RU159636U1

RU159636U1 - ION-PLASMA ENGINE

Info

Publication number: RU159636U1
Application number: RU2015121080/06U
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Гаврюшин; Андрей Викторович Мельников; Мария Евгеньевна Смирнова; Давар Фейли; Сергей Анатольевич Хартов
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-02-20

Abstract

1. Ионно-плазменный двигатель, содержащий разрядную камеру, выполненную из диэлектрического материала с расширяющимся в продольном направлении поперечным сечением, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, индуктор, размещенный на ее наружной поверхности, средство генерации высокочастотного электрического разряда в полости разрядной камеры, ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, и катод-нейтрализатор, отличающийся тем, что он снабжен магнитной системой, содержащей осесимметричный магнитопровод, включающий оболочку, охватывающую индуктор, и осесимметричные магнитные полюса, один из которых образован замедляющим электродом, выполненным из магнитомягкого материала, а другой примыкает к оболочке с ее противоположной стороны.2. Ионно-плазменный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что магнитная система снабжена источником магнитной индукции в виде постоянного магнита, образованного осесимметричным элементом поперечного сечения оболочки, намагниченным в осевом направлении.1. An ion-plasma engine containing a discharge chamber made of a dielectric material with a longitudinally expanding cross section, a node for supplying a gaseous working medium to the discharge chamber, an inductor located on its outer surface, means for generating a high-frequency electric discharge in the cavity of the discharge chamber, ion-optical system, including emission, accelerating and slowing electrodes sequentially placed with a spatial gap between each other, and a cathode-neutralization Torr, characterized in that it is provided with a magnetic system comprising an axially symmetrical magnetic circuit comprising a sheath covering the inductor and axisymmetric magnetic poles, one of which is formed by the retarding electrode made of a soft magnetic material, and the other shell adjacent to its opposite storony.2. The ion-plasma engine according to claim 1, characterized in that the magnetic system is provided with a magnetic induction source in the form of a permanent magnet formed by an axisymmetric cross-sectional element of the shell magnetized in the axial direction.

Description

Полезная модель относится к плазменной технике и может быть использована при разработке источников ионов, применяемых в качестве электроракетных двигателей или устройств для ионно-плазменной обработки материалов в вакууме при решении различных технологических задач.The utility model relates to plasma technology and can be used to develop ion sources used as electric rocket engines or devices for ion-plasma processing of materials in vacuum when solving various technological problems.

Известен ионно-плазменный двигатель (Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989, с. 100-111, 148-154), содержащий разрядную камеру, обеспечивающую ионизацию рабочего тела в разряде, горящем между катодом и анодом; и систему ускорения, называемую по аналогии организации движения частиц ионно-оптической и выполненную в виде набора перфорированных электродов, позволяющих формировать униполярные ионные потоки. Для нейтрализации заряда этих потоков применяется нейтрализатор, представляющий собой источник электронов (катод). В узле ионно-оптической системы реализуется принцип «ускорение-замедление» ионов, для чего используются три электрода: эмиссионный, ускоряющий и замедляющий. Такие двигатели обладают высокой эффективностью и широко применяются в космической технике и наземных технологических процессах. Основным недостатком данных устройств является процесс катодного распыления ускоренными ионами элементов разрядной камеры, находящихся под отрицательным потенциалом. Этот процесс лимитирует ресурс работы двигателя и создает потоки распыленного вещества, загрязняющие элементы ионно-оптической системы и обрабатываемые поверхности в случае применения данного двигателя в качестве источника высокоэнергетичных потоков частиц в технологических задачах. Кроме того использование химически активных газов или их примесей в рабочем теле приводит к выходу из строя катода газоразрядной камеры.Known ion-plasma engine (Grishin S.D., Leskov L.V. Electric rocket engines of spacecraft. - M .: Mashinostroenie, 1989, pp. 100-111, 148-154) containing a discharge chamber that provides ionization of the working fluid in a discharge burning between the cathode and the anode; and an acceleration system, called by analogy with the organization of ion-optical particle motion and made in the form of a set of perforated electrodes, allowing the formation of unipolar ion flows. To neutralize the charge of these streams, a neutralizer is used, which is a source of electrons (cathode). The principle of acceleration-deceleration of ions is implemented in the node of the ion-optical system, for which three electrodes are used: emission, accelerating and decelerating. Such engines are highly efficient and are widely used in space technology and ground-based technological processes. The main disadvantage of these devices is the process of cathodic sputtering by accelerated ions of the elements of the discharge chamber under negative potential. This process limits the life of the engine and creates streams of atomized matter, polluting elements of the ion-optical system and the treated surfaces in the case of using this engine as a source of high-energy particle flows in technological problems. In addition, the use of chemically active gases or their impurities in the working fluid leads to failure of the cathode of the gas discharge chamber.

Наиболее близким аналогом предложенной модели является ионно-плазменный двигатель (Groh К.Н., Loeb H.W. State-of-the-Art of Radio-Frequency Ion Thrusters // J. Propulsion. - Vol. 7, No. 4, July-August 1991, p. 576), который содержит разрядную камеру, выполненную из диэлектрического материала с расширяющимся в продольном направлении поперечным сечением, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, индуктор, размещенный на ее наружной поверхности, средство генерации высокочастотного электрического разряда в полости разрядной камеры, ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, и катод-нейтрализатор. В разрядной камере этого двигателя использован безэлектродный разряд. Использование для ионизации энергии внешнего электромагнитного поля, в частности высокой частоты, позволяет исключить катодный узел в разрядной камере и тем самым повысить долговечность работы устройства. Однако недостатком безэлектродного разряда является низкая эффективность процессов ионизации из-за малой энергии электронов в разряде и большой доли заряженных частиц, нейтрализующихся на стенках разрядной камеры. Для борьбы с этими негативными явлениями используется подбор формы камеры и оптимизация расположения витков индуктора и их числа.The closest analogue of the proposed model is the ion-plasma engine (Groh K.N., Loeb HW State-of-the-Art of Radio-Frequency Ion Thrusters // J. Propulsion. - Vol. 7, No. 4, July-August 1991, p. 576), which comprises a discharge chamber made of a dielectric material with a longitudinally extending cross section, a gaseous working medium supply unit to the discharge chamber, an inductor located on its outer surface, and means for generating a high-frequency electric discharge in the cavity of the discharge chamber , an ion-optical system including consequently placed with a spatial gap between themselves emission, accelerating and decelerating electrodes, and a cathode-converter. An electrodeless discharge was used in the discharge chamber of this engine. The use of an external electromagnetic field, in particular a high frequency, for ionizing the energy of an external electromagnetic field makes it possible to exclude the cathode assembly in the discharge chamber and thereby increase the durability of the device. However, the disadvantage of an electrodeless discharge is the low efficiency of ionization processes due to the low electron energy in the discharge and the large fraction of charged particles neutralized on the walls of the discharge chamber. To combat these negative phenomena, the selection of the shape of the chamber and the optimization of the location of the turns of the inductor and their number are used.

В предложенной полезной модели решается задача снижения потерь вводимой в разряд ионно-плазменного двигателя высокочастотной мощности при сохранении высокой эффективности извлечения и формирования ускоренных потоков ионов.The proposed utility model solves the problem of reducing losses of high-frequency power introduced into the discharge of an ion-plasma engine while maintaining high efficiency of extraction and formation of accelerated ion flows.

Результат достигается тем, что ионно-плазменный двигатель, содержащий разрядную камеру, выполненную из диэлектрического материала с расширяющимся в продольном направлении поперечным сечением, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, индуктор, размещенный на ее наружной поверхности, средство генерации высокочастотного электрического разряда в полости разрядной камеры, ионно-оптическую систему, включающую последовательно размещенные с пространственным зазором между собой эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, и катод-нейтрализатор, снабжен магнитной системой, содержащей осесимметричный магнитопровод, включающий оболочку, охватывающую индуктор, и осесимметричные магнитные полюса, один из которых образован замедляющим электродом, выполненным из магнитомягкого материала, а другой примыкает к оболочке с ее противоположной стороны.The result is achieved by the fact that the ion-plasma engine containing a discharge chamber made of a dielectric material with a longitudinally expanding cross section, a gaseous working medium supply unit to the discharge chamber, an inductor placed on its outer surface, means for generating a high-frequency electric discharge in the cavity a discharge chamber, an ion-optical system, including emission, accelerating and decelerating sequentially placed with a spatial gap between each other the electrodes, and the cathode-neutralizer, is equipped with a magnetic system containing an axisymmetric magnetic circuit, including a shell covering the inductor, and axisymmetric magnetic poles, one of which is formed by a slowdown electrode made of soft magnetic material, and the other is adjacent to the shell from its opposite side.

Достигаемый положительный эффект будет возрастать, если магнитная система будет снабжена источником магнитной индукции в виде постоянного магнита, образованного осесимметричным элементом поперечного сечения оболочки, намагниченным в осевом направлении. The achieved positive effect will increase if the magnetic system is equipped with a magnetic induction source in the form of a permanent magnet formed by an axisymmetric cross-sectional element of the shell magnetized in the axial direction.

Сущность предложенного решения в полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена общая схема ионно-плазменного двигателя в виде продольного разреза.The essence of the proposed solution in the utility model is illustrated by the drawing, which shows the general diagram of the ion-plasma engine in the form of a longitudinal section.

Ионно-плазменный двигатель состоит из разрядной камеры 1, узла подачи газообразного рабочего вещества 2 в разрядную камеру, индуктора 3, ионно-оптической системы с эмиссионным электродом 4, ускоряющим электродом 5 и выходным замедляющим электродом 6. Ускоряющий электрод 5 электрически соединен с отрицательным полюсом источника 7. На выходе из двигателя установлен катод-нейтрализатор 8, подключенный к источнику 9. Внутри разрядной камеры 1 расположен анод 10, соединенный с положительным полюсом источника 11. Индуктор 3, размещенный с наружной стороны разрядной камеры 1, соединен с высокочастотным генератором 12. Корпус разрядной камеры 1 выполнен из диэлектрического материала с малым тангенсом диэлектрических потерь. Форма стенок внутренней поверхности разрядной камеры может быть различной и определяется требованием обеспечения высокой степени ионизации рабочего вещества. Двигатель снабжен магнитной системой, содержащей осесимметричный магнитопровод, включающий магнитопроводящую оболочку 13 с магнитными полюсами. Первый магнитный полюс образован замедляющим электродом 6, который в этом случае выполняется из магнитомягкого материала. Второй магнитный полюс 14 примыкает к оболочке 13 с противоположной стороны. Магнитная система может содержать источник магнитной индукции, например, в виде постоянного магнита 15, который по форме является элементом поперечного сечения оболочки 13 и намагничен в осевом направлении. The ion-plasma engine consists of a discharge chamber 1, a node for supplying a gaseous working substance 2 to the discharge chamber, an inductor 3, an ion-optical system with an emission electrode 4, an accelerating electrode 5 and an output slowing electrode 6. The accelerating electrode 5 is electrically connected to the negative pole of the source 7. At the exit of the engine, a cathode-converter 8 is connected, connected to the source 9. Inside the discharge chamber 1, there is an anode 10 connected to the positive pole of the source 11. Inductor 3, located with the external st Rhone discharge chamber 1, is connected to a high frequency generator 12. The housing of the discharge chamber 1 is made of a dielectric material with low dielectric loss tangent. The shape of the walls of the inner surface of the discharge chamber can be different and is determined by the requirement to ensure a high degree of ionization of the working substance. The engine is equipped with a magnetic system containing an axisymmetric magnetic circuit, including a magnetically conductive shell 13 with magnetic poles. The first magnetic pole is formed by a retarding electrode 6, which in this case is made of soft magnetic material. The second magnetic pole 14 is adjacent to the shell 13 from the opposite side. The magnetic system may contain a source of magnetic induction, for example, in the form of a permanent magnet 15, which in shape is an element of the cross section of the shell 13 and is magnetized in the axial direction.

При подаче рабочего вещества через узел подачи 2 разрядной камеры 1 и запитывании индуктора 3 током переменной частоты от высокочастотного генератора 12 в разрядной камере 1 зажигается разряд. Данный разряд является индуктивным и самостоятельным. При этом переменный ток, протекающий в индукторе, генерирует переменное магнитное поле (преимущественно аксиальное), которое, в свою очередь, индуцирует электрическое поле (преимущественно азимутальное). Самостоятельность разряда означает, что для его стационарного горения не требуется катода, эмитирующего электроны. Единственным источником мощности, поддерживающей разряд, является электромагнитное поле. Разрядная камера содержит в своем объеме только один электрод - анод 10, служащий для удаления из разряда избыточных электронов. Этот электрод имеет положительный потенциал и не подвержен катодному распылению. Задаваемый на аноде потенциал будет определять потенциал плазмы и за разностью пристеночного скачка потенциал контактирующих с плазмой диэлектрических стенок разрядной камеры. Анод 10 может быть электрически соединен с эмиссионным электродом 4 в случае выполнения его электропроводящим.When the working substance is fed through the supply unit 2 of the discharge chamber 1 and the inductor 3 is fed with a variable frequency current from a high-frequency generator 12, the discharge is ignited in the discharge chamber 1. This discharge is inductive and independent. In this case, the alternating current flowing in the inductor generates an alternating magnetic field (mainly axial), which, in turn, induces an electric field (mainly azimuthal). The independence of the discharge means that for its stationary combustion does not require a cathode emitting electrons. The only source of power supporting the discharge is the electromagnetic field. The discharge chamber contains in its volume only one electrode - anode 10, which serves to remove excess electrons from the discharge. This electrode has a positive potential and is not subject to cathodic sputtering. The potential set at the anode will determine the plasma potential and the potential of the dielectric walls of the discharge chamber in contact with the plasma behind the difference in the wall shock. The anode 10 may be electrically connected to the emission electrode 4 if electrically conductive.

Катод-нейтрализатор 8 служит для инжекции электронов в истекающий из двигателя поток ионов и представляет собой самостоятельный плазменный источник электронов.The cathode-converter 8 is used for injection of electrons into the ion stream flowing out of the engine and is an independent plasma source of electrons.

В общем виде рабочий процесс в разрядной камере может быть описан следующим образом.In General, the workflow in the discharge chamber can be described as follows.

Высокочастотные токи в индукторе 3 генерируют в объеме разрядной камеры 1 магнитное поле, которое индуцирует электрическое высокочастотное поле, ускоряющее в разрядной плазме электроны, осциллирующие с частотой поля и аккумулирующие энергию поля, тратя ее на неупругие столкновения с тяжелыми частицами (атомом или ионом), вызывая возбуждение или ионизацию тяжелых частиц. Каждое такое столкновение приводит к потере некоторого кванта энергии. Атомы и ионы рабочего тела, например, применяемого в космической технике инертного газа - ксенона, представляют собой сложную квантово-механическую систему. В плазме атомы и ионы находятся в разных квантово-механических состояниях. Распределение по состояниям (заселенность энергетических уровней) является важнейшей характеристикой плазмы. Плазма высокочастотного разряда в разрядной камере является разреженной и неравновесной. Следствием разреженности является то, что излучаемые возбужденными частицами фотоны доходят до стенок разрядной камеры, не взаимодействуя с частицами, находящимися на более низких энергетических уровнях, и поглощаются стенкой. Следствием неравновесности является то, что температура электронов намного больше температуры атомов и ионов, а заселенность тяжелых частиц по уровням не удовлетворяет распределению Больцмана.High-frequency currents in the inductor 3 generate a magnetic field in the volume of the discharge chamber 1, which induces an electric high-frequency field, accelerating electrons in the discharge plasma that oscillate with the field frequency and accumulate field energy, spending it on inelastic collisions with heavy particles (atom or ion), causing excitation or ionization of heavy particles. Each such collision leads to the loss of a certain quantum of energy. Atoms and ions of the working fluid, for example, inert gas used in space technology - xenon, are a complex quantum-mechanical system. In a plasma, atoms and ions are in different quantum-mechanical states. The distribution by state (population of energy levels) is the most important characteristic of a plasma. The plasma of the high-frequency discharge in the discharge chamber is rarefied and nonequilibrium. The consequence of the rarefaction is that the photons emitted by excited particles reach the walls of the discharge chamber without interacting with particles at lower energy levels and are absorbed by the wall. A consequence of nonequilibrium is that the electron temperature is much higher than the temperature of atoms and ions, and the population of heavy particles by levels does not satisfy the Boltzmann distribution.

В самостоятельном разряде отсутствуют быстрые электроны, ускоренные катодным падением потенциала, поэтому, несмотря на наличие высокочастотного электрического поля, электроны распределены по энергиям в соответствии с равновесным распределением Больцмана-Максвелла. Основным механизмом установления такого распределения является термализация (электрон-электронные соударения). Благодаря этому процессу холодные электроны, образовавшиеся в результате неупругого соударения, приобретают температуру плазменных электронов. Баланс электронов в разряде определяется скоростью их образования в результате ионизации и скоростью их ухода (выпадения) на стенки разрядной камеры. Это зависит от равновесного потенциала плазмы относительно стенок, который устанавливается автоматически. Избыточные электроны выпадают на анод 10 и уходят из разряда. Баланс атомов и ионов в разряде определяется скоростями ионизации и ухода их на стенки разрядной камеры и в отверстия в электродах ионно-оптической системы. An independent discharge does not have fast electrons accelerated by the cathodic potential drop, therefore, despite the presence of a high-frequency electric field, the electrons are distributed over the energies in accordance with the Boltzmann-Maxwell equilibrium distribution. The main mechanism for establishing such a distribution is thermalization (electron-electron collisions). Thanks to this process, cold electrons formed as a result of inelastic collision acquire the temperature of plasma electrons. The balance of electrons in a discharge is determined by the rate of their formation as a result of ionization and the rate of their escape (deposition) onto the walls of the discharge chamber. It depends on the equilibrium potential of the plasma relative to the walls, which is set automatically. Excess electrons fall on the anode 10 and leave the discharge. The balance of atoms and ions in a discharge is determined by the rates of ionization and their escape to the walls of the discharge chamber and to the holes in the electrodes of the ion-optical system.

Вероятность рекомбинации ионов за счет присоединения электрона близка к нулю. Ступенчатые процессы ионизации с практически важной вероятностью возможны лишь в случае возбуждения метастабильных состояний, время жизни которых ≈10^-6с примерно на два порядка выше, чем остальных состояний.The probability of ion recombination due to electron attachment is close to zero. Stepwise ionization processes with a practically important probability are possible only in the case of excitation of metastable states whose lifetime is ≈10 ^-6 s approximately two orders of magnitude higher than the rest of the states.

Особенностью данного двигателя являются значительные потери мощности в процессах ионизации. Так вследствие конструктивной целесообразности размещение индуктора 3 вне объема разрядной камеры 1, способствует половинной потери высокочастотной мощности при ее рассеянии во внешнее пространство. Помимо этого снижению эффективности процессов ионизации способствует неоднородность распределения магнитного поля в объеме разрядной камеры 1, особенно в пристеночной области, что сказывается на неоднородности передачи энергии электронам.A feature of this engine is significant power loss in ionization processes. So, due to constructive expediency, placing the inductor 3 outside the volume of the discharge chamber 1 contributes to half the loss of high-frequency power when it is dissipated into the external space. In addition, the heterogeneity of the distribution of the magnetic field in the volume of the discharge chamber 1 contributes to a decrease in the efficiency of ionization processes, especially in the near-wall region, which affects the inhomogeneity of energy transfer to electrons.

Использование в предложенном техническом решении магнитопровода, который охватывает индуктор и ионно-оптическую систему, позволяет «собрать» рассеянную во вне разрядной камеры мощность и направить ее для создания дополнительного магнитного потока, что увеличивает значение индукции магнитного поля и способствует повышению энергии электронов и, соответственно, степени ионизации рабочего вещества. По сути указанный магнитопровод выполняет роль магнитного экрана, который кроме того способствует снижению возмущений в конфигурации магнитного поля в разрядной камере, а неизбежное «запаздывание» в перемагничивании такого экрана облегчает перевод энергии вращающихся электронов на формирование вихревого электрического поля во время изменения направления их движения из-за смены полярности переменного магнитного поля.The use of a magnetic circuit in the proposed technical solution, which covers the inductor and the ion-optical system, allows you to "collect" the power dissipated in the outside of the discharge chamber and direct it to create additional magnetic flux, which increases the value of the magnetic field induction and contributes to an increase in electron energy and, accordingly, degree of ionization of the working substance. In fact, this magnetic circuit acts as a magnetic screen, which also helps to reduce disturbances in the configuration of the magnetic field in the discharge chamber, and the inevitable “delay” in the magnetization reversal of such a screen facilitates the transfer of the energy of rotating electrons to the formation of a vortex electric field while changing the direction of their motion for changing the polarity of an alternating magnetic field.

Возможное выполнение части оболочки в виде постоянного магнита позволяет использовать его предварительную осевую намагниченность для создания в разрядной камере продольное аксиальное постоянное магнитное поле, что облегчает условия зажигания разряда. При этом из-за сильного гистерезиса при перемагничивании магнитотвердого материала высокочастотный ток в индукторе не сможет полностью «размагнить» материал постоянного магнита.The possible implementation of part of the shell in the form of a permanent magnet allows the use of its preliminary axial magnetization to create a longitudinal axial constant magnetic field in the discharge chamber, which facilitates the conditions for ignition of the discharge. At the same time, due to strong hysteresis during magnetization reversal of magnetically hard material, the high-frequency current in the inductor cannot completely “demagnetize” the material of the permanent magnet.

Таким образом, в целом полезная модель позволяет повысить эффективность высокочастотного ионно-плазменного двигателя при сохранении высокой эффективности извлечения и формирования ускоренных потоков ионов.Thus, on the whole, a useful model makes it possible to increase the efficiency of a high-frequency ion-plasma engine while maintaining high efficiency in the extraction and formation of accelerated ion flows.

Claims

1. An ion-plasma engine containing a discharge chamber made of a dielectric material with a longitudinally expanding cross section, a node for supplying a gaseous working medium to the discharge chamber, an inductor located on its outer surface, means for generating a high-frequency electric discharge in the cavity of the discharge chamber, ion-optical system, including emission, accelerating and slowing electrodes sequentially placed with a spatial gap between each other, and a cathode-neutralization Torr, characterized in that it is provided with a magnetic system comprising an axially symmetrical magnetic circuit comprising a sheath covering the inductor and axisymmetric magnetic poles, one of which is formed by the retarding electrode made of a soft magnetic material, and the other shell adjacent to its opposite side.

2. The ion-plasma engine according to claim 1, characterized in that the magnetic system is provided with a magnetic induction source in the form of a permanent magnet formed by an axisymmetric cross-sectional element of the shell magnetized in the axial direction.