RU2456473C1 - Plasma accelerator - Google Patents
Plasma accelerator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2456473C1 RU2456473C1 RU2011119837/07A RU2011119837A RU2456473C1 RU 2456473 C1 RU2456473 C1 RU 2456473C1 RU 2011119837/07 A RU2011119837/07 A RU 2011119837/07A RU 2011119837 A RU2011119837 A RU 2011119837A RU 2456473 C1 RU2456473 C1 RU 2456473C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge chamber
- microwave
- working substance
- truncated cone
- closed end
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в области космической техники при создании стационарных плазменных двигателей, а так же в вакуумно-плазменных технологиях.The invention relates to plasma technology and can be used in the field of space technology to create stationary plasma engines, as well as in vacuum-plasma technologies.
Известен ионный двигатель на основе электрон-циклотронного резонанса (ЭЦР) [JP 2856740 В2, МПК: F03H 1/00, опубликован 10.02.1999 г.] - [I], содержащий цилиндрическую разрядную камеру (резонатор), вход которой подсоединен емкостным сверхвысокочастотным (СВЧ) вводом в виде штыря к генератору СВЧ-колебаний, магнитную систему в виде кольцевых постоянных магнитов, размещенных на внешней поверхности разрядной камеры, ускоряющую металлическую сетку, закрепленную в разрядной камере у ее открытого конца, и катод-компенсатор, размещенный за пределами открытого конца разрядной камеры.Known ion engine based on electron cyclotron resonance (ECR) [JP 2856740 B2, IPC: F03H 1/00, published 02/10/1999] - [I] containing a cylindrical discharge chamber (resonator), the input of which is connected by a capacitive microwave ( Microwave) by introducing in the form of a pin to a generator of microwave oscillations, a magnetic system in the form of ring permanent magnets located on the outer surface of the discharge chamber, an accelerating metal grid fixed in the discharge chamber at its open end, and a cathode-compensator located outside the open con TsA of the discharge chamber.
Недостатком ионного двигателя-аналога [1] является использование катода-компенсатора и ускоряющей сетки, распыляющейся во время работы, что существенно снижает срок использования двигателя. Кроме того, не обеспечивается пространственная однородность потока плазмы за счет неоднородного электромагнитного поля в цилиндрическом резонаторе.The disadvantage of the analogue ion engine [1] is the use of a cathode-compensator and an accelerating grid sprayed during operation, which significantly reduces the life of the engine. In addition, the spatial uniformity of the plasma flow due to the inhomogeneous electromagnetic field in the cylindrical resonator is not ensured.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранным в качестве прототипа является ионный двигатель [RU 2246035 С1, МПК: F03H 5/00, опубликован 10.02.2005 г.] - [2], содержащий генератор СВЧ-колебаний, открытый четвертьволновый резонатор, разрядную камеру (реактор), которая связана с резонатором посредством диэлектрического вакуумно-плотного окна, магнитную систему, магнитные полюса которой разной полярности замкнуты магнитопроводом с наружной стороны разрядной камеры, систему подачи рабочего вещества (РВ) в разрядную камеру.The closest in technical essence to the proposed technical solution and selected as a prototype is an ion engine [RU 2246035 C1, IPC: F03H 5/00, published 02.10.2005] - [2], containing a microwave oscillator, an open quarter-wave resonator a discharge chamber (reactor), which is connected to the resonator via a dielectric vacuum-tight window, a magnetic system whose magnetic poles of different polarity are closed by a magnetic circuit on the outside of the discharge chamber, a system for supplying a working substance (RV) to the discharge my camera.
Недостатком конструкции ионного двигателя-прототипа [2] является потеря электронов на стенке разрядной камеры, приводящая к ее нагреву и снижению КПД. Это требует дополнительных мер по охлаждению стенок разрядной камеры и увеличению подачи рабочего вещества.The disadvantage of the design of the prototype ion engine [2] is the loss of electrons on the wall of the discharge chamber, leading to its heating and lower efficiency. This requires additional measures to cool the walls of the discharge chamber and increase the flow of the working substance.
В основу предлагаемого технического решения поставлена задача создания конструкции ускорителя плазмы, обеспечивающей при ограниченном использовании рабочего вещества:The basis of the proposed technical solution is the task of creating a plasma accelerator design that provides, with limited use of the working substance:
- устранение потерь ионов рабочего вещества на стенках разрядной камеры;- elimination of losses of ions of the working substance on the walls of the discharge chamber;
- увеличение объема плазмы, заполняющей разрядную камеру;- an increase in the volume of the plasma filling the discharge chamber;
- уменьшение неоднородности потока плазмы, например, на обрабатываемый объект;- reducing the heterogeneity of the plasma flow, for example, on the processed object;
- использование обратного потока плазмы с целью увеличения рабочего вещества;- the use of reverse plasma flow in order to increase the working substance;
- уменьшение потерь мощности генератора СВЧ-колебаний.- reduction of power losses of the microwave oscillator.
Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:The technical effect of the implementation of the task is:
- увеличение тяги за счет увеличения плотности потока плазмы;- an increase in thrust due to an increase in plasma flux density;
- увеличение КПД устройства за счет уменьшения потерь рабочего вещества и мощности генератора СВЧ-колебаний, увеличения эффективности использования рабочего вещества.- increase the efficiency of the device by reducing losses of the working substance and the power of the generator of microwave oscillations, increasing the efficiency of use of the working substance.
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигается тем, что ускоритель плазмы, содержащий генератор сверхвысокочастотных колебаний, осесимметричную разрядную камеру, магнитную систему из кольцевых постоянных магнитов, размещенную соосно на внешней поверхности разрядной камеры, и систему подачи рабочего вещества в разрядную камеру через управляемый натекатель, снабжен сверхвысокочастотным трансформатором, твердотельным источником нейтральных частиц рабочего вещества, модулятором частоты сверхвысокочастотных колебаний, измерительным зондом и блоком управления подачей рабочего вещества, при этом разрядная камера выполнена из диэлектрика в виде цилиндра с одним закрытым торцом и имеет газораспределительную емкость, которая присоединена посредством управляемого натекателя к системе подачи рабочего вещества, размещена вокруг закрытого торца разрядной камеры и связана с ней по периметру радиальной щелью, генератор сверхвысокочастотных колебаний выполнен широкополосным, при этом сверхвысокочастотный трансформатор выполнен широкополосным одномодовым и имеет соосные металлические внешний усеченный конус, большее основание которого имеет внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру разрядной камеры, и присоединено соосно к ее закрытому торцу, а меньшее его основание присоединено к внешнему коаксиальному проводнику коаксиальной линии передачи, и внутренний усеченный конус, большее основание которого выполнено закрытым и размещено на внешней стороне закрытого торца разрядной камеры, а меньшее основание его присоединено к центральному проводнику коаксиальной линии передачи, которая соединена с выходом генератора сверхвысокочастотных колебаний, вход которого соединен с выходом модулятора частоты сверхвысокочастотных колебаний, вход которого соединен с размещенным перед открытым торцом разрядной камеры измерительным зондом, причем в сверхвысокочастотном трансформаторе во внешнем усеченном конусе со стороны его меньшего основания плотно закреплена кольцевая диэлектрическая вставка, которой электрически изолированы и соосно зафиксированы внешний усеченный конус и внутренний усеченный конус с присоединенным к нему центральным проводником коаксиальной линии передачи, кроме того, твердотельный источник нейтральных частиц рабочего вещества выполнен из диэлектрика, имеет осесимметричную форму с величиной диаметра, которая не превышает величину внешнего диаметра внутреннего усеченного конуса сверхвысокочастотного трансформатора со стороны его большего основания, и закреплен соосно на внутренней поверхности закрытого торца разрядной камеры, при этом кольцевые постоянные магниты магнитной системы закреплены с возможностью перемещения, по крайней мере, части из них в сторону закрытого и открытого торцов относительно среднего поперечного сечения 0r разрядной камеры по образующей ее внешней поверхности, при этом управляемый натекатель системы подачи рабочего вещества присоединен к выходу блока управления, вход которого соединен с измерительным зондом.The solution of the problem and the corresponding technical result is achieved by the fact that the plasma accelerator containing a microwave oscillator, an axisymmetric discharge chamber, a magnetic system of ring permanent magnets placed coaxially on the outer surface of the discharge chamber, and a system for supplying the working substance to the discharge chamber through a controlled leakage equipped with a microwave transformer, a solid-state source of neutral particles of the working substance, a microwave modulator vibrational oscillations, a measuring probe and a control unit for supplying the working substance, while the discharge chamber is made of a dielectric in the form of a cylinder with one closed end and has a gas distribution capacity, which is connected via a controlled leakage to the supply system of the working substance, placed around the closed end of the discharge chamber and connected with it along the perimeter of the radial slit, the microwave generator is made broadband, while the microwave transformer is made wide single-mode and has a coaxial metal outer truncated cone, the larger base of which has an inner diameter equal to the inner diameter of the discharge chamber, and is connected coaxially to its closed end, and its smaller base is connected to the outer coaxial conductor of the coaxial transmission line, and the inner truncated cone is larger the base of which is made closed and placed on the outside of the closed end of the discharge chamber, and its smaller base is connected to the central conductor coaxially transmission line, which is connected to the output of the microwave oscillator, the input of which is connected to the output of the microwave frequency modulator, the input of which is connected to the measuring probe located in front of the open end of the discharge chamber, and in the microwave transformer in the outer truncated cone from the side of its smaller base the ring is tightly fixed dielectric insert with which the external truncated cone and the internal truncated are electrically isolated and coaxially fixed the cone with the central conductor of the coaxial transmission line attached to it, in addition, the solid-state source of neutral particles of the working substance is made of a dielectric, has an axisymmetric shape with a diameter that does not exceed the external diameter of the inner truncated cone of the microwave transformer from the side of its larger base, and is fixed coaxially on the inner surface of the closed end of the discharge chamber, while the annular permanent magnets of the magnetic system are fixed with the possibility NOSTA move at least part of them in the direction of the closed and open ends relative to the average cross-sectional 0r discharge chamber along a generatrix of its outer surface, the controlled leak valve system supplying working medium is connected to the output of the control unit having an input coupled to the measuring probe.
