RU2757210C1 - Волновой плазменный источник электронов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к космической технике, в частности к катодам-компенсаторам электрических ракетных двигателей (ЭРД) электростатического типа ускорения (Холловского и ионного типа), в частности к безэлектродным плазменным источникам электронов с волновым источником плазмы. Технический результат - обеспечение возможности использования широкого круга рабочих тел, обеспечение возможности мгновенного выхода на номинальный режим работы источника электронов; обеспечение стабильного режима работы при низких мощностях; увеличение извлекаемого электронного тока за счет улучшения механизма поглощения мощности высокочастотного электромагнитного поля плазмой; увеличение ресурса работы. Газоразрядная камера имеет область внутренней полости с меньшим диаметром и область внутренней полости с большим диаметром, при этом торец газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с меньшим диаметром герметично соединен с газовводом, а торец газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с большим диаметром имеет отверстие, открытое во внешнее пространство. С внешней стороны газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с меньшим диаметром расположена антенна, имеющая линию электрической связи с ВЧ-генератором, и магнитная система, имеющая линию электрической связи с источником питания магнитной системы. Во внутренней полости газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с большим диаметром расположен коллектор для сбора ионов, имеющий линию электрической связи с внешним анодом. 1 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к космической технике, в частности, к катодам-компенсаторам электрических ракетных двигателей (ЭРД) электростатического типа ускорения (Холловского и ионного типа), в частности к безэлектродным плазменным источникам электронов с волновым источником плазмы, использующим в качестве рабочего тела широкий круг рабочих веществ, предназначенный для создания потока электронов для нейтрализации ионного пучка, выходящего из ЭРД электростатического типа ускорения.

Уровень техники

Известен аналог - изобретение Катод плазменного ускорителя (патент RU2418337C1, опубликован 10.05.2011). Изобретение относится к области ЭРД, а именно к классу плазменных ускорителей (Холловских, ионных), использующих в своем составе катоды-компенсаторы. Катод плазменного ускорителя, содержит поджигной электрод, эмиттерную вставку с держателем, трубопровод подачи к эмиттеру плазмообразующего вещества, нагревательный узел, включающий соосно установленные друг относительно друга корпус, спираль и электроизолятор, с внутренней стороны которого размещена спираль, а с внешней - корпус, токоподводы на концах спирали, имеющие участки контакта с внутренней поверхностью электроизолятора.

Недостатком является то, что ресурс данного катода ограничен из-за деградации и испарения эмиттерной вставки. Срок службы катода в исполнении, представленном в изобретении, будет находиться в диапазоне 25 000…35 000 часов, в то время как срок службы ЭРД Холловского и ионного типов может составлять более 50 000 часов. При выходе из строя катода дальнейшее исправное функционирование ЭРД Холловского и ионного (Кауфманского или высокочастотного с ускорением ионов постоянным электрическим полем) типов невозможно. Данный недостаток делает рассматриваемый катод элементом, ограничивающим ресурс ЭРД. Другим недостатком является то, что перед началом работы один из узлов катода, в частности эмиттерная вставка, должен быть предварительно нагрет до температуры более 1000°С, необходимой для начала термоэлектронной эмиссии. Время нагрева эмиттерной вставки составляет несколько минут. Этот недостаток делает невозможным мгновенное включение катода в работу, и как следствие, двигателя, что может быть критично при выполнении орбитальных маневров, в частности, на низких околоземных орбитах (НОО), где выполнение незапланированных орбитальных маневров может стать необходимостью в ближайшие несколько лет в виду растущего роста интереса к использованию НОО. Кроме этого, во время предварительного нагрева в катоде данного типа происходят дополнительные затраты мощности, а также необходимость сброса выделяемой тепловой мощности. Эти недостатки являются критичными при использовании такого катода в составе двигательной установки для малого космического аппарата. Другим недостатком является то, что поджиг разряда дополнительно ускоряет деградацию катода. Это связано с тем, что поджиг разряда вызывает сильный рост локальной температуры, эрозию, испарение и как следствие разрушение эмиттера. Другим недостатком является то, что при малых значениях тока в катоде (например, в случае использования катода в паре с ионным двигателем - Кауфманского или высокочастотного с ускорением ионов постоянным электрическим полем, - мощностью до 500 Вт) поток мощности от разряда в катод недостаточен для поддержания необходимой для термоэлектронной эмиссии температуры эмиттерной вставки. В таком случае стабильная работа катода возможна, только за счет поддержания необходимой температуры эмиттерной вставки нагревательным узлом, что значительно увеличивает затраты мощности в катоде для извлечения из него необходимого электронного тока. Другим недостатком является то, что загрязнение эмиттерной вставки катода ухудшает характеристики устройства и может привести к полному его выходу из строя. Эмиттерная вставка не должна контактировать с химически активными газами. В связи с этим значительно сужается круг рабочих тел, которые могут быть использованы в качестве плазмообразующих веществ для катода, в то время как наиболее перспективные рабочие тела являются химически активными - забортный воздух для космических аппаратов на НОО, йод. В частности, в последние годы наблюдается рост интереса к использованию НОО, при этом в качестве рабочего тела предлагается использовать газы остаточной атмосферы на орбитах до 200 км, среди которых присутствует атомарный кислород в основном и возбужденном состояниях. Кроме этого, усложняются системы хранения и транспортировки катода, так как необходимо оградить эмиттерную вставку от взаимодействия с кислородом.

