RU2429591C2 - Method to neutralise volume charge of ion beams in ion electric rocket engines and device to this end (versions) - Google Patents

Method to neutralise volume charge of ion beams in ion electric rocket engines and device to this end (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2429591C2
RU2429591C2 RU2008107130/06A RU2008107130A RU2429591C2 RU 2429591 C2 RU2429591 C2 RU 2429591C2 RU 2008107130/06 A RU2008107130/06 A RU 2008107130/06A RU 2008107130 A RU2008107130 A RU 2008107130A RU 2429591 C2 RU2429591 C2 RU 2429591C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cavity
laser
cathode
ion
autonomous
Prior art date
Application number
RU2008107130/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008107130A (en
Inventor
Эдуард Махмутович Юлдашев (RU)
Эдуард Махмутович Юлдашев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)
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 "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)
Priority to RU2008107130/06A priority Critical patent/RU2429591C2/en
Publication of RU2008107130A publication Critical patent/RU2008107130A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2429591C2 publication Critical patent/RU2429591C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: proposed method runs of excitation of gas-discharge plasma to be used to electron emission into volume charge neutralisation zone. Pulse laser is used as auxiliary power source. Laser focused beam is directed into neutraliser self-contained cavity filled by inflow of ion engine working gas wherein discharge is initiated in working gas flow, nearby said focus, to generate plasma and emit electrons into accelerated ion beam. In compliance with one version of method, cesium vapors are directed into neutraliser self-contained cavity. Proposed neutraliser comprises auxiliary pulse laser power source, laser igniter with focusing lens and spacer to set and adjust focus point in cathode self-contained cavity with diaphragmed gas-flow hollow neutraliser cathode. Diaphragm hole is connected with electrically isolated auxiliary anode by pipeline communicated via inlet with unit to feed cesium vapors into cathode self-contained cavity. Sleeves fix laser beam transfer channel in self-contained cavity case to focus of hollow cathode 4 or to target arranged in said cvity. In compliance with of version of device, laser igniter is arranged inside self-contained cathode cavity coupled with pulse laser via wave guide.
EFFECT: higher efficiency of electron emission and transfer into ion beam neutralisation zone, longer life.
8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано в ионных электрических ракетных двигателях (ЭРД) для нейтрализации объёмного заряда ионных пучков на выходе ионных ускорителей и обеспечения нормальной работы ионных ЭРД на их основе в условиях эксплуатации на космических аппаратах (КА) и орбитальных пилотируемых космических станциях (ОПС). Особенно целесообразно использование предлагаемых технических решений в двигателях с анодным слоем (ДАС) для повышения ресурса и обеспечения надежности инициирования электрического разряда в рабочей камере ДАС в натурных условиях эксплуатации двигателя на борту КА и ОПС и при их отработке в стендовых условиях.The invention relates to rocket and space technology (RKT) and can be used in ion electric rocket engines (EREs) to neutralize the space charge of ion beams at the output of ion accelerators and to ensure the normal operation of ion EREs based on them in operating conditions on spacecraft (SC) and orbital manned space stations (OPS). It is especially advisable to use the proposed technical solutions in engines with an anode layer (DAS) to increase the resource and ensure the reliability of initiating an electric discharge in the working chamber of the DAS in full-scale conditions of engine operation onboard the spacecraft and the spacecraft landing gear and during their development in bench conditions.

В ионных ракетных двигателях для обеспечения нормальной работы в космических условиях необходима инжекция ионов и электронов в равных количествах, чтобы ракета не заряжалась отрицательно и не тормозила ионы во время работы ионного двигателя. Для инжекции электронов в ионные пучки ЭРД нет необходимости предусматривать электронную пушку, поскольку пучок ионов создаёт большие радиальные электрические поля относительно своей оси, которые могут вытянуть электроны из эмиттера электронов, расположенного вблизи края пучка за срезом ионного двигателя (Айленберг С.Л. и Хюбнер А.Л. Технические и научные проблемы движения с помощью ионов. / Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели. Сб. статей, перевод с англ. Госиздат в области атомной науки и техники. М., 1961 г., с.5). Эта задача решается с помощью специального нейтрализатора - источника электронов, который устанавливают на выходе из ускорительной системы.In ion rocket engines, to ensure normal operation in space conditions, injection of ions and electrons in equal amounts is necessary so that the rocket does not charge negatively and does not inhibit ions during operation of the ion engine. For the injection of electrons into the ion beams of the ERE, there is no need to provide an electron gun, since the ion beam creates large radial electric fields about its axis, which can pull electrons from the electron emitter located near the edge of the beam behind the cut of the ion engine (S. Eilenberg and A. Hübner . L. Technical and scientific problems of motion using ions. / Ion, plasma and arc rocket engines. Collection of articles, translation from English by the State Publishing House in the field of atomic science and technology. M., 1961, p.5). This problem is solved with the help of a special converter - an electron source, which is installed at the exit from the accelerator system.

Так на выходе плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (см. Мурашко В.М. и др. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. // Патент RU №2312471 от 2003.12.24) установлены по меньшей мере один катод-компенсатор (КК), а также анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, который расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях. Способ нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов в указанном выше патенте № 2312471 может быть принят в качестве первого аналога заявляемого способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ионных ЭРД.So at the output of a plasma engine with a closed electron drift (see Murashko V.M. et al. Plasma engine with a closed electron drift. // Patent RU No. 2312471 of 2003.12.24) at least one cathode-compensator (CC) is installed, as well as an anode block containing a magnetic system and a discharge chamber with an accelerating channel with zones of ionization and acceleration, which expands in the outer and inner radial directions. The method of neutralizing the space charge of ion beams in a plasma engine with a closed electron drift in the aforementioned patent No. 2312471 can be adopted as the first analogue of the inventive method of neutralizing the space charge of ion beams of ionic EREs.

Недостатком первого аналога заявляемого способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ионных ЭРД является низкая эффективность эмиссии электронов и ограниченный ресурс основанных на этом способе нейтрализаторов из-за теплонапряжённого режима катодов.The disadvantage of the first analogue of the inventive method of neutralizing the space charge of ion beams of ionic EREs is the low efficiency of electron emission and the limited life of the converters based on this method due to the heat-stressed mode of the cathodes.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому способу нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ЭРД является способ нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в плазменном нейтрализаторе, изложенный на с.91-93 в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. «Электрические ракетные двигатели космических аппаратов», г.Москва, изд.-во Машиностроение, 1989 г., в которой способ нейтрализации объёмного заряда ионных пучков основан на подаче газообразного рабочего вещества по трубчатому молибденовому токоподводу, обладающему малой теплопроводностью, в трубчатый эмитирующий электрод (катод). После предварительного прогрева катода в газообразном рабочем веществе между катодом и ионным пучком загорается низковольтная дуга. Образующаяся плазма истекает из нейтрализатора, создавая так называемый «плазменный мост», охватывающий часть ионного пучка, по которому электроны беспрепятственно поступают в ионный пучок ионных ЭРД.The closest in the set of essential features of the claimed method of neutralizing the space charge of ion beams of the ERD is the method of neutralizing the space charge of ion beams in a plasma converter, described on p.91-93 in the book of S. Grishin and Leskova L.V. “Electric rocket engines of spacecraft”, Moscow, publishing house Mechanical Engineering, 1989, in which the method of neutralizing the space charge of ion beams is based on the supply of a gaseous working substance through a tubular molybdenum current supply having low thermal conductivity to a tubular emitting electrode ( cathode). After preliminary heating of the cathode in a gaseous working medium, a low-voltage arc ignites between the cathode and the ion beam. The resulting plasma flows out of the neutralizer, creating the so-called "plasma bridge", covering part of the ion beam, through which the electrons freely enter the ion beam of ionic electric propulsion.