Выполнение разрядной камеры из диэлектрика (например, кварца) совместно с использованием широкополосного одномодового СВЧ-трансформатора обеспечивает устранение потерь заряженных частиц плазмы рабочего вещества (газа) на стенках разрядной камеры за счет способности стенки из диэлектрика накапливать заряд на поверхности, облучаемой электронами. При этом знак заряда определяется согласованием фазы электромагнитных колебаний у поверхности стенки разрядной камеры со средним временем пролета электронов вдоль силовых линий магнитного поля от мест их пересечения со стенкой камеры. Для согласования фазы электромагнитных колебаний используется возможность перемещения кольцевой магнитной системы вдоль образующей внешней поверхности разрядной камеры и подстройка основной частоты электромагнитных колебаний. При этом за счет согласования фазы электромагнитных колебаний на стенке разрядной камеры появляется «положительный» заряд, который не только препятствует потерям ионов рабочего вещества, что повышает КПД устройства, но и снижает процесс распыления стенок рабочей камеры, что положительно влияет на надежность устройства.The implementation of the discharge chamber from a dielectric (for example, quartz) together with the use of a broadband single-mode microwave transformer eliminates the loss of charged plasma particles of the working substance (gas) on the walls of the discharge chamber due to the ability of the dielectric wall to accumulate charge on the surface irradiated by electrons. In this case, the sign of the charge is determined by matching the phase of electromagnetic oscillations at the surface of the wall of the discharge chamber with the average time of flight of electrons along the lines of force of the magnetic field from the places of their intersection with the chamber wall. To coordinate the phase of electromagnetic waves, the possibility of moving the ring magnetic system along the generatrix of the outer surface of the discharge chamber and adjusting the fundamental frequency of electromagnetic waves is used. Moreover, due to the coordination of the phase of electromagnetic oscillations, a “positive” charge appears on the wall of the discharge chamber, which not only prevents the loss of ions of the working substance, which increases the efficiency of the device, but also reduces the process of spraying the walls of the working chamber, which positively affects the reliability of the device.
Кроме того, использование в ускорителе широкополосного одномодового конусного СВЧ-трансформатора обеспечивает снижение потерь мощности СВЧ-колебаний, поступающих в разрядную камеру.In addition, the use of an accelerator of a broadband single-mode cone microwave transformer provides a reduction in the power loss of microwave oscillations entering the discharge chamber.
Использование модулятора частоты СВЧ-колебаний в совокупности с измерительным зондом, размещенным перед открытым торцом разрядной камеры, необходимо для обеспечения поперечной однородности потока плазмы за счет смещения области электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) в радиальном направлении в неоднородном магнитном поле.The use of a frequency modulator of microwave oscillations in combination with a measuring probe placed in front of the open end of the discharge chamber is necessary to ensure transverse uniformity of the plasma flow due to the shift of the electron cyclotron resonance (ECR) region in the radial direction in an inhomogeneous magnetic field.
Использование газораспределительной емкости вокруг закрытого торца разрядной камеры и их связь посредством радиальной щели по периметру разрядной камеры также способствует повышению поперечной однородности потока плазмы и более эффективному использованию рабочего вещества за счет его равномерного распределения в разрядной камере.The use of gas distribution capacity around the closed end of the discharge chamber and their connection through a radial gap around the perimeter of the discharge chamber also contributes to an increase in the transverse homogeneity of the plasma flow and more efficient use of the working medium due to its uniform distribution in the discharge chamber.
Наличие твердотельного источника нейтральных частиц позволяет использовать часть потока плазмы, распространяющуюся в сторону закрытого торца разрядной камеры, для повышения плотности потока плазмы за счет распыления или испарения его. При этом твердотельный источник нейтральных частиц не должен перекрывать кольцевой промежуток между усеченными конусами у их больших оснований в СВЧ-трансформаторе. Кроме того, обеспечивается возможность введения в поток легирующих добавок при использовании предлагаемого устройства в технологических установках за счет материала твердотельного источника.The presence of a solid-state source of neutral particles makes it possible to use a part of the plasma flow propagating towards the closed end of the discharge chamber to increase the plasma flux density by sputtering or vaporizing it. In this case, the solid-state source of neutral particles should not overlap the annular gap between the truncated cones at their large bases in the microwave transformer. In addition, it is possible to introduce alloying additives into the stream when using the proposed device in technological installations due to the material of a solid-state source.
