RU167315U1 - Stationary low-power plasma engine - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к плазменной технике. Стационарный плазменный двигатель содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце. По крайней мере, один полый катод сообщен с линией для подачи ионизируемого газа. Кольцеобразный анод, концентричный главному каналу, расположен на расстоянии от его открытого конца. Во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала. Трубы для подачи ионизируемого газа сообщаются в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода. Средства для создания магнитного поля в главном канале обеспечивают наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала. А кольцеобразный металлический анод выполнен в виде втулки со ступенчатой внутренней поверхностью, в которой ступень меньшего диаметра расположена на расстоянии к открытому концу кольцеобразного канала ионизации и ускорения меньшем, чем ступень большего диаметра этой поверхности. 6 ил.The utility model relates to a plasma technique. A stationary plasma engine contains a main annular channel of ionization and acceleration, limited by structural elements of insulating material and open at its output end. At least one hollow cathode is in communication with an ionizable gas supply line. A ring-shaped anode concentric to the main channel is located at a distance from its open end. In the input part of the main channel, behind the anode location zone, an annular buffer chamber is placed, the size of which in the radial direction exceeds the radial size of the main annular channel. Pipes for supplying ionized gas communicate in the direction of the anode through an annular distributor with a zone different from the zone of the anode. Means for creating a magnetic field in the main channel ensure the presence in this channel of a radially directed magnetic field with a certain gradient to obtain maximum induction at the output of the main channel. And the annular metal anode is made in the form of a sleeve with a stepped inner surface, in which a step of a smaller diameter is located at a distance to the open end of the annular channel of ionization and acceleration less than a step of a larger diameter of this surface. 6 ill.

Description

Полезная модель относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической области в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Изобретение относится к плазменным двигателям, применяемым на космических аппаратах, в частности к стационарным плазменным двигателям (СПД) или "холловским двигателям".The utility model relates to plasma technology and is primarily intended for use in the space field as an executive body of an electric propulsion system. The invention relates to plasma engines used in spacecraft, in particular to stationary plasma engines (SPDs) or Hall engines.

Такие двигатели предназначены, в основном, для применения при движении в условиях космоса. Благодаря их высокому удельному импульсу (от 1500 до 6000 с) они обеспечивают значительный выигрыш по массе в сравнении с химическими реактивными двигателями. В качестве источников ионов или плазмы они также используются для наземного применения, в частности для технологий с ионной обработкой материалов.Such engines are designed primarily for use in motion in space. Owing to their high specific impulse (from 1500 to 6000 s), they provide a significant mass gain in comparison with chemical jet engines. As sources of ions or plasma, they are also used for ground applications, in particular for technologies with ion processing of materials.

СПД низкой энергетической ценой тяги за счет создания условий, благоприятных для ионизации, при этом создаваемый ими ионный поток нейтрален, что снимает ограничения величины плотности ионного тока за счет действия объемного заряда. В связи с этим такой плазменный двигатель может работать в широком диапазоне ускоряющих напряжений. Ионный ток в хороших моделях плазменных ускорителей такого типа близок к разрядному и определяется лишь величиной массового расхода рабочего тела. Таким образом, в известных СПД, в отличие от ионных двигателей, имеется возможность независимо изменять массовый расход и ускоряющее напряжение, то есть тягу и скорость истечения при высоком кпд двигателя.SPD low energy cost of traction by creating conditions favorable for ionization, while the ion flux created by them is neutral, which removes the limitations of the ion current density due to the action of space charge. In this regard, such a plasma engine can operate in a wide range of accelerating voltages. The ion current in good models of plasma accelerators of this type is close to the discharge current and is determined only by the mass flow rate of the working fluid. Thus, in known SPDs, in contrast to ion engines, it is possible to independently change the mass flow rate and accelerating voltage, i.e., thrust and flow rate at high engine efficiency.

В МГТУ МИРЭА при конструировании плазменных двигателей, потребляющих малую мощность, используется метод масштабирования, основанный на критерии Меликова - Морозова, подробно описанном в публикациях (А.И. Бугрова, Н.А. Масленников, А.И. Морозов. Законы подобия интегральных характеристик в УЗДП // ЖТФ, 1991, том 61, вып. 6, с. 45-51; А.И. Бугрова, А.В. Десятсков, А.С. Липатов и др. Экспериментальные исследования стационарных плазменных двигателей семейства АТОН // Физика плазмы, 2010, т. 36, №4, с. 395-400), так и метод оптимизации магнитного поля, запатентованный в 1999 г. (RU 2139647).When constructing plasma engines consuming low power at the Moscow State Technical University of Mire, the scaling method is used based on the Melikov-Morozov criterion described in detail in publications (A.I. Bugrova, N.A. Maslennikov, A.I. Morozov. Similarity laws of integral characteristics in Ultrasonic Data Protection // Zh.T. Fiz., 1991, Volume 61, Issue 6, pp. 45-51; A.I. Bugrova, A.V. Desyatskov, A.S. Lipatov, et al. Experimental Studies of Stationary Plasma Engines of the ATON Family // Plasma Physics, 2010, v. 36, No. 4, pp. 395-400), and the method of optimization of the magnetic field, patented in 199 9 g. (RU 2139647).

