WO2014175777A1 - Ускоритель плазмы - Google Patents

Ускоритель плазмы Download PDF

Info

Publication number
WO2014175777A1
WO2014175777A1 PCT/RU2014/000252 RU2014000252W WO2014175777A1 WO 2014175777 A1 WO2014175777 A1 WO 2014175777A1 RU 2014000252 W RU2014000252 W RU 2014000252W WO 2014175777 A1 WO2014175777 A1 WO 2014175777A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
anode
tubes
plasma
working fluid
bends
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000252
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Юрий Константинович МЕЛЬНИКОВ
Original Assignee
Melnikov Yuri Konstantinovich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Melnikov Yuri Konstantinovich filed Critical Melnikov Yuri Konstantinovich
Publication of WO2014175777A1 publication Critical patent/WO2014175777A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the plasma accelerator belongs to the field of space technology and plasma technology. In space, it can be used as an engine to move space objects. In technology for producing composite materials with an exact stoichiometric ratio, spraying and plasma processing of parts. The prior art.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the supply system of the working fluid through the gaps between the wires of the anode and insulators.
  • the wires are directed with their free ends toward the cathode.
  • Current is supplied to the wires from the external monolithic part of the anode.
  • the aim of the invention is to increase the efficiency, specific impulse and resource of the plasma accelerator by regulating the discharge voltage, including with a sharp increase (above the "crisis mode").
  • This is achieved by the fact that the anode sections are made of flat tubes with bends directed along the axis of the accelerator.
  • the tubes are located wide in the radial plane with a guaranteed gap between them.
  • the taps are rotated at an angle less than 90 ° to the axis of the accelerator.
  • the bore of the tube opening is equal to or greater than the sum of the bore of the bends.
  • the bases of the tubes are hermetically connected to the collector, the casing of which and the supply of the working fluid to it are made on the supply of current to the anode.
  • a neutral screen is installed outside the anode.
  • the ratio of the thickness of the pipes and bends to the width is made in the range from 1/1 to 1/30
  • the wall section of the pipes and bends is from 0.1 mm to 30 mm 2
  • the wall thickness is mainly variable.
  • the ratio of the length of the tubes to the thickness is greater than 100/1.
  • the gap between the tubes is set to at least 0.1 mm. In order to increase volume acceleration
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) plasma under the action of electrodynamic forces, by distributing the discharge along the taps along the anode, the number of taps on each tube is from 1 to 5 or more.
  • a neutral screen is installed outside the anode.
  • the size of the cross-section of the holes in the range from 0.03 mm to 1.0 mm is determined by the formula:
  • k is the Boltzmann constant [J / K]
  • I is the limiting current [A] corresponding to the beginning of a sharp increase in the discharge voltage
  • T is the temperature of the pipe bends [K]
  • ⁇ M-I 2E- is the exchange parameter [dimensionless quantity], where
  • M is the mass of the ion
  • e is the charge of the electron [pendant]
  • U is the flow velocity of the working fluid along the tap [m / s]
  • p is the pressure in the tube [N / m]
  • t is the number of tubes [pcs.]
  • the formula is derived provided that half of the total flow rate of the working fluid is supplied through the anode. With other ratios, instead of the coefficient 2, the corresponding value is put in the denominator.
  • the number of tubes, their shape, size and the gaps between them within the specified limits are selected by power and discharge current, which can vary over a wide range depending on the purpose of the plasma accelerator.
  • the maximum permissible current density on the discrete working surface of the anode should not exceed 20 A / mm.
  • FIG 1 shows the design of the plasma accelerator, which contains the cathode 1, the supply of 2 current to the cathode, the anode 3, the supply of 4 current to the anode, the supply of 5 working fluid
  • FIG. 3 is a drawing of the shape of the arc discharge simultaneously with two plasma flows; in Fig. 4 - graphs of the current-voltage characteristics and the dependence of traction on the square of the current; in Fig. 5 - graphs of the distribution of mass flow over the radius;
  • an average power plasma accelerator and its characteristics are provided for moving space objects.
  • the oscillogram (Fig. 6, b) shows the operation of the accelerator, two modes of which are presented separately:
  • the plasma accelerator resource in this case is determined by the cathode resource. From the level of modern technology, it can reach from 10,000 to 50,000 hours. Industrial applicability.
  • the presented new design solutions are effectively applied when using the accelerator as a plasma engine.
  • the implementation of innovations is as follows.
  • the voltage (Fig. 1) is applied to the cathode 1 through the current supply 2 and the anode 3 through the current supply 4.
  • the supply body 5 is fed into the cathode 1 and the discharge is ignited between the cathode 1 and the discrete surface of the anode 3 formed by the ends of the taps 6.
  • the neutral screen 7 protect the base of the tubes 8 of the anode 3 from the discharge bindings.