Диэлектрическая кольцевая вставка обеспечивает одновременно надежную юстировку конусов СВЧ-трансформатора, что необходимо для поперечной однородности потока плазмы, и фиксированное присоединение коаксиальной линии передачи от выхода генератора СВЧ-колебаний к усеченным конусам СВЧ-трансформатора у их меньших оснований.The dielectric ring insert provides both reliable alignment of the cones of the microwave transformer, which is necessary for transverse uniformity of the plasma flow, and a fixed connection of the coaxial transmission line from the output of the microwave oscillator to the truncated cones of the microwave transformer at their smaller bases.
Наличие соединенного с измерительным зондом блока управления натекателем системы подачи рабочего вещества обеспечивает возможность стабилизировать параметры потока плазмы, выходящего со стороны открытого торца разрядной камеры, за счет открывания или закрывания натекателя в зависимости от показаний измерительного зонда.The presence of a working substance supply system connected to the measuring probe by the leakage control system makes it possible to stabilize the parameters of the plasma flow exiting from the open end of the discharge chamber by opening or closing the leakage, depending on the readings of the measuring probe.
Совокупность указанных признаков обеспечивает увеличение тяги за счет высокой плотности и равномерности потока плазмы при рациональном использовании рабочего вещества.The combination of these features provides an increase in thrust due to the high density and uniformity of the plasma flow during the rational use of the working substance.
Сопоставительный анализ предлагаемого ускорителя плазмы с устройствами подобного рода, известными из источников информации, и отсутствие описания аналогичного устройства позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».A comparative analysis of the proposed plasma accelerator with devices of this kind, known from information sources, and the lack of a description of a similar device allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."
Заявляемое устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».The inventive device is characterized by a combination of features exhibiting new qualities, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step".
На чертеже, поясняющей предлагаемое техническое решение, схематически изображен ускоритель плазмы (в разрезе) с элементами управления.The drawing explaining the proposed technical solution, schematically shows a plasma accelerator (in section) with controls.
Предлагаемый ускоритель плазмы содержит: генератор СВЧ-колебаний - 1, который выполнен широкополосным; осесимметричную разрядную камеру - 2, которая выполнена из диэлектрика (например, кварца) в виде цилиндра с одним закрытым торцом - 3 и имеет присоединенную к системе подачи рабочего вещества - 4 посредством управляемого натекателя - 5 газораспределительную емкость - 6, размещенную соосно вокруг закрытого торца - 3 разрядной камеры - 2 и соединенную с ней по всему периметру радиальной щелью - 7; магнитную систему в виде кольцевых постоянных магнитов - 8, которые размещены соосно на внешней поверхности разрядной камеры - 2 с возможностью перемещения, по крайней мере, части из них по ее образующей к закрытому - 3 и открытому торцам относительно среднего поперечного сечения 0r разрядной камеры - 2; СВЧ-трансформатор, который выполнен широкополосным одномодовым и состоит из соосных друг другу и разрядной камере - 2 внешнего - 9 и внутреннего - 10 усеченных конусов, выполненных из металла; источник нейтральных частиц - 11 рабочего вещества, размещенный соосно внутреннему конусу - 10 СВЧ-трансформатора и разрядной камере - 2 на внутренней стороне ее закрытого торца - 3; модулятор частоты СВЧ-колебаний - 12, выход которого соединен с входом широкополосного генератора СВЧ-колебаний - 1; измерительный зонд - 13, который размещен перед открытым торцом разрядной камеры - 2 и соединен с входами модулятора частоты СВЧ-колебаний - 12 и блока управления - 14 натекателя - 5 системы подачи рабочего вещества - 4.The proposed plasma accelerator contains: a microwave oscillator - 1, which is made broadband; axisymmetric discharge chamber - 2, which is made of a dielectric (for example, quartz) in the form of a cylinder with one closed end - 3 and has a gas distribution capacity - 6 connected to the supply system of the working substance - 4 through a controlled leak-off nozzle - 5, coaxially around the closed end - 3 discharge chambers - 2 and connected with it around the entire perimeter by a radial gap - 7; magnetic system in the form of ring permanent magnets - 8, which are placed coaxially on the outer surface of the discharge chamber - 2 with the possibility of moving at least part of them along its generatrix to the closed - 3 and open ends relative to the average cross section 0r of the discharge chamber - 2 ; Microwave transformer, which is made of single-mode broadband and consists of coaxial to each other and the discharge chamber - 2 external - 9 and internal - 10 truncated cones made of metal; a source of neutral particles — 11 working substances, placed coaxially with the inner cone — 10 of the microwave transformer and the discharge chamber — 2 on the inner side of its closed end — 3; a frequency modulator of microwave oscillations - 12, the output of which is connected to the input of a broadband generator of microwave oscillations - 1; measuring probe - 13, which is placed in front of the open end of the discharge chamber - 2 and connected to the inputs of the microwave frequency modulator - 12 and the control unit - 14 leakage - 5 of the working substance supply system - 4.
