专利名称：离子束集中器及配有该集中器的等离子体推进器的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于空间动力装置以及地面生产流程的电离等离子体推进器，尤其涉及闭合电子漂移型等离子体推进器，这种推进器也称为稳态等离子体推进器、霍尔效应推进器或者阳极层推进器。
闭合电子漂移型等离子体推进器或者稳态等离子体推进器是公知的，尤其在L.H.ARTSIMOVITCH等人的一篇文章中予以描述，这篇文章发表于1974年，涉及稳态等离子体推进器的研制计划以及在气象卫星上的试验情况，这种推进器与其它类型的离子推进器的不同之处在于，电离和加速不分开，加速区域包括相等的离子数和电子数，因而可以消除任何空间载荷现象。
下面参照图6描述L.H.ARTSIMOVITCH等人的上述文章中所提出的一种闭合电子漂移型等离子体推进器。
由一个绝缘材料构件2限定的一个环形通道1配置在一个电磁铁中，该电磁铁包括一个外环形磁极3、一个内环形磁极4、一个磁轭12以及若干电磁铁线圈11，外环形磁极3和内环形磁极4分别配置在绝缘材料构件2的外部和内部，磁轭12布置在推进器的上游端，电磁铁线圈11在通道1的整个长度上延伸，围绕磁铁心10进行串联，磁铁心10使外磁极3连接到磁轭12上。一个接地的空心阴极7与一个氙气供给器17连接，在通道1下游出口的前面形成等离子体。一个环形阳极5连接到一个电源例如电压为300V的正极端子上，布置在环形通道1的闭合上游部分。一个氙气喷射管6与一个隔热绝缘子8配合，通到一个环形分配通道9，通道9与环形阳极5邻接。
电离电子和中性电子来自空心阴极7。电离电子被阳极5和来自阴极7的等离子体之间的电场吸引到绝缘环形通道1。
在电场E和由线圈11产生的磁场B的作用下，电离电子沿着一个适于在通道中保持电场的方位漂移轨道运动。
然后，电离电子沿绝缘通道内的闭合轨道进行漂移，因此，推进器称为“闭合电子漂移”推进器。
电子的漂移运动大大增加了电子与中性原子碰撞的可能性，这种现象产生离子(在这种情况下产生氙气离子)。
磁场由磁极3和4的形状加以限定。磁力线13在推进器的出口平面14上基本上呈径向方向。
因此，闭合电子漂移推进器利用等离子体内的离子加速。离子并非都具有相同的能量。离子束大致具有两种分量-一种较窄的高能分量，来自加速通道1的电离区域上游；以及-一种高扩散的低能分量，来自加速通道1的出口，在邻接推进器出口平面14的下游在体积上进行扩散。
图8a和8b示出离子流如何随着在300V放电电压Vca下工作的一个离子推进器的能量变化而进行分配。
图8a具有六条曲线，相当于同推进器的轴线各呈0°、7°30′、15°、22°30′、30°和37°30′的角度。由此可见，离子流具有一个相当于270eV的峰值，以及当相对于推进器轴线的角度增大时而快速降低的振幅。这个主峰值是由于原离子而造成的。在推进器出口平面上产生的二次离子形成一个次级峰值，相当于20eV至30eV的能量。实际上，次级峰值的振幅同相对于推进器轴线的扩散角没有关系。
图8b以大比例示出五条曲线，分别相当于下述角度37°30′、45 °、52°30′、60°和67°30′。由此可见，如果相对于推进器轴线的角度数值很高，那么，高能离子的密度降低非常迅速。不过，对于67°30′的扩散角来说，能量超过100eV的离子仍然占有不可忽视的百分比。这些离子一旦进行喷射，就能造成破坏。
