RU2156555C1 - Способ получения и ускорения плазмы и ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при создании ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов, применяемых в космических электрореактивных двигателях, а также для научных исследований и производства при создании вакуумных технологических установок. Достигаемый технический результат заключается в значительном повышении КПД процесса создания и ускорения плазмы и ресурса работы ускорителя, реализующего этот процесс. Для этого в способе получения и ускорения плазмы посредством воздействия потока электронов от автономного источника на газообразное рабочее вещество (РВ) в кольцевой осесимметричной системе создают однородное по всей длине системы магнитное поле с напряженностью Н₀, которая определяется из условия полного размагничивания на выходе из системы, предварительно формируют однородный в поперечном сечении поток РВ и вводят его в систему на расстоянии от выхода из нее, превышающем длину магнетронной отсечки, обеспечивая при этом концентрацию плазмы на выходе из системы не менее чем концентрация плазмы в системе. Реализуется этот способ тем, что в ускорителе плазмы с замкнутым дрейфом электронов, содержащем осесимметричную магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, полюсные наконечники выполнены по всей длине разрядной камеры и соединены, как и катод-компенсатор, с отрицательным полюсом источника питания, а анод, совмещенный с системой подачи РВ, снабжен пористой перегородкой и заглублен от среза ускорителя на расстояние R_н, превышающее длину магнетронной отсечки по крайней мере на величину теплового ларморовского радиуса. При этом поверхность пористой перегородки повторяет форму магнитных силовых линий для обеспечения ламинарности ионного потока. Зазоры между поверхностями полюсных наконечников и соответствующими краями пористой перегородки выбраны с учетом угла расходимости ионного пучка на длине R_н и обеспечения их электрической прочности. Для формирования равномерного потока электронов в разрядную камеру и возможности регулирования электронной концентрации катодной плазмы катод-компенсатор размещают соосно ускорителю на поверхности его среза. Дополнительно к этому для уменьшения расхода газа через катод-компенсатор зону формирования катодной плазмы закрывают диффузором с выходным отверстием. При этом поверхности полюсных наконечников выполняют в виде усеченных конусов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к плазменной технике, в частности может быть использовано при создании ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов, применяемых в космических электрореактивных двигателях, а также для научных исследований и производства при создании вакуумных технологических установок, использующих потоки ионов различных веществ.

Известны способы [1] получения и ускорения плазмы путем воздействия электронов на газообразное рабочее вещество (РВ) в системе с взаимно перпендикулярными стационарными продольным электрическим и поперечным магнитным полями, обеспечивающих ионизацию РВ и ускорение ионов с последующей компенсацией их заряда электронным потоком от независимого источника. В этом случае поля создают в кольцевой осесимметричной системе, ограниченной диэлектрической поверхностью, открытой с одной стороны, диэлектрическая поверхность которой разделяет положительный (анод) электрод и отрицательные (катод) электроды. При этом поперечное магнитное поле, направленное по радиусу, создают между полюсами магнитопровода, снабженного источником магнитодвижущей силы (МДС). В такой системе формируют разряд с замкнутым холловским током в кольцевом разрядном пространстве из электронов катодной плазмы от независимого источника. Однако основное требование такого способа, чтобы ларморовский радиус электрона был много меньше, чем поперечный размер разрядного пространства, не устраняет гибели электронов на стенках разрядной камеры системы, что срывает дрейф электронов, приводит к снижению эффективности ионизации РВ и эрозии стенок. В итоге снижается КПД системы и ресурс устройств, основанных на этом способе ускорения ионного потока.

Наиболее близкий и более эффективный способ, выбранный в качестве прототипа [3], заключается в том, что в кольцевой осесимметричной системе, ограниченной электропроводящей поверхностью, создают продольное электрическое и неоднородное по длине магнитное поле, и зону ускорения перемещают близко к выходному концу системы. Благодаря этому удается снизить эрозию стенок системы, но при этом расходимость ионного пучка достигает больших значений, что снижает КПД данного способа ускорения за счет увеличения поперечного импульса ускоренного ионного потока и снижения эффективности ионизации замагниченными электронами, которые попадают на положительный электрод ускоряющей системы.