Рассмотренное техническое решение (по книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В.) является вторым аналогом и выбрано прототипом для заявляемых способов.The considered technical solution (according to the book by Grishin S.D. and Leskov L.V.) is the second analogue and is selected as a prototype for the claimed methods.

В книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. для включения нейтрализатора на с.91-93 используют подачу газа в рабочую полость полого катода, осуществляют стартовое нагревание полости с помощью вспомогательного источника энергии и совместное функционирование двигателя и полого катода-нейтрализатора с возбуждением внутреннего разряда в полости полого катода и внешнего разряда с использованием вспомогательного электрода (анода). При этом осуществляется нагревание полости полого катода и эмиссия электронов, а также транспортировка электронов из катодной полости через диафрагму катода в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ионных ЭРД. После поджига с использованием вспомогательного электрода (анода) внутреннего и внешнего разрядов при совместном функционировании двигателя и полого катода-нейтрализатора может работать в авторежиме, т.е. без нагревания катода от постороннего источника.In the book of Grishin S.D. and Leskova L.V. to turn on the converter on p.91-93 use the gas supply to the working cavity of the hollow cathode, carry out the starting heating of the cavity using an auxiliary energy source and the joint operation of the engine and the hollow cathode-converter with the excitation of the internal discharge in the cavity of the hollow cathode and the external discharge using the auxiliary electrode (anode). In this case, the hollow cathode cavity is heated and the emission of electrons is carried out, as well as the transportation of electrons from the cathode cavity through the cathode diaphragm to the zone of neutralization of the space charge of ion beams of ionic electric propulsion. After firing using the auxiliary electrode (anode) of the internal and external discharges during the joint operation of the engine and the hollow cathode-converter, it can work in automatic mode, i.e. without heating the cathode from an extraneous source.

Недостатками прототипа являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, а также ограниченный ресурс нейтрализаторов из-за теплонапряжённого режима катодов.The disadvantages of the prototype are the low efficiency of electron emission and their transportation to the zone of neutralization of the space charge of ion beams, as well as the limited resource of the neutralizers due to the heat-stressed mode of the cathodes.

Для устранения указанных недостатков в прототипе в заявляемом изобретении решается техническая задача повышения эффективности эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ЭРД и увеличения ресурса нейтрализатора в натурных условиях эксплуатации.To address these shortcomings in the prototype, the claimed invention solves the technical problem of increasing the efficiency of electron emission and transporting them to the zone of neutralization of the space charge of ion beams of electric propulsion and to increase the life of the converter in natural conditions of use.

Для решения технической задачи в способе нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД, основанном на возбуждении в автономной полости нейтрализатора с помощью вспомогательного источника энергии газоразрядной плазмы с использованием плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком газа рабочего вещества ионного двигателя, где в зоне вблизи фокуса в объёме газопроточного рабочего вещества возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля в ускоряемый ионный пучок.To solve the technical problem, in a method for neutralizing the space charge of ion beams in an ion electric propulsion, based on the excitation in an autonomous cavity of a converter using an auxiliary energy source of a gas discharge plasma using plasma to electron emission into the zone of neutralization of the space charge of ion beams, a pulsed energy source is used a laser whose beam with focusing is directed into the autonomous cavity of the converter, is directed into the autonomous cavity of the converter, filling An optical engine emitted by the influx of gas, where an optical discharge is excited in a zone near the focus in the volume of the gas-flowing working substance, creates a plasma and emits electrons from the boundary of the internal plasma under the influence of an external electric field into the accelerated ion beam.

Дополнительно в способе нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях объёмный оптический разряд возбуждают вблизи установленной в автономной полости нейтрализатора мишени.Additionally, in the method of neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines, a volumetric optical discharge is excited near a target installed in the autonomous cavity of the neutralizer.

В устройстве для осуществления нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. (см. на с.87, рис. 2.18) в качестве нейтрализаторов обычно используются газоразрядные плазменные нейтрализаторы, которые можно рассматривать в качестве первого аналога устройства для осуществления нейтрализации объёмного заряда ионных ЭРД.In the device for the implementation of the neutralization of the space charge of ion beams in ionic electric propulsion in the book of S. Grishin and Leskova L.V. (see p.87, Fig. 2.18) gas-discharge plasma neutralizers are usually used as neutralizers, which can be considered as the first analogue of a device for neutralizing the space charge of ionic electric propulsion.

Так, в указанной в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. (см. на с.87, рис. 2.18) газоразрядный плазменный нейтрализатор состоит из катода в виде трубочки из гексоборида лантана с малым внутренним отверстием, стартового нагревателя, выполненного из вольфрамовой проволоки, тепловых экранов и поджигающего электрода. При нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД осуществляется подача в катод газообразного рабочего вещества по трубчатому молибденовому токоподводу, обладающему малой теплопроводностью. После предварительного прогрева и срабатывания поджигающего электрода в газообразном рабочем веществе между катодом и ионным пучком загорается низковольтная дуга. Образующаяся плазма истекает из нейтрализатора, создавая так называемый «плазменный мост», охватывающий часть ионного пучка, по которому электроны беспрепятственно поступают в ионный пучок. Указанное устройство может быть принято в качестве первого аналога.So, in the indicated in the book Grishina S.D. and Leskova L.V. (see p. 87, Fig. 2.18) a gas-discharge plasma converter consists of a cathode in the form of a tube of lanthanum hexoboride with a small internal hole, a starting heater made of tungsten wire, heat shields, and an ignition electrode. When neutralizing the space charge of ion beams in an ionic electric propulsion, a gaseous working substance is supplied to the cathode through a tubular molybdenum current lead with low thermal conductivity. After preliminary heating and operation of the ignition electrode in a gaseous working medium, a low-voltage arc ignites between the cathode and the ion beam. The resulting plasma flows out of the neutralizer, creating the so-called "plasma bridge", covering part of the ion beam, through which the electrons freely enter the ion beam. The specified device can be taken as the first analogue.

Недостатками первого аналога являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, а также ограниченный ресурс нейтрализаторов из-за теплонапряжённого режима катодов.The disadvantages of the first analogue are the low efficiency of electron emission and their transportation to the zone of neutralization of the space charge of ion beams, as well as the limited resource of the neutralizers due to the heat-stressed mode of the cathodes.

Наиболее близким по технической сути вторым аналогом заявляемого устройства для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД является устройство, представленное в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. на с.87, на рис.2.19, который может быть выбран в качестве прототипа.The closest in technical essence to the second analogue of the claimed device for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams in ion electric propulsion is the device presented in the book of S. Grishin and Leskova L.V. on p.87, on fig.2.19, which can be selected as a prototype.

В книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. (см. на с.87, рис.2.19) дано описание прототипа (второго аналога), конструкция которого основана на использовании в качестве нейтрализатора полого катода. Рабочая полость катода образуется в объёме цилиндрической вставки диаметром в диапазоне 3-10 мм и высотой в диапазоне 5-15 мм. Прогреваемое дно вставки образует собственно катод и выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексоборида лантана). Крышка вставки также выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (из гексоборида лантана) и образует диафрагму с отверстием для истечения электронов из полого катода в зону ионного пучка при совместном функционировании двигателя с анодным слоем (ДАС) и нейтрализатора. Диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор ионных ЭРД, в частности ДАСов, состоит из катодной полости, катода, диафрагмы катода с выходным отверстием нагревателя, канала подачи рабочего вещества, тепловых экранов, вспомогательного электрода (анода) для поджига внутреннего и внешнего разрядов при совместном функционировании ДАС и нейтрализатора.In the book of Grishin S.D. and Leskova L.V. (see p. 87, fig. 2.19) a description is given of a prototype (second analogue), the design of which is based on the use of a hollow cathode as a neutralizer. The working cavity of the cathode is formed in the volume of a cylindrical insert with a diameter in the range of 3-10 mm and a height in the range of 5-15 mm. The heated bottom of the insert forms the cathode itself and is made of a material with high thermal emissivity (usually lanthanum hexoboride). The insert cover is also made of a material with high thermal emissivity (lanthanum hexoboride) and forms a diaphragm with a hole for the flow of electrons from the hollow cathode to the ion beam zone when the engine with the anode layer (DAS) and the neutralizer are combined. The diaphragmed gas-flow hollow cathode-converter of ionic electric propulsion, in particular DAS, consists of a cathode cavity, a cathode, a cathode diaphragm with a heater outlet, a supply channel for a working substance, heat shields, an auxiliary electrode (anode) for igniting internal and external discharges during joint operation of the DAS and neutralizer.

Совместное функционирование ДАС и нейтрализатора осуществляется, начиная с минимального разрядного напряжения 14 В при расходе ксенона в токовых единицах в диапазоне 0,03…2,5 А, который обеспечивает выходной электронный ток в диапазоне 0,1…50 А. Для включения нейтрализатора требуется стартовое нагревание катода, а также подача газа в рабочую полость полого катода.The joint operation of the DAS and the converter is carried out starting from the minimum discharge voltage of 14 V at a xenon consumption in current units in the range of 0.03 ... 2.5 A, which provides an output electronic current in the range of 0.1 ... 50 A. To enable the converter, a start heating the cathode, as well as supplying gas to the working cavity of the hollow cathode.

Нейтрализатор может работать в авторежиме, т.е. без нагревания катода от постороннего источника. Прогреваемое дно вставки образует собственно катод и выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексоборида лантана). Крышка вставки также выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (из гексоборида лантана) и образует диафрагму с отверстием для истечения электронов из полого катода в зону ионного пучка при совместном функционировании ДАС и нейтрализатора.The converter can work in auto mode, i.e. without heating the cathode from an extraneous source. The heated bottom of the insert forms the cathode itself and is made of a material with high thermal emissivity (usually lanthanum hexoboride). The insert cover is also made of a material with high thermal emissivity (from lanthanum hexoboride) and forms a diaphragm with a hole for the outflow of electrons from the hollow cathode to the ion beam zone with the joint functioning of the DAS and the neutralizer.

Однако стартовое нагревание катода и подача газа в рабочую полость полого катода ограничивает при многократных включениях двигателя ресурс нейтрализатора из-за теплонапряжённого режима работы полого катода и дополнительного расхода рабочего газа при его функционировании, что является недостатком нейтрализатора. Недостатками прототипа являются также низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков.However, starting heating of the cathode and gas supply to the working cavity of the hollow cathode limits the resource of the converter when the engine is switched on repeatedly due to the heat-stressed mode of operation of the hollow cathode and the additional consumption of working gas during its operation, which is a disadvantage of the converter. The disadvantages of the prototype are also the low efficiency of electron emission and their transportation to the zone of neutralization of the space charge of ion beams.

Для устранения отмеченных недостатков в заявляемом изобретении решается техническая задача повышения эффективности эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков и увеличения ресурса нейтрализаторов в натурных условиях эксплуатации.To eliminate the noted drawbacks, the claimed invention solves the technical problem of increasing the efficiency of electron emission and their transportation to the zone of neutralization of the space charge of ion beams and to increase the life of the neutralizers in natural conditions of use.

Для решения поставленной технической задачи в устройство для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД, содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор с автономной катодной полостью, с трубопроводом для подачи в нее рабочего вещества ионного двигателя и с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов, введены лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, выход которого соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода, при этом отверстие в диафрагме для эмиссии электронов связано по трубопроводу с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом.To solve the technical problem, the device for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams in ion electric propulsion, containing an auxiliary energy source and a diaphragmed gas-flow hollow cathode-converter with an autonomous cathode cavity, with a pipe for supplying the working substance of the ion engine and with an opening in the diaphragm for electron emission, a laser candle and an energy source based on a pulsed laser are introduced, the output of which is connected to the input of the laser candle through a fiber The laser beam is directed through a focusing lens installed in the laser candle body to the focus point in the body of the autonomous cavity of the hollow cathode, and the laser candle body inserted to introduce the laser beam into the body of the cathode autonomous cavity is narrowed at the entrance to the cathode autonomous cavity body, which allows a gap to be formed to create an auxiliary cavity above the surface of the laser candle for supplying the working substance of the ion engine through the input in the hollow cathode body, with the hole in the diaphragm f for electron emission is connected through a pipeline with an auxiliary anode electrically isolated at its end.

Дополнительно в устройстве для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях в автономной полости нейтрализатора установлена мишень, на которую с фокусировкой направлен луч импульсного лазера.Additionally, in the device for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines, a target is mounted in the autonomous cavity of the neutralizer, to which a pulsed laser beam is focused.

В ракетной технике ионные пучки в ЭРД создаются не только исключительно с использованием нейтральных газов (ксенона), но и с использованием цезия. Согласно научно-технической литературе (см., например, статью Приданцева В.Ф. и др. Разработка цезиевых катодов-компенсаторов плазменных ускорителей средней мощности. / VII Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов. Харьков, 1989 г.) цезиевые катоды-компенсаторы (КК) применяются как катоды основного разряда в камере ионизации плазменно-ионного ускорителя, которые являются одновременно нейтрализаторами объёмного заряда на выходе ионных ЭРД, поэтому могут быть указаны в качестве первых аналогов в вариантах выполнения способов и устройств нейтрализаторов ионных ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы при формировании интенсивных ионных пучков. Конструктивно цезиевый КК выполнен в виде трубопровода с электрически изолированной на его торце дроссельной диафрагмой, в котором организован газовый разряд в парах цезия.In rocketry, ion beams in the electric propulsion are not only created using neutral gases (xenon), but also using cesium. According to the scientific and technical literature (see, for example, an article by VF Pridantsev et al. Development of cesium cathodes-compensators for medium-power plasma accelerators. / VII All-Union Conference on Plasma Accelerators and Ion Injectors. Abstracts. Kharkov, 1989) cesium cathode-compensators (CC) are used as cathodes of the main discharge in the ionization chamber of a plasma-ion accelerator, which are simultaneously neutralizers of the space charge at the output of ionic electric propulsion, so they can be indicated as the first analogues in Ianthe performing the methods and devices of the ion neutralizers ERE, which utilize cesium cathode-compensator in the formation of intense ion beams. Structurally, cesium KK is made in the form of a pipeline with a throttle diaphragm electrically isolated at its end, in which a gas discharge in cesium vapor is organized.