  • the permissible discharge current is established and a cathode plasma column is formed. Tubes 8 and bends 6 of the anode 3 are heated by current and discharge, and the collector 9 by radiation from the cathode 1 and
  • the discharge current is distributed evenly across the tubes 8 of the anode 3 and inversely proportional to the length of the bends 6.
  • the working fluid is fed into the manifold 9.
  • the working fluid is uniformly distributed across the openings by the collector 9 1 1 tubes 8, heated by discharge and current.
  • the working fluid is distributed along the holes of 12 taps 6.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) with bends 6 with a ratio of thickness to width from 1/1 to 1/30 and their wide side arrangement in a radial plane with a minimum clearance of 0.1 mm at the current supply to the anode made to evenly distribute the discharge across the discrete surface of the anode by placing their maximum number on the current supply to the anode.
  • Photographs of the end face of the working accelerator show the effect of frequent sectioning on the azimuthal uniformity of the discharge distribution over the anode (Fig.2, compare: a - large sectioning, b - without sectioning, c - frequent sectioning). The distribution of the discharge over the anode affects the distribution over the cathode
  • Fig. 2, a The shape of the tubes, the cross section of the walls of the tubes and bends from 0.1 mm to 30 mm and a variable wall thickness ensure the stability of the tubes against the force of the reaction of the expiring jets and electrodynamic forces between the cathode column and the tubes 8 with a current flowing through them. They contribute to the removal of excess heat from the working surface of the anode to the periphery and the discharge of its radiation.
  • a gap of at least 0.1 mm between the tubes eliminates contact during thermal expansion of the tubes to a temperature of 3000 ° C and deformation under the action of inertial forces.
  • the calibrated holes 12 of the taps 6 inversely proportional to their length create jets with a given distribution of flow along the accelerator.
  • the taps are installed at an angle less than 90 ° to the axis of the accelerator in order to simultaneously receive two plasma flows in the form of a cathode column and jets from the anode.
  • the flow rate through the bends 6 should be significantly lower than critical.
  • the speed of a jet flowing out into a vacuum depends on the temperature of the working fluid and can reach a value of the order of 1000 m / s, which is sufficient to obtain the effect of two oncoming jets simultaneously (Fig. 3).
  • the limiting current and the exchange parameter for a particular working fluid are determined by the moment of the beginning of a sharp increase in the discharge voltage (the beginning of the "crisis mode") from the graph of the voltage versus the square of the current (Fig.4).
  • the temperature of the working fluid is taken equal to the temperature of the bends. Due to high efficiency
  • condensing working fluid e.g. lithium, saturated pressure
  • the vapor will be 1, 577-10 5 Pa.
  • a higher flow rate is supplied. It is located at the level of half the diameter of the anode 3 from the cut of the cathode 1. This distance should be greater than the mean free path of the particles. At this distance, a cathode plasma column is formed with the required value
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) magnetic field at its border, it is more than 100 oersteds.
  • the cathode plasma column is neutralized by accelerated ions from the anode 3, the magnetic field decreases.
  • the intensity of the selection and acceleration of ions from the anode 3 is reduced.
  • the flow rate is reduced inversely with their length.
  • the discharge current is adjusted by creating a flow deficit through the cathode 1 and the discharge voltage is increased. With a deficit in flow through cathode 1, the pressure in the plasma column decreases.
  • plasma flows are formed, directed normally to the working surface.
  • the nature of the flows is determined by processes in areas close to the surface of the electrodes.
  • the properties of plasma flows from the electrodes depend on the supply of energy from the arc due to the arrival of plasma particles on the active spots of the electrodes, electrons on the anode, and ions on the cathode. In an electric arc, there are always conditions for the appearance of plasma flows from both electrodes.
  • Electrodes located at an angle of 125 ° determine the shape of the arc in the form of two oncoming streams, formed by the anode stream at a speed of 15 m / s to 40 m / s and the cathode at a speed of 50 m / s to 200 m / s.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) with electrodes is greatly enhanced.
  • the main factor in the acceleration of axial plasma flow from the cathode in a coaxial plasma accelerator is the pressure created in the plasma column by the magnetic “pinch effect”.
  • a working fluid is supplied through the openings of the taps 6 in the form of metered and correctly
  • the bends are installed at an angle less than 90 ° to the axis of the accelerator.
  • the role of active spots instead of ablation in the bends 6 perform
  • the magnitude of the magnetic field at the boundary of the cathode column should be not less than 100 Oersted, which can be provided already at a current of 1000 A and a power of 30 kW.
  • a screen 13 is installed outside the anode.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

