Плазмовий прискорювач із закритим дрейфом електронів

1. Плазмовий прискорювач із закритим дрейфом електронів, що містить (a) кільцеву іонізаційну камеру (2), обмежену стінками (52) з електроізолюючого матеріалу, внутрішня поверхня яких покрита електропровідним матеріалом (9), (b) прискорювальну камеру (3), утворену кільцевим прискорювальним каналом (53) з ізолюючого матеріалу, розташованим коаксіально з іонізаційною камерою (2), вихід (55) якого відкритий уперед, а вхід (54) з’єднаний з іонізаційною камерою (2), (c) кільцевий анод (7), розташований на передньому краї іонізаційної камери (2) поблизу входу (54) прискорювального каналу (53), (d) порожнистий катод (8), розташований поблизу виходу (55) прискорювального каналу (53), але поза ним, (e) перше джерело (82) постійної напруги, негативний полюс якого з'єднаний з катодом (8), а позитивний полюс з'єднаний з анодом (7), (f) кільцевий газовий розподільник (11), розташований поблизу задньої стінки, що складає задню частину іонізаційної камери (2), (g) магнітопровід, що містить щонайменше центральний циліндричний сердечник (60), внутрішній магнітний полюс (61) і зовнішній магнітний полюс (62), що обмежують відкритий вихід (55) прискорювального каналу (53), і задню стінку (63), що утворює задній край іонізаційної камери (2), (h) систему генерації магнітного поля, що містить щонайменше перший генератор (21) магнітного поля, розташований навколо прискорювальної 2 (19) 1 3 81616 4 6. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1-5, кільцевої коаксіальної котушки (24) позитивну який відрізняється тим, що система генерації напругу завбільшки в декілька десятків вольт магнітного поля щонайменше частково утворена відносно напруги анода (7). постійними магнітами. 14. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 17. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1-6, 13, який відрізняється тим, що друге джерело який відрізняється тим, що перший генератор (85) напруги подає на електропровідний матеріал (21) магнітного поля екранований. (9) внутрішньої поверхні стінок (52) іонізаційної 8. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1-7, камери (2) потенціал, що складає приблизно від 20 який відрізняється тим, що радіальний розмір до 40 В відносно потенціалу анода. іонізаційної камери (2) перевищує радіальний 15. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1розмір прискорювального каналу (53) з ізолюючого 14, який відрізняється тим, що система генерації матеріалу. магнітного поля настроєна таким чином, щоб 9. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1-8, потенціал силової лінії магнітного поля, що містить який відрізняється тим, що кільцева коаксіальна точку "X" н уля магнітного поля, був близький до котушка (24) і її провідна оболонка (28), що потенціалу анода (7). знаходиться під постійною напругою, встановлені 16. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1за допомогою фіксуючих елементів (29), жорстко 15, який відрізняється тим, що третій генератор прикріплених до іонізаційної камери (2). (23) магнітного поля містить першу і другу частини 10. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1-9, (231, 232) різних діаметрів, причому перша який відрізняється тим, що кільцевий анод (7) частина (231), розташована поблизу анода (7), установлений з радіальним зазором відносно до має більший діаметр, ніж друга частина (232), стінки прискорювального каналу (53). розташована поблизу іонізаційної камери (2). 11. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 117. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 110, який відрізняється тим, що кільцевий анод (7) 16, який відрізняється тим, що відстань між безпосередньо з'єднаний провідником (83) з провідною оболонкою (28) кільцевої коаксіальної позитивним полюсом першого джерела (82) котушки (24) і стінками іонізаційної камери (2) постійної напруги і не з'єднаний механічно або більша або дорівнює приблизно 20 мм. електрично з газовим розподільником (11) або з 18. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1електропровідним матеріалом (9) внутрішньої 17, який відрізняється тим, що виконаний з поверхні стінок (52) іонізаційної камери (2), інакше, можливістю використання у космічному ніж через друге джерело (85) постійної напруги. плазмовому двигуні, що утворює електричний 12. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1реактивний рушій суп утника. 11, який відрізняється тим, що катод (8) є 19. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1порожнистим газорозрядним катодом. 