RU2474984C1

RU2474984C1 - Plasma accelerator with closed electron drift

Info

Publication number: RU2474984C1
Application number: RU2011142644/07A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Иванович Козлов; Евгений Константинович Сидоренко; Артемий Александрович Смирнов; Лев Николаевич Умницын
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-02-10

Abstract

FIELD: electricity.SUBSTANCE: invention may be used to develop plasma accelerators with a closed electron drift and an extended acceleration zone (CEDA). CEDA comprises a discharge chamber (1) with external (2) and internal (3) dielectric walls. Walls (2 and 3) form an acceleration channel closed in azimuthal direction with a closed end part and an open output part. An anode - gas distributor (4) is installed in an accelerating channel at the side of its closed end part. The compensator cathode is placed behind the accelerating channel cut. Sources of magnetomotive force are made in the form of electromagnetic magnetisation coils (5, 6). A magnetic conductor comprises magnetic conducting elements (7) and cores (8 and 9). External (10) and internal (11) magnetic screens made of a soft magnetic material are arranged at the external sides of the walls (2 and 3) and surround the accelerating channel at the side of its closed part. External and internal magnetic poles (12, 13, 14, 15) are closed in azimuthal direction and are arranged at the outer sides of the walls (2 and 3). Poles are divided into two pairs, every of which forms a pole-to-pole gap. Poles (12 and 13) of the first pair form the first pole-to-pole gap near the accelerating channel cut. Poles (14 and 15) of the second pair form the second pole-to-pole gap in the area between the anode - gas distributor (4) and the accelerating channel cut. Poles (14 and 15) of the second pair are installed creating gaps relative to poles (12 and 13) of the first pair and relative to magnetic screens (10 and 11). Length of poles (14 and 15) of the second pair forms at least a half of the accelerating channel width. End planes of poles (14 and 15) at the side of the channel cut match the plane of the accelerating channel cross section, stretching via the gap between end planes of magnetic screens (10 and 11) and magnetic poles (12 and 13) of the first pair.EFFECT: reduced flow of accelerated ions directed towards discharger chamber walls and accordingly higher traction efficiency and increased CEDA resource.6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДЭ), применяемых в качестве электрореактивных двигателей, в частности в качестве стационарных плазменных двигателей, а также в составе технологических плазменных установок, предназначенных для ионно-плазменной обработки материалов в вакууме. The invention relates to plasma technology and can be used in the development of plasma accelerators with a closed electron drift and an extended acceleration zone (UZDE), used as electric reactive engines, in particular as stationary plasma engines, as well as as part of technological plasma systems intended for ion plasma processing of materials in a vacuum.

Принцип работы УЗДЭ основан на ускорении ионов в кольцевом ускорительном канале, образованном в разрядной камере, в котором инициируется разряд со скрещенными электрическим и магнитным полями. Магнитная система УЗДЭ выполняется таким образом, чтобы вектор индукции

магнитного поля в полости кольцевого ускорительного канала имел преимущественно радиальное направление. Между анодом и катодом, которые размещаются у противоположных торцов разрядной камеры, прикладывается разрядное напряжение. В результате в кольцевом ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле с напряженностью

. Электрический разряд зажигается в потоке газа, например ксенона, движущегося в ускорительном канале в направлении от анода, выполняющего обычно функцию газораспределителя, к открытой торцевой части разрядной камеры. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. Величина индукции магнитного поля выбирается таким образом, чтобы ионы были не замагничены, и магнитное поле слабо влияло на движение ионов в продольном направлении в полости ускорительного канала. При этом величина индукции магнитного поля должна быть достаточной для замагничивания электронов в ускорительном канале. При указанных условиях движение электронов происходит преимущественно в азимутальном направлении перпендикулярно векторам

и

. Вместе с тем, вследствие столкновения электронов с атомами и ионами рабочего газа а также со стенками разрядной камеры, происходит постепенное смещение электронов вдоль направления действия электрического поля. При этом электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации рабочего газа при типичных для УЗДЭ разрядных напряжениях: от 200 В до 1000 В («Плазменные ускорители» под редакцией Л.А.Арцимовича, М., «Машиностроение», 1973 г., стр.54-95).The principle of operation of the UZDE is based on the acceleration of ions in an annular accelerating channel formed in a discharge chamber, in which a discharge with crossed electric and magnetic fields is initiated. The UZDE magnetic system is designed so that the induction vector

The magnetic field in the cavity of the annular accelerating channel had a predominantly radial direction. Between the anode and cathode, which are located at opposite ends of the discharge chamber, a discharge voltage is applied. As a result, a predominantly longitudinal electric field with intensity is created in the annular accelerating channel

. An electric discharge is ignited in a stream of gas, for example xenon, moving in the accelerator channel in the direction from the anode, which usually performs the function of a gas distributor, to the open end part of the discharge chamber. A cathode-compensator (electron emitter) is installed at the edge of the accelerator channel. The magnitude of the magnetic field induction is chosen so that the ions are not magnetized, and the magnetic field has a weak effect on the longitudinal motion of the ions in the cavity of the accelerating channel. In this case, the magnitude of the magnetic field induction should be sufficient for magnetization of electrons in the accelerating channel. Under these conditions, the motion of electrons occurs mainly in the azimuthal direction perpendicular to the vectors

and

. However, due to the collision of electrons with atoms and ions of the working gas and also with the walls of the discharge chamber, a gradual displacement of electrons occurs along the direction of action of the electric field. In this case, the electrons gain enough energy to ionize the working gas at typical discharge voltages typical of ultrasonic energy analysis: from 200 V to 1000 V (“Plasma Accelerators” edited by L. A. Artsimovich, M., “Mechanical Engineering”, 1973, p. 54-95).

