RU2246035C9 - Ion engine - Google Patents

Ion engine Download PDF

Info

Publication number
RU2246035C9
RU2246035C9 RU2003116082/06A RU2003116082A RU2246035C9 RU 2246035 C9 RU2246035 C9 RU 2246035C9 RU 2003116082/06 A RU2003116082/06 A RU 2003116082/06A RU 2003116082 A RU2003116082 A RU 2003116082A RU 2246035 C9 RU2246035 C9 RU 2246035C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic
reactor
magnetic field
resonator
plasma
Prior art date
Application number
RU2003116082/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2246035C1 (en
RU2003116082A (en
Inventor
В.В. Кошкин (RU)
В.В. Кошкин
Original Assignee
Кошкин Валерий Викторович
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 Кошкин Валерий Викторович filed Critical Кошкин Валерий Викторович
Priority to RU2003116082/06A priority Critical patent/RU2246035C9/en
Priority to PCT/RU2004/000206 priority patent/WO2004107824A2/en
Publication of RU2003116082A publication Critical patent/RU2003116082A/en
Publication of RU2246035C1 publication Critical patent/RU2246035C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2246035C9 publication Critical patent/RU2246035C9/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0081—Electromagnetic plasma thrusters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: space engineering; stationary ion engines; vacuum-and-plasma technologies.
SUBSTANCE: proposed ion engine includes SHF generator, open resonator, reactor, magnetic system consisting of upper circular magnet and lower magnet closed by magnetic circuit and gas supply system. Thrust in ion engine is formed by generation of directed accelerated ion beam; ions are ejected from plasma forming zone by volumetric positive charge formed by drift of electrons from plasma forming zone by force lines of magnetic field formed by magnetic system.
EFFECT: enhanced efficiency.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области космической техники, а также к вакуумной ионно-плазменной обработке материалов в электронике.The invention relates to the field of space technology, as well as to vacuum ion-plasma processing of materials in electronics.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов [1], содержащий разрядную камеру, изготовленную из диэлектрического материала, в полости которой установлен анод газораспределитель; магнитную систему и катод компенсатор.Known plasma engine with a closed electron drift [1], containing a discharge chamber made of dielectric material, in the cavity of which an anode valve is installed; magnetic system and cathode compensator.

Двигатели такого типа имеют существенный недостаток в виде высокого распыления стенок разрядной камеры, что приводит к ограничению срока работы.Engines of this type have a significant drawback in the form of high atomization of the walls of the discharge chamber, which leads to a limitation of the term of operation.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является ионный реактивный двигатель с электрон-циклотронным резонансом (ЭЦР) |2], имеющий катод-нейтрализатор и ускоряющий электрод в виде сетки.The closest in technical essence adopted for the prototype is an ion-jet engine with electron-cyclotron resonance (ECR) | 2], having a cathode-converter and an accelerating electrode in the form of a grid.

Недостатком описанной конструкции является использование катода-нейтрализатора и ускоряющей сетки, распыляющейся во время работы, что существенно снижает срок использования двигателя.The disadvantage of the described design is the use of a cathode-converter and an accelerating grid sprayed during operation, which significantly reduces the life of the engine.

Техническим результатом изобретения является космический ионный двигатель (фиг.1), использующий в качестве реактивной тяги плотный ускоренный поток ионов, эжектируемый из плазмы.The technical result of the invention is a space ion engine (Fig. 1), using as a jet thrust a dense accelerated ion flow ejected from the plasma.

Достигается это тем, что открытый четвертьволновой СВЧ-резонатор (фиг.2), автоматически согласует импедансы нагрузки плазмы и генератора СВЧ, формирует рабочую моду Е010 и направляет СВЧ-излучение в область плазмообразования. Резонатор, являющийся устройством ввода СВЧ-энергии, представляет собой полую конструкцию в виде усеченного конуса, выполненного из меди или ее сплавов. Из условия резонанса, что геометрические размеры резонатора определяются по формуле:This is achieved by the fact that the open quarter-wave microwave resonator (Fig. 2) automatically matches the impedances of the plasma load and the microwave generator, forms the operating mode E 010 and directs the microwave radiation to the plasma formation region. The resonator, which is a microwave energy input device, is a hollow design in the form of a truncated cone made of copper or its alloys. From the condition of the resonance that the geometric dimensions of the resonator are determined by the formula:

Lpeз=2R=(2р-1)λ B/4,L pez = 2R = (2p-1) λ B / 4,

где p=1,2... ; λ B - длина волны в вакууме [3].where p = 1,2 ...; λ B is the wavelength in vacuum [3].