17, який відрізняється тим, що виконаний з 13. Плазмовий прискорювач за будь-яким з пп. 1можливістю використання в джерелі іонів для 12, який відрізняється тим, що друге джерело іонної обробки механічних деталей. (85) напруги подає на провідну оболонку (28) Даний винахід стосується плазмових прискорювачів іззакритим дрейфом електронів, що утворюють джерела іонної плазми, використовувані, зокрема, в космічній техніці як стаціонарні плазмові двигуни, а також в інших галузях техніки, наприклад, для іонної обробки механічних деталей. Відомі джерела іонів, утворені дворівневими системами, що забезпечують електростатичне прискорення потоку іонів. Один з прикладів такого джерела описаний у патентному документі [WO01/93293]. Описане в цьому документі джерело іонів має катодну камеру з газовим розподільником, тоді як порожнистий анод утворює анодну камеру, з'єднану з катодною камерою за допомогою вихідного отвору, передбаченого в стінці останньої. Електростатична система забезпечує витягування іонів за допомогою електрично ізольованого емісійного електрода, розташованого у ви хідному отворі анодної камери. Система магнітів створює в катодній і анодній камерах магнітне поле, вектор індукції якого спрямований, по суті, по осі камер. Газовий розподільник катодної камери використовується також як електрод запалювання, з'єднаний з порожнистим анодом. Додатковий електрод, електрично ізольований від порожнистого анода і від катодної камери, встановлений у районі вихідного отвору катодної камери і постачений отвором, діаметр якого значно менший за найбільший внутрішній діаметр порожнистого анода. Під дією, по суті, подовжнього магнітного поля в анодній і катодній камерах відбувається іонізація, а електростатична система забезпечує ви тягування і прискорення іонів. Такі джерела іонів працюють в області невеличких значень густини стр уму (ji1000В), що обмежує можливості їхнього застосування. Серед джерел іонів, прискорення іонів у яких забезпечується електромагнітною дією, можна назвати плазмовий прискорювач типу КСПП: коаксіальний квазістаціонарний плазмовий прискорювач [описаний, наприклад, у роботі А.Ю. Волочко та ін. під назвою "Вивчення дворівневого коаксіального квазістаціонарного плазмового прискорювача (КСПП) з несучими електродами", опублікованій у часопису Академії Наук СРСР 5 81616 6 "Фізика плазми", т. 16, вип. 2, М: "Наука", лютий наявності коаксіальних електродів), і є власним 1990 p.]. магнітним полем цього струму. Отже, КСПП містить анодну групу, катодну груп у і прискорювачі цього типу можуть працювати тільки блок вводу іонів, прикріплені до крайнього з високою потужністю. З цієї причини, зокрема, (заднього) фланцю й ізольовані від цього фланця. їхнє використання як двигунів у космічній техніці не Анодна й катодна групи розділені за допомогою є можливим. кільцевого дискового ізолятора. Анодна група У патентному документі [FR 2693770] також містить несучий циліндричний анод, виконаний у описаний плазмовий прискорювач із закритим формі "білячого колеса" і прикріплений до дрейфом електронів, у якому були виконані значні перехідного фланця. Навколо анода додатково вдосконалення, що стосуються умов іонізації передбачений циліндричний діелектричний екран, активної речовини і конфігурації магнітного поля в що сприяє підвищенню концентрації газу і плазми усьому об'ємі коаксіального каналу. Такий поза анодом. Катодна група знаходиться плазмовий прискорювач містить іонізаційну всередині "білячого колеса" анодної групи і містить (заспокійливу) камеру і розрядну камеру з дві мідні трубки, розташовані одна навколо одної, коаксіальним каналом іонізації і прискорення з до кінців яких прикріплені пластини, що утворюють відкритим виходом. На вході в коаксіальний канал еліпсоїд обертання. До внутрішньої тр убки розташований кільцевий анод. У заспокійливій прикріплені 128 конічно загострених джерел камері розташований кільцевий газовий струму, що утворюють вісім рядів у поздовжньому розподільник, що не закриває доступу до перерізі і розташовані в інтервалах між коаксіального каналу. Розрядна і заспокійлива пластинами, повторюючи форму катода. Блок камери утворені елементами магнітної системи вводу іонів складається з чотирьох вхідних іонних прискорювача, що містить два полюси магніту, камер, з'єднаних з активним джерелом газу і магнітопровід і генератор магнітного поля. Полюси введених у канал прискорення КСПП через отвори магніту утворюють один з країв прискорювача з в крайовому фланці, розташовані симетрично боку відкритого виходу кільцевого каналу. Один з відносно до осі системи. Кожна з камер містить полюсів магніту є зовнішнім, а інший - внутрішнім; монолітний циліндричний анод і монолітний таким чином, вони обмежують розрядну камеру конусоподібний катод. зовні і зсередини. Інший край прискорювача, з бокуТаким чином, прискорювач типу КСПП заспокійливої камери, утворений частиною сконструйований у вигляді дворівневої