Так, известен созданный в МГТУ МИРЭА стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания заданного магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в нем радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала.For example, a stationary low-power stationary plasma engine created at the Moscow State Technical University MIREA is known, which contains a discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration, made of an insulating material and having an open outlet, a hollow buffer chamber communicated with the entrance of the annular chamber, and a cathode located on the side of the open exit of the channel and communicated with the line for supplying ionized gas, an annular anode coaxially mounted to the channel of the discharge chamber, an annular gas distribution device, in the buffer chamber without blocking the entrance to the annular channel and made with holes for supplying ionized gas to the buffer chamber, and a magnetic system of two ring-shaped magnetic devices with magnetic field sources located respectively from the outer and from the inner walls of the discharge chamber to create a given magnetic fields in the main channel, ensuring the presence of a radially directed magnetic field with a certain gradient in it to obtain maximum induction at the output of the main channel.

Кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на определенном расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер кольцеобразного канала ионизации и ускорения, газовводы для подачи ионизируемого газа установлены в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода, при этом со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали, для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы (RU 2527898, Н05Н 1/54, опубл. 10.09.2014).The annular anode concentric to the annular channel of ionization and acceleration is located at a certain distance from its open end; in the input part of the main channel, an annular buffer chamber is located beyond the anode zone, the size of which in the radial direction exceeds the radial size of the annular channel of ionization and acceleration, gas inlets ionizable gas are installed in the direction of the anode through an annular distributor with a zone different from the zone of anode location, while on the side of the rear flange CREPLA ring of non-magnetic stainless steel for the formation of a symmetrical configuration of the magnetic field lines by means of two transversely spaced relative to the discharge chamber of the magnetic field sources annular magnetic system magnetic devices (RU 2527898, N05N 1/54, publ. 09.10.2014).

Так же известен стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, а со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали, для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы, полая буферная камера выполнена заодно с разрядной камерой с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения в виде единой или сборной детали из корундовой керамики с содержанием более 95% α-Al₂O₃ и пределом прочности при сжатии, МПа, не менее 1100 при 20°C и не менее 20 при 1500°C (RU 152775, Н05Н 1/54, F03H 1/00, опубл. 20.06.2015 г.). Это решение принято в качестве прототипа.A stationary low-power plasma engine is also known, comprising a discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration made of an insulating material and having an open outlet, a hollow buffer chamber in communication with the inlet of the annular chamber, a cathode located on the side of the open outlet of the channel and communicated with the line for supplying ionized gas, an annular anode coaxially mounted to the channel of the discharge chamber, an annular gas distribution device located in the buffer chamber without h overlapping the entrance to the annular channel and made with holes for supplying ionized gas to the buffer chamber, and a magnetic system of two annular magnetic devices with magnetic field sources located respectively from the outer and from the inner walls of the discharge chamber to create a magnetic field in the main channel ensuring the presence in this channel of a radially directed magnetic field with a certain gradient to obtain maximum induction at the output of the main channel, the annular anode, concentric to the annular channel of ionization and acceleration, located at a distance from its open end, in the input part of the main channel, an annular buffer chamber is located behind the anode location zone, and a non-magnetic stainless steel ring is fixed from the back flange to form a symmetrical configuration of magnetic field lines with using two spaced apart in the transverse direction relative to the discharge chamber sources of the magnetic field of the ring-shaped magnetic devices of the magnetic system, a hollow buffer The chamber is made integral with the discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration in the form of a single or prefabricated corundum ceramic component with a content of more than 95% α-Al ₂ O ₃ and compressive strength, MPa, not less than 1100 at 20 ° C and not less than 20 at 1500 ° C (RU 152775, Н05Н 1/54, F03H 1/00, publ. 06/20/2015 g.). This decision is made as a prototype.

На Земле испытания СПД производят в вакуумных камерах. В вакуумных камерах практически невозможно создать условия, идеально повторяющие условия в Космосе, так как вакуумные камеры имеют ограниченный объем и плохие по сравнению с Космосом вакуумные условия. По этой причине параметры СПД, помещенного в вакуумную камеру, отличаются от такого же двигателя в Космосе (это справедливо и для любого электрореактивного двигателя в вакуумной камере). Если в Космосе за срезом СПД имеется только пучок быстрых ионов и нейтрализующее их объемный заряд облако электронов, поступивших из катода-компенсатора, то при наличии вакуумной камеры в системе появляется ряд новых факторов. Имеют место специфические "граничные условия": стенки камеры (или криопанели насосов). К плазме, выходящей из СПД, добавляются нейтральный газ (Xe), вторичная плазма (Хе+ + с), поток распыленных частиц от мишени, примесные газы (из-за масла насосов, щелей в камере и т.д.).On Earth, SPD tests are carried out in vacuum chambers. In vacuum chambers, it is practically impossible to create conditions that ideally repeat the conditions in Space, since vacuum chambers have a limited volume and poor vacuum conditions compared to Space. For this reason, the parameters of an SPD placed in a vacuum chamber differ from the same engine in Space (this is also true for any electric jet engine in a vacuum chamber). If in the Cosmos beyond the SPD slice there is only a beam of fast ions and a cloud of electrons neutralizing their space charge coming from the cathode-compensator, then in the presence of a vacuum chamber a number of new factors appear in the system. There are specific “boundary conditions”: chamber walls (or cryopanels of pumps). Neutral gas (Xe), secondary plasma (Xe + + s), a stream of atomized particles from the target, and impurity gases (due to oil from pumps, slots in the chamber, etc.) are added to the plasma leaving the SPD.

