RU2401521C1 - Plasma accelerator with closed hall current (versions) - Google Patents
Plasma accelerator with closed hall current (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2401521C1 RU2401521C1 RU2009120434/06A RU2009120434A RU2401521C1 RU 2401521 C1 RU2401521 C1 RU 2401521C1 RU 2009120434/06 A RU2009120434/06 A RU 2009120434/06A RU 2009120434 A RU2009120434 A RU 2009120434A RU 2401521 C1 RU2401521 C1 RU 2401521C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- annular
- compensator
- porous diaphragm
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
- F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
- F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при создании ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов (холловских двигателей), а также для научных исследований и производства при создании вакуумных технологических установок.The invention relates to plasma technology and can be used to create plasma accelerators with closed electron drift (Hall engines), as well as for research and production when creating vacuum process plants.
Экспериментальные исследования процессов работы ускорителей плазмы с замкнутым током и холловских двигателей показали, что возникающие по ряду причин пульсации разрядного тока, с одной стороны, снижают тягу и, с другой стороны, расширяют поток ионов, который задевает полюса магнитопровода и разрушает их, снижая ресурс устройства в целом.Experimental studies of the operation processes of closed-current plasma accelerators and Hall motors have shown that, for a number of reasons, pulsations of the discharge current, on the one hand, reduce traction and, on the other hand, expand the ion flux, which touches the poles of the magnetic circuit and destroys them, reducing the resource of the device generally.
Известен ускоритель плазмы (RU 2156555 С1, МПК: H05H 1/54, 1/16, F03H 1/00, опубликовано 20.09.2000 г. Бюл. №26, [1]), 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, совмещенным с системой подачи газообразного рабочего вещества (РВ), катод-компенсатор (КК), расположенный за срезом ускорителя, и источник электропитания постоянного напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом, а отрицательный - с катодом-компенсатором. Для равномерной подачи РВ в разрядную камеру, которая в данной конструкции является и ускорительным каналом, анод устройства [1] использует пористую перегородку. Внешняя поверхность пористой перегородки (диафрагмы) анода находится в ускорительном канале и удалена от среза ускорителя на расстояние Rн, которое превышает длину магнетронной отсечки, по крайней мере, на величину теплового ларморовского радиуса.A known plasma accelerator (RU 2156555 C1, IPC: H05H 1/54, 1/16, F03H 1/00, published September 20, 2000 Bull. No. 26, [1]) containing an axisymmetric magnetic system with a source of magnetomotive force, ring-shaped internal and external magnetic circuits equipped with pole tips, forming an annular discharge chamber, open on the side of the accelerator slice and closed on the opposite side by an anode combined with a gaseous working medium (PB) supply system, a cathode-compensator (CC) located behind the accelerator slice, and power source anija DC voltage, the positive pole of which is connected to the anode, and a negative - with the cathode-compensator. For uniform supply of RV into the discharge chamber, which in this design is also an accelerator channel, the anode of the device [1] uses a porous baffle. The outer surface of the porous septum (diaphragm) of the anode is located in the accelerator channel and is removed from the accelerator section by a distance R n , which exceeds the length of the magnetron cutoff, at least by the value of the thermal Larmor radius.
В предложенном в [1] ускорителе использовали КК типа КЭ-5 с полым катодом, в котором конструктивно не предусмотрено ограничение эмиссионного тока. Если процесс ионизации РВ первичными электронами, поступающими с КК (Iе), а также процесс формирования потока ионов будет превосходить поступление РВ через систему подачи (пористую диафрагму на аноде), то в системе процесс горения разряда периодически прекращается из-за выгорания РВ, а затем вновь возобновляется, что приводит к пульсациям разрядного тока, следовательно, и ионного тока, который протекает в течение времени τ1 и полностью отсутствует в течении времени τ2, так что τ1/τ2 изменяется в широком интервале от 10 до 0.1, что, в свою очередь, приводит к временному изменению оптики ионного потока (расширению его) и способствует разрушению стенок полюсов магнитопровода. Это применительно к двигателю, как показано экспериментально, значительно снижает тягу двигателя и может приводить к разрушению космического корабля за счет значительного расширения ионного потока в переходный период. Явление расширения ионного потока в переходный период не допустимо также для технологических установок.In the accelerator proposed in [1], KE-5 type SCs with a hollow cathode were used, in which the emission current was not structurally provided. If the process of ionization of the radioactive substances by primary electrons coming from the spacecraft (I e ), as well as the process of formation of the ion flux, will exceed the input of the radioactive material through the supply system (porous diaphragm at the anode), then in the system the process of burning the discharge periodically ceases due to the burning of the radioactive material, and then it resumes again, which leads to pulsations of the discharge current, therefore, of the ion current that flows during the time τ 1 and is completely absent during the time τ 2 , so that τ 1 / τ 2 varies in a wide range from 10 to 0.1, which in his essay eating leads to a temporary change in the optics of the ion flux (its expansion) and contributes to the destruction of the walls of the poles of the magnetic circuit. This is applied to the engine, as shown experimentally, significantly reduces the thrust of the engine and can lead to the destruction of the spacecraft due to the significant expansion of the ion flux during the transition period. The phenomenon of expansion of the ion flux during the transition period is also not permissible for technological installations.
