CN1314070A - 等离子体加速器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体加速器装置,用于航天飞行器离子发动机。按照本发明,所述装置包括一个围绕一根纵轴线设置的电离室,一个用于沿所述纵轴线在一个加速段上产生正向电荷推进剂离子电位差的电极装置,以及一个在所述电离室内沿纵轴线引导集束电子射线的装置。所述装置可高效率地产生中性等离子体聚焦射流。本发明还给出了引导和聚焦该射流的电场和磁场配置方案的实例。

Description

等离子体加速器装置

本发明涉及一种等离子体加速器装置。等离子体加速器(离子发动机，电子推进***EPS)对于航天飞行器的驱动有着极为重要的意义，不仅对于近地和静止卫星，而且也包括地球轨道之外的空间飞行器。驱动脉冲和所使用的推进剂质量的比值是衡量驱动效率的尺度，对等离子体加速器而言要大大优于通常的化学推进装置，所以可减小推进剂的重量份额，这对于航天应用是极为重要的。作为推进剂经常使用具有高原子量的稀有气体，特别是氙。

在栅格离子发动机的一个电离室中，通过高频或者电子轰击在中性氙气中产生等离子体。带正电荷的离子在电场的作用下朝着栅格电极的方向加速输出。被加速的离子射流必须掺入自由电子射流，以实现电中性。该中性离子射流以很高的速度从发动机中喷出，并且朝相反的方向对飞行器进行加速。由于空间电荷效应，离子射流密度受到限制，而且这种结构的发动机需要较大的横截面，然而只能得到一般的反作用脉冲。

按照霍尔原理制造的离子发动机是一个环形电离室，具有一个平行于环轴线的电加速场和一个径向磁场。从一个外部电子源朝着与离子喷射方向相反的方向将电子导入含有中性氙气的电离室，该室内的电子在磁场作用下，被强制进入螺旋轨道，所以在电离室内的运行距离是至阳极的直接路程的若干倍，因此能提高推进气体的离子交换作用。所述磁性偏转也涉及到二次电子，该电子在电场中被加速。所给出的电场配置可充分避免空间电荷区的形成，因后者可对带正电荷的推进剂离子产生电加速场的屏蔽作用。带正电荷离子的加速可以产生基本上中性的等离子体。和栅格离子发动机装置相比，这样一种装置可明显提高射流密度，但是由于喷出的离子射流有较大的扩散角，所以其效率一般。

本发明的目的是，提供一种等离子体加速器装置，特别是具有更高效率的航天飞行器离子发动机。

以上任务的解决方案体现在权利要求1中。本发明的有利方案和改进包含在从属权利要求中。

在本发明所述装置中，被送入电离室的集束电子射线开始对处在电离室内和/或引入该室内的中性推进剂气体进行电离。在所述电离过程中释放的二次电子被送入可加速正电荷离子的电场，并在反方向上被加速，且其本身重新被电离。通过电子射线激活了电离过程后，二次电子可成为进一步电离的主要成分。

所输入的电子射线的另一个重要效应是通过电子射线的负空间电荷补偿离子射流的正空间电荷，从而对在电子加速场中被加速的离子射流进行更好的聚焦，所以不会对加速电场产生屏蔽作用。用于正离子的加速场对相同方向上的电子射线的电子产生延迟作用，该方向和被加速的离子射流相同，所以电子射线的空间电荷密度在电离室的纵轴线方向上是增加的，这有利于和电离室终段喷出的离子射流集束相匹配。电子射线的电子平均速度以及相当于电子电位上升速率的离子加速场的电位差最好应当相互匹配，从而在离子加速段(或者电子射线的电子延迟段)的终端，电子射线的电子和被加速的离子射流的离子的平均速度近似相等，进而在加速段的终端输出近似中性的等离子体。平均速度的差别优选小于系数10。