При проведении испытаний замечено, что внутренняя поверхность кольцеобразного канала ионизации и ускорения спустя время порядка 1 ч покрывается темным налетом. Испытания, а также химический анализ покрытия показали, что в образовании таких плохо проводящих пленок большую роль играют продукты распыления "мишеней", т.е. стенок вакуумной камеры или специальных приемников плазменной струи. При этом, как правило, запыление внутренности канала было выражено сильнее, чем запыление прилегающих стенок вакуумной камеры. Создавалось впечатление, что плазменная струя каким-то образом втягивает в себя распыленные частицы и транспортирует их внутрь ускорителя.During testing, it was noted that the inner surface of the annular channel of ionization and acceleration after a time of about 1 h is covered with a dark coating. Tests, as well as chemical analysis of the coating, showed that sputtering products of “targets” play an important role in the formation of such poorly conducting films. walls of a vacuum chamber or special plasma jet receivers. In this case, as a rule, dusting of the channel interior was more pronounced than dusting of the adjacent walls of the vacuum chamber. The impression was made that the plasma jet somehow pulled in the atomized particles and transported them inside the accelerator.

Для изучения "эффекта всасывания" были поставлены специальные эксперименты. В струю (рабочий режим канала: расход ксенона т=3 мг/с, напряжение разряда U=300 В) и рядом с ней помещались камеры-обскуры (КО), которые "смотрели" на мишень. Влетающие в КО частицы оседали на задней стеклянной стенке. Эти эксперименты убедительно показали, что запыление стекла КО, стоящей в потоке, идет во много раз быстрее, чем расположенной рядом КО, находящейся вне потока. Второй цикл экспериментов был связан с исследованием проводимости диэлектрических стенок канала после испытаний канала в камере. Оказалось, что на задней стенке буферного объема образуется узкий (~4 мм) проводящий поясок из распыляемого металла. Наличие такого пояска говорит о том, что мы имеем хорошо сфокусированный поток ионов, идущий из вакуумной камеры в канал. Важно отметить, что проводящий поясок появляется и на внутреннем изоляторе (примерно напротив анода), что указывает на стимулированное выпадение частиц в зоне разряда. Все это позволило высказать предположение, что из вакуумной камеры в канал идет поток отрицательных ионов, образующихся на поверхности мишени. Такой поток благодаря положительному потенциалу струи транспортируется к выходному отверстию канала и далее ускоряется в самом ускорителе, где часть ионов "разваливается" в разряде. Поэтому и образуются указанные две проводящие зоны (Ст. "О роли отрицательных ионов в системе плазменный ускоритель УЗПД-мишень", авторы А.И. Бугрова, А.С. Липатов, А.И. Морозов. Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики и РНЦ "Курчатовский институт", опубл. в ж. "ФИЗИКА ПЛАЗМЫ", 1995, том 21, №7, стр. 650-651).To study the "absorption effect" special experiments were performed. Into the stream (operating mode of the channel: xenon consumption m = 3 mg / s, discharge voltage U = 300 V) and next to it were pinhole cameras (KOs) that "looked" at the target. Particles flying into the CO were deposited on the rear glass wall. These experiments have convincingly shown that the dusting of glass KO, standing in the stream, is many times faster than adjacent KO located outside the stream. The second cycle of experiments was associated with the study of the conductivity of the dielectric walls of the channel after testing the channel in the chamber. It turned out that a narrow (~ 4 mm) conductive belt of sprayed metal forms on the back wall of the buffer volume. The presence of such a belt suggests that we have a well-focused ion flux coming from the vacuum chamber into the channel. It is important to note that the conductive band also appears on the internal insulator (approximately opposite the anode), which indicates the stimulated precipitation of particles in the discharge zone. All this made it possible to suggest that a stream of negative ions formed on the target surface flows from the vacuum chamber into the channel. Such a flow, due to the positive potential of the jet, is transported to the outlet of the channel and then accelerated in the accelerator itself, where part of the ions "falls apart" in the discharge. Therefore, these two conductive zones are formed (Art. "On the role of negative ions in the UZPD target plasma accelerator system", authors A.I. Bugrova, A.S. Lipatov, A.I. Morozov. Moscow State Institute of Radio Engineering, Electronics and automation and RRC "Kurchatov Institute", published in the journal "PLASMA PHYSICS", 1995, volume 21, No. 7, pp. 650-651).

