RU2040125C1 - Radial plasma accelerator with closed-loop drift of electrons - Google Patents
Radial plasma accelerator with closed-loop drift of electrons Download PDFInfo
- Publication number
- RU2040125C1 RU2040125C1 RU93021470/25A RU93021470A RU2040125C1 RU 2040125 C1 RU2040125 C1 RU 2040125C1 RU 93021470/25 A RU93021470/25 A RU 93021470/25A RU 93021470 A RU93021470 A RU 93021470A RU 2040125 C1 RU2040125 C1 RU 2040125C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge chamber
- magnetic
- accelerator
- additional
- gas distribution
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
- F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
- F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
- F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift
Abstract
Description
Изобретение относится к космической технике, в частности к прикладному применению плазменных ускорителей в качестве источников плазмы для различных астрофизических экспериментов, а также к технологии плазменной обработки материалов. The invention relates to space technology, in particular to the application of plasma accelerators as plasma sources for various astrophysical experiments, as well as to the technology of plasma processing of materials.
Известны радиальные ускорители с замкнутым дрейфом электронов радиальные магнетроны, содержащие магнитную систему, радиальную металлическую разрядную камеру с анодом и катод-компенсатор [1]
В данной конструкции ускорителя реализуется так называемый разряд с анодным слоем, эффективность которого резко снижается при снижении кратности разрядного тока и соответственно мощности разряда, что связано с малой протяженностью слоя ионизации этого ускорителя. Это приводит к резкому снижению коэффициента ионизации рабочего тела при снижении плотности токового эквивалента массового расхода до уровня 0,2.0,3 А/см2 (при работе на ксеноне).Known radial accelerators with closed electron drift radial magnetrons containing a magnetic system, a radial metal discharge chamber with an anode and cathode-compensator [1]
In this design of the accelerator, a so-called discharge with an anode layer is realized, the efficiency of which sharply decreases with a decrease in the multiplicity of the discharge current and, accordingly, the discharge power, which is associated with the small length of the ionization layer of this accelerator. This leads to a sharp decrease in the ionization coefficient of the working fluid with a decrease in the density of the current equivalent mass flow rate to the level of 0.2.0.3 A / cm 2 (when working on xenon).
Известен ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, принятый за прототип, содержащий магнитную систему, состоящую из магнитных полюсов, источников магнитодвижущей силы, магнитопроводов, аксиальную разрядную камеру с анодом-газораспределителем и диэлектрическими стенками и катод-компенсатор [2] Использование в конструкции стенок из диэлектрического материала позволяет за счет стабилизации электронной температуры в канале ускорителя на уровне 10-20 эВ увеличить длину слоя ионизации и ускорения и, как следствие, обеспечить эффективную работу ускорителя с увеличенной глубиной дросселирования по расходу рабочего тела в области более низких расходов. A known plasma accelerator with a closed electron drift and an extended acceleration zone, adopted as a prototype, containing a magnetic system consisting of magnetic poles, sources of magnetomotive force, magnetic circuits, an axial discharge chamber with a gas distribution anode and dielectric walls, and a cathode-compensator [2] the construction of walls of dielectric material allows, by stabilizing the electron temperature in the accelerator channel at a level of 10-20 eV, to increase the length of the ionization and acceleration layer and, as consequence, to ensure efficient operation of the accelerator with an increased throttling depth for the flow rate of the working fluid in the region of lower flow rates.
Однако аналоги и прототип имеют один существенный недостаток, связанный с динамикой ускоренного потока плазмы и обусловленный наличием, помимо осевой составляющей скорости истечения ускоренного потока, закрутки от ионной компоненты плазменного потока, которая может оказывать негативное влияние при работе ускорителя на космическом аппарате. However, the analogs and the prototype have one significant drawback associated with the dynamics of the accelerated plasma flow and due to the presence, in addition to the axial component of the velocity of the accelerated flow, of swirling from the ion component of the plasma flow, which can have a negative effect when the accelerator operates on a spacecraft.