Возможный диапазон перестройки резонатора удовлетворяет соотношениям:The possible tuning range of the resonator satisfies the relations:

2,7R≤ λ B≤ 3,2R.2.7R ≤ λ B ≤ 3.2R.

Принимая значенияTaking values

R1=λ 2/3,2, R2=λ B/2,7, L=λ B/2,R 1 = λ 2 / 3,2, R 2 = λ B / 2,7, L = λ B / 2,

получаем резонатор (фиг.2) с добротностью Q0=9-10.we get the resonator (figure 2) with the quality factor Q 0 = 9-10.

При изменении проводимости плазмы и ее импеданса, являющегося нагрузкой открытого резонатора, изменяется его добротность. С увеличением проводимости плазмы добротность резонатора Q0 падает, что приводит к автоматическому регулированию передачи СВЧ-энергии, позволяя использовать различные виды рабочих газов и их расход.When the plasma conductivity and its impedance, which is the load of the open resonator, change, its quality factor changes. With increasing plasma conductivity, the Q factor of the resonator Q 0 decreases, which leads to automatic regulation of the transfer of microwave energy, allowing the use of various types of working gases and their flow rate.

Ионный двигатель (фиг.1) содержит генератор СВЧ (1), расположенный непосредственно на открытом резонаторе (2), прилежащем к реактору (3) через диэлектрическое вакуумно-плотное окно (8). В верхней части реактора (3) расположено магнитное кольцо (4), замкнутое с внешней стороны с нижним магнитным кольцом (5) магнитопроводом (6).The ion engine (figure 1) contains a microwave generator (1) located directly on the open resonator (2) adjacent to the reactor (3) through a dielectric vacuum-tight window (8). In the upper part of the reactor (3) there is a magnetic ring (4), closed on the outside with a lower magnetic ring (5) by a magnetic circuit (6).

Микроволновое излучение с рабочей модой E010 [3] (напряженности электромагнитного поля аксиально-симметричны) поступает через диэлектрическое окно (8) в зону плазмообразования реактора (3), производя ионизацию рабочего газа.Microwave radiation with a working mode E 010 [3] (the electromagnetic field is axially symmetric) enters through the dielectric window (8) into the plasma formation zone of the reactor (3), producing ionization of the working gas.

Вектор электрической составляющей электромагнитной волны с модой Е010 (фиг.2) и прикладываемое магнитное поле в зоне плазмообразования образуют ортогональную систему, в которой реализуется ЭЦР. Вместе с тем в скрещенных электрических и магнитных полях происходит дрейф центра вращения электронов [4] в направлении, ортогональном [ЕхВ].The vector of the electric component of the electromagnetic wave with mode E 010 (FIG. 2) and the applied magnetic field in the plasma formation zone form an orthogonal system in which ECR is implemented. At the same time, in crossed electric and magnetic fields, the center of electron rotation [4] drifts in the direction orthogonal to [ExB].

В этом случае электрон, вращаясь вокруг силовых линий магнитного поля по циклотронным орбитам, одновременно дрейфует по спирали к оси симметрии системы, что приводит к увеличению траектории движения электрона, повышает тем самым количество столкновений с частицами, а следовательно, и степень ионизации рабочего газа. Затем электрон покидает зону плазмообразования, следуя силовым линиям, образованным магнитной системой (фиг.3), магнитные полюса которой разной полярности (фиг.1), замкнутые магнитопроводом (5) с наружной стороны реактора, создают магнитное поле внутри реактора, контур силовых линий которого формируется за счет незамкнутых полюсов магнитной системы, причем используется только нижняя составляющая магнитного поля, образованного верхним кольцом магнитов (4), прилегающих к резонатору.In this case, the electron, rotating around the magnetic field lines in cyclotron orbits, simultaneously drifts in a spiral to the axis of symmetry of the system, which leads to an increase in the electron trajectory, thereby increasing the number of collisions with particles and, consequently, the degree of ionization of the working gas. Then the electron leaves the zone of plasma formation, following the lines of force formed by the magnetic system (Fig. 3), the magnetic poles of which are of different polarity (Fig. 1), closed by the magnetic circuit (5) on the outside of the reactor, create a magnetic field inside the reactor, the circuit of the lines of force of which is formed due to the open poles of the magnetic system, and only the lower component of the magnetic field formed by the upper ring of magnets (4) adjacent to the resonator is used.

