第二磁体与第一磁体磁性分离并被包围在第一磁体内。该第二磁体优选具有“U”形截面环形状，设置的其“U”形部可包围通道封闭端，因此可用作为隔离屏，以减弱阳极区内的磁场。
现在参照附图通过实例描述本发明的两个实施例，其中：
图1示出本发明第一实施例的轴截面，其仅示出了在轴一侧的截面的一半，在轴另一侧的另一半是镜像图；
图2示出本发明第二优选实施例等同于图1的截面形式，并示出磁力线；及
图3示出第二实施例沿轴向截成两半的透视图，并去除了其陶瓷加速通道以显示内部结构的特征。
参照图1，加速器大体绕轴X-X对称。其包括由陶瓷插件1a确定的环形加速通道1，陶瓷插件1a从封闭、上游端(如图1所示的底端)向开口、下游端延伸。在通道的上游端，有一大体环形的阳极2和集电极3，集电极3将推进剂气体典型是氙气输送到阳极2附近的通道。阴极4安装在通道外侧，接近下游端并因电源5而带有负电势。第一中空环形磁体6包围除了加速通道1的开口、下游端外的所有部分，并包括在环形通道径向外部的主外圆柱壁7。该壁7与径向向内延伸的极片7a相连。磁体6也具有第二主内圆柱壁8，第二主内圆柱壁8在通道径向内部并与径向向外延伸的端片8a相连。连接件9在加速通道1的封闭端后的磁体6的一端将两壁7和8连接在一起。
第二中空环形磁体10具有U形截面形状。其包围通道1的封闭端并且其本身被第一磁体6完全包围。磁场源11以具有与轴X-X重合的物理和磁性轴的电磁线圈的形式位于通道1的封闭端之后(即其轴向上游)并被第一磁体6包围。在可选结构中，线圈11可由具有同等磁效应的环形永磁体代替。第二磁体10由支承件14支承于第一磁体6。支承件14由非磁性材料即不影响磁场的材料制成，或用另一种方式表示是相对导磁率接近于1的材料。这样就能保证支承件不会改变通道1内磁场的分布。
极片7a和8a产生最佳磁场，最佳磁场径向穿过靠近加速通道1的开口端的区域，而第二磁体10用于减小或消除阳极2的区域内的任何磁场。第一壁7内设置的槽12促进从通道分散热量。
在图2和3中，为便于描述，用相同的标号表示与图1相似的特征，但是为简化起见，省去了图1中的一些细节。图2和3示出本发明的第二优选实施例，包括图2中的磁力线13。这些磁力线13示出穿过加速通道1产生的磁场的径向特性。图2中省去了穿过磁体6和10内侧的磁力线13，这些磁力线彼此太近，难以清楚地示出。应注意图2和3的实施例中，线圈比图1中的对应件更为远离加速通道。这将进一步减小线圈的发热。
第一磁体6的外壁7具有在通道1的封闭端后面延伸的件7b。其通过包含区段9a、9b和9c的连接件9与内壁8连接。区段9a在与区段9b相连之前相对环形通道1的轴径向向内延伸，区段9b向着通道的封闭端轴向向下游延伸，从而为磁力线圈11确定一腔。外壁和内壁7和8的连接最后由连接件的区段9c完成，区段9c从9b向内壁8的位于通道1的封闭端后的一端延伸。由于区段9b大体比9a长并且由于区段9c增大了线圈的直径，因此线圈的表面面积较大，有助于热量的散发。
Claims (40)
1．一种霍尔效应等离子加速器，包括具有封闭和开口端的大体环形加速通道以及位于通道封闭端后的磁场源，并具有沿与通道的轴(X-X)相同方向延伸的轴。
2．根据权利要求1所述的加速器，包括第一磁体，限定分别相对环形通道径向向内和向外设置的极性相反的磁极，以便产生径向穿过通道的磁场，第一磁体构形为确定一容纳磁场源的腔。
3．根据权利要求2所述的加速器，仅包括一个磁场源。
4．根据权利要求2所述的加速器，其中第一磁体包括两个圆柱壁，与通道同轴，并设置在通道侧边，一个在通道径向内侧，一个在通道径向外侧；及连接件，在通道封闭端后连接两个圆柱壁，腔体的一侧由一个壁的延伸件确定。
5．根据权利要求4所述的加速器，仅包括一个磁场源。
6．根据权利要求4所述的加速器，包括具有至少两个圆柱壁的第二磁体，所述圆柱壁与通道同轴并设置在通道两侧，在第一磁体的圆柱壁之间，其中第二磁体与第一磁体磁性分离。
7．根据权利要求6所述的加速器，仅包括一个磁场源。
8．根据权利要求4所述的加速器，其中延伸件是径向外壁的延伸件。