При этом в широкополосном одномодовом СВЧ-трансформаторе его внешний усеченный конус 9 со стороны большего основания соосно присоединен к закрытому торцу 3 разрядной камеры 2 и имеет внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру разрядной камеры 2, а его внутренний усеченный конус 10 имеет закрытое большее основание, которое размещено на внешней стороне закрытого торца 3 разрядной камеры 2.Moreover, in a broadband single-mode microwave transformer, its outer truncated cone 9 from the side of the larger base is coaxially connected to the closed end 3 of the discharge chamber 2 and has an inner diameter equal to the inner diameter of the discharge chamber 2, and its inner truncated cone 10 has a closed larger base, which placed on the outside of the closed end 3 of the discharge chamber 2.
Кроме того, в СВЧ-трансформаторе во внешнем усеченном конусе 9 со стороны его меньшего основания плотно закреплена кольцевая диэлектрическая вставка 15, электрически изолирующая внешний 9 и внутренний 10 усеченные конусы СВЧ-трансформатора и соосно фиксирующая их между собой. Коаксиальная линия передачи 16, соединенная с выходом генератора СВЧ-колебаний 1, присоединена центральным проводником к меньшему основанию внутреннего усеченного конуса 10, а внешним коаксиальным проводником присоединена к меньшему основанию внешнего усеченного конуса 9 широкополосного одномодового СВЧ-трансформатора.In addition, in the microwave transformer in the outer truncated cone 9 from the side of its smaller base, an annular dielectric insert 15 is tightly fixed, electrically insulating the outer 9 and inner 10 truncated cones of the microwave transformer and coaxially fixing them to each other. A coaxial transmission line 16 connected to the output of the microwave oscillator 1 is connected by a central conductor to the smaller base of the inner truncated cone 10, and an external coaxial conductor is connected to the smaller base of the outer truncated cone 9 of the broadband single-mode microwave transformer.
При этом источник нейтральных частиц рабочего вещества 11 имеет диаметр, который не превышает величину внешнего диаметра внутреннего усеченного конуса 10 со стороны его большего основания.Moreover, the source of neutral particles of the working substance 11 has a diameter that does not exceed the outer diameter of the inner truncated cone 10 from the side of its larger base.
Ускоритель плазмы, представленный на чертеже, работает следующим образом. Сначала при помощи системы подачи рабочего вещества 4 с управляемым натекателем 5 в разрядной камере 2 создается давление Р в диапазоне 10-2-10-4 мм рт.ст. Поток газа от закрытого торца 3 разрядной камеры 2 к открытому торцу определяется величиной порядка 3,31016PqS (где q - скорость звука, S - площадь поперечного сечения разрядной камеры 2) и в единицах силы тока составляет 5-0.05 А. Скорость откачки вакуумной системы (не показана) должна обеспечивать необходимый проток газа.The plasma accelerator shown in the drawing, operates as follows. First, using the supply system of the working substance 4 with a controlled leak 5 in the discharge chamber 2, a pressure P is created in the range of 10 -2 -10 -4 mm Hg. The gas flow from the closed end 3 of the discharge chamber 2 to the open end is determined by a value of the order of 3.310 16 PqS (where q is the speed of sound, S is the cross-sectional area of the discharge chamber 2) and in units of current strength is 5-0.05 A. The pumping speed of the vacuum system ( not shown) should provide the necessary gas flow.