Недостатками первых аналогов способа и устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы при формировании интенсивных ионных пучков, являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда из-за теплонапряжённого режима КК.The disadvantages of the first analogues of the method and device for neutralizing ion beams in an electric propulsion jet, in which cesium compensator cathodes are used in the formation of intense ion beams, are the low efficiency of electron emission and their transport to the zone of neutralization of the space charge due to the heat-stressed KK mode.

В качестве второго аналога способа и устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы, могут быть использованы также наиболее близкие им по технической сути вторые аналоги заявляемого способа и устройства для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД, изложенные в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. на с.87, на рис.2.19. Эти аналоги могут быть выбраны также в качестве прототипов.As the second analogue of the method and device for neutralizing ion beams in an electric propulsion jet, in which cesium compensator cathodes are used, the second analogues of the claimed method and device closest to them in technical essence can also be used for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams in ion electric propulsion systems, in the book of Grishin S.D. and Leskova L.V. on p. 87, on fig.2.19. These analogues can also be selected as prototypes.

Недостатками второго аналога и устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в котором применяются цезиевые катоды-компенсаторы при формировании интенсивных ионных пучков, являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда из-за теплонапряжённого режима КК.The disadvantages of the second analogue and the device for neutralizing ion beams in an electric propulsion jet, in which cesium compensator cathodes are used in the formation of intense ion beams, are the low efficiency of electron emission and their transport to the zone of neutralization of the space charge due to the heat-stressed KK mode.

Для устранения отмеченных недостатков в нейтрализаторах с цезием в заявляемом изобретении (варианте) решается техническая задача повышения эффективности эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков и увеличения ресурса нейтрализаторов в натурных условиях эксплуатации.To eliminate the noted drawbacks in cesium converters in the claimed invention (version), the technical problem is solved to increase the efficiency of electron emission and their transportation to the zone of neutralization of the space charge of ion beams and to increase the resource of neutralizers in natural operating conditions.

Для решения технической задачи в способе нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД (вариант), основанном на возбуждении с помощью вспомогательного источника энергии в автономной полости нейтрализатора газоразрядной плазмы и использовании плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, дополнительно направляют в автономную полость нейтрализатора пары цезия, а в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя и парами цезия, где в зоне вблизи фокуса в объёме смеси газопроточного рабочего вещества и паров цезия возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля в ускоряемый ионный пучок.To solve the technical problem, in a method for neutralizing the space charge of ion beams in an ion electric propulsion (option), based on the excitation of a gas-discharge plasma converter using an auxiliary energy source in an autonomous cavity and using plasma to emit electrons into the zone of neutralization of the space charge of ion beams, they are additionally sent to an autonomous the cavity of the cesium vapor converter, and a pulsed laser is used as an auxiliary energy source, the beam of which is focused autonomously the cavity of the converter, filled with the influx of the working substance of the ion engine and cesium vapor, where in the zone near the focus in the volume of the mixture of gas-flowing working substance and cesium vapor, an optical discharge is excited, a plasma is created and the electrons are emitted from the boundary of the internal plasma under the action of an external electric field into the accelerated ion a bunch.

Дополнительно в варианте способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях объёмный оптический разряд возбуждают вблизи установленной в автономной полости нейтрализатора мишени.Additionally, in a variant of the method for neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines, a volumetric optical discharge is excited near a target installed in the autonomous cavity of the neutralizer.

Цезиевые катоды-компенсаторы (см. Приданцев В.Ф. и др. Разработка цезиевых катодов-компенсаторов плазменных ускорителей средней мощности. / VII Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов. Харьков, 1989 г.) применяются как катоды основного разряда в камере ионизации плазменно-ионного ускорителя с коноидальным и радиальным магнитным полем, а также непосредственно в качестве КК для нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД при формировании интенсивных ионных пучков.Cesium cathode-compensators (see Pridantsev V.F. et al. Development of cesium cathode-compensators of medium-power plasma accelerators. / VII All-Union Conference on Plasma Accelerators and Ion Injectors. Abstracts. Kharkov, 1989) are used as cathodes of the main discharge in the ionization chamber of a plasma-ion accelerator with a conoidal and radial magnetic field, as well as directly as a spacecraft to neutralize the space charge of ion beams in ion electric propulsion during the formation of intense ion beams.

Конструктивно цезиевый КК выполнен в виде трубопровода с электрически изолированной на его торце дроссельной диафрагмой, в котором организован газовый разряд в парах цезия, который можно принять за первый аналог и прототип устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы.Structurally, cesium KK is made in the form of a pipeline with a throttle diaphragm electrically isolated at its end, in which a gas discharge is organized in cesium vapors, which can be taken as the first analogue and prototype of an ion beam neutralization device in ERE, in which cesium compensator cathodes are used.

Недостатком первого аналога устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы (КК) при формировании интенсивных ионных пучков, являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда из-за теплонапряжённого режима КК.The disadvantage of the first analogue of the device for the neutralization of ion beams in ERE, which use cesium cathode-compensators (CC) in the formation of intense ion beams, is the low efficiency of electron emission and their transportation to the zone of neutralization of the space charge due to the heat-stressed regime of CC.

Наиболее близкий по технической сути второй аналог заявляемого устройства для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД, изложенный в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. на с.87, на рис.2.19, может быть выбран также в качестве прототипа для второго варианта устройства.The closest in technical essence to the second analogue of the claimed device for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams in ion electric propulsion, described in the book by S. Grishin and Leskova L.V. on p.87, on fig.2.19, can also be selected as a prototype for the second version of the device.

Недостатками второго аналога и устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в котором применяются цезиевые катоды-компенсаторы при формировании интенсивных ионных пучков, являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда из-за теплонапряжённого режима КК.The disadvantages of the second analogue and the device for neutralizing ion beams in an electric propulsion jet, in which cesium compensator cathodes are used in the formation of intense ion beams, are the low efficiency of electron emission and their transport to the zone of neutralization of the space charge due to the heat-stressed KK mode.

Для решения поставленной технической задачи в устройство для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД (вариант), содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор с автономной катодной полостью с трубопроводом для подачи в полость рабочего вещества ионного двигателя и с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов к вспомогательному аноду, дополнительно введены узел подачи паров цезия, лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, при этом узел подачи паров цезия подключён через ввод к электрически изолированному трубопроводу, оптический выход импульсного лазера соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением, позволяющим при входе в корпус катодной автономной полости образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью корпуса лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода. При этом трубопровод с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом связан с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов, а на внешней поверхности корпуса автономной полости размещены соответственно вводы узлов подачи рабочего вещества ионного двигателя в автономную полость полого катода и паров цезия в трубопровод для эмиссии электронов к вспомогательному аноду.To solve the technical problem in the device for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams in ion electric propulsion (option), containing an auxiliary energy source and a diaphragmed gas-flow hollow cathode-neutralizer with an autonomous cathode cavity with a pipe for supplying an ion engine working medium to the cavity and with an opening in the diaphragm for electron emission to the auxiliary anode, a cesium vapor supply unit, a laser candle, and a pulse-based energy source are additionally introduced laser, while the cesium vapor supply unit is connected through an input to an electrically isolated pipeline, the optical output of a pulsed laser is connected to the input of the laser candle through a fiber through which the laser beam is directed through the focusing lens installed in the laser candle body to the focus point in the body of the autonomous cavity of the hollow the cathode, and the laser candle housing inserted for introducing the laser beam into the cathode autonomous cavity body is constricted, allowing, upon entering the cathode autonomous cavity body, Set a gap to create an auxiliary cavity above the surface of the laser candle body for supplying the working substance of the ion engine through the input in the hollow cathode body. In this case, the pipeline with the auxiliary anode electrically isolated at its end is connected to the hole in the diaphragm for electron emission, and on the outer surface of the housing of the autonomous cavity are placed respectively the inputs of the supply of the working substance of the ion engine into the autonomous cavity of the hollow cathode and cesium vapor in the pipeline for electron emission to auxiliary anode.

