RU99111073A - Источник струи плазмы с электростатическим удержанием разрядной плазмы - Google Patents

Claims (53)

1. Устройство для генерирования создающей тягу струи плазмы, содержащее: а) первое проводящее устройство, выполненное в виде заполненной газом камеры, в стенке которой имеется по крайней мере одно отверстие, через которое из камеры вытекает струя плазмы, создающая движущую силу, б) второе проводящее устройство, выполненное в виде сетки, расположенной внутри первого проводящего устройства и обладающей высокой прозрачностью для проходящих через нее ионов и электронов, которое при подаче на него отрицательного напряжения выполняет роль катода и имеет второе отверстие относительно большого размера, которое вносит местное искажение формы электрической потенциальной поверхности и создает возможность вытекания через него из внутренней области сетки образующейся в ней струи плазмы, в) устройство для регулируемой подачи в камеру используемого в качестве ракетного топлива нейтрального газа, г) высоковольтное вводное изолирующее устройство, через которое к образующей катод сетке от источника мощности подается отрицательное напряжение, величина которого достаточна для возникновения плазменного разряда, при этом д) первое отверстие в первом проводящем устройстве расположено на одной линии со вторым отверстием во втором проводящем устройстве, а образующаяся в камере плазма вытекает из камеры в виде струи плазмы, обладающая высокой плотностью энергии и создающая движущую силу, е) первое проводящее устройство заземлено или находится под нулевым потенциалом, а на второе проводящее устройство подается отрицательное напряжение.

2. Устройство по п. 1, которое также содержит: ж) третье устройство, выполненное в виде по существу цилиндрической прозрачной сетки с продольной осью, которое у одного из своих концов соединено со вторым проводящим устройством и расположено перпендикулярно поверхности второго проводящего устройства на одной линии с центрами первого и второго отверстий и которое находится под таким же напряжением, как и выполняющее роль катода второе проводящее устройство.

3. Устройство по п.2, в котором третье устройство проходит через наружную стенку вакуумной камеры первого проводящего устройства и в котором также имеется изолятор, сохраняющий разность потенциалов между ними, при этом третье устройство видоизменяет электрический потенциал вдоль своей продольной оси и образует направляющий канал для прохождения струи плазмы, вытекающей из второго проводящего устройства.

4. Устройство по п.2, в котором также имеются расположенные внутри вакуумной камеры являющиеся источником электронов эмиттеры, которые электрически изолированы от первого проводящего устройства и от второго проводящего устройства и расположены рядом с первым отверстием вне первого проводящего устройства, препятствуя возникновению в плазме отрицательного заряда.

5. Устройство по п.2, в котором также имеется высоковольтный изолятор, поддерживающий разность потенциалов между находящейся под отрицательным напряжением третьим устройством и первым проводящим устройством.

6. Устройство по п. 5, в котором изолятор закрывает первое проводящее устройство в зоне расположения первого отверстия и проходит внутрь этого отверстия, через которое протекает струя плазмы.

7. Устройство по п.1, в котором первое проводящее устройство и второе проводящее устройство имеют по существу сферическую форму и в котором также имеется выполненное в виде сетки расположенное между первым и вторым проводящими устройствами промежуточное устройство, которое обладает высокой прозрачностью к потоку ионов и электронов и находится под положительным относительно потенциала первого проводящего устройства напряжением.

8. Устройство по п.7, в котором промежуточное устройство выполнено в виде ведущей электроны сетки, которая увеличивает траекторию движения испускаемых электронов и повышает и локализует скорость ионизации фонового нейтрального газа в плазму, причем в этой ведущей электроны сетке имеется третье отверстие, которое расположено на одной линии с первым и вторым отверстиями, через которые проходит струя плазмы.

9. Устройство по п. 7, в котором промежуточное проводящее устройство выполнено в виде части сферы, которая не закрывает целиком всю внутреннюю поверхность первого проводящего устройства.

10. Устройство по п.8, в котором через высоковольтное вводное изолирующее устройство ко второму проводящему устройству подводится электрическая мощность с высоким отрицательным напряжением, а к промежуточному устройству подводится электрическая мощность с низким положительным напряжением.

11. Устройство по п.7, в котором высоковольтное вводное изолирующее устройство создает изоляцию по крайней мере между первым отверстием и третьим отверстием.

12. Устройство по п.7, в котором эмиттеры электронов содержат дозирующие электроны устройства, которые расположены между первым проводящим устройством и промежуточным устройством, выполненным в виде сетки.

13. Устройство по п.1, в котором в качестве нейтрального газа используют по крайней мере один газ, выбранный из группы, включающей ксенон, аргон, водород, гелий, высшие углеводороды, азот, тритий, гелий-3 и дейтерий.

14. Устройство по п.1, в котором струя плазмы содержит микрочастицы по крайней мере одного вида и крупные молекулы.