图9示出低能离子和高能离子的角分布情况，给出离子束的分布图。实线曲线31示出根据同推进器轴线所呈扩散角在一个30V收集极测得的离子流的数值，而虚线曲线32给出同样根据与推进器轴线所呈扩散角在一个50V收集极测得的离子流的数值。
由图9可见，以0°为中心的密度峰值33、34是来自位于加速通道内的电离前端的高能离子的作用，而低密度的广泛分布相应于低能离子。
图7示出参照图6所述的一种普通闭合电子漂移推进器的一部分。由图7可见箭头52和一条虚线曲线51，箭头52示出离子速度矢量的方向，虚线曲线51示出加速通道1出口离子密度的分布情况。在加速通道1的出口由磁极3和4以及由线圈11和15产生的磁力线113与离子分布情况叠加示出。由此可见，离子轨道垂直于磁力线。实际上，位于加速通道1周边上其出口平面14下游的点53和55处的离子轨道54和56垂直于推进器的轴线Z。
由相当于等位线的磁力线控制的离子束的低能和高扩散分量离子的轨道，对安装有这种推进器的空间飞行器的表面可能具有很大的破坏作用。
在工业应用中，特别是应用于离子束喷射装置时，存在界限不明确的离子束的情况也可能造成问题，因为离子束超出目标，打击仪器的罩壁，从而污染其涂层。
本发明旨在弥补上述缺陷，使得能够在推进器出口产生一种界限分明、离子密度分布最佳的离子束，避免来自离子束周边低能离子的撞击。
这些目的通过一种闭合电子漂移等离子体推进器即可达到，这种推进器包括-一个环形电离和加速通道，该通道由在其下游端具有一个开口的绝缘材料构件加以限定；-至少一个空心阴极，该空心阴极布置在所述环形通道的外部及其下游；-一个与环形通道同心的环形阳极，该阳极布置在所述通道的开口的上游，并且与它相距一段距离；-第一和第二可电离气体供给件，它们分别同空心阴极和环形阳极连接；以及-一个在环形通道中产生磁场的磁路，所述磁路包括不同的磁场产生件、一个磁轭、一个轴向布置在环形通道外的周边磁路、以及周边和中央磁极，这些磁极通过所述周边磁路和所述磁轭彼此进行连接，布置在环形通道两侧，在垂直于所述环形通道轴线的一个出口平面上产生一种基本上为径向的磁场；其特征在于，这种推进器还包括-一个基本截锥形的扩口磁极，该磁极两端开口，围绕环形通道的轴线同轴布置，位于所述出口平面的下游，并且向下游扩口；以及-至少一个附加周边磁路，该附加周边磁路将所述扩口磁极连接到位于辅助通道外部的周边磁极上，扩口磁极与附加周边磁路以及位于环形通道两侧的磁极配合，限定环形通道下游磁场的形状，强制由环形通道发射的离子束留在基本锥形的区域里，这个区域预定的顶点角度由扩口磁极顶点的角度限定。
这样，根据本发明，环形加速通道出口的离子束被强制留在一个锥形区域，这个区域顶点的半角由扩口磁极顶点的半角限定，锥形离子束顶点的半角不必完全等于扩口磁极顶点的半角。
位于加速通道通常出口平面下游的扩口磁极基本上用于使出口平面下游的磁场定形，从而改善推进器外部的等位面和离子轨道，以便使离子轨道更有方向性，避免发生损坏离子束附近外壁的危险。
应当注意，由于周边离子的轨道基本上同扩口磁极相切，因此所述扩口磁极本身要加以保护，防止离子的冲击。
基本上是截锥形的扩口磁极的顶点半角α为30°至60°。
基本上是截锥形的扩口磁极的顶点半角α最好为45°。
在一个特殊实施例中，扩口磁极弯曲成这样所述磁极相对于推进器轴线所形成的角度随着沿下游方向离开出口平面而增大，从而使磁力线逐渐舒展开。
根据本发明一个特征和优越性，扩口磁极覆盖有一层敷层，以增大所述磁极表面的辐射率，提供电绝缘，或者防止环形通道和扩口磁极之间的污染。