В описании изобретения объясняется, как получить устойчивую форму симметричного разряда с равномерным распределением тока по рабочей поверхности электродов. Как избежать разрушения анода и неустойчивого режима с колебаниями. 10/10 Реализовать процесс с ускорением двух встречных потоков. Получить высокую эффективность, удельный импульс и ресурс. На чертеже (Fig. 2) представлена конструкция ускорителя плазмы (Fig. 1). На фотографиях показан эффект специального секционирования анода. На графиках (Fig. 3) объясняется влияние подачи рабочего тела через анод. Ускоритель плазмы относится к космической технике и плазменной технологии. Анод ускорителя выполнен из секции в виде плоских трубок с отводами для подачи рабочего тела через анод. Трубки расположены шириной в радиальной плоскости и направлены вдоль оси ускорителя. Между трубками гарантированный зазор. Отводы направлены под углом меньше 90° к оси. Торцы отводов с отверстиями образуют рабочую поверхность анода. Основания трубок герметично соединены с коллектором. Коллектор и подвод рабочего тела установлены на подводе тока. Расстояние от среза катода до отводов больше половины диаметра анода. Снаружи анода установлен нейтральный экран. Ускоритель плазмы используется как двигатель для перемещения космических объектов.

Description

Название изобретения.
Ускоритель плазмы.
Область техники.
Ускоритель плазмы относится к области космической техники и плазменной технологии. В космосе может использоваться как двигатель для перемещения космических объектов. В технологии для получения композитных материалов с точным стехиометрическим соотношением, напыления и обработки деталей плазмой. Предшествующий уровень техники.
Известен ускоритель плазмы "Ионные и плазменные установки", Гос. Комитет по использованию атомной энергии СССР, Сборники Ν° 20, 21 "Электродуговой двигатель с высоким удельным импульсом" (по обзору иностранной печати с1958 по 1964 годы); Ducati А.С. "Study of the Factors Affecting the Efficiency in Termal Acceleration of Propellants", Sixth Quarterly Technical Report No. 6GS-1 13-1 161 to AFOSR under contract 49(698)- 1 161.oct 1963.; "High Speciefic Impulse Termo-Jonic Acceleration" PRe-1 14-a, Giannini G. Scientific Corporation, Dec. 1963 (a recent abstract has, ban published asa technical note in the AIAA Journal August 1964) (аналог); содержащий коаксиально расположенные катод, радиально секционированный анод с регулируемым подводом тока к каждой секции, подвод рабочего тела через катод и изоляторы.
Недостатком этого ускорителя являются невозможность преодоления "кризисного режима", который характеризуется резким повышением напряжения разряда, низкие эффективность, удельный импульс и малый ресурс. Значительные размеры секций не позволяют достичь равномерности распределения тока по всей рабочей
поверхности анода. Дефицит рабочего тела в зоне анода при увеличении тока приводит к локализации разряда в пределах одной секции. Доли тока, вытекающего на секцию, достаточно для её разрушения, что сокращает ресурс ускорителя.
Принудительное регулирование тока с помощью балластного сопротивления
на каждую секцию анода усложняет конструкцию ускорителя, снижает его надежность.
Известен ускоритель плазмы "Разработка и исследование перспективных электродных узлов магнитоплазменных двигателей", 2009 г., МАИ, Москва,
Диссертация к.т.н. Сысоева Д.В., Специальность 05. 07. 05 (прототип), содержащий коаксиально расположенные катод с подводом рабочего те^аж вольфрамовый анод, состоящий из внешней монолитной части и внутренней из секций в виде проволок;
1
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) систему подачи рабочего тела, через зазоры между проволоками анода и изоляторы. Проволоки направлены свободными концами в сторону катода. Ток к проволокам подводится от внешней монолитной части анода.
Недостатком этого ускорителя являются низкие эффективность, удельный
импульс и малый ресурс из-за невозможности преодаления "кризисного режима".
С увеличением тока рабочее тело в виде плазмы, подаваемое через промежутки между секциями из проволок анода к основанию катода, реализуется в начале катодного плазменного столба, который стремится сжаться. Распределенный разряд не
удерживается на секциях из проволок и выносится на срез анода. Концентрация частиц в зоне анода уменьшается. На монолитной части анода разряд локализуется и разрушает подвод тока к секциям из проволок. В связи с этим, из-за отсутствия возможности работать и регулировать напряжение тока разряда во всем диапазоне вольтамперной характеристики, невозможно достигнуть высокого удельного импульса
и эффективности ускорителя.
Раскрытие изобретения.