Распространено мнение, что моделирование космических условий в камере тем лучше, чем ниже давление, т.е. чем больше число Кнудсена (Кп) для упругих столкновений быстрых ионов Xe+ с остаточным газом. Однако при этом упускается из виду интенсивное распыление ионным пучком мишеней, поскольку при энергии ионов -300 эВ каждый ион выбивает -1 частицу из мишени. Таким образом, при (Kn)≥1 в вакуумной камере имеется не один, а два источника частиц: сам двигатель и мишень. Идущие из камеры в канал двигателя частицы могут "отравить" рабочие поверхности двигателя. Нейтральные атомы, попав в канал, ионизуются дрейфующими электронами, в результате чего возрастает разрядный ток. Отсюда видно, что запыление металлом, идущее от мишеней, может совсем сорвать пристеночную проводимость, причем для этого достаточно покрыть изолятор небольшим числом атомных слоев металла. Срыв пристеночной проводимости за счет запыления ведет к перестройке разряда. В нем резко возрастает уровень колебаний и зона ионизации смещается к срезу. В результате ухудшается ионизация, возрастает разброс частиц по энергиям, возрастает электронная температура и происходит перестройка формы выходящего потока (поток принимает форму "спицы") (ст. "Влияние вакуумных условий на работу стационарного плазменного двигателя", авторы А.И. Бугрова, А.И. Морозов, Московский институт радиотехники, электроники и автоматики и РНЦ "Курчатовский институт", опубл. в ж. "ФИЗИКА ПЛАЗМЫ", 1996, том 22, №8, с. 701-706).It is widely believed that the simulation of space conditions in a chamber is better, the lower the pressure, i.e. the larger the Knudsen number (Kn) for elastic collisions of fast Xe + ions with the residual gas. However, this ignores the intense sputtering of the target by the ion beam, since at an ion energy of -300 eV, each ion knocks out a -1 particle from the target. Thus, at (Kn) ≥1, in the vacuum chamber there are not one but two sources of particles: the engine itself and the target. Particles coming from the chamber into the engine channel can “poison” the working surfaces of the engine. Once in the channel, neutral atoms are ionized by drifting electrons, as a result of which the discharge current increases. This shows that metal dusting coming from targets can completely disrupt wall conductivity, and for this it is enough to cover the insulator with a small number of atomic layers of the metal. Disruption of the wall conductivity due to dusting leads to the rearrangement of the discharge. In it, the level of vibrations sharply increases and the ionization zone shifts to the cut. As a result, ionization worsens, the energy spread of particles increases, the electron temperature increases, and the shape of the outgoing flow changes (the flow takes the form of a “spoke”) (Art. “Influence of vacuum conditions on the operation of a stationary plasma engine”, authors A. I. Bugrova, A . I. Morozov, Moscow Institute of Radio Engineering, Electronics, and Automation and the Russian Research Center "Kurchatov Institute", published in the journal "PHYSICS OF PLASMA", 1996, Volume 22, No. 8, pp. 701-706).

Таким образом, при проведении исследований работы СПД в вакуумной камере, имитирующей условия в Космосе, было установлено, что на стенках канала и на аноде образуется напыление или налет от оседания частиц, выбиваемых из мишени, приводящий к повышению разрядного тока и снижению кпд СПД. Если наличие налета на стенке канала оказывает несущественное снижение кпд, то наличие налета на аноде оказывает решающее значение на показатель кпд. Для сохранения стабильности длительной работы СПД с примерно одинаковым кпд необходимо исключить загрязнение внутренней стенки анода. Предполагалось, что эффект загрязнения - это результат наличие расположенной напротив плазменного потока стенки вакуумной камеры, которая рассматривается как мишень. А в Космосе таких мишеней нет. Но налет на стенке канала может быть образован в этом случае только исключительно от бомбардировки стенки канала частицами плазменного потока. Скорость образования налета в Космосе должна сольно отличаться от земных испытаний. Однако использование СПД на космических объектах показало, что и в Космосе скорость образования налета не сильно отличается от испытаний на Земле. Это обусловлено компоновкой СПД по отношению к поверхности космического аппарата, которая как мишень участвует в образовании налета. Кроме того, на пути плазменного потока, выходящего из канала СПД, присутствуют конструкции навесного оборудования, элементы крепления, антенн и т.д., которые и являются мишенями в Космосе.Thus, when conducting research on the operation of SPDs in a vacuum chamber simulating conditions in the Cosmos, it was found that deposition or plaque from settling of particles knocked out of the target is formed on the walls of the channel and on the anode, which leads to an increase in the discharge current and a decrease in the efficiency of the SPD. If the presence of plaque on the channel wall has an insignificant decrease in efficiency, then the presence of plaque on the anode is crucial for the efficiency indicator. To maintain the stability of the long-term operation of SPD with approximately the same efficiency, it is necessary to exclude pollution of the inner wall of the anode. It was assumed that the pollution effect is the result of the presence of a wall of the vacuum chamber located opposite the plasma flow, which is considered as a target. But in space there are no such targets. But a plaque on the channel wall can be formed in this case only from bombardment of the channel wall by particles of the plasma stream. The rate of plaque formation in the Cosmos should be solo different from earthly trials. However, the use of SPD on space objects showed that in space, the rate of plaque formation is not much different from tests on Earth. This is due to the layout of the SPD with respect to the surface of the spacecraft, which, as a target, participates in the formation of plaque. In addition, on the path of the plasma stream exiting the SPD channel, there are attachment structures, fasteners, antennas, etc., which are targets in space.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в сохранении тяговых параметров СПД и его кпд в течение длительного времени без снижения за счет исключения образования непроводящих пленок на, по крайней мере, части внутренней поверхности металлического анода.This utility model is aimed at achieving a technical result, which consists in maintaining the traction parameters of the SPD and its efficiency for a long time without reduction due to the exclusion of the formation of non-conductive films on at least part of the inner surface of the metal anode.