системи. магнітопроводу, з'єднаного з полюсами магніту. На першому рівні прискорювача активна речовина Центральний циліндричний сердечник і допоміжні іонізується і піддається попередньому несучі елементи, рівномірно розташовані навколо прискоренню до швидкості: камер, з'єднують краї прискорювача. Перший генератор магнітного поля розташований між n » 0,1n m заспокійливою камерою і зовнішнім полюсом де: n m - швидкість потоку для плазмових магніту, навколо каналу прискорення; другий прискорювачів із власним магнітним полем: генератор магнітного поля знаходиться на центральному циліндричному сердечнику в зоні I2 nm = q розташування кільцевого анода і, отже, ближче до 2 mc заспокійливої камери. де: q - постійний коефіцієнт, Таким чином, унаслідок наявності іонізаційної m - питома витрата маси активної речовини, с (заспокійливої) камери, зона іонізації активного - швидкість світла, газу не збігається із зоною прискорення. Це І - сила стр уму, що протікає через об'єм відбувається завдяки тому, що кільцевий газовий плазми між двома коаксіальними електродами. розподільник впорскує активний газ На другому рівні відбувається остаточне безпосередньо перед анодом. Магнітна система з прискорення плазми. При струмі з розрядом трьома генераторами створює в кільцевому близько 500кА і напругах розряду близько 10кВ у каналі, по суті, радіальне магнітне поле, градієнт КСПП були отримані потоки плазми 0,2мКл з якого забезпечує досягнення максимальної енергією іонів водню близько 1кеВ. Прискорювачі індукції на виході з каналу. В районі виходу силові типу КСПП мають високу потужність, що дозволяє лінії магнітного поля спрямовані перпендикулярно створювати потоки частинок з великою енергією. до осі симетрії кільцевого каналу, а в зоні каналу, Слід зазначити, що для такого прискорювача розташованій поблизу анода, ці лінії злегка практично не існує меж щодо потужності й енергії. нахилені. Іонізація активного газу забезпечується Ці плазмові прискорювачі належать до в районі анода, до того, як газ досягне кільцевого електромагнітних прискорювачів, у яких каналу. Це дозволяє збільшити к.к.д. плазмового прискорення плазми забезпечується двигуна до 60-70% і зменшити кут розбіжності магніторушійною силою густини: іонного пучка до 10-15%. 1 Утім, у такому прискорювачі ступінь іонізації fM = ( j ´ H ) c активного газу в заспокійливій зоні невисокий, що де с - швидкість світла, підтверджено дослідним шляхом. j - густина стр уму, Задача, на вирішення якої спрямовано даний Н - власне магнітне поле струму І, що винахід, полягає в усуненні хиб відомих плазмових проходить через об'єм плазми. прискорювачів і, зокрема, у підвищенні Магнітне поле утворюється в КСПП струмом, ефективності іонізації активного газу. що проходить через об'єм плазми (завдяки 7 81616 8 Винахід також спрямований на забезпечення генераторами магнітного поля створює магнітне можливості використання активних речовин з поле, силова лінія якого має точку "X", що високим виходом, значне зменшення кута відповідає нулю магнітного поля і розташована між розходження іонного пучка, зниження рівня шумів, кільцевою коаксіальною котушкою й анодом. пов'язаних з процесом прискорення іонів, Плазмовий прискорювач за винаходом підвищення продуктивності і скорочення втрат забезпечує низький рівень шуму і добру електричного струму на стінках, збільшення локалізацію потоку завдяки введенню в зону терміну служби внаслідок зменшення заспокоєння іонізаційної камери котушки під інтенсивності аномальної іонної й електронної струмом, магнітне поле якої у сполученні з ерозії і розширення робочого діапазону по магнітним полем від інших джерел магнітного поля швидкості (інтенсивності) потоку й питомому створює особливу конфігурацію поля, що містить імпульсу. силову лінію, називану роздільною лінією, що має Для вирішення поставленої задачі точку X н ульового магнітного поля. Завдяки цим пропонується плазмовий прискорювач із закритим характеристикам можна забезпечити надходження дрейфом електронів, що містить: у прискорювальний канал плазмового (a) кільцеву іонізаційну камеру, обмежену прискорювача потоку іонів, добре сформованого з стінками з електроізолюючого матеріалу, використанням явища еквіпотенціалізації силових внутрішня поверхня яких покрита ліній магнітного поля й утворюваної електропровідним матеріалом, прискорювальної різниці потенціалів. Окіл точки X (b) прискорювальнукамеру, утворену з нульовим магнітним полем являє собою пастку кільцевим прискорювальним каналом з для іонів, що утворюються вздовж роздільної лінії. ізолюючого матеріалу, коаксіальним з іонізаційною В оптимальному варіанті система генерації камерою, вихід якого відкритий уперед, а вхід магнітного поля містить п'ятий генератор сполучається з іонізаційною