Основной задачей, решаемой в предложенном ускорителе, является повышение его электрической и газовой эффективности путем взаимной компенсации закрутки ионной компоненты плазменного потока и, как следствие, создание конструкции, удовлетворяющей широкому классу задач при проведении астрофизических экспериментов на борту КЛА. The main task to be solved in the proposed accelerator is to increase its electric and gas efficiency by mutually compensating for the swirling of the ion component of the plasma flow and, as a result, creating a structure that satisfies a wide class of problems when conducting astrophysical experiments onboard the spacecraft.
Поставленная задача решена за счет того, что в радиальный ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру кольцеобразной формы, выполненную из диэлектрического материала, магнитную систему, в состав которой входит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы и магни- топровод с магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходного среза разрядной камеры, кольцеобразный анод с устройством газораспределения, расположенный в полости разрядной камеры, и катод-компенсатор, введены по меньшей мере одна дополнительная разрядная камера, установленная соосно основной разрядной камере, и дополнительная магнитная система с магнитными полюсами, образующие рабочий межполюсный зазор в области выходного среза каждой дополнительной разрядной камеры, при этом угол α между осью симметрии разрядных камер и образующей внут- ренней поверхности каждого ускорительного канала выбран из условия 0о< α<180о, причем источники магнитодвижущей силы включены так, что векторы индукции магнитного поля в межполюсных зазорах соседних разрядных камер имеют противоположные направления.The problem is solved due to the fact that a radial plasma accelerator with a closed electron drift, containing a discharge chamber of a ring-shaped shape made of dielectric material, a magnetic system, which includes at least one source of magnetomotive force and a magnet core with magnetic poles, forming a working interpolar gap in the area of the outlet cut of the discharge chamber, an annular anode with a gas distribution device located in the cavity of the discharge chamber, and a cathode-compensator at least one additional discharge chamber, mounted coaxially with the main discharge chamber, and an additional magnetic system with magnetic poles, which form a working interpolar gap in the region of the exit slice of each additional discharge chamber, with the angle α between the axis of symmetry of the discharge chambers and the inner surface of each of the acceleration duct is selected from the condition of 0 <α <180 °, the magnetomotive force sources included so that the vectors of the magnetic field in the pole gaps of adjacent gas tube chambers have opposite directions.
Задача увеличения длины зоны ионизации решена за счет того, что, во-первых, анод может быть образован частью магнитопровода, которая расположена в полости каждой разрядной камеры и отделена от остальных участков магнитопровода диэлектрическими прокладками; во-вторых, каналы впрыска устройства газораспре- деления направлены под углом к поверхности стенки зарядной камеры. The problem of increasing the length of the ionization zone is solved due to the fact that, firstly, the anode can be formed by a part of the magnetic circuit, which is located in the cavity of each discharge chamber and is separated from the remaining sections of the magnetic circuit by dielectric spacers; secondly, the injection channels of the gas distribution device are directed at an angle to the surface of the wall of the charging chamber.
Задача, связанная с различной эффективностью работы катода-компенсатора на ближнем к нему и расположенном за ним разрядных каналах, решена за счет того, что входы устройств газораспределения каждой разрядной камеры соединены с системой перераспределения расхода рабочего тела. The problem associated with the different efficiency of the compensator cathode at the discharge channels closest to it and located behind it is solved due to the fact that the inputs of the gas distribution devices of each discharge chamber are connected to the redistribution system of the flow of the working fluid.