Известны [1, 2] плазменные ускорители, содержащие диэлектрическую разрядную камеру, расположенную в кольцевом межполюсном зазоре магнитной системы, питаемой источником МДС и создающей радиальное магнитное поле в разрядной камере; кольцевой анод с системой подачи РВ, соединенный с положительным полюсом источника электропитания; кольцевые катоды на выходе из разрядной камеры и катод-компенсатор, расположенный за срезом магнитной системы ускорителя, соединенные с отрицательным полюсом источника электропитания. В разрядной камере создается электрический разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях с замкнутым дрейфом электронов, обеспечивающий ионизацию РВ и ускорение ионного потока. Так как диэлектрические стенки камеры не обеспечивают достаточной разности потенциала, удерживающей быстрые электроны в канале от центробежного дрейфа, последние попадают на стенки, уменьшая эффективность ионизации поступающего с анода РВ, что снижает КПД и ресурс такого ускорителя.

Ближайшим аналогом предлагаемого устройства, выбранным в качестве прототипа, является ускоритель с анодным слоем [4], в котором обеспечивается улучшение фокусировки за счет вынесения анода в область с положительным градиентом магнитного поля в направлении по потоку РВ. Известный ускоритель содержит кольцеобразную разрядную камеру, ограниченную электропроводящими стенками и расположенную между полюсными наконечниками на выходе из нее; магнитопровод с источником МДС. Камера открыта в сторону межполюсного кольцеобразного среза ускорителя, а с другой стороны имеет кольцеобразный анод с полостью, сообщенный с системой подачи газообразного РВ, наружная и внутренняя кольцеобразные электропроводящие и размещенные в межполюсном зазоре вниз по потоку РВ стенки выполняют роль катодов. Катод-компенсатор установлен за срезом ускорителя. Положительный полюс источника электропитания постоянного напряжения подсоединен к аноду, а отрицательный - к катодам и катоду-компенсатору.

Недостатком устройства-прототипа является то, что достигается лишь частичное снижение эрозии стенок разрядной камеры и остается значительная расфокусировка плазменного потока, обусловленная разбросом продольных скоростей за срезом ускорителя. В результате этого оказывается недостаточным ресурс ускорителя, снижается его КПД за счет трансформации приобретенного в ускоряющем промежутке импульса в радиальную компоненту, а также при использовании ускорителя в космическом электрореактивном двигателе не исключается взаимодействие плазменного потока с обшивкой космического корабля, что приводит к его разрушению.

Предлагаемое изобретение касается способа получения и ускорения плазмы и устройства для его реализации.

В основу его положена задача создания средств для обеспечения эффективной ионизации РВ и формирования ускоренного моноэнергетичного ламинарного ионного потока, позволяющего значительно повысить КПД процесса ускорения и ресурс работы ускорителя, реализующего этот процесс.

Поставленная задача решена тем, что в способе получения и ускорения плазмы посредством воздействия потока электронов от автономного источника на газообразное РВ в кольцевой осесимметричной системе, ограниченной электропроводящей поверхностью и открытой с одной стороны, с продольным электрическим и радиальным магнитным полями, и последующей компенсацией объемного заряда плазмы, создают однородное по всей длине системы магнитное поле с напряженностью H₀, выбранной из соотношения
H₀= (8πj_i)^1/2•(φ₀M/2e)^1/4,
где j_i - заданная плотность тока ионов газообразного РВ;
φ₀ - потенциал продольного электрического поля;
М - масса ионов РВ;
e - элементарный заряд электрона; предварительно формируют однородный в поперечном сечении поток РВ и вводят его в систему на расстоянии от выхода из нее, превышающем длину магнетронной отсечки, при этом обеспечивают концентрацию плазмы на выходе из системы не менее чем концентрация плазмы в системе.

Способ реализуется с помощью ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов, содержащего осесимметричную магнитную систему с источником МДС, кольцеобразными внутренним и внешним магнитопроводами, снабженными полюсными наконечниками, образующими кольцеобразную разрядную камеру, открытую со стороны среза ускорителя и закрытую с противоположной стороны анодом с полостью, совмещенным с системой подачи газообразного РВ, катод-компенсатор, расположенный за срезом ускорителя, и источник электропитания постоянного напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом, а отрицательный - с катодом-компенсатором, в котором концентрические поверхности полюсных наконечников внутреннего и внешнего магнитопроводов выполнены по всей длине разрядной камеры и соединены с отрицательным полюсом источника электропитания, анод снабжен пористой перегородкой, внешняя поверхность которой по форме совпадает с силовой линией магнитного поля, касательной к внутренним краям анода, и удалена от среза ускорителя на расстояние R_н, выбранноe из соотношения