这个敷层可以用与限定环形通道的构件的材料相同的材料制成，可以由下列材料中的至少一种构成铝、氮化硼、二氧化硅、氮化铝、氮化硅、Al2O3-TiO2以及TiN。
在一种可能的实施例中，附加周边磁路由一个单个铁磁环构成。
特别是，空心阴极插入在扩口磁极上形成的一个孔中，配有一个面对局部磁场的铁磁防护屏。
附加周边磁路也可以包括铁磁棒。
在这种情况下，在一个最佳实施例中，所述铁磁棒由软铁制成，围绕有线圈，线圈的卷绕方向是这样的附加周边磁路中产生的磁通量的方向与轴向布置在环形通道外部的所述周边磁路中产生的磁通量的方向相反。
本发明还提出一种用于具有闭合电子漂移的等离子体推进器的离子束集中器，其特征在于，这种离子束集中器包括(1)一个基本截锥形的扩口磁极，该磁极两端开口，用于配置在一个等离子体推进器的出口平面下游，这个等离子体推进器具有一个环形电离和加速通道以及布置在环形通道两侧的周边和中央磁极，在垂直于环形通道轴线的一个出口平面上产生一种基本径向的磁场；以及(2)一个附加周边磁路，该附加周边磁路将扩口磁极的下游端连接到所述周边磁极上，扩口磁极与附加周边磁路以及周边和中央磁极相配合，限定环形通道下游磁场的形状，强制由环形通道发射的离子束留在基本锥形的区域里，这个区域在顶点的预定角度由扩口磁极顶点的角度加以限定。
下面参照附图和非限制性实施例进一步说明本发明的其它特征和优越性。附图如下图1是构成本发明第一实施例的配有一个离子束成形装置的一个闭合电子漂移等离子体推进器的一部分的轴向剖视图；图2是构成本发明第二实施例的配有一个离子束成形装置的一个完整的闭合电子漂移等离子体推进器的轴向剖视示意图；图3是配有一个其中插入一个空心阴极的本发明离子束成形装置的一个闭合电子漂移等离子体推进器的一部分的轴向剖视图；图4是应用于闭合电子漂移等离子体推进器的本发明一个离子束成形装置的其它实施例的轴向剖视图；图5是一个标准的等离子体推进器和两个不同实施例的配有本发明离子束成形装置的等离子体推进器的对比矩形图；图6是现有技术实施例中一个闭合电子漂移等离子体推进器的轴向剖视图；图7是一个现有技术的闭合电子漂移等离子体推进器的一部分的轴向剖视图，示出叠加在加速通道外部的磁力线上的离子密度分布情况；图8a和8b是一个现有技术的等离子体推进器中离子流随着相对于推进器轴线各个方向的能量而变化的分布情况曲线图；图9示出对于两个不同电压的收集极的一个现有技术的等离子体推进器出口处的离子束的总分布。
实施例的详细描述图1类似于图7，示出离子束成形装置的一个实施例，根据本发明，离子束成形装置布置在一个闭合电子漂移等离子体推进器出口平面14的下游。
由图1可见环形加速通道1的下游部分以及主磁路的下游部分，环形加速通道1由若干绝缘材料构件2加以限定并用虚线示出，主磁路在通道1中产生一个磁场。主磁路包括位于出口平面14附近并与一个周边磁路10一起布置的一个中央磁极4和一个周边环形磁极3、若干周边电磁线圈11、若干与中央磁极4配合的电磁线圈、以及一个类似于图6所示的磁轭12但在图1中未示出的磁轭。图1所示的构件1至4、10、11和15可以按照相当于现有技术实施例的图7中所示的相应构件的同样方法加以制造。
同样，通常来说，在例如图6所示但不一定相同的实施例中，图1所示的闭合电子漂移等离子体推进器可以既包括一个与环形通道1同心并且布置在通道1出口上游一定距离上的环形阳极5，也包括若干例如用于供给氙气的与环形阳极5相连的可电离气体供给件6。本发明等离子体推进器还包括一个空心阴极7(图1未示出但图2示出)，空心阴极7布置在通道1的外部其下游处，与构件17相连，供给一种可电离气体例如氙气。