Энергетическая эффективность УЗДЭ ограничена из-за высокой расходимости потока ускоренных ионов в ускорительном канале. Ускоренные ионы, сталкиваясь со стенками разрядной камеры, распыляют поверхностный слой стенок и исключаются из общего направленного движения ионов рабочего вещества. Данное явление приводит к дополнительным потерям мощности электрического разряда и к интенсивной эрозии стенок разрядной камеры. Вследствие этого снижается тяговая эффективность и ресурс плазменных двигателей, созданных на основе УЗДЭ. Так, например, тяговый КПД плазменного двигателя типа СПД-100 составляет ~0,5 при величине удельного импульса двигателя 16 км/с. Ресурс такого двигателя не превышает 5000 часов.The energy efficiency of the UZDE is limited due to the high divergence of the stream of accelerated ions in the accelerating channel. Accelerated ions, colliding with the walls of the discharge chamber, spray the surface layer of the walls and are excluded from the general directional movement of the ions of the working substance. This phenomenon leads to additional losses of electric discharge power and to intense erosion of the walls of the discharge chamber. As a result of this, the traction efficiency and the resource of plasma engines created on the basis of the ultrasonic deceleration system are reduced. So, for example, the traction efficiency of a plasma engine of the SPD-100 type is ~ 0.5 with a specific engine momentum of 16 km / s. The resource of such an engine does not exceed 5000 hours.

С целью устранения негативных явлений, связанных с существенной расходимостью ионов в ускорительном канале УЗДП, применяются устройства, предназначенные для концентрации пучка ионов. Так, в частности, в патенте RU 2163309 (МПК: F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубликован 20.02.2001) описана конструкция УЗДЭ, включающего в свой состав устройство, обеспечивающее формирование узконаправленного потока ускоренных ионов в заданном направлении. Устройство содержит расширенный магнитный полюсный наконечник в форме усеченного конуса, который установлен за срезом ускорительного канала. Дополнительная периферийная магнитная цепь соединяет расширенный полюсный наконечник с наружным полюсным наконечником магнитной системы. Периферийная магнитная цепь снабжена источником магнитодвижущей силы. С помощью дополнительного полюса магнитной системы, формирующего кольцеобразную корректирующую магнитную линзу за срезом ускорительного канала, большая часть ионов в генерируемом потоке ограничивается конической поверхностью, границы которой определяются геометрическими характеристиками расширенного полюсного наконечника (полюса) магнитной системы.In order to eliminate the negative phenomena associated with a significant divergence of ions in the accelerating channel of the ultrasonic diffuser, devices are used that are designed to concentrate the ion beam. So, in particular, in the patent RU 2163309 (IPC: F03H 1/00, Н05Н 1/54, published 02.20.2001), the design of the ultrasonic electronic detector is described, which includes a device that ensures the formation of a narrowly directed stream of accelerated ions in a given direction. The device contains an expanded magnetic pole tip in the form of a truncated cone, which is installed behind a slice of the accelerating channel. An additional peripheral magnetic circuit connects the expanded pole piece to the outer pole piece of the magnetic system. The peripheral magnetic circuit is equipped with a source of magnetomotive force. Using an additional pole of the magnetic system, forming an annular correcting magnetic lens behind a section of the accelerating channel, most of the ions in the generated stream are limited by a conical surface, the boundaries of which are determined by the geometric characteristics of the expanded pole tip (pole) of the magnetic system.

Следует отметить, что использование для регулирования потока ионов дополнительного магнитного полюса, расположенного за пределами ускорительного канала, не исключает возможности расхождения потока ионов в самом ускорительномIt should be noted that the use of an additional magnetic pole located outside the accelerator channel to control the ion flux does not exclude the possibility of divergence of the ion flux in the accelerator itself

канале и связанные с этим потери мощности разряда, а также эрозию стенок разрядной камеры.channel and the associated loss of discharge power, as well as erosion of the walls of the discharge chamber.

Наиболее близким аналогом изобретения является УЗДЭ, конструкция которого раскрыта в патенте RU 2119275 (МПК: F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубликован 20.09.1998). Устройство содержит разрядную камеру с наружной и внутренней диэлектрическими стенками. Стенки камеры образуют замкнутый в азимутальном направлении ускорительный канал с закрытой торцевой частью и открытой выходной частью. Анод-газораспределитель плазменного ускорителя установлен в полости ускорительного канала со стороны его закрытой торцевой части. Катод-компенсатор размещен за срезом ускорительного канала. Магнитная система включает в свой состав источники магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружные и внутренние магнитные полюса и магнитные экраны, выполненные из магнитомягкого материала. Экраны окружают ускорительный канал со стороны его закрытой торцевой части. Магнитные полюса замкнуты в азимутальном направлении и расположены вдоль стенок разрядной камеры с их внешних сторон. Расстояние между близлежащими полюсами выбирается не более полуширины ускорительного канала для организации работы магнитных полюсов как единой системы. Полюса образуют несколько межполюсных зазоров вдоль ускорительного канала, при этом один из межполюсных зазоров расположен у среза ускорительного канала, а другой - между анодом-газораспределителем и первым межполюсным зазором.The closest analogue of the invention is UZDE, the design of which is disclosed in patent RU 2119275 (IPC: F03H 1/00, H05H 1/54, published on September 20, 1998). The device comprises a discharge chamber with external and internal dielectric walls. The walls of the chamber form an accelerating channel closed in the azimuthal direction with a closed end part and an open outlet part. The anode-gas distributor of the plasma accelerator is installed in the cavity of the accelerating channel from the side of its closed end part. The cathode-compensator is located behind the slice of the accelerating channel. The magnetic system includes sources of magnetomotive force, a magnetic circuit, external and internal magnetic poles, and magnetic screens made of soft magnetic material. Screens surround the accelerator channel from the side of its closed end part. The magnetic poles are closed in the azimuthal direction and are located along the walls of the discharge chamber from their outer sides. The distance between the adjacent poles is selected no more than the half-width of the accelerating channel to organize the work of the magnetic poles as a single system. The poles are formed by several interpolar gaps along the accelerator channel, with one of the interpolar gaps located at the edge of the accelerator channel, and the other between the gas distribution anode and the first interpolar gap.