Образованный в результате ухода электронов избыток ионов создает своим пространственным зарядом потенциал положительного знака, который, воздействуя на ионы, создает их ускоренный направленный поток [5].The excess of ions formed as a result of the departure of electrons creates a positive sign potential with its space charge, which, acting on ions, creates their accelerated directed flow [5].

“Быстрые” электроны, получившие высокую кинетическую энергию от СВЧ электрического поля, могут свободно покинуть реактор и уйти в открытое пространство. Большая же часть электронов, придя по силовым линиям к нижнему кольцевому магниту (5), выталкивается магнитным полем к центру симметрии в направлении, перпендикулярном движению ионного потока, где и происходит его эффективная нейтрализация [6].“Fast” electrons, which received high kinetic energy from a microwave electric field, can freely leave the reactor and go into open space. Most of the electrons, coming along the field lines to the lower ring magnet (5), are pushed by the magnetic field to the center of symmetry in the direction perpendicular to the movement of the ion flux, where it is effectively neutralized [6].

Собранные в батарею ионные двигатели Кошкина могут служить в качестве маршевых двигателей космических аппаратов, предназначенных для длительных перелетов к другим планетам Солнечной системы.Koshkin’s ion engines assembled into the battery can serve as marching engines of spacecraft designed for long-haul flights to other planets of the solar system.

Источники информацииSources of information

1. Патент РФ №2191291 от 20.10.2000 г.1. RF patent No. 2191291 from 10.20.2000

2. Патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.2. Japan patent JP 2856740 B2 dated 06/09/1988

3. А.М. Чернушенко и др. Конструкция экранов и СВЧ-устройств. М.: Радио и связь, 1990.3. A.M. Chernushenko et al. Design of screens and microwave devices. M .: Radio and communications, 1990.

4. В.Е. Голант и др. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977 г.4. V.E. Golant et al. Fundamentals of plasma physics. M .: Atomizdat, 1977.

5. Е.А. Петров и др. Источник ионного потока из СВЧ-плазмы низкого давления. Физика плазмы, т.17. вып.11, 1991, стр.1369-1382.5. E.A. Petrov et al. Source of ion flux from low-pressure microwave plasma. Plasma Physics, vol. 17. issue 11, 1991, pp. 1369-1382.

6. Под редакцией Ю.А. Рыжова. Электрические ракетные двигатели. - М.: Мир, 1964 г.6. Edited by Yu.A. Ryzhova. Electric rocket engines. - M .: Mir, 1964

Claims (2)

1. Космический ионный двигатель, содержащий генератор сверхвысокой частоты (СВЧ), расположенный на резонаторе, прилежащем к реактору, и устройство, создающее магнитное поле, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде усеченного конуса, автоматически согласующего импедансы плазмы-нагрузки и СВЧ-генератора, формирующего и направляющего рабочую моду E010 в область плазмообразования.1. A space ion engine containing an ultra-high frequency (microwave) generator located on a resonator adjacent to the reactor, and a magnetic field generating device, characterized in that the resonator is made in the form of a truncated cone that automatically matches the impedances of the plasma load and the microwave generator , forming and directing the working mode E 010 in the region of plasma formation. 2. Космический ионный двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство, создающее магнитное поле, содержит магнитную систему, магнитные полюса которой разной полярности, замкнутые магнитопроводом с наружной стороны реактора, создают магнитное поле внутри реактора, контур силовых линий которых формируется за счет незамкнутых полюсов магнитной системы, причем используется только нижняя составляющая магнитного поля, образованного верхним кольцом магнитов, прилегающих к резонатору.2. The space ion engine according to claim 1, characterized in that the device creating a magnetic field contains a magnetic system whose magnetic poles of different polarity, closed by a magnetic circuit on the outside of the reactor, create a magnetic field inside the reactor, the contour of the lines of force of which is formed by open poles of the magnetic system, and only the lower component of the magnetic field formed by the upper ring of magnets adjacent to the resonator is used.
RU2003116082/06A 2003-05-30 2003-05-30 Ion engine RU2246035C9 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003116082/06A RU2246035C9 (en) 2003-05-30 2003-05-30 Ion engine
PCT/RU2004/000206 WO2004107824A2 (en) 2003-05-30 2004-05-28 Koshkin ion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003116082/06A RU2246035C9 (en) 2003-05-30 2003-05-30 Ion engine

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2003116082A RU2003116082A (en) 2005-01-27
RU2246035C1 RU2246035C1 (en) 2005-02-10
RU2246035C9 true RU2246035C9 (en) 2005-05-10