где c - скорость света;
e, m - заряд и масса электрона;
M - масса иона РВ;
j_i - заданная плотность ионного тока газообразного РВ;
φ₀ - заданное ускоряющее напряжение;
Te - температура электронов плазмы,
при этом зазоры между поверхностями полюсных наконечников и соответствующими краями пористой перегородки анода Δ равновелики и удовлетворяют соотношению
Δ ≥ (Tg/4φ₀)^1/2•R_н,
где Tg - температура газообразного РВ на выходе из пористой перегородки анода;
а катод-компенсатор расположен соосно ускорителю на поверхности его среза.

Дополнительно ускоритель снабжен диффузором, который расположен соосно ускорителю, примыкает к его срезу и имеет выходное осевое отверстие, диаметр которого больше радиального размера разрядной камеры, и длину L, выбранную из соотношения

где n_g - концентрация газообразного РВ на выходе из разрядной камеры;
σ_p - сечение рассеяния ионов РВ на газе;
R₁ - средний радиус разрядной камеры на срезе ускорителя;
при этом поверхности полюсных наконечников внутреннего и внешнего магнитопроводов выполнены в виде усеченных конусов.

Для обоснования выбора класса ускорителя и реализуемых в нем процессов создания и ускорения ионов, а также требований, предъявляемых к ним, следует пояснить, что в электрических ракетных двигателях (ЭРД) реактивная сила возникает в процессе ионизации РВ и ускорения образующихся положительных ионов продольным электрическим полем. Реактивное давление f численно равно плотности потока импульса и направлено в противоположную сторону
f= -1/e • j_iMV_io,(1)
где j_i, V_io и М - соответственно плотность тока, продольная скорость и масса ионов РВ.

Поперечные составляющие скорости ионов V_i ⊥ не создают реактивной силы, но увеличивают расход энергии, снижая КПД. Поэтому в идеальном случае следует формировать плоскопараллельный моноскоростной поток ионов. На выходе ионного ускорителя с помощью катода-компенсатора создают квазинейтральную струю ускоренной плазмы, где направленные скорости ионов и электронов одинаковы. Поэтому кинетическая энергия направленного движения ионов в M/m раз превышает кинетическую энергию электронов (~ 10⁵ раз), которую можно не учитывать. Для современных ЭРД оптимальная скорость ионов около 2 • 10⁶ см/с, что соответствует ускоряющему напряжению φ₀ ~ 10² В. В газодинамическом ускорителе такая скорость может быть достигнута при температуре газа ~ 10⁶K, что абсолютно нереально. Поэтому газодинамическими силами в ЭРД тоже можно пренебречь по сравнению с электрическими.

Для обоснования достижения поставленной задачи за счет использования совокупности перечисленных выше признаков заявляемых технических решений подробно рассмотрим процессы, происходящие в магнитогидродинамическом ускорителе плазмы, реализующем предлагаемый способ, где в кольцевой осесимметричной разрядной камере, ограниченной электропроводящей поверхностью, с радиальным и однородным по всей длине камеры магнитным полем (Н) и продольным электрическим полем (Е) вдоль канала ускорения формируется замкнутый холловский ток электронов.

Подразумевается, что электроны в среднем дрейфуют в азимутальном направлении со скоростью V₀ = с(EH)/H². Вблизи поверхности анода V₀= V_e0= (2eφ₀/m)^1/2 и на электроны действует центробежная сила F_ц.б. = mV_eo ²/R, где R - средний радиус анодного кольца. Двигаясь в радиальном направлении с ускорением ~ V_eo ²/R, электроны за время ~π/ω, где ω = V_e0/ρ_e0 - циклотронная частота электронов, а ρ_e0 - ларморовский радиус электронов, приобретают радиальную скорость
V_r= π/ω•V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{e0}}$ /R>πV_e0•ρ_e0/R
и могут преодолеть разность потенциалов Δφ_r> 10²φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{0}}$ /H₀ ²R²; при φ₀ ~ 100 В, H₀ = 100 Эр и R=2,5 см Δφ_r ≥ 16 В. Чтобы быстрые электроны удержать в плазме, поддержать азимутальный дрейф, необходимо, чтобы Δφ_r было меньше пристеночного падения потенциала, которое в предлагаемой конструкции равно ~φ₀. Это гарантирует удержание в плазме быстрых электронов. Создание магнитного поля однородным по всей длине разрядной камеры реализуется в устройстве за счет выполнения поверхностей полюсных наконечников внутреннего и внешнего магнитопроводов по всей длине камеры и соединения их с отрицательным полюсом источника электропитания. При этом полюсные наконечники одновременно выполняют роль катодов, создающих продольное электрическое поле с потенциалом φ₀.
С учетом азимутального тока магнитное поле, создаваемое в разрядной камере, будет спадать вдоль потока за счет диамагнетизма, вызванного холловским током.