Затем включается генератор СВЧ-колебаний 1, который настраивается на частоту электромагнитного излучения ω, равную электронной циклотронной частоте ωсе, определяемой средней величиной индукции магнитного поля В(r,0) в среднем поперечном сечении разрядной камеры при z=0: 
так и за счет ЭЦР, при котором передача энергии происходит бесстолкновительным образом со скоростьюand due to ECR, in which energy transfer occurs in a collisionless manner at a speed
(где Е0 - амплитуда колебаний электрического поля в волне, ν - частота столкновений, τ - время взаимодействия). При умеренной мощности генератора СВЧ-колебаний 1W~1 кВт, работающего на частоте f=ω/2π~1 ГГц, среднее значение E0=2W/(ε0·f·V) по объему V~103см3 разрядной камеры 2 составляет 3103 В/м. Если время взаимодействия τ порядка времени пролета электроном области, занятой магнитным полем, с величиной индукции, близкой к необходимой для ЭЦР τ~10-8 с, то электрон наберет кинетическую энергию не менее 20эВ, что достаточно для ионизации частиц газа. В результате ионизации газа электронами зажигается СВЧ-разряд и в разрядной камере 2 образуется неравновесная плазма. В неоднородном магнитном поле по мере увеличения энергии электроны могут покидать резонансную область разряда, двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля, которые пересекают поверхность разрядной камеры 2. Попадая на диэлектрическую поверхность, электроны ее заряжают, отражаясь от поверхности и вызывая эмиссию вторичных электронов. Если энергия электронов превосходит энергию, при которой коэффициент вторичной электрон-электронной эмиссии δ больше 1, то потенциал внутренней поверхности разрядной камеры 2 в этом месте будет положительным, а в противоположном случае отрицательным. Вторичные электроны, которые влетают в разрядную область в фазе с волной СВЧ-поля, будут многократно пересекать область циклотронного резонанса, приобретая энергию от СВЧ-волны, и участвовать в размножении электронов. Таким образом, устанавливается самосогласованное распределение потенциала электрического поля как вдоль поверхности разрядной камеры 2, ограничивающей газоразрядную область, так и в объеме разряда. Положительный потенциал на стенке разрядной камеры 2 препятствует потере ионов из разряда и уменьшает распыление разрядной камеры 2. С целью увеличения количества вторичных электронов в предлагаемом ускорителе плазмы применена разрядная камера 2 из диэлектрического материала. Это позволяет повысить степень ионизации и эффективность использования рабочего газа, а также увеличить КПД ускорителя плазмы за счет уменьшения потерь заряженных частиц на стенке разрядной камеры 2. После зажигания разряда перемещением магнитной системы 8 вдоль образующей разрядной камеры 2, а также вариацией частоты генератора СВЧ-колебаний 1 модулятором частоты СВЧ-колебаний 12 и давления газа Р добиваются максимальных величин степени ионизации плазмы и тока на измерительный зонд 13.(where E 0 is the amplitude of the oscillations of the electric field in the wave, ν is the collision frequency, and τ is the interaction time). At a moderate power of the microwave oscillator 1W ~ 1 kW, operating at a frequency f = ω / 2π ~ 1 GHz, the average value of E 0 = 2W / (ε 0 · f · V) over the volume V ~ 10 3 cm 3 of the discharge chamber 2 is 310 3 V / m. If the interaction time τ is of the order of the electron travel time of the region occupied by the magnetic field with an induction value close to that necessary for ECR τ ~ 10 -8 s, then the electron will gain kinetic energy of at least 20 eV, which is sufficient for ionizing gas particles. As a result of gas ionization by electrons, a microwave discharge is ignited and a nonequilibrium plasma is formed in the discharge chamber 2. In an inhomogeneous magnetic field, as the energy increases, the electrons can leave the resonance region of the discharge, moving along the lines of force of the magnetic field that intersect the surface of the discharge chamber 2. Once on the dielectric surface, the electrons charge it, reflected from the surface and cause the emission of secondary electrons. If the electron energy exceeds the energy at which the secondary electron-electron emission coefficient δ is greater than 1, then the potential of the inner surface of the discharge chamber 2 at this point will be positive, and in the opposite case negative. Secondary electrons that fly into the discharge region in phase with the microwave field wave will repeatedly cross the cyclotron resonance region, gaining energy from the microwave wave, and participate in electron multiplication. Thus, a self-consistent distribution of the electric field potential is established both along the surface of the discharge chamber 2, which limits the gas-discharge region, and in the volume of the discharge. The positive potential on the wall of the discharge chamber 2 prevents the loss of ions from the discharge and reduces the atomization of the discharge chamber 2. In order to increase the number of secondary electrons in the proposed plasma accelerator, a discharge chamber 2 of dielectric material is used. This makes it possible to increase the degree of ionization and the efficiency of using the working gas, as well as increase the efficiency of the plasma accelerator by reducing the loss of charged particles on the wall of the discharge chamber 2. After ignition of the discharge by moving the magnetic system 8 along the generatrix of the discharge chamber 2, as well as by varying the frequency of the microwave oscillator 1, the modulator of the frequency of the microwave oscillations 12 and the gas pressure P achieve the maximum values of the degree of plasma ionization and current to the measuring probe 13.