所述电子射线通过其负的空间电荷作用于电离室的整个长度，并作为正离子的中心吸引器，而且支持被加速离子在集束电子流中的聚焦，同时补偿相互撞击的离子。电子射线的扩张也可通过由磁场和/或电场作用的射线导向和/或射线聚焦***完成。特别有利的是采用一种磁性射线引导***，具有在射线范围内相对射线方向和相对电离室纵轴线基本上平行的场分布。具有垂直于纵轴线运动分量的电子射线的电子通过磁场被强制引导到围绕射线轴线的一个螺旋轨道上。磁性射线引导***本身可以是公知的各种形式的电子射线管，特别是行波管，其形式为具有永久周期磁铁装置以及具有沿中心线产生的磁场方向反转功能，在该磁铁装置上，磁场也具有很强的径向分量。这种公知的射线引导***是为了公开的目的而引用的。

磁场***也可很好地适于强制电离过程中产生的慢速二次电子进入螺旋状或者类似的曲线轨道，所述二次电子在用于正离子的电加速场中朝相反的方向被加速。这样，一方面可防止电子在电离室纵轴线相反方向上的电子快速与电极相遇，而且能明显提高二次电子触发一个或多个其他电离过程的概率，使得推进剂气体的一次电离可通过二次电子进行。另一方面，通过二次电子较长的停留，在电离过程中产生的慢速离子的正空间电荷被部分抵销。最后，电子可通过磁场作用大部分被保持在相应的电位级上，最终被引导到与纵向相反的下一个电极，所以通过在其他距离上加速二次电子可避免更大的能量损失。二次电子围绕作用在电子上的加速场方向在弯曲轨道上的偏转是特别有效的，前提是电场和磁场的场强方向相互垂直。电场和磁场的一种有利的构成方式是，大部分场线，特别是大于电离室体积90％的场线是交叉的。电场和磁场方向之间的夹角在至少50％的电离室体积内最好为45°至135°。不仅磁场而且电场的主要场分量都明显指向平行于纵轴线的方向，而且电场和磁场的平均场方向最好在电离室的纵轴线上相遇。对于沿纵轴线具有交替磁场方向的磁场，可不必注意平均磁场方向的极性。

在一种有利的方案中，磁场配置是用于产生电场的电极和磁场的极***替布置在纵轴线方向上，并且最好是将电极和/或极靴设置在电离室的侧壁上。所述的场最好转动对称或旋转对称于纵轴线，而且其最大和最小场强均位于纵轴线上。在最简单的单级结构中，有两个电极隔开布置在电离室的纵向上，有3个围绕电离室的极靴同样在纵向上间隔布置，而且其极***替，使得每两个极靴分别将两个电极之一包围。在纵向上的电极分别至少近似于纵轴线上的最大磁场场强以及纵轴线上的最小磁场场强，在磁场方向反转的位置上，处在纵轴线方向上的最大电场至少接近与以上最大、最小场强相遇。

在一种特别有利的多级装置中，磁场在纵轴线上具有多次磁场方向反转，并且呈环形围绕在电离室周围的极靴交替以不同极性布置在纵向上，而且分别插在电子装置的两个电极之间。有多个电极构成电位级，但电场和磁场不同，并没有指向纵轴线上的场方向反转点。电位沿电离室的纵向从一级到另一级单调改变。在纵轴线以外，两种场的场分布相互交叉，其中优选至少60％的体积中，相交场方向的夹角为45°至135°。

在另一种优选方案中，电场和磁场的相互匹配也可以是，一个位于某个电位级范围内处在两个直接相邻的电极之间，由于电离而产生的二次电子通过磁场的作用尽可能保持在该级内，并且在一个或多个其他电离过程的作用之后朝纵向相反的方向被引向下一个电极。

在电子由于其微小的质量而受到强磁场作用期间，离子的运动基本上仅仅是通过电场确定的。离子在电位差的方向上被加速并朝着纵轴线方向集中，此时该射束也通过相邻电极之间产生的场线的协同作用。离子可以从电场中得到多个电位级的平均能量，而由于电极收集二次电子而造成的能量损失，因为电子运动被限制在一个或两个电位级内而保持在很小的程度上，所以将电能转换成磁能时，会得到很高的效率。

最好采用环形电极，特别是一个多级装置中的两个其他电极之间的中间电极，为了二次电子的可靠汇集，最好在纵向上延伸出较大面积，中间电极在纵轴线方向上的长度最好至少为下一个电极间距的30％，特别是至少为80％。