Относительное сближение магнитных полюсов и межполюсных зазоров вдоль ускорительного канала позволяет обеспечить в известном УЗДЭ взаимное влияние магнитных полей, создаваемых в соседних межполюсных зазорах. Снижение потерь энергии и уменьшение плотности потока ионов, направленного на стенки разрядной камеры, связывается в известном техническом решении с увеличением скорости спадания магнитного поля в направлении к аноду. Величина индукции магнитного поля имеет максимальное значение вблизи среза ускорительного канала. При этом магнитное поле спадает с большей скоростью в направлении анода, чем в направлении выходного сечения ускорительного канала.The relative convergence of the magnetic poles and the interpolar gaps along the accelerating channel allows one to ensure in the well-known SPDE the mutual influence of the magnetic fields generated in the adjacent interpolar gaps. A decrease in energy loss and a decrease in the density of the ion flux directed to the walls of the discharge chamber is associated in a known technical solution with an increase in the decay rate of the magnetic field towards the anode. The magnitude of the magnetic field induction has a maximum value near the cutoff of the accelerator channel. In this case, the magnetic field decreases with a greater velocity in the direction of the anode than in the direction of the output section of the accelerating channel.

Данный эффект связан с использованием магнитной системы, обеспечивающей смещение рабочей зоны в ускорительном канале к срезу канала. При использовании такой системы магнитные силовые линии имеют сильно выпуклую форму в направлении к аноду. Вследствие этого возникает неоднородная ионизация атомов рабочего вещества вдоль силовых линий поля и образуются радиальные электрические поля, направленные к стенкам разрядной камеры. Возникающие радиальные электрические поля являются причиной направленного движения ионов из области ионизации и ускорения к стенкам разрядной камеры.This effect is associated with the use of a magnetic system that provides a shift of the working zone in the accelerating channel to the channel cut. When using such a system, magnetic field lines have a strongly convex shape towards the anode. As a result of this, inhomogeneous ionization of the atoms of the working substance occurs along the field lines of the field and radial electric fields are formed, directed towards the walls of the discharge chamber. The arising radial electric fields are the cause of the directed movement of ions from the region of ionization and acceleration to the walls of the discharge chamber.

Изобретение направлено на уменьшение потока ускоренных ионов, направленного на стенки разрядной камеры. Решение данной технической задачи позволяет существенно повысить величину тягового КПД (тяговой эффективности) и увеличить ресурс УЗДЭ.The invention is aimed at reducing the flow of accelerated ions directed to the walls of the discharge chamber. The solution to this technical problem allows you to significantly increase the value of traction efficiency (traction efficiency) and increase the life of the ultrasonic engine.

Достижение указанных технических результатов обеспечивается с помощью УЗДЭ, который включает в свой состав разрядную камеру с наружной и внутренней диэлектрическими стенками, образующими замкнутый в азимутальном направлении ускорительный канал с закрытой торцевой частью и открытой выходной частью. Ускоритель содержит также анод и газораспределитель, установленные в полости ускорительного канала со стороны его закрытой торцевой части. Анод и газораспределитель могут быть выполнены в виде единого узла конструкции, называемого анодом-газораспределителем. Катод-компенсатор устанавливается за срезом ускорительного канала.Achievement of the indicated technical results is achieved with the help of an ultrasonic detonator, which includes a discharge chamber with external and internal dielectric walls that form an accelerator channel closed in the azimuthal direction with a closed end part and an open outlet part. The accelerator also contains an anode and a gas distributor installed in the cavity of the accelerating channel from the side of its closed end part. The anode and gas distributor can be made in the form of a single unit of construction, called the gas distribution anode. The cathode-compensator is installed behind the cut of the accelerating channel.

Согласно изобретению магнитная система плазменного ускорителя включает в свой состав, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, две пары наружных и внутренних магнитных плюсов и магнитные экраны. Экраны выполняются из магнитомягкого материала, размещаются с внешней стороны каждой стенки разрядной камеры и окружают ускорительный канал со стороны его закрытой части. Магнитные полюса имеют замкнутую в азимутальном направлении форму и устанавливаются с внешней стороны каждой стенки разрядной камеры. Первая пара магнитных полюсов образует первый межполюсный зазор у среза ускорительного канала. Вторая пара магнитных полюсов образует второй межполюсный зазор в области между анодом и срезом ускорительного канала.According to the invention, the magnetic system of the plasma accelerator includes at least one source of magnetomotive force, a magnetic circuit, two pairs of external and internal magnetic pluses and magnetic screens. The screens are made of soft magnetic material, placed on the outside of each wall of the discharge chamber and surround the accelerator channel from the side of its closed part. The magnetic poles are closed in the azimuthal direction and are installed on the outside of each wall of the discharge chamber. The first pair of magnetic poles forms the first interpolar gap at the edge of the accelerator channel. The second pair of magnetic poles forms a second interpolar gap in the region between the anode and the slice of the accelerator channel.