Для управления энергией ионов и плотностью потока ускоренной плазмы, а также его однородностью в поперечном сечении используется модулятор частоты СВЧ-колебаний 12, соединенный обратной связью с измерительным зондом 13 на открытом торце разрядной камеры 2. С целью обеспечения ширины полосы, необходимой для модуляции, используется широкополосный генератор СВЧ-колебаний 1, выход которого соединен коаксиальной линией передачи 16 с коническим широкополосным одномодовым СВЧ-трансформатором. Диапазон изменения рабочей частоты генератора СВЧ-колебаний 1 (fmin, fmax) определяется степенью неоднородности магнитного поля в разрядной камере 2, а граничные частоты fmin=eBmin/2πm; fmax= еВmах/2πm (где Bmin и Вmах - минимальная и максимальная величина индукции магнитного поля соответственно в сечении z=0 на чертеже.). Скорость изменения частоты генератора СВЧ-колебаний 1 должна быть, по крайней мере, меньше частоты ионизации vi молекул рабочего газа электронным ударом: 
В неоднородном магнитном поле ускорение плазмы происходит за счет градиента давления плазмы grad(Pi+Pe)~Tegrad(N) и градиента давления магнитного поля grad(B2/2µ0), где Рi и Ре - давление ионов и электронов соответственно. Те - электронная температура, N - концентрация плазмы, а µ0 - магнитная проницаемость вакуума [Л.А. Арцимович, Р.З. Сагдеев. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979, с. 156-164] - [3]. В рассматриваемом в изобретении случае действием магнитного поля на ионы можно пренебречь. Поэтому, исходя из условия квазинейтральности плазмы СВЧ-разряда и уравнений Эйлера для ионов и электронов, можно получить оценку для потока плазмы J в направлении открытого торца разрядной камеры 2: J=N(2Te/M)l/2(lnN/N0)l/2. Например, для типичных значений параметров СВЧ-разряда в режиме ЭЦР: Те~20эВ и N~1012 см-3, для водорода получаем J~1020 с-1см-2. При этом для величины силы тяги, которая определяется величиной приращения полного импульса в единицу времени, получаем оценку: F=2TeN(lnN/N0)1/2S~0.2 н. При этих параметрах удельный импульс, развиваемый ускорителем плазмы, составляет величину ~104 с. Таким образом, даже при умеренных режимах СВЧ-разряда можно получить выходные параметры ускорителя плазмы, сравнимые с достигнутыми в настоящее время параметрами на электроразрядных ускорителях других типов.The inhomogeneous magnetic field of the plasma acceleration is due to plasma pressure gradient grad (P i + P e) ~ T e grad (N) and pressure gradient magnetic field grad (B 2 / 2μ 0) where P i and P e - ions pressure and electrons, respectively. T e is the electron temperature, N is the plasma concentration, and μ 0 is the magnetic permeability of the vacuum [L.A. Artsimovich, R.Z. Sagdeev. Plasma physics for physicists. M .: Atomizdat, 1979, p. 156-164] - [3]. In the case considered in the invention, the effect of a magnetic field on ions can be neglected. Therefore, based on the quasineutrality condition of the microwave discharge plasma and Euler equations for ions and electrons, we can obtain an estimate for the plasma flow J in the direction of the open end of the discharge chamber 2: J = N (2T e / M) l / 2 (lnN / N 0 ) l / 2. For example, for typical values of the parameters of the microwave discharge in the ECR mode: T e ~ 20 eV and N ~ 10 12 cm -3 , for hydrogen we get J ~ 10 20 s -1 cm -2 . Moreover, for the magnitude of the traction force, which is determined by the increment of the total momentum per unit time, we obtain the estimate: F = 2T e N (lnN / N 0 ) 1/2 S ~ 0.2 n. With these parameters, the specific impulse developed by the plasma accelerator is ~ 10 4 s. Thus, even with moderate microwave discharge regimes, it is possible to obtain the output parameters of a plasma accelerator comparable to those currently achieved with other types of electric discharge accelerators.
