RU2219683C2 - Plasma source and its operating process - Google Patents

Plasma source and its operating process Download PDF

Info

Publication number
RU2219683C2
RU2219683C2 RU2001132275A RU2001132275A RU2219683C2 RU 2219683 C2 RU2219683 C2 RU 2219683C2 RU 2001132275 A RU2001132275 A RU 2001132275A RU 2001132275 A RU2001132275 A RU 2001132275A RU 2219683 C2 RU2219683 C2 RU 2219683C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ignition
cathodes
plasma
discharge
cathode
Prior art date
Application number
RU2001132275A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2001132275A (en
Inventor
А.Н. Нестеренко
А.И. Корякин
В.В. Гопанчук
В.П. Агеев
В.С. Сыромятников
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие Российского авиационно-космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел"
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 Федеральное государственное унитарное предприятие Российского авиационно-космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие Российского авиационно-космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел"
Priority to RU2001132275A priority Critical patent/RU2219683C2/en
Publication of RU2001132275A publication Critical patent/RU2001132275A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2219683C2 publication Critical patent/RU2219683C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

FIELD: space engineering; taking off electrostatic potential of space vehicles and plasma contactor in electrodynamic cable systems. SUBSTANCE: plasma source has at least two hollow cathodes each incorporating emitter, starting heater, set of fire walls, and igniter rod, as well as filament power supplies connected to starter heaters and ignition discharge sources connected to emitters and igniter electrodes. Hollow cathodes are spaced maximum 0.2 m apart and their emitters are electrically interconnected. Operating process of plasma source incorporating at least two hollow cathodes includes plasma-forming gas supply to one of cathodes, start-up heating of the latter, ignition of discharge between emitter and igniter electrode followed by heater turn-off. Upon ignition of discharge in first cathode plasma-forming gas is fed to other cathode and ignition discharge is set up therein. As an alternative, operating algorithm of plasma source can be simplified by supplying plasma-forming gas to both cathodes at a time and upon start-up heating of one of cathodes power supplies of ignition discharges of both cathodes are turned on simultaneously. In addition after ignition discharges are set up in both cathodes that in first cathode can be turned off. EFFECT: enhanced ion current injected by plasma source. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к источникам плазмы, применяемым в космической технике, а именно плазменным контакторам для электродинамических тросовых систем, катодам-компенсаторам электрореактивных плазменных двигателей (ЭРД) и источникам плазмы для снятия электростатического потенциала космического аппарата. The invention relates to plasma sources used in space technology, namely, plasma contactors for electrodynamic cable systems, cathode-compensators of electro-reactive plasma engines (ERE) and plasma sources for removing the electrostatic potential of the spacecraft.

Известен полый катод, содержащий эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод [1]. Known hollow cathode containing an emitter, a starting heater, a system of heat shields and an ignition electrode [1].

Известен способ работы полого катода, для включения которого подают рабочий газ (например ксенон), выполняют стартовый разогрев и зажигают разряд на поджигной электрод [1]. There is a known method of operation of a hollow cathode, for which a working gas (for example, xenon) is supplied, start heating is performed and a discharge is ignited on the ignition electrode [1].

Известен источник плазмы, принятый авторами за прототип, содержащий основной и резервный полые катоды, электрически изолированные друг от друга, каждый из которых содержит эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод. Источники питания накала подключены к соответствующим стартовым нагревателям, а источники питания поджига к соответствующим поджигным электродам и эмиттерам основного и резервного катода [2]. A known plasma source, adopted by the authors as a prototype, containing primary and backup hollow cathodes, electrically isolated from each other, each of which contains an emitter, a starting heater, a system of heat shields and an ignition electrode. The glow power sources are connected to the corresponding starting heaters, and the ignition power sources are connected to the corresponding ignition electrodes and emitters of the main and backup cathode [2].

Известен способ работы источника плазмы, принятый за прототип, включающий подачу плазмообразующего газа в один из полых катодов, его стартовый разогрев и зажигание разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают. Второй полый катод предназначен для резервирования и не включается [2]. A known method of operation of a plasma source, adopted as a prototype, comprising supplying a plasma-forming gas to one of the hollow cathodes, its starting heating and ignition of the discharge between the emitter and the ignition electrode, after which the starting heater is turned off. The second hollow cathode is designed for redundancy and does not turn on [2].