15. Устройство по п.14, в котором микрочастицы представляют собой фуллерены.

16. Устройство по п.1, в котором также имеется изолирующее опорное устройство, позволяющее расположить первое проводящее устройство, второе проводящее устройство и третье устройство в определенном положении друг относительно друга.

17. Устройство по п.7, в котором на промежуточную ведущую электроны сетку подается положительное напряжение от 100 до 1000 В.

18. Устройство по п.7, в котором на второе проводящее устройство подается отрицательное напряжение от -0,1 до -150 кВ.

19. Устройство по п.1, которое работает при токе от 0,005 до 2000 А.

20. Устройство по п.1, которое работает при давлении нейтрального газа от 0,1 до 20 мторр.

21. Устройство по п.1, которое создает одиночную узкую струю плазмы и в котором первое проводящее устройство представляет собой сферическую вакуумную камеру диаметром 25-35 см, второе проводящее устройство представляет собой сферическую сетку диаметром 4-8 см, первое отверстие имеет либо круглую, либо многоугольную форму, а третье выполненное в виде сетки устройство имеет отверстия многоугольной формы.

22. Устройство по п. 1, в котором первое и второе устройства имеют по существу сферическую форму и которое создает большое количество отдельных узких струй плазмы, при этом камера, образованная первым проводящим устройством, имеет диаметр от 20 до 40 см, сетка, образующая второе проводящее устройство, представляет собой состоящую из большого количества электрических колец, а ее геометрическая прозрачность превышает 95%.

23. Устройство по п. 1, в котором второе проводящее устройство представляет собой сферическую неоднородную сетку и в котором электрические поля искажаются таким образом, что экстрагированные электроны формируют одну струю плазмы.

24. Устройство по п.1, в котором катодная сетка имеет ядро, в котором происходит захват и рециркуляция ионов и электронов до их выброса через первое отверстие в катодной сетке под действием создаваемых искажений электрического поля в области первого отверстия.

25. Устройство по п.1, которое встроено в космический аппарат и выбрасывает вещество в виде горячего ионизированного или нейтрально заряженного газа, создающего тягу, обеспечивающую движение космического аппарата и его маневрирование.

26. Устройство по п.1, в котором внутреннее давление в заполненной газом камере составляет по крайней мере от 0,1 до 0,01 мбар.

27. Устройство по п.21, которое создает одну доминирующую струю и одну небольшую направленную в противоположном направлении струю, при этом второе проводящее устройство состоит из N колец, М из которых пересекают друг друга на северном и южном полюсах сферы, a N-M остальных колец образуют равномерную повторяющуюся структуру с треугольными отверстиями, причем струя выходит через одно из самых крупных отверстий, а N и М обозначают целые числа и N больше М.

28. Устройство по п. 1, в котором второе устройство имеет по существу эллиптическую форму и которое создает несколько отдельных узких струй плазмы, при этом сетка, образованная вторым проводящим устройством, представляет собой электрическую сетку из большого количества колец, а ее геометрическая прозрачность превышает 95%.

29. Устройство по п.1, которое создает одну доминирующую струю и одну небольшую направленную в противоположном направлении струю, при этом второе проводящее устройство состоит из N колец, М из которых пересекают друг друга на северном и южном полюсах сферы, a N-M остальных колец образуют равномерную повторяющуюся структуру с треугольными отверстиями, причем струя выходит через одно из самых крупных отверстий, а N и М обозначают целые числа и N больше М.

30. Устройство для промышленного использования струи плазмы, в частности для плазменного распыления, интенсивного нагрева или нанесения покрытий из плазменного пара, содержащее: а) первое проводящее устройство, выполненное в виде заполненной газом камеры, в стенке которой имеется по крайней мере одно отверстие, через которое из камеры вытекает струя плазмы, создающая движущую силу, б) второе проводящее устройство, выполненное в виде сетки, расположенной внутри первого проводящего устройства и обладающей высокой прозрачностью для проходящих через нее ионов и электронов, которое при подаче на него отрицательного напряжения выполняет роль катода и имеет второе отверстие относительно большого размера, которое вносит местное искажение формы электрической потенциальной поверхности и создает возможность вытекания через него из внутренней области сетки образующейся в ней струи плазмы, в) устройство для регулируемой подачи в камеру с газом используемого в качестве ракетного топлива нейтрального газа, г) высоковольтное вводное изолирующее устройство, через которое к образующей катод сетке от источника мощности подается отрицательное напряжение, величина которого достаточна для возникновения плазменного разряда, при этом д) первое отверстие в первом проводящем устройстве расположено на одной линии со вторым отверстием во втором проводящем устройстве, а образующаяся в камере плазма вытекает из камеры в виде струи плазмы, обладающей высокой плотностью энергии и создающей движущую силу, е) первое проводящее устройство заземлено или находится под нулевым потенциалом, а на второе проводящее устройство подается отрицательное напряжение.