Наиболее близким устройством (А.Н.Ермилов, А.Ю.Коваленко, Ю.А.Коваленко и др., «Экспериментальные исследования макета холловского двигателя», журнал «Теплофизика высоких температур», 2008 г., том 46, №4, стр.588-595, [2]), выбранным в качестве прототипа, является макет холловского электрореактивного двигателя с полым анодом (ХЭРДП), авторы которого отказываются от постоянного по z (направления вдоль оси симметрии двигателя) внешнего магнитного поля и создают спадающее к аноду магнитное поле, а также формируют развитую анодную полость, выступающую над пористой диафрагмой анода, для включения механизма классической проводимости в спадающем у анода магнитном поле и тем самым частичного устранения пульсаций разрядного и ионного токов.The closest device (A.N. Ermilov, A.U. p. 588-595, [2]), selected as a prototype, is a prototype of a Hall hollow anode electric motor (HERDP), the authors of which refuse from an external magnetic field that is constant in z (direction along the axis of symmetry of the motor) and creates a decay to the anode magnetic field, and also form a developed anode cavity protruding above porous diaphragm of the anode, to enable the mechanism of classical conductivity in a decreasing magnetic field at the anode and thereby partially eliminate the pulsations of the discharge and ion currents.
Однако эти конструктивные элементы устройства [2] не позволяют полностью устранить пульсации, так как отсутствует механизм стока электронов, формирующих процесс ионизации РВ и холловского тока перед пористой диафрагмой анода, тем самым исключить разрушения магнитопроводов. Недостатком устройства-прототипа является также то, что достигается только частичное снижение эрозии стенок магнитопровода, которая может способствовать возникновению катодных пятен и катодному распылению, и остается значительная расфокусировка плазменного потока, вызванная пульсациями разрядного тока, и в создании тяги участвуют не только ионы ксенона Хе+ (или быстрые атомы Хе, полученные в результате резонансной перезарядки), но также ионы железа Fe+, потенциал ионизации у которых меньше чем у Хе φi(Xe)=12.13 эВ, а φi(Fe)=7.9 эВ), и атомный вес почти в 2.5 раза меньше (A(Xe)=131, a A(Fe)=56), что приводит, как показали эксперименты, к двукратному снижению тяги. Кроме того, в устройстве-прототипе используется КК в виде полого катода, в котором не предусмотрен механизм ограничения эмиссионного тока.However, these structural elements of the device [2] do not completely eliminate pulsations, since there is no mechanism for the drain of electrons forming the process of ionization of the PB and the Hall current in front of the porous diaphragm of the anode, thereby eliminating the destruction of the magnetic circuits. The disadvantage of the prototype device is that only a partial reduction in the erosion of the walls of the magnetic circuit is achieved, which can contribute to the appearance of cathode spots and cathode sputtering, and there remains a significant defocus of the plasma flow caused by ripple discharge current, and not only xenon ions Xe + are involved in the creation of the traction (or fast Xe atoms obtained as a result of resonant charge exchange), but also iron ions Fe + , whose ionization potential is lower than that of Xe φ i (Xe) = 12.13 eV, and φ i (Fe) = 7.9 eV), and atomic ve with almost 2.5 times less (A (Xe) = 131, a A (Fe) = 56), which, as shown by experiments, leads to a twofold decrease in thrust. In addition, the prototype device uses a QC in the form of a hollow cathode, in which there is no mechanism for limiting the emission current.