Общим недостатком известных аналога и прототипа, а также способов их работы является малый ионный ток, который в зависимости от типоразмера полого катода, составляет 0,5...2,0 мА. Из-за малого ионного тока низка концентрация истекающей плазмы, что, в свою очередь, ограничивает инжектируемый электронный ток. A common drawback of the known analogue and prototype, as well as the methods of their operation, is the low ion current, which, depending on the size of the hollow cathode, is 0.5 ... 2.0 mA. Due to the low ion current, the concentration of the outflowing plasma is low, which, in turn, limits the injected electron current.

В известных устройствах поджигной разряд, организованный внутри полого катода, ограничен элементами конструкции, на поверхностях которой происходит рекомбинация плазмы. К тому же электрический потенциал спадает от поджигного электрода к эмиттеру. Такое электрическое поле направляет низкоэнергетичные ионы в сторону эмиттера, что препятствует их истечению в пространство, ограничивая ионный ток уровнем 0,5...2 мА. In known devices, the ignition discharge organized inside the hollow cathode is limited by structural elements, on the surfaces of which plasma recombination occurs. In addition, the electric potential decreases from the ignition electrode to the emitter. Such an electric field directs low-energy ions toward the emitter, which prevents their outflow into space, limiting the ion current to a level of 0.5 ... 2 mA.

При создании изобретения решалась задача по повышению инжектируемого ионного тока источника плазмы. When creating the invention, the problem was solved to increase the injected ion current of the plasma source.

Поставленная задача решена за счет того, что в источнике плазмы, содержащем по меньшей мере два полых катода, каждый из которых содержит эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод, а также источники питания накала, подключенные к стартовым нагревателям, и источники поджигного разряда, подключенные к эмиттерам и поджигным электродам, согласно изобретению полые катоды размещены на расстоянии не более 0,2 м друг от друга, а их эмиттеры электрически соединены. The problem is solved due to the fact that in the plasma source containing at least two hollow cathodes, each of which contains an emitter, a starting heater, a system of heat shields and an ignition electrode, as well as glow power sources connected to the starting heaters and ignition sources discharge connected to the emitters and ignition electrodes, according to the invention, the hollow cathodes are placed at a distance of not more than 0.2 m from each other, and their emitters are electrically connected.

Такое подключение позволяет организовать, помимо поджигного разряда в одном катоде, дополнительный разряд в объеме перед поджигным электродом другого катода. Дополнительный разряд не ограничен стенками конструкции первого катода, а электрическое поле

Figure 00000002
направлено от поджигного электрода второго катода, что способствует эффективной инжекции ионов.This connection allows you to organize, in addition to the ignition discharge in one cathode, an additional discharge in volume in front of the ignition electrode of another cathode. The additional discharge is not limited by the walls of the structure of the first cathode, and the electric field
Figure 00000002
directed from the ignition electrode of the second cathode, which contributes to the effective injection of ions.

При расстоянии между катодами менее 0,2 м существенно снижаются потери на транспортировку электронов, что приводит к уменьшению напряжения питания поджигного разряда второго катода, повышая эффективность источника плазмы в целом. When the distance between the cathodes is less than 0.2 m, losses in electron transport are significantly reduced, which leads to a decrease in the supply voltage of the ignition discharge of the second cathode, increasing the efficiency of the plasma source as a whole.

Указанный технический результат также достигается тем, что в способе работы источника плазмы, содержащего по меньшей мере два полых катода, включающем подачу плазмообразующего газа в один из катодов, его стартовый разогрев, зажигание в нем разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают, согласно изобретению после зажигания разряда в первом катоде подают плазмообразующий газ в другой катод и зажигают в нем поджигной разряд. The specified technical result is also achieved by the fact that in the method of operation of a plasma source containing at least two hollow cathodes, including supplying a plasma-forming gas to one of the cathodes, its starting heating, ignition of a discharge in it between the emitter and the ignition electrode, after which the starting heater is turned off , according to the invention, after ignition of the discharge in the first cathode, a plasma-forming gas is supplied to the other cathode and the ignition discharge is ignited therein.