Указанный технический результат достигается тем, что в стационарном плазменном двигателе малой мощности, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, и магнитную систему из кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, кольцеобразный металлический анод, соосно установленный каналу разрядной камеры и концентрично кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, и расположенный на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, кольцеобразный металлический анод выполнен в виде втулки с ступенчатой внутренней поверхностью, в которой ступень меньшего диаметра расположена на расстоянии к открытому концу кольцеобразного канала ионизации и ускорения меньшем, чем ступень большего диаметра этой поверхности.The specified technical result is achieved in that in a stationary low-power plasma engine containing a discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration, made of electrical insulation material and having an open outlet, a hollow buffer chamber in communication with the entrance of the annular chamber, a cathode located on the side of the open outlet channel and communicated with the line for supplying ionized gas, and a magnetic system of ring-shaped magnetic devices with magnetic field sources located respectively To create a magnetic field in the main channel, from the external and internal walls of the discharge chamber, an annular metal anode coaxially mounted to the channel of the discharge chamber and concentric with the annular channel of ionization and acceleration, and located at a distance from its open end, in the input part of the main channel an annular buffer chamber is placed behind the anode location zone, the annular metal anode is made in the form of a sleeve with a stepped inner surface, in which the stage is smaller diameter positioned at a distance to the open end of the annular ionization and acceleration channel smaller than the larger diameter step of said surface.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present utility model is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the required technical result.

На фиг. 1 - конструкция плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов;In FIG. 1 - design of a plasma engine with a closed electron drift;

фиг. 2 - принципиальная схема СПД по фиг. 1;FIG. 2 is a schematic diagram of the SPD of FIG. one;

фиг. 3 - первый пример исполнения кольцеобразного металлического анода;FIG. 3 is a first embodiment of a ring-shaped metal anode;

фиг. 4 - второй пример исполнения кольцеобразного металлического анода;FIG. 4 is a second embodiment of an annular metal anode;

фиг. 5 - третий пример исполнения кольцеобразного металлического анода;FIG. 5 is a third example of a ring-shaped metal anode;

фиг. 6 - показаны векторы движения частиц, выбиваемых из мишени, в направлении анода.FIG. 6 - shows the motion vectors of particles knocked out of the target in the direction of the anode.

Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (СПД). Этот двигатель содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце. По крайней мере, один полый катод сообщен с линией для подачи ионизируемого газа. Кольцевой анод, концентричный главному каналу, расположен на расстоянии от его открытого конца. Во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала. Трубки для подачи ионизируемого газа сообщаются в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода. Средства для создания магнитного поля в главном канале обеспечивают наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала.According to the present invention, a closed-electron drift (SPD) plasma engine design is contemplated. This engine contains a main annular channel of ionization and acceleration, limited by structural elements of insulating material and open at its output end. At least one hollow cathode is in communication with an ionizable gas supply line. A ring anode concentric to the main channel is located at a distance from its open end. In the input part of the main channel, behind the anode location zone, an annular buffer chamber is placed, the size of which in the radial direction exceeds the radial size of the main annular channel. Tubes for supplying ionized gas are communicated in the direction of the anode through an annular distributor with a zone different from the zone where the anode is located. Means for creating a magnetic field in the main channel ensure the presence in this channel of a radially directed magnetic field with a certain gradient to obtain maximum induction at the output of the main channel.