В основу предлагаемых технических решений поставлена задача создания вариантов конструкций ускорителя плазмы с замкнутым холловским током, позволяющим использовать регулируемый ток эмиссии КК и обеспечить сток излишних электронов вдоль магнитных силовых линий, что устраняет пульсации разрядного тока, одновременно сохраняя высокую плотность потока РВ.The basis of the proposed technical solutions is the task of creating design options for a plasma accelerator with a closed Hall current, which makes it possible to use a controlled CC emission current and provide a drain of excess electrons along magnetic field lines, which eliminates the discharge current ripple while maintaining a high RV flux density.
Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:The technical effect of the implementation of the task is:
- повышение тяговых характеристик за счет устранения пульсаций разрядного тока и частиц железа из потока ионов;- increase traction characteristics by eliminating ripple discharge current and iron particles from the ion stream;
- увеличение ресурса двигателя за счет снижения распыляемости стенок магнитопровода.- an increase in engine life by reducing the atomization of the walls of the magnetic circuit.
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в одном из предлагаемых вариантов ускорителя плазмы с замкнутым холловским током, содержащем осесимметричную магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, кольцеобразным магнитопроводом, снабженным внутренним и внешним полюсными наконечниками, которые формируют кольцевой канал, размещенный внутри магнитной системы по центру кольцевого канала полюсных наконечников и совмещенный с системой подачи газообразного рабочего вещества кольцевой анод, который имеет разделенные пористой диафрагмой выравнивающую рабочее вещество область и полость, катод-компенсатор, расположенный за срезом ускорителя, источник постоянного напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом, а отрицательный - с катодом-компенсатором, а также с внутренним и внешним полюсными наконечниками магнитопровода, в полости кольцевого анода размещены выполненные из материала анода внутреннее и внешнее кольца, которые соответствующими боковыми поверхностями и торцами плотно прижаты к стенкам полости кольцевого анода и к пористой диафрагме соответственно, причем торцы удалены от плоскости кольцевого анода на глубину h1 не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, при этом кольца выступают за пределы плоскости кольцевого анода на высоту h2 не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, а их выступающие за пределы анода торцы удалены от полюсных наконечников на расстояние d не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, при этом кольцевой канал полюсных наконечников имеет со стороны кольцевого анода минимальный размер ΔR, который не менее чем в полтора раза превышает ширину δ открытой части пористой диафрагмы, кроме того, катод-компенсатор выполнен в виде эмитирующей петли из проволоки, которая размещена в кольцевом корпусе соосно ускорителю плазмы за его срезом и электрически соединена своими концами с регулируемым источником накала, причем корпус выполнен из электропроводного и высокотемпературного материала, при этом между срезом ускорителя плазмы и кольцевым корпусом катода-компенсатора размещен, по крайней мере, один кольцевой тепловой экран, причем петля из эмитирующей проволоки катода-компенсатора, ее кольцевой корпус и каждый из тепловых экранов гальванически соединены с магнитопроводом ускорителя плазмы.The solution of the problem and the corresponding technical result are achieved by the fact that in one of the proposed options for a plasma accelerator with a closed Hall current containing an axisymmetric magnetic system with a source of magnetomotive force, an annular magnetic circuit equipped with internal and external pole tips that form an annular channel located inside the magnetic the system in the center of the annular channel of the pole pieces and the ring combined with the gaseous working medium supply system a second anode, which has a region and cavity separated by a porous diaphragm, a compensating cathode located behind the accelerator slice, a constant voltage source, the positive pole of which is connected to the anode, and the negative pole to the compensating cathode, and also to the internal and external pole the tips of the magnetic circuit, in the cavity of the annular anode placed the inner and outer rings made of anode material, which are tightly pressed against the walls by the corresponding side surfaces and ends awns annular anode and the porous diaphragm respectively, wherein the ends remote from the annular anode plane at a depth h 1 is not less than the width δ exposed portion of the porous diaphragm, wherein the rings protrude beyond the annular anode plane at the height h 2 is not less than the width δ exposed portion of the porous diaphragm and their ends protruding beyond the limits of the anode are removed from the pole pieces by a distance d of not less than the width δ of the open part of the porous diaphragm, while the annular channel of the pole pieces has the minimum from the side of the ring anode the size ΔR, which is no less than one and a half times the width δ of the open part of the porous diaphragm, in addition, the cathode-compensator is made in the form of an emitting loop of wire, which is placed in an annular housing coaxial to the plasma accelerator behind its cut and electrically connected at its ends with an adjustable a source of heat, and the housing is made of electrically conductive and high-temperature material, while at least one annular thermal is placed between the slice of the plasma accelerator and the annular housing of the compensator cathode screen, and the loop of the emitting wire of the cathode-compensator, its annular body and each of the thermal screens are galvanically connected to the magnetic circuit of the plasma accelerator.