Целью изобретения является повышение эффективности, удельного импульса и ресурса ускорителя плазмы путем регулирования напряжения разряда, в том числе при резком его повышении (выше "кризисного режима"). Это достигается тем, что секции анода выполнены из направленных вдоль оси ускорителя плоских трубок с отводами. Трубки расположены широкой частью в радиальной плоскости с гарантированным зазором между собой. Отводы повернуты под углом меньше 90° к оси ускорителя.
Свободными концами отводов с отверстиями образована дискретная, например, цилиндрическая рабочая поверхность анода. Первый отвод длиной равной
его ширине установлен на расстоянии больше половины диаметра анода от среза катода. Длина остальных отводов увеличена пропорционально их количеству. Проходное сечение отверстия трубки равно или больше суммы проходных сечений отводов.
Основания трубок герметично соединены с коллектором, корпус которого и подвод рабочего тела к нему выполнены на подводе тока к аноду. Снаружи анода установлен нейтральный экран. С целью размещения максимального количества секций на аноде и обеспечения необходимой прочности отношение толщины трубок и отводов к ширине выполнено в интервале от 1/1 до 1/30, сечение стенок трубок и отводов от 0,1 мм до 30 мм2, причем толщина стенок преимущественно переменная. С целью равномерного распределения тока по трубкам анода, путем увеличения их сопротивления, отношение длины трубок к толщине больше 100/1. С целью исключения контакта зазор между трубками устанавливают не менее 0,1 мм. С целью увеличения объемного ускорения
2
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) плазмы под действием электродинамической силы, путем распределения разряда по отводам вдоль анода, количество отводов на каждой трубке от 1 до 5 и более.
С наружи анода установлен нейтральный экран. Чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение расхода рабочего тела через отводы, размер сечеНия отверстий в интервале от 0,03 мм до 1,0 мм определяют по формуле:
Figure imgf000005_0001
^отв " сечение отверстий отводов [м2];
к - постоянная Больцмана [Дж/К];
I - предельный ток [А], соответствующий началу резкого роста напряжения разряда; Т - температура отводов трубки [К]; ξ = M-I 2Е- - параметр обмена [безразмерная величина], где
М - масса иона;
е- заряд электрона [кулон];
- суммарный расход рабочего тела [кг/с];
U - скорость потока рабочего тела по отводу [м/с];
р - давление в трубке [Н/м ];
t - количество трубок [шт.];
/ отв - количество отводов [ Lшт.] J.
Формула выведена при условии , что через анод подают половину суммарного расхода рабочего тела. При других соотношениях вместо коэффициента 2 в знаменателе ставят соответствующее значение. Количество трубок, их форма, размеры и зазоры между ними в указанных пределах подбираются по мощности и току разряда, которые могут варьироваться в широком диапазоне в зависимости от назначения ускорителя плазмы.
(
При этом максимально допустимая плотность тока на дискретной рабочей поверхности анода не должна превышать 20 А/мм .
Краткое описание чертежей.
На Fig.1 представлена конструкция ускорителя плазмы, который содержит катод 1 , подвод 2 тока к катоду, анод 3, подвод 4 тока к аноду, подвод 5 рабочего тела
3
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) в катод 1, отводы 6 анода 3, нейтральный экран 7, трубки 8 анода 3, коллектор 9 анода, подвод 10 рабочего тела в коллектор 9 анода, отверстия 1 1 трубок 8, отверстия 12 отводов 6, наружный экран 13;
на Fig. 2 - изображения торца, работающих ускорителей;
на Fig. 3 - рисунок формы разряда дуги одновременно с двумя плазменными потоками; на Fig. 4 - графики вольтамперной характеристики и зависимости тяги от квадрата тока; на Fig. 5 - графики распределения массового расхода по радиусу;
на Fig. 6 -= осциллограммы работающих ускорителей.
Лучший вариант осуществления изобретения.
В качестве лучшего варианта осуществления изобретения представлен ускоритель плазмы средней мощности и его характеристики, предназначенный для перемещения космических объектов. Размеры анода ускорителя плазмы: диаметр анода 120 мм;
толщина трубки 1 мм; ширина трубки и отводов 5 мм; количество отводов 5 шт.;
количество трубок 250 шт.; габариты ускорителя: диаметр 240 мм, длина 300 мм.
На осциллограмме (Fig. 6, б) показана работа ускорителя, два режима которого представлены отдельно:
- ток 3340 А, напряжении 33,2 В, расход лития (Li) 0.4- 10"4 кг/с; реактивная тяга
(прямое измерение) 2,3 Н, эффективность 59%, удельный импульс 57000 км/с;
- ток 4380 А; напряжение 31 ,2 В; расход рабочего тела (Li) 0,63.1 О*4 кг/сек; тяга 3,6 Н; эффективность 0,75%; удельный импульс 75000 км/сек. Разрушений и сублимации анода не обнаружено. Ресурс ускорителя плазмы в этом случае определяется ресурсом катода. Из уровня современной техники он может достигать от 10000 до 50000 часов. Промышленная применимость.