В предлагаемой конструкции ускорителя плазмы предполагается использовать обратный поток плазмы в направлении закрытого торца 3 разрядной камеры 2 для испарения и распыления твердотельного источника нейтральных частиц рабочего вещества 11 с целью создания дополнительного потока газа или добавки ионов легирующих элементов для осуществления различных технологических процессов. Даже если коэффициент испарения под действием ионов составит 0.01, то этого достаточно для создания необходимого потока нейтралов в направлении открытого торца разрядной камеры 2 и поддержания СВЧ-разряда. Твердотельный источник нейтральных частиц рабочего вещества 11 позволяет использовать систему подачи рабочего вещества 4 только для зажигания СВЧ-разряда. Это создаст значительную экономию газообразного рабочего вещества, что способствует увеличению КПД.In the proposed design of the plasma accelerator, it is proposed to use the reverse plasma flow in the direction of the closed end 3 of the discharge chamber 2 for evaporation and spraying of a solid-state source of neutral particles of the working substance 11 in order to create an additional gas flow or add ions of alloying elements for various technological processes. Even if the evaporation coefficient under the action of ions is 0.01, then this is enough to create the necessary neutral flow in the direction of the open end of the discharge chamber 2 and to maintain the microwave discharge. A solid-state source of neutral particles of the working substance 11 allows you to use the supply system of the working substance 4 only for ignition of a microwave discharge. This will create significant savings in gaseous working substance, which contributes to an increase in efficiency.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011119837/07A RU2456473C1 (en) | 2011-05-18 | 2011-05-18 | Plasma accelerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011119837/07A RU2456473C1 (en) | 2011-05-18 | 2011-05-18 | Plasma accelerator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2456473C1 true RU2456473C1 (en) | 2012-07-20 |
Family
ID=46847458
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011119837/07A RU2456473C1 (en) | 2011-05-18 | 2011-05-18 | Plasma accelerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2456473C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2568960C1 (en) * | 2014-08-25 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Contactless transportation of space objects |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107837C1 (en) * | 1993-06-21 | 1998-03-27 | Сосьете Оропеен де Пропюльсьон | Short-length plasma-jet engine with closed-circuit electron drift |
| RU2003116082A (en) * | 2003-05-30 | 2005-01-27 | Валерий Викторович Кошкин (RU) | KOSHKIN ION ENGINE |
| WO2005029927A2 (en) * | 2003-09-22 | 2005-03-31 | Gosudarstvennoe Nauchnoe Uchrezhdenie 'gosudarstvenny Nauchno-Issledovatelsky Institut Prikladnoi Mechaniki I Elektrodinamiki' | Pulsed plasma accelerator and method |
-
2011
- 2011-05-18 RU RU2011119837/07A patent/RU2456473C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107837C1 (en) * | 1993-06-21 | 1998-03-27 | Сосьете Оропеен де Пропюльсьон | Short-length plasma-jet engine with closed-circuit electron drift |
| RU2003116082A (en) * | 2003-05-30 | 2005-01-27 | Валерий Викторович Кошкин (RU) | KOSHKIN ION ENGINE |
| RU2246035C1 (en) * | 2003-05-30 | 2005-02-10 | Кошкин Валерий Викторович | Ion engine |
| WO2005029927A2 (en) * | 2003-09-22 | 2005-03-31 | Gosudarstvennoe Nauchnoe Uchrezhdenie 'gosudarstvenny Nauchno-Issledovatelsky Institut Prikladnoi Mechaniki I Elektrodinamiki' | Pulsed plasma accelerator and method |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2568960C1 (en) * | 2014-08-25 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Contactless transportation of space objects |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2610162C2 (en) | Plasma engine and method of generating actuating plasma traction | |
| Goebel et al. | High-power microwave source based on an unmagnetized backward-wave oscillator | |
| Hummelt et al. | Coherent Cherenkov-cyclotron radiation excited by an electron beam in a metamaterial waveguide | |
| Kossyi et al. | Experimental and numerical investigation of multipactor discharges in a coaxial waveguide | |
| Tulu et al. | Systematic study of multipactor suppression techniques for a superconducting rf gun | |
| Semenov et al. | Reduction of the multipactor threshold due to electron cyclotron resonance | |
| JPS61118938A (en) | Ignition method and apparatus for superhigh frequency ion source | |
| Valletti et al. | Vircator technologies comparison and novel anode analysis | |
| Siddiqi et al. | Map-based multipactor theory for cross-field devices | |
| RU2456473C1 (en) | Plasma accelerator | |
| US8635850B1 (en) | Ion electric propulsion unit | |
| Skalyga et al. | High-Current Pulsed ECR Ion Sources | |
| RU2246035C9 (en) | Ion engine | |
| Sung et al. | Influence of anode-cathode gap distance on output characteristics of high-power microwave from coaxial virtual cathode oscillator | |
| Bratman et al. | New versions of terahertz radiation sources for dynamic nuclear polarization in nuclear magnetic resonance spectroscopy | |
| Lawson et al. | Reflections on the university of Maryland’s program investigating gyro-amplifiers as potential sources for linear colliders | |
| RU2507625C1 (en) | Klystron | |
| Chen | Analysis of energy balance in a helicon coupled to an inertial electrostatic confinement device | |
| Celona | Microwave Discharge Ion Sources | |
| Onishchenko et al. | The wake-field excitation in plasma-dielectric structure by sequence of short bunches of relativistic electrons | |
| Nikiforov et al. | Simulation of a radio-frequency photogun for the generation of ultrashort beams | |
| Wang et al. | Improved bifrequency magnetically insulated transmission line oscillator | |
| Grigor'eva et al. | Study of the Process of Turbulent Heating of a Plasma by a Large-amplitude Whistler | |
| US9837240B1 (en) | Relativistic magnetron with no physical cathode | |
| CN114156157B (en) | Plasma generating device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140519 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150620 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180519 |