камерою, магнітного поля, розташований поблизу кільцевого (c) кільцевий анод, розташований на газового розподільника. передньому краї іонізаційної камери поблизу входу Магнітопровід може додатково містити прискорювального каналу, допоміжні феромагнітні несучі елементи, (d) порожнистий катод, розташований поблизу розподілені навколо іонізаційної камери й виходу прискорювального каналу, але поза ним, прискорювальної камери і з'єднуючі задню стінку (e) перше джерело постійної напруги, магнітопроводу із зовнішнім магнітним полюсом. негативний полюс якого з'єднаний з катодом, а У цьому випадку система генерації магнітного позитивний полюс з'єднаний з анодом, поля переважно містить додатково шостий (f) кільцевий газовий розподільник, генератор магнітного поля, що має елементи, розташований поблизу задньої стінки, що утворює розташовані навколо зазначених допоміжних задню частину іонізаційної камери, феромагнітних несучи х елементів. (g) магнітопровід, що містить, щонайменше, Система генерації магнітного поля може центральний циліндричний сердечник, внутрішній містити електромагнітні котушки; крім того, магнітний полюс і зовнішній магнітний полюс, які щонайменше, частково, вона може бути утворена обмежують відкритий вихід прискорювального постійними магнітами. каналу, і задню стінку, що утворює задній край Радіальний розмір іонізаційної камери іонізаційної камери, перевершує радіальний розмір прискорювального (h) систему генерації магнітного поля, що каналу з ізолюючого матеріалу. містить, щонайменше, перший генератор Відповідно до однієї з відмітних особливостей магнітного поля, розташований навколо винаходу кільцева коаксіальна котушка та її прискорювальної камери, між зовнішнім магнітним провідна оболонка, що знаходиться під постійною полюсом і іонізаційною камерою, другий генератор напругою, встановлені за допомогою фіксуючих магнітного поля, розташований навколо елементів, жорстко прикріплених до іонізаційної центрального циліндричного сердечника, між камери. внутрішнім магнітним полюсом і входом Кільцевий анод переважно встановлений з прискорювального каналу, що знаходиться поруч з радіальним зазором відносно до стінки іонізаційною камерою, і третій генератор прискорювального каналу. магнітного поля, розташований навколо Кільцевий анод безпосередньо з'єднаний центрального циліндричного сердечника, між провідником з позитивним полюсом першого другим генератором магнітного поля і заднім джерела постійної напруги і не з'єднаний ні краєм іонізаційної камери. механічно, ані електрично з газовим Плазмовий прискорювач за винаходом розподільником або з електропровідним характеризується тим, що додатково містить матеріалом внутрішньої поверхні стінок кільцеву коаксіальну котушк у, розташовану в іонізаційної камери інакше, ніж через друге порожнині іонізаційної камери, постачену джерело постійної напруги. провідною оболонкою, що знаходиться під Наприклад, друге джерело постійної напруги постійною напругою і з'єднана з електропровідним може подавати на провідну оболонку кільцевої матеріалом на внутрішніх стінках іонізаційної коаксіальної котушки позитивну напругу камери і позитивним полюсом другого джерела завбільшки в декілька десятків вольт відносно до постійної напруги, негативний полюс якого анода. з'єднаний з анодом, і утворює четвертий Друге джерело напруги переважно подає на генератор магнітного поля, який разом з іншими електропровідний матеріал внутрішньої поверхні 9 81616 10 стінок кільцевої іонізаційної камери потенціал, що 53, поблизу його виходу 55. Через 81 позначене складає приблизно від 20 до 40В відносно до електричне з'єднання катода з негативним анода. полюсом першого джерела 82 постійної напруги Система генерації магнітного поля настроєна (див. Фіг.2). Через 88 позначений канал подання таким чином, щоб потенціал силової лінії газу в порожнистий катод 8. магнітного поля, що містить точку "X" нуля Кільцевий анод 7 розташований на магнітного поля, був близький до потенціалу передньому краї іонізаційної камери 2, поблизу анода. входу 54 прискорювального каналу 53, що Відповідно до оптимального варіанта утворює прискорювальну камеру 3. здійснення винаходу третій генератор магнітного Як показано на Фіг.2, катод 8 і анод 7 поля містить першу і другу частини різних приєднані за допомогою провідників 81 і 83, діаметрів, причому перша частина розташована відповідно, до негативного і позитивного полюсів поблизу анода і має більший діаметр, аніж друга джерела 82 постійної напруги й утворюють ланцюг частина, розташована поблизу іонізаційної електроживлення. Анод 7, у свою чергу, камери. ізольований від провідного матеріалу 9 стінок Відповідно до одного з варіантів здійснення іонізаційної камери 2. винаходу відстань між провідною