Существенное значение имеет то, что магнитные полюса второй пары установлены с образованием зазоров относительно магнитных полюсов первой пары и относительно магнитных экранов. Протяженность магнитных полюсов второй пары вдоль ускорительного канала составляет не менее половины ширины ускорительного канала. Торцевые плоскости магнитных полюсов второй пары со стороны среза ускорительного канала совпадают с плоскостью поперечного сечения ускорительного канала, проходящей через зазор между близлежащими торцевыми плоскостями магнитных экранов и магнитных полюсов первой пары.It is essential that the magnetic poles of the second pair are installed with the formation of gaps relative to the magnetic poles of the first pair and relative to the magnetic screens. The length of the magnetic poles of the second pair along the accelerating channel is at least half the width of the accelerating channel. The end planes of the magnetic poles of the second pair from the cut side of the accelerating channel coincide with the plane of the cross section of the accelerating channel passing through the gap between the adjacent end planes of the magnetic screens and the magnetic poles of the first pair.

Описанное выше выполнение магнитной системы УЗДЭ позволяет создать конструкцию, в которой магнитные полюса второй пары, расположенные между срезом ускорительного канала и анодом, не связаны магнитопроводящими элементами с другими узлами и деталями магнитной системы и, вследствие этого, находятся под плавающими магнитными потенциалами. С помощью второй пары магнитных полюсов в укорительном канале перед областью, в которой с помощью первой пары магнитных полюсов формируется магнитное поле с линзоподобной конфигурацией силовых линий, создается магнитное поле с преимущественно радиальным направлением вектора индукции поля со стороны анода. При этом область с линзоподобной конфигурацией магнитных силовых линий остается смешенной в направлении ускорения ионов относительно плоскости расположения первой пары магнитных полюсов.The implementation of the UZDE magnetic system described above allows you to create a design in which the magnetic poles of the second pair, located between the section of the accelerating channel and the anode, are not connected by magnetically conducting elements to other nodes and parts of the magnetic system and, as a result, are under floating magnetic potentials. Using a second pair of magnetic poles in the shortening channel in front of the region in which a magnetic field with a lens-like field line configuration is formed using the first pair of magnetic poles, a magnetic field is created with a predominantly radial direction of the field induction vector from the side of the anode. In this case, the region with the lens-like configuration of the magnetic field lines remains mixed in the direction of ion acceleration relative to the plane of the location of the first pair of magnetic poles.

За счет данной конфигурации магнитного поля в ускорительном канале зона ионизации смещается по направлению к аноду относительно первого межполюсного зазора. Вследствие этого формируется плазмооптическая система, позволяющая сфокусировать ускоренный поток ионов и уменьшить расходимость потока ионов в ускорительном канале. Данные явления обеспечивают, в свою очередь, снижение потерь энергии ионов на стенках разрядной камеры, а также уменьшение скорости износа (эрозии) стенок.Due to this configuration of the magnetic field in the accelerating channel, the ionization zone is shifted towards the anode relative to the first interpolar gap. As a result of this, a plasmooptical system is formed, which makes it possible to focus the accelerated ion flux and reduce the divergence of the ion flux in the accelerating channel. These phenomena provide, in turn, a decrease in ion energy loss on the walls of the discharge chamber, as well as a decrease in the rate of wear (erosion) of the walls.

Магнитные полюса второй пары могут быть установлены на поверхностях стенок разрядной камеры, которые обращены к ускорительному каналу, или на поверхностях стенок, которые обращены к магнитным экранам. В последнем случае магнитные полюса второй пары могут быть электрически соединены с анодом, например, с помощью элементов крепления, которые выполняются из немагнитного материала, например из нержавеющей стали.The magnetic poles of the second pair can be mounted on the surfaces of the walls of the discharge chamber, which are facing the accelerating channel, or on the surfaces of the walls, which are facing the magnetic screens. In the latter case, the magnetic poles of the second pair can be electrically connected to the anode, for example, using fasteners that are made of non-magnetic material, such as stainless steel.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения конструкции УЗДЭ. На прилагаемых чертежах изображено следующее:Further, the invention is illustrated by a description of specific examples of the design of the ultrasonic diode detector. The accompanying drawings show the following:

на фиг.1 - изображен продольный разрез УЗДЭ с магнитными полюсами, размешенными на поверхностях стенок разрядной камеры, которые обращены к магнитным экранам;figure 1 - shows a longitudinal section of an ultrasonic diode with magnetic poles, placed on the surfaces of the walls of the discharge chamber, which are facing the magnetic screens;

на фиг.2 - изображен местный разрез разрядной камеры УЗДЭ с магнитными полюсами, расположенными на поверхностях стенок, которые обращены к ускорительному каналу (в увеличенном масштабе).figure 2 - shows a local section of the discharge chamber UZDE with magnetic poles located on the surfaces of the walls that are facing the accelerator channel (on an enlarged scale).

Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов в варианте конструкции, изображенном на фиг.1 чертежей, содержит разрядную камеру 1 с азимутально замкнутыми наружной и внутренней диэлектрическими стенками 2 и 3. Ускорительный канал, образованный стенками 2 и 3, имеет закрытую торцевую часть и выходную часть со стороны среза канала. Стенки 2 и 3 со стороны среза ускорительного канала выполнены с утолщениями. Анод и газораспределитель конструктивно объединены в одном узле - аноде-газораспределителе 4, который установлен в ускорительном канале со стороны его закрытой части. Катод-компенсатор размещен со стороны среза ускорительного канала (на чертеже не показан).The plasma electron accelerator with closed electron drift in the embodiment shown in FIG. 1 of the drawings contains a discharge chamber 1 with azimuthally closed outer and inner dielectric walls 2 and 3. The accelerator channel formed by walls 2 and 3 has a closed end part and an output part with sides of the channel cut. Walls 2 and 3 on the slice side of the accelerating channel are made with thickenings. The anode and the gas distributor are structurally combined in one node - the gas distribution anode 4, which is installed in the accelerator channel from the side of its closed part. The cathode-compensator is placed on the cut side of the accelerator channel (not shown in the drawing).