Дополнительно в варианте устройства для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях в нейтрализаторах объёмный оптический разряд с использованием паров цезия в автономной полости нейтрализатора установлена мишень, на которую с фокусировкой направлен лазерный луч импульсного лазера.Additionally, in a variant of the device for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams in ion electric rocket engines in neutralizers, a volume optical discharge using cesium vapors in the autonomous cavity of the neutralizer has a target, to which the laser beam of a pulsed laser is focused.

Таким образом, для устранения отмеченных недостатков в способах и устройствах нейтрализации объёмного заряда в ионных ЭРД в заявляемом изобретении решается вышеуказанная техническая задача повышения эффективности способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД и устройстве для его осуществления. В частности, технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, а также увеличение ресурса нейтрализаторов в натурных условиях эксплуатации.Thus, in order to eliminate the noted drawbacks in the methods and devices for neutralizing the space charge in ionic EREs, the claimed invention solves the above technical problem of increasing the efficiency of the method of neutralizing the space charge in ionic EREs and in the device for its implementation. In particular, the technical problem to which the invention is directed is to increase the efficiency of electron emission and their transport to the zone of neutralization of the space charge of ion beams, as well as to increase the life of the neutralizers in natural operating conditions.

Комплексное решение технической задачи сформулировано в двух вариантах способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД и двух вариантах устройства для их осуществления.A comprehensive solution to the technical problem is formulated in two versions of the method of neutralizing the space charge of ion beams in ion electric propulsion and two versions of the device for their implementation.

Предлагаемые способы нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД и устройства для их осуществления иллюстрируют следующие графические материалы:The proposed methods for neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric propulsion and devices for their implementation are illustrated by the following graphic materials:

На фиг.1 представлена конструктивная схема по 1-му варианту способа и устройства, в котором излучение от лазера вводится в лазерную свечу и в область пробоя в объеме полости полого катода с помощью фокусирующей линзы.Figure 1 presents a structural diagram according to the 1st embodiment of the method and device, in which radiation from the laser is introduced into the laser candle and into the breakdown region in the volume of the hollow cathode cavity using a focusing lens.

На фиг.2 представлена конструктивная схема по 2-му варианту способа и устройства, в котором излучение от лазера также вводится в лазерную свечу и в область пробоя в объеме камеры с помощью фокусирующей линзы, однако фокусирование производится на мишень, расположенную в области пробоя в объеме полости полого катода.Figure 2 presents a structural diagram according to the 2nd embodiment of the method and device, in which radiation from the laser is also introduced into the laser candle and into the breakdown region in the chamber volume using a focusing lens, however, focusing is made on a target located in the breakdown region in the volume hollow cathode cavity.

На фиг.3 представлена конструктивная схема устройства, использующего ещё один вариант выполнения лазерной свечи 19, при котором излучение от лазера вводится в лазерную свечу 19 и в область пробоя в объеме камеры с помощью оптического волокна и направлено на мишень, расположенную в области пробоя в объеме полости полого катода. Лазерная свеча 19 связана с областью пробоя в катодной полости по оптическому волокну.Figure 3 presents a structural diagram of a device using another embodiment of a laser candle 19, in which radiation from a laser is introduced into the laser candle 19 and into the breakdown region in the chamber volume using an optical fiber and is directed to a target located in the region of breakdown in the volume hollow cathode cavity. The laser candle 19 is connected to the breakdown region in the cathode cavity through an optical fiber.

Данный вариант служит лишь примером для возможности реализации заявленных способов, что, согласно п.10.7.4.4. (4) Административного регламента, правомерно. На его защиту заявитель не претендует.This option serves only as an example for the possibility of implementing the claimed methods, which, according to clause 10.7.4.4. (4) Administrative regulations, lawfully. The applicant does not claim to defend him.

При этом на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 представлены следующие узлы и элементы, которые иллюстрируют графические материалы:At the same time in figure 1, figure 2 and figure 3 presents the following nodes and elements that illustrate graphic materials:

- корпус катодной автономной полости 1;- housing cathodic autonomous cavity 1;

- узел подачи рабочего вещества 2;- site supply of the working substance 2;

- узел подачи паров цезия 3;- cesium vapor supply unit 3;

- катодная автономная полость 4;- cathode autonomous cavity 4;

- вариант лазерной свечи 5, связанной через линзу 6 с катодной автономной полостью 4;- a variant of a laser candle 5, connected through a lens 6 with a cathode autonomous cavity 4;

- линза 6;- lens 6;

- проставка 7;- spacer 7;

- фиксирующая втулка 8;- fixing sleeve 8;

- крышка 9;- cover 9;

- точка фокусировки 10;- focus point 10;

- мишень 11;- target 11;

- оптическое волокно 12;- optical fiber 12;

- втулки 13 и 14;- bushings 13 and 14;

- полость подачи рабочего вещества над свечой 15;- the cavity of the supply of the working substance above the candle 15;

- диафрагма 16;- aperture 16;

- вспомогательный анод 17;- auxiliary anode 17;

- трубопровод эмиссии электронов 18;- electron emission pipe 18;

- вариант лазерной свечи 19, связанной с областью пробоя в катодной полости по оптическому волокну.- a variant of the laser candle 19, associated with the breakdown region in the cathode cavity through an optical fiber.

Представленные на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 узлы и элементы имеют нижеследующую взаимосвязь и назначение.Presented in figure 1, figure 2 and figure 3, the nodes and elements have the following relationship and purpose.

Устройство для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков содержит вспомогательный источник энергии в виде импульсного лазера (в графических материалах не показан), оптический выход которого по волокну связан с оптическим входом лазерной свечой 5 с фокусирующей линзой 6 и проставкой 7, позволяющей устанавливать (регулировать) положение точки фокусировки 10 в объёме катодной автономной полости 4 диафрагмированного газопроточного полого катода-нейтрализатора.A device for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams contains an auxiliary energy source in the form of a pulsed laser (not shown in graphic materials), the optical output of which is connected via a fiber to the optical input of a laser candle 5 with a focusing lens 6 and a spacer 7, which allows to establish (adjust) the position of the focus point 10 in the volume of the cathode autonomous cavity 4 of the diaphragmed gas-flow hollow cathode-converter.

Диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор связан с узлом подачи рабочего вещества 2 через ввод в автономную полость полого катода 4. Вставляемый в корпус катодной автономной полости 1 для введения лазерного луча корпус лазерной свечи 5 выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости 15 под поверхностью корпуса лазерной свечи при подаче рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода.The diaphragmed gas-flow hollow cathode-converter is connected to the supply unit of the working substance 2 through the input into the autonomous cavity of the hollow cathode 4. The casing of the laser candle 5 inserted into the cathode of the autonomous cavity 1 for introducing a laser beam is made narrower at the entrance to the cathode of the autonomous cavity, which allows to form the gap for creating an auxiliary cavity 15 under the surface of the laser candle housing when the working substance of the ion engine is fed through the input in the hollow cathode body.

Отверстие в диафрагме 16 связано с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом 17 по трубопроводу 18, который связан через ввод с узлом подачи паров цезия 3 в катодную автономную полость 4. Втулки 8, 13 и 14 фиксируют канал транспортировки лазерного луча в корпусе катодной автономной полости 1 в точку фокусировки 10 автономной полости полого катода 4 или на установленную на крышке 9 мишень 11.The hole in the diaphragm 16 is connected to an auxiliary anode 17 electrically isolated on its end 17 via a pipe 18, which is connected through an input to the cesium vapor supply unit 3 to the cathode autonomous cavity 4. The bushings 8, 13 and 14 fix the laser beam transport channel in the cathode autonomous cavity housing 1 to the focusing point 10 of the autonomous cavity of the hollow cathode 4 or to the target 11 mounted on the lid 9.

На фиг.3 в корпусе катодной автономной полости 1 установлена лазерная свеча 19, которая связана с импульсным лазером (на фиг.3 не показан) по оптическому волокну 12 (пример возможности осуществления заявленных способов, их промышленной применимости).Figure 3 in the cathode of the autonomous cavity 1 has a laser candle 19, which is connected with a pulsed laser (not shown in figure 3) through an optical fiber 12 (an example of the possibility of implementing the claimed methods, their industrial applicability).

Запуск устройства для осуществления способа начинается после подачи рабочего вещества через узел 2 в автономную полость катода 4 и подачи сигнала на запуск импульсного лазера, который включает лазер. Лазерное излучение при функционировании лазера через лазерную свечу 5 фокусируется в определенной точке полости полого катода 4 либо на поверхности мишени 11, вызывая оптический пробой и зажигание разряда в наполняемой притоком рабочего вещества ионного двигателя полости. В результате в зоне вблизи фокуса в объёме газопроточного рабочего вещества возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов в ускоряемый ионный пучок с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.The launch of the device for implementing the method begins after the supply of the working substance through the node 2 to the autonomous cavity of the cathode 4 and the signal to start the pulsed laser, which includes a laser. Laser radiation during the operation of the laser through the laser candle 5 is focused at a certain point in the cavity of the hollow cathode 4 or on the surface of the target 11, causing optical breakdown and ignition of the discharge in the cavity filled with the influx of the working substance of the ion engine. As a result, in the zone near the focus in the volume of the gas-flowing working substance, an optical discharge is excited, a plasma is created, and electrons are emitted into the accelerated ion beam from the boundary of the internal plasma under the influence of an external electric field.

В вариантах устройство для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков состоит из корпуса 1, в котором имеется ограничивающая внутреннюю плазму диафрагма 16 с отверстием. Отверстие в диафрагме 16 связано с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом 17 по трубопроводу 18, который на фиг.2 и фиг.3 связывает через ввод узел подачи паров цезия 3 в катодную автономную полость 4.In embodiments, the device for implementing the method of neutralizing the space charge of ion beams consists of a housing 1, in which there is a diaphragm 16 with an opening bounding the internal plasma. The hole in the diaphragm 16 is connected to the auxiliary anode 17 electrically isolated at its end face via a pipe 18, which in FIG. 2 and FIG. 3 connects through the input the cesium vapor supply unit 3 into the cathode autonomous cavity 4.

Трубопровод 18 обеспечивает совместное функционирование узлов подачи компонентов 2 и 3, катодной автономной полости 4, в которой происходит оптический пробой, возбуждение оптического разряда и создание плазмы, и трубопровода 18, в котором осуществляется последующая транспортировка плазменного факела в ускоряемый ионный пучок с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.Pipeline 18 provides the joint functioning of the component supply nodes 2 and 3, the cathode autonomous cavity 4, in which optical breakdown occurs, the optical discharge is excited and plasma is created, and pipeline 18, in which the plasma torch is subsequently transported to the accelerated ion beam from the boundary of the internal plasma under action of an external electric field.

В вариантах 1 и 2 лазерная свеча, соединяемая с корпусом 1, состоит из корпуса лазерной свечи 5, линзы 6, проставки 7 и фиксирующей втулки 8. Излучение, прошедшее через фокусирующую линзу 6, в камеру попадает через отверстие в крышке 9. В случае, если излучение от лазерного источника заранее сфокусировано, то вместо линзы 6 может быть использовано оптическое стекло, служащее для пропускания излучения и предотвращения попадания компонентов наружу. Оптический пробой происходит в точке фокусировки 10 или вблизи мишени 11. В лазерную свечу 19 на фиг. 3 излучение вводится в лазерную свечу и в область пробоя в объеме катодной полости с помощью оптического волокна 12, зафиксированного во втулке 13, и направлено на мишень, расположенную в объеме катодной полости. В лазерной свече 5 аналогичная втулка 14 выполняется полой с центральным отверстием и образует полость подачи окислителя 15 над свечой.In options 1 and 2, the laser candle connected to the housing 1 consists of a laser candle housing 5, a lens 6, a spacer 7, and a fixing sleeve 8. The radiation transmitted through the focusing lens 6 enters the camera through the hole in the cover 9. In the case if the radiation from the laser source is pre-focused, then instead of the lens 6 can be used optical glass, which serves to transmit radiation and prevent components from getting out. Optical breakdown occurs at the focal point 10 or near target 11. Into the laser candle 19 in FIG. 3, the radiation is introduced into the laser candle and into the breakdown region in the volume of the cathode cavity using an optical fiber 12 fixed in the sleeve 13 and directed to a target located in the volume of the cathode cavity. In the laser candle 5, a similar sleeve 14 is hollow with a central hole and forms the oxidizer feed cavity 15 above the candle.

Вариант 1 целесообразно использовать при достаточно мощных лазерных импульсах, создающих интенсивность в области фокусировки ~1010 Вт/см2. При таких импульсах возможно осуществить оптический пробой в объеме среды в катодной автономной полости 4.Option 1 is advisable to use with sufficiently powerful laser pulses that create an intensity in the focusing region of ~ 10 10 W / cm 2 . With such pulses, it is possible to carry out optical breakdown in the volume of the medium in the cathode autonomous cavity 4.

Для снижения энергии поджигающего импульса, а следовательно, и снижения массогабаритных характеристик лазерного источника, целесообразно лазерное излучение фокусировать не в свободном объеме в катодной автономной полости 4, а на поверхность мишени 11, как предлагается в вариантах устройств 2 и 3. В этом случае, как известно, интенсивность излучения может быть снижена на порядки.To reduce the energy of the ignition pulse, and therefore to reduce the weight and size characteristics of the laser source, it is advisable to focus the laser radiation not in the free volume in the cathode autonomous cavity 4, but on the target surface 11, as proposed in the variants of devices 2 and 3. In this case, as it is known that the radiation intensity can be reduced by orders of magnitude.