оболонкою Кільцевий газовий розподільник 11 кільцевої коаксіальної котушки і стінками розташований у порожнині іонізаційної камери 2, іонізаційної камери більша або дорівнює не загороджуючи вхід 54 прискорювального приблизно 20мм. каналу 53. Газовий розподільник розташований у Плазмовий прискорювач за винаходом може задній частині іонізаційної камери 2. Катод 8 і використовува тися в космічному плазмовому газовий розподільник 11 з'єднані відповідно двигуні, що утворює електричний реактивний каналами 88 і ПО, із джерелами іонізуючого газу, рушій суп утника. які можуть бути незалежними, або із загальним Плазмовий прискорювач за винаходом також джерелом. Газ, що надходить у газовий може використовуватися в джерелі іонів для іонної розподільник 11 по каналу ПО, розподіляється по обробки механічних деталей. заспокійливій камері 2 через отвори 111, Інші особливості й переваги даного винаходу розташовані по поверхні розподільника 11. стануть ясні з нижченаведеного опису окремих Іонізаційна (або заспокійлива) камера 2 має способів його здійснення, наведеного з радіальний розмір, що перевищує радіальний посиланнями на додані креслення, на яких розмір прискорювальної камери 3, причому її поданий один з можливих варіантів здійснення передня частина 521 може мати форму усіченого винаходу, що не накладає жодних обмежень. На конуса, що відкривається у вхід 54 кресленнях: прискорювального каналу 53. - на Фіг.1 подана схема, що ілюструє основну У свою чергу, кільцевий анод 7 також може концепцію дворівневого плазмового мати форму усіченого конуса. прискорювача за винаходом; Плазмовий прискорювач із закритим дрейфом - Фіг.2 являє собою діаграму, що ілюстр ує електронів містить магнітопровід і генератори приклад здійснення плазмового прискорювача магнітного поля. за винаходом у подовжньому осьовому розрізі, Магнітопровід містить центральний з демонстрацією електричної схеми, циліндричний сердечник 60, внутрішній магнітний передбаченої для запуску цього полюс 61 і зовнішній магнітний полюс 62, що прискорювача; обмежують відкритий вихід 55 прискорювального - Фіг.3 зображує в подовжньому осьовому каналу 53, і задню стінку 63, що утворює задній розрізі приклад здійснення плазмового край іонізаційної камери 2. прискорювача за винаходом; Магнітопровід додатково містить допоміжні - Фіг.4 подає карту магнітного поля, несучі феромагнітні елементи 64, які можуть бути отриманого в прикладі здійснення плазмового рівномірно розподілені по утворюючій поверхні прискорювача за винаходом. циліндра навколо іонізаційної камери 2 і На Фіг.3 зображений приклад плазмового прискорювальної камери 3 і з'єднувати задню прискорювача за винаходом. стінку 63 магнітопроводу з переднім зовнішнім Такий плазмовий прискорювач із закритим магнітним полюсом 62. Ці допоміжні несучі дрейфом електронів містить першу камеру 2, феромагнітні елементи 64 можуть мати форму обмежену стінками 52 з електроізолюючого окремих стрижнів, як показано на Фіг.3, але матеріалу, вн утрішня поверхня яких вкрита можуть також бути з'єднані в циліндричну решітку, провідним матеріалом 9. Ця перша камера 2 що оточує іонізаційну камеру 2 і прискорювальну утворює іонізаційну (або заспокійливу) камеру. камеру 3. Друга, так звана прискорювальна, камера 3 Слід зазначити, що вн утрішній магнітний містить кільцевий прискорювальний канал 53 з полюс 61 і задня стінка 63 магнітопроводу можуть електроізолюючого матеріалу, ви хід 55 якого бути виконані у вигляді єдиного вузла разом із відкритий у напрямку течії потоку. Задня частина центральним циліндричним сердечником 60. 54 прискорювального каналу 53 сполучається з Система генерації магнітного поля містить порожниною іонізаційної камери 2, розташованої перший генератор 21 магнітного поля, коаксіально з прискорювальною камерою 3. розташований навколо прискорювальної камери 3 Порожнистий газорозрядний катод 8 між зовнішнім магнітним полюсом 62 і іонізаційною розташований зовні від прискорювального каналу камерою 2. Цей перший генератор 21 магнітного 11 81616 12 поля може містити екрановану електромагнітну заспокійливої камери 2 має відповідати умові: котушку. b³20-25мм. Другий генератор 22 магнітного поля Для отримання оптимальної конфігурації розташований навколо центрального силових ліній магнітного поля можна додатково циліндричного сердечника 60 між внутрішнім передбачити перший і другий додаткові магнітним полюсом 61 і входом 54 генератори 25, 26 магнітного поля. Слід зазначити, прискорювального каналу 53, розташованим поруч що перший додатковий генератор 25 магнітного з іонізаційною камерою 2. У прикладі, що поля розташований у районі заспокійливої камери описується з посиланнями на Фіг.3, цей другий 2, поблизу кільцевого газового розподільника 11, і генератор 