Подача плазмообразующего газа в оба полых катода, эмиттеры которых электрически соединены, с последующим зажиганием поджигного разряда на поджигных электродах обоих катодов позволяет повысить уровень инжектируемого ионного тока за счет того, что помимо поджигного разряда в первом катоде возникает дополнительный разряд с внешней стороны поджигного электрода другого катода. Электроны, замыкаемые на поджигной электрод другого катода, ионизуют истекающий из него газ. Плазменное образование, возникшее перед другим катодом, не ограничено стенками. Электрическое поле

Figure 00000003
при этом спадает по мере удаления от поджигного электрода другого катода, что благоприятствует стоку ионов в пространство.The supply of plasma-forming gas to both hollow cathodes whose emitters are electrically connected, followed by ignition of the ignition discharge on the ignition electrodes of both cathodes, makes it possible to increase the level of injected ion current due to the fact that in addition to the ignition discharge, an additional discharge arises in the first cathode from the outside of the ignition electrode of the other cathode . Electrons shorted to the ignition electrode of another cathode ionize the gas flowing out of it. The plasma formation that appeared in front of the other cathode is not limited to the walls. Electric field
Figure 00000003
in this case, decreases with the distance from the ignition electrode of the other cathode, which favors the drain of ions into space.

По другому варианту работы источника плазмы для упрощения алгоритма его управления плазмообразующий газ может одновременно подаваться в оба катода и после стартового разогрева одного из катодов одновременно включают источники питания поджигного разряда обоих катодов. According to another embodiment of the plasma source, to simplify the control algorithm, the plasma-forming gas can be simultaneously supplied to both cathodes and, after the start of heating of one of the cathodes, the ignition discharge sources of both cathodes are simultaneously turned on.

После возникновения поджигных разрядов в обоих катодах, поджигной разряд в первом катоде может быть выключен, что снижает суммарное энергопотребление источника плазмы. After occurrence of ignition discharges in both cathodes, the ignition discharge in the first cathode can be turned off, which reduces the total energy consumption of the plasma source.

Таким образом, источник плазмы и способ его работы позволит повысить инжектируемый ионный ток в 15...20 раз. Thus, the plasma source and the method of its operation will increase the injected ion current by 15 ... 20 times.

Изобретение проиллюстрировано чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показана электропневматическая схема источника плазмы. Figure 1 shows the electro-pneumatic diagram of a plasma source.

На фиг. 2 показана топология электрических полей и направление движения заряженных частиц. In FIG. 2 shows the topology of electric fields and the direction of motion of charged particles.

Источник плазмы состоит из системы подачи газа, содержащей источник газа 1, электрические клапаны 2 и 3, трубопроводы 4 двух полых катодов 5 и 6 и системы электропитания. В свою очередь, катоды состоят из электрически соединенных эмиттеров 7 и 8, электроизоляционных трубок 9 и 10 для изоляции эмиттеров от трубопроводов 4 и корпусных деталей, стартовых нагревателей 11 и 12, поджигных электродов 13 и 14, выполненных в виде стаканов с осевым отверстиями 15 и 16. Система электропитания содержит источники питания накала 17 и 18, источники тока 19 и 20 и источники питания электроклапанов 21 и 22. The plasma source consists of a gas supply system containing a gas source 1, electric valves 2 and 3, pipelines 4 of two hollow cathodes 5 and 6, and a power supply system. In turn, the cathodes consist of electrically connected emitters 7 and 8, electrical insulating tubes 9 and 10 for isolating the emitters from pipelines 4 and body parts, starting heaters 11 and 12, ignition electrodes 13 and 14, made in the form of cups with axial holes 15 and 16. The power supply system contains glow power sources 17 and 18, current sources 19 and 20, and power valves solenoid valves 21 and 22.

Источник плазмы работает следующим образом. The plasma source works as follows.

Включив источник питания 21, открывают электрический клапан 2 и из источника газа 1 в катод 5 подают газ. Включив источник питания 17, с помощью стартового нагревателя 11 выполняют разогрев эмиттера 7 катода 5 до рабочих температур. Затем включают источник поджига 19. После появления тока в цепи источника 19 и возникновения поджигного разряда источник накала 17 выключают. Затем включают источник питания 22 для осуществления подачи газа в катод 6 и аналогичным образом зажигают в нем поджигной разряд. Возникшая в катоде 5 плазма истекает в пространство через отверстие 15. Часть инжектируемых электронов 23, траектория движения которых в электрическом поле