В другом варианте предлагаемого ускорителя плазмы с замкнутым холловским током, содержащем осесимметричную магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, кольцеобразным магнитопроводом, снабженным внутренним и внешним полюсными наконечниками, которые формируют кольцевой канал, размещенный внутри магнитной системы по центру кольцевого канала полюсных наконечников и совмещенный с системой подачи газообразного рабочего вещества кольцевой анод, который имеет разделенные пористой диафрагмой выравнивающую рабочее вещество область и полость, катод-компенсатор, расположенный за срезом ускорителя, источник постоянного напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом, а отрицательный - с катодом-компенсатором, а также с внутренним и внешним полюсными наконечниками магнитопровода, в полости кольцевого анода размещены выполненные из материала анода внутреннее и внешнее кольца, которые соответствующими боковыми поверхностями и торцами плотно прижаты к стенкам полости кольцевого анода и к пористой диафрагме соответственно, причем торцы удалены от плоскости кольцевого анода на глубину h1 не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, при этом кольца выступают за пределы плоскости кольцевого анода на высоту h2 не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, а их выступающие за пределы анода торцы удалены от полюсных наконечников на расстояние d не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы, при этом кольцевой канал полюсных наконечников имеет со стороны кольцевого анода минимальный размер ΔR, который не менее чем в полтора раза превышает ширину δ открытой части пористой диафрагмы, кроме того, катод-компенсатор имеет эмитирующую таблетку, которая закреплена с заглублением в открытом с одного торца цилиндрическом корпусе катода-компенсатора, и нагревательную спираль, один конец которой через корпус соединен с одним из входов регулируемого источника накала, а другой конец электрически изолирован от корпуса катода-компенсатора и соединен с другим входом регулируемого источника накала, при этом эмитирующая таблетка гальванически соединена с корпусом катода-компенсатора и магнитопроводом ускорителя плазмы, а открытый торец корпуса катода-компенсатора размещен за образующей внешней поверхности магнитопровода.In another embodiment of the proposed plasma with a closed Hall current plasma containing an axisymmetric magnetic system with a magnetomotive force source, an annular magnetic circuit equipped with internal and external pole pieces that form an annular channel located inside the magnetic system in the center of the ring channel of the pole pieces and combined with the feed system a gaseous working medium an annular anode that has a porous diaphragm the cavity and cavity, the cathode-compensator located behind the accelerator section, a constant voltage source whose positive pole is connected to the anode, and the negative - to the cathode-compensator, as well as with the internal and external pole tips of the magnetic circuit, made of material in the cavity of the annular anode the anode inner and outer rings, which are correspondingly pressed against the walls of the cavity of the annular anode and the porous diaphragm by respective side surfaces and ends, respectively, the ends being removed from the plane the length of the annular anode to a depth of h 1 not less than the width δ of the open part of the porous diaphragm, while the rings extend beyond the plane of the annular anode to a height h 2 not less than the width δ of the open part of the porous diaphragm, and their ends protruding beyond the anode are removed from the pole pieces by the distance d is not less than the width δ of the open part of the porous diaphragm, while the annular channel of the pole pieces has a minimum dimension ΔR on the side of the ring anode, which is no less than one and a half times the width δ of the open part of the porous diaphragm fragments, in addition, the cathode-compensator has an emitting tablet, which is fixed with deepening in the cylindrical cathode-compensator casing that is open from one end, and a heating coil, one end of which is connected through the case to one of the inputs of an adjustable glow source, and the other end is electrically isolated from the cathode-compensator body and connected to another input of an adjustable glow source, while the emitting tablet is galvanically connected to the cathode-compensator body and the plasma accelerator magnetic circuit, and the open end face of the cathode-compensator housing is located behind the generatrix of the outer surface of the magnetic circuit.