一个主磁路产生一种其磁力线13在垂直于推进器轴线的出口平面14上基本上为径向的磁场。应当注意，本发明对等离子体推进器的改进并不改变环形通道1内磁力线13的形状，在图7所示的现有技术推进器的情况下以及在图1所示的本发明推进器的情况下，通道1内磁力线13均相同。相反，与图7所示的磁力线113相比，出口平面14下游的磁力线113a在图1所示的实施例中进行了很大的改进。
图1所示的等离子体推进器配有一个附加周边磁路60，附加周边磁路60将位于环形通道1外部的周边磁心3连接到一个基本截锥形的扩口磁极63上，扩口磁极63两端开口，与环形通道1的轴线同轴，位于出口平面14的下游，沿下游方向进行扩口。
截锥形磁极63与附加周边磁路60以及位于通道1两侧的磁极3和4进行配合，限定环形通道1下游磁场的形状。
特别是，基本截锥形的磁极63可以具有一个30°至60°的顶点半角α，例如约为45°。
附加磁极63可以通过棒60经出口平面14连接到主磁路10上。这些棒60可以由简单的铁磁件构成，磁极63或者构成附加周边磁路的棒60都无需增加任何有源磁性元件(例如永久磁铁，铁磁线圈)。
但是，最好在附加周边磁路中插入若干有源磁性元件。因此，棒60可以由永久磁铁构成。
在一个最佳实施例中，棒60由软铁制成，如图1所示，它们由线圈61围绕，这些线圈卷绕的方向是这样的附加周边磁路中产生的磁通量的方向与周边磁路10中产生的磁通量的方向相反，周边磁路10布置在与推进器轴线平行的环形通道1的外部。
图2示出本发明另一个实施例，其中，附加周边磁路8由一个单个铁磁环构成。
图2尤其示出这样一个实施例，其中，具有基本截锥形的磁极63和附加周边磁路80的组件由一个单件构成，例如通过螺栓或通过焊接固定在位于环形通道1外部的周边磁极上。
截锥形磁极63、棒60或者铁磁环80可以由电绝缘的铁淦氧制成。
由图3所示的实施例可见，在本发明闭合电子漂移等离子体推进器中，空心阴极7可以插入到扩口磁极63上所形成的一个孔163中。在这种情况下，空心阴极7配有一个面对局部磁场的铁磁防护屏164。铁磁防护屏164可以布置在一个点火极72周围，点火极72本身围绕供给有可电离气体的空心阴极7的壳体71。因此，点火极72和防护屏164都对壳体71起到热防护屏蔽作用。空心阴极7可以通过一个凸缘73安装在磁极3和63上。阴极7的轴线适当地平行于局部磁力线。
形成推进器扩散部分的磁极63可以覆盖有一层敷层263(图3)，这个敷层可以起多个作用。因此，敷层263可以增大磁极表面的辐射率，以便增大辐射通量，从而降低推进器的工作温度。
敷层263也可以提供电绝缘。
最后，敷层263可以防止环形通道1和扩口磁极63之间的污染。
只要有一层敷层即可满足所有三个目的。敷层263也可以由一层在推进器侧面上形成的敷层263b加以延伸(图3)。
敷层263、263b可以用一种同限定环形通道1的材料相同的材料制成。
例如，敷层263、263b可以由下列材料之一或者其化合物制成铝、氮化硼、二氧化硅、氮化铝、氮化硅、Al2O3-TiO2及TiN。
图4示出本发明其它实施例，其中，附加磁极63并不完全是截锥形，而是扩口喇叭形，扩口磁极63具有这样的曲率363所述磁极相对于推进器轴线所形成的角度随着沿下游方向离开出口平面14而增大，从而使磁力线逐渐舒展开来。