Магнитная система включает в свой состав центральный и периферийные источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде электромагнитных катушек намагничивания 5 и 6. Магнитопровод выполнен в виде сборки, состоящей из магнитопроводящих элементов 7 и сердечников 8 и 9, которые образуют магнитную цепь. Наружный и внутренний магнитные экраны 10 и 11, включенные в магнитную цепь, расположены с внешних сторон стенок 2 и 3 соответственно. Экраны 10 и 11 выполнены из магнитомягкого материала, например из электротехнической стали, и окружают ускорительный канал со стороны его закрытой части.The magnetic system includes central and peripheral sources of magnetomotive force, made in the form of electromagnetic magnetization coils 5 and 6. The magnetic circuit is made in the form of an assembly consisting of magnetically conductive elements 7 and cores 8 and 9, which form a magnetic circuit. The outer and inner magnetic shields 10 and 11 included in the magnetic circuit are located on the outer sides of the walls 2 and 3, respectively. The screens 10 and 11 are made of soft magnetic material, for example, of electrical steel, and surround the accelerator channel from the side of its closed part.

Первая пара магнитных полюсов, образующих первый межполюсный зазор, состоит из наружного полюса 12 и внутреннего полюса 13. Полюса 12 и 13 замкнуты в азимутальном направлении и установлены у среза ускорительного канала с внешних сторон стенок 2 и 3 соответственно. Вторая пара магнитных полюсов, образующих второй межполюсный зазор, состоит из наружного полюса 14 и внутреннего полюса 15. Полюса 14 и 15 также замкнуты в азимутальном направлении и установлены между анодом-газораспределителем 4 и срезом ускорительного канала. В примере реализации изобретения в конструкции УЗДЭ, изображенном на фиг.1 чертежей, магнитные полюса 14 и 15 установлены на поверхностях стенок 2 и 3, которые обращены к магнитным экранам 10 и 11. В рассматриваемом примере полюса 14 и 15 электрически изолированы от анода-газораспределителя 4.The first pair of magnetic poles forming the first interpolar gap consists of an outer pole 12 and an inner pole 13. The poles 12 and 13 are closed in the azimuthal direction and are installed at the edge of the accelerator channel on the outer sides of walls 2 and 3, respectively. The second pair of magnetic poles, forming the second interpolar gap, consists of an outer pole 14 and an inner pole 15. The poles 14 and 15 are also closed in the azimuthal direction and are installed between the gas distribution anode 4 and the accelerator channel cut. In the example implementation of the invention in the UZDE design shown in FIG. 1 of the drawings, the magnetic poles 14 and 15 are mounted on the surfaces of the walls 2 and 3, which are facing the magnetic shields 10 and 11. In this example, the poles 14 and 15 are electrically isolated from the gas distribution anode four.

Магнитные полюса 14 и 15 второй пары расположены с образованием зазоров относительно магнитных полюсов 12 и 13 первой пары и относительно магнитных экранов 10 и 11. Зазоры обеспечиваются с помощью элементов крепления 16 и 17, выполненных из немагнитного материала, которые фиксируют положение полюсов 14 и 15 относительно других элементов магнитной системы. Элементы крепления 16 и 17 расположены в азимутально замкнутых зазорах между поверхностями полюсов 14 и 15 второй пары, полюсов 12 и 13 первой пары и торцевых частей магнитных экранов 10 и 11.The magnetic poles 14 and 15 of the second pair are located with the formation of gaps relative to the magnetic poles 12 and 13 of the first pair and relative to the magnetic shields 10 and 11. The gaps are provided using fasteners 16 and 17 made of non-magnetic material that fix the position of the poles 14 and 15 relative to other elements of the magnetic system. The fastening elements 16 and 17 are located in azimuthally closed gaps between the surfaces of the poles 14 and 15 of the second pair, the poles 12 and 13 of the first pair and the end parts of the magnetic screens 10 and 11.

Протяженность магнитных полюсов 14 и 15 вдоль ускорительного канала в рассматриваемом примере равна ширине канала. Торцевые плоскости полюсов 14 и 15 со стороны среза ускорительного канала совпадают с плоскостью поперечного сечения ускорительного канала, проходящей через зазор между близлежащими торцевыми плоскостями магнитных экранов 10 и 11 и полюсов 13 и 15 первой пары. Для крепления УЗДЭ, например, на кронштейне двигательного блока, торцевая часть магнитопровода выполняется с выступом 18.The length of the magnetic poles 14 and 15 along the accelerating channel in this example is equal to the channel width. The end planes of the poles 14 and 15 on the slice side of the accelerating channel coincide with the plane of the cross section of the accelerating channel passing through the gap between the adjacent end planes of the magnetic shields 10 and 11 and the poles 13 and 15 of the first pair. To fasten the ultrasonic electronic device, for example, on the bracket of the motor block, the end part of the magnetic circuit is performed with a protrusion 18.