Простейшее рассмотрение уравнений движения, баланса энергии и максвелловских уравнений [3] позволяет получить соотношение между реактивным (1) и магнитным давлением

где H₀ - напряженность поля на анодной границе, где φ = φ₀;
H_к - напряженность поля на катодной границе, где φ ≅ 0.
Максимальное магнитное давление получается при полном размагничивании в ускоряющем промежутке, т.е. при H_к ---> 0. Тогда из (1) и (2) следует, что H₀ должна быть

а толщина слоя, в котором формируется холловский ток, должна быть равна длине магнетронной отсечки электронов, на которой их вектор поворачивается на π/2, и определяется выражением

где ρ_e0= mV_e0c/eH₀= c/H₀•(2mφ₀/e)^1/2, V=V_ey/V_e0; V_e0= (2eφ₀/m)^1/2; ϑ = arcSinV_e0.
В широком диапазоне параметров ускорения φ_0/ и j_i, для которых H₀ находится из (3), соотношение (4) сводится к выражению
R $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{°}}{\text{н}}$ ≅ 4ρ_e0. (5)
При более строгом рассмотрении удаление источника РВ от среза системы ускорения должно быть несколько больше R_н ^о по крайней мере на величину теплового ларморовского радиуса, равного

Тогда окончательно минимальное расстояние источника РВ от среза ускорителя определится как

При этом поверхность пористой перегородки анода должна повторять форму магнитных силовых линий, чтобы обеспечить ламинарность ионного потока в тракте ускорения.

Следовательно, для обеспечения высокой эффективности ионизации РВ и ускорения ионов границу поступления РВ следует заглублять от среза ускорителя на расстояние, превышающее длину магнетронной отсечки. При меньшей длине заглубления не происходит полного размагничивания, а следовательно, снижается эффективность ускорения ионов, т.е. уменьшается КПД системы. Значительное увеличение необоснованно из конструктивных соображений.

Распределение холловского тока по длине R_н в разрядной камере вызывает изменение магнитного поля в камере, приводящее к размагничиванию первоначально однородного поля до значений, близких к нулю на его срезе. Появляющийся перепад магнитного давления, равный H $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{0}}$ /8π, приводит к режиму объемного ускорения ионов в канале амперовой силой и формированию электрического поля в виде двойного электрического слоя. Толщина этого слоя определенным образом зависит от параметров катодной плазмы (Te, n_ек). Существенным образом влияют как начальная скорость электронов, определяемая Te, так и концентрация катодной плазмы n_ек, которая определяет характер распределения электрического поля в разрядной камере. Рост концентрации катодной плазмы снижает длину двойного электрического слоя. При условии n_ек < n_ев, где n_ев - концентрация плазмы в разрядной камере, ускоряющий слой будет растянут на всю длину разрядной камеры и не обеспечивает моноэнергетичности ионов, что ведет к снижению КПД.

Одной из главных причин высокой угловой расходимости ионного пучка в ускоряющем промежутке ускорителя, приводящей к эрозии стенок, является действие радиальной компоненты электрического поля. При наличии квазинейтрального однородного потока ионов распределение потенциала отличается от однородного лишь на краях потока, формируя оболочку на расстоянии порядка 5r_d, где r_d= (Te/4πn_eвe²)^1/2 - дебаевский радиус, который для характерных параметров плазмы (Te ~2 эВ, n_ев ~ 2•10¹³) составляет величину ~3•10^-4 см. Таким образом, на наружную оболочку приходится ничтожная доля ионного потока ~ 3•10^-3, создающая быстро расширяющийся ореол, с потерей ионов из которого можно мириться. При этом центральное ядро однородного квазинейтрального ионного пучка расширяется с тепловой скоростью. Поэтому достаточно обеспечить неравномерность потока РВ в пределах
Δq₀/q₀≤Tg/Te. (7)
В предлагаемом устройстве это достигается использованием пористой перегородки в аноде, в которой размер пор должен быть порядка теплового ларморовского радиуса, а толщина много больше ρ_ет. В качестве таких материалов может быть использован, например, пористый вольфрам или мелкодисперсный графит.