Известен ближайший аналог (прототип) - изобретение Inductively coupled high-frequency electron source with reduced power requirements by electrostatic encapsulation of electrons (патент JP3757156B2, опубликован 22.03.2006). Изобретение относится к области электронных эмиттеров, использующих разряд в газе или паре в качестве источника электронов. Изобретение включает: газоразрядную камеру, имеющую как минимум одно отверстие на торце для извлечения электронов, газоввод, индуктор, и коллектор для сбора ионов размещенный на внутренней поверхности камеры.

Недостатком является то, что эффективная передача мощности от индуктора в плазму происходит в пределах скин-слоя плазменного столба внутри газоразрядной камеры. Наличие скин-слоя приводит к тому, что электромагнитное излучение экранируется скин-слоем и не проникает вглубь газоразрядной камеры, и как следствие вглубь плазменного столба, что приводит к неэффективной ионизации рабочего тела, что приводит к потере части электронного тока из источника электронов. Таким образом, устройство требует повышенных затрат мощности для извлечения электронного тока по сравнению с аналогами, а именно полым катодом. Кроме того, недостаток накладывает ограничение на возможность увеличения плотности плазмы в газоразрядной камере, что в свою очередь ограничивает извлекаемый из устройства электронный ток. Более того, в предложенной геометрии источника электронов, когда в области внутри индуктора расположен коллектор для сбора ионов, электромагнитное излучение, создаваемое индуктором, будет экранироваться коллектором для сбора ионов. Другим недостатком является то, что для рассматриваемого устройства затруднено возбуждение разряда и поддержание стабильной работы при пониженном давлении в газоразрядной камере, т.к. при одинаковых уровнях вкладываемой мощности, при пониженных давлениях в данной геометрии устройства разряд будет переходить из индукционного в емкостной и обратно, что приведет к нестабильному выходящему току электронов. Также, ресурс предложенного источника электронов ограничен ресурсом коллектора для сбора ионов в связи с его непрерывной бомбардировкой ионами и возникающей впоследствии эрозии его поверхности, которая имеет негативные последствия: разрушение коллектора для сбора ионов и выход из строя всего источника электронов; процессы напыление распыленного и эродировавшего материала коллектора для сбора ионов на внутреннюю поверхность газоразрядной камеры, что приводит к экранированию электромагнитного излучения, создаваемого индуктором, и невозможности эффективного вклада мощности в плазму, и на заключительных этапах процесса напыления продуктов распыления и эрозии коллектора для сбора ионов на внутреннюю поверхность газоразрядной камеры, невозможности ионизировать рабочее тело, т.е. полному отказу работы источника электронов.

Раскрытие изобретения

Задачами предлагаемого изобретения являются:

- устранение недостатков аналога и прототипа, а именно:

- обеспечение возможности использования широкого круга рабочих тел, в частности, химически активных веществ, в качестве плазмообразующего вещества;

- обеспечение возможности мгновенного выхода на номинальный режим работы источника электронов;

- обеспечение стабильного режима работы при низких мощностях;

- и улучшение следующих характеристик:

- увеличение извлекаемого электронного тока за счет улучшения механизма поглощения мощности высокочастотного электромагнитного поля плазмой;

- увеличение ресурса работы.