В другом варианте конструкции УЗДЭ, изображенном на фиг.2 чертежей, используются магнитные полюса 19 и 20 второй пары, которые выполнены в виде азимутально замкнутых элементов конструкции сложной формы. Полюса 19 и 20 установлены на поверхностях стенок 2 и 3 разрядной камеры 1, обращенных к ускорительному каналу. Полюса 19 и 20 зафиксированы в ускорительном канале со стороны его среза с помощью диэлектрических вставок 21 и 22, имеющих азимутально замкнутую форму. Со стороны анода-газораспределителя 4 полюса 19 и 20 соединены с элементами крепления 23 и 24, которые выполнены из немагнитного электропроводящего материала, в частности из нержавеющей стали. Элементы крепления 23 и 24 также имеют азимутально замкнутую форму и обеспечивают электрическое соединение анода-газораспределителя 4 с полюсами 19 и 20 соответственно.In another embodiment of the UZDE design, shown in FIG. 2 of the drawings, magnetic poles 19 and 20 of the second pair are used, which are made in the form of azimuthally closed structural elements of complex shape. Poles 19 and 20 are installed on the surfaces of the walls 2 and 3 of the discharge chamber 1, facing the accelerating channel. The poles 19 and 20 are fixed in the accelerating channel from the side of its slice using dielectric inserts 21 and 22, having an azimuthally closed shape. On the side of the gas distribution anode 4, the poles 19 and 20 are connected to the fastening elements 23 and 24, which are made of non-magnetic electrically conductive material, in particular stainless steel. The fastening elements 23 and 24 also have an azimuthally closed shape and provide an electrical connection to the anode-gas distributor 4 with the poles 19 and 20, respectively.

Работа УЗДЭ, конструкция которого изображена на фиг.1 чертежей, осуществляется следующим образом.Work UZDE, the design of which is shown in figure 1 of the drawings, as follows.

В полости ускорительного канала с помощью магнитной системы создается магнитное поле, вектор

индукции которого преимущественно направлен от одной стенки разрядной камеры к другой стенке, например от наружной стенки 2 к внутренней стенке 3. Через катушки намагничивания 5 и 6 пропускаются токи, необходимые для генерации в полости ускорительного канала магнитного моля с заданной величиной радиальной составляющей магнитной индукции. Одновременно от системы электропитания подается разрядное напряжение (200÷1000 В) на анод-газораспределитель 4, установленный в полости ускорительного канала со стороны его закрытой части, и катод-компенсатор, расположенный за срезом ускорительного канала. В результате этого в ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле с напряженностью

. Рабочий газ, в качестве которого используется ксенон, подается в ускорительный канал через анод-газораспределитель 4 из системы хранения и подачи рабочего вещества.A magnetic field is created in the cavity of the accelerating channel using a magnetic system, a vector

the induction of which is mainly directed from one wall of the discharge chamber to another wall, for example, from the outer wall 2 to the inner wall 3. Through the magnetization coils 5 and 6, the currents necessary for generating a magnetic mole in the cavity of the accelerating channel with a given value of the radial component of the magnetic induction are passed. At the same time, a discharge voltage (200 ÷ 1000 V) is supplied from the power supply system to the anode-gas distributor 4, installed in the cavity of the accelerator channel from the side of its closed part, and the cathode-compensator, located behind the cut of the accelerator channel. As a result of this, a longitudinally electric field with intensity

. The working gas, which is used as xenon, is fed into the accelerator channel through the anode-gas distributor 4 from the storage and supply of the working substance.

После выхода на рабочий режим катода-компенсатора в потоке газа, направленном от анода-газораспределителя 4 к срезу ускорительного канала, зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. В разрядном объеме происходит ионизация атомов рабочего газа, и образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем до скоростей, определяемых разностью потенциалов между анодом-газораспределителем 4 и катодом-компенсатором. Истекающий из ускорительного канала поток ионов захватывает необходимое для компенсации его объемного заряда количество электронов, которые эмитируются катодом-компенсатором.After reaching the operating mode of the cathode-compensator in the gas stream directed from the anode-gas distributor 4 to the cut of the accelerator channel, a discharge is ignited in crossed electric and magnetic fields. Ionization of the working gas atoms takes place in the discharge volume, and the formed ions are accelerated by the electric field to speeds determined by the potential difference between the gas distribution anode 4 and the compensating cathode. The ion stream emanating from the accelerating channel captures the number of electrons necessary to compensate for its space charge, which are emitted by the compensating cathode.

В ускорительном канале усредненное движение электронов, так называемый азимутальный дрейф электронов, происходит в азимутальном направлении, перпендикулярном векторам

и

. При взаимодействии электронов с тяжелыми частицами рабочего вещества (атомами и ионами), а также со стенками 2 и 3 разрядной камеры 1 происходит рассеяние дрейфовой составляющей скорости электронов и смещение электронов к аноду-газораспределителю 4. Вследствие этого через ускорительный канал протекает значительная доля электронного тока, влияющего на движение ионов рабочего вещества. При этом расходимость потока ускоренных ионов в ускорительном канале обусловлена в значительной степени конфигурацией магнитного поля, создаваемого с помощью магнитной системы.In the accelerating channel, the averaged motion of electrons, the so-called azimuthal electron drift, occurs in the azimuthal direction perpendicular to the vectors

and

. When electrons interact with heavy particles of the working substance (atoms and ions), as well as with the

walls

2 and 3 of the discharge chamber 1, the drift component of the electron velocity is scattered and the electrons are displaced to the gas distribution anode 4. As a result, a significant fraction of the electron current flows through the accelerator channel, affecting the movement of ions of the working substance. In this case, the divergence of the flow of accelerated ions in the accelerating channel is due largely to the configuration of the magnetic field generated by the magnetic system.

