CN1219279A - 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,包括环形加速通道。径向磁场穿过极性相反的磁极之间的通道施加。与由绕通道的封闭端延伸的磁性材料连接磁极从而形成单个磁铁不同,本发明提出将磁极限定在磁性分离的材料体上。这就使设计者在选择推进器特别是磁性系统的尺寸时有更大的自由度,因此可提高推进器效率并根据可利用的空间制造具有不同形状的变化较大的推进器。
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推进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0 463 408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。
人们已经对霍尔效应加速器的加速通道内的磁场的最佳分布进行了大量的理论研究。例如，参考了由A N Bishaev和V Kim合写的题为“带有扩展加速区的全流加速器中的局部等离子体特性”的论文，该文于1978年9月由Soviet Physics Technical Physics 23(9)出版。另一相关的论文是由V NGavryushin和V Kim合写的，题为“磁场特性对闭合电子漂移加速器的输出离子流参数的影响”，于1981年4月在Soviet Physics Technical Physics 26(4)中刊出。又一相关的论文是由A I Morozov、Yew V Esipchuk、A NKapulkin、V A Nevroskii和V A Smirnov合写的，在Zhurnal TekhnicheskoiFiziki第42卷第3期中刊出。在这些理论研究中得出的一个结论是在靠近加速通道开口端的加速区应尽量减小磁场并尽量增大磁场梯度。为实现这一效应，已经采用把磁隔离屏装入阳极区内的环形通道内侧和外侧的方法制造了霍尔效应等离子加速器。这些磁隔离屏通常由从前面提到的背板延伸的圆柱壁形成。欧洲专利说明书0 541 309中描述了这种磁隔离屏的使用。
实现磁场在通道内最优分布的要求和使加速器的重量最小的需要严格地限制了加速器的相对尺寸，特别是其直径与其沿轴向长度的比例。
本发明提供了一种霍尔效应加速器，其内确定通道相对侧的磁极的磁体基本是分离的。
根据本发明，已发现通过采用分离的磁体，可以较大范围地改变相对尺寸特别是轴向的长度相对加速通道直径的尺寸而实现令人满意甚至是改进的性能。
内磁体优选为卷筒形，其具有：中央磁心，沿轴向延伸；端片，位于中央磁心的下游端，并向通道径向向外延伸以形成第一磁极；及第二端片，位于中央磁心的上游端，沿径向向外并轴向向下游延伸，从而形成轴向位于内磁体端部之间的第二磁极。由于其沿轴向向第一端片延伸，前述的第二端片可以用作为磁隔离屏并用于在阳极区内产生只有微弱磁场或没有磁场的区域，这一点是实现最佳效率所需的。
外磁体优选具有磁性材料的大体圆柱形的壁；第一端片，径向向内延伸以形成相对内磁体的第一磁极的磁极；及第二端片，位于其上游端，径向向内延伸然后返回轴向向下游方向延伸，形成另一磁极。这一部分沿轴向延伸的端片也用作磁隔离屏，以减弱阳极区内的磁场。
虽然前述的磁体有可能被永久磁化，但优选包括分离的磁场源(以后称为“磁源”)。这些磁源可以是线圈，即电磁体。或者，永磁体可以绕内磁体的中央磁心延伸，部分封闭于中央磁心和第二端片的轴向延伸“隔离屏”部之间。外磁体优选具有与其相连的第二磁源，第二磁源与加速器的轴同轴，部分封闭于圆柱壁和相连的“隔离屏”之间。
现在将参照附图描述实施本发明的一种方法，其中：
图1示意性地示出导向卫星的已知技术；
图2为类似图1的示意图，但示出采用本发明技术导向的卫星；
图3为根据本发明构造的静态霍尔效应等离子推进器的透视图，并沿其直径剖示以示出内部结构的特征；
图4为通过图3中轴X-X的横截面，仅示出磁元件和磁力线；及
图5为图4所示元件的平面图，但示出了设计变形，其中磁极分为四个分立部件。
首先参照图1，其示意性地示出了已知的装置，其中包括电源2的卫星1由等离子推进器3推进。推进器3包括与电源串联连接的内磁力线圈4和四个外磁力线圈5、6、7和8，从而各线圈可接收相等的直流电流。推进器3可在方向控制电路10的控制下由旋转机构9进行机械调整。旋转机构包括平台11，在12处与卫星铰接并在13处与致动器15的从动轴14铰接。
根据本发明构造的装置示意性地示于图2，其包括具有推进器3A的卫星1A，推进器3A与卫星1A刚性连接，即未在其中介入旋转机构。推进器3A具有内线圈16、外线圈17和四个辅助导向线圈18、18′、19、19′。卫星电源2A与控制电路10A连接，控制电路10A接收确定所需推进方向的方向信号SIG(例如从地球站经无线电通信发出的信号)。电路10A有12个成对设置的输出线a1,a2；b1,b2；c1,c2；d1,d2；e1,e2；和f1,f2，并可在每一对输出线上施加选定的极性电压。穿过a1和a2施加的电压a和穿过b1和b2施加的电压b都是直流电。穿过c1和c2施加的电压c基本与穿过d1和d2施加的电压d的值相同，尽管在这两个值之间可能会有较小的偏置，以校正推进方向轴和推进器物理轴之间可能存在的任何不重合，或特意产生这样的不重合。电压c和d可以是相同或相反的符号，这取决于对相应线圈18、18′的连接，并且电压c和d由电路10A选定，以保证电流以相反方向流过线圈18、18′，从而控制一个平面上的推进方向。电压e和f以与电压c和d相同(但独立于电压c和d)的方式变化，从而控制流过线圈19、19′的电流及正交面上的推进方向。利用这一方式，推进方向可通过各平面上最多达10°的总角度调整，如虚线所示。
现在参照图3和4，推进器绕轴X-X对称。推进器包括在陶瓷插件23的内外壁21、22之间限定的环状加速通道20。通道20从封闭、上游端(图3所示的底部)向开口、下游端延伸，其中外壁22在下游方向略微比内壁21多延伸一些。内外壁21和22均在其各自的下游端厚度有所增加，外壁22在22A处倒角，从而为通道提供略微扩张的开口端。
在通道的上游端有一中空矩形截面管形状的环状阳极24，其具有连续绕其延伸的槽。导管25将推进剂(在该特定实例中是氙气，但也可以是氪或氩气)输送进该中空阳极，推进剂通过环槽从中空阳极输送进通道20。可在阳极内设置挡板(未示出)，以改善推进剂气体绕通道的分布。电连接器26向阳极提供正电势。
阴极27安装在后面将描述的磁北极上，靠近通道20的下游端。阴极通过连接器28供给氙气并经电连接器29具有负电势源。电磁系统包括两个磁性分离体或磁轭，即内磁轭30A和外磁轭30B，均由导磁材料制成。
内磁轭30A成卷筒形状并具有中央圆柱磁心件31，磁心件31有一中心孔，以减小重量。内线圈16缠绕该圆柱件，使电流沿从下游端看去的顺时针方向流过。在圆柱件31的下游端是凸缘32形式的径向向外延伸的端片，该端片在其自由边缘33限定内磁轭的第一环(磁南)极。另一以径向向外延伸的凸缘34形式的端片位于圆柱件31的上游端，支承圆柱壁35，圆柱壁35部分围绕内线圈16并在其自由边缘36限定第二(磁北)极，如图4所示。
外磁轭30B由圆柱壁37形成，圆柱壁37与轴X-X同轴并具有加厚的环缘38。该边缘被四个槽或间隙39分开(图3)，以把边缘38分成四个相等区段38A、38B、38C和38D。每个区段都有绕其设置的辅助导向线圈。这些导向线圈与图2所示18、18′、19、19′相同，并且它们设置为电流绕一个线圈顺时针流过而绕相对线圈逆时针流过。以凸缘40形式的第一径向向内延伸的端片固定于边缘38的四个区段。该凸缘40呈环形，并连接边缘区段38之间的间隙。图3中部分剖开地进行了示意，以显示底层部件。凸缘40的环形径向向内边缘形成了磁体30B的第一(磁北)极，并如图4所示位于磁体30A的磁南极33的下游。圆柱壁37的上游端延伸至另一向内延伸的环形凸缘41，凸缘41又延伸至与轴X-X同轴的圆柱壁42。壁37、41和42限定包括主外线圈17(也示于图2)的腔，线圈17围绕壁42并连接为电流沿图4所示方向流过，从而在壁42的下游边43产生磁南极并在凸缘40的内边缘44产生磁北极。
图4示出了当电流流过内线圈16和外线圈17但未流过导向线圈18、18′、19和19′时的磁场线。从图4可看出，磁极33和44之间的偏置导致磁场在环状加速区45中倾斜，运行中，离子在环状加速区45中加速。磁场的倾斜使得离子沿箭头V所示方向向轴X-X加速。此作用是为了限制产生的离子羽流从推进器离散。值得注意的一点是圆柱壁35和42可以屏蔽阳极所处的区域45′，使其不受磁场影响。
所示推进器的运行如下所述。电子从阴极27发射并被分成两个电子流。一个电子流被阳极24吸引进入环状通道20。通道内的磁场的径向分量使电子沿圆周方向行进，逐渐沿轴向向阳极漂移。在仅有微弱磁场的阳极的区域45′，在通道中向下螺旋运动期间获得能量的电子使沿导管25供给的推进剂气体电离。
产生的带正电离子沿下游方向被由阳极和阴极之间约300伏的电势差产生的电场加速。由于具有比电子质量相对高的质量，推进剂离子不会受到磁场很大影响。但有一些影响，并且在磁极33和44之间的加速区45中的磁场倾斜特性使从推进器下游端发射的离子流趋于沿字母V所示的方向聚集。当电流通过线圈18、18′时，因其磁场强度增加了，磁场对从推进器一侧发射的离子的影响增大，而对推进器相对侧的影响降低。因此实现了沿矢量方向的偏转，如图4中V′和V″所示。通过一方面控制流过线圈18、18′的电流，另一方面控制流过线圈19、19′的电流，可以把推进器的方向改变成任何方向。
前面曾提到从阴极27发射的电子被分成两个电子流，且一个电子流进入加速通道。另一电子流用于在离子从推进器出射时中和这些离子，从而避免在推进器上留下负电荷。由引导推进方向产生的外陶瓷壁22的下游边缘的腐蚀因倒角22a的存在而减小，同时内壁21的对应边的腐蚀被相对于外壁22的对应倒角边的向上游方向的位移而减小。
本发明所示实施例的一个重要特征是磁体30a和30b是磁性分离的，每个磁体均构成本身具有北极和南极的单个的电磁体。因此，可以在电磁系统不同于图3和4所示尺寸的各种总体尺寸的较大范围内获得所需的加速通道磁性特征。例如，现在可以制造既定功率的霍尔效应推进器，其在轴向上更短而直径更大(反之亦然)。因此可以设计出推进器，能够在卫星或运载工具上更好地利用有效空间。
在图5所示的设计变形中，确定内磁南极的磁体30A被径向槽分成四段S1、S2、S3和S4；确定外磁北极的环形凸缘40类似地被分成四段N1、N2、N3和N4。如此形成的各北极之间的槽或间隙显著小于容纳导向线圈18、18′、19、19′的大得多的槽或间隙39。因此各北极迭盖线圈的端部，在此处线圈穿过间隙。图5所示的这种设计变形提供了改进的导向能力。
应明白仅通过实例描述了附图所示的本发明的特定实施例，并且本发明并不限于该实施例的特定特征。例如，本发明也可应用于所谓的阳极层推进器。当采用与所示相似的结构时，可以有各种的设计变形。例如，通过把凸缘40分成对应于区段38a、38b、38c和38d的四个单独区段以形成四个单独的主磁北极，而改进导向效果。另一变形是将线圈17置于圆柱磁壁37的外侧而不是内侧。又一可能的变形是不用线圈17而代之以更大的线圈18、18′、19、19′。此外，线圈16和17的一个或全部均可由永磁体代替。或者磁体30A和30B可形成为永磁体。再一可能的变形是仅用三个导向线圈，或用大于四个的任意多个线圈。
权利要求书
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的加速通道，及在通道相对侧的磁性材料体，磁性材料体的每一磁性体确定一对磁极并基本与磁性材料体的任何其它磁性体机械地及磁性地分离，以在通道中产生磁场。
2．根据权利要求1所述的加速器，其中磁性材料体包括外磁体，外磁体具有与加速轴同轴的圆柱壁部；第一端片，位于圆柱壁部的下游端，并确定第一磁极；及第二端片，从圆柱壁部径向向内延伸然后轴向向下游方向延伸，从而确定在通道的上游和下游端之间分隔开的第二磁极。
3．根据权利要求2所述的加速器，其中外磁体还包括绕第二端片的圆柱件并位于圆柱件和圆柱壁部之间的第一磁源，该圆柱件轴向向下游延伸。
4．根据权利要求3所述的加速器，其中第一磁源是线圈。
5．根据权利要求3所述的加速器，其中第一磁源是永磁体。
6．根据权利要求1所述的加速器，其中磁性材料体包括大体卷筒形的内磁体，内磁体具有轴向延伸的中心件；第一端片，位于中心件的下游端，并向通道径向向外延伸以形成第一磁极；第二端片，从中心件的上游端径向向外延伸；及圆柱壁，从第二端片沿下游方向延伸并终止于第二磁极。
7．根据权利要求6所述的加速器，其中内磁体包括绕内磁体的中心件的第二磁源。
8．根据权利要求7所述的加速器，其中第二磁源是线圈。
9．根据权利要求7所述的加速器，其中第二磁源是永磁体。
10．根据权利要求6,7,8或9所述的加速器，其中磁性材料体还包括外磁体，外磁体具有与加速轴同轴的圆柱壁部；第一端片，位于圆柱壁部的下游端，并确定相对内磁体的对应第一磁极的第一磁极；及第二端片，从圆柱壁部径向向内延伸然后轴向向下游方向延伸，从而确定在通道的上游和下游端之间分隔开的第二磁极。
11．根据权利要求10所述的加速器，其中外磁体包括绕第二端片的圆柱件并位于圆柱件和圆柱壁部之间的第一磁源，该圆柱件轴向向下游延伸。
12．根据权利要求11所述的加速器，其中第一磁源是线圈。
13．根据权利要求11所述的加速器，其中第一磁源是永磁体。
Claims (28)
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的加速通道，及在通道相对侧确定磁极的磁性材料体，从而可在运行中使磁场径向穿过通道；其特征在于磁体基本是磁性分离的。
2．根据权利要求1所述的加速器，包括外磁体，外磁体具有与加速轴同轴的圆柱壁部；第一端片，位于圆柱壁部的下游端，并确定相对内磁体的对应第一磁极的第一磁极；及第二端片，从圆柱壁部径向向内延伸然后轴向向下游方向延伸，从而确定在通道的上游和下游端之间分隔开的第二磁极。
3．根据权利要求2所述的加速器，包括绕第二端片的圆柱件并位于圆柱件和圆柱壁部之间的磁源，该圆柱件轴向向下游延伸。
4．根据权利要求3所述的加速器，其中磁源是线圈。
5．根据权利要求3所述的加速器，其中磁源是永磁体。
6．根据权利要求1所述的加速器，包括大体卷筒形的内磁体，内磁体具有：沿轴向延伸的中心件；第一端片，位于中心件的下游端，并向通道径向向外延伸以形成第一磁极；第二端片，从中心件的上游端径向向外延伸；及圆柱壁，从第二端片沿下游方向延伸并终止于第二磁极。
7．根据权利要求2所述的加速器，包括外磁体，外磁体具有与加速轴同轴的圆柱壁部；第一端片，位于圆柱壁部的下游端，并确定相对内磁体的对应第一磁极的第一磁极；及第二端片，从圆柱壁部径向向内延伸然后轴向向下游方向延伸，从而确定在通道的上游和下游端之间分隔开的第二磁极。
8．根据权利要求7所述的加速器，包括绕第二端片的圆柱件并位于圆柱件和圆柱壁部之间的磁源，该圆柱件轴向向下游延伸。
9．根据权利要求8所述的加速器，其中磁源是线圈。
10．根据权利要求8所述的加速器，其中磁源是永磁体。
11．根据权利要求6所述的加速器，包括绕内磁体中心件的磁源。
12．根据权利要求11所述的加速器，包括外磁体，外磁体具有与加速轴同轴的圆柱壁部；第一端片，位于圆柱壁部的下游端，并确定相对内磁体的对应第一磁极的第一磁极；及第二端片，从圆柱壁部径向向内延伸然后轴向向下游方向延伸，从而确定在通道的上游和下游端之间分隔开的第二磁极。
13．根据权利要求12所述的加速器，包括绕第二端片的圆柱件并位于圆柱件和圆柱壁部之间的磁源，该圆柱件轴向向下游延伸。
14．根据权利要求13所述的加速器，其中磁源是线圈。
15．根据权利要求13所述的加速器，其中磁源是永磁体。
16．根据权利要求11所述的加速器，其中磁源是线圈。
17．根据权利要求16所述的加速器，包括外磁体，外磁体具有与加速轴同轴的圆柱壁部；第一端片，位于圆柱壁部的下游端，并确定相对内磁体的对应第一磁极的第一磁极；及第二端片，从圆柱壁部径向向内延伸然后轴向向下游方向延伸，从而确定在通道的上游和下游端之间分隔开的第二磁极。
18．根据权利要求17所述的加速器，包括绕第二端片的圆柱件并位于圆柱件和圆柱壁部之间的磁源，该圆柱件轴向向下游延伸。
19．根据权利要求18所述的加速器，其中磁源是线圈。
20．根据权利要求18所述的加速器，其中磁源是永磁体。
21．根据权利要求11所述的加速器，其中磁源是永磁体。
22．根据权利要求21所述的加速器，包括外磁体，外磁体具有与加速轴同轴的圆柱壁部；第一端片，位于圆柱壁部的下游端，并确定相对内磁体的对应第一磁极的第一磁极；及第二端片，从圆柱壁部径向向内延伸然后轴向向下游方向延伸，从而确定在通道的上游和下游端之间分隔开的第二磁极。
23．根据权利要求22所述的加速器，包括绕第二端片的圆柱件并位于圆柱件和圆柱壁部之间的磁源，该圆柱件轴向向下游延伸。
24．根据权利要求23所述的加速器，其中磁源是线圈。
25．根据权利要求23所述的加速器，其中磁源是永磁体。
26．根据权利要求21所述的加速器，包括绕第二端片的圆柱件并位于圆柱件和圆柱壁部之间的磁源，该圆柱件轴向向下游延伸。
27．根据权利要求26所述的加速器，其中磁源是线圈。
28．根据权利要求26所述的加速器，其中磁源是永磁体。
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