Для решения задач и достижения технического результата предлагается волновой плазменный источник электронов, содержащий:

- газоразрядную камеру, выполненную из диэлектрического материала, один торец которой имеет герметичное соединение с газовводом для подачи рабочего тела, а другой торец имеет отверстие, расположенное на оси газоразрядной камеры, для выхода электронного тока, диаметр которого может быть в разном исполнении, но такой, чтобы обеспечивалась требуемая газовая эффективность источника электронов, и из газоразрядной камеры извлекался требуемый электронный ток, при этом газоразрядная камера имеет область внутренней полости с меньшим диаметром и область внутренней полости с большим диаметром, при этом торец газоразрядной камеры, имеющий отверстие для выхода электронного тока, находится со стороны области внутренней полости с большим диаметром, а торец газоразрядной камеры, имеющий герметичное соединение с газовводом, находится со стороны области внутренней полости с меньшим диаметром;

- антенну, расположенную с внешней стороны газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости, имеющей меньший диаметр, имеющую линию электрической связи с ВЧ-генератором;

- ВЧ-генератор, имеющий линию электрической связи с антенной;

- магнитную систему, состоящую минимум из одного электромагнита, имеющую линию электрической связи с источником питания магнитной системы, расположенную с внешней стороны газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости, имеющей меньший диаметр;

- источник питания магнитной системы, имеющий линию электрической связи с магнитной системой;

- коллектор для сбора ионов, который может быть выполнен в разном исполнении, но такой чтобы его эффективная площадь поверхности была достаточна для сбора необходимого количества ионов и создания электронного тока, расположенный во внутренней полости газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости, имеющей больший диаметр, имеющий линию электрической связи с внешним анодом, которым может являться анод-газораспределитель двигателя Холловского типа или вытягивающий электрод ионно-оптической системы ионного двигателя.

Волновой плазменный источник электронов предлагается использовать в составе ЭРД электростатического типа ускорения для нейтрализации потока ионов, в частности, в двигателях Холловского и ионного типов. Волновой плазменный источник электронов может использоваться в составе ЭРД, использующих химически активные плазмообразующего вещества, работающие на забортном воздухе на космических аппаратах на НОО, ЭРД киловатного и мегаватного классов с электростатическим типом ускорения или для ЭРД, требующих высокий срок службы при создании больших плотностей электронного тока.

Перечень фигур

На фиг. 1 представлена конструктивная блок-схема предлагаемого волнового плазменного источника электронов.

Осуществление изобретения

Устройство состоит из следующих элементов и их функций:

- газоразрядной камеры (1), выполненной из диэлектрического материала, один торец которой имеет герметичное соединение с газовводом (2) для подачи рабочего тел, а другой торец имеет отверстие (3), расположенное на оси газоразрядной камеры (1), для выхода электронного тока во внешнее пространство, диаметр которого может быть в разном исполнении, но такой, чтобы обеспечивалась требуемая газовая эффективность волнового плазменного источника электронов, и из газоразрядной камеры (1) извлекался требуемый электронный ток, при этом газоразрядная камера (1) имеет область внутренней полости с меньшим диаметром и область внутренней полости с большим диаметром, при этом торец газоразрядной камеры (1), имеющий отверстие (3) для выхода электронного тока, находится со стороны области внутренней полости с большим диаметром, а торец газоразрядной камеры (1), имеющий герметичное соединение с газовводом (2), находится со стороны области внутренней полости с меньшим диаметром. Область внутренней полости газоразрядной камеры (1) с меньшим диаметром является ступенью генерации плазмы (1а) - источником плазмы волнового разряда, с внешней стороны которого расположена антенна (4), генерирующая электромагнитное поле внутри ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), которое ионизирует рабочее тело, подаваемое в газоразрядную камеру (1) через газоввод (2). Область внутренней полости газоразрядной камеры (1) с большим диаметром является разделительной ступенью (1б), в которой под действием отрицательного потенциала, приложенного к коллектору для сбора ионов (8) происходит разделение зарядов в плазме - ионов и электронов, причем ионы идут на коллектор для сбора ионов (8), а электронный ток выходит из отверстия (3) во внешнее пространство;

- антенны (4), расположенной с внешней стороны ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), имеющей линию электрической связи с ВЧ-генератором (5). Антенна (4) выполняет две функции - создает переменное электромагнитное поле высокой частоты во внутренней полости ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), под действием которого происходит ионизация вводимого через газоввод (2) в газоразрядную камеру (1) рабочего тела; создает переменное электромагнитное поле во внутренней полости ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), которое при взаимодействие с постоянным магнитным полем во внутренней полости ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), генерируемым магнитной системой (6), запускает процесс волнообразования в плазме, причем генерируемые волны могут быть любого частотного диапазона, в том числе волнами Трайвелписа-Гоулда и косыми волнами Ленгмюра, в зависимости от характеристик генерируемого переменного электромагнитного поля и постоянного магнитного поля;