Представленные новые конструктивные решения эффективно применяются при использовании ускорителя в качестве плазменного двигателя. Реализация нововведений осуществляется следующим образом. Подают напряжение (Fig.1) на катод 1 через подвод тока 2 и анод 3 через подвод тока 4. По подводу 5 подают рабочее тело в катод 1 и зажигают разряд между катодом 1 и дискретной поверхностью анода 3, образованной торцами отводов 6. Нейтральным экраном 7 защищают основания трубок 8 анода 3 от привязок разряда. Регулируя расход и напряжение, устанавливают допустимый ток разряда и формируют катодный плазменный столб. Трубки 8 и отводы 6 анода 3 разогревают током и разрядом, а коллектор 9 излучением с катода 1 и
теплопроводностью по трубкам 8. Используя свойство материала анода изменять сопротивление при изменении температуры, ток разряда распределяют равномерно по трубкам 8 анода 3 и обратно пропорционально длине по отводам 6. Через подвод 10 рабочее тело подают в коллектор 9. Коллектором 9 равномерно распределяют рабочее тело по отверстиям 1 1 трубок 8, разогретых разрядом и током. Из отверстий 11 трубок 8 рабочее тело распределяют по отверстиям 12 отводов 6. Плоская форма трубок 8
4
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) с отводами 6 с отношением толщины к ширине от 1/1 до 1/30 и расположение их широкой стороной в радиальной плоскости с минимальным зазором от 0,1мм на подводе тока к аноду сделаны для того, чтобы равномерно распределить разряд по дискретной поверхности анода путем размещения максимального их количества на подводе тока к аноду. Фотографии торца работающего ускорителя показывают влияние частого секционирования на азимутальную равномерность распределения разряда по аноду ( Fig.2, сравнить: а - крупное секционирование, б - без секционирования, с - частое секционирование). Распределение разряда по аноду влияет на распределение по катоду
2 2
(Fig. 2,а). Форма трубок, сечение стенок трубок и отводов от 0,1 мм до 30 мм и переменная толщина стенок обеспечивают устойчивость трубок против силового воздействия реакции истекающих струй и электродинамических сил между катодным столбом и трубками 8 с протекающим по ним током. Способствуют отводу избытка тепла от рабочей поверхности анода к периферии и сбросу его излучением. Зазор не менее 0,1 мм между трубками исключает контакт при термическом расширении трубок до температуры 3000°С и деформации при действии инерционных сил. Калиброванными отверстиям 12 отводов 6 обратно пропорционально их длине создают струи с заданным распределением расхода вдоль ускорителя. Отводы устанавливают под углом меньше 90° к оси ускорителя, чтобы получить одновременно два плазменных потока в виде катодного столба и струй с анода. Для беспрепятственной подачи рабочего тела скорость потока через отводы 6 должна быть существенно ниже критической. При расчете отверстий в отводах она принимается от 2 м/с, до 10 м/с. Скорость струи, истекающей в вакуум, зависит от температуры рабочего тела и может достигать величины, порядка 1000 м/с, которой достаточно для получения эффекта одновременно двух встречных струй (Fig.3). Предельный ток и параметр обмена для конкретного рабочего тела определяют по моменту начала резкого роста напряжения разряда (начало "кризисного режима") из графика зависимости напряжения от квадрата тока (Fig.4). Температура рабочего тела принимается равной температуре отводов. Благодаря высокой эффективности
излучения наружной ребристой поверхности анода она не превышает диапазона от 1500° С до 2300°С. Процесс расширения газа в трубках и отводах предполагается изобарический, поэтому давление принимается нормальное, 105 Па. Для
конденсирующегося рабочего тела, например лития, давление насыщенных
паров будет 1 ,577-105 Па. Через самый короткий первый отвод 6 анода 3 подается больший расход. Он расположен, на уровне половины диаметра анода 3 от среза катода 1. Это расстояние должно быть больше длины свободного пробега частиц. На этом расстоянии формируется катодный плазменный столб с необходимым значением
5