Патентуемый СПД содержит (фиг. 1) разрядную камеру 1 с главным кольцевым каналом 2 ионизации и ускорения имеет открытый выход 3. С кольцевым каналом 2 со стороны его входа сообщается полость буферной камеры, выполненной так же из изолирующего материала (электроизоляционного, например, из корундовой керамики, в частности, керамика марки 22ХС (ВК94-1). В рассматриваемом примере буферная камера выполнена в разрядной камере и составляет конструкционную часть последней в виде единой детали. Возможно исполнение сборной конструкции разрядной камеры и буферной камеры. Со стороны закрытой части кольцевого канала 2 установлен, по крайней мере, один полый анод 4, сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа (немагнитная трубка 5, закрепленная посредством изолирующей втулки 6 в стенке, несущей немагнитные шпильки 7 для прикрепления СПД к опоре).Patented SPD contains (Fig. 1) a discharge chamber 1 with a main annular channel of ionization and acceleration 2 has an open outlet 3. A cavity of a buffer chamber made of an insulating material (electrically insulating, for example, corundum, also communicates with the annular channel 2 from the input side thereof) ceramics, in particular, ceramics grade 22XC (VK94-1). In this example, the buffer chamber is made in the discharge chamber and constitutes the structural part of the latter in the form of a single part. At least one hollow anode 4 is installed on the closed side of the annular channel 2, which is in communication with the line for supplying ionized gas (non-magnetic tube 5, mounted by means of an insulating sleeve 6 in the wall supporting non-magnetic studs 7 for attaching the SPD to the support )

Кольцеобразный анод 8 выполнен в виде металлической втулки (сталь 12Х18Н10Т). При этом анод 8 расположен на расстоянии от его открытого конца. Кольцеобразный анод 8 через лапку 9 соединен с кольцевой камерой 10 из немагнитного материала (сталь 12Х18Н10Т) полого анода 4. Камера 10 имеет отверстия для впрыска газового агента (например, газа ксенона), поступающего из трубки 5 в полость кольцевой камеры 10 и из нее в канал 2. Выполнение лапок 9 из электропроводного материала обеспечивает электрическое соединение анода с линией электропитания от положительного полюса источника постоянного напряжения.The ring-shaped anode 8 is made in the form of a metal sleeve (steel 12X18H10T). While the anode 8 is located at a distance from its open end. The annular anode 8 through the tab 9 is connected to the annular chamber 10 of non-magnetic material (steel 12X18H10T) of the hollow anode 4. The chamber 10 has holes for the injection of a gas agent (for example, xenon gas) coming from the tube 5 into the cavity of the annular chamber 10 and from it into channel 2. The implementation of the tabs 9 of conductive material provides an electrical connection of the anode to the power line from the positive pole of the DC voltage source.

Катод и анод 8 соответственно подключены к отрицательному и положительному полюсам источника постоянного напряжения, образуя цепь электропитания. Кольцевая камера 10 размещена в полости буферной камеры и представляет собой кольцеобразное газораспределительное устройство без перекрытия входа в кольцеобразный канал 2. Ионизируемый газ подается в полый катод и в газораспределительное устройство от отдельных или от общего источника сжатого газа. В качестве рабочего ионизируемого газа используется инертный газ, в рассматриваемом случае ксенон (Xe). В кольцевом газораспределительном устройстве (камере 10) выполнено отверстие для подачи в него ионизируемого газа посредством подводящей трубки 5. Газ подается в буферную камеру через отверстия в камере 10, которые ориентированы перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры 1, по окружности максимального диаметра. Выполнение отверстий для подвода ионизируемого газа в буферную камеру радиально направленными способствует созданию равномерной по плотности рабочего газа зоны, занимающей практически весь объем буферной камеры.The cathode and anode 8 are respectively connected to the negative and positive poles of a constant voltage source, forming a power supply circuit. The annular chamber 10 is located in the cavity of the buffer chamber and is an annular gas distribution device without blocking the entrance to the annular channel 2. The ionized gas is supplied to the hollow cathode and to the gas distribution device from a separate or from a common source of compressed gas. An inert gas is used as a working ionized gas, in this case xenon (Xe). A hole is provided in the annular gas distribution device (chamber 10) for supplying ionizable gas into it by means of a supply tube 5. Gas is supplied to the buffer chamber through openings in the chamber 10, which are oriented perpendicular to the axis of symmetry of the discharge chamber 1, around a circle of maximum diameter. The holes for the supply of ionized gas into the buffer chamber radially directed contributes to the creation of a uniform density of the working gas zone, occupying almost the entire volume of the buffer chamber.

Кольцевая буферная камера расположена во входной части главного канала за зоной расположения анода, размер кольцевой буферной камеры в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала 2.An annular buffer chamber is located in the input part of the main channel beyond the anode location zone; the size of the annular buffer chamber in the radial direction exceeds the radial size of the main annular channel 2.