- ВЧ-генератора (5), имеющего линию электрической связи с антенной (4), который создает электрический ток высокой частоты, подающийся на антенну (4);

- магнитной системы (6), состоящей минимум из одного электромагнита, имеющей линию электрической связи с источником питания магнитной системы (7), расположенной с внешней стороны ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1). Магнитная система (6) создает во внутренней полости ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1) магнитное поле, линии которого параллельны оси ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1). Взаимодействие магнитного поля, создаваемого магнитной системой (6), совместно с электромагнитным полем, создаваемым антенной (4), приводит к возникновению в плазме электромагнитных волн, в том числе волн Трайвелписа-Гоулда и косых волн Ленгмюра, которые повышают эффективность вклада мощности в плазму, и приводят к повышению плотности плазмы при тех же значениях мощности. При этом изменяя величину индукции магнитного поля, создаваемого магнитной системой (6), возможно изменение плотности плазмы, генерируемой в ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), при этом изменяется плотность тока, выходящего из газоразрядной камеры (1) через отверстие (3);

- источника питания магнитной системы (7), имеющего линию электрической связи с магнитной системой (6), который служит для питания магнитной системы (6), при этом изменяя параметры тока - в частности силу тока, - подаваемого в магнитную систему (6), изменяется величина индукции магнитного поля, создаваемого магнитной системой (6), что приводит к изменению параметров индуцируемых волн в плазме, находящейся в ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), тем самым изменяется плотность генерируемой плазмы;

- коллектор для сбора ионов (8), который может быть выполнен в разном исполнении, но такой чтобы его эффективная площадь поверхности была достаточна для сбора необходимого количества ионов и создания необходимого электронного тока, расположенный во внутренней полости, имеющий линию электрической связи с внешним анодом (9), которым может являться анод-газораспределитель двигателя Холловского типа или вытягивающий электрод ионно-оптической системы ионного двигателя (10). Коллектор для сбора ионов (8) находится во внутренней полости разделительной ступени (1б) газоразрядной камеры (1) для вытягивания ионного тока из плазмы во внутренней полости разделительной ступени (1б) газоразрядной камеры (1) для беспрепятственного выхода электронного тока из газоразрядной камеры (1). Под действием постоянного электрического поля - разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9), создаваемой источником питания (11), электроны извлекаются из разделительной ступени (1б) газоразрядной камеры (1) и движутся в сторону внешнего анода (9) через отверстие (3), одновременно с этим число ионов равное числу извлеченных электронов собирается на коллекторе для сбора ионов (8), рекомбинирует и возвращается в разделительную ступень (1б) газоразрядной камеры (1) в виде нейтральных атомов (в случае ионов распыленного материала коллектора для сбора ионов (8) возврат не происходит, т.е. распыленный материала коллектора для сбора ионов (8) напыляется обратно).

Предлагаемы волновой плазменный источник электронов обладает повышенном ресурсом по сравнению с аналогами, даже при условии, что в предлагаемом устройстве имеется погруженный в плазму элемент - коллектор для сбора ионов (8). В прототипе упоминался факт распыления и эрозии коллектора для сбора ионов, и в частности, напыление продуктов распыления и эрозии коллектора на внутреннюю поверхность газоразрядной камеры. Однако, в предлагаемом устройстве газоразрядная камера (1) имеет две ступени - ступень генерации плазмы (1а) и разделительную ступень (1б). В предлагаемом изобретении коллектор для сбора ионов (8) находится в разделительной ступени (1б) газоразрядной камеры (1), при этом диаметр внутренней полости разделительной ступени (1б) больше, чем диаметр внутренней полости ступени генерации плазмы (1а), что приводит к разности давлений между ступенью генерации плазмы (1а) и разделительной ступенью (1б) газоразрядной камеры (1), что приводит к предотвращению попадания продуктов распыления и эрозии коллектора для сбора ионов (8) в ступень генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1) вследствие большего давления в ней, и как следствие, предотвращается осаждение этих продуктов распыления и эрозии на внутренней поверхности ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), и тем самым, исключает возможность экранирования электромагнитного излучения, создаваемого антенной (4), т.е. достижению электромагнитного излучения, генерируемого антенной (4), плазменного столба во внутренней полости ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1). Более того, в предотвращении процесса попадания продуктов распыления и эрозии коллектора для сбора ионов (8) в ступень генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1) участвуют генерируемые за счет взаимодействия электромагнитного излучения, создаваемого антенной (4), и постоянного магнитного поля, создаваемого магнитной системой (6), электромагнитные волны в плазме, которые распространяются в направлении отверстия (3), при этом в процессе этого распространения электромагнитные волны увлекают за собой электроны, и как следствие ионы, т.е. продукты распыления и эрозии коллектора для сбора ионов (8) не смогут двигаться против плазменного потока, выносимого из ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1) электромагнитными волнами, генерируемыми в плазме. За счет предотвращения осаждения продуктов эрозии коллектора для сбора ионов (8) на внутреннюю поверхность ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), продукты эрозии будут оставаться в разделительной ступени (1б) газоразрядной камеры (1), и, в процессах дрейфа и последующей рекомбинации, осаждаться обратно на коллектор для сбора ионов (8), т.е. практически полностью предотвращая унос массы с коллектора для сбора ионов (8).