由图1可见，环形通道1外部的磁场的磁力线113a没有图7所示的磁力线113那么凸出，而通道1内的磁力线13实际上没有变化。
在通道1外部所形成和被加速的离子被强行留在由附加磁极63所确定的锥形区域内。附加磁极63、相连的附加磁路60、61以及磁极3、4都相互配合，使磁场成形，从而使推进器出口平面14下游的等位线113a成形。在点53a产生的一个离子在垂直于一个等位面的方向上沿一个矢量54a被加速，这非常接近于一条磁力线。由此可见，离子束周边被加速的离子实际上平行于磁极63，能够留在其顶点半角由截锥形磁极63的顶点半角α或者由可以视为一个截锥形的扩口磁极加以确定的锥形区域内。
一般来说，在本发明等离子体推进器中，离子密度在轴线附近增大，而在轴线偏心区域减小。因此，离子束被很好地进行平行校准，从而使其在工业应用中达到最佳化程度，减少在各种情况下发生污染的危险。
图5示出在下述三种情况下距离推进器出口500毫米的一束离子束的分布情况的三个矩形图S)一个标准的现有技术等离子体推进器；P)一个在推进器出口配有一个无源磁场成形磁路的本发明等离子体推进器，这种无源磁路包括一个磁极63以及一个没有有源磁性元件例如永久磁铁或电磁铁的附加磁路60；以及A)一个构成本发明最佳实施例的等离子体推进器，其中，推进器出口的磁场成形磁路60、63是有源型的，包括有源磁性元件例如永久磁铁或电磁铁。
矩形图S示出一个标准等离子体推进器的一束离子束的扩散情况，由矩形图S可见，边缘处的离子密度不可忽视，而轴线附近的离子密度适中。
矩形图P示出采用一个本发明等离子体推进器时的改进情况，根据本发明，这个等离子体推进器配有附加磁场成形件63、60例如图1所示的构件63、60，假定线圈61没有励磁，相当于元源型构件。在这种情况下，可以看到，轴线附近的离子密度增大，而边缘处的离子密度减小。
矩形图A相当于采用有源型附加磁场成形件63、60的实施例情况，例如图1所示的具有励磁线圈61的实施例的情况。在这种情况下，可以看到，轴线附近的离子密度增大三倍，而边缘处的离子密度完全可以忽略不计。
权利要求
1．一种闭合电子漂移等离子体推进器，包括-一个环形电离和加速通道(1)，该通道由在其下游端具有一个开口的绝缘材料构件(2)加以限定；-至少一个空心阴极(7)，这个空心阴极布置在所述环形通道(1)的外部及其下游；-一个环形阳极(5)，该环形阳极与环形通道(1)同心，布置在所述通道的开口的上游，并且与它相距一段距离；-第一和第二可电离气体供给件(17,6)，它们分别同空心阴极(7)以及同环形阳极(5)连接；以及-一个在环形通道(1)中产生一个磁场的磁路(3,4,10,12)，所述磁路包括不同的磁场产生件(10,15)、一个磁轭(12)、一个轴向布置在环形通道(1)外部的周边磁路(10)、以及周边和中央磁极(3,4)，这些磁极通过所述周边磁路(10)和所述磁轭(12)彼此进行连接，布置在环形通道(1)的两侧，在垂直于所述环形通道(1)轴线的一个出口平面(14)上产生一种基本上为径向的磁场；其特征在于，这种推进器还包括-一个基本截锥形的扩口磁极(63)，该磁极两端开口，围绕环形通道(1)的轴线同轴布置，位于所述出口平面(14)的下游，并且向下游扩口；以及-至少一个附加周边磁路(60；80)，所述附加周边磁路将所述扩口磁极(63)的下游端连接到位于辅助通道(1)外部的周边磁极(3)上，扩口磁极(63)与附加周边磁路(60；80)以及位于环形通道(1)两侧的磁极(3,4)配合，限定环形通道(1)下游磁场的形状，强制由环形通道(1)发射的离子束留在一个基本锥形的区域里，这个区域预定的顶点角度由扩口磁极(63)的顶点角度加以限定。