Задача по обеспечению заданного вектора механического усилия, создаваемого ускорителем при работе, связанная с необходимостью компенсации усилий, возникающих при экранировании части ускоренного потока плазмы, решена за счет того, что ускоритель дополнительно содержит экран-компенсатор, установленный за срезом по меньшей мере одной разрядной камеры в зоне слабого магнитного поля и перекрывающий часть поперечного сечения ускоренного потока плазмы, причем поверхностный слой экрана-компенсатора, обращенный к потоку плазмы, выполнен из диэлектрического материала. The task of providing a given vector of mechanical force generated by the accelerator during operation, associated with the need to compensate for the forces arising from shielding part of the accelerated plasma flow, is solved due to the fact that the accelerator additionally contains a compensating screen installed behind a slice of at least one discharge chamber in zone of a weak magnetic field and overlapping part of the cross section of the accelerated plasma stream, and the surface layer of the compensating screen facing the plasma stream is made of ielektricheskogo material.
На фиг.1 изображены ускоритель с дополнительными разрядным каналом и магнитной системой, а также система перераспределения расхода в разрезе; на фиг. 2 ускоритель плазмы, в котором часть осевого магнитопровода совмещает функции анода и газораспределителя; на фиг.3 представлена разрядная камера с устройством газораспределения, в котором каналы впрыска направлены под углом к плоскости разрядной камеры; на фиг.4 и 5 показан ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, на котором размещен экран-компенсатор. Figure 1 shows an accelerator with an additional discharge channel and a magnetic system, as well as a sectional flow redistribution system; in FIG. 2 a plasma accelerator, in which part of the axial magnetic circuit combines the functions of the anode and gas distributor; figure 3 presents the discharge chamber with a gas distribution device in which the injection channels are directed at an angle to the plane of the discharge chamber; Figures 4 and 5 show a plasma accelerator with a closed electron drift, on which a compensating screen is placed.
Радиальный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит магнитную систему, состоящую из магнитных полюсов 1, источников 2 магнитодвижущей силы и магнитопроводов 3, расположенную в межполюсном зазоре 4 радиальную разрядную камеру 5 с диэлектрическими стенками 6, анодом 7 и устройством 8 газораспределения с каналами 9 впрыска рабочего газа, катод-компенсатор 10, а также дополнительную разрядную камеру 11, расположенную в дополнительном межполюсном зазоре 12 дополнительной магнитной системы, состоящей из магнитных полюсов 13, магнитопроводов 14 и источников 15 магнитодвижущей силы, причем магнитопровод между двумя соседними каналами выполнен в виде единого конструктивного элемента 16, а на входе в ускоритель перед устройствами 8 и 17 газораспределения установлена система 18 перераспределения расхода в разрядные камеры. A radial accelerator with a closed electron drift contains a magnetic system consisting of magnetic poles 1, magnetomotive force sources 2 and
В ускорителе по фиг.2 часть осевого магнитопровода 3, расположенная в зоне разрядной камеры 5, отделена от остальных его участков диэлектрическими прокладками 19 и на нее подан анодный потенциал. In the accelerator of FIG. 2, a part of the axial
В ускорителе по фиг.3 в устройствах 8 и 17 газораспределения каналы 9 впрыска направлены под углом к поверхности стенки разрядной камеры 5. In the accelerator of FIG. 3, in the
На ускорителе по фиг.4 и 5 за срезом разрядной камеры 5 установлен экран-компенсатор 20, поверхность которого со стороны разрядной камеры выполнена из диэлектрического материала 21. On the accelerator of FIGS. 4 and 5, behind the slice of the
Ускоритель работает следующим образом. The accelerator works as follows.