Это обеспечит угол расходимости ионного пучка на длине транспортировки R_н, равный
(Tg/φ₀)^1/2≅ 2•10^-2рад. (8)
Этим определяется выбор зазоров между полюсными наконечниками, находящимися на расстоянии "в" друг от друга, и кромками анодной пористой перегородки, ширина которой равна "a_o", которые должны быть равновелики и выбираются из соотношения

при этом зазор Δ должен обеспечивать электрическую прочность промежутка.

Предполагается, что вероятность ионизации потока РВ q₀ близка к единице, т.е.

q₀ = j_i/e,(10)
и расстояние, на котором это происходит (длина выгорания), должно быть мало.

В тех предположениях, которые обеспечивали соотношение (4), оказывается, что на расстоянии от анода порядка Δx = 0,2ρ_e0 вероятность ионизации равна
j_i/e = q₀(1-e^-x(Δz)) ≈ 0,996q₀, (11)
где x(Δz) = 2σ_mV_e0/V_g•∫n_в(z)dz;
σ_m - максимальное сечение ионизации электронами РВ;

- тепловая скорость атомов РВ;

-
концентрация электронов, участвующих в процессе ионизации.

Таким образом, в предложенном устройстве практически весь поток РВ преобразуется в продольный поток ионов, в то время как в известных устройствах угол расширения ионного потока не удается получить меньше 60^o. Это обеспечивает повышение КПД системы в (1+sin²α/2) ~1,5 раза и практически исключает эрозию стенок камеры и повышает чистоту потока РВ на выходе из ускорителя.

Установка катода-компенсатора вблизи среза ускорителя на его оси обеспечивает равномерный поток электронов в разрядную камеру, возможность регулирования электронной концентрации катодной плазмы, добиваясь условия (n_ek ~ 10 n_eв, где n_eв ~ n_iв - концентрации электронов и ионов в струе плазмы за срезом ускорителя, в котором слой ускорения оказывается тонким (порядка D₀= [1,86/9π•2e/M)^1/2•φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{3/2}}{\text{0}}$ /j_i]^1/2 - толщины ленгмюровского слоя). Кроме того, снижается вероятность динамической декомпенсации ионного пучка, что делает ускоритель более устойчивым.

Дополнительно к этому, чтобы уменьшить расход газа через катод-компенсатор, желательно зону формирования катодной плазмы закрыть диффузором с выходным отверстием для плазменного пучка. При этом изменение ширины ионного пучка "a", происходящее по закону
a²= a $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{0}}$ +2/3(x³/λ_p), (12)
где λ_p= 1/n_gσ_p - характерная длина рассеяния ионов;
σ_p - сечение рассеяния;
x - координата вдоль оси симметрии ускорителя;
n_g - переменная плотность газа в диффузоре,
можно скомпенсировать, используя начальное схождение пучка, для этого выполняют поверхности полюсных наконечников, ограничивающие кольцевой канал, в виде усеченных конусов с углом схождения, равным 2α,
где
α = R₁/L²n_gσ_p, (13)
где L - длина диффузора;
R₁ - средний радиус выходного сечения канала.

Величина L выбирается из условия
λ_p>L≥10R₁, (14)
чтобы обеспечить разумную длину конструкции и достаточно малый угол α, т. е. максимальная величина значений L определяется из (12), а при L > λ_p приводит к расширению струи плазмы. Диаметр выходного отверстия диффузора D_d должен несколько превышать радиальный размер разрядной камеры "в", чтобы обеспечить полный вывод плазменной струи из системы.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа и конструктивных особенностей осуществляющего его устройства с уровнем техники и отсутствие описания аналогичных способа и устройства в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых способа и устройства критерию "новизна". Заявленные способ и устройство характеризуются совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

В соответствии с представленным анализом конструкция предлагаемого устройства показана на фиг. 1. Более детально устройство ускорительного канала показано на фиг. 2, где на фиг. 2а представлено схематическое изображение разрядной камеры, на фиг. 2б - распределение потенциала вдоль разрядной камеры для различных значений концентрации плазмы на срезе ускорителя, на фиг. 2в - продольное распределение магнитного поля с учетом эффекта размагничивания, на фиг. 2г - продольное распределение плотности холловского тока, на фиг. 2д - траектории движения электронов из катодной плазмы и ионов, рожденных в канале.

