Плазмовий прискорювач

1. Плазмовий прискорювач, що містить кільцевий пустотілий анод-газорозподільник, магнітну систему із джерелом магніторушійної сили і магнітопровідником, що утворює полюсними наконеч C2 2 86388 1 3 чів, обумовив їхнє застосування в різних галузях від нанесення покриттів до досліджень по керованому термоядерному синтезу. Крім інших, основним недоліком таких прискорювачів є обмежене число спрацьовувань, що, як правило, не перевищує 103-104. Відомий також плазмовий холовський двигун малої потужності по патенту України №69 865 від 15.09.2004, МПК F 03 Н 1/00, який містить кільцеву розрядну камеру, утворену стінками порожнистого анода, магнітну систему та катод-компенсатор, установлений за вихідним перерізом розрядної камери. Такий пристрій забезпечує стабільне прискорення плазмового струменя при прийнятній енергетичній ціні тяги, однак ресурс його роботи є недостатньо високим. Найбільш близьким до плазмового прискорювача, що заявляється, по технічній сутності є прискорювач із замкнутим дрейфом електронів і протяжною зоною прискорення, відомий також за назвою двигун із прискоренням у магнітному шарі або стаціонарний плазмовий двигун (СПД), описаний в (Стационарные плазменные двигатели./ Белан Н.В., Ким В.П., Оранский А.И., Тихонов В.Б. Харков, ХАИ, 1989, стор. 161, мал. 6.9) і обраний як прототип. Цей прискорювач плазми, що містить кільцевий пустотілий анод - газорозподілювач, магнітну систему із джерелом магніторушійної сили й магнітопровідником, що утворює замкнутий зазор, розрядну камеру з кільцевим осесиметричним каналом, що прискорює, і катод-компенсатор, розміщений за вихідним зрізом розрядної камери, характеризується оптимальними на сьогоднішній день техніко-економічними параметрами тяги, потужності, технологічності, вартості, а також масогабаритними показниками. Основним недоліком устрою-прототипу є його недостатньо високий ресурс роботи. Причиною цього є ерозія стінок розрядної камери під дією іонів, нейтральних атомів і електронів (інтегральна ерозія), найбільш істотна в області магнітного зазору і максимальна в районі вихідного зрізу розрядної камери. Зміна геометрії стінок розрядної камери, що відбувається під дією ерозії, і є тією основною причиною, що приводить в кінечному результаті до виходу розглянутого плазмового прискорювача з ладу. Відзначені обставини обмежують тривалість безвідмовної роботи устроюпрототипу і, наприклад, для випадку СПД невеликої потужності (зовнішній діаметр розрядної камери 20мм), у якому стінки розрядної камери виконані з кераміки на основі алюмонітриду бору (АБН), значення ресурсу не перевищує 150 годин. Таке значення тривалості безвідмовної роботи на даний момент є недостатнім. Технічним завданням пропонованого плазмового прискорювача є підвищення тривалості безвідмовної роботи. Поставлений технічний результат досягається тим, що в плазмовому прискорювачі, що містить кільцевий пустотілий анод - газорозподілювач, магнітну систему із джерелом магніторушійної сили й магнітопровідником, що утворює замкнутий зазор, розрядну камеру з кільцевим осесиметричним каналом, що прискорює, і катод-компенсатор, 86388 4 розміщений за вихідним зрізом розрядної камери, відповідно до винаходу, стінки розрядної камери складені із частин з різних матеріалів, що мають близький коефіцієнт температурного розширення у всьому діапазоні робочих температур, причому матеріал, що має більш низький інтегральний коефіцієнт розпилення, розміщений в області магнітного зазору, а самі матеріали з'єднані сполучним матеріалом, що має такий же коефіцієнт температурного розширення. Поставлене технічне завдання вирішується також тим, що в плазмовому прискорювачі як матеріали частин стінок розрядної камери використають кераміку з алюмонітриду бору (АБН) і кераміку на основі оксиду алюмінію (Аl2О3), причому останню розміщають в області магнітного зазору, а як сполучний матеріал, що з'єднує частини розрядної камери, використовують силікат натрію або калію. Розглянемо причинно-наслідковий зв'язок між відмінними ознаками пропонованого пристрою і технічним результатом, що досягається, а саме підвищенням тривалості безвідмовної роботи. Виконання стінок розрядної камери складених із частин з різних матеріалів, що мають близький коефіцієнт температурного розширення в усьому діапазоні робочих температур, причому матеріал, що має більш низький інтегральний коефіцієнт розпилення, розміщений в області магнітного зазору, а самі матеріали з'єднані сполучним матеріалом, що має такий же коефіцієнт температурного розширення, приводить до наступного. Виготовлення розрядної камери, що складається із частин з різних матеріалів, причому розміщення матеріалу з низьким інтегральним коефіцієнтом розпилення (наприклад, оксиду алюмінію (Аl2О3), див. (Стационарные плазменные двигатели./ Белан Н.В., Ким В.П., Оранский А.И., Тихонов В.Б. - Харков, ХАИ, 1989, стор.216, мал. 6.30,6) в області максимальної ерозії (область магнітного зазору) забезпечує, у порівнянні з випадком, коли в цій області розташований матеріал, що має більш високі ерозійні характеристики (алюмонітрид бора в устрої-прототипі), як мінімум, в 3-4 рази зменшену швидкість зміни геометрії розрядної камери, що, за інших рівних умов, гарантує таке ж (у 3-4 рази) збільшення ресурсу роботи плазмового прискорювача. У пропонованому прискорювачі плазми розрядна камера, як ми вже відзначали, складена із частин. Необхідність застосування складової розрядної камери викликана тим, що розрядну камеру виготовити цільної з матеріалу із низьким інтегральним коефіцієнтом розпилення (оксиду алюмінію) неможливо по ряду обставин, основною з яких є вкрай погана оброблюваність оксиду алюмінію, що не дозволяє із прийнятними витратами одержати досить складну конфігурацію розрядної камери. Тому та частина розрядної камери, що практично не піддається ерозії (або якщо піддається, то незначної) і що має більш складну конфігурацію, виконана з матеріалу із більшим інтегральним коефіцієнтом розпилення, але маючого задовільну здатність до обробки (наприклад, з алюмонітриду бору - АБН). Та ж частина розрядної камери, що 5 піддається інтенсивній ерозії, виготовлена з матеріалу, що мало еродує і погано оброблюється (наприклад, з оксиду алюмінію – Аl2О3). Але за рахунок того, що вона має просту геометричну форму, труднощі, пов'язані з обробкою, усуваються. Виготовлення розрядної камери складеної із частин вимагає міцного з'єднання її елементів (частин). При цьому ця міцність повинна забезпечуватися протягом всього терміну служби прискорювача плазми в усіх режимах його роботи. Із цією метою в пропонованому пристрої складові частини розрядної камери з'єднані за допомогою сполучного матеріалу, у якості якого можна використати, наприклад, силікат натрію або калію. Істотна відмінна ознака, що полягає у використанні матеріалів розрядної камери, а також сполучного матеріалу, який з'єднує ці матеріали, із близькими коефіцієнтами температурного розширення у всьому діапазоні робочих температур, обумовлює низькі значення термомеханічних напруг, що виникають у місцях з'єднання матеріалів при запуску і зупинці прискорювача плазми (термоцикліювання). Невеликі значення відзначених напруг запобігають можливі відмови пристрою, пов'язані з утворенням мікротріщин і наступним викришуванням стінок розрядної камери. Зазначеній вимозі відповідають пропоновані матеріали - алюмонітрид бора (АБН), оксид алюмінію (Аl2О3) і силікат натрію (Nа2Sі3.9Н2O). Таким чином, розглянута сукупність істотних відмінних ознак пропонованого плазмового прискорювача, забезпечує досягнення технічного результату, що полягає в підвищенні тривалості його безвідмовної роботи. На Фіг.1 зображений плазмовий прискорювач із розрядною камерою, складненою із частин, згідно пропонованого винаходу. На Фіг.2 пунктиром показане місце розташування і характер ерозії стінок розрядної камери в устрої-прототипі. Плазмовий прискорювач містить кільцевий пустотілий анод - газорозподілювач 1, магнітну систему із джерелом магніторушійної сили 2 і магнітопровідником 3, що утворює своїми полюсними наконечниками 4 замкнутий зазор 5. Між анодом газорозподілювачем 1 і полюсними наконечниками 4 розташована розрядна камера з кільцевим осесиметричним каналом, що прискорює. Розрядна камери складнена із частини (елемента) 6, зверненої до аноду-газорозподілювача і частини (елемента) 7, розміщеної в області зазору 5. Ці елементи складеної розрядної камери виготовлені з різних матеріалів, причому частина 7 виконана з матеріалу, маючого менший коефіцієнт інтегрального розпилення. Частини складеної розрядної камери з'єднані між собою сполучним матеріалом 8. Матеріали складових частин 6 й 7 розрядної