плазменный источник электронов
Классы МПК: | H01J17/02 элементы конструкции H01J19/02 эмиттирующие электроды; катоды H05H1/54 ускорители плазмы F03H1/00 Использование плазмы для получения реактивной тяги |
Автор(ы): | Минаков В.И. |
Патентообладатель(и): | Минаков Валерий Иванович |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-03-26 публикация патента:
20.07.2003 |
Изобретение относится к области газоразрядных высоковакуумных (Р<0,1 Па) устройств. Техническим результатом является повышение эффективности извлечения электронного пучка, а также газовой и энергетической эффективности. Плазменный источник электронов содержит выполненные в виде тел вращения с центральными отверстиями внутренний и внешний полюсные наконечники с расположенным между ними источником магнитодвижущей силы и размещенные в герметичном корпусе дуговой диафрагмированный полый катод с устройством подачи газа, а также установленные между соосными выходными отверстиями катода и корпуса соосно с ними выполненные в виде тел вращения с центральными отверстиями промежуточный и главный аноды. Между выходными отверстиями катода и корпуса последовательно установлены промежуточный анод, внутренний полюсный наконечник, кольцевой коллектор, главный анод и внешний полюсный наконечник. Главный анод выполнен из магнитослабого материала и расположен так, что через отверстие в нем протекает не менее 30% создаваемого в пространстве между полюсными наконечниками магнитного потока. Внутренний и внешний полюсные наконечники электрически соединены с катодом. В общем случае плазменный источник снабжен кольцевым коллектором, соединенным с дополнительным устройством подачи газа. В кольцевом коллекторе выполнены отверстия, обеспечивающие подачу газа в пространство между полюсными наконечниками. 7 з.п.ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Плазменный источник электронов, выполняющий функции катода газоразрядного устройства, содержащий выполненные в виде тел вращения с центральными отверстиями внутренний и внешний полюсные наконечники с расположенным между ними источником магнитодвижущей силы и размещенные в герметичном корпусе дуговой диафрагмированный полый катод с устройством подачи газа, а также установленные между соосными выходными отверстиями катода и корпуса выполненные в виде тел вращения с центральными отверстиями промежуточный и главный аноды, отличающийся тем, что между выходными отверстиями катода и корпуса соосно с ними последовательно установлены промежуточный анод, внутренний полюсный наконечник, главный анод и внешний полюсный наконечник, главный анод выполнен из магнитослабого материала и расположен так, что через отверстие в нем протекает не менее 30% создаваемого в пространстве между полюсными наконечниками магнитного потока, а внутренний и внешний полюсные наконечники электрически соединены с катодом. 2. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что он снабжен кольцевым коллектором, соединенным с дополнительным устройством подачи газа, в коллекторе выполнены отверстия, обеспечивающие подачу газа в пространство между полюсными наконечниками. 3. Источник электронов по п.1 или 2, отличающийся тем, что минимальные диаметры отверстий в катоде d, промежуточном аноде D1, внутреннем полюсном наконечнике D2 и внешнем полюсном наконечнике D3 связаны соотношением d:D1: D2: D3= 1: 10k: 50k: 100k, где k=1






Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области газоразрядных высоковакуумных (Р<0,1 Па) устройств и предназначено для работы в качестве катода мощных генераторных ламп (например, катод генератора СВЧ-колебаний), а также в составе источников ионных пучков, в частности, в составе таких космических электроракетных двигателей, как плазменно-ионный двигатель (ПИД) (катод - нейтрализатор ПИД). Известен катодный блок, содержащий заключенные в герметичный корпус дуговой диафрагмированный полый катод с устройством подачи газа и промежуточный анод [1]. Дуговой разряд между таким катодом и каким-либо внешним анодом (при работе катода в составе ПИД внешним анодом является плазма ионного пучка) зажигается при прокачке через полость катода постоянного расхода рабочего тела (инертные газы, пары ртути, цезия). Высокий ресурс и низкий уровень энергозатрат предопределили использование данного устройства в качестве традиционного и практически единственного типа источника электронов для Холловского двигателя (СПД) и ПИД. Вместе с тем, применение подобного катодного блока в составе Холловского двигателя (СПД) существенно ограничивает возможности повышения полного тягового КПД двигателя. Внутренняя противоречивость процессов генерации заряженных частиц в прикатодной области разряда приводит к неблагоприятному распределению потенциала в пространстве анод - катод, непроизводительному повышению уровня энергозатрат и к неоправданно большому расходу рабочего тела через полость катода. Указанные недостатки, обусловленные низкой эффективностью ионизации нейтральных атомов в столбе разряда при малых расходах и низкой температуре электронов, снижают конкурентноспособность Холловского двигателя (СПД), наиболее ярко проявляясь в перспективной области малых тяг (F<30 mN). Аналогичные недостатки, хоть и в меньшей мере, присущи и катоду-нейтрализатору ПИД. Низкий уровень энергозатрат в сочетании с возможностью получения стационарного электронного пучка со значительными токами (I>1А) и высокими плотностями тока привлекают внимание к перспективам использования дугового диафрагмированного полого катода в мощных генераторах электромагнитных колебаний различных типов. Известен плазменный источник электронов (ПИЭЛ) на основе обращенного дуоплазматрона с дуговым полым катодом [2]. Такой источник содержит заключенные в герметичный корпус дуговой диафрагмированный полый катод с устройством подачи газа и установленные между выходными отверстиями катода и корпуса соосно с ними промежуточный и главный кольцевые аноды, а также внутренний и внешний кольцевые полюсные наконечники с расположенным между ними источником магнитодвижущей силы. Конструктивно внешний полюсный наконечник совмещен с главным анодом, а внутренний полюсный наконечник совмещен с промежуточным анодом. Таким образом, полюсные наконечники находятся под потенциалами совмещенных с ними анодов. Разряд в данном источнике контрагирован отверстием в промежуточном аноде и сильным неоднородным магнитным полем в пространстве между анодами, где и достигается максимальная степень ионизации газа. Извлечение электронов из образовавшейся плазмы производится через отверстие в главном аноде с помощью системы внешних электродов. Подобный ПИЭЛ позволяет получить стационарный электронный пучок со значительными токами (I>1A) и высокими плотностями тока. Минимальный расход газа в рассматриваемом ПИЭЛ меньше расхода в традиционном катодном блоке, однако высокий уровень удельных энергозатрат (порядка 1 кВт/А) и низкая эффективность извлечения электронного пучка исключают возможность его применения в качестве катода-компенсатора Холловского двигателя (СПД) и катода-нейтрализатора ПИД, а также ограничивают его применимость в генераторных лампах. Задачей, на которую направлено изобретение, является повышение эффективности извлечения электронного пучка, а также газовой и энергетической эффективности. Поставленная задача решается за счет того, что в плазменном источнике электронов, содержащем выполненные в виде тел вращения с центральными отверстиями внутренний и внешний полюсные наконечники с расположенным между ними источником магнитодвижущей силы, а также размещенные в герметичном корпусе дуговой диафрагмированный полый катод с устройством подачи газа и выполненные в виде тел вращения с центральными отверстиями промежуточный и главный аноды, между выходными отверстиями катода и корпуса соосно с ними последовательно установлены промежуточный анод, внутренний полюсный наконечник, главный анод и внешний полюсный наконечник. Главный анод выполнен из магнитослабого материала и расположен так, что через отверстие в нем протекает не менее 30% создаваемого в пространстве между полюсными наконечниками магнитного потока. Внутренний и внешний полюсные наконечники электрически соединены с катодом и имеют потенциал, практически равный потенциалу катода. В общем случае плазменный источник снабжен кольцевым коллектором, соединенным с дополнительным устройством подачи газа. В кольцевом коллекторе выполнены отверстия, обеспечивающие подачу газа в пространство между полюсными наконечниками за пределы зоны, находящейся между указанными полюсными наконечниками и ограниченной торцевыми поверхностями полюсных наконечников и внутренней поверхностью анода. Изобретение поясняется чертежами, где на фигурах 1, 2 представлены варианты выполнения ПИЭЛ. Предлагаемый ПИЭЛ, выполняющий функции катода газоразрядного устройства, содержит дуговой диафрагмированный полый катод (1) с устройством подачи газа (2), размещенный в герметичном корпусе (3) (фиг.1) (26) (27) (фиг.2) так, что оси выходных отверстий катода (4) и корпуса (5) совпадают. Между выходными отверстиями дугового полого катода (4) и корпуса (5) соосно с ними последовательно установлены кольцевые промежуточный анод (6), внутренний полюсный наконечник (7), кольцевой коллектор (8) с дополнительным устройством подачи газа (28), главный анод (9) (23) и внешний полюсный наконечник (10). (В специальных вариантах конструкции предлагаемого ПИЭЛ кольцевой коллектор с дополнительным устройством подачи газа могут отсутствовать.) Внутренний (7) и внешний (10) полюсные наконечники электрически соединены (накоротко или путем замыкания тока через плазму газового разряда) с катодом (1), находясь практически под одним потенциалом с последним. Главный анод (9) (фиг. 1) может быть выполнен в виде полого цилиндра, внутренний диаметр D4 (12) и длина L2 которого превышают минимальный диаметр D3 отверстия (14) во внешнем полюсном наконечнике (10) в 1-1,6 раза. Другой вариант выполнения главного анода (23) (фиг.2) - в виде полого усеченного конуса, меньшее основание которого обращено к внутреннему полюсному наконечнику (7). В этом случае внутренний диаметр большего основания (24) D6 и высота усеченного конуса Н относятся к минимальному диаметру D3 отверстия (14) во внешнем полюсном наконечнике (10) как D6: D3=1,3




1) существенно снизить энергозатраты и, соответственно, тепловыделение в катодной области разряда;
2) получить высокие значения тока и плотности тока стационарного электронного пучка;
3) значительно увеличить эффективность извлечения электронного пучка и энергетическую эффективность;
4) повысить управляемость и устойчивость разряда при низком уровне давления (Р<0,01 Па) в пространстве распостранения электронного пучка. Применение предложенного плазменного источника электронов в качестве составной части (катода-нейтрализатора) ПИД позволяет:
1) повысить тяговый КПД двигателя в результате создания катодом-нейтрализатором дополнительной тяги при уменьшении потерь энергии и расхода газа;
2) повысить ресурс ускоряющего электрода ионно-оптической системы за счет снижения разности потенциалов между ускоряющим электродом и плазмой пространства нейтрализации ионного пучка;
3) повысить управляемость и устойчивость разряда при низком уровне давления (Р<0,01 Па) в пространстве распостранения ионно-электронных пучков, создаваемых электроракетным двигателем и плазменным источником электронов. Использование предложенного плазменного источника электронов в качестве составной части (катода-компенсатора) Холловского двигателя (СПД) позволяет:
1) увеличить тягу и тяговый КПД двигателя за счет сокращения непроизводительных потерь энергии в пространстве - катод плазменного источника электронов - анод Холловского двигателя (СПД);
2) повысить тягу и тяговый КПД двигателя в результате создания плазменным источником электронов дополнительной тяги при уменьшении расхода газа;
3) эффективно управлять величиной плавающего потенциала катода-компенсатора и распределением потенциалов в пространстве взаимодействия пучков, создаваемых анодом Холловского двигателя (СПД) и плазменным источником электронов;
4) повысить управляемость и устойчивость разряда при низком уровне давления (Р<0,01 Па) в пространстве взаимодействия ионно-электронных пучков, создаваемых Холловским двигателем (СПД) и плазменным источником электронов;
5) повысить ресурс Холловского двигателя за счет изменения местоположения и протяженности зоны генерации и ускорения ионов. Таким образом, с помощью предложенного плазменного источника электронов решена самосогласованная задача эффективной организации разряда требуемых параметров в различных газоразрядных устройствах при низком уровне расхода газа, малых энергозатратах и высоком КПД. Решение задачи привело к возникновению таких новых свойств, как получение дополнительной тяги и повышение ресурса при работе в составе электроракетных двигателей, а также возможности эффективного управления величиной плавающего потенциала катода-компенсатора и распределением потенциала в пространстве взаимодействия ионно-электронных пучков, создаваемых электроракетным двигателем и плазменным источником электронов. Литература
1. А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. Москва. Мир. 1992. с.191. 2. A.S. Roberts, Jr., James L. Cox, Jr. and Willard N. Bennett. Electron Beams from a Duoplasmatron using a Hollow Cathode Arc as Electron Source. J. Appl. Phys. V. 37, N8 (1966), p.3231. 3. Ю. Е. Крейндель. Плазменные источники электронов. Москва. Атомиздат. 1977 г., с.53, 54.
Класс H01J17/02 элементы конструкции
Класс H01J19/02 эмиттирующие электроды; катоды
Класс H05H1/54 ускорители плазмы
Класс F03H1/00 Использование плазмы для получения реактивной тяги