Family

ID=33488123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003116082/06A RU2246035C9 (en) 2003-05-30 2003-05-30 Ion engine

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2246035C9 (en)
WO (1) WO2004107824A2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA025867B1 (en) * 2012-05-11 2017-02-28 Зе Боинг Компани Multiple space vehicle launch system
RU2711005C1 (en) * 2018-11-21 2020-01-14 Андрей Андреевич Бычков Electric jet engine

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2456473C1 (en) * 2011-05-18 2012-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" Plasma accelerator
RU2488042C1 (en) * 2012-02-16 2013-07-20 Михаил Васильевич Жуков Plasma-electrolysis generator of power, fertilisers and water from drains and organic wastes
US9180984B2 (en) 2012-05-11 2015-11-10 The Boeing Company Methods and apparatus for performing propulsion operations using electric propulsion systems
CN105179191B (en) * 2015-08-12 2018-05-08 兰州空间技术物理研究所 A kind of ion thruster quadrupole annular permanent magnet ring cutting field magnetic structure
CN110671288B (en) * 2019-09-25 2020-07-31 中国人民解放军国防科技大学 Tower section of thick bamboo induction type plasma accelerating device
CN110486244B (en) * 2019-09-25 2020-06-30 中国人民解放军国防科技大学 Electromagnetic induction type plasma accelerating device

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2856740B2 (en) * 1988-06-09 1999-02-10 株式会社東芝 ECR type ion thruster
DE4222677A1 (en) * 1992-05-11 1993-11-18 Klaus Rasbach Rocket propulsion by annular and revolving conc. laser beams - involves generation of thrust by reaction of beams radiated with unequal energy density due to magnetic rotation
RU2156555C1 (en) * 1999-05-18 2000-09-20 Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" Plasma production and acceleration process and plasma accelerator with closed-circuit electron drift implementing it
RU2191289C2 (en) * 2000-08-17 2002-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие Российского авиационно-космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" Closed-electron-drift plasma-jet engine
FR2795457A1 (en) * 2000-09-06 2000-12-29 Robert Signore Propulsive device has warm black body emitting radiating flow, with focussing mirror fitted to convert radiating flow into parallel flow to provide propulsion.
RU2196396C2 (en) * 2000-10-23 2003-01-10 Петросов Валерий Александрович Method and device for regulating thrust vector of electric rocket engine

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA025867B1 (en) * 2012-05-11 2017-02-28 Зе Боинг Компани Multiple space vehicle launch system
RU2711005C1 (en) * 2018-11-21 2020-01-14 Андрей Андреевич Бычков Electric jet engine

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004107824A3 (en) 2005-04-07
RU2246035C1 (en) 2005-02-10
RU2003116082A (en) 2005-01-27
WO2004107824A2 (en) 2004-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2610162C2 (en) Plasma engine and method of generating actuating plasma traction
US6803585B2 (en) Electron-cyclotron resonance type ion beam source for ion implanter
US4778561A (en) Electron cyclotron resonance plasma source
US5370765A (en) Electron cyclotron resonance plasma source and method of operation
KR940010844B1 (en) Ion source
US7176469B2 (en) Negative ion source with external RF antenna
US5726412A (en) Linear microwave source for plasma surface treatment
RU2246035C9 (en) Ion engine
Sortais Recent progress in making highly charged ion beams
Mieno et al. Efficient production of O+ and O− ions in a helicon wave oxygen discharge
US5349196A (en) Ion implanting apparatus
US3450931A (en) Cyclotron motion linear accelerator
US8635850B1 (en) Ion electric propulsion unit
KR20030081060A (en) High-frequency electron source, in particular a neutralizer
US5434469A (en) Ion generator with ionization chamber constructed from or coated with material with a high coefficient of secondary emission
Abdelrahman Factors enhancing production of multicharged ion sources and their applications
US5506405A (en) Excitation atomic beam source
Raitses et al. A study of cylindrical Hall thruster for low power space applications
RU2156555C1 (en) Plasma production and acceleration process and plasma accelerator with closed-circuit electron drift implementing it
RU2139647C1 (en) Closed-electron-drift plasma accelerator
Chen et al. Design of Compact Hexapole ECR Ion Thruster
RU2757210C1 (en) Wave plasma source of electrons
RU2755826C1 (en) Multi-barrel gyrotron
US11574788B1 (en) Ion source having a magnetic field translatable along an axis of the source
Gavrilov High current gaseous ion sources

Legal Events

Date Code Title Description
TZ4A Amendments of patent specification
TH4A Reissue of patent specification
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090531