Figure 00000004
показана на фиг. 2, замыкается на поджигной электрод 14 катода 6. Перенос электронов сопровождается столкновениями с потоками нейтральных атомов 24, истекающих из отверстий 15 и 16, что приводит к их дополнительной ионизации. Перед поджигным электродом 14 вероятность ионизационных столкновений возрастает за счет увеличения концентрации нейтральных атомов, плотности электронного тока и энергии электронов, что приводит к возникновению дополнительной области плазмообразования 25, которая инжектирует ионный ток в 15...20 раз больше, чем ионный ток, истекающего из катода 5. Электрическое сопротивление вакуумного промежутка между катодами существенно выше электрического сопротивления плазмы, поэтому электронный ток замыкается преимущественно в потоках нейтральных атомов 24, формируя траекторию движения электронов 23.Turning on the power source 21, open the electric valve 2 and gas from the gas source 1 to the cathode 5. Turning on the power source 17, using the starting heater 11, the emitter 7 of the cathode 5 is heated to operating temperatures. Then turn on the ignition source 19. After the appearance of current in the circuit of the source 19 and the occurrence of the ignition discharge, the glow source 17 is turned off. Then turn on the power source 22 to supply gas to the cathode 6 and similarly ignite in it an ignition discharge. The plasma arising in the cathode 5 flows into space through the hole 15. Part of the injected electrons 23, the trajectory of which is in an electric field
Figure 00000004
shown in FIG. 2, closes on the ignition electrode 14 of the cathode 6. Electron transfer is accompanied by collisions with flows of neutral atoms 24 flowing out of holes 15 and 16, which leads to their additional ionization. Before the ignition electrode 14, the probability of ionization collisions increases due to an increase in the concentration of neutral atoms, electron current density and electron energy, which leads to the appearance of an additional plasma formation region 25, which injects an ion current 15 ... 20 times more than the ion current flowing out cathode 5. The electrical resistance of the vacuum gap between the cathodes is significantly higher than the electrical resistance of the plasma, therefore, the electron current closes mainly in neutral flows x atoms 24, forming the trajectory of the electrons 23.

Алгоритм управления источника плазмы по другому варианту работы упрощается при одновременном включении источников 21 и 22, а после стартового разогрева катода 5 при одновременном включении источников 19 и 20. The plasma source control algorithm according to another embodiment is simplified by simultaneously turning on the sources 21 and 22, and after starting heating of the cathode 5 while turning on the sources 19 and 20.

Для уменьшения энергопотребления источника плазмы после появления номинального тока в источнике 20 источник поджига 19 может быть выключен. To reduce the power consumption of the plasma source after the appearance of the rated current in the source 20, the ignition source 19 can be turned off.

Источники информации
1. Патент РФ 2012946, кл. 5 H 01 J 37/077.
Sources of information
1. RF patent 2012946, cl. 5 H 01 J 37/077.

2. V. Gopanchuk, A. Koryakin, A. Nesterenko, V. Ageyew and V. Syromyatnikov Plasma Contactor for Tether System. 37th AIAA/Asme/SAE/ASEE JPC, 8-11 July 2001, Salt Lake City, Utah. AIAA 2001 - 3916 - прототип.2. V. Gopanchuk, A. Koryakin, A. Nesterenko, V. Ageyew and V. Syromyatnikov Plasma Contactor for Tether System. 37 th AIAA / Asme / SAE / ASEE JPC, 8-11 July 2001, Salt Lake City, Utah. AIAA 2001 - 3916 - prototype.

Claims (5)

1. Источник плазмы, содержащий по меньшей мере два полых катода, каждый из которых содержит эмиттер, стартовый нагреватель, систему тепловых экранов и поджигной электрод, а также источник питания накала, подключенный к стартовому нагревателю, и источник поджигного разряда, подключенный к эмиттеру и поджигному электроду, отличающийся тем, что полые катоды размещены на расстоянии не более 0,2 м друг от друга, а их эмиттеры электрически соединены.1. A plasma source containing at least two hollow cathodes, each of which contains an emitter, a start heater, a system of heat shields and an ignition electrode, as well as a glow power source connected to the start heater, and an ignition discharge source connected to the emitter and ignition electrode, characterized in that the hollow cathodes are placed at a distance of not more than 0.2 m from each other, and their emitters are electrically connected. 2. Способ работы источника плазмы, содержащего по меньшей мере два полых катода, включающий подачу плазмообразующего газа в один из катодов, его стартовый разогрев, зажигание в нем разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают, отличающийся тем, что после зажигания разряда в первом катоде подают плазмообразующий газ в другой катод и зажигают в нем поджигной разряд.2. The method of operation of a plasma source containing at least two hollow cathodes, including the supply of a plasma-forming gas to one of the cathodes, its starting heating, ignition of a discharge in it between the emitter and the ignition electrode, after which the starting heater is turned off, characterized in that after ignition The discharge in the first cathode delivers a plasma-forming gas to another cathode and ignites an ignition discharge in it. 3. Способ работы источника плазмы по п.2, отличающийся тем, что после возникновения поджигных разрядов в обоих катодах, поджигной разряд в первом катоде выключают.3. The method of operation of the plasma source according to claim 2, characterized in that after the occurrence of ignition discharges in both cathodes, the ignition discharge in the first cathode is turned off. 4. Способ работы источника плазмы, содержащего по меньшей мере два полых катода, включающий подачу плазмообразующего газа в один из катодов, его стартовый разогрев, зажигание в нем разряда между эмиттером и поджигным электродом, после чего стартовый нагреватель выключают, отличающийся тем, что плазмообразующий газ подают одновременно в оба катода и после стартового разогрева одного из катодов одновременно включают источники питания поджигного разряда обоих катодов.4. The method of operation of a plasma source containing at least two hollow cathodes, including supplying a plasma-forming gas to one of the cathodes, its starting heating, ignition of a discharge in it between the emitter and the ignition electrode, after which the starting heater is turned off, characterized in that the plasma-forming gas served simultaneously in both cathodes and after starting warming up one of the cathodes simultaneously turn on the ignition discharge power sources of both cathodes. 5. Способ работы источника плазмы по п.4, отличающийся тем, что после возникновения поджигных разрядов в обоих катодах поджигной разряд в первом катоде выключают.5. The method of operation of the plasma source according to claim 4, characterized in that after the occurrence of ignition discharges in both cathodes, the ignition discharge in the first cathode is turned off.
RU2001132275A 2001-11-28 2001-11-28 Plasma source and its operating process RU2219683C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001132275A RU2219683C2 (en) 2001-11-28 2001-11-28 Plasma source and its operating process