为了实现所述具有二次电子的运动限制以及正离子聚焦通过场透镜得到的所述场特性，中间电极的直径最好小于纵轴线方向上电极长度的300％，特别是小于100％。

为了产生中心射线或者空心射线形状的集束电子射线，可以采用阴极射线管技术中的许多公知方案，此处不再详述这些方案，可参见已有技术中的装置。对于本发明例如可通过皮尔斯类型的电子光学技术将由一个阴极发出的电子流约束成一束层流射线，并且沿电离室中的纵轴线传输。电子射线在电离室的入口区最好作为用于电离室内产生的离子的壁垒构成，从而防止由于阴极电位穿透电离室将离子朝阴极偏转造成电损失，甚至造成阴极电子发射能力的降低，或者至少将这种不希望的离子流限制在最小程度。作为离子壁垒例如可以采用第一电极构成的环形孔板，其孔径要小于电离室的直径。在电离室内部，射线通过所述此处的作用形成集束射线。

所述集束电子射线的一次电子在用于离子加速所构成的电位差作用下，在第一个和最后一个电极之间的加速段内得到延迟，所述装置优选采用多级电子装置，它的结构最好基本上与电离室相同。无需额外的能量损失即可使电子以剩余速度抵达延迟段的终点，该剩余速度大大小于加速段的初始速度(用于电子的延迟段)。最后的电极的电位最好对电子而言，稍低于阴极电位。在电离室内，无需推进剂气体电子即可在加速段的终点以很小的剩余能量被起到收集器作用的最后的电极所接收。

在电离室内具有推进剂气体的实际情况中，一些一次电子在穿过电离室的路程上，由于与推进剂气体的交换作用，特别是通过推进剂气体的激活和电离而释放能量，并且失去速度。此处的典型方式是所依据的速度损失大大小于吸收速度，并且可在最后的电极电位的调整中加以考虑，以实现输出的等离子体射流具有中性等离子体。特别是按照经验方式确定。

推进剂气体的输入最好从电离室的侧壁开孔实现，其范围不仅与电子射线的入口隔开，而且与等离子体射线的出口隔开。输入范围最好距离电子射线入口在电离室纵向上长度的10％至40％。

以上所述特征以及权利要求书中给出的特征不仅可以单独实现，也可以采用有利的组合实现。

下面对照附图所示实施例对本发明作进一步的说明。附图中：

图1表示一个多级结构的纵向剖视图，

图2表示一个多级装置的场分布曲线，

图3表示一个单级装置的场分布曲线。

图1中的剖视图是沿所示装置的纵轴线Z作出的，它具有围绕该纵轴线Z的电离室IK，该室例如是围绕纵轴线Z旋转对称的结构。所述电离室IK在纵轴线Z方向上的纵向距离基本上大于该电离室的直径DK，该直径垂直于纵轴线Z。所述电离室IK被垂直于纵轴线的圆柱形侧壁包围。

沿侧壁布置有磁性极靴PP和电极E1、E2至E5，其中极靴和电极至少在其朝向中心纵轴线Z的一侧是旋转对称的。所述磁性极靴PP将电离室IK中径向隔开设置的永久磁铁PM产生的磁性射流沿径向偏转，使得每个极靴PP都构成一个磁极，其中在纵向上直接相邻的极靴构成极性相对的磁极。在所述电离室IK内的极靴之间形成的磁场，在每个极靴PP的位置上产生磁场方向反转。这样一种磁场布置方式，作为永久周期磁铁***已经充分公开在行波管技术中。