Следует отметить, что предлагаемый волновой плазменный источник электронов способен мгновенно выходить на требуемый режим работы, т.к. не содержит элементов, требующих предварительного нагрева перед началом работы. Для начала работы необходима подача рабочего тела во внутреннюю полость ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1) через газоввод (2), подача на антенну (4) электрического тока высокой частоты от ВЧ-генератора (5), генерации постоянного магнитного поля магнитной системой (6) и приложения разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9). Время выполнения указанных процессов, предшествующих выходу предлагаемого волнового плазменного источника электронов на заданный режим работы, составляет не более 1 с.

Плазма, генерируемая в волновом режиме в ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), может поддерживаться без возникновения нестабильностей и перехода в емкостной разряд при мощностях не менее 20 Вт, что делает возможным работу предлагаемого волнового плазменного источника электронов при низких мощностях.

В общем случае, при разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9) равной нулю, из источника электронов через отверстие (3) выходят как нейтральные частицы рабочего тела, так и заряженные частицы - ионы и электроны, при этом частицы, выходящие через отверстие (3) в плазменной струе будут быстро рекомбинировать, т.е. из источника электронов не будет вытягиваться электронный ток. Однако в предлагаемом волновом плазменном источнике электронов за счет большей тепловой энергии электронов в сравнении с ионами, что достигается за счет генерации в ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1) волн в плазме, которые эффективно нагревают электроны в плазме, количество электронов, покинувших волновой плазменный источник электронов через отверстие (3), будет превышать количество покинувших устройство ионов и, таким образом, даже без разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9) устройство будет генерировать электронный ток.

Предлагаемый волновой источник электронов эффективно работает при малых диаметрах отверстия (3) за счет образования анодного пятна, которое вытягивает электроны из разделительной ступени (1б) газоразрядной камеры (1). До образования анодного пятна, извлекаемый из волнового плазменного источника электронов электронный ток не значителен, так как площадь извлечения электронов соответствует площади отверстия (3), но при увеличении разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9) и образовании анодного пятна происходит резкий скачок извлекаемого электронного тока, который объясняется тем, что при наличии анодного пятна площадь извлечения электронов фактически соответствует площади поверхности анодного пятна. Таким образом, за счет образования анодного пятна, в источнике электронов может быть обеспечена эффективная площадь извлечения электронов, значительно превосходящая площадь поперечного сечения отверстия (3), что позволяет обеспечить лучшую газовую эффективность при извлечении электронов из источника электронов за счет уменьшения диаметра отверстия (3), т.е. уменьшения прозрачности отверстия для нейтральных атомов, что приводит к увеличению коэффициента использования рабочего тела, что в свою очередь приводит к меньшему расходу рабочего тела для поддержания того же тока электронов, вытягиваемого при больших расходах.

Процесс образования анодного пятна происходит в несколько этапов. На начальном этапе при увеличении разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9) происходит локальный рост потенциала плазмы вблизи отверстия (3) и образование электростатической оболочки, имеющей характерный размер нескольких длин Дебая, которая определяется по формуле

где r_d - дебаевская длина, k - постоянная Больцмана, T - температура электронов, e - заряд электрона, n_e - концентрация электронов.