В состав МГД ускорителя плазмы входят внешний магнитопровод с полюсным наконечником N - 1; внутренний магнитопровод с полюсным наконечником S - 2; источник магнитодвижущей силы 3; анод с полостью 4, снабженный пористой перегородкой 5 и системой подачи газообразного РВ 6, причем внешняя поверхность перегородки 5 имеет кривизну, соответствующую магнитным силовым линиям в разрядной камере 7; анод 4 подсоединен к положительному полюсу источника электропитания 8; катод-компенсатор 9 с системой подачи газа РВ 10, установленный за срезом 11 ускорителя на оси симметрии и подсоединенный к отрицательному полюсу источника 8; диффузор 12, формирующий плазменную струю с выходным осевым отверстием, диаметр которого D_d > b.

Ускоритель работает следующим образом.

Первоначально однородное магнитное поле формируется в кольцеобразном зазоре 7, который одновременно является разрядной камерой и ускорительным каналом (фиг. 2а), между полюсными наконечниками 1 и 2 с помощью источника МДС 3 и направлено по радиусу устройства. Электрическое поле создается источником 8, положительный полюс которого подсоединен к аноду 4, а отрицательный - к полюсным наконечникам магнитопровода устройства и к катоду-компенсатору. При зажигании разряда в скрещенных E ⊥ H полях в разрядной камере возникает замкнутый холловский ток, инициируемый электронами из катодной плазмы (за срезом ускорителя 11), которые проникают в разрядную камеру 7 на глубину магнетронной отсечки R_н ^о, как показано на фиг. 2д, обеспечивая ионизацию газообразного РВ, однородно по радиусу поступающего через пористую перегородку анода 5. Распределение холловского тока по длине разрядной камеры представлено на фиг. 2г. Это вызывает изменение магнитного поля за счет размагничивания от H_о в области анода до значений, близких к нулю на срезе ускорителя (фиг. 2в), что приводит к формированию электрического поля в виде двойного электрического слоя, характерное распределение которого показано на фиг. 2б, где кривая 1 - для низкой концентрации n_eк~n_eв, а кривая 2 - для высокой концентрации n_eк~10n_eв. В обоих случаях при равномерной подачи РВ в соответствии с (7) ускоряющий слой является подобным форме пористой перегородки анода, если его поверхность совпадает с магнитной силовой линией, и расширение ионного потока определяется тепловыми скоростями в соответствии с (8). Чтобы получить это условие, полный поток газа из катода-компенсатора (q_к) должен удовлетворять условию
q_к > q₀/6
С учетом процессов перезарядки атомов в ионном пучке соотношение расхода газа через катод-нейтрализатор и анод должно быть
q_к ≈ 0,25 q₀. (15)
На основании вышеизложенного можно выбрать параметры плазменного ускорителя. При выходной энергии ионов eφ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{0}}$ ~100 эВ электроны из катодной плазмы, участвующие в ионизации РВ, поступающего через пористую перегородку анода, приобретают ту же энергию, которая достаточна для обеспечения высокой вероятности процесса ионизации. При заданной мощности ускорителя, равной 100 Вт (полный ток ионов - 1 А), плотность тока для кольцевого анода с a₀=0,5 см и R= 2 см (S = 2πRa₀ = 6,28 cм²) равна j^*=0,159 А/см². При этом для ксенона

Расстояние от среза ускорителя до анода равно

Зазор между кромками анодной перегородки и межполюсным зазором Δ = (в-a₀)/2 = (Tg/4φ₀)^1/2•R_н= 0,02 см. При этом угол расширения ионного пучка составит ~ 1,3 в отличие от прототипа ~ 60^o, что дает выигрыш в КПД, равный (1+sin²(α_п/2))/(1+sin²(α/2)) ~ 1,5 раза. Ресурс возрастает за счет практически полного исключения ионной и электронной бомбардировки стенок разрядной камеры. При выборе номинальных значений j_i ^* и φ^*, которым соответствует магнитное поле H₀ ^* по (3) и радиус магнетронной отсечки R_н ^* по (4), оказывается заданным и геометрический фактор
S_a ^*=a₀/R_н ^*=const. (16)
Отклонение параметров от номинальных должно обеспечивать сохранение условия (16). В противном случае возможно резкое ухудшение характеристик двигателя (КПД, ресурс, расходимость). Оценки показывают, что если ограничить минимальное напряжение φ₀ ≥ 100 В и максимальную плотность тока j_i ≤ 2,5 А/см², то допустимым диапазоном параметров ускорителя будет следующий ряд:
100 В ≤ φ₀ ≤ 7400 В
0,289 A/см² ≤ j_i ≤ 2,5 А/см²
110 Эр ≤ H₀ ≤ 950 Эр
29 Вт/см² ≤ f ≤ 18,6 кВт/см²
Список литературы
1. С. Д. Гришин, Л.В. Лесков "Электрические ракетные двигатели космических аппаратов".- M.: Машиностроение, 1989.

