RU2089052C1

RU2089052C1 - Accelerator with anode layer

Info

Publication number: RU2089052C1
Application number: RU95110106/25A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Нестеренко; О.Б. Шабров; С.И. Коваленко
Original assignee: Опытное конструкторское бюро "Факел"
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1997-08-27
Also published as: RU95110106A

Abstract

FIELD: plasma technology and space engineering. SUBSTANCE: dielectric coat is applied to pole screen surface on anode side and to external surface of magnetic poles facing anode. Insulating coat may be also applied to side surface of anode-gas distributor on side of pole screens and magnetic poles. EFFECT: reduced erosion of poles and screens of accelerator magnetic system; reduced probability of anode-to-magnetic-system electric breakdown. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к плазменным источникам, используемым в ионно-плазменной технологии, а также электроракетным движителям, применяемым в космической технике. The invention relates to plasma sources used in ion-plasma technology, as well as electric propulsion devices used in space technology.

Известен одноступенчатый ускоритель с анодным слоем, включающий магнитную систему с магнитопроводом, внутренним и наружным полюсами, которые защищены внутренним и наружным полюсными экранами, образующими разрядную камеру. В глубине разрядной камеры расположен анод-газораспределитель. Полюсные экраны выполнены из стали Х18Н10Т [1]
Однако при функционировании ускорителя происходит эрозия полюсных экранов [1] При использовании ускорителя в ионо-плазменной технологии продукты распыления могут осаждаться на поверхностях обрабатываемых плазмой объектов, нежелательным образом изменяя их физико-химические свойства.A single-stage accelerator with an anode layer is known, including a magnetic system with a magnetic circuit, inner and outer poles, which are protected by inner and outer pole shields forming a discharge chamber. In the depth of the discharge chamber is an anode-gas distributor. Pole screens are made of steel X18H10T [1]
However, during operation of the accelerator, pole shield erosion occurs [1] When using the accelerator in ion-plasma technology, spray products can be deposited on the surfaces of plasma-treated objects, undesirably changing their physicochemical properties.

Эрозия магнитной системы двигателя может вызывать металлизацию элементов солнечных батарей космического аппарата и оптических устройств, а также снизить сопротивление изоляции между изолированными электродами аппаратуры, расположенной на борту космического аппарата. Erosion of the magnetic system of the engine can cause metallization of the solar cells of the spacecraft and optical devices, as well as reduce the insulation resistance between the isolated electrodes of the equipment located on board the spacecraft.

Известен двухступенчатый ускоритель с анодным слоем, содержащий магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами. Полюса закрыты полюсными экранами, которые образуют разрядную камеру. Экраны могут быть выполнены из молибдена или стойкого к распылению графита. В глубине разрядной камеры расположен анод и катод первой ступени ускорителя [2]
Энергии ионов, выпадающие на стенки разрядной камеры, соизмеримы с приложенным разрядным напряжением и могут составлять несколько сотен электрон-вольт, что достаточно для распыления любых конструкционных материалов [3] Использование стойкого к распылению графита лишь уменьшит скорость эрозии.Known two-stage accelerator with an anode layer containing a magnetic system with internal and external magnetic poles. The poles are covered by pole shields that form the discharge chamber. Screens can be made of molybdenum or spray resistant graphite. In the depth of the discharge chamber is the anode and cathode of the first stage of the accelerator [2]
The ion energies incident on the walls of the discharge chamber are commensurate with the applied discharge voltage and can amount to several hundred electron-volts, which is enough to spray any structural materials [3] Using spray-resistant graphite will only reduce the erosion rate.

Известен одноступенчатый ускоритель с вынесенным анодным слоем (прототип), содержащий магнитную систему с внутренним и наружным полюсами, а также полюсными экранами, образующими коаксиальную разрядную камеру. В разрядной камере установлен анод-газораспределитель, выход которого расположен у среза разрядной камеры, что привело к выносу зоны ускорения за пределы конструкции [4]
Однако при работе ускорителя происходит эрозия внешней поверхности магнитных полюсов и полюсных экранов [5] Это вызывает изменение конфигурации магнитного поля в межполюсном зазоре, а следовательно, рабочего процесса ускорителя в целом, ограничивая тем самым его ресурс. Плазма, проникающая вследствие диффузии в зазор между анодом и полюсными экранами, вызывает разрушение последних, при этом металлические продукты распыления могут замкнуть анод с магнитной системой. Кроме того, из-за высокой напряженности электрического поля между анодом и магнитной системой возможны электрические перебои, что может привести к повреждению системы электропитания.Known single-stage accelerator with a remote anode layer (prototype), containing a magnetic system with inner and outer poles, as well as pole shields forming a coaxial discharge chamber. An anode-gas distributor is installed in the discharge chamber, the output of which is located at the edge of the discharge chamber, which led to the removal of the acceleration zone outside the structure [4]
However, when the accelerator is operating, erosion of the external surface of the magnetic poles and pole shields occurs [5]. This causes a change in the configuration of the magnetic field in the interpolar gap, and consequently, of the accelerator’s working process as a whole, thereby limiting its life. Plasma penetrating due to diffusion into the gap between the anode and the pole shields causes the destruction of the latter, while metal sputtering products can close the anode with a magnetic system. In addition, due to the high electric field between the anode and the magnetic system, electrical interruptions are possible, which can lead to damage to the power supply system.