камери і сполучний матеріал 8 мають близькі коефіцієнти температурного розширення у всьому діапазоні робочих температур прискорювача плазми. За вихідним зрізом розрядної камери розташований катод-компенсатор 9 прискорювача плазми. Пристрій працює в такий спосіб. При подачі напруги на джерело магніторушійної сили 2 в області замкнутого зазору 5 полюсни 86388 6 ми наконечниками 4 магнітопровідника 3 створюється магнітне поле з магнітною індукцією В. Від системи зберігання і подачі робочої речовини (не показана) через анод-газорозподілювач подається плазмостворюючий газ (ксенон). Термоемісійний катод-компенсатор 9 за зрізом каналу, що прискорює, створює хмару електронів. Між анодомгазорозподілювачем 1 і катодом-компенсатором 9 прикладається різниця потенціалів U=300 В. При цьому в прискорювачі плазми загоряється стійкий розряд з азимутальним дрейфом електронів в каналі, що прискорює. В області замкнутого зазору 5, де максимальна індукція магнітного поля, створюються умови для прискорення іоного компонента плазми. Одночасно, як й у пристрої прототипі, у процесі роботи відбувається ерозія стінок розрядної камери під дією іонів, нейтральних атомів й електронів (інтегральна ерозія), що найбільш істотна в області магнітного зазору 5 і максимальна в районі вихідного зрізу розрядної камери. Однак у випадку плазмового прискорювача, що заявляється, коли розрядна камера складена із частин (частини 6 й 7) з різних матеріалів і в області магнітного зазору 5 стінки розрядної камери виконані з матеріалу з мінімальним коефіцієнтом розпилення, зміна геометрії розрядної камери також мінімальна, що й забезпечує плазмовому прискорювачу, що заявляється, більш високу, у порівнянні з устроєм-прототипом, тривалість безвідмовної роботи. У пропонованому плазмовому прискорювачі розрядну камеру складену з елементів (частин) 6 й 7 виготовляли в такий спосіб. Спочатку виготовляли елемент 6 з алюмонітриду бору (АБН) по тій же технології, яка прийнята для виготовлення розрядної камери в устрої-прототипі. Потім виготовляли елемент 7 з оксиду алюмінію (Аl2О3). Оскільки елемент 7 має просту геометричну форму - кільця, виготовлення його не становить труднощі. На елементи 6 й 7 у зоні їхнього з'єднання (на Фіг.1 виділена жирною лінією) наносили шар сполучного матеріалу, у якості якого використовували Nа2Sі3.9Н2О (силікат натрію, можливо також використання силікату калію, що має близькі характеристики). Після витримки при кімнатній температурі протягом 15 хв., елементи 6 й 7 з'єднували та у такому зібраному виді розрядну камеру поміщали в муфельну піч шахтного типу, у якій поступово підвищували температуру до 1200°С. Після витримки при цій температурі прпотягом 30 хв. і наступного остигання, розрядна камера вважалася готовою. Виготовлену в такий спосіб розрядну камеру із зовнішнім діаметром 20мм використовували в конструкції пропонованого плазмового прискорювача при проведенні порівняльних випробувань із устроєм-прототипом, у якості якого використали СПД невеликої потужності (зовнішній діаметр розрядної камери 20мм, розрядна камера з кераміки АБН). Режим випробувань для обох пристроїв був однаковий з наступними основними параметрами: витрата плазмостворюючого газу (ксенон) 0,35мг/з; напруга розряду - 280В; струм розряду 0,3А. У ході досліджень установлено, що об'ємне масозникнення матеріалу розрядної камери в за 7 86388 пропонованому плазмовому прискорювачі (ύ=3,2.10-5см3/год) набагато менше, ніж в устроїпрототипі (ύ=4,1.10-4см3/год), що і забезпечує йому більшу тривалість безвідмовної роботи. Характер масозникнення (ерозії) матеріалу в розрядній камері устрою-прототипу показаний на Фіг.2 штриховою лінією. Аналогічне масозникнення спостеріга 8 ється і для плазмового прискорювача, що заявляється, однак у цьому випадку швидкість ерозії матеріалу стінки розрядної камери істотно нижче. Результати ресурсних випробувань наведені в таблиці. Таблиця № випробування 1. 2. 3. 4. 5. 6. Тривалість безвідмовної роботи, год. Пристій - прототип (СПД) Пропонований плазмовий прискорювач 136 129 147 689 702 741 За результатами випробувань видно, що тривалість безвідмовної роботи (ресурс) пропонованого плазмового прискорювача перевищує анало Комп’ютерна верстка Д. Шеверун гічний параметр устрою-прототипу більш ніж в 5 разів. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601