плазменный ускоритель

Формула изобретения

1. Плазменный ускоритель с плазменной камерой, в которую подается и ионизируется рабочий газ и создается плазменная струя вокруг продольной оси, с установленными электродами для создания электрической разности потенциалов, которая является ускоряющим полем для положительно заряженных ионов в зоне разгона параллельно продольной оси, с устройством для подачи сфокусированного пучка электронов в плазменную камеру и управления им с помощью магнитной системы, отличающийся тем, что плазменная камера имеет кольцеобразную форму вокруг продольной оси с радиальными внутренними и наружными стенками, а пучок электронов поступает в камеру в виде полого цилиндрического пучка, магнитная система плазменной камеры имеет внутреннее и наружное расположение магнитов, каждый из которых имеет разноименные полюсы, разделенные в продольном направлении.

2. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что магнитная система тороидального вида.

3. Плазменный ускоритель по п.1 или 2, отличающийся тем, что плазменная камера в продольном направлении имеет по меньшей мере одно промежуточное электродное устройство с одной частью электрода на внешней стенке камеры, а второй - напротив на внутренней вокруг продольной оси, в промежуточном потенциале разности потенциалов.

4. Плазменный ускоритель по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что магнитная система состоит из ряда последовательных магнитных устройств, разделенных между собой, параллельных продольной оси и расположением разноименных полюсов в продольном направлении.

5. Плазменный ускоритель по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один промежуточный электрод частично или полностью закрывает полюсной зазор между последовательными полюсами магнитной системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к установке плазменного ускорителя с плазменной камерой вокруг продольной оси, электродным устройством, создающим электрическое поле ускорения для положительно заряженных ионов на участке разгона параллельно продольной оси, и имеющего устройство, создающее сфокусированный пучок электронов, направляемый в плазменную камеру и управляемый с помощью магнитной системы.

В US 5359258-A представлена установка плазменного ускорителя типа, известного как ракетный двигатель Холла, с кольцевой камерой разгона и практически радиальным магнитным полем по всей плазменной камере. Анод и анодная ступень плазменной камеры с магнитным экранированием. Газ поступает в плазменную камеру, открытую с одной стороны в продольном направлении, ионизируется электронами и с ускорением отталкивается от анода. Электроны с ускорением движутся от катода, расположенного снаружи плазменной камеры, к аноду, расположенному в основании плазменной камеры. Электроны под воздействием радиального магнитного поля движутся по замкнутым круговым траекториям вокруг продольной оси установки, что способствует увеличению их времени нахождения в плазменной камере и повышает вероятность столкновений.

В JP 55-102 162 А представлен ионизатор, у которого кольцевой анод содержит постоянный магнит и окружен кругообразным цилиндрическим катодом, а полый пучок ионов выталкивается из кольцевого отверстия. В US 3626305 представлена установка для физических экспериментов, создающая ионы с высокой кинетической энергией порядка 10 ГэВ. В ней кольцевой поток электронов малой энергии, например 10 МэВ, создается вне кольцевой вакуумной камеры и впускается в камеру сжатия. Из газа, отрывисто поступающего в форме импульса, с помощью ионизации создаются положительные ионы, количество которых меньше по сравнению с количеством кольцевых электронов. Положительные ионы вовлекаются в потенциальный напор, создаваемый кольцом электронов. Под действием сильного отрывисто пульсирующего магнитного поля электроны, циркулирующие в кольце, сильно разгоняются до величины кольцевого тока порядка 50 кА. Сильное магнитное поле, параллельное оси кольца и связанное с кольцевым потоком электронов высокой энергии, начинает взаимодействовать с магнитным полем, создаваемым в вакуумной камере внутренними и внешними катушками. В результате кольцевой поток сильно разгоняется в осевом направлении. Ионы, попавшие в поток потенциала сжатой кольцевой системы электронов, переносятся вдоль оси кольцевым потоком и разгоняются до высокой кинетической энергии. В US 3613370 описывается плазменный ускоритель с кольцевой плазменной камерой, через которую проходит практически радиально ориентированное магнитное поле. Электроны с центрального катода направляются в плазменную камеру через боковые отверстия во внутренней стенке плазменной камеры.

В GB 2295485 А представлена установка для создания ускоренной плазменной струи, у которой в цилиндрической плазменной камере электроны, испускаемые центральным катодом, разгоняются в направлении кольцевого анода. Магнитное поле используется для продления времени нахождения электронов в плазменной камере для повышения эффективности ионизации.

В 4434130 описывается управление двумя противоположно направленными пучками разогнанных ионов, исходящими из реактора синтеза, с помощью эффекта объемного заряда, вызванного полым цилиндрическим потоком управляемых электронов. Управление электронами, движущимися по спиральным траекториям, осуществляется с помощью равновесия сил между радиально ориентированными электростатическими полями и центробежными силами. Пучки ионов, поступающие в направлении оси с обеих сторон, с высокой энергией сталкиваются в зоне синтеза, где конически сжатый пучок электронов, поступающий с одного конца, снова расширяется на другом конце и направляется дальше.

В DE 19828704 A1 представлена установка плазменного ускорителя с плазменной камерой вокруг продольной оси, системой электродов и магнитной системой, а также устройством для ввода пучка электронов в плазменную камеру.

Эта известная установка имеет кругообразную цилиндрическую плазменную камеру, в которой сильно сфокусированный пучок электронов, генерируемый устройством генерации пучков, вводится вдоль продольной оси цилиндра. Пучок электронов управляется вдоль оси цилиндра с помощью магнитной системы, которая, в частности, характеризуется переменной поляризацией последовательно расположенных секций. Электроны в пучке на высокой скорости вводятся в плазменную камеру, проходят через электрическую разность потенциалов вдоль продольной оси плазменной камеры. Разность потенциалов оказывает замедляющее действие на электроны в пучке. Ионизируемый газ, в частности инертный газ, подается через плазменную камеру и ионизируется электронами пучка и вторичными электронами. Появляющиеся в процессе этого положительные ионы разгоняются вдоль продольной оси плазменной камеры под воздействием разности потенциалов и движутся в том же направлении, что и пучок электронов. Ионы также управляется вдоль продольной оси, фокусируются магнитной системой и эффектом объемного заряда и вместе с частью электронов пучка испускаются на другом конце плазменной камеры в виде пучка нейтральной плазмы.

Целью данного изобретения является спецификация плазменного ускорителя этого типа, обладающей высокой эффективностью.

В соответствии с настоящим изобретением пучок электронов не поступает в кругообразную цилиндрическую плазменную камеру в виде сильно сфокусированного пучка; вместо этого, например, с помощью кольцеобразной поверхности катода создается полый цилиндрический пучок, который подается в тороидальную плазменную камеру. Плазменная камера радиально ограничена внешней и внутренней стенками, толщина стенок меньше, чем радиус полого цилиндра. Полый пучок проходит между этими стенками и управляется магнитной системой. Желательно, чтобы установка в целом была по крайней мере приблизительно осесимметрично или хотя бы симметрично при вращении вокруг своей продольной оси. Также предпочтительно, чтобы магнитная система была в виде двойного тороида, первый магнит располагался радиально снаружи по отношению к плазменной камере, а второй магнит располагался изнутри камеры.

Как и в уже известной установке, желательно, чтобы данная установка в соответствии с изобретением имела по крайней мере один промежуточный электрод по длине камеры в продольном направлении, находящийся под воздействием потенциала разности потенциалов вдоль продольного направления плазменной камеры. Разделение на несколько промежуточных потенциалов дает существенное повышение эффективности благодаря тому, что электроны с низкой кинетической энергией задерживаются на промежуточном электроде, у которого разность потенциалов ниже, чем текущий потенциал электронов. Эффективность монотонно возрастает с количеством промежуточных потенциальных секций.

В первом варианте конструкции магнитная система может быть в виде одной секции с изменением полюсов в каждом случае для внешней и внутренней магнитных систем с помощью разноименных магнитных полюсов, разделенных между собой в продольном направлении. По меньшей мере один из двух магнитных полюсов в каждом случае расположен в зоне плазменной камеры в продольном направлении. Желательно, чтобы оба полюса односекционной магнитной системы, разделенные между собой в продольном направлении, находились в продольной протяженности плазменной камеры. Особое преимущество имеет установка, у которой магнитная система имеет многосекционную конструкцию с несколькими последовательными подсистемами в продольном направлении с попеременным чередованием разноименных направлений.

Особенное преимущество имеет установка плазменного ускорителя согласно настоящему изобретению, у которой в продольной протяженности плазменной камеры в зоне боковых стенок камеры есть еще и по меньшей мере одно промежуточное электродное устройство под воздействием промежуточного потенциала разности потенциалов для разгона положительных ионов или замедления подаваемого пучка электронов. На таком промежуточном электроде могут задерживаться только электроны с низкой кинетической энергией. В результате разность потенциалов между катодом и анодом может разделяться на два или более ускоряющих потенциала. Благодаря тому, что электроны разгоняются против подаваемого пучка электронов, в результате значительно снижаются потери. Электрическая эффективность, в частности, монотонно возрастает с количеством потенциальных секций. В каждом случае преимуществом является размещение электродов в продольном направлении между краями полюсов магнитной системы или подсистемы. Это сказывается на самом благоприятном направлении электрических и магнитных полей.

Далее настоящее изобретение описывается более подробно со ссылками на иллюстрации и с использованием наиболее предпочтительных вариантов конструкций, где на

фиг.1 представлен разрез вида сбоку;

фиг.2 - вид в направлении продольной оси;

фиг.3 - одна секция магнитного устройства;

фиг.4 - распределение плазмы в многосекционной установке.

Как известно из физики плазмы, в результате подвижности электронов, вызванной их небольшой по сравнению с положительно заряженными ионами массой, плазма ведет себя подобно металлическому проводнику и принимает постоянный потенциал.

Тем не менее если плазма находится между двумя электродами с разными потенциалами, то она принимает примерно потенциал электрода с потенциалом, который выше для положительных ионов (анод), так как электроны очень быстро движутся по направлению к аноду, пока потенциал плазмы не станет почти равным постоянному потенциалу анода, а, следовательно, плазма станет вне действия поля. Как известно, только в сравнительно тонком пограничном слое около катода потенциал резко падает до величины потенциала катода.

Поэтому разные потенциалы могут сохраняться в плазме только когда проводимость плазмы анизотропная. В соответствии с настоящим изобретением в установке может создаваться преимущественно высокая анизотропия проводимости. Это связано с тем, что электроны под действием силы Лоренца испытывают силы под прямыми углами к линиям магнитного поля и под прямыми углами к направлению движения во время движения поперек линий магнитного поля. Поэтому естественно, что электроны могут с легкостью перемещаться в направлении линий магнитного поля, то есть в направлении с высокой электрической проводимостью и для более легкой компенсации разности потенциалов при движении в этом направлении. Однако ускорению электронов с помощью составляющей электрического поля, направленной под прямыми углами к линиям магнитного поля, препятствует вышеупомянутая сила Лоренца, поэтому электроны движутся спирально вокруг линий магнитного поля. Соответственно, электрические поля под прямыми углами к линиям магнитного поля могут создаваться без непосредственной компенсации потоком электронов. Для устойчивости таких электрических полей особенно благоприятно, если связанные с ними эквипотенциальные поверхности простираются примерно параллельно линиям магнитного поля, а, следовательно, электрические и магнитные поля в значительной степени пересекаются.

На фиг.1 представлена многосекционная установка в соответствии с настоящим изобретением, у которой плазменная камера практически тороидальная вокруг продольной оси LA, являющейся осью симметрии, а ее форма доступна при единичном изготовлении. В плазменную камеру подается полый цилиндрический пучок электронов ES, ось цилиндра которого совпадает с продольной осью LA, а толщина стенки пучка DS (фиг.2) мала по сравнению с радиусом RS контура полого цилиндрического пучка. Такой полый пучок можно создать, например, с помощью кольцевого катода и соответствующей системы генерации пучка. Электроны пучка при входе в плазменную камеру обычно обладают кинетической энергией более 1 кэВ. Кольцевая плазменная камера РК в поперечном направлении ограничена внутренней стенкой WI и внешней стенкой WA.

Существенным фактом установки согласно фиг.2 является то, что магнитная система больше не имеет единственного кольца вокруг продольной оси LA. Вместо этого с внешней стороны относительно плазменной камеры расположено магнитное устройство RMA, внутри которого имеются оба разноименных магнитных полюса, разделенных между собой в продольном направлении LR. Таким же образом установлено следующее магнитное устройство RMI, расположенное радиально с внутренней стороны относительно плазменной камеры, внутри которого также имеются оба разноименных магнитных полюса, разделенных между собой в продольном направлении LR.

Эти два магнитных устройства RMA и RMI расположены радиально одно напротив другого и практически одинаковой длины и с одинаковой последовательностью полюсов в продольном направлении LR. Вследствие этого одинаковые полюса (N-N и S-S) находятся радиально напротив друг друга, а магнитные поля в каждой из двух магнитных установок внутренне замкнуты. Поэтому можно увидеть, что магнитные поля, создаваемые находящимися напротив друг друга магнитными устройствами RMA и RMI, разделены между собой центральной поверхностью, которая расположена практически в центре плазменной камеры. Линии магнитного поля В распространяются дугообразно между магнитными полюсами каждого устройства и не пересекают центральную поверхность, которая не обязательно должна быть плоской. В результате с каждой радиальной стороны такой центральной поверхности действует по существу только одно магнитное поле от каждой из магнитных установок RMA и RMI.

Все выше сказанное справедливо также и для магнитной системы с одним установленным внутренним и внешним магнитным устройством. Например, такое магнитное устройство может состоять из двух кольцевых концентрических постоянных магнитов, у которых полюса разделены между собой практически параллельно вдоль оси симметрии LA. Такое устройство отдельно представлено на фиг.3.

Особое преимущество конструкции данного изобретения заключается в том, что она может состоять из двух или более таких установок, следующих одна за другой в направлении продольной оси LR, а их полюса одинаковые и находятся напротив друг друга в продольном направлении, как в упомянутой выше установке, поэтому не происходит короткого замыкания магнитных полей, то есть их силовые линии практически такие же во всех последовательных секциях, как и у конструкции с одной секцией.

Последовательные магнитные поля, во-первых, оказывают фокусирующее влияние на первичный пучок электронов, поступающий в плазменную камеру, а во-вторых, предотвращают перетекание из одной секции в другую вторичных электронов, создаваемых в плазменной камере. Ионный барьер IB не дает ионам пересекать катод КА.

Предпочтение отдается установке плазменного ускорителя, у которой в продольном направлении плазменной камеры имеется по меньшей мере один дополнительный промежуточный электрод, который находится под действием промежуточного потенциала градиента потенциала. Такой промежуточный электрод устанавливается по меньшей мере на одной боковой стенке, желательно в виде электрода, состоящего из двух частей, расположенных одна напротив другой на внутренней и внешней боковой стенках плазменной камеры. Особенно полезно размещать электрод между двумя магнитными полюсами в продольном направлении. Установка, представленная на фиг.1, имеет несколько секций S0, S1, S2, в каждой из которых есть магнитная подсистема и система электродов в продольном направлении. Каждая магнитная подсистема состоит из внутреннего RMI и внешнего RMA магнитного кольца, как показано на фиг.3. Каждая из систем электродов последовательных секций S0, S1, S2 состоит из внешнего кольцевого электрода АА0, AA1, АА2 и радиально противоположного внутреннего кольца A10, A11, A12. Длина электродов внутренних и внешних колец в продольном направлении практически одинакова. Взаимно противоположные кольцевые электроды АА0 и AI0, AA1 и AI1, AA2 и AI2 в каждом случае находятся под одним потенциалом, что дает возможность, в частности, электродам АА0 и AI0 быть под потенциалом земли всей установки. Внутренние и внешние электроды АА0, AA1,... и полюса магнитных устройств могут быть также встроены во внутренние и внешние стенки соответственно.

Электрические поля, создаваемые электродами в зонах, наиболее важных для образования плазмы, распространяются примерно под прямыми углами к линиям магнитных полей. В частности, в зоне наибольшего градиента электрического потенциала между электродами последовательных секций линии магнитного и электрического поля практически пересекаются. Поэтому вторичные электроны, порождаемые вдоль направления движения сфокусированных вторичных электронов, вместе с сильно замедленными первичными электронами не могут создавать никаких явных коротких замыканий электродов. В связи с тем, что вторичные электроны могут двигаться только вдоль линий магнитного поля практически тороидальной многосекционной магнитной системы, создаваемая плазменная струя ограничена практически объемом цилиндрического слоя сфокусированных первичных электронов. Выступы плазмы в основном имеются только в зоне смены знака осевой составляющей магнитного поля, где магнитное поле направлено практически радиально относительно полюсов магнитных установок. Рабочий газ AG, подаваемый в плазменную камеру, в частности ксенон, ионизируется первичными электронами и особенно вторичными. Разогнанные ионы вместе с замедленными первичными электронами входящего пучка выбрасываются в виде нейтральной плазменной струи РВ.

В представленной на чертеже установке концентрации плазмы образуются в зонах между соседними электродами в продольном направлении, что в то же время совпадает с точками полюсов последовательных магнитных установок. В установке, представленной на фиг.1, плазма в отдельных последовательных секциях может пошагово соединяться с разными потенциалами последовательных электродов. Для этого электроды в особенности и магнитные устройства располагают в продольном направлении таким образом, чтобы физические фазовые углы квазипериодического магнитного поля в сравнении с подобными углами квазипериодического электрического поля, измеренные между абсолютным минимумом магнитного осевого поля и центром электродов, сдвигались максимум на +/-45°, а в отдельных случаях на +/-15°. В этом месте может происходить контакт между линиями магнитного поля и электродом, расположенным на боковой стенке плазменной камеры. Вследствие легкости перемещения электронов вдоль линий магнитного поля потенциал плазмы может становиться равным потенциалу электрода данной секции. Поэтому концентрации плазмы в разных последовательных секциях имеют разные потенциалы.

В связи с этим наибольший градиент потенциала в осевом направлении находится в слое плазмы, который характеризуется радиальными дуговыми линиями магнитного поля, электрически изолированными в осевом направлении. В этих точках имеет место существенное ускорение положительных ионов в направлении электрического поля, которое разгоняет эти ионы в продольном направлении. Поскольку имеется достаточное количество вторичных электронов, которые, как токи Холла, циркулируют по замкнутым траекториям тороидальной структуры, практически нейтральная плазма ускоряется в продольном направлении к выпускному отверстию плазменной камеры. При этом в плоскости слоя в определенном месте на продольном направлении LR устройства имеются противоположные кольцевые токи Холла II и IA на разных радиусах вокруг продольной оси LA, как показано на фиг.1 и фиг.2.

Вышеупомянутый благоприятный сдвиг фаз квазипериодического магнитной и электрической структур можно получить в первую очередь с помощью установки, представленной на фиг.2, с упомянутым допустимым смещением максимум +/-45°, в отдельных случаях +/-15°. Альтернативный вариант представлен на фиг.4, где периодическая длина секций электродов AL_i , AIi+1, разделенных между собой в продольном направлении, вдвое больше периодической длины установленных последовательно магнитных колец. Такая установка также может быть разделена на секции с вдвое большей длиной, чем на фиг.1, каждая из которых имеет две противоположные магнитные подсистемы и одну систему электродов.

В представленной на фиг.4 установке в зонах, где электроды перекрывают зоны полюсов последовательных магнитных подсистем, образуются контактные зоны, в которых вторичные электроны, двигающиеся вдоль магнитных линий, захватываются электродами. В результате между плазмой и электродом образуется контактная зона KZ, тогда как в зоне полюса, расположенной также между двумя соседними электродами в продольном направлении, в плазме образуется зона изоляции IZ с высоким градиентом потенциала.

В другой конструкции с противоположными внешним и внутренним магнитными кольцами магнитной системы или подсистемы также могут устанавливаться разноименные полюса, чтобы получить четырехполюсное магнитное поле для каждой секции в продольном разрезе установки согласно фиг.1. В этом случае токи IA и II, лежащие в плоскости под прямыми углами к продольному направлению, также ориентируются в этом направлении. Соответственным образом в такой установке могут использоваться другие мероприятия в рамках данного изобретения.

Описанные выше конструктивные особенности, а также указанные в данной заявке на изобретение могут с успехом применяться как по отдельности, так и в различных сочетаниях. Изобретение не ограничивается приведенными примерами конструкций и может модифицироваться различными способами в рамках компетентности специалиста. В частности, нет безусловной необходимости в строгой симметрии вокруг оси SA. Вместо этого на симметричность может специально накладываться асимметрия. Кольцевая форма полей, электродов и магнитных установок не обязательно означает круговую цилиндрическую форму, а может отклоняться от нее как по отношению к симметрии вращения, так и по отношению к цилиндричности в продольном направлении.