Расположение анода в плоскости полюсов исключает прямое попадание ускоренных ионов на элементы магнитной системы. Однако вблизи полюсов имеется электрическое поле (за счет разности) потенциалов между корпусом ускорителя и истекающей плазменной струей), в которой ускоряются низкоэнергетичные ионы из окружающего плазменного образования. Использование материалов с малым коэффициентом распыления, например графита или покрытий из нитрида титана, карбид титана в несколько раз уменьшает эрозию. Однако из-за их хороших электропроводных свойств вблизи полюсов сохраняется электрическое поле, в котором происходит ускорение ионов до энергий, достаточных для распыления конструкционных материалов. The location of the anode in the plane of the poles eliminates the direct hit of accelerated ions on the elements of the magnetic system. However, near the poles there is an electric field (due to the difference) of potentials between the accelerator body and the outflowing plasma jet), in which low-energy ions from the surrounding plasma formation are accelerated. The use of materials with a low atomization coefficient, such as graphite or titanium nitride coatings, titanium carbide reduces erosion several times. However, due to their good electrical properties near the poles, an electric field is maintained in which ions are accelerated to energies sufficient to spray structural materials.

Цель изобретения уменьшение эрозии магнитной системы ускорителя и вероятности электрических перебоев между анодом и магнитной системой. The purpose of the invention is to reduce the erosion of the magnetic system of the accelerator and the likelihood of electrical interruptions between the anode and the magnetic system.

Цель достигается тем, что в ускорителе с анодным слоем, содержащим магнитную систему с магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, а также полюсными экранами, образующими разрядную камеру и анод-газораспределитель, выход которого расположен у среза разрядной камеры, согласно изобретения, на поверхностях полюсных экранов со стороны анода, а также внешних и обращенных к аноду поверхностях магнитных полюсов нанесено диэлектрическое покрытие. The goal is achieved in that in an accelerator with an anode layer containing a magnetic system with a magnetic circuit, external and internal magnetic poles, as well as pole shields forming a discharge chamber and a gas distribution anode, the output of which is located at a section of the discharge chamber, according to the invention, on the surfaces of the pole shields from the anode side, as well as the external and facing the anode surfaces of the magnetic poles, are coated with a dielectric coating.

Для уменьшения вероятности электрических перебоев в зазоре между анодом и элементами магнитной системы на боковых поверхностях анода-газораспределителя со стороны экранов и полюсов также нанесено диэлектрическое покрытие. To reduce the likelihood of electrical interruptions in the gap between the anode and the elements of the magnetic system, a dielectric coating is also applied on the side surfaces of the gas distribution anode from the shields and poles.

На чертеже дана схема предлагаемого ускорителя. The drawing shows a diagram of the proposed accelerator.

Ускоритель с анодным слоем содержит магнитную систему 1 с катушками намагничивания 2, внутренним и наружным полюсами 3, а также внутренним и наружным экранами 4 из немагнитного материала, охватывающими анод 5. На внешние и обращенные к аноду поверхности полюсов 3 и экранов 4 нанесено диэлектрическое покрытие 6. На боковых поверхностях анода 5 со стороны экранов и полюсов также выполнено диэлектрическое покрытие 6. В качестве диэлектрического покрытия может быть использована двуокись циркония, нанесенная методом плазменного напыления. The accelerator with the anode layer contains a magnetic system 1 with magnetization coils 2, inner and outer poles 3, and also inner and outer shields 4 of non-magnetic material covering the anode 5. On the outer and facing the anode surfaces of the poles 3 and the shields 4 are coated with a dielectric 6 On the side surfaces of the anode 5 from the side of the shields and poles also made a dielectric coating 6. As a dielectric coating can be used zirconia deposited by plasma spraying.

Ускоритель с анодным слоем функционирует следующим образом. The accelerator with the anode layer operates as follows.