Магнитное поле в полостях буферной и разрядной камер создается с помощью магнитной системы из двух магнитных устройств. Первое магнитное устройство включает в себя центральный цилиндрический сердечник 11 с источниками магнитного поля 12 (внутренняя катушка) и магнитными полюсами 13. Второе магнитное устройство включает в себя корпус 14 Г-образной формы, внутри которого установлена кольцевая опора 15, по бокам которой расположены два дисковых ограничителя 16 из немагнитного материала. Таким образом, образуется кольцевая полость для источника магнитного поля 17 (наружная катушка). Вся сборка укрепляется опорным диском 18, несущим элементы присоединения магнитопроводящих стержневых элементов 19 из Ст 3-10. Второе магнитное устройство выполнено в виде кольцевой сборки, которая надевается на разрядную камеру 1 со стороны открытого выхода 3. Посредством магнитопроводящих стержневых элементов 19 идет скрепление магнитной системы. Внешние стержневые элементы 19 равномерно расположены вокруг камеры 10 и канала 2 по окружности и скрепляют торцевые части плазменного ускорителя.The magnetic field in the cavities of the buffer and discharge chambers is created using a magnetic system of two magnetic devices. The first magnetic device includes a central cylindrical core 11 with magnetic field sources 12 (inner coil) and magnetic poles 13. The second magnetic device includes a L-shaped housing 14, inside of which there is an annular support 15, on the sides of which there are two disk limiter 16 of non-magnetic material. Thus, an annular cavity is formed for the source of magnetic field 17 (outer coil). The entire assembly is strengthened by a support disk 18, which carries the connecting elements of the magnetic core elements 19 of St 3-10. The second magnetic device is made in the form of an annular assembly, which is put on the discharge chamber 1 from the side of the open outlet 3. By means of the magnetic core elements 19, the magnetic system is fastened. The outer rod elements 19 are uniformly located around the chamber 10 and channel 2 around the circumference and fasten the end parts of the plasma accelerator.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема рассмотренного двигателя. Эта схема используется для демонстрации векторов плазменной струи 20 и частиц 21, исходящих от мишени 22 (распыленные нейтральные атомы). В результате исследований установлено, что траектории частиц плазменной струи имеют практически линейный характер с небольшим углом расхождения на срезе канала. А траектории нейтральных атомов, выбиваемых из мишени, тоже имеют линейный характер и направление в сторону канала СПД. Таким образом, небольшая часть атомов пролетает, а большая часть атомов попадает в канал и, контактируя со стенкой канала и анодом, остается на поверхности образуя налет или напыление. Это явление всасывания атомов (металлических ионов от мишени) от мишени в полость канала описано в ст. "Влияние вакуумных условий на работу стационарного плазменного двигателя", авторы А.И. Бугрова, А.И. Морозов, 1995.In FIG. 2 presents a schematic diagram of the engine under consideration. This scheme is used to demonstrate the vectors of the plasma jet 20 and particles 21 emanating from the target 22 (atomized neutral atoms). As a result of the studies, it was found that the trajectories of the particles of the plasma jet are almost linear in nature with a small angle of divergence at the channel section. And the trajectories of neutral atoms knocked out of the target also have a linear character and direction towards the SPD channel. Thus, a small part of the atoms flies, and most of the atoms fall into the channel and, in contact with the channel wall and the anode, remain on the surface forming a coating or spraying. This phenomenon of the absorption of atoms (metal ions from the target) from the target into the channel cavity is described in Art. "The influence of vacuum conditions on the operation of a stationary plasma engine", authors A.I. Bugrova, A.I. Morozov, 1995.

Традиционно кольцеобразный анод для СПД выполняется в виде втулки, как это показано на фиг. 1, с гладкой внутренней поверхностью постоянного диаметра. При таком исполнении при всасывания металлических отрицательных ионов от мишени с учетом их линейной траектории, часть этих атомов оседает на внутренней поверхности втулки - анода, равно так же как и на внутренней поверхности канала на участке до втулки.Conventionally, the annular anode for SPD is in the form of a sleeve, as shown in FIG. 1, with a smooth inner surface of constant diameter. With this design, when metallic negative ions are sucked from the target, taking into account their linear trajectory, some of these atoms settle on the inner surface of the sleeve - the anode, as well as on the inner surface of the channel in the area up to the sleeve.

Именно линейность траекторий этих атомов и позволила решить проблему с запылением металлического анода в СПД. Решение заключается в том, что кольцеобразный металлический анод выполняется в виде втулки со ступенчатой внутренней поверхностью, в которой ступень 23 меньшего диаметра расположена на расстоянии к открытому концу кольцеобразного канала ионизации и ускорения меньшем, чем ступень 24 большего диаметра этой поверхности. Таким образом, первая ступень 23 меньшего диаметра становится подобием преграды для засасываемых в канал атомов мишени, закрывающей путь осаждения атомов на ступени 24 большего диаметра. Таким образом, появилась возможность сохранять область в зоне анода с внутренней его стороны, в которой напыление или налет не образуются. Это позволяет обеспечить аноду правильные условия функционирования, не приводящие в росту разрядного тока и соответственно к снижению эффективности. Иллюстрация этого явления приведена на фиг. 6 для анода по фиг. 4. Видно, что частицы мишени пролетают мимо преграды (ступени меньшего диаметра), оставляя зону, прилегающую к ступени большего диаметра незапыленной.It is the linearity of the trajectories of these atoms that made it possible to solve the problem of dusting the metal anode in SPD. The solution lies in the fact that the annular metal anode is made in the form of a sleeve with a stepped inner surface, in which a step 23 of a smaller diameter is located at a distance to the open end of the ring-shaped channel of ionization and acceleration less than the step 24 of a larger diameter of this surface. Thus, the first step 23 of smaller diameter becomes a kind of barrier for the target atoms being sucked into the channel, which closes the path of atom deposition on steps 24 of larger diameter. Thus, it became possible to preserve the region in the anode zone from its inner side, in which sputtering or plaque are not formed. This allows the anode to provide the correct operating conditions that do not lead to an increase in the discharge current and, accordingly, to a decrease in efficiency. An illustration of this phenomenon is shown in FIG. 6 for the anode of FIG. 4. It can be seen that the target particles fly past the obstacle (steps of a smaller diameter), leaving the area adjacent to the step of a larger diameter un dusty.