22 магнітного поля також містить служить для формування бажаної геометрії електромагнітну котушку. магнітного поля поблизу його заднього краю, яка Третій генератор 23 магнітного поля характеризується віддаленням силових ліній розташований між другим генератором 22 магнітного поля від задньої стінки камери. Його магнітного поля і входом заспокійливої камери 2, становище визначається становищем задньої навколо центрального циліндричного сердечника стінки 63 магнітопроводу, на основі 60. Він переважно містить дві ділянки різного співвідношення: діаметра. Діаметр однієї частини 231 цього = L pp - D L генератора, яка оточує прискорювальний канал де Lpp-відстань від прискорювального каналу 53, включаючи конічну зону анода 7, більший за 53 до задньої стінки 63 магнітопроводу, діаметр другої частини 232 генератора, D - товщина ізолятора, що забезпечує ізоляцію розташованої в зоні заспокійливої камери 2. між задньою стінкою 63 магнітопроводу і Співвідношення діаметрів цих двох частин 231, генератором 25 магнітного поля і складає 2-3мм. 232 третього генератора 23 магнітного поля Другий додатковий генератор 26 магнітного підібране таким чином, що: поля являє собою сукупність зовнішніх елементів, rd кожен з яких розташований навколо допоміжного = 0,3 - 0,5 rk несучого елемента 64. Цей генератор забезпечує де rd - відстань від осі симетрії до стінки разом з іншими генераторами магнітного поля заспокійливої камери, розташування нуля магнітного поля в районі анода 7, задану величину градієнту Н=100Е/см у районі rk - відстань від осі симетрії каналу до зовнішньої стінки зовнішнього каналу. зрізу й опуклу форму силових ліній у районі анода Такий вибір спрямований на формування 7, необхідну для утворення зони нульового оптимальної геометрії силових ліній магнітного магнітного поля. Слід зазначити, що цей генератор поля, що визначають уведення іонізованої плазми 26 може бути утворений однією тороїдальною котушкою, розташованою навколо двигуна, із заспокійливої камери 2 у прискорювальний канал 53 (тобто на забезпечення віддалення оскільки зовнішній несучий елемент 64 силових ліній магнітного поля від стінок магнітопроводу також має тороїдальну форму. заспокійливої камери). Конструкція магнітної системи плазмового В порожнині заспокійливої камери 2 прискорювача дозволяє одержувати необхідну конфігурацію магнітного поля шляхом добору установлена центральна коаксіальна кільцева котушка 24 з оболонкою 28, що знаходиться під внутрішніх діаметрів магнітних полюсів 61, 62, постійною напругою та підключена за допомогою відповідного становища центрального витка 24 і з'єднання 86 до джерела 85 постійної напруги струму, що протікає через нього, і генераторів 21(див. Фіг.2). За допомогою даного джерела 26 магнітного поля (див. Фіг.1 і 4). Ця конфігурація відрізняється нульовою регулюють потенціал оболонки 28 витка 24 обмотки котушки відносно до анода 7 (див. Фіг.2), величиною магнітного поля в районі розташування причому джерело 85 напруги, у свою чергу, анода 7, кутом між гілками роздільних ліній 27 підключене до позитивного полюса джерела 82 (див. Фіг.2), приблизно рівним 90°, і тим, що ці напруги і до анода 7 за допомогою з'єднання 84. роздільні лінії 27 перетинають стінки каналу під Коаксіальний виток 24 може бути закріплений за кутом, приблизно рівним 45°, і сходяться в районі допомогою фіксуючих елементів 29, жорстко анода 7, оточуючи центральний виток 24, але не з'єднаних із заспокійливою камерою 2 і стикаючись зі стінками заспокійливої камери 2. У ізольованих від магнітопроводу. Таким чином, районі анода 7 напрямок роздільних ліній створює виток 24 утворює четвертий генератор магнітного магнітне поле під кутом, рівним 45°, що забезпечує поля. Розміри заспокійливої камери 2 підбирають відділення потоку від стінок каналу і його відповідно до необхідних параметрів таким чином, фокусування в середині поверхні прискорювальної що відстань від оболонки 28 центрального витка (розрядної) камери 3 при заданому градієнті поля 24 до стінок заспокійливої камери 2 складає (не меншому 1000Е/см) від нульового значення в близько 16 ларморівських радіусів. З урахуванням районі розташування анода 7 до максимального значень температури електронів електронна значення на виході з каналу 53. температура, що забезпечує ефективну іонізацію Всі генератори 21-26 магнітного поля можуть атомів газу, перебуває в інтервалі від 15еВ до бути виготовлені з використанням 20еВ, а напруженість магнітного поля на електромагнітних котушок або постійних магнітів, роздільній лінії складає Н»100Е. Отже, відстань b точка Кюрі яких має лежати вище робочої від оболонки 28 центрального витка 24 до стінок температури плазмового прискорювача. Можливе також спільне використання електромагнітних 13 