С целью снижения расходимости потока ускоренных ионов в УЗДЭ применяется система магнитных полюсов, состоящая из двух пар полюсов. Магнитные полюса 12 и 13 первой пары образуют первый межполюсный зазор в области среза ускорительного канала. Магнитные полюса 14 и 15 второй пары образуют второй межполюсный зазор в области ускорительного канала между анодом-газораспределителем 4 и срезом канала. Магнитные полюса 14 и 15 находятся под плавающим магнитным потенциалом за счет того, что они размещены с образованием зазоров относительно других элементов магнитной системы, в частности относительно магнитных полюсов 12 и 13 и относительно магнитных экранов 10 и 11.In order to reduce the divergence of the flux of accelerated ions in the ultrasonic energy detector, a magnetic pole system consisting of two pairs of poles is used. The magnetic poles 12 and 13 of the first pair form the first interpolar gap in the cut-off region of the accelerator channel. The magnetic poles 14 and 15 of the second pair form a second interpolar gap in the region of the accelerating channel between the anode-gas distributor 4 and the channel cut. The magnetic poles 14 and 15 are at a floating magnetic potential due to the fact that they are placed with the formation of gaps relative to other elements of the magnetic system, in particular relative to the magnetic poles 12 and 13 and relative to the magnetic shields 10 and 11.

Для создания требуемого распределения магнитного поля в ускорительном канале положение магнитных полюсов 14 и 15 фиксируется относительно полюсов 12 и 13 первой пары и относительно магнитных экранов 10 и 11. Данное условие определяется тем, что торцевые плоскости магнитных полюсов 14 и 15 со стороны среза ускорительного канала совпадают с плоскостью поперечного сечения ускорительного канала, проходящей через зазор между близлежащими торцевыми плоскостями магнитных экранов 10 и 11 и магнитных полюсов 12 и 13 первой пары. Кроме того, существенным условием создания требуемой конфигурации магнитного поля в ускорительном канале является протяженность второго межполюсного зазора вдоль стенок 2 и 3, которая определяется продольным размером магнитных полюсов 14 и 15. Заданная конфигурация магнитного поля обеспечивается при протяженности (продольном размере) магнитных полюсов 14 и 15 вдоль ускорительного канала, составляющей не менее половины ширины ускорительного канала.To create the required distribution of the magnetic field in the accelerating channel, the position of the magnetic poles 14 and 15 is fixed relative to the poles 12 and 13 of the first pair and relative to the magnetic shields 10 and 11. This condition is determined by the fact that the end planes of the magnetic poles 14 and 15 from the cut side of the accelerating channel coincide with the plane of the cross section of the accelerating channel passing through the gap between the adjacent end planes of the magnetic shields 10 and 11 and the magnetic poles 12 and 13 of the first pair. In addition, an essential condition for creating the required magnetic field configuration in the accelerating channel is the length of the second interpolar gap along walls 2 and 3, which is determined by the longitudinal size of the magnetic poles 14 and 15. The specified magnetic field configuration is provided with the length (longitudinal size) of the magnetic poles 14 and 15 along the accelerator channel, which is at least half the width of the accelerator channel.

При выполнении указанных выше условий в ускорительном канале со стороны анода-газораспределителя 4 создается магнитное поле с преимущественно радиальным направлением магнитных силовых линий и плавным спадом напряженности поля в направлении к аноду-газораспределителю 4. При этом область с линзоподобной конфигурацией силовых линий и максимальной скоростью спада напряженности магнитного остается смещенной в направлении истечения ускоренных ионов из ускорительного канала относительно первого межполюсного зазора.When the above conditions are met, in the accelerating channel from the side of the gas distribution anode 4, a magnetic field is created with a predominantly radial direction of the magnetic field lines and a smooth decrease in the field strength towards the gas distribution anode 4. In this case, the region with the lens-like configuration of the field lines and the maximum voltage decrease magnetic remains displaced in the direction of the outflow of accelerated ions from the accelerating channel relative to the first interpolar gap.

Вследствие выполнения данных условий зона ионизации в ускорительном канале смещается к аноду-газораспределителю 4 по сравнению с другими известными аналогами. За счет этого ионизация рабочего газа происходит в области ускорительного канала между анодом-газораспределителем 4 и зоной действия магнитного поля с линзоподобной конфигурацией силовых линий магнитного поля вблизи первого межполюсного зазора. Из-за этого происходит выравнивание плотности потока ускоренных ионов по поперечному сечению ускорительного канала на входе в зону действия магнитного поля с линзоподобной конфигурацией магнитных силовых линий. В этом случае распределение потенциала плазмы вдоль вогнутых в сторону анода-газораспределителя 4 силовых линий магнитного поля становится более однородным.Due to the fulfillment of these conditions, the ionization zone in the accelerator channel is shifted to the gas distribution anode 4 in comparison with other known analogues. Due to this, the ionization of the working gas occurs in the region of the accelerating channel between the anode-gas distributor 4 and the magnetic field with a lens-like configuration of the magnetic field lines near the first interpolar gap. Because of this, the flux density of accelerated ions is equalized along the cross section of the accelerator channel at the entrance to the magnetic field with a lens-like configuration of magnetic field lines. In this case, the distribution of the plasma potential along the magnetic field lines of force 4 concave toward the anode-gas distributor becomes more uniform.

В результате действия описанных выше явлений в ускорительном канале УЗДЭ формируется плазмооптическая система, обладающая фокусирующей способностью по отношению к ускоренному потоку ионов. Данная система позволяет уменьшить расходимость потока ускоренных ионов при их движении в ускорительном канале. Вследствие этого снижаются потери энергии ионов, связанные со столкновениями ускоренных ионов со стенками 2 и 3, и уменьшается скорость износа (эрозии) стенок.As a result of the effects of the phenomena described above, a plasma-optic system is formed in the accelerating channel of the ultrasonic electron beam detector with a focusing ability with respect to the accelerated ion flux. This system allows to reduce the divergence of the flow of accelerated ions during their movement in the accelerating channel. As a result of this, the energy loss of ions associated with collisions of accelerated ions with walls 2 and 3 is reduced, and the rate of wear (erosion) of the walls is reduced.