Входящая в состав ускорителя магнитная система обеспечивает заданную величину и конфигурацию распределения магнитного поля в межполюсном зазоре 4, в котором размещена разрядная камера 5. Величина магнитного поля определяется мощностью источников 2 магнитодвижущей силы, а конфигурация обеспечивается взаиморасположением полюсов 1. Таким образом магнитный поток, проходя через насыщенные магнитные полюса и связывающие их магнитопроводы 3, создает в разрядной камере 5 магнитную линзу с крутым градиентом радиальной составляющей вектора магнитной индукции. Рабочий газ поступает в устройство 8 газораспределения, которое обеспечивает радиальную однородность его впрыска через каналы 9 в разрядную камеру 5, которые могут быть конструктивно выполнены в аноде 7. Часть поступающих из катода-компенсатора 10 электронов замыкается на анод, дрейфуя в скрещенных -полях, обеспечивая ионизацию поступающих в разрядную камеру нейтральных атомов электронным ударом. Стабилизацию электронной температуры в камере и ширину слоя ионизации и ускорения обеспечивают диэлектрические стенки 6. Остальная часть электронов вытягивается ускоренными ионами, вследствие чего формируется ускоренный квазинейтральный поток плазмы на выходе из ускорителя.The magnetic system included in the accelerator provides the specified magnitude and configuration of the magnetic field distribution in the interpolar gap 4, in which the
В ускорителе по фиг.2 анодный потенциал подается на часть осевого магнитопровода 3 в зоне разрядной камеры, которая отделена от остальных его частей диэлектрическими прокладками 19. В данном примере анод-магнитопровод 3,7 при работе ускорителя также обеспечивает газораспределение подводимого рабочего газа. In the accelerator of FIG. 2, the anode potential is supplied to a part of the axial
В ускорителе по фиг.3 рабочий газ подается в разрядную камеру 5 через каналы 9 впрыска устройства 8 газораспределения под углом к плоскости разрядной камеры. В приведенном примере этот угол равен 90о, что максимально увеличивает время нахождения нейтральных атомов в зоне ионизации разрядной камеры.In the accelerator of FIG. 3, the working gas is supplied to the
В поликанальном ускорителе источники 2 и 15 магнитодвижущей силы, расположенные на соответствующих магнитопроводах 3 и 14, с помощью полюсов формируют в межполюсных зазорах 4 и 12 магнитное поле требуемой величины и конфигурации. Причем источники магнитодвижущей силы включены так, что направления радиальной составляющей вектора индукции магнитного поля в соседних зазорах имеют противоположные направления и складываются при прохождении через единый для обеих магнитных систем магнитопровод 16 между двумя соседними каналами. Рабочий газ подается в любую из разрядных камер 5 и 11, либо в обе одновременно в зависимости от решаемой при работе ускорителя задачи. Причем при одновременной работе обоих каналов закрутка ионов по ларморовскому радиусу имеет противоположное направление из-за противоположности направления магнитного поля в каналах, что приводит к самокомпенсации возникающих при ионной закрутке крутящих моментов. In a multichannel accelerator, sources 2 and 15 of magnetomotive force located on the corresponding
В ускорителе рабочий газ поступает в устройство перераспределения рабочего газа, в котором происходит перераспределение расхода рабочего газа с помощью, например, жиклерных шайб 18. Далее газ с заданными уровнями расхода поступает в разрядные камеры 5 и 11. Причем жиклерные шайбы в рассматриваемом примере подобраны таким образом, что выравнивается сопротивление нагрузки между катодом-компенсатором и анодами каждого из разрядных каналов и, как следствие, выравниваются разрядные токи, а также границы устойчивой работы по разрядному напряжению и по расходу рабочего тела. In the accelerator, the working gas enters the working gas redistribution device, in which the working gas flow is redistributed using, for example, nozzle washers 18. Next, the gas with predetermined flow levels enters the
В ускорителе по фиг.4 и 5 часть потока плазмы, истекающей из разрядной камеры 5, попадает на обращенную к потоку поверхность экрана-компенсатора 20, покрытую слоем диэлектрического материала 21, где происходит в основном неупругое отражение ионов потока от диэлектрической поверхности. Толщина диэлектрического покрытия определяется в зависимости от плотности и энергии ионного потока в зоне размещения экрана-компенсатора, а также коэффициентом ионного распыления материала диэлектрика. Поглощенная и частично отраженная часть импульса ускоренного потока ионов обуславливает наличие нескомпенсированного вектора механического усилия при работе ускорителя. Направление вектора усилия определяется местом установки экрана-компенсатора. In the accelerator of FIGS. 4 and 5, a part of the plasma stream flowing out of the