На фиг. 3-5 показаны примеры исполнения металлического анода, которые в равной степени обеспечивают, по крайней мере, части внутренней поверхности металлического кольца сохранение проводящей функции и отсутствие загрязнения. На фиг. 4 представлен пример исполнения металлического анода, выполненного в виде втулки, представляющей собой ступень 24 большего диаметра, в которую вставлена втулка меньшего диаметра, выполняющая функцию ступени 23 меньшего диаметра. Для усиления эффекта изоляции части внутренней поверхности анода можно на внутренней поверхности втулки меньшего диаметра закрепить кольцо или выполнить бурт 25 (фиг. 3), который расширит зону незапыляемости.In FIG. 3-5, examples of a metal anode are shown which equally provide at least part of the inner surface of the metal ring with a conductive function and no pollution. In FIG. 4 shows an example of a metal anode made in the form of a sleeve, which is a step 24 of a larger diameter, into which a sleeve of a smaller diameter is inserted, which performs the function of a step 23 of a smaller diameter. To enhance the insulation effect of part of the inner surface of the anode, a ring can be fixed on the inner surface of the sleeve of a smaller diameter or a shoulder 25 can be made (Fig. 3), which will expand the dust-free zone.

На фиг. 4 показан пример исполнения анода, в котором на внутренней поверхности втулки выполнено оребрение в виде рядов, но дистанционно расположенных, кольцевых ребер 26 одинакового или разного диаметра. Это позволят получить на внутренней стенке втулки ряд незапыленных кольцеобразных участков. Для этого примера исполнения ребра выполняют функцию ступени 23 меньшего диаметра.In FIG. 4 shows an example of the anode in which ribbing is made on the inner surface of the sleeve in the form of rows, but remotely located, annular ribs 26 of the same or different diameter. This will allow you to get on the inner wall of the sleeve a number of non-dusty annular sections. For this embodiment example, the ribs function as a step 23 of smaller diameter.

Такой СПД согласно патентуемого изобретения может использоваться, в первую очередь, в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Кроме того, плазменный ускоритель может применяться в научных исследованиях, для моделирования направленных плазменных потоков. Настоящее изобретение позволяет исключить оседание (напыление) налета-пленки на токопроводящей части металлического анода, что приводит к сохранению характеристик анода для сохранения величины разрядного тока длительное время. Это обеспечивает сохранение постоянным достигнутого в начале работы СПД его коэффициента полезного действия, несмотря на образование на стенке главного канала налета от частиц, выбитых с краев материала самого канала и от находящихся на пути плазменной струи конструкций.Such a SPD according to the patented invention can be used, first of all, in space technology as an executive body of an electric propulsion system. In addition, a plasma accelerator can be used in scientific research to simulate directed plasma flows. The present invention eliminates the deposition (deposition) of plaque on the conductive part of the metal anode, which leads to the preservation of the characteristics of the anode to maintain the value of the discharge current for a long time. This ensures that the efficiency achieved at the beginning of the SPD operation is kept constant, despite the formation on the wall of the main channel of the plaque from particles knocked out from the edges of the material of the channel itself and from structures located on the path of the plasma jet.

Claims (1)

Стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, и магнитную систему из кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, кольцеобразный металлический анод, соосно установленный каналу разрядной камеры и концентрично кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, и расположенный на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, отличающийся тем, что кольцеобразный металлический анод выполнен в виде втулки с ступенчатой внутренней поверхностью, в которой ступень меньшего диаметра расположена на расстоянии к открытому концу кольцеобразного канала ионизации и ускорения меньшем, чем ступень большего диаметра этой поверхности.A stationary low-power plasma engine containing a discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration made of an insulating material and having an open outlet, a hollow buffer chamber in communication with the inlet of the annular chamber, a cathode located on the side of the open outlet of the channel and communicated with the line for supplying the ionizable gas, and a magnetic system of ring-shaped magnetic devices with magnetic field sources located respectively from the side of the external and from the side of the internal ok of the discharge chamber to create a magnetic field in the main channel, an annular metal anode coaxially mounted to the channel of the discharge chamber and concentric with the annular channel of ionization and acceleration, and located at a distance from its open end, in the input part of the main channel, an annular buffer chamber is located behind the anode characterized in that the annular metal anode is made in the form of a sleeve with a stepped inner surface, in which a step of a smaller diameter is located at a distance uu the open end of the annular ionization and acceleration channel smaller than the larger diameter step of said surface.