RU2219683C2 - Plasma source and its operating process - Google Patents
Plasma source and its operating process Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
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 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 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 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 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
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 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
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)
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)
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 |
-
2001
- 2001-11-28 RU RU2001132275A patent/RU2219683C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
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)
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 |