RU2022493C1

RU2022493C1 - Plasma accelerator with closed drift of electrons

Info

Publication number: RU2022493C1
Authority: RU
Inventors: Б.А. Архипов; Р.Ю. Гниздор; Ю.М. Горбачев; Н.А. Масленников
Original assignee: Опытное конструкторское бюро "Факел"
Priority date: 1992-03-10
Filing date: 1992-03-10
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: plasma technology, electric jet engines for spacecrafts. SUBSTANCE: elements of magnetic system and cathode of plasma accelerators with closed drift of electrons contacting plasma of working medium are coated with material resistant to bombardment of working medium with ions having blackness degree not less than 0.8. Coat can be manufactured in the form of straps having profile of elements of structure. Coat can be sprayed on elements of structure. EFFECT: improved prevention of erosion of structure of magnetic system and cathode contacting plasma of working medium and heat exchange with atmosphere. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей на основе ускорителей с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) и технологических источников ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме. The invention relates to plasma technology and can be used in the development of electro-jet engines based on accelerators with closed electron drift (SPD) and technological sources of accelerated flows for ion-plasma surface treatment of materials in vacuum.

Известны плазменные ускорители с замкнутым дрейфом электронов, содержащие разрядную камеру, анод - газораспределитель, установленный в разрядной камере, катод и магнитную систему [1]. Эти ускорители имеют широкие возможности по ионизации и ускорению различных веществ. Known plasma accelerators with a closed electron drift containing a discharge chamber, the anode is a gas distributor installed in the discharge chamber, the cathode and the magnetic system [1]. These accelerators have ample opportunities for ionization and acceleration of various substances.

Наиболее близким к предложенному техническим решением является ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру, расположенный в разрядной камере анод - газораспределитель, катод и магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, расположенными у выходной части разрядной камеры [2]. Это техническое решение рассматривается далее в качестве прототипа. Closest to the proposed technical solution is an accelerator with a closed electron drift, containing a discharge chamber located in the discharge chamber anode - gas distributor, cathode and magnetic system with outer and inner poles located at the output of the discharge chamber [2]. This technical solution is considered further as a prototype.

Однако, несмотря на определенные преимущества перед другими типами ускорителей, в известном ускорителе в процессе его работы происходит эрозия элементов магнитной системы и катода вследствие их распыления ионами рабочего тела. Образовавшиеся в процессе распыления продукты эрозии могут попадать в струю рабочего тела и, в случае использования ускорителя в качестве технологического источника плазмы, изменять качество обрабатываемых поверхностей. Эти же продукты распыления (в основном металлы) попадают также на внутреннюю поверхность изолятора разрядной камеры и образуют на ней проводящие пленки, ведущие к увеличению тока пристеночной проводимости и, как следствие, к уменьшению тягового КПД в случае использования УЗД в качестве электрореактивных двигателей. Материалы распыления могут образовывать на поверхности элементов конструкции космических аппаратов, например, на солнечных батареях, проводящие слои, которые уменьшают электрическое сопротивление изоляции между токоведущими цепями, что может способствовать отказам батарей. However, despite certain advantages over other types of accelerators, erosion of the elements of the magnetic system and the cathode occurs in the known accelerator during its operation due to their sputtering by the ions of the working fluid. The erosion products formed during the spraying process can fall into the jet of the working fluid and, if the accelerator is used as a technological plasma source, can change the quality of the treated surfaces. The same spray products (mainly metals) also fall on the inner surface of the insulator of the discharge chamber and form conductive films on it, leading to an increase in the current of near-wall conductivity and, as a result, to a decrease in traction efficiency in the case of using SPL as electric reactive engines. Spray materials can form conductive layers on the surface of structural elements of spacecraft, such as solar panels, that reduce the electrical insulation resistance between current-carrying circuits, which can contribute to battery failures.

Кроме того, при распылении полюсов магнитной системы происходит изменение их геометрии, что приводит к изменению геометрии магнитного поля (формы магнитной линзы) и, как следствие, к изменению характеристик потока рабочего тела. In addition, when the poles of the magnetic system are sprayed, their geometry changes, which leads to a change in the geometry of the magnetic field (the shape of the magnetic lens) and, as a consequence, to a change in the characteristics of the flow of the working fluid.

Воздействие потоков ускоренных ионов рабочего тела на элементы конструкции ускорителя, а также потоков излучения от разряда на конструкцию, особенно для ускорителей с вынесенной зоной ускорения, когда значительная часть ускоряющего потенциала срабатывается за срезом ускорителя, приводит к перегреву конструкции, так как при использовании ускорителей в качестве электрореактивных двигателей теплосъем с него может осуществляться либо в конструкции космического аппарата за счет теплопроводности через всю конструкцию ускорителя, либо излучением внешней поверхности ускорителя. The impact of accelerated ion fluxes of the working fluid on the structural elements of the accelerator, as well as radiation fluxes from the discharge on the structure, especially for accelerators with a remote acceleration zone, when a significant part of the accelerating potential is triggered behind the cut of the accelerator, leads to overheating of the structure, since when using accelerators as electric engines heat removal from it can be carried out either in the design of the spacecraft due to thermal conductivity through the entire structure of the accelerator, or radiation accelerator outer surface.

Цель изобретения - предотвращение эрозии элементов конструкции магнитной системы и катода, контактирующих с плазмой рабочего тела ускорителя, и попадания продуктов эрозии в струю рабочего тела и в разрядную камеру при одновременном улучшении теплосброса с конструкции ускорителя. The purpose of the invention is the prevention of erosion of the structural elements of the magnetic system and the cathode in contact with the plasma of the accelerator working fluid and the ingress of erosion products into the working fluid stream and the discharge chamber while improving heat transfer from the accelerator design.

Цель достигается за счет того, что в известном плазменном ускорителя, содержащем разрядную камеру, в которой установлен анод-газораспределитель, магнитную систему с наружным и внутренним полюсами, расположенными у выходного сечения разрядной камеры и катод-компенсатор, размещенный за срезом разрядной камеры, на поверхностях элементов магнитной системы и катода-компенсатора, контактирующих с генерируемой плазмой рабочего тела, выполнено покрытие из материала, стойкого к катодному распылению ионами рабочего тела, со степенью черноты не менее чем 0,8. The goal is achieved due to the fact that in the known plasma accelerator containing a discharge chamber, in which an anode-gas distributor is installed, a magnetic system with outer and inner poles located at the output section of the discharge chamber and a cathode-compensator located on the surface of the discharge chamber elements of the magnetic system and the cathode-compensator in contact with the generated plasma of the working fluid, made of a material resistant to cathodic sputtering by ions of the working fluid, with a degree of blackness not less than 0.8.

Покрытие может быть выполнено в виде накладок (пластинок), имеющих толщину, достаточную для работы в течение всего времени задаваемого ресурса работы ускорителя, а также нанесено напылением. The coating can be made in the form of pads (plates) having a thickness sufficient to work during the entire time of the specified service life of the accelerator, and also applied by spraying.

Покрытие, выполненное на поверхностях магнитной системы и катода-компенсатора, позволяет предотвратить эрозию этих элементов и одновременно улучшить условия теплосброса. The coating made on the surfaces of the magnetic system and the cathode-compensator prevents erosion of these elements and at the same time improves the conditions of heat transfer.

На чертеже показан предлагаемый ускоритель. The drawing shows the proposed accelerator.

Ускоритель содержит разрядную камеру 1 с расположенным в ней анодом-газораспределителем 2, катод 3 и магнитную систему с наружным 4 и внутренним 5 полюсами. На наружный 4 и внутренний 5 полюса магнитной системы и катод 3, контактирующие с плазмой рабочего тела, нанесено защитное покрытие 6 из материала, стойкого к бомбардировке ионами рабочего тела, выполненное, например, в виде профилированных по форме элементов конструкции ускорителя накладок из нитрида бора, степень черноты которого равна 0,83. Защитное покрытие может быть выполнено также напылением слоя из окиси алюминия, степень черноты которого равна 0,87. The accelerator contains a discharge chamber 1 with an anode-gas distributor 2 located in it, a cathode 3 and a magnetic system with an outer 4 and an inner 5 poles. On the outer 4 and inner 5 poles of the magnetic system and the cathode 3 in contact with the plasma of the working fluid, a protective coating 6 is made of a material resistant to ion bombardment of the working fluid, made, for example, in the form of structural elements of the accelerator designed by the accelerator of boron nitride, whose blackness is 0.83. The protective coating can also be performed by sputtering a layer of aluminum oxide, the degree of blackness of which is equal to 0.87.

Ускоритель работает следующим образом. По команде на включение начинается подготовка (нагрев) катода 3 и подача рабочего тела в анод-газораспределитель 2 и катод. По истечении времени подготовки подается поджигное напряжение на катод и напряжение основной цепи разряда между анодом и катодом. После запуска ускорителя нагрев катода и поджигное напряжение отключаются. Образовавшиеся в разряде ионы рабочего тела ускоряются в электрическом поле, образованном электронами, дрейфующими в магнитном поле, образованном между полюсами 4 и 5 магнитной системы. При работе ускорителя все его элементы находятся под плавающим потенциалом, который близок к потенциалу плазмы рабочего тела. Этот потенциал может превышать энергию связи атомов материалов, из которых изготовлена конструкция ускорителя, что приводит к эрозии элементов его конструкции. Благодаря покрытию поверхностей, контактирующих с плазмой, износостойким покрытием эрозии элементов конструкции ускорителя не происходит и истекающий поток рабочего тела остается чистым. The accelerator works as follows. On the command to turn on, the preparation (heating) of the cathode 3 and the supply of the working fluid to the anode-gas distributor 2 and the cathode begin. After the preparation time, the ignition voltage is supplied to the cathode and the voltage of the main discharge circuit between the anode and cathode. After starting the accelerator, cathode heating and ignition voltage are turned off. The ions of the working fluid formed in the discharge are accelerated in an electric field formed by electrons drifting in a magnetic field formed between the poles 4 and 5 of the magnetic system. During operation of the accelerator, all its elements are at a floating potential, which is close to the plasma potential of the working fluid. This potential may exceed the binding energy of the atoms of the materials from which the design of the accelerator is made, which leads to erosion of the elements of its structure. Due to the coating of surfaces in contact with the plasma, a wear-resistant coating of erosion of the accelerator structural elements does not occur and the effluent of the working fluid remains clean.

В то же время высокая степень черноты защитного покрытия позволяет улучшить условия теплосброса излучением с внешней поверхности ускорителя. At the same time, a high degree of blackness of the protective coating can improve the conditions of heat emission by radiation from the outer surface of the accelerator.

Claims

1. PLASMA ACCELERATOR WITH A CLOSED ELECTRON DRIFT, comprising a discharge chamber in which an anode-gas distributor is installed, a magnetic system with an outer and an inner pole located at the outlet section of the discharge chamber, and a cathode-compensator located behind a section of the discharge chamber, characterized in that on the surfaces of the elements of the magnetic system and the cathode-compensator in contact with the generated plasma of the working fluid, a coating is made of a material resistant to cathodic atomization by ions of the working fluid, with a degree of Ripples not less than 0.8.

2. The accelerator according to claim 1, characterized in that the coating is made in the form of overlays, profiled in the form of structural elements.

3. The accelerator according to claim 1, characterized in that the coating on the structural elements is sprayed.