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) магнитного поля на его границе, это больше 100 эрстед. По мере нейтрализации катодного плазменного столба ускоренными ионами с анода 3 напряженность магнитного поля падает. Уменьшается интенсивность отбора и ускорения ионов с анода 3. Чтобы избежать перерасхода рабочего тела через следующие отводы 6, расход уменьшают обратно пропорционально их длине. После подачи расхода через анод 3 корректируют ток разряда путем создания дефицита расхода через катод 1 и повышают напряжение разряда. При дефиците расхода через катод 1 давление в плазменном столбе уменьшается. Сила взаимодействия тока с его собственным магнитным полем, направленная к оси плазменного столба, стремится сжать столб [Л.А.Арцимович, "Элементарная физика плазмы", изд. 2-е, Атомиздат, Москва, 1966 г.]. Если давление плазмы мало, то сила сжатия не уравновешивается полностью. Под действием избыточной электродинамической силы плазма, образуемая в анодных струях, будет с возрастающей скоростью увлекаться к оси и ускоряться. На графиках Fig. 5 видно, как при увеличении тока разряда или уменьшении расхода происходит
перераспределение массового расхода с периферии к оси ускорителя и наоборот.
В дугах сильноточных плазменных устройств с электродов образуются потоки плазмы, направленные нормально рабочей поверхности. Характер потоков определяется процессами в областях, близких к поверхности электродов. Свойства потоков плазмы с электродов зависят от подвода энергии от дуги за счет поступления частиц плазмы на активные пятна электродов, электронов на анод и ионов на катод. В электрической дуге всегда имеются условия возникновения плазменных потоков с обоих электродов.
Физические процессы в катодной области дуги обеспечивают большую вероятность образования при равных условиях плазменных потоков большего скоростного напора. Условия существования потока с анода могут быть обеспечены при довольно низких плотностях тока за счет большей подвижности электронов, с низкой интенсивностью процесса абляции анода. Форма разряда при этом зависит от направленности потоков с поверхности электродов и соотношения их скоростей. При известных условиях могут быть получены такие формы разряда, когда будут существовать одновременно два плазменных потока независимо от скоростных напоров. Это достигается изменением угла встречи между направлениями потоков с электродов, например, по аналогии со сварочными электродами (Fig. 3), [Г.Б. Сердюк, "Сварочное производство", 1965 г., 10,1.]. Электроды, расположенные под углом 125°, определяют форму дуги в виде двух встречных потоков, образованную анодным потоком со скоростью от15 м/с до 40 м/с и катодным со скоростью от 50 м/с до 200м/сек.
В вакууме, применительно к ускорителю плазмы, роль процесса абляции
б
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) с электродов существенно усиливается. Основным фактором возникновения ускорения осевого течения плазмы с катода в коаксиальном ускорителе плазмы является давление, создаваемое в столбе плазмы магнитным "пинч-эффектом". Чтобы восполнить недостаток плазмы в анодной зоне, не разрушая анод процессом абляции, через отверстия отводов 6 подают рабочее тело в виде дозированных и правильно
направленных струй. Для этого отводы устанавливаются под углом меньше 90° к оси ускорителя. В этом случае роль активных пятен вместо абляции в отводах 6 выполняют
2 2
отверстия определенного сечения от 0,03 мм , до 1,0 мм , которое рассчитывается по формуле. Высокие параметры такого ускорителя достигаются при меньшем токе разряда, что существенно снижает тепловые нагрузки на электроды. Разряд переводят в режим с резко растущим напряжением путем регулирования соотношения расхода через электроды и напряжения для поддержания необходимого тока и мощности. Величина тока определяет скорость плазмы в катодном столбе благодаря магнитному "пинч- эффекту" и создает магнитное поле за границей катодного плазменного столба. В скрещенном электромагнитном поле между катодным плазменным столбом и анодом ускоряют струйные потоки плазмы с анода. Величина магнитного поля на границе катодного столба должна быть не меньше 100 эрстед, которую можно обеспечить уже при токе 1000 А и мощности 30 кВт. Для предотвращения ухода рабочего тела через зазоры между трубками, снаружи анода установлен экран 13.
В итоге, получена устойчивая симметричная форма разряда с заданным
распределением тока по рабочей поверхности анода и катода. Работа ускорителя на повышенном напряжении не приводит к неустойчивому режиму с колебаниями (Fig.6, сравнить характер линии напряжения и тяги: а - анод монолитный, б - анод с подачей рабочего тела).. Реализован процесс с ускорением двух встречных потоков в виде катодного плазменного столба и струй с анода в электромагнитном поле.
Что касается технологии, то использование сильноточного ускорителя плазмы, обладающего равномерным мелкодисперсным испарением с поверхности электродов, позволяет получать качественное покрытие напылением и порошки с точным
стехиометрическим соотношением при высокой производительности.
7
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