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001132275A RU2219683C2 (en) 2001-11-28 2001-11-28 Plasma source and its operating process

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001132275A RU2001132275A (en) 2003-06-27
RU2219683C2 true RU2219683C2 (en) 2003-12-20

Family

ID=32065685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001132275A RU2219683C2 (en) 2001-11-28 2001-11-28 Plasma source and its operating process

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2219683C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2502238C2 (en) * 2012-02-07 2013-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" Plasma cathode
RU2564733C2 (en) * 2010-04-29 2015-10-10 Снекма Hall-effect engine with controlled temperature of cathode heater
CN115681062A (en) * 2023-01-03 2023-02-03 国科大杭州高等研究院 Hybrid working mode Hall propulsion system and spacecraft with same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Gopanchuc V. и др. Plasma Contactor for Tether System. 37 th AIAA/Asme/SAE/ASEE. JPC, 8-11 July 2001, Salt Lake City, Utah. AIAA 2001-3916. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2564733C2 (en) * 2010-04-29 2015-10-10 Снекма Hall-effect engine with controlled temperature of cathode heater
RU2502238C2 (en) * 2012-02-07 2013-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" Plasma cathode
CN115681062A (en) * 2023-01-03 2023-02-03 国科大杭州高等研究院 Hybrid working mode Hall propulsion system and spacecraft with same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Oks et al. Development of plasma cathode electron guns
RU2243408C2 (en) Electrostatic engine
US4800281A (en) Compact penning-discharge plasma source
CN105788998B (en) A kind of small size, small-power barium tungsten hollow cathode
EP3791696A1 (en) Hollow cathode apparatus
US6541915B2 (en) High pressure arc lamp assisted start up device and method
TW201443965A (en) An ion source
US6031334A (en) Method and apparatus for selectively distributing power in a thruster system
US4475063A (en) Hollow cathode apparatus
CN108561283B (en) A kind of hall thruster igniter and method
RU2219683C2 (en) Plasma source and its operating process
CN100533649C (en) Cathode and counter cathode arrangement in an ion source
US4728862A (en) A method for achieving ignition of a low voltage gas discharge device
CN115681063B (en) Operation method of multi-working-mode Hall propulsion system
EP0095311B1 (en) Ion source apparatus
RU2094896C1 (en) Fast neutral molecule source
US8311186B2 (en) Bi-directional dispenser cathode
US7701145B2 (en) Solid expellant plasma generator
Kovarik et al. Initiation of hot cathode arc discharges by electron confinement in Penning and magnetron configurations
US10863612B2 (en) System for generating a plasma jet of metal ions
CN115681062B (en) Mixed working mode Hall propulsion system and spacecraft with same
CN115839324B (en) Operation method of Hall propulsion system
JPH06310297A (en) Generating method and device of low energy neutral particle beam
CN115681057B (en) Hall propulsion system and operation method thereof
RU2031472C1 (en) Plasma cathode and method of its activation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121129

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20131020

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201129