В анод 5 подается плазмообразующий газ. При включении катушек намагничивания 2 в зазоре между полюсами 3 возникает преимущественно радиальное магнитное поле. При приложении разности потенциалов между анодом 5 и плазменным-катодом компенсатором (не показан) возникает электрический разряд в скрещенном электрическом и магнитном полях. Ускоренные ионы истекают преимущественно в осевом направлении, формируя плазменную струю. Во время работы ускорителя у среза разрядной камеры возникает плазменное образование с низкоэнергетичными ионами. Электроны из окружающей плазмы выпадают на диэлектрические поверхности 6 и заряжают их отрицательно, относительно плазмы. При этом разность потенциалов между плазмой и локальным участком диэлектрика составляет примерно (2. 3) T_e, где T_e температура электронов, e- заряд электрона. Так как T_e не превышает нескольких электрон-вольт, то величина разности потенциалов, в которой происходит ускорение тепловых ионов, не превышает порогового значения распыления конструкционных материалов, в частности диэлектрического покрытия.Plasma-forming gas is supplied to the anode 5. When you turn on the magnetization coils 2 in the gap between the poles 3 occurs mainly radial magnetic field. When a potential difference is applied between the anode 5 and the plasma-cathode compensator (not shown), an electric discharge occurs in the crossed electric and magnetic fields. Accelerated ions flow mainly in the axial direction, forming a plasma jet. During operation of the accelerator, a plasma formation with low-energy ions occurs near the edge of the discharge chamber. Electrons from the surrounding plasma fall onto the dielectric surface 6 and charge them negatively, relative to the plasma. In this case, the potential difference between the plasma and the local part of the dielectric is approximately (2. 3) T _e , where T _e is the electron temperature, _e is the electron charge. Since T _e does not exceed several electron-volts, the potential difference in which the acceleration of thermal ions occurs does not exceed the threshold value for sputtering of structural materials, in particular, the dielectric coating.

Так, например, в одноступенчатом ускорителе с анодным слоем скорость эрозии наружного магнитного полюса, изготовленного из электротехнической стали, в начале составляла 22 мг/ч, а после нанесения на него покрытия из ZrO₂ не превышала погрешности измерения, составляющей 1 мг/ч.So, for example, in a single-stage accelerator with an anode layer, the erosion rate of an external magnetic pole made of electrical steel was 22 mg / h at the beginning, and after applying a coating of ZrO _{2 it} did not exceed a measurement error of 1 mg / h.

Диэлектрическое покрытие, нанесенное на анод 4, полюса 3 и экраны 5, уменьшает напряженность электрического поля в зазоре между анодом и элементами магнитной системы, так как плазма, проникающая в зазор вследствие диффузии, заряжает диэлектрические поверхности 6 примерно до одинакового потенциала, что снижает вероятность электрического пробоя. The dielectric coating deposited on the anode 4, poles 3 and shields 5 reduces the electric field strength in the gap between the anode and the elements of the magnetic system, since the plasma penetrating the gap due to diffusion charges the dielectric surfaces 6 to approximately the same potential, which reduces the likelihood of electrical breakdown.

Литература 1. Гаркуша В.И. и др. Совершенствование конструкции одноступенчатого ускорителя с анодным слоем (УАС).//Плазменные ускорители и ионные инжекторы: Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. Днепропетровск, 1986, с. 11-12. Literature 1. Garkusha V.I. and others. Improving the design of a single-stage accelerator with an anode layer (UAS) .// Plasma accelerators and ion injectors: Proc. doc. VI All-Union. conf. Dnepropetrovsk, 1986, p. 11-12.

2. Ляпин Е.А. Семенкин А.В. Современное состояние исследований ускорителя с анодным слоем. Ионные инжекторы и плазменные ускорители. Сб. науч. ст. /Под ред. А.И.Морозова, Н.Н.Семашко. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 20-33. 2. Lyapin EA Semenkin A.V. Current state of research of an accelerator with an anode layer. Ion injectors and plasma accelerators. Sat scientific Art. / Ed. A.I. Morozova, N.N. Semashko. M. Energoatomizdat, 1990, p. 20-33.

3. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М. Атомиздат, 1968, с. 70-71. 3. Pleshivtsev N.V. Cathode sputtering. M. Atomizdat, 1968, p. 70-71.

4. Ляпин Е.А. Семенкин А.В. Ускоритель с вынесенным анодным слоем. Тез. докл. VII Всесоюзн. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам, Харьков, 1989, с. 210-211. 4. Lyapin EA Semenkin A.V. Accelerator with remote anode layer. Thes. doc. VII All-Union. conf. on plasma accelerators and ion injectors, Kharkov, 1989, p. 210-211.

5. Garner C. E. and aa. Experimental Evaluation of Russian Anode Layer Thrusters. 30 th AIAA/ASME/SAE/ASEE/ Joint Propulsion Conference. Indianapolis. June 27-29, 1994. 5. Garner C. E. and aa. Experimental Evaluation of Russian Anode Layer Thrusters. 30 th AIAA / ASME / SAE / ASEE / Joint Propulsion Conference. Indianapolis. June 27-29, 1994.

Claims

1. An accelerator with an anode layer containing a magnetic system with a magnetic circuit, external and internal magnetic poles, as well as pole shields forming a discharge chamber, and an anode-gas distributor, the output of which is located at the edge of the discharge chamber, characterized in that on the surfaces of the pole shields with dielectric coating is applied on the sides of the anode and on the external surfaces of the magnetic poles facing the anode.

2. The accelerator according to claim 1, characterized in that the dielectric coating is applied on the side surfaces of the gas distribution anode from the side of the screens and poles.