在极靴PP之间设置的电极E1至E5上被加有不同的电位A1、A2至A5。电极装置通过阴极K和阳极E0补充完整。所述阴极K和阳极E0构成一个射线生成***，用于产生集束电子射线EB，后者是由层状电子流ES形成的。所述用于产生和聚焦电子射线的射线***同样已经在已有技术中公开了多种方案。阳极电极E0与电离室中侧面隔开的电极E1至En共同构成一个电极装置，它具有一个用于离子的单调电位差，即从阳极E0的电位A0至电极E5的电位A5，形成正电荷离子的A0＞A1＞A2＞A3＞A4＞A5。对于电子射线EB的负电荷电子，电位系列A0至A5构成阻尼电位，它可连续减小电子射线EB在沿纵轴线Z传播时的初始速度。所以对电子有A5＞A0。用于电子的阴极K的电位AK要选择稍高于电位A5，所以电子射线EB的电子在穿过电离室后达到电极E5时还具有一个较小的剩余速度。电极射线EB在电离室内通过极靴之间建立的磁场HK的作用形成集束射线。

电离室通过侧壁引入中性推进剂气体TG。电子射线EB的电子与该中性推进剂气体发生交互作用，并且使气体产生部分电离。此时产生的正电荷离子在电位差A0至A5的方向上被加速，并且在集束电子射线EB以及通过沿纵轴线Z构成的场透镜作用的连续电子集束。在电离中释放的二次电子开始在静态变化的方向上只有很小的速度。该二次电子在电场EK中的各个电极之间被加速，加速方向和离子的加速方向相反。所加速的二次电子同时被电离室IK内存在的磁场HK偏转，并且被强制引入曲线轨道，朝着加速电场的方向前进。这样便可大大延长一个级内两个电极之间的电子停留时间，而且大大提高了这种二次电子触发其他电离过程的概率。所述二次电子最后被位于阳极E0方向上的一个电极吸收。电子在与一个电极相遇之前，在所述电离室中的两个电极之间较长的停留时间的作用是，通过正向电荷离子快速建立正向空间电荷，并且避免离子加速场被屏蔽。

推进剂气体TG的电离不仅通过电子射线EB的一次电子实现，而且也通过已经发生的电离过程中的二次电子实现，电离基本上分布在所述电离室的整个长度上。沿A0至A5的电位差在纵轴线Z的方向上被加速、并且围绕纵轴线Z集束的离子，在电离室的出口KA处与集束电子射线EB的延迟电子共同形成一束基本上为中性的等离子体射流PB，它具有很小的射线发散度。

所述阳极电极E0同时作为电子壁垒构成，并且具有孔板电极的形状，和电离室的直径DK相比，孔板开孔的直径要小于前者。在图1中作为电位差的举例数值，标出了最后一个电极E5相对电极E0至E4的电压。阴极K的电压相对最后一个电极E5呈少许负向。磁铁装置的磁极按照通常方式分成S和N两种。

图2中定性地表示出图1所示结构的局部沿纵轴线Z的场分布曲线和电子电荷分布曲线。在图2中，除了场分布曲线和电子电荷分布曲线外，还标明了电极E0、E1等以及极靴PP在其沿Z轴线的位置。一次电子射线EB对称布置在纵轴线Z的两侧，然而为了表示清楚，二次电子的聚集EC仅表示在纵轴线Z的一侧。用Ez和Hz表示的场强直接标在纵轴线上和其周围。纵轴线Z构成了图中的横坐标，而纵坐标定性地表示场强Ez和Hz。电场Ez在纵轴线上电极E0、E1等的位置上具有最小值，在电极之间的中间位置上为最大值。此时不会产生场方向的反转，所以电场强度在图中没有改变其方向符号。磁场强度在纵轴线的Z向上的极靴PP位置上显示最小值，在两个相邻极靴之间为最大值。和电场不同的是，磁场在各个极靴之间分别出现一个磁场方向反转，它在图中用横穿纵轴线Z的零线表示，并且其极性是交变的。在电离过程中产生的二次电子通过电场作用在电离室中被加速，并且通过磁场作用被强制进入弯曲轨道。此时将产生电子聚集，也就是说，在围绕纵轴线Z的环形范围EC中，电子的浓度升高，它在纵向上大致位于电场的最小值和磁场的最大值之处。

图3表示与图2类似的场分布曲线和电子分布曲线，它用于具有两个电极E1、E2的单级装置，电极的电位为A0和A1，还包括一个具有3个极靴PP1、PP2和PP3的磁铁装置，每两个极靴将两个电极E1和E2之一夹在中间。这种单级装置的场结构和图2所示的一样，电场强度的最小值位于电极E1和E2在轴线上的位置，电场强度Ez的最大值位于轴线上的两个电极之间。磁场强度Hz在纵轴线上的中间极靴PP2的范围内达到最小值，而且也产生一个磁场方向反转。磁场强度的最大值位于电极E1和E2的范围内，此处的电场强度Ez在轴线上具有最小值。环绕纵轴线Z产生环形电子云EC的作用方式与图2中的实施例相同。

本发明并不限于以上所述实施例，而是在技术人员的能力范围内，以任意方式变化。特别是电离室的尺寸、电极的大小比例、电极间距、电极直径可以根据具体情况进行各种适当的变化。电极和/或极靴的间距以及电极在纵轴线上的长度，在多级装置中并不要求对所有各级是不变的。在第一个和最后一个电极之间的电位差并不强制要求是线性的，而是在具体情况中可以采取一种非线性分布。所述等离子体加速器装置并不限于所述优选的用于航天飞行器离子发动机的用途，也可以用于使用高功率密度的无接触材料加工，例如焊接，钎焊，切割等，也可用于难熔金属的加工。

Claims (20)

1．等离子体加速器装置，包括一个围绕一根纵轴线设置的电离室，一个用于沿所述纵轴线在一个加速段上产生正向电荷推进剂离子电位差的电极装置，以及一个在所述电离室内沿纵轴线引导集束电子射线的装置。

2．如权利要求1所述的装置，其特征是，具有一个磁性射线导向***用于沿纵轴线引导电子射线。

3．如权利要求2所述的装置，其特征是，所述射线导向***含有一个永久磁铁装置。

4．如权利要求2或3所述的装置，其特征是，所述磁性射线导向***沿纵轴线具有一个或多个方向折反。

5．如权利要求1至4中任何一项所述的装置，其特征是，所述电极装置在加速段上具有一个或多个对应于多级电位差划分的中间电极。

6．如权利要求5所述的装置，其特征是，所述中间电极位于电离室的侧面边界上。

7．如权利要求5或6所述的装置，其特征是，所述中间电极在纵轴线方向上的长度至少为至下一个电极间隔的30％，优选至少为80％。

8．如权利要求1至7中任何一项所述的装置，其特征是，中间电极的直径小于纵轴线方向上电极长度的300％，特别是小于100％。

9．如权利要求2至8中任何一项所述的装置，其特征是，所述磁性射线导向***的磁极和所述电极装置的电极在纵轴线方向上交替布置。

10．如权利要求2至9中任何一项所述的装置，其特征是，所述电场和磁场的交叉占所述电离室体积的绝大部分，特别是大于90％。

11．如权利要求10所述的装置，其特征是，在大于60％的电离室的体积内，所述电场和磁场方向之间的夹角在45°至135°之间。

12．如权利要求1至11中任何一项所述的装置，其特征是，所述电位差的数值比电子射线在进入起延迟电子作用的加速段的入口处的电子平均动能稍小，特别是小于10％。

13．如权利要求1至12中任何一项所述的装置，其特征是，从所述加速段终点输出的等离子射线的电子的平均速度近似等于带正电荷离子的平均速度。

14．如权利要求13所述的装置，其特征是，所述电子和离子的平均速度最大相差10倍。

15．如权利要求1至14中任何一项所述的装置，其特征是，所述加速段至电子射线的入口侧通过一个离子壁垒封闭。

16．如权利要求1至15中任何一项所述的装置，其特征是，一个位于加速段开始部位的电极作为具有一个用于电子射线中心孔的聚焦电极，其孔直径基本上小于电离室的直径。

17．如权利要求1至16中任何一项所述的装置，其特征是，从电离室的侧面送入中性气态推进剂。

18．如权利要求17所述的装置，其特征是，所述推进剂的输入位置处在电离室的长度距离的10％至40％之间的范围内，从电子射线输入端起算。

19．如权利要求1至18中任何一项所述的装置，其特征是，所述电离室的长度基本上大于其直径，特别是大于直径的3倍。

20．如权利要求1至19中任何一项所述的装置，其特征是，所述加速段和电离室基本上是相同的。

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