81616 14 котушок і постійних магнітів. Якщо генератори еквіпотенціальною стінкою 9 (SB) заспокійливого виготовлені з використанням електромагнітних об'єму. Іншою особливістю є "центральний виток" котушок, живлення на них може подаватися від 24 зі струмом, що протікає через нього, який різних джерел живлення й в одному напрямку, або утворює кільцевий провідник, формуючий від одного джерела живлення (послідовно з'єднані роздільну лінію й уловлюючий іони, що котушки). В останньому випадку необхідно утворилися. підібрати кількість витків у кожній котушці так, щоб Елементи першого рівня піддані таким забезпечити необхідну геометрію магнітного поля. напругам: Кільцевий анод 7 розташований у зоні Umix = USB= UA + dSB нульового магнітного поля і безпосередньо Usep= UA з'єднаний зі входом прискорювального каналу 53. де: UA - потенціал анода 7, Проте в цьому випадку ймовірне повторне Usep - потенціал роздільної лінії 27, розпилення матеріалу ізолюючих стінок Umix - потенціал "уловлювальної" поверхні, прискорювальної камери 3 у результаті їхнього тобто поверхні 28, що знаходиться під напругою бомбардування іонами; як наслідок, на поверхні центрального витка 24 анода 7 може утворитися непровідна плівка. Тому USB - потенціал стінки 9. для збереження активної поверхні анода 7 слід Величина dSB»20-30В. розташувати його з радіальним зазором D Завдяки еквіпотенціальності силових ліній відносно до стінок прискорювального каналу 53. магнітного поля із заданим потенціалом роздільна Величина цього зазору має бути підібрана так, лінія 27, потенціал якої визначений анодом 7, щоб забезпечувати оптимальні умови. З одного утворює дно потенційної ями, у якій збираються боку, величина зазору не повинна бути надмірно утворені іони. Іони осцилюють, зіштовхуючись із великою, щоб не порушувати цілісності потоку або потенційним бар'єром біля "уловлювальної" ерозії анода 7 у результаті його бомбардування поверхні 28 або біля еквіпотенціальної стінки 9 іонами. З другого боку, зазор не має бути занадто (SB). Оскільки відстань між межами осциляцій малим, щоб не заважати проходженню струму по збільшується в міру наближення до точки "X" 4, поверхні анода, оберненій до прискорювального іони направляються до каналу 53, втрачаючи каналу. Регулювання величини зазору D може (внаслідок збереження поперечної адіабатичної бути здійснене за допомогою механічного i кріплення анода за допомогою жорстких інваріанти V^ h = const , де h - відстань між прокладок. Якщо дані прокладки електропровідні, межами осциляцій) поперечну швидкість і цим забезпечується електричне з'єднання анода з збільшуючи подовжню швидкість, спрямовану до позитивним полюсом джерела живлення по входу 54 прискорювального каналу 53. Усередині ланцюзі живлення. каналу 53 конфігурація магнітного поля має Для нейтралізації потоку іонів, що ви ходить з надавати іонам необхідний напрямок. Величина прискорювального каналу 53, можна встановити магнітного поля Н на роздільній лінії 27 має порожнистий газорозрядний катод 8 будь-якого відповідати умові: типу. Цей катод 8 може додатково бути розміщено або на цій стороні двигуна, або, за іншим H2 ³ (2nekTe ) варіантом здійснення винаходу, всередині 8p центрального сердечника, причому катод має бути де nе - концентрація електронів у розряді, обернений назовні. k - постійна Больцмана, Плазмовий прискорювач за винаходом має Те - електронна температура. наступний принцип дії. За допомогою генераторів Крім того, з урахуванням можливої дифузії магнітного поля 21-26 і інших елементів необхідно, щоб відстань hM-C між "уловлювальною" магнітопроводу одержують магнітне поле поверхнею 28 і роздільною лінією 27 і відстань hCнеобхідної геометрії. Інертний газ, наприклад ксенон, подається в попередньо нагрітий катод 8 і Cb між роздільною лінією 27 і буферною стінкою були більші за або рівні величині 8 х r е, тобто в кільцевий газовий розподільник 11, після чого восьми електронним радіусам. Звідси випливає: елементи прискорювача піддаються напрузі, і в першій і другій камерах 3, 2 виникає розряд. hM-C=qMCr e qMC³8 Принципова схема прискорювача подана на HC-Cp=qC-Cpr e qMC³8 Фіг.1 і 2. Утворення на заспокійливому рівні 2 цілком Заспокійливий рівень 2 містить іонізованої плазми низької енергії (5¸15еВ) еквіпотенціальну стінку 9 (позначену далі буквами дозволяє одержати у прискорювальному каналі 53 SB), кільцевий виток 24, через який тече струм, і практично моноенергетичний іонізований потік, анод 7, який визначає потенціал у зоні нульового який добре піддається фокусуванню й може бути магнітного поля і відіграє для цього рівня роль відділений від стінок. катода. Робоча речовина надходить на задню Прискорювальний рівень 3 діє за класичним сторону цього рівня 2. Прискорювальний рівень 3 принципом. Величина магнітного поля має традиційну конструкцію. Цей рівень містить збільшується в міру наближення до виходу і сягає діелектричний канал 53 і катод 8, розташований на свого максимуму у вихідній площині. Градієнт виході генератора. магнітного поля становить 1000Е/см. Силові лінії Особливістю заспокійливого рівня 2 є анод 7, магнітного поля вигинаються в напрямку анода 7. який діє як заспокійливий катод. Він забезпечує Електричне поле забезпечує переміщення іонів. розряд між роздільною лінією 27 і Електрони переміщуються в азимутальному 15 81616 16 напрямку в перехресному електричному й Розходження іонного пучка було скорочене до магнітному полі. величини порядку ±10° і навіть ±3°, к.