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93021470/25A RU2040125C1 (en) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | Radial plasma accelerator with closed-loop drift of electrons |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93021470/25A RU2040125C1 (en) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | Radial plasma accelerator with closed-loop drift of electrons |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU5041852 Division |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2040125C1 true RU2040125C1 (en) | 1995-07-20 |
RU93021470A RU93021470A (en) | 1995-09-20 |
Family
ID=20140878
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93021470/25A RU2040125C1 (en) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | Radial plasma accelerator with closed-loop drift of electrons |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2040125C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000070928A2 (en) * | 1999-05-18 | 2000-11-30 | Gosudarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie 'vserossysky Elektrotekhnichesky Institut Imeni V.I. Lenina' | Method for obtaining and accelerating plasma and plasma accelerator using a closed-circuit electron drift |
RU2503848C2 (en) * | 2011-06-16 | 2014-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП "НИИМаш") | Pulse electric jet engine |
-
1993
- 1993-04-23 RU RU93021470/25A patent/RU2040125C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Гришин С.Д. и др. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975, с.152, 154. * |
2. Левченко Ю.М. и др. Технологические модели УЗДП. IV Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов, М., 1978, с.409, 410, рис.2. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000070928A2 (en) * | 1999-05-18 | 2000-11-30 | Gosudarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie 'vserossysky Elektrotekhnichesky Institut Imeni V.I. Lenina' | Method for obtaining and accelerating plasma and plasma accelerator using a closed-circuit electron drift |
WO2000070928A3 (en) * | 1999-05-18 | 2001-03-15 | G Unitarnoe Predpr Vserossysky | Method for obtaining and accelerating plasma and plasma accelerator using a closed-circuit electron drift |
RU2503848C2 (en) * | 2011-06-16 | 2014-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП "НИИМаш") | Pulse electric jet engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5359258A (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
US6777862B2 (en) | Segmented electrode hall thruster with reduced plume | |
RU2344577C2 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
US6075321A (en) | Hall field plasma accelerator with an inner and outer anode | |
RU2107837C1 (en) | Short-length plasma-jet engine with closed-circuit electron drift | |
US6215124B1 (en) | Multistage ion accelerators with closed electron drift | |
RU2121075C1 (en) | Plasma engine with closed electron-drift path | |
EP3369294B1 (en) | Plasma accelerator with modulated thrust and space born vehicle with the same | |
EP0265365A1 (en) | End-hall ion source | |
US7624566B1 (en) | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator | |
US5892329A (en) | Plasma accelerator with closed electron drift and conductive inserts | |
US6208080B1 (en) | Magnetic flux shaping in ion accelerators with closed electron drift | |
JPH04229996A (en) | Plasma accelearator having closed electron drift | |
EP0541309B1 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
Belov et al. | Pulsed high-intensity source of polarized protons | |
RU2030134C1 (en) | Plasma acceleration with closed electron drift | |
RU2040125C1 (en) | Radial plasma accelerator with closed-loop drift of electrons | |
RU2474984C1 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
EP1082540B1 (en) | Magnetic flux shaping in ion accelerators with closed electron drift | |
RU2045134C1 (en) | Plasma accelerator with closed drift of electrons | |
CN114258182B (en) | Cusp field ion source and ion beam generating method | |
RU2139646C1 (en) | Closed-electron-drift plasma accelerator | |
Bryzgunov et al. | Efficiency improvement of an electron collector intended for electron cooling systems using a Wien filter | |
RU2681524C1 (en) | Plasma-optic mass separator ions beam generation method and device for its implementation | |
RU2139647C1 (en) | Closed-electron-drift plasma accelerator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050424 |