Claims

Формула изобретения
Пункт 1. Ускоритель плазмы, содержащий коаксиально расположенные радиально секционированый анод, катод, подвод рабочего тела к катоду, систему подачи плазмы через анод, нейтральную вставку между электродами и изоляторы, отличающийся тем, что секции анода выполнены из направленных вдоль оси ускорителя плоских трубок с отводами, расположенных широкой частью в радиальной плоскости с зазором между собой; отводы повернуты под углом меньше 90° к оси ускорителя; свободными концами отводов с отверстиями образована дискретная, например, цилиндрическая рабочая поверхность анода; первый отвод длиной равной его ширине установлен на расстоянии больше половины диаметра анода от среза катода, длина остальных отводов увеличена пропорционально их количеству; проходное сечение отверстия трубки равно или больше суммы проходных сечений отводов; основания трубок герметично соединены с коллектором, корпус которого и подвод рабочего тела к нему выполнены на подводе тока к аноду; снаружи анода установлен нейтральный экран.
Пункт 2. Ускоритель плазмы по п.1, отличающийся тем, что отношение толщины трубок и отводов к ширине от 1/1 до 1/30, а сечение стенок трубок и отводов выполнены в пределах от 0,1 мм до 30 мм , причем толщина стенок преимущественно переменная. Пункт 3. Ускоритель плазмы по п.1, отличающийся тем, что отношение длины трубок к толщине больше 100/1.
Пункт 4. Ускоритель плазмы по п.1, отличающийся тем, что зазор между трубками не менее 0,1 мм.
Пункт 5. Ускоритель плазмы по п.1 , отличающийся тем, что количество отводов на каждой трубке от 1 до 5 и более.
Пункт 6. Ускоритель плазмы по п.1 , отличающийся тем, что сечение отверстий отводов в интервале от 0,03 мм до 1,0 мм определяется по формуле:
отв
Figure imgf000010_0001
S отв - сечение отверстий отводов [м2]; к- постоянная Больцмана [Дж .];
I - предельный ток [А];
Т - температура рабочего тела в отводах [К];
8
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) ζ = 2- - параметр обмена [безразмерная величина], где
М - масса иона;
е- заряд электрона [ л];
Jfl^ - суммарный расход рабочего тела [кг/с];
V - скорость потока рабочего тела в отводе [м/с];
р - давление в трубке [Н/м2];
t - количество трубок [шт.];
t отв - количество отводов [шт.].
9
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
PCT/RU2014/000252 2013-04-24 2014-04-04 Ускоритель плазмы WO2014175777A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013118868 2013-04-24
RU2013118868 2013-04-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014175777A1 true WO2014175777A1 (ru) 2014-10-30