2. Патент РФ N 2107837, кл. F 03 H 1/00, H 05 H 1/54, опубл. Бюл. N 9 от 27.03.98 г.

3. М.А. Абдюханов, С.Д. Гришин, В.Е. Ерофеев, А.В. Жаринов и др. Ионный ускоритель с анодным слоем, ГОНTИ N 1, 1975 г. - прототип способа.

4. Патент РФ N 2084085, кл. H 05 H 1/54, F 03 H 1/00. Бюл. N 19 от 97.07.10 - прототип устройства.

Claims (3)

1. Способ получения и ускорения плазмы посредством воздействия потока электронов от автономного источника на газообразное рабочее вещество в кольцевой осесимметричной системе, ограниченной электропроводящей поверхностью и открытой с одной стороны, с продольным электрическим и радиальным магнитным полями, и последующей компенсацией объемного заряда плазмы, отличающийся тем, что создают однородное по всей длине системы магнитное поле с напряженностью H₀, выбранной из соотношения
H₀= (8j_i)^1/2(φ₀M/2e)^1/4,
где J_i - заданная плотность тока ионов газообразного рабочего вещества;
φ₀ - потенциал продольного электрического поля;
M - масса ионов рабочего вещества;
e - элементарный заряд электрона,
предварительно формируют однородный в поперечном сечении поток рабочего вещества и вводят его в систему на расстоянии от выхода из нее, превышающем длину магнетронной отсечки, при этом обеспечивают концентрацию плазмы на выходе из системы не менее чем концентрация плазмы в системе.

2. Ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, содержащий осесимметричную магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, кольцеобразными внутренним и внешним магнитопроводами, снабженными полюсными наконечниками, образующими кольцеобразную разрядную камеру, открытую со стороны среза ускорителя и закрытую с противоположной стороны анодом с полостью, совмещенным с системой подачи газообразного рабочего вещества, катод-компенсатор, расположенный за срезом ускорителя, и источник электропитания постоянного напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом, а отрицательный - с катодом-компенсатром, отличающийся тем, что концентрические поверхности полюсных наконечников внутреннего и внешнего магнитопроводов выполнены по всей длине разрядной камеры и соединены с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения, анод снабжен пористой перегородкой, внешняя поверхность которой совпадает по форме с силовой линией магнитного поля, касательной к внутренним краям анода, и удалена от среза ускорителя на расстояние R_н выбранного из соотношения

где с - скорость света;
e, m - заряд и масса электрона;
М - масса иона рабочего вещества;
J_i - заданная плотность тока ионов газообразного рабочего вещества;
φ₀ - заданное ускоряющее напряжение;
Т_е - температура электронов плазмы; при этом зазоры между поверхностями полюсных наконечников и соответствующими краями пористой перегородки анода Δ равновелики и удовлетворяют соотношению
Δ ≥ (Tg/4φ₀)^1/2*R_н,
где Tg - температура газообразного рабочего вещества на выходе из пористой перегородки анода,
а катод-компенсатор расположен соосно ускорителю на поверхности его среза.

3. Ускоритель по п.2, отличающийся тем, что он снабжен диффузором, который расположен соосно ускорителю, примыкает к его срезу и имеет выходное осевое отверстие, диаметр которого больше радиального размера разрядной камеры, и длину L, выбранную из соотношения

где n_g - концентрация газообразного рабочего вещества на выходе из разрядной камеры;
σ_p - сечение рассеяния ионов рабочего вещества на газе;
R₁ - средний радиус разрядной камеры на срезе ускорителя,
при этом поверхности полюсных наконечников внутреннего и внешнего магнитопроводов выполнены в виде усеченных конусов.

Images