Выполнение катода-компенсатора в виде эмитирующей петли из проволоки, концы которой соединены с входами регулируемого источника накала, обеспечивая управление эмиссионным током, способствует стабильности процесса ионизации РВ, что позволяет убрать пульсации и повысить эффективность процесса формирования ионного потока. Выполнение анода с развитой поверхностью за счет размещения в его полости выступающих за ее пределы внутреннего и внешнего колец включает механизм классической проводимости электронов и позволяет убрать лишние электроны, поступающие с КК, которые уходят на соответствующие части колец анода, что также способствует устранению пульсаций ионного тока. Это в совокупности создает условия для непрерывности проходящих в ускорителе процессов. Экспериментально установлено, что механизм классической проводимости в спадающем к аноду магнитном поле начинает действовать при глубине размещения колец h1 в полости анода и их высоте h2 над телом анода не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы. Кроме того, наличие колец, которые сужают поток ионов, расстояние между наконечниками магнитопровода ΔR, полуторократно превышающее ширину δ открытой части пористой диафрагмы, не допускают разрушение наконечников.The implementation of the cathode-compensator in the form of an emitting loop of wire, the ends of which are connected to the inputs of an adjustable glow source, providing control of the emission current, contributes to the stability of the ionization process of the radioactive material, which allows you to remove ripple and increase the efficiency of the process of formation of the ion stream. The implementation of the anode with a developed surface due to the placement of internal and external rings protruding beyond its boundaries includes the mechanism of classical electron conductivity and allows you to remove excess electrons coming from the CC, which go to the corresponding parts of the rings of the anode, which also helps to eliminate ripple ion current. This together creates the conditions for the continuity of the processes taking place in the accelerator. It was experimentally established that the mechanism of classical conductivity in a magnetic field decreasing to the anode begins to act when the depth of the rings h 1 in the anode cavity and their height h 2 above the anode body is not less than the width δ of the open part of the porous diaphragm. In addition, the presence of rings that narrow the ion flux, the distance between the tips of the magnetic circuit ΔR, one and a half times the width δ of the open part of the porous diaphragm, does not allow the destruction of the tips.
Конструкция КК предусматривает разогрев эмитирующей петли до высоких температур, что требует тепловой защиты устройства, по крайней мере, одним экраном. Для исключения плавающего потенциала на металлических элементах устройства они гальванически объединяются с эмитирующей петлей.The design of the spacecraft involves heating the emitting loop to high temperatures, which requires thermal protection of the device with at least one screen. To eliminate the floating potential on the metal elements of the device, they are galvanically combined with an emitting loop.
Второй вариант исполнения ускорителя плазмы обеспечивает регулирование эмиссионного тока путем разогрева эмитирующей таблетки нагревательной спиралью, концы которой соединены со входами регулируемого источника накала. Такой вариант исполнения КК не требует больших энергетических затрат, а размещение его открытого торца с заглублением таблетки в корпусе за образующей внешней поверхности магнитопровода устраняет необходимость в тепловой защите от него.The second embodiment of the plasma accelerator provides regulation of the emission current by heating the emitting tablet with a heating spiral, the ends of which are connected to the inputs of an adjustable glow source. This embodiment of the QC does not require large energy costs, and the placement of its open end with a tablet deepening in the housing behind the generatrix of the outer surface of the magnetic circuit eliminates the need for thermal protection from it.
На фиг.1 - схематически показана в разрезе конструкция ускорителя плазмы с катодом-компенсатором в виде эмитирующей петли.Figure 1 - schematically shows in section the design of a plasma accelerator with a cathode-compensator in the form of an emitting loop.
На фиг.2 - схематически показана в разрезе конструкция ускорителя плазмы, катод-компенсатор которого имеет катод в виде эмитирующей таблетки с нагревательной спиралью.Figure 2 - schematically shows in section the design of a plasma accelerator, the cathode-compensator of which has a cathode in the form of an emitting tablet with a heating coil.