Работа варианта УЗДЭ, конструкция которого изображена на фиг.2 чертежей, осуществляется аналогичным образом. Отличие в работе данного варианта конструкции УЗДЭ связано с расположением магнитных полюсов 19 и 20 на поверхностях стенок 2 и 3, обращенных к ускорительному каналу, и электрическим соединением указанных полюсов с анодом-газораспределителем 4 с помощью элементов крепления 23 и 24, выполненных из немагнитного материала. В этом случае разрядное напряжение подается не только на анод-газораспределитель 4, но и на магнитные полюса 19 и 20 через элементы крепления 23 и 24. При этом магнитные полюса 19 и 20 находятся под потенциалом анода. Вследствие этого зона ионизации смещается в область второго межполюсного зазора, которая является смежной с областью действия магнитного поля с линзоподобной конфигурацией магнитных силовых линий. Часть данной области ускорительного канала ограничена поверхностями диэлектрических элементов крепления 23 и 24.The operation of the option UZDE, the design of which is shown in figure 2 of the drawings, is carried out in a similar way. The difference in the operation of this design variant of the ultrasonic vibrating device is associated with the location of the magnetic poles 19 and 20 on the surfaces of the walls 2 and 3 facing the accelerator channel, and the electrical connection of these poles with the anode-gas distributor 4 using fasteners 23 and 24 made of non-magnetic material. In this case, the discharge voltage is supplied not only to the anode-gas distributor 4, but also to the magnetic poles 19 and 20 through the fastening elements 23 and 24. In this case, the magnetic poles 19 and 20 are under the potential of the anode. As a result, the ionization zone shifts to the region of the second interpolar gap, which is adjacent to the magnetic field with the lens-like configuration of the magnetic field lines. Part of this region of the accelerating channel is limited by the surfaces of the dielectric fasteners 23 and 24.

За счет создания в ускорительном канале заданной конфигурации магнитного поля с помощью магнитных полюсов 19 и 20, находящихся под плавающим магнитным потенциалом, также формируется плазмооптическая система, обладающая фокусирующей способностью по отношению к ускоренному потоку ионов. В результате снижается расходимость потока ускоренных ионов при их движении в ускорительном канале и из-за уменьшения потерь энергии ионов повышается тяговый КПД плазменного ускорителя. Вместе с тем увеличивается ресурс УЗДЭ вследствие уменьшения эрозии стенок разрядной камеры.By creating a predetermined magnetic field configuration in the accelerator channel with the help of magnetic poles 19 and 20, which are under a floating magnetic potential, a plasma-optic system is also formed that has a focusing ability with respect to the accelerated ion flow. As a result, the divergence of the flow of accelerated ions decreases as they move in the accelerator channel, and due to a decrease in the ion energy loss, the traction efficiency of the plasma accelerator increases. At the same time, the UZDE resource increases due to a decrease in the erosion of the walls of the discharge chamber.

Вышеописанные примеры осуществления изобретения основываются на конкретных вариантах выполнения конструкции УЗДЭ, однако это не исключает возможности достижения указанных технических результатов в других частных случаях реализации конструкции УЗДЭ в том виде, как изобретение описано в независимом пункте формулы. Так, в частности, анод и газораспределитель могут быть выполнены в виде отдельных узлов конструкции, установленных в полости ускорительного канала, а магнитные полюса второй пары могут быть электроизолированы от анода.The above-described embodiments of the invention are based on specific embodiments of the UZDE design, however, this does not exclude the possibility of achieving the indicated technical results in other particular cases of the UZDE design implementation, as described in the independent claim. So, in particular, the anode and gas distributor can be made in the form of separate structural units installed in the cavity of the accelerating channel, and the magnetic poles of the second pair can be insulated from the anode.

Claims

1. Plasma accelerator with a closed electron drift, containing a discharge chamber with outer and inner dielectric walls forming an azimuthally closed accelerator channel with a closed end part and an open outlet part, an anode and a gas distributor installed in the cavity of the accelerator channel from the side of its closed end part , a cathode-compensator located behind a section of the accelerating channel, and a magnetic system including at least one source of magnetomotive force, ma nitro line, two pairs of external and internal magnetic pluses and magnetic screens made of soft magnetic material located on the outside of each wall of the discharge chamber and surrounding the accelerating channel on the side of its closed part, while the magnetic poles are closed in the azimuthal direction and are located on the outside of each the walls of the discharge chamber, the first pair of magnetic poles forms the first interpolar gap at the edge of the accelerator channel, and the second pair of magnetic poles forms the second interpolar gap in the area between the anode and the slice of the accelerating channel, characterized in that the magnetic poles of the second pair are installed with the formation of gaps relative to the magnetic poles of the first pair and relative to the magnetic screens, and the length of the magnetic poles of the second pair along the accelerating channel is at least half the width of the accelerating channel, and the end planes the magnetic poles of the second pair from the cut side of the accelerator channel coincide with the plane of the cross section of the accelerator channel passing through the gap between to the adjacent end planes of the magnetic shields and magnetic poles of the first pair.

2. The plasma accelerator according to claim 1, characterized in that the magnetic poles of the second pair are mounted on the surfaces of the walls of the discharge chamber, which are facing the magnetic screens.

3. The plasma accelerator according to claim 1, characterized in that the magnetic poles of the second pair are mounted on the surfaces of the walls of the discharge chamber, which are facing the accelerating channel.

4. The plasma accelerator according to claim 3, characterized in that the magnetic poles of the second pair are electrically connected to the anode.

5. The plasma accelerator according to claim 4, characterized in that the magnetic poles of the second pair are electrically connected to the anode using fasteners made of stainless steel.

6. The plasma accelerator according to claim 1, characterized in that the anode and gas distributor are made as a single unit of construction.