31. Устройство по п.30, в котором создаваемая струя плазмы используется по крайней мере для плазменной обработки материалов, нанесения покрытий из плазменного пара или интенсивного плазменного нагрева цели.

32. Устройство по п.30, которое в соответствии с п.п. а)-г) представляет собой источник струи плазмы с ИЭУ, а камера с газом представляет собой вакуумную камеру и которое также имеет внешнюю вакуумную камеру, которая соединена с вакуумной камерой источника струи плазмы с ИЭУ и в которой находится мишень, подвергающаяся плазменной обработке, и оборудование для плазменной обработки.

33. Устройство по п.32, в котором также имеется стол, на котором крепится по крайней мере одна обрабатываемая плазмой мишень.

34. Устройство по п. 32, в котором также имеется транспортер, который перемещает закрепленные на нем подвергающиеся плазменной обработке мишени к выходящей из источника струи плазмы.

35. Устройство по п.32, в котором также имеется несколько отверстий с клапанами, через которые в него подаются и через которые из него извлекаются обрабатываемые плазмой мишени.

36. Устройство по п.32, в котором имеется по крайней мере одно отверстие, предназначенное для визуальной или с помощью оптического микроскопа проверки обработанной плазмой мишени.

37. Устройство по п.32, в котором имеется по крайней мере одно отверстие, предназначенное для непроникающей рентгеновской или гамма-лучевой диагностической проверки обработанных плазмой мишеней.

38. Устройство по п.1, в котором для образования струи плазмы используется импульсный источник мощности, соединенный параллельно с источником мощности постоянного тока.

39. Устройство по п.1, которое содержит импульсный источник мощности.

40. Устройство по п.1, в котором камера с газом представляет собой вакуумную камеру и которое также имеет устройство, в котором протекают реакции термоядерного синтеза, повышающие характеристики плазменного струйного тягового двигателя.

41. Устройство по п.40, в котором также имеется устройство для удержания ионов, образующихся из термоядерного топлива, состоящее из катодной сетки и многочисленных виртуальных электродов, поддерживающих термоядерные реакции синтеза.

42. Устройство по п.40, в котором в камере с газом имеется отверстие, через которое из устройства вытекает струя энергетически заряженных продуктов термоядерной реакции синтеза, создающая движущую силу.

43. Устройство по п.40, в котором имеется соединенное с вакуумной камерой цилиндрическое удлиненное устройство, через которое из камеры вытекает образовавшаяся в результате термоядерной реакции синтеза струя плазмы и которое содержит смеситель, смешивающий образовавшуюся в результате термоядерной реакции плазму с водородом, азотом, гидразином, аммиаком, водой или другим ракетным топливом, образующим вместе с плазмой обладающую высокой движущей силой струю плазмы.

44. Устройство по п.43, в котором также имеется устройство для формирования внешнего осевого магнитного поля, которое работает как магнитное сопло и удерживает обладающую движущей силой струю плазмы, смешанную с продуктами термоядерной реакции синтеза.

45. Устройство по п.40, в котором также имеются многочисленные сферические плавающие сетки, которые собирают обладающие высокой энергией положительно заряженные протоны и альфа-частицы, являющиеся продуктами термоядерного синтеза дейтерия и изотопов гелия-3.

46. Устройство по п.45, которое создает высокое положительное напряжение в диапазоне от 1 до 20 мегавольт и которое соединено через высоковольтное устройство ввода с энергетическим блоком.

47. Устройство по п.45, которое соединено с энергетическим блоком, который преобразует высокое положительное напряжение, возникающее на коллекторных сетках при термоядерном синтезе, в более низкое отрицательное напряжение в диапазоне от -10 до -100 кВ, которое затем вновь подается на отрицательно заряженную катодную сетку.

48. Устройство по п.45, которое содержит устройство для смещения высокого напряжения, возникающего при положительной ионной имплантации продукта термоядерного синтеза и которое действует как ведущая электроны сетка, удерживающая электроны в области сетки и способствующая локализованной ионизации фонового нейтрального газообразного термоядерного топлива.

49. Устройство по п.45, которое работает как положительно смещенный анод и с ускорением направляет образующиеся при термоядерном синтезе ионы в центральную область струйного источника с ИЭУ.

50. Устройство по п.1, в котором камера с газом представляет собой вакуумную камеру и которое также имеет устройство, в котором протекают реакции деления, повышающие характеристики плазменного струйного тягового двигателя.

51. Устройство по п.50, в котором имеется оболочка из делящегося материала.

52. Устройство по п.51, в котором оболочка из делящегося материала расположена вокруг первого проводящего устройства.

53. Устройство по п.1, в котором также имеется вспомогательный источник ракетного топлива, которое добавляется к струе плазмы.