В состав показанного на фиг.1 ускорителя плазмы входят: кольцеобразный магнитопровод с внешним полюсным наконечником N-1 и внутренним полюсным наконечником S-2, образующими кольцевой канал 3; источник магнитодвижущей силы (МДС) 4; кольцевой анод 5 (например, из графита), который имеет разделенные пористой диафрагмой 6 выравнивающую рабочее вещество область 7 и полость 8 и снабжен выполненными из материала анода 5 внутренним 9 и внешним 10 кольцами, которые частично размещены в полости 8 анода 5, а частично выступают за его пределы; система подачи газообразного рабочего вещества 11, совмещенная с анодом 5; источник постоянного напряжения 12, положительный полюс которого подсоединен к аноду 5, а отрицательный полюс - к магнитопроводу; размещенный соосно ускорителю за его срезом 13 катод-компенсатор, выполненный в виде петли 14 из эмитирующей проволоки (например, из вольфрамовой), которая помещена в кольцевой корпус 15 из электропроводного и высокотемпературного материала (например, Та) и своими концами электрически соединена со входами регулируемого источника накала 16; по крайней мере, один кольцевой тепловой экран 17, размещенный между ускорителем плазмы (за его срезом 13) и корпусом 15 катода-компенсатора.The composition of the plasma accelerator shown in FIG. 1 includes: an annular magnetic circuit with an external pole piece N-1 and an inner pole piece S-2 forming an
При этом эмитирующая петля 14 катода-компенсатора, его корпус 15 и каждый из тепловых экранов 17 гальванически соединены с кольцеобразным магнитопроводом.In this case, the
Кроме того, необходимыми условиями представленной на фиг.1 конструкции ускорителя плазмы являются:In addition, the necessary conditions presented in figure 1 the design of the plasma accelerator are:
- одна часть колец 9, 10 размещена (погружена на глубину h1, равную не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы 6) в полости 8 анода 5, при этом соответствующие торцы и боковые поверхности колец 9, 10 плотно прилегают к пористой диафрагме 6 и стенкам полости 8 анода 5;- one part of the
- другая часть колец 9, 10 выступает за пределы плоскости кольцевого анода 5 на высоту h2, равную не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы 6, а ее торцы удалены от полюсных наконечников 1 и 2 магнитопровода на расстояние d, равное не менее ширины δ открытой части пористой диафрагмы 6;- the other part of the
- кольцевой канал 3 между полюсными наконечниками 1 и 2 магнитопровода имеет ширину ΔR, которая должна быть минимальной со стороны анода 5 и не должна быть меньше полуторакратной ширины δ открытой части пористой диафрагмы 6.- the
Конструкция ускорителя плазмы, показанная на фиг.2, отличается вариантом выполнения и размещения катода-компенсатора, который содержит: эмитирующую таблетку 18, например, из гексаборида лантана (LaB6) с функцией катода, закрепленную с заглублением в цилиндрическом корпусе 19, выполняющего функцию экрана и открытого с одного торца; нагревательную спираль 20 из вольфрама, один конец которой контактирует через корпус 19 катода-компенсатора с одним из входов регулируемого источника накала 21, а другой электрически изолирован от корпуса 19 и электрически соединен с другим входом регулируемого источником накала 21. При этом эмитирующая таблетка 18 гальванически соединена с корпусом 19 катода-компенсатора и магнитопроводом, а открытый торец корпуса 19 катода-компенсатора размещен за образующей внешней стенки магнитопровода.The plasma accelerator design shown in FIG. 2 is distinguished by an embodiment and placement of a compensating cathode, which comprises: an emitting tablet 18, for example, of lanthanum hexaboride (LaB 6 ) with a cathode function, fixed with a recess in a cylindrical body 19, which serves as a screen and open from one end; a tungsten heating coil 20, one end of which is in contact through the compensator cathode housing 19 with one of the inputs of the adjustable glow source 21, and the other is electrically isolated from the housing 19 and is electrically connected to the other input of the adjustable glow source 21. In this case, the emitting tablet 18 is galvanically connected with the housing 19 of the cathode-compensator and the magnetic circuit, and the open end of the housing 19 of the cathode-compensator is placed behind the generatrix of the outer wall of the magnetic circuit.
Ускоритель (двигатель), показанный на фиг.1, работает следующим образом.The accelerator (engine) shown in figure 1, operates as follows.