При таких уровнях энергии лазерных импульсов транспортировку излучения в область пробоя можно осуществлять с помощью оптического волокна (поз.12 на фиг.3), которое через оптический разъем 8 подсоединяется к транспортному волокну, идущему к лазеру, либо к устройству коммутации лазерного излучения (при многокамерном лазерном возбуждении оптического разряда).At such energy levels of laser pulses, the radiation can be transported to the breakdown region using an optical fiber (pos. 12 in Fig. 3), which is connected through an optical connector 8 to a transport fiber going to the laser, or to a laser switching device (with multi-camera laser excitation of an optical discharge).

В такой конструкции система лазерная свеча - лазер обладают наилучшими массогабаритными характеристиками при учёте прогресса в развитии малогабаритных лазеров.In this design, the laser candle-laser system has the best mass-dimensional characteristics, taking into account progress in the development of small-sized lasers.

Функционирование варианта устройства для осуществления способа с цезием также начинается с подачи сигнала на запуск импульсного лазера (см. Синявский В.В. Способ определения давления пара цезия с учётом встречного потока. // Патент RU №2004082 с приоритетом от 01.07.91 H01J 45/00; Опубл. 30.11.93. Бюл. № 43/44. Волков Ю.М. Импульсный неизотермический разряд в смесях инертных газов с цезием. // Техника высоких температур, 1965, т.3, стр.3).The functioning of a variant of the device for implementing the method with cesium also begins with a signal to start a pulsed laser (see. Sinyavsky V.V. Method for determining the vapor pressure of cesium, taking into account the oncoming flow. // Patent RU No. 20044082 with priority from 01.07.91 H01J 45 / 00; Publish. November 30, 1993. Bull. No. 43/44. Yu. M. Volkov. Pulse non-isothermal discharge in mixtures of inert gases with cesium. // High Temperature Technique, 1965, v. 3, p. 3).

При использовании цезия в КК удаётся сформировать слой катодного падения потенциала с напряжением, не превышающим порог катодного распыления материала КК, что обеспечивает повышенный ресурс КК и ускорителя в целом.When using cesium in the SC, it is possible to form a layer of cathodic potential drop with a voltage not exceeding the threshold of the cathodic sputtering of the SC material, which provides an increased resource of the SC and the accelerator as a whole.

Цезиевые катоды-компенсаторы применяются как катоды основного разряда в камере ионизации плазменно-ионного ускорителя с коноидальным и радиальным магнитным полем, а также непосредственно в качестве КК для нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД при формировании интенсивных ионных пучков.Compensation cesium cathodes are used as cathodes of the main discharge in the ionization chamber of a plasma-ion accelerator with a conoidal and radial magnetic field, and also directly as a spacecraft to neutralize the space charge of ion beams in ion EREs during the formation of intense ion beams.

При использовании цезия в КК удаётся сформировать слой катодного падения потенциала с напряжением, не превышающим порог катодного распыления материала КК, что обеспечивает повышенный ресурс КК и ускорителя в целом.When using cesium in the SC, it is possible to form a layer of cathodic potential drop with a voltage not exceeding the threshold of the cathodic sputtering of the SC material, which provides an increased resource of the SC and the accelerator as a whole.

Уменьшение расхода цезия в КК достигнуто 1) введением в полость КК независимого внутреннего газового разряда в парах цезия; 2) созданием противодавления на выходе из КК; 3) использованием разлагающихся при рабочей температуре КК соединений цезия.The decrease in cesium consumption in the spacecraft was achieved 1) by introducing into the spacecraft spacecraft an independent internal gas discharge in cesium vapor; 2) the creation of back pressure at the exit from the spacecraft; 3) the use of decomposed cesium compounds decomposed at operating temperature.

Конструктивно цезиевый КК выполнен в виде трубопровода с электрически изолированной на его торце дроссельной диафрагмой. Между диафрагмой и трубопроводом организован газовый разряд в парах цезия. Эмиссия электронов в ускоряемый ионный пучок осуществляется с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.Structurally, cesium KK is made in the form of a pipeline with a throttle diaphragm electrically isolated at its end. A gas discharge is organized between the diaphragm and the pipeline in cesium vapor. Electrons are emitted into the accelerated ion beam from the boundary of the internal plasma under the influence of an external electric field.

Разряд в полости катода существует в диапазоне давлений 10-3-1 Торр и позволяет управлять параметрами внешнего разряда. При работе в атмосфере ксенона обнаружено существование двух устойчивых зон насыщения внешнего разрядного тока: низковольтная цезиевая дуга и газовый ксеноновый разряд с пороговым напряжением зажигания 33 В.A discharge in the cathode cavity exists in the pressure range of 10 -3 -1 Torr and allows you to control the parameters of the external discharge. When working in the xenon atmosphere, the existence of two stable zones of saturation of the external discharge current was detected: a low-voltage cesium arc and a gas xenon discharge with a threshold ignition voltage of 33 V.

Claims (8)

1. Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях, основанный на возбуждении с помощью вспомогательного источника энергии в автономной полости нейтрализатора газоразрядной плазмы и использовании плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объемного заряда ионных пучков, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемую притоком рабочего вещества ионного двигателя, в которой вблизи фокуса в объеме газопроточного рабочего вещества возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля в ускоряемый ионный пучок.1. The method of neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines, based on the excitation using an auxiliary energy source in an autonomous cavity of a neutralizer of a gas discharge plasma and using plasma to emit electrons into the zone of neutralization of the space charge of ion beams, characterized in that as an auxiliary source energies use a pulsed laser, the beam of which with focus is directed into the autonomous cavity of the converter, filled with the influx of a working substance va ion engine, in which near the focus Gas Flow in the volume of the working substance is excited optical discharge, creating a plasma and electron emission is performed from the inner boundary of the plasma by the action of an external electric field in the accelerated ion beam. 2. Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях по п.1, отличающийся тем, что объемный оптический разряд возбуждают вблизи установленной в автономной полости нейтрализатора мишени.2. The method of neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines according to claim 1, characterized in that the volumetric optical discharge is excited near a target installed in the autonomous cavity of the neutralizer. 3. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях, содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор с автономной катодной полостью, трубопроводом для подачи в нее рабочего вещества ионного двигателя и с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов, отличающееся тем, что введены лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, оптический выход которого соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью корпуса лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода, при этом отверстие в диафрагме для эмиссии электронов связано по трубопроводу с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом.3. The device for neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines, containing an auxiliary energy source and a diaphragmed gas-flow hollow cathode-neutralizer with an autonomous cathode cavity, a pipe for supplying the working substance of the ion engine and with an opening in the diaphragm for electron emission, characterized in that a laser candle and an energy source based on a pulsed laser are introduced, the optical output of which is connected to the input of the laser candle through a fiber through which the grain beam is directed through a focusing lens mounted in the laser candle body to the focus point in the body of the autonomous cavity of the hollow cathode, and the laser candle body inserted to introduce the laser beam into the body of the cathode autonomous cavity is narrowed at the entrance to the body of the cathode autonomous cavity, allowing a gap to be formed for creating an auxiliary cavity above the surface of the laser candle body for supplying the working substance of the ion engine through the input in the hollow cathode body, with the hole in the diaphragm An electron emission is connected via conduit with electrically insulated at its end an auxiliary anode. 4. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях по п.3, отличающееся тем, что в автономной полости нейтрализатора установлена мишень, на которую с фокусировкой направлен луч импульсного лазера.4. The device for neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines according to claim 3, characterized in that a target is mounted in the autonomous cavity of the neutralizer, to which a pulsed laser beam is focused. 5. Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях, основанный на возбуждении с помощью вспомогательного источника энергии в автономной полости нейтрализатора газоразрядной плазмы с использованием плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объемного заряда ионных пучков, отличающийся тем, что направляют в автономную полость нейтрализатора пары цезия, а в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя и парами цезия, где в зоне вблизи фокуса в объеме смеси газопроточного рабочего вещества и паров цезия возбуждают электрический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля в ускоряемый ионный пучок.5. A method of neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines, based on the excitation using an auxiliary energy source in an autonomous cavity of a gas-discharge plasma neutralizer using plasma to emit electrons into the zone of neutralization of the space charge of ion beams, characterized in that it is sent to an autonomous cavity a cesium vapor converter, and a pulsed laser is used as an auxiliary energy source, the beam of which is focused into an autonomous the cavity of the neutralizer filled with the influx of the working substance of the ion engine and cesium vapor, where in the zone near the focus in the volume of the mixture of gas-flowing working substance and cesium vapor, an electric discharge is excited, a plasma is created and the electrons are emitted from the boundary of the internal plasma under the action of an external electric field into the accelerated ion beam . 6. Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях по п.5, отличающийся тем, что объемный оптический разряд возбуждают вблизи установленной в автономной полости нейтрализатора мишени.6. The method of neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines according to claim 5, characterized in that the volumetric optical discharge is excited near the target installed in the autonomous cavity of the neutralizer. 7. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях, содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор с автономной катодной полостью с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов и трубопроводом для подачи в нее рабочего вещества ионного двигателя, отличающееся тем, что введены узел подачи паров цезия, лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, при этом узел подачи паров цезия подключен через ввод к электрически изолированному трубопроводу, выход импульсного лазера соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью корпуса лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода, при этом отверстие в диафрагме для эмиссии электронов связано по трубопроводу с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом, а на внешней поверхности корпуса автономной полости установлены соответственно узлы подачи рабочего вещества ионного двигателя в автономную полость полого катода и паров цезия в трубопровод для эмиссии электронов к вспомогательному аноду.7. A device for neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines, containing an auxiliary energy source and a diaphragmed gas-flow hollow cathode-neutralizer with an autonomous cathode cavity with a hole in the diaphragm for electron emission and a pipe for supplying the working substance of the ion engine, characterized in that a cesium vapor supply unit, a laser candle and an energy source based on a pulsed laser are introduced, while the cesium vapor supply unit is connected through an input to an electric In an isolated pipeline, the output of a pulsed laser is connected to the input of the laser candle through a fiber through which the laser beam is directed through the focusing lens installed in the laser candle body to the focus point in the body of the autonomous cavity of the hollow cathode, and the body is inserted to introduce the laser beam into the body of the cathode autonomous cavity the laser candle is made narrowing at the entrance to the cathode of the autonomous cavity, allowing a gap to create an auxiliary cavity above the surface of the laser housing candles for supplying the working substance of the ion engine through the input in the hollow cathode body, while the hole in the diaphragm for electron emission is connected via a pipe to the auxiliary anode electrically isolated at its end, and the nodes of the working substance of the ion engine are installed on the outer surface of the autonomous cavity into the autonomous cavity of the hollow cathode and cesium vapor in the pipeline for electron emission to the auxiliary anode. 8. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях по п.7, отличающееся тем, что в автономной полости нейтрализатора установлена мишень, на которую с фокусировкой направлен луч импульсного лазера. 8. The device for neutralizing the space charge of ion beams in ionic electric rocket engines according to claim 7, characterized in that a target is mounted in the autonomous cavity of the neutralizer, to which a pulsed laser beam is focused.
RU2008107130/06A 2008-02-28 2008-02-28 Method to neutralise volume charge of ion beams in ion electric rocket engines and device to this end (versions) RU2429591C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008107130/06A RU2429591C2 (en) 2008-02-28 2008-02-28 Method to neutralise volume charge of ion beams in ion electric rocket engines and device to this end (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008107130/06A RU2429591C2 (en) 2008-02-28 2008-02-28 Method to neutralise volume charge of ion beams in ion electric rocket engines and device to this end (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008107130A RU2008107130A (en) 2009-09-10
RU2429591C2 true RU2429591C2 (en) 2011-09-20

Family

ID=41165856

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008107130/06A RU2429591C2 (en) 2008-02-28 2008-02-28 Method to neutralise volume charge of ion beams in ion electric rocket engines and device to this end (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2429591C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA039453B1 (en) * 2012-09-04 2022-01-28 Таэ Текнолоджиз, Инк. Negative ion-based neutral beam injector

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA039453B1 (en) * 2012-09-04 2022-01-28 Таэ Текнолоджиз, Инк. Negative ion-based neutral beam injector

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008107130A (en) 2009-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gonsalves et al. Petawatt laser guiding and electron beam acceleration to 8 GeV in a laser-heated capillary discharge waveguide
US7488962B2 (en) Arrangement for the generation of intensive short-wavelength radiation based on a gas discharge plasma
US5355764A (en) Plasma actuated ignition and distribution pump
RU2509918C2 (en) Engine with closed drift of electrons
Witherspoon et al. A contoured gap coaxial plasma gun with injected plasma armature
US20110101863A1 (en) Extreme ultraviolet light source device and method for producing extreme ultraviolet light
Koch et al. The HEMPT concept-a survey on theoretical considerations and experimental evidences
US6195980B1 (en) Electrostatic propulsion engine with neutralizing ion source
US8259771B1 (en) Initiating laser-sustained plasma
US20150262808A1 (en) Light Source Driven by Laser
US20210043334A1 (en) Argon Fluoride Laser-Driven Inertial Fusion Energy System
US20110089834A1 (en) Z-pinch plasma generator and plasma target
US3392527A (en) Method of ionic propulsion utilizing a laser-stimulated ionic emission
RU2429591C2 (en) Method to neutralise volume charge of ion beams in ion electric rocket engines and device to this end (versions)
US3946236A (en) Energetic electron beam assisted X-ray generator
RU2458490C2 (en) Method of controlling ion electric rocket engines and apparatus for realising said method (versions)
Petrescu New aircraft
KR102075625B1 (en) A Method for stabilizing a plasma and an improved ionization chamber
Pogorelsky et al. Transmission of high-power CO2 laser pulses through a plasma channel
Chernyshev et al. Prospects of infrared lasers in air-breathing electric thrusters
RU2776324C1 (en) Ramjet relativistic engine
RU2702773C1 (en) Pinch erosion-bearing rocket engine
RU2740739C2 (en) Detonation jet engine
US20230260737A1 (en) Long-LifeTime, Short Pulse, High Current Ion Source and Particle Accelerator
JP7024936B2 (en) Ion source and ion implanter

Legal Events

Date Code Title Description
FA92 Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted)

Effective date: 20100818

FZ9A Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal)

Effective date: 20101019

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

Effective date: 20160229