Так как электростатическая оболочка отталкивает ионы и притягивает электроны, и так как скорость притяжения электронов гораздо больше скорости отталкивания ионов, за счет более высокой подвижности электронов вследствие меньшей массы и воздействия на электроны волн, генерируемых в плазме в ступени генерации плазмы (1а) газоразрядной камеры (1), то около отверстия (3) формируется область, имеющая избыточный положительный заряд. Таким образом, электростатическая оболочка является потенциальной ступенькой, непроходимой для ионов, в связи с тем, что ионы в газоразрядной камере (1) имеют энергию, недостаточную для преодоления тормозящей разности потенциалов в электростатической оболочке. При этом, электроны проходят электростатическую оболочку беспрепятственно. Стоить отметить, что величина потенциальной ступеньки составляет 2…3 эВ, при этом ионы в плазме имеют энергию порядка 0,1 эВ, а электроны порядка 10 эВ.

При дальнейшем увеличении разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9) совокупностью вышеописанных процессов является образование вокруг отверстия (3) двойного слоя - небольшой по толщине области, в пределах которой может наблюдаться относительно большое падение потенциала, характерный размер которой составляет около 10 длин Дебая.

Как уже упоминалось выше по мере увеличения разности потенциалов между коллектором (8) и внешним анодом (9) происходит локальный рост потенциала плазмы вблизи отверстия (3), что приводит к появлению ускоряющей разности потенциалов для отрицательно заряженных частиц, что приводит к увеличению энергии электронов, проходящих эту область:

где W - кинетическая энергия электрона, Δϕ - разность потенциалов в двойном слое.

Увеличение энергии электронов приводит к увеличению эффективности работы источника электронов, т.к. высокоэнергетичные электроны способны ионизировать нейтралы, вышедшие из отверстия (3), тем самым создавая поток вторичных электронов.

С увеличением энергии электронов пришедших на сторону двойного слоя, имеющую больший потенциал, в области за двойным слоем эти электроны производят более эффективную ионизацию нейтральных атомов плазмообразующего вещества, создавая большее количество ионов, а когда концентрации ионов и электронов в этой области становятся равны, вблизи отверстия (3) образуется квазинейтральная полусферическая плазменная структура - анодное пятно.

Необходимая для появления анодного пятна разность потенциалов между коллектором (8) и внешним анодом (9) зависит от давления, в частности от концентрации нейтральных атомов плазмообразующего вещества в разделительной ступени (1б) газоразрядной камеры (1), при этом при большем давлении для возникновения анодного пятна необходимо приложить меньшую разность потенциалов, что связано с увеличением частоты ионизации за счет большей концентрации нейтральных атомов, которая может быть определена следующим образом:

где v - частота ионизации, n - концентрация нейтральных атомов, <σi> - сечение ионизации.

Зависимость наличия анодного пятна в разделительной ступени (1б) газоразрядной камеры (1) от разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9) имеет гистерезисный характер, а именно: разность потенциалов необходимая для образования анодного пятна заметно превышает разность потенциалов необходимую для его поддержания. Эта зависимость позволяет эксплуатировать источник электронов на малых мощностях, тем самым не приводя к серьезному распылению коллектора для сбора ионов (8) за счет сообщения малой энергии ионам, а также источник электронов может потреблять малое количество бортовой энергии, что делает возможным его установку на борту малых космических аппаратов.

При дальнейшем увеличении разности потенциалов между коллектором для сбора ионов (8) и внешним анодом (9) увеличивается диаметр пятна, а его центр отдаляется от отверстия (3) пропорционально увеличению диаметра. При этом при увеличении диаметра анодного пятна, увеличивается вытягиваемый из источника электронов ток за счет увеличения площади поверхности анодного пятна.

Claims (1)

1. Волновой плазменный источник электронов, содержащий газоразрядную камеру, газоввод, антенну, коллектор для сбора ионов, отличающийся тем, что газоразрядная камера имеет область внутренней полости с меньшим диаметром и область внутренней полости с большим диаметром, при этом торец газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с меньшим диаметром герметично соединен с газовводом, а торец газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с большим диаметром имеет отверстие, открытое во внешнее пространство, при этом с внешней стороны газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с меньшим диаметром расположена антенна, имеющая линию электрической связи с ВЧ-генератором, при этом с внешней стороны газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с меньшим диаметром расположена магнитная система, имеющая линию электрической связи с источником питания магнитной системы, при этом во внутренней полости газоразрядной камеры со стороны области внутренней полости с большим диаметром расположен коллектор для сбора ионов, имеющий линию электрической связи с внешним анодом.

Images