Магнитное поле формируется в кольцеобразном канале 3 между полюсными наконечниками 1, 2 с помощью источника МДС 4 вплоть до пористой диафрагмы 6, спадая по величине в 2÷3 раза в направлении к аноду 5 и уменьшаясь за срезом 13 до нуля, имея максимальное значение в минимуме ширины ΔR канала 3. Электрическое поле создается источником постоянного напряжения 12, положительный полюс которого подсоединен к аноду 5, а отрицательный - к полюсным наконечникам 1 и 2 общего магнитопровода, к гальванически соединенным эмитирующей петле 14 регулируемого катода-компенсатора, его корпусу 15 и тепловым экранам 17, размещенным между срезом ускорителя 13 и корпусом 15 КК. Подача РВ (например, ксенона) в канал 3 ускорителя осуществляется через пористую диафрагму 6 из области 7, выравнивающей по азимуту подачу РВ из системы подачи газа 11. Регулируемым источником накала 16 КК осуществляется разогрев током накала IH эмитирующей петли 14 с целью образования эмиссионных электронов в необходимом количестве для зажигания разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. При зажигании разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в канале 3 возникает замкнутый холловский ток, инициируемый электронами из КК, осуществляющими ионизацию РВ, которое равномерно поступает через пористую диафрагму 6. При этом в области между пористой диафрагмой 6 и максимумом магнитного поля формируется двойной электрический слой, который ускоряет первичные электроны (с КК) в направлении к аноду 5, создавая холловский ток и осуществляя ионизацию РВ, поступающего через пористую диафрагму 6, и ускоряет образовавшиеся ионы РВ в направлении к выходу. При этом предварительно необходимо установить величину тока накала IH на катоде-компенсаторе, обеспечивающую эмиссионный ток, который при заданном расходе рабочего вещества и ускоряющем напряжении обеспечивает процессы, исключающие появление пульсаций в разрядном токе, следовательно, и в токе ускоренных ионов. Одновременно с этим выбор геометрии разрядного промежутка (наличие колец 9, 10 в полости 8 и за ее пределами анода 5) обеспечивает попадание избыточных электронов с КК на развитую часть анода 5, сформированную утопленной в тело анода 5 на глубину частью h1≥δ частью колец 9, 10 и выступающей их частью за пределы анода 5 на высоту h2≥δ. Эксперименты показали, что меньшие значения h1 и h2 не приводят к исчезновению пульсаций. А уменьшение расстояния d между внутренней поверхностью наконечников 1, 2 магнитопровода и выступающими торцами колец 9 и 10 приводит к снижению эффективности процесса ионизации РВ, а следовательно, к уменьшению ионного тока и эффективности ускорителя. При этом выбор минимального размера ΔR кольцевого канала 3 со стороны анода 5, в полтора раза превышающем ширину δ открытой части пористой диафрагмы 6, обеспечивает не распыляемость полюсов 1, 2 магнитопровода, так как расходимость ионного пучка меньше минимального размера ΔR кольцевого канала 3.A magnetic field is formed in the
Этот вариант выполнения ускорителя плазмы достаточно энергоемкий (например, на разогрев проволоки из W тратится до 500 Вт), но обеспечивает равномерное распределение эмиссионных электронов по всему кольцевому каналу 3. При этом для защиты устройства от высоких температур предусматривается не менее одного теплового экрана 17.This embodiment of the plasma accelerator is quite energy-intensive (for example, it takes up to 500 W to heat up a wire from W), but ensures uniform distribution of emission electrons throughout the
Работа предлагаемого на фиг.2 ускорителя плазмы отличается тем, что в катоде-компенсаторе по этому варианту исполнения эмитирующая электроны таблетка 18, например из гексаборида лантана, нагревается с помощью нагревательной спирали 20, соединенной со входами регулируемого источника накала 21. Это позволяет создавать управляемый ток эмиссии с меньшими энергетическими затратами (например, на разогрев таблетки из LaB6 тратится 120÷150 Вт) по сравнению с вариантом на фиг.1. Однако этот вариант конструкции КК не обеспечивает равномерного поступления эмиссионных электронов по кольцевому каналу 3 и может быть применен в тех случаях, когда важнее снижение энергетических затрат на работу устройства в целом.The operation of the plasma accelerator proposed in FIG. 2 is characterized in that in the cathode-compensator of this embodiment, the electron-emitting tablet 18, for example from lanthanum hexaboride, is heated by means of a heating coil 20 connected to the inputs of an adjustable glow source 21. This allows you to create a controlled current emissions with lower energy costs (for example, 120 ÷ 150 W is spent on heating a tablet from LaB 6 ) compared with the variant in figure 1. However, this design variant of the QC does not provide a uniform supply of emission electrons through the
Необходимо отметить, что описанные на фиг.1 и 2 ускорители плазмы используют принцип наименьшего количества материалов. Кольцевой анод 5 изготавливали из пироуплотненного графита. В качестве пористой диафрагмы 6 использовался композиционный углерод - углеродный наноматериал с матрицей из войлока марки «Войлокарбон 5-2.2». Кольца 9 и 10 изготавливались тоже из пироуплотненного графита. После сборки анода 5 вся конструкция проходила пиролитическое насыщение углеродом в термохимическом реакторе, что обеспечивало жесткость конструкции и подачу РВ только через открытую часть пористой диафрагмы 6 шириной δ. Газовое сопротивление пористой диафрагмы определялось длительностью пиронасыщения используемого войлока. Как правило, для обеспечения расхода в 1÷2 А (в токовом выражении) перепад давления между областью 7 и полостью 8 составлял несколько десятков Тор, что обеспечивало высокую однородность поступления РВ в канал 3 ускорителя.It should be noted that the plasma accelerators described in FIGS. 1 and 2 use the principle of least materials. Ring anode 5 was made of pyro-compacted graphite. As the porous diaphragm 6, we used composite carbon - a carbon nanomaterial with a matrix of felt of the brand “Voylokarbon 5-2.2”.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009120434/06A RU2401521C1 (en) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Plasma accelerator with closed hall current (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009120434/06A RU2401521C1 (en) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Plasma accelerator with closed hall current (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2401521C1 true RU2401521C1 (en) | 2010-10-10 |
Family
ID=44024943
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009120434/06A RU2401521C1 (en) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Plasma accelerator with closed hall current (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2401521C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115681057A (en) * | 2023-01-03 | 2023-02-03 | 国科大杭州高等研究院 | Hall propulsion system and operation method thereof |
-
2009
- 2009-06-01 RU RU2009120434/06A patent/RU2401521C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115681057A (en) * | 2023-01-03 | 2023-02-03 | 国科大杭州高等研究院 | Hall propulsion system and operation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7624566B1 (en) | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator | |
| US10269526B2 (en) | Hall current plasma source having a center-mounted cathode or a surface-mounted cathode | |
| US4716491A (en) | High frequency plasma generation apparatus | |
| Leung et al. | Optimization of H− production from a small multicusp ion source | |
| US5763989A (en) | Closed drift ion source with improved magnetic field | |
| Oks et al. | Development of plasma cathode electron guns | |
| Loeb | Plasma-based ion beam sources | |
| Brown et al. | Vacuum arc ion sources: Recent developments and applications | |
| JP2015145650A (en) | Electric propulsion system | |
| US4123686A (en) | Ion generating source | |
| Dimov et al. | A 100 mA negative hydrogen-ion source for accelerators | |
| JP2004169606A (en) | Hollow cathode | |
| RU2401521C1 (en) | Plasma accelerator with closed hall current (versions) | |
| RU2167466C1 (en) | Plasma ion source and its operating process | |
| Belchenko et al. | Development of surface-plasma negative ions sources at the Budker Institute of nuclear physics | |
| US20090314952A1 (en) | Ion source for generating negatively charged ions | |
| US4218633A (en) | Hydrogen hollow cathode ion source | |
| KR20230118659A (en) | Ion source device with controllable plasma density | |
| US2956195A (en) | Hollow carbon arc discharge | |
| JP2008130430A (en) | High-frequency ionization source | |
| Wolf | Multicharged metallic ion production for accelerators | |
| Kwan | Ion sources for heavy ion fusion induction linacs | |
| RU2496283C1 (en) | Generator of wide-aperture flow of gas-discharge plasma | |
| Jacquot et al. | Negative ion production in large volume source with small deposition of cesium | |
| Gavrilov | High current gaseous ion sources |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150602 |