к.д. був Можливість створення електричного поля, збільшений до рівня 65-70% і, що не менш опуклого в напрямку анода 7 і фокусуючого іони в важливо, було досягнуте розширення робочого центрі прискорювального каналу 53, пов'язана з діапазону двигуна по напору і питомому імпульсу. наданням силовим лініям магнітного поля рівного Технічні переваги винаходу, пов'язані з потенціалу. Цей процес пов'язаний з тією підвищенням ступеня іонізації прискорюваної обставиною, що для плазмового прискорювача з активної речовини, підтверджені результатами дрейфом електронів у закритому контурі рух експериментальних досліджень. Вдалося електронів визначається таким рівнянням: одержати значно вищу іонізацію активного газу, ніж у відомих пристроях, використовуючи 0 = Ñ Pe + eE + 1/ c × [VeH]; E = -ÑF квадрупольну систему з двох котушок, по яких де: Ñ Pe - градієнт електронного тиску, течуть співнаправлені струми. В цьому випадку e - заряд електрона, між котушками утворюється зона нульового Е - напруженість електричного поля; магнітного поля, оточена магнітним бар'єром. Коли Ve - швидкість електронів, в цій зоні розміщують катод з позитивним відносно Н - напруженість магнітного поля, до котушок потенціалом, виникає розряд, і увесь F - потенціал електричного поля. окіл роздільної лінії заповнюється плазмою. В цій Інтегрування цього рівняння вздовж силової системі за винаходом з потужністю джерела лінії 27 магнітного поля дає таку формулу: живлення близько 30Вт (Up£200В, Jp£160 мА) при F*(g)-F(c)-kTe/е×ln ne/ ne(g), використанні ксенону отримані такі де: F *(g) - постійна величина потенціалу на характеристики: силовій лінії магнітного поля, так званий М=2мг/с, термалізований потенціал, nе»1012см -3 F(c) - електричний потенціал; при Те»30еВ і ei»50еВ, Те - електронна температура; де: М - інтенсивність потоку активної k - постійна Больцмана; речовини, nе - концентрація електронів у розряді; nе - концентрація електронів, nе(g) - ступінь концентрації електронів на даній Те - електронна температура, силовій лінії магнітного поля (нормалізоване ei - середня енергія іонів. значення). Ці дані унікальні, оскільки в стаціонарному З останнього рівняння випливає, що силові розряді малої потужності вдалося одержати лінії магнітного поля еквіпотенціальні, якщо Те®0 високу електронну температуру й значну або nе=nе(g). За виконання цих умов для концентрацію електронів поза залежністю від типу одержання необхідної геометрії еквіпотенціальних використовуваного активного газу. ліній електричного поля достатньо одержати Підтверджено можливість використання з силові лінії магнітного поля, опуклі в напрямку великим к.к.д. різноманітних активних речовин з анода 7. Таким чином, для створення плазмового такими характеристиками: прискорювача з високим к.к.д. необхідно виконати a) менш дорогих (Кr, Аr, N2); наступні умови. b) наявних у атмосфері планет (СО2, CH4, По-перше, необхідно забезпечити постійну NH3); густину іонного потоку (і, отже, нейтральних c) що складаються з парів металів (від легких: частинок) у районі анода 7, що знижує вплив Na, Mg, К, - до важких - Hg, Pb, Br). складової Ñ Pe на процес. По-друге, варто забезпечити опуклу в напрямку анода 7 форму силових ліній магнітного поля. Для цього важливо забезпечити необхідне фокусування іонів у зоні іонізації, де їхня швидкість мала. Таким чином, прискорювач діє як дворівнева система. На заспокійливому рівні 2 вирішується лише одна задача: найбільш повна іонізація речовини, причому енергія іонів залишається вкрай низькою. Об'єм зони іонізації нічим не обмежений, що дозволяє одержати практично повну іонізацію речовини і не допустити потрапляння нейтральних частинок у прискорювальний канал 53. За рахунок цього досягається скорочення частки нейтральних частинок, іонізованих у зоні прискорення, і розширення робочого діапазону по тязі й питомому імпульсу. У результаті проведених дослідів був отриманий необхідний профіль магнітного поля в заспокійливій камері 2 і в каналі, близький до ідеальної конфігурації магнітного поля. 17 81616 18