9．根据权利要求8所述的加速器，仅包括一个磁场源。
10．根据权利要求8所述的加速器，包括具有至少两个圆柱壁的第二磁体，所述圆柱壁与通道同轴并设置在通道两侧，在第一磁体的圆柱壁之间，其中第二磁体与第一磁体磁性分离。
11．根据权利要求10所述的加速器，仅包括一个磁场源。
12．根据权利要求8所述的加速器，其中第一磁体的连接件从位于通道封闭端后的外圆柱壁的端部径向向内延伸，接着向通道轴向延伸以确定腔体，然后径向向内与位于通道封闭端后的内圆柱壁的端部相连。
13．根据权利要求12所述的加速器，仅包括一个磁场源。
14．根据权利要求12所述的加速器，包括具有至少两个圆柱壁的第二磁体，所述圆柱壁与通道同轴并设置在通道两侧，在第一磁体的圆柱壁之间，其中第二磁体与第一磁体磁性分离。
15．根据权利要求14所述的加速器，仅包括一个磁场源。
16．根据权利要求12所述的加速器，其中连接件封闭通道封闭端后的外和内圆柱壁之间的空间。
17．根据权利要求16所述的加速器，仅包括一个磁场源。
18．根据权利要求16所述的加速器，包括具有至少两个圆柱壁的第二磁体，所述圆柱壁与通道同轴并设置在通道两侧，在第一磁体的圆柱壁之间，其中第二磁体与第一磁体磁性分离。
19．根据权利要求18所述的加速器，仅包括一个磁场源。
20．根据权利要求1所述的加速器，仅包括一个磁场源。
21．一种霍尔效应等离子加速器，包括具有封闭和开口端的大体环形加速通道以及位于通道封闭端后的磁场源，并绕通道的轴(X-X)延伸。
22．根据权利要求21所述的加速器，包括第一磁体，限定分别相对环形通道径向向内和向外设置的极性相反的磁极，以便产生径向穿过通道的磁场，第一磁体构形为确定一容纳磁场源的腔。
23．根据权利要求22所述的加速器，仅包括一个磁场源。
24．根据权利要求22所述的加速器，其中第一磁体包括两个圆柱壁，与通道同轴，并设置在通道侧边，一个在通道径向内侧，一个在通道径向外侧；及连接件，在通道封闭端后连接两个圆柱壁，腔体的一侧由一个壁的延伸件确定。
25．根据权利要求24所述的加速器，仅包括一个磁场源。
26．根据权利要求24所述的加速器，包括具有至少两个圆柱壁的第二磁体，所述圆柱壁与通道同轴并设置在通道两侧，在第一磁体的圆柱壁之间，其中第二磁体与第一磁体磁性分离。
27．根据权利要求26所述的加速器，仅包括一个磁场源。
28．根据权利要求24所述的加速器，其中延伸件是径向外壁的延伸件。
29．根据权利要求28所述的加速器，仅包括一个磁场源。
30．根据权利要求28所述的加速器，包括具有至少两个圆柱壁的第二磁体，所述圆柱壁与通道同轴并设置在通道两侧，在第一磁体的圆柱壁之间，其中第二磁体与第一磁体磁性分离。
31．根据权利要求30所述的加速器，仅包括一个磁场源。
32．根据权利要求28所述的加速器，其中第一磁体的连接件从位于通道封闭端后的外圆柱壁的端部径向向内延伸，接着向通道轴向延伸以确定腔体，然后径向向内与位于通道封闭端后的内圆柱壁的端部相连。
33．根据权利要求32所述的加速器，仅包括一个磁场源。
34．根据权利要求32所述的加速器，包括具有至少两个圆柱壁的第二磁体，所述圆柱壁与通道同轴并设置在通道两侧，在第一磁体的圆柱壁之间，其中第二磁体与第一磁体磁性分离。
35．根据权利要求34所述的加速器，仅包括一个磁场源。
36．根据权利要求32所述的加速器，其中连接件封闭通道封闭端后的外和内圆柱壁之间的空间。
37．根据权利要求36所述的加速器，仅包括一个磁场源。
38．根据权利要求36所述的加速器，包括具有至少两个圆柱壁的第二磁体，所述圆柱壁与通道同轴并设置在通道两侧，在第一磁体的圆柱壁之间，其中第二磁体与第一磁体磁性分离。
39．根据权利要求38所述的加速器，仅包括一个磁场源。
40．根据权利要求21所述的加速器，仅包括一个磁场源。
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| PB01 | Publication | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |