RO133741A2 - Installation and process for producing energetic beams of metal ions to be applied in electric propulsion in space - Google Patents

Installation and process for producing energetic beams of metal ions to be applied in electric propulsion in space Download PDF

Info

Publication number
RO133741A2
RO133741A2 RO201800304A RO201800304A RO133741A2 RO 133741 A2 RO133741 A2 RO 133741A2 RO 201800304 A RO201800304 A RO 201800304A RO 201800304 A RO201800304 A RO 201800304A RO 133741 A2 RO133741 A2 RO 133741A2
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
arc
thermo
ionic
discharge
propulsion
Prior art date
Application number
RO201800304A
Other languages
Romanian (ro)
Inventor
Vasile Tiron
Ioana-Laura Velicu
Gheorghe Popa
Original Assignee
Univ Alexandru Ioan Cuza Din Iasi
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Alexandru Ioan Cuza Din Iasi filed Critical Univ Alexandru Ioan Cuza Din Iasi
Priority to RO201800304A priority Critical patent/RO133741A2/en
Publication of RO133741A2 publication Critical patent/RO133741A2/en

Links

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

The invention relates to an installation and a process for producing energetic beams of metal ions of controllable flow, to be applied in electric propulsion in space. According to the invention, the installation consists of a cylindrical enclosure (1) made of stainless steel, depressurized to a pressure lower than 10Pa by a system consisting of a turbomolecular pump (2) and a dry mechanical pump (3), wherein there is introduced a system (9) which maintains a constant distance of about 1 cm between a metallic anode (5) situated on the axle of the cylindrical enclosure (1) and heated by bombardment with electrons produced by a stainless steel Wehnelt tube (8) and a tungsten filament (7) with the role of cathode placed at an angle of about 60° related to the axle and heated by a current source, the electrons being accelerated in an electric field generated between the cathode (7) and the anode (5) with a voltage of about 2000 V applied from a power source (10). The claimed process consists in that the metallic vapours, produced by the vaporization of an anode heated by electron bombardment, are ionized and accelerated by a double layer of plasma confining a volume of plasma generated around the anode.

Description

OFICIUL DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCI Cerere de brevet de invențieSTATE OFFICE FOR INVENTIONS Trademark Application for a patent

Nr. ......Nr. ......

Data depozit ....P.,Filing date .... P.,

INSTALAȚIE ȘI PROCEDEU DE OBȚINERE DE FASCICULE ENERGETICE DEINSTALLATION AND PROCESS FOR OBTAINING ENERGY BODIES

IONI METALICI CU APLICAȚIE ÎN PROPULSIA ELECTRICĂ ÎN SPAȚIUMETAL IONS WITH APPLICATION IN ELECTRIC PROPULSION IN SPACE

Prezenta invenție se referă la o instalație și un procedeu pentru obținerea de fascicule energetice de ioni metalici cu fluxuri controlabile, cu aplicație în propulsia electrică în spațiu. Propulsia electrică cuprinde toate tehnologiile de propulsie în care electricitatea este utilizată pentru a crește viteza de evacuare a combustibilului, cu scopul amplificării forței de propulsie. In comparație cu alte metode convenționale de propulsie (de exemplu, propulsia chimică), viteza mare de evacuare a combustibilului în cazul propulsiei electrice duce la o reducere semnificativă a cantității de combustibil necesar unei misiuni sau aplicații spațiale și implicit la reducerea costurilor sau a duratei de timp necesare pentru realizarea misiunii. Principalii parametri funcționali ce definesc performanța unui propulsor electric sunt: forța de propulsie (7), impulsul specific (Isp) și eficiența totală (ηΤ). Dintre toate tipurile de propulsoare electrice, cele mai performante și des utilizate în aplicațiile spațiale sunt cele de tip Ion Thruster și Hali Thruster. Ambele tipuri de propulsoare folosesc drept combustibil xenonul (Xe), gaz care este mai întâi ionizat și apoi expulzat cu viteze foarte mari, folosind diferite tehnici. Diferența majoră dintre modul de funcționare a celor două propulsoare constă în faptul că Ion Thruster folosește grile electrostatice pentru a crește viteza de expulzare a gazului ionizat, în timp ce în cazul Hali Thruster se folosește un câmp magnetic care duce la creșterea gradului de ionizare a gazului și la apariția unui câmp electric puternic ce accelerează ionii în afara propulsorului. în ambele cazuri, fascicul de ioni expulzat este neutralizat folosind plasma unei descărcări cu catod cavitar pentru a împiedica întoarcerea ionilor către vehiculul sau satelitul spațial. Puterea electrică consumată de aceste propulsoare este de ordinul sutelor sau miilor de W, obținându-se astfel impulsuri specifice de ordinul miilor de secunde, forțe de propulsie de ordinul zecilor sau sutelor de mN și eficiente totale de peste 50%. Din cauza forțelor de propulsie mici, aceste propulsoare nu pot fi folosite în misiuni de lansare a vehiculelor spațiale de pe Pământ, dar sunt folosite pentru menținerea sau modificarea orbitelor sateliților artificiali folosiți în telecomunicații și în misiuni spațiale de lungă durată efectuate în afara zonei de influență a câmpurilor gravitaționale intense, în cazul de față cel terestru.The present invention relates to an installation and a process for obtaining energy beams of metal ions with controllable flows, with application in electric propulsion in space. Electric propulsion encompasses all propulsion technologies in which electricity is used to increase the fuel discharge rate, in order to increase the propulsion force. Compared to other conventional propulsion methods (for example, chemical propulsion), the high rate of fuel escape in the case of electric propulsion results in a significant reduction in the amount of fuel required for a space mission or application, and consequently a reduction in costs or duration. time needed to complete the mission. The main functional parameters that define the performance of an electric propeller are: propulsion force (7), specific impulse (I sp ) and total efficiency (ηΤ). Of all the types of electric propellers, the most efficient and often used in space applications are those of type Ion Thruster and Hali Thruster. Both types of propellants use xenon (Xe) as a fuel, which is first ionized and then expelled at very high speeds, using different techniques. The major difference between the operation of the two thrusters is that Ion Thruster uses electrostatic grids to increase the ionization rate of gas expulsion, while in the case of Hali Thruster a magnetic field is used which increases the ionization rate of the gas. and the appearance of a strong electric field that accelerates ions outside the propeller. In both cases, the expelled ion beam is neutralized using the plasma of a cavity cathode discharge to prevent the return of the ions to the spacecraft or satellite. The electric power consumed by these thrusters is of the order of hundreds or thousands of W, thus obtaining specific impulses of the order of thousands of seconds, propulsion forces of the order of tens or hundreds of mN and total efficiencies of over 50%. Due to their small propulsion forces, these propellers cannot be used in space launch missions on Earth, but are used to maintain or modify the orbits of artificial satellites used in telecommunications and long-range space missions conducted outside the area of influence. of intense gravitational fields, in this case the terrestrial one.

Principalele probleme cu care se confruntă ambele tipuri de propulsoare sunt:The main problems faced by both types of thrusters are:

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/201802/05/2018

Costurile mari ale combustibilului, costuri ce țin atât de prețul de producție (în funcție de puritate, un litru de Xe costă între 5 și 30 $), cât și de îmbuteliere, transport, depozitare, sisteme de distribuție și de control al fluxului de gaz;High fuel costs, costs related to both the production price (depending on the purity, one liter of Xe costs between $ 5 and $ 30), as well as bottling, transportation, storage, distribution and gas flow control systems ;

- Erodarea grilelor de accelerare (în cazul Ion Thuster) și a pereților propulsoarelor (Hali Thruster) din cauza bombardamentului ionic;- The erosion of the acceleration grids (in the case of Ion Thuster) and of the walls of the thrusters (Hali Thruster) due to ion bombardment;

- Dificultatea de a controla independent forța de propulsie și impulsul specific. De exemplu, pentru menținerea pe orbită a unui satelit este nevoie de impuls specific mare și forță de propulsie mică. în cazul propulsoarelor clasice, valorea impulsului specific crește odată cu creșterea forței de propulsie, fapt ce duce la creșterea consumului de combustibil și de energie.- Difficulty in controlling the propulsion force and the specific impulse independently. For example, high satellite momentum and low propulsion force are required to keep a satellite in orbit. In the case of classic propellers, the value of the specific impulse increases with the increase of the propulsion force, which leads to the increase of the fuel and energy consumption.

Pentru a depăși aceste limitări, este necesară găsirea unei soluții alternative la propulsia electrică ce folosește motoarele ionice clasice {Ion Thruster și Hali Thruster). Astfel, este necesară dezvoltarea unui nou tip de propulsor ionic, cu performanțe (impuls specific, forță de propulsie și eficiență totală) comparabile sau chiar mai bune decât cele obținute până în prezent de către motoarele ionice clasice, dar care oferă posibilitatea controlului independent al impulsului specific și al forței de propulsie, necesitând costuri mai mici pentru fabricare și funcționare (combustibil, energie și mentenanță). Soluția propusă în prezenta invenție se referă la o instalație și un procedeu de obținere a fasciculelor energetice de ioni metalici, ce permite controlul independent al energiei și densității de ioni. Procedeul de obținere a fasciculelor energetice de ioni cu fluxuri controlabile, cu aplicație în propulsia electrică în spațiu, conform invenției, constă în utilizarea tehnicii arculului termo-ionic, în regim pulsat, pentru ablația și ionizarea unui material metalic și evacuarea acestuia cu viteze foarte mari. Prezenta invenție aduce o serie de elemente de noutate, dintre care cel mai însemnat constă în operarea, pentru prima dată, a arcului termo-ionic în regim pulsat. Până în prezent, arcul termo-ionic a fost operat doar în regim de curent continuu (DC), fiind, în principal, folosit pentru depunerea de straturi subțiri metalice. Caracteristică arcului termo-ionic este generarea unui strat dublu puternic (V.In order to overcome these limitations, it is necessary to find an alternative solution to electric propulsion using the classical ion engines (Ion Thruster and Hali Thruster). Thus, it is necessary to develop a new type of ionic propeller, with performances (specific impulse, propulsion force and total efficiency) comparable or even better than those obtained so far by classical ion engines, but which offers the possibility of independent impulse control. specific and the propulsion force, requiring lower costs for manufacture and operation (fuel, energy and maintenance). The solution proposed in the present invention relates to an installation and a process for obtaining energy beams of metal ions, which allows independent control of energy and ion density. The process of obtaining the ion beams with controllable flows, with application in the electric propulsion in space, according to the invention, consists in using the thermionic arc technique, in pulsed regime, for the ablation and ionization of a metallic material and its evacuation at very high speeds. . The present invention brings a series of novelty elements, the most important of which is the operation, for the first time, of the thermionic arc in pulsed regime. To date, the thermo-ionic arc has been operated only under DC (DC) regime, being mainly used for depositing thin metal layers. A characteristic of the thermo-ionic arc is the generation of a strong double layer (V.

Tiron, L. Mihaescu, C.P. Lungu, G, Popa, Rom. Journ. Phys., 56 (2011) 41-46), ce permite accelerarea ionilor din plasmă la viteze foarte mari, de ordinul sutelor sau chiar miilor de eV. Totuși, gradul redus de ionizare a plasmei (câteva procente) duce la peri^^^f£^^^opulsie relativ scăzute. Operarea arcului termo-ionic în regim pulsat permite cr efcf sejfinific^y§ atâtTiron, L. Mihaescu, C.P. Lungu, G, Popa, Rom. Journ. Phys., 56 (2011) 41-46), which allows the acceleration of plasma ions at very high speeds, of the order of hundreds or even thousands of eV. However, the low degree of plasma ionization (a few percent) results in relatively low opulence. The operation of the thermo-ionic arc in pulsed regime allows cr efcf to be defined as well

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/2018 a gradului de ionizare a vaporilor metalici, cât și a energiei lor. îmbunătățindu-se astfel considerabil performanțele de propulsie.02/05/2018 of the ionization degree of the metal vapors, as well as of their energy. thus greatly improving propulsion performance.

Exemplul de realizare a invenției se referă la o instalație și un procedeu de obținere de fascicule energetice de ioni metalici, în vederea optimizării performanțelor motoarelor ionice folosite în propulsia spațială și reducerii costurilor de fabricare și funcționare, instalația și procedeul de obținere a fasciculelor energetice de ioni folosind arcul termo-ionic în regim de curent pulsat, precum și parametrii specifici de performanță sunt descrise în această invenție. Procedeu! folosit permite creșterea gradului de ionizare a plasmei și crearea, în plasma arcului termo-ionic, a unui strat dublu cu o cădere de potențial foarte mare care poate asigura accelerarea ionilor din plasmă la energii de ordinul keV. Pentru anumite valori ale parametrilor de funcționare ai descărcării arcului termo-ionic, se obțin fascicule cvasi-monoenergetice de ioni metalici a căror energie și densitate pot fi controlate cu ajutorul parametrilor electrici ai descărcării. Instalația și procedeul sunt adecvate pentru obținerea de fascicule energetice de ioni ai unor metale pure, cum ar fi: Be, Al, Ti, Cr, Ni, Cu, Zn, Ag, In, W, Au etc.The embodiment of the invention relates to an installation and a process for obtaining energy beams of metal ions, in order to optimize the performances of the ionic motors used in space propulsion and to reduce the manufacturing and operating costs, the installation and the process for obtaining the energy beams. using the thermionic arc in pulsed current regime, as well as the specific performance parameters are described in this invention. Process! used allows to increase the degree of ionization of the plasma and the creation, in the plasma of the thermo-ionic arc, of a double layer with a very high potential drop which can ensure the acceleration of the plasma ions at energies of the order keV. For certain values of the operating parameters of the discharge of the thermo-ionic arc, quasi-monoenergetic beams of metal ions are obtained whose energy and density can be controlled by means of the electric parameters of the discharge. The installation and process are suitable for obtaining ion beams of pure metals, such as: Be, Al, Ti, Cr, Ni, Cu, Zn, Ag, In, W, Au, etc.

Descărcarea arcului termo-ionic în impulsuri de mare putere este asigurată de un generator de pulsuri de mare putere sau o sursă de înaltă tensiune DC cu comandă externă care permite aplicarea de pulsuri pozitive de înaltă tensiune (1-3 kV) în intervale de timp scurte (câteva zeci sau sute de microsecunde). Camera în care se produce plasma arcului termo-ionic în vapori metalici constă într-o incintă de lucru din oțel inoxidabil ce este depresurizată până la o presiune limită inferioară de IO’5 Pa folosind un sistem de depresurizare alcătuit dintr-o pompă mecanică uscată și o pompă turbomoleculară.The discharge of the thermo-ionic arc in high-power pulses is ensured by a high-power pulse generator or an external control high-voltage DC source that allows the application of positive high-voltage pulses (1-3 kV) in short intervals. (several tens or hundreds of microseconds). The chamber in which the plasma of the thermo-ionic arc is produced in metallic vapors consists of a stainless steel working chamber which is depressurized to a lower pressure limit of IO ' 5 Pa using a depressurization system consisting of a dry mechanical pump and a turbomolecular pump.

Principiul metodeiThe principle of the method

Arcul termo-ionic în vid (cunoscut în literatură ca Thermionic Vacuum Arc - TVA) este o descărcare electrică produsă în vaporii metalici ai unui material din care este realizat un electrod cu rol de anod al descărcării (G. Musa, A. Baltog, A. Popescu, N. Betiu, I. Mustata, Contr. Plasma Phys. 26 (3) (1986) 171). Vaporii metalici sunt produși prin bombardament electronic în prezența unui câmp electric aplicat între catod și anod, câmp ce accelerează electronii emiși de către un filament (catod cald) spre anod. Filamentul este confecționat din sârmă de wolfram (W) și este înconjurat de un cilindru Wehnelt aflat la un potențial de referință adecvat (numit referențial), de regulă al catodului, care focalizează fasciculul de electroni pe suThermo-ionic vacuum arc (known in the literature as Thermionic Vacuum Arc - VAT) is an electric discharge produced in the metal vapors of a material from which an electrode with an anode of discharge is made (G. Musa, A. Baltog, A Popescu, N. Betiu, I. Mustata, Plasma Contr. Phys. 26 (3) (1986) 171). Metallic vapors are produced by electron bombardment in the presence of an electric field applied between the cathode and the anode, a field that accelerates the electrons emitted by a filament (hot cathode) towards the anode. The filament is made of tungsten wire (W) and is surrounded by a Wehnelt cylinder at an appropriate reference potential (referred to as a reference), usually the cathode, which focuses the electron beam on its surface.

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/201802/05/2018

Ansamblul format din filament și cilindrul Wehnelt poartă denumirea de tun de electroni și poate avea diverse mărimi și/sau forme (H. Ehrich, J. Schuhmann, G. Musa, A. Popescu, I. Mustata, Thin Solid Films 333 (1998) 95-102), (P. Lungu, C. Porosnicu, 1. Jepu, P. Chiru, A.M. Lungu, V.N. Zaroschi, V. Tiron, R. Vlădoiu, V. Ciupină, ''Aliaj nanostructurat pe bază de beriliu, Patent ROI27300-A0 2012). Tensiunea pe anodul descărcării este de ordinul sutelor sau chiar miilor de volți și poate fi aplicată în mod continuu (DC) sau pulsat. Anodul constă, de regulă, dintr-un creuzet (nacelă) confecționat din material refractar (W, C, Mo, Ta sau TiB) în care se găsește materialul folosit pentru alimentarea plasmei arcului termo-ionic. Anodul descărcării poate fi și sub formă de bară în cazul materialelor cu punct de topire foarte ridicat (C, Mo, Ta, W) sau cu conductivitate termică foarte mică (B, Ti), caz în care se poate renunța la nacelă. Sistemul de electrozi este plasat într-o incintă metalică cuplată la un sistem de pompare ce asigură o presiune limită inferioară mai mică de IO'0 Pa. Pentru a putea ajusta distanța dintre electrozii descărcării, este necesar ca ce! puțin unul dintre electrozi să fie fixat pe un sistem de deplasare. Pentru aprinderea și menținerea desărcării este necesar ca termoelectronii proveniți de la filament să fie focalizați și accelerați spre anod astfel încât să producă topirea și evaporarea materialului anodic, iar în spațiul interelectrodic să se realizeze o presiune suficient de mare de vapori ai materialului folosit pentru alimentarea plasmei arcului termo-ionic. Pentru anumite valori ale tensiunii aplicate între electrozii descărcării, precum și a presiunii vaporilor de metal, se aprinde o descărcare electrică stabilă în vaporii metalici ai materialului aflat în nacelă. Datorită presiunii foarte scăzute în incintă, dar și a ratei mari de evaporare a materialului supus bombardamentului electronic, se produce o plasmă foarte intensă deasupra anodului, plasmă a cărei formă este cvasisferică datorită gradientului foarte mare de concentrație a vaporilor metalici. Faptul că pereții incintei și catodul (filamentul) sunt conectați la potențialul de referință al circuitului electric al descărcării electrice face ca anodul și, de asemenea, plasma produsă în vaporii metalici să se afle la un potențial pozitiv mult mai ridicat față de cel al electrodului de referință. Pentru anumite condiții experimentale, cum ar fi valori mici ale intensității curentului de descărcare și ale intensității curentului de termoemisie electronică, dar valori mari ale tensiunii aplicate pe anod, formațiunea de plasmă este înconjurată de o structură de potențial bine definită ce indică prezența unui strat dublu foarte puternic (sVsd >> kTe, unde e reprezintă sarcina electrică a electronului, Vsd - căderea de potențial pe Boltzmann, iar Te - temperature electronilor ). Prin urmare, ioniiThe assembly consisting of the filament and the Wehnelt cylinder is referred to as the electron cannon and can have various sizes and / or shapes (H. Ehrich, J. Schuhmann, G. Musa, A. Popescu, I. Mustata, Thin Solid Films 333 (1998) 95-102), (P. Lungu, C. Porosnicu, 1. Jepu, P. Chiru, A. M. Lungu, V. N. Zaroschi, V. Tiron, R. Vlădoiu, V. Ciupina, '' Beryllium nanostructured alloy, Patent ROI27300-A0 2012). The voltage on the discharge anode is in the order of hundreds or even thousands of volts and can be applied continuously (DC) or pulsed. The anode usually consists of a crucible (cradle) made of refractory material (W, C, Mo, Ta or TiB) in which is found the material used to feed the plasma of the thermo-ionic arc. The discharge anode can also be in the form of a bar in the case of materials with very high melting point (C, Mo, Ta, W) or with very low thermal conductivity (B, Ti), in which case the platform can be dropped. The electrode system is placed in a metal enclosure coupled to a pumping system that ensures a lower limit pressure of less than 0 Pa. In order to be able to adjust the distance between the discharge electrodes, it is necessary that what! at least one of the electrodes is fixed to a displacement system. In order to ignite and maintain the discharge, it is necessary that the thermoelectrons originating from the filament be focused and accelerated towards the anode so as to produce the melting and evaporation of the anodic material, and in the interelectrode space a sufficiently high vapor pressure of the material used to supply the plasma is realized. of the thermo-ionic arc. For certain values of the voltage applied between the discharge electrodes, as well as the pressure of the metal vapors, a stable electric discharge in the metal vapors of the material in the nacelle is lit. Due to the very low pressure in the enclosure, but also the high rate of evaporation of the material subjected to the electronic bombardment, a very intense plasma is produced above the anode, a plasma whose shape is quasi-spherical due to the very high concentration of metal vapor concentration. The fact that the walls of the enclosure and the cathode (filament) are connected to the reference potential of the electrical circuit of the electric discharge causes the anode and also the plasma produced in the metal vapors to be at a positive potential much higher than that of the electrode. reference. For some experimental conditions, such as low values of the discharge current intensity and the intensity of the electronic thermo-emission current, but high values of the voltage applied to the anode, the plasma formation is surrounded by a well-defined potential structure indicating the presence of a double layer. very strong (sVsd >> kT e , where e represents the electric charge of the electron, Vsd - the potential fall on Boltzmann, and T e - temperature of the electrons). Therefore, the ions

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/2018 de potențial vor căpăta energii comparabile cu căderea de potențial (de ordinul sutelor sau chiar miilor de volți) pe stratul dublu al descărcării electrice. Fluxul (energia și densitatea) de ioni metalici poate fi ajustat prin modificarea valorii tensiunii pe anod, curentului de descărcare, curentului de termoemisie pe filament, precum și prin modificarea geometriei și distanței dintre electrozi. In cazul propulsiei electrice, valoarea impulsului specific depinde liniar de viteza ionilor, iar cea a foiței de propulsie depinde de produsul dintre viteza și densitatea de ioni din fascicul. în cazul arcului termoionic, atât energia cât și densitatea de ioni metalici depind de parametrii electrici ai descărcării care, la rândul lor, sunt puternic dependenți de natura materialului evaporat. Astfel, în cazul materialelor cu punct de topire ridicat (W, Ta, Re), ionii metalici au energie (viteză) foarte mare, dar concentrația lor în fluxul total de particule este mică, iar în cazul materialelor cu punct de topire scăzut (Zn, In, Sn, Pb), ionii metalici au energie mică, dar concentrație foarte mare.02/05/2018 of potential will receive energies comparable to the potential drop (by the order of hundreds or even thousands of volts) on the double layer of electric discharge. The flux (energy and density) of metal ions can be adjusted by changing the value of the voltage on the anode, the discharge current, the heat-emitting current on the filament, as well as by changing the geometry and the distance between the electrodes. In the case of electric propulsion, the value of the specific impulse depends linearly on the ion speed, and that of the propulsion sheet depends on the product between the velocity and the ion density in the beam. In the case of the thermionic arc, both the energy and the density of metal ions depend on the electrical parameters of the discharge which, in turn, are strongly dependent on the nature of the evaporated material. Thus, in the case of high melting point materials (W, Ta, Re), metal ions have very high energy (velocity), but their concentration in the total flux of particles is low, and in the case of low melting point materials (Zn) , In, Sn, Pb), the metal ions have low energy, but very high concentration.

Instalația și procedeu] pentru obținerea de fascicule energetice de ioni metalici, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:The installation and process for obtaining energy beams of metal ions, according to the invention, has the following advantages:

V costul redus al materialului folosit pentru generarea de ioni metalici în comparație cu gazul folosit la motoarele ionice clasice (Xe);V reduced cost of the material used for generating metal ions compared to the gas used in conventional ion engines (Xe);

V costurile reduse pentru transportul și depozitarea materialului folosit pentru generarea de ioni energetici datorită volumului redus al metalului în comparație cu cel al gazelor folosite pentru dispozitivele clasice de propulsie (Jon Thruster și Hali Thruster). De exemplu, în comparație cu Xe (comprimat la 200 atm.), aceeași cantitate masică de Cu ocupă un volum de 10 ori mai mic;V reduced costs for transporting and storing material used to generate energy ions due to the reduced volume of metal compared to that of gases used for conventional propulsion devices (Jon Thruster and Hali Thruster). For example, compared to Xe (compressed at 200 atm.), The same mass of Cu occupies a volume 10 times smaller;

V eliminarea grilelor de accelerare/decelerare folosite în cazul motoarelor ionice clasice, care, în timp, se erodează și afectează performanțele dispozitivelor;V elimination of the acceleration / deceleration grids used in the case of conventional ionic motors, which, over time, erode and affect the performances of the devices;

V controlul precis și independent al energiei și concentrației de ioni metalici din fasciculul de propulsie;V precise and independent control of the energy and concentration of metal ions in the propulsion beam;

V parametri de performanță (impuls specific, forță de propulsie, eficiență totală) comparabili sau superiori dispozitivelor clasice de propulsie;V performance parameters (specific impulse, propulsion force, total efficiency) comparable or superior to the classic propulsion devices;

V posibilitatea folosirii unei game foarte variate de materiale pentru producerea de ioniI can use a very diverse range of materials for ion production

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/201802/05/2018

V sistemul propus poate fi uitilizat deopotrivă pentru menținerea sau modificarea orbitelor sateliților artificiali folosiți în telecomunicații și în misiuni spațiale de lungă durată, dar și pentru obținerea în laborator de straturi metalice subțiri foarte compacte;V the proposed system can be used both for maintaining or modifying the orbits of artificial satellites used in telecommunications and long-term space missions, but also for obtaining very compact thin metal layers in the laboratory;

V sistemul propus funcționează în spațiul extraterestru și nu necesită incintă și sistem de depresurizare ca cele utilizate în experimentele din laborator;V the proposed system works in the extraterrestrial space and does not require enclosure and depressurization system like those used in laboratory experiments;

V posibilitatea utilizării unui sistem de deplasare, de tip carusel, care permite alegerea materialului corespunzător controlului independent al impulsului specific sau al forței de propulsie;V the possibility of using a carousel-type displacement system, which allows the selection of the material corresponding to the independent control of the specific impulse or propulsion force;

V costul redus al soluției adoptate de prezenta invenție datorită simplității dispozitivului propus.V reduced cost of the solution adopted by the present invention due to the simplicity of the proposed device.

Se prezintă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu Fig. 1,...6, care reprezintă:The following is an example of an embodiment of the invention in connection with FIG. 1, ... 6, which represents:

Fig. 1. Schema instalației folosite pentru obținerea în laborator de fascicule energetice de ioni metalici cu ajutorul arcului termo-ionic pulsat în impulsuri de mare putere.Fig. 1. Schematic of the installation used to obtain in the laboratory of energy beams of metal ions using the pulsed thermo-ionic arc in high power pulses.

Fig. 2. Evoluțiile temporale ale tensiunii pe descărcare în cazul arcului termo-ionic pulsat.Fig. 2. Temporal evolution of the discharge voltage in the case of the pulsed thermo-ionic arc.

Fig. 3. Evoluțiile temporale ale intensității curentului electric prin descărcare în cazul arcului termoinic pulsat.Fig. 3. Temporal evolutions of the intensity of the electric current by discharge in the case of the pulsed thermo-arc.

Fig. 4. Evoluțiile temporale ale densității de curent ionic în cazul arcului termo-ionic pulsat.Fig. 4. Temporal evolutions of ionic current density in the case of pulsed thermo-ionic arc.

Fig. 5. Distribuția axială a potențialului plasmei arcului termo-ionic ce funcționează în regim DC.Fig. 5. Axial distribution of the potential of the plasma of the thermo-ionic arc operating in DC regime.

Fig. 6. Evoluțiile temporale ale potențialului plasmei arcului termo-ionic măsurate la diferite poziții față de anod. Parametrii descărcării arcului termo-ionic sunt: amplitudinea pulsului de tensiune aplicat pe catod de aproximativ +1,45 kV, durata pulsului de tensiune de circa 400 ps, frecvența de repetiție a pulsurilor de tensiune de 1 kHz.Fig. 6. The temporal evolution of the potential of the thermionic arc plasma measured at different positions relative to the anode. The discharge parameters of the thermo-ionic arc are: the amplitude of the voltage pulse applied on the cathode of approximately +1.45 kV, the duration of the voltage pulse of about 400 ps, the repetition frequency of the voltage pulses of 1 kHz.

Instalația (Fig. 1), conform invenției, este compusă dintr-o incintă din oțel inoxidabil 1 sub forma unei incinte cilindrice cu diametrul de 80 cm și înălțimea de 40 cm, prevăzută cu diverse porturi pe care se montează ferestre pentru vizualizarea și diagnoza optică a plasmei, treceri electrice pentru diagnoza electrică a plasmei și sisteme de monitorizare a .parametrilor fasciculului de ioni. Incinta poate fi depresurizată până la o presiune limită irți^ixsr^idjș^^^a /*£» ΝΓ·'The installation (Fig. 1), according to the invention, is composed of a stainless steel enclosure 1 in the form of a cylindrical enclosure with a diameter of 80 cm and a height of 40 cm, provided with various ports on which windows for visualization and optical diagnostics are mounted. of plasma, electrical bypasses for electrical plasma diagnostics and monitoring systems of ion beam parameters. The enclosure may be depressurized up to a limit pressure irti ^ ixsr ^ idjș ^^^ a / * £ »ΝΓ · '

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/2018 folosind un sistem pentru producerea presiunilor joase (sistem de vidare sau de depresurizare) alcătuit dintr-o pompă turboinoleculară 2 și o pompă mecanică uscată 3. Sistemul de vidare este conectat la camera de depunere 1 prin intermediul unei trape de izolație 4. în incintă este montată o nacelă 5. sub formă de bărcuță, cu rol de anod al descărcării. Materialul 6 folosit pentru alimentarea plasmei arcului termo-ionic se prezintă sub formă de peleți de cupru cu formă paralepipedică, cu dimensiuni de 2 mm*3 mm>-5 mm. Materialul este topit cu ajutorul unui tun de electroni format din filament 7 de wolfram și cilindru Wehnelt 8 din inox, fixat pe un sistem de deplasare 9 și alimentat de la o sursă de tensiune DC pulsată 10. Arcul termo-ionic este operat în regim DC pulsat cu ajutorul unui generator de pulsuri pozitive de înaltă tensiune 11 sau a unei surse DC de înaltă tesiune, cu polaritate pozitivă și comandă externă.02/05/2018 using a system for producing low pressures (vacuum or depressurization system) consisting of a turboinolecular pump 2 and a dry mechanical pump 3. The vacuum system is connected to the deposition chamber 1 by means of an insulation hatch. 4. in the enclosure is mounted a platform 5. in the form of a boat, with anode of discharge. The material 6 used to feed the plasma of the thermo-ionic arc comes in the form of paralepipedic copper pellets, with dimensions of 2 mm * 3 mm> -5 mm. The material is melted using an electron gun made of tungsten filament 7 and stainless steel Wehnelt cylinder 8, fixed to a displacement system 9 and fed from a pulsed DC voltage source 10. The thermo-ionic arc is operated in DC mode. pulsed using a high voltage positive pulse generator 11 or a high voltage DC source with positive polarity and external control.

Parametrii definiți ai descărcării arcului termo-ionic în impulsuri de mare putere sunt: natura materialului folosit pentru producerea ionilor metalici (în cazul de față, Cu), amplitudinea pulsului de tensiune aplicat pe anod, frecvența de repetiție a pulsului de tensiune și durata pulsului de tensiune, valoarea intensității curentului electric pe descărcare, valoarea intensității curentului prin filamentul tunului de electroni, distanța dintre nacelă și tunul de electroni, precum și unghiul dintre normala la suprafața nacelei și axul tunului de electroni. Pentru operarea arcului termo-ionic pulsat se procedează astfel: se încălzește până la termo-emisie filamentul tunului de electroni prin aplicarea unei tensiuni, în modul DC, pe capetele acestuia, apoi se aplică pulsuri de înaltă tensiune și polaritate pozitivă între anodul din W, ce conține peleți (granule) de Cu, și tunul de electroni care este conectat, împreună cu pereții incintei, la electrodul de referință. Se ajustează parametrii de proces (amplitudinea pulsului de tensiune aplicat pe anod, frecvența de repetiție a pulsului de tensiune și durata pulsului de tensiune, valoarea intensității curentului prin filamentul tunului de electroni, distanța dintre nacelă și tunul de electroni) asfel încât în timpul funcționării arcului termo-ionic să nu apară fluctuații necontrolabile ale parametrilor electrici ai descărcării. Distribuția spațială și evoluția temporală a potențialului plasmei au fost măsurate cu ajutorul unei sonde emisive. Energia ionilor metalici a fost măsurată cu ajutorul unui spectrometru cu deflexie în câmp magnetic (spectrometru Dempster). Fluxul de ioni metalici a fost măsurat cu ajutorul unui colector, cu formă de disc, cu diametrul de 50 mm, polarizat cu 100 V față de referință. Fluxul total de particule, ioni și neutri, a fost determirjat-rjlj^jiQruI unei micobalanțe cu quartz, iar rata de consumare a materialului din nacelă ș/^^>âBterfrimătQ'-prin măsurători gravimetrice.The defined parameters of the discharge of the thermo-ionic arc in high power pulses are: the nature of the material used to produce the metal ions (in this case, Cu), the amplitude of the voltage pulse applied to the anode, the repetition frequency of the voltage pulse and the duration of the pulse. voltage, the value of the intensity of the electric current on discharge, the value of the intensity of the current through the filament of the electron gun, the distance between the nacelle and the electron cannon, as well as the angle between the normal surface of the nacelle and the axis of the electron cannon. To operate the pulsed thermo-ion arc proceed as follows: heat up the filament of the electron gun by applying a voltage, in DC mode, to its ends, then apply high voltage pulses and positive polarity between the anode in W, which contains Cu pellets (granules), and the electron gun that is connected, together with the enclosure walls, to the reference electrode. It adjusts the process parameters (amplitude of the voltage pulse applied to the anode, the frequency of repetition of the voltage pulse and the duration of the voltage pulse, the value of the current intensity through the filament of the electron cannon, the distance between the nacelle and the electron cannon) so that during the arc operation thermo-ionic so that no uncontrollable fluctuations of the electrical parameters of the discharge appear. The spatial distribution and temporal evolution of the plasma potential were measured using an emissive probe. The energy of the metal ions was measured using a magnetic field deflection spectrometer (Dempster spectrometer). The flux of metal ions was measured using a 50 mm diameter disc-shaped manifold polarized with 100 V reference. The total flux of particles, ions and neutral, was determirjat-rjlj ^ jiQruI a micobalanţe quartz, and the rate of consumption of the material of the platform and / ^^>âBterfrimătQ', by gravimetric measurements.

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/2018 în Fig. 2 sunt prezentate evoluțiile temporale ale tensiunii aplicate pe descărcare, măsurate cu ajutorul unei sonde de tensiune 1:100. Pentru aceasta, plasma arcului termo-ionic este aprinsă în vapori metalici din cupru aplicând pulsuri de tensiune cu amplitudinea pulsului de tensiune cuprinsă între 0.8 până la 1.2 kV, cu durata de circa 100 us și frecvența de repetiție de 3 kHz. Distanța dintre nacelă și tunul de electroni a fost de 10 mm, iar unghiul dintre normala la suprafața nacelei și axul tunului de electroni a fost de 60li. Modificând valoarea intensității curentului mediu pe descărare între 0,2 și 0,5 A, valoarea maximă a tensiunii pe durata pulsului de tensiune crește de la 800 la 1050 V. In anumite condiții, de exemplu, reducând frecvența de repetiție la 1 kHz, se pot atinge valori ale tensiunii pe descărcare de +3 kV.05/02/2018 in Fig. 2 shows the temporal evolution of the voltage applied to the discharge, measured using a 1: 100 voltage probe. For this, the plasma of the thermo-ionic arc is ignited in metallic copper vapors by applying voltage pulses with a voltage pulse amplitude ranging from 0.8 to 1.2 kV, with a duration of about 100 us and a repetition frequency of 3 kHz. The distance between the platform and the electron gun was 10 mm, and the angle between the normal surface of the platform and the axis of the electron gun was 60 li . By changing the value of the intensity of the average current on discharge between 0.2 and 0.5 A, the maximum value of the voltage during the voltage pulse increases from 800 to 1050 V. In certain conditions, for example, by reducing the repetition frequency to 1 kHz, they can reach voltage values on discharge of +3 kV.

Intensitatea curentului electric prin descărcare (Fig. 3), măsurată cu ajutorul unei sonde de curent (factor de transformare 1 V/l A), suferă variații mari atât pe durata pulsului de tensiune, cât și după întreruperea tensiunii pe descărcare. în timpul pulsului de tensiune, intensitatea curentului electric crește cu creșterea tensiunii pe descărcare, atingând valoarea maximă de 1,2 A, iar pentru valori ale tensiunii pe puls de 2 kV, valoarea maximă a intensității curentului este de 2 A.The intensity of the electric current by discharge (Fig. 3), measured by means of a current probe (transforming factor 1 V / l A), undergoes large variations both during the voltage pulse and after the voltage breakdown on the discharge. During the voltage pulse, the intensity of the electric current increases with the increase of the voltage on the discharge, reaching the maximum value of 1.2 A, and for values of the voltage on the pulse of 2 kV, the maximum value of the current intensity is 2 A.

Densitatea de curent ionic (Fig. 4), măsurată Ia distanța de 200 mm de suprafața nacelei cu ajutorul unui colector electrostatic polarizat la -100 V față de referință, suferă de asemenea modificări pe durata pulsului de înaltă tensiune. Valoarea maximă a densității de curent ionic atinge valoarea de 1,12 mA/cm pentru valori ale tensiunii și curentului de descărcare de 1050 V, respectiv, 1,2 A. Creșterea densității curentului ionic de saturație se datorează proceselor de ionizare ale atomilor de cupru evaporați sub acțiunea electronilor proveniți atât din plasma arcului termo-ionic, cât și de la tunul de electroni.The ionic current density (Fig. 4), measured at the distance of 200 mm from the surface of the platform using a electrostatic collector polarized at -100 V relative to the reference, also undergoes changes during the high voltage pulse. The maximum value of ionic current density reaches the value of 1.12 mA / cm for voltage and discharge current values of 1050 V, respectively 1.2 A. The increase of the saturation ionic current density is due to the ionization processes of the copper atoms. evaporated under the action of electrons from both the plasma of the thermionic arc and from the electron cannon.

în Fig. 5 este prezentată distribuția axială a potențialului plasmei arcului termo-ionic ce funcționează în regim DC. Parametrii descărcării arcului termo-ionic sunt: tensiune aplicată pe anod de aproximativ -t-850 V, intensitatea curentului de descărcare de 200 mA, distanța dintre nacelă și tunul de electroni de aproximativ 10 mm, iar unghiul dintre normala la suprafața nacelei și axul tunului de electroni de 60°. Distribuția axială a potențialului plasmei indică prezența unui puternic strat dublu cu valori ale căderii de tensiune comparabile sau chiar mai mari decât tensiunea aplicată pe descărcare. Stratul dublu format în plasma arcului termfi^diddfacilitează ’*sau câtiva\k&V) a 2018 00304in FIG. 5 shows the axial distribution of the plasma potential of the thermionic arc operating in DC regime. The discharge parameters of the thermo-ionic arc are: voltage applied on anode of about -t-850 V, the intensity of the discharge current of 200 mA, the distance between the platform and the electron gun of about 10 mm, and the angle between the normal at the surface of the platform and the axis of the cannon of 60 ° electrons. The axial distribution of the plasma potential indicates the presence of a strong double layer with comparable voltage drop values or even greater than the voltage applied to the discharge. The double layer formed in the plasma of the thermal arc ^ diddfacilitate '* or some \ k & V) of 2018 00304

02/05/2018 fiind comparabilă cu energia câștigată de ioni în căderea de potențial a stratului dublu. Mai mult, măsurătorile electrice realizate cu ajutorul spectrometrului Dempster au arătat că fasciculul de ioni este cvasi-monoenergetic, căderea de potențial pe stratul dublu fiind aproximativ egală cu tensiunea aplicată pe anod (V. Tiron, M. Dobromir, V. Pohoata and G. Popa, IEEE Transaction on Plasma Science 39 (2011) 1403-1407).02/05/2018 being comparable to the energy gained by ions in the potential double layer drop. Furthermore, the electrical measurements made using the Dempster spectrometer showed that the ion beam is quasi-monoenergetic, the potential drop on the double layer being approximately equal to the voltage applied to the anode (V. Tiron, M. Dobromir, V. Pohoata and G. Popa, IEEE Transaction on Plasma Science 39 (2011) 1403-1407).

în Fig. 6 sunt prezentate evoluțiile temporale ale potențialului plasmei arcului termoionic în regim pulsat, măsurate la diferite distanțe de anod (nacelă). Parametrii descărcării arcului termo-ionic sunt: amplitudinea pulsului de tensiune aplicat pe catod de aproximativ +1450 V, durata pulsului de tensiune de circa 400 μ5, frecvența de repetiție a pulsurilor de tensiune de 1 kHz. Distanța dintre nacelă și tunul de electroni a fost de 10 mm, iar unghiul dintre normala la suprafața nacelei și axul tunului de electroni a fost de 60°. Dintre caracteristicile prezentate în Fig. 6, se pot obține distribuțiile spațio-temporale ale potențialului plasmei (similare celor din Fig. 5), care pun în evidență prezența unui puternic strat dublu, cu căderi de potențial de aproximativ 1500 V, la diferite momente de timp. Coroborarea datelor prezentate în Fig. 5 și 6 arată că plasma din regiunea anodului, respectiv stratul dublu asociat acesteia, expandează în incinta depresurizată în care presiunea la nivelul pereților este de 10'J Pa, cu viteza medie supersonică de aproximativ 450 m/s.in FIG. 6 are presented the temporal evolutions of the potential of the thermionic arc plasma in pulsed regime, measured at different distances of anode (nacelle). The discharge parameters of the thermo-ionic arc are: the amplitude of the voltage pulse applied on the cathode of approximately +1450 V, the duration of the voltage pulse of about 400 μ5, the frequency of repetition of the voltage pulses of 1 kHz. The distance between the platform and the electron gun was 10 mm, and the angle between the normal surface of the platform and the axis of the electron gun was 60 °. Among the features shown in Fig. 6, the spatial-temporal distributions of the plasma potential (similar to those in Fig. 5) can be obtained, which highlight the presence of a strong double layer, with potential drops of approximately 1500 V, at different time points. The corroboration of the data presented in Fig. 5 and 6 show that the plasma in the region of the anode, respectively the double layer associated with it, expands into the depressurized enclosure where the pressure at the walls is 10 ' J Pa, with the average supersonic speed of about 450 m / s.

Rezultatele experimentale prezentate în Fig. 1-6, precum și rezultatele obținute cu ajutorul colectorului electrostatic (fluxul de ioni), microbalanței cu quartz (fluxul total de particule) și spectrometrului Dempster (energia ionilor metalici) oferă informațiile necesare pentru calcularea parametrilor specifici de performanță pentru propulsorul electric. în continuare, se definesc și se calculează valorile parametrilor de performanță (Tabel 1): forța de propulsie (7), impulsul specific (Zv) și eficiența totală (ητ) (Dan M. Goebel and Ira Katz, Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hali Thrusters, JPL SPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY SERIES, 2008).The experimental results shown in Fig. 1-6, as well as the results obtained with the help of electrostatic collector (ion flux), quartz microbalance (total particle flux) and Dempster spectrometer (metal ion energy) provide the information needed to calculate the specific performance parameters for the electric propellant. Next, the performance parameter values are defined and computed (Table 1): propulsion force (7), specific impulse (Z v ) and total efficiency (η τ ) (Dan M. Goebel and Ira Katz, Fundamentals of Electric Propulsion : Ion and Hali Thrusters, JPL SPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY SERIES, 2008).

Forța de propulsie (7) se definește ca forța exercitată de către propulsor asupra vehicului spațial și este egală cu variația în timp a impulsului mecanic datorat consumului de combustibil” care, în cazul de față este materialul evaporat de la anod, înmulțifocuZug^factor de corecție γ:The propulsion force (7) is defined as the force exerted by the propeller on the spacecraft and is equal to the time variation of the mechanical impulse due to fuel consumption ”which, in the present case is the material evaporated from the anode, multiplied by Zug ^ correction factor γ:

τ = (mcvev) = Y~vev = ynîcvev τ = (m c v ev ) = Y ~ v ev = ynî c v ev

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/2018 io unde mc este rata de consum a combustibilului, exprimată în kg/s, vev este viteza de evacuare a combustibilului care, în cazul de față este reprezentat de viteza ionilor din fasciculul generat de sistem. In cazul în care fasciculul de ioni este unidirecțional, monoenergetic și format doar din ioni cu o singură sarcină electrică această viteză este constantă în timp, γ reprezintă factorul de corecție al forței de propulsie.02/05/2018 i where m c is the fuel consumption rate, expressed in kg / s, v ev is the rate of escape of the fuel which, in the present case, is the speed of the ions in the beam generated by the system. If the ion beam is unidirectional, mono-energetic and consists of only electrically charged ions, this velocity is constant over time, γ represents the correction factor of the propulsion force.

Factorul de corecție γ este egal cu produsul a doi factori, unul datorat divergenței fasciculul de ioni, iar celălalt datorat faptului că fasciculul de ioni este format dintr-un amestec de ioni care pot fi cu o singură sarcină electrică sau cu multiple sarcini electrice. Așadar, γ -- Fta unde Ft este factorul de divergență, iar a este factorul datorat speciilor ionice cu sarcină multiplă. Ft = cos Θ, unde Θ reprezintă jumătate din valoarea unghiului de divergență a fasciculul.The correction factor γ is equal to the product of two factors, one due to the divergence of the ion beam, and the other due to the fact that the ion beam is made up of a mixture of ions that can be single-charge or multiple-charge electric. Therefore, γ - F t where F t is the divergence factor, and a is the factor due to ionic species with multiple charges. F t = cos Θ, where Θ represents half the value of the divergence angle of the beam.

In cazul arcului termo-ionic, combustibilul este format din ionii de Cu (mc = mj, iar viteza de evacuare a combustibilului este egală cu viteza ionilor de cupru (vc = i’;) ce sunt accelerați în căderea de potențial a stratului dublu. Pentru un set dat de parametri de proces ai arcului termo-ionic, cum ar fi valoarea tensiunii pe arc de 1 kV (Fig. 2) și valoarea intensității curentului electric pe durata pulsului de 1,2 A (Fig. 3), valoarea energiei cinetice a ionilor de Cu (măsurată cu ajutorul spectrometrului Dempster) a fost în jur de 1 keV, ceea ce corespunde unei viteze de aproximativ 55 km/s. Pentru același set de parametri de proces, ținând cont de rezultatele măsurătorilor asupra ratei de consum a materialului din nacelă (calculată folosind metoda gravimetrică), a ratei de depunere și a densității de curent ionic (Fig. 4), rata de consum a combustibilului, adică a ionilor de Cu, este de aproximativ 9X IO’7 kg/s. Dacă se ia în considerare că fasciculul de ioni este format doar din ioni cu o singură sarcină electrică (a = 1), iar unghiul de divergență a fascicului de ioni este de 60°, rezultă un factor de corecție γ = 0.866. Ținând cont de toate aceste valori, rezultă o forță de propulsie T = ymLVj de aproximativ 43 rnN. Pentru valori ale tensiunii și intensității curentului electric de descărcare de 2 kV, respectiv 2 A, se pot atinge valori ale forței de propulsie de până la 87 mN. Ținând cont că valoarea forței de propulsie depinde de puterea electrică consumată de propulsor, pentru a putea compara performanțele propulsoarelor electrice, este indicat ca forța de propulsie să fie normată la puterea electrică consumată de către propulsor. In cazul arcului termo-ionic, puterea electrică totală consumată pentru a obține tensiuni pe arc de 1 kV și intensități ale curentului electrio^d^Ț^/^Lț.este de aproximativ 450 W. Puterea electrică medie consumată de descărcarea esteIn the case of the thermo-ionic arc, the fuel consists of Cu ions (m c = mj, and the rate of escape of the fuel is equal to the speed of the copper ions (v c = i ';) which are accelerated in the potential drop of the layer. For a given set of process parameters of the thermo-ion arc, such as the value of the 1 kV arc voltage (Fig. 2) and the value of the electric current intensity during the pulse of 1.2 A (Fig. 3), the kinetic energy value of Cu ions (measured using the Dempster spectrometer) was around 1 keV, which corresponds to a speed of approximately 55 km / s. For the same set of process parameters, taking into account the measurement results on the rate of consumption of the material from the platform (calculated using the gravimetric method), the deposition rate and the density of ionic current (Fig. 4), the fuel consumption rate, that is, of Cu ions, is about 9 X IO ' 7 kg / s. If the beam is taken into account the ion beam consists of ions with only one electrical charge (a = 1), and the divergence angle of the ion beam is 60 °, resulting in a correction factor γ = 0.866. Taking all these values into account, a propulsion force T = ym L Vj of about 43 rnN results. For values of the voltage and intensity of the electric current of discharge of 2 kV, respectively 2 A, values of the propulsion force of up to 87 mN can be reached. Considering that the value of the propulsion force depends on the electric power consumed by the propeller, in order to compare the performance of the electric propulsors, it is indicated that the propulsion force is normalized to the electric power consumed by the propeller. In the case of the thermo-ionic arc, the total electrical power consumed to obtain 1 kV arc voltages and intensities of the electric current ^ d ^ Ț ^ / ^ Lt. is about 450 W. The average electric power consumed by the discharge is

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/2018 de aproximativ 330 W, iar cea consumată de tunul de electroni de aproximativ 120 W (tensiune de 17 V, curent de 7 A). Așadar, forța de propulsie normată la puterea consumată este de aproximativ 95,5 mN/kW. Puterea electrică consumată de către tunul de electroni poate fi puternic diminuată prin folosirea de filamente confecționate din materiale cu emisivitate foarte mare, cum ar fi wolfram thoriat, wolfram acoperit cu oxid de lanthanium sau hexaborură de lanthanium (LaB6).02/05/2018 of approximately 330 W, and that consumed by the electron cannon of about 120 W (voltage of 17 V, current of 7 A). Therefore, the propulsion force normalized to the consumed power is about 95.5 mN / kW. The electrical power consumed by the electron gun can be greatly diminished by the use of filaments made of very high emissivity materials, such as thoriated tungsten, lanthanium oxide-coated tungsten or lanthanium hexaboride (LaB6).

Impulsul specific (Isp) reprezintă eficiența forței de propulsie și se definește ca raportul dintre forța de propulsie și produsul dintre rata de consum a combustibilului folosit pentru propulsie și accelerația gravitațională, g:The specific impulse (Isp) represents the efficiency of the propulsion force and is defined as the ratio between the propulsion force and the product between the fuel consumption rate used for propulsion and the gravitational acceleration, g:

TT

Ist> ~ m-cgIst> ~ m- c g

Ținând cont că T = γιή^, rezultă r _ Y^Vț sp mcg ·Considering that T = γιή ^, it turns out r _ Y ^ Vț sp m c g ·

Raportul — = T)m definește eficiența de utilizare a masei combustibilului și reprezintă mc fracția de combustibil convertită în ioni care sunt folosiți pentru propulsie prin accelerarea lor în câmpuri electrice.Report - = T) m defines the mass of the fuel utilization efficiency and fuel fraction is m c converted into ions which are used for their propulsion accelerating electric fields.

Așadar,Therefore,

T - WmVj sp g · în cazul arcului termo-ionic, pentru valori ale tensiunii pe arc de 1 kV și ale intensității curentului electric pe durata pulsului de 1,2 A, eficiența de utilizare a materialului evaporat și ionizat este de aproximativ 20%, iar valoarea impulsului specific este de 975 s. Este foarte important de menționat faptul că această valoare a fost calculată pentru cazul în care ne plasăm în imediata vecinătate a Pământului și accelerația gravitațională medie are valoarea de 9,81 m/s2. în cazul sateliților geostaționari, de exemplu, situați la altitudini de aproximativ 35 000 km, ținând cont de variația accelerației gravitaționale cu altitudinea, aceasta scade până la valoarea de 0,23 m/s2 ceea ce ar duce la o valoare a impulsului specific de 42,65 ori mai mare,-Efipjența de utilizare a materialului evaporat a fost estimată din raportul dintre fluxulcu ajutorul colectorului electrostatic) și fluxul total de particule (măsurat cu /Mjjt)ru|^ij^îO.b^^țpi a 2018 00304T - WmVj sp g · In the case of the thermo-ionic arc, for values of the 1 kV arc voltage and the electric current intensity during the pulse of 1.2 A, the efficiency of using the evaporated and ionized material is about 20%, and the value of the specific impulse is 975 s. It is very important to mention that this value was calculated for the case when we are in the immediate vicinity of the Earth and the average gravitational acceleration has the value of 9.81 m / s 2 . In the case of geostationary satellites, for example, located at altitudes of approximately 35 000 km, taking into account the variation of gravitational acceleration with altitude, this decreases to the value of 0.23 m / s 2, which would lead to a specific impulse value of 42.65 times higher, - The efficiency of using the evaporated material was estimated from the ratio between the flux with the help of the electrostatic collector) and the total flux of particles (measured with /Mjjt)ru|^ij^îO.b^^țpi a 2018 00304

02/05/2018 cu quartz). Pentru valori ale tensiunii pe arc de 2 kV și ale intensității curentului electric pe durata pulsului de 2 A, eficiența de utilizare a materialului evaporat și ionizat este de aproximativ 70%, iar valoarea impulsului specific este de 4825 s.05/05/2018 with quartz). For 2 kV arc voltage values and 2 A pulse current intensity, the efficiency of using evaporated and ionized material is about 70% and the specific impulse value is 4825 s.

Eficiența totală a propulsorului fif) definește raportul dintre puterea jetului de ioni și puterea totală consumată de către propulsor și are expresia:The total efficiency of the propeller fif) defines the ratio between the power of the ion jet and the total power consumed by the propeller and has the expression:

VT = unde η» reprezintă eficiența electrică a propulsorului și se definește ca raporul dintre puterea fascicului de ioni și puterea totală consumată de propulsorul electric.VT = where η »represents the electric efficiency of the propellant and is defined as the ratio between the power of the ion beam and the total power consumed by the electric propeller.

în cazul arcului termo-ionic în vid, pentru valori ale tensiunii pe arc cuprinse între I și 2 kV și valori ale intensității curentului electric cuprinse între 1,2 și 2 A, eficiența electrică variază între 75 și 90%, iar cea totală între 11 și 47%.In the case of the thermal-ionic vacuum arc, for values of the arc voltage between I and 2 kV and values of the electric current intensity between 1.2 and 2 A, the electric efficiency varies between 75 and 90%, and the total one between 11 and 47%.

în Tabelul 1 sunt comparați parametrii experimentali și de performanță ai plasmei arcului termo-ionic cu cei obținuți în cazul unor motoare ionice clasice de tip XIPS Ion Thruster și STP Hali Thuster. Pentru anumite condiții experimentale, parametrii de performanță ai plasmei arcului termo-ionic sunt comparabili sau superiori (Isp și T/Pț mai mari) celor ai motoarelor ionice clasice de tip XIPS Ion Thruster si STP Hali Thuster.Table 1 compares the experimental and performance parameters of the thermionic arc plasma with those obtained in the case of classical ionic engines of type XIPS Ion Thruster and STP Hali Thuster. For certain experimental conditions, the performance parameters of the thermionic arc plasma are comparable or higher (I sp and T / Pţ larger) to those of the classic ionic type XIPS Ion Thruster and STP Hali Thuster engines.

Tabel 1 Comparație între parametrii experimentali și de performanță ai plasmei arcului termo-ionic și cei obținuți în cazul unor motoare ionice de tip Ιοη-Thruster sau Hali Thuster.Table 1 Comparison between the experimental and performance parameters of the thermionic arc plasma and those obtained in the case of Ιοη-Thruster or Hali Thuster ion motors.

Parametri specifici Specific parameters XIPS ion thruster XIPS ion thruster STP Hali thruster STP Hali thruster TVA thruster TVA thruster Putere (W) Power (W) 2000 - 4300 2000 - 4300 350 - 1350 350 - 1350 450 - 1350 450 - 1350 Impuls specific Isp (s) (calculat pentru g = 9,81 m/s2)Specific impulse I sp (s) (calculated for g = 9.81 m / s 2 ) 3420 - 3550 3420 - 3550 1100 - 1600 1100 - 1600 975 - 4825 975 - 4825 Thrust T (mN) Thrust T (mN) 80- 166 80- 166 20-80 20-80 43-87 43-87 Eficiență totală ητ (%)Overall efficiency η τ (%) 67,0 - 68,8 67.0 - 68.8 35-50 35-50 11-47 11-47 Eficiență electrică ηβ (%)Electrical efficiency η β (%) 87,0 - 87,5 87.0 - 87.5 - - 75-90 75-90

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/201802/05/2018

Eficiență de utilizare a masei η (%)Mass efficiency of η (%) 80,0 - 82,5 80.0 - 82.5 - - 20-70 20-70 T/P-r (nm/kW) T / P-r (nm / kW) 40,0 - 38.6 40.0 - 38.6 57-59 57-59 95,5 -64,4 95.5 -64.4 Tensiune accelerare (V) Acceleration voltage (V) 1215 1215 300 300 1000 -2000 1000-2000 Curent ionic (A) Ionic current (A) 1,45-3,05 1.45 to 3.05 1,17-4,50 1.17 to 4.50 1 -2 1 -2

a 2018 00304to 2018 00304

02/05/201802/05/2018

Claims (2)

INSTALAȚIE ȘI PROCEDEU DE OBȚINERE DE FASCICULE ENERGETICE DE IONI METALICI CU APLICAȚIE ÎN PROPULSIA ELECTRICĂ ÎN SPAȚIU RevendicăriINSTALLATION AND METHOD FOR OBTAINING ENERGY METHODS OF METAL IONS APPLIED TO ELECTRICAL PROPULSION IN SPACE 1. Instalație și procedeu de obținere a fasciculelor energetice de ioni metalici cu fluxuri controlabile, cu aplicație în propulsia electrică în spațiu, caracterizate prin aceea că utilizează plasma arcului termo-ionic pulsat, ablația materialelor metalice și controlul energiei și densității de ioni metalici în fascicul.1. Installation and process for obtaining the energy beams of metal ions with controllable flows, with application in the electric propulsion in space, characterized in that they use the plasma of the pulsed thermo-ionic arc, the ablation of the metallic materials and the control of the energy and the density of the metal ions in the beam. . 2. Procedeu de obținere a fasciculelor energetice de ioni metalici, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că operând arcul termo-ionic în regim pulsat se poate controla energia ionilor în domeniul 0,8 - 3 keV fără a folosi grile pentru accelerare sau câmpuri magnetice.2. Method for obtaining the metal ion energy beams according to claim 1, characterized in that operating the thermionic arc in pulsed regime can control the energy of the ions in the range 0.8 - 3 keV without using grids for acceleration or magnetic fields. . 3. Instalație pentru propulsia electrică, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că parametrii de performanță (impulsul specific și forța de propulsie) pot fi controlați într-un domeniu larg prin: alegerea adecvată a metalului care, prin natura sa (punct de topire, masă atomică) permite controlul independent al impulsului specific sau al forței de propulsie; alegerea convenabilă a configurației de pulsuri (durata, frecvența, tensiunea și intensitatea curentului electric pe puls) a curentului de termoemisie a filamentului; respectiv, alegerea convenabilă a geometriei electrozilor și a dispunerii lor.3. Electric propulsion plant according to claim 1, characterized in that the performance parameters (specific impulse and propulsion force) can be controlled in a wide range by: appropriate choice of metal which, by its nature (melting point, atomic mass) allows independent control of the specific impulse or propulsion force; convenient choice of the pulse configuration (duration, frequency, voltage and intensity of the electrical current on the pulse) of the thermo-emission current of the filament; respectively, the convenient choice of electrode geometry and their arrangement. a 2018 00304to 2018 00304 02/05/201802/05/2018 Fig. L Schema instalației folosite pentru obținerea de fascicule energetice de ioni meUiici cu ajutorul arcului termo-ionic pulsat în impulsuri de mare putere.Fig. L Schematic of the installation used to obtain energy beams of meuic ions using the pulsed thermo-ionic arc in high power pulses. a 2018 00304to 2018 00304 02/05/2018 nsîune (V)05/02/2018 no (V) t (με)t (με) Fig. 2. Evoluțiile temporale ale tensiunii pe descărcare în cazul arcului termo-ionic pulsat.Fig. 2. The temporal evolution of the discharge voltage in the case of the pulsed thermo-ionic arc. a 2018 00304to 2018 00304 02/05/201802/05/2018 Curent de descărcare (A)Discharge current (A) Fig. 3·. Evoluțiile temporale ale intensității curentului electric pe descărcare în căzui arcului termoinic pulsat.Fig. 3·. Temporal evolutions of the intensity of the electric current on discharge in the baths of the pulsed thermo-arc. a 2018 00304to 2018 00304 02/05/201802/05/2018 t UlS)t UlS) Fig. 4. Evoluțiile temporale ale densității de curent ionic în căzui arcului termo-ionic pulsat.Fig. 4. Temporal evolutions of ionic current density in the pulsed thermo-ionic arc.
RO201800304A 2018-05-02 2018-05-02 Installation and process for producing energetic beams of metal ions to be applied in electric propulsion in space RO133741A2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RO201800304A RO133741A2 (en) 2018-05-02 2018-05-02 Installation and process for producing energetic beams of metal ions to be applied in electric propulsion in space

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RO201800304A RO133741A2 (en) 2018-05-02 2018-05-02 Installation and process for producing energetic beams of metal ions to be applied in electric propulsion in space

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RO133741A2 true RO133741A2 (en) 2019-11-29

Family

ID=68652851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RO201800304A RO133741A2 (en) 2018-05-02 2018-05-02 Installation and process for producing energetic beams of metal ions to be applied in electric propulsion in space

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO133741A2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3279176A (en) Ion rocket engine
EP3295545B1 (en) Thruster for low earth orbit
Polk et al. A theoretical analysis of vacuum arc thruster and vacuum arc ion thruster performance
US6121569A (en) Plasma jet source using an inertial electrostatic confinement discharge plasma
Nikolaev et al. Upgraded vacuum arc ion source for metal ion implantation
US9194379B1 (en) Field-ionization based electrical space ion thruster using a permeable substrate
Stirling et al. Magnetic multipole line‐cusp plasma generator for neutral beam injectors
US20180244406A1 (en) Internal wire-triggered pulsed cathodic arc propulsion system
Baranov et al. Direct current arc plasma thrusters for space applications: Basic physics, design and perspectives
CN103469164B (en) Device and method for realizing plasma activation electron beam physical vapor deposition
RO133741A2 (en) Installation and process for producing energetic beams of metal ions to be applied in electric propulsion in space
Neumann et al. A pulsed cathodic arc spacecraft propulsion system
Sheth Spacecraft Electric Propulsion–A review
US10863612B2 (en) System for generating a plasma jet of metal ions
Ottaviano et al. Plasma-material interactions for electric propulsion: challenges, approaches and future
US4135093A (en) Use of predissociation to enhance the atomic hydrogen ion fraction in ion sources
RU2709231C1 (en) Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine
Fearn The ultimate performance of gridded ion thrusters for interstellar missions
Gushenets et al. Characteristics of a pulsed vacuum arc discharge with pure boron cathode
RU2776324C1 (en) Ramjet relativistic engine
RU2288553C2 (en) Gas-filled diode with external magnetic insulation
Oks et al. Electron beam extraction from a broad-beam vacuum-arc metal plasma source
Gerber et al. Ion sources for light‐ion fusion
Velicu et al. New concept of metal ion thruster based on pulsed thermionic vacuum arc discharge
RU2762764C1 (en) Electrostatic plasma engine of a space vehicle driven by charged particles for operation in space