Family

ID=51792196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000252 WO2014175777A1 (ru) 2013-04-24 2014-04-04 Ускоритель плазмы

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2014175777A1 (ru)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2183311C2 (ru) * 1999-11-01 2002-06-10 Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете Коаксиальный ускоритель
RU2210875C2 (ru) * 2001-08-14 2003-08-20 Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики Ускоритель плазмы

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2183311C2 (ru) * 1999-11-01 2002-06-10 Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете Коаксиальный ускоритель
RU2210875C2 (ru) * 2001-08-14 2003-08-20 Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики Ускоритель плазмы

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D.V.SYSOEV: "«Razrabotka i issledovanie perspektivnykh elektrodnykh uzlov magnitoplazmennykh dvigatelei»", AVTOREFERAT NA SOISKANIE UCHENOI STEPENI KANDIDATA TEKHNICHESKIKH NAUK, 2009, MOSCOW, Retrieved from the Internet <URL:http://www.pandia.ru/text/77/251/86135.php> *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Keidar et al. 2D expansion of the low-density interelectrode vacuum arc plasma jet in an axial magnetic field
CN101653047B (zh) 等离子体喷涂装置和方法
Nikolaev et al. Angular distribution of ions in a vacuum arc plasma with single-element and composite cathodes
US3209189A (en) Plasma generator
CN107231818A (zh) 一种基于虚拟阴极沉积（vcd）的薄膜制造工艺
CN109578233B (zh) 一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器
CN102936717A (zh) 一种紧凑高效的准扩散弧冷阴极弧源
Boxman et al. Magnetic control in vacuum arc deposition: A review
CN110881239B (zh) 一种引入外加磁场的多弧等离子体反应器及运行方法
CN105179191B (zh) 一种离子推力器四极环形永磁体环切场磁路结构
Dautov et al. Research of the influence of the geometry of the discharge chamber on the characteristics of the arc plasmatron.
RU2540140C2 (ru) Ускоритель плазмы
Frolova et al. Deuterium ions in vacuum arc plasma with composite gas-saturated zirconium cathode in a magnetic field
WO2014175777A1 (ru) Ускоритель плазмы
CN108612636A (zh) 适用于宽参数范围工作的霍尔推力器
CN111536007B (zh) 一种降低霍尔推力器热负荷的方法
RU135215U1 (ru) Ускоритель плазмы
US5559391A (en) Three-grid ion-optical system
JP6031725B2 (ja) 合金薄膜生成装置
CN210438827U (zh) 一种脉冲碳离子激发源装置
RU2586993C1 (ru) Центробежный z-пинч
RU2668588C2 (ru) Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов
CN105491775A (zh) 一种提高电弧等离子体发生器运行稳定性和寿命的方法和装置
RU2607398C2 (ru) Способ нанесения покрытий путем плазменного напыления и устройство для его осуществления
Zhuang et al. Co-axial micro-cathode arc thruster (CA-uCAT) and performance characterization

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14788636

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14788636

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1