2．根据权利要求1所述的等离子体推进器，其特征在于，基本截锥形的扩口磁极(63)的顶点半角α为30°至60°。
3．根据权利要求2所述的等离子体推进器，其特征在于，基本截锥形的扩口磁极(63)的顶点半角α约为45°。
4．根据权利要求1或2所述的等离子体推进器，其特征在于，扩口磁极(63)弯曲成这样所述磁极相对于推进器轴线所形成的角度随着沿下游方向离开出口平面(14)而增大，从而使磁力线逐渐舒展开。
5．根据权利要求1至4之一所述的等离子体推进器，其特征在于，扩口磁极(63)覆盖有一层敷层(263)，以增大所述磁极表面的辐射率，提供电绝缘，或者防止环形通道(1)和扩口磁极(63)之间的污染。
6．根据权利要求5所述的等离子体推进器，其特征在于，所述敷层(263)用与限定所述环形通道(1)的构件(2)的材料相同的材料制成。
7．根据权利要求5或6所述的等离子体推进器，其特征在于，所述敷层(263)由下列材料中的至少一种构成铝、氮化硼、二氧化硅、氮化铝、氮化硅、Al2O3-TiO2及TiN。
8．根据权利要求1至7之一所述的等离子体推进器，其特征在于，扩口磁极(63)和附加周边磁路(60；80)用铁磁材料制成，而不增加一个永久磁铁或一个电磁线圈。
9．根据权利要求1至8之一所述的等离子体推进器，其特征在于，由扩口磁极(63)和附加周边磁路(60；80)构成的元件中至少一个是用电绝缘铁淦氧制成的。
10．根据权利要求1至9之一所述的等离子体推进器，其特征在于，附加周边磁路(80)由一个单个铁磁环构成。
11．根据权利要求10所述的等离子体推进器，其特征在于，扩口磁极(63)和附加周边磁路(80)一起由一个单个构件构成，这个构件固定在位于环形通道(1)外部的周边磁极(3)上。
12．根据权利要求1至11之一所述的等离子体推进器，其特征在于，空心阴极(7)插入在扩口磁极(63)上形成的一个孔(163)中，配有一个面对局部磁场的铁磁防护屏(164)。
13．根据权利要求12所述的等离子体推进器，其特征在于，铁磁防护屏(164)布置在一个点火极(72)的周围，这个点火极本身围绕空心阴极(7)的壳体(71)。
14．根据权利要求1至7之一所述的等离子体推进器，其特征在于，附加周边磁路(60)包括铁磁棒。
15．根据权利要求14所述的等离子体推进器，其特征在于，所述铁磁棒由永久磁铁构成。
16．根据权利要求14所述的等离子体推进器，其特征在于，所述铁磁棒由软铁制成，围绕有线圈(61)，线圈的卷绕方向是这样的附加周边磁路(60)中产生的磁通量的方向与轴向布置在环形通道(1)外部的所述周边磁路(10)中产生的磁通量的方向相反。
17．一种用于具有闭合电子漂移的等离子体推进器的离子束集中器，其特征在于，它包括(1)一个基本截锥形的扩口磁极(63)，该磁极两端开口，用于配置在一个等离子体推进器的出口平面下游，等离子体推进器具有一个环形电离和加速通道(1)以及布置在环形通道(1)两侧的周边和中央磁极(3,4)，在垂直于环形通道(1)轴线的一个出口平面(14)上产生一种基本径向的磁场；以及(2)一个附加周边磁路(60；80)，所述附加周边磁路将扩口磁极(63)的下游端连接到所述周边磁极(3)上，扩口磁极(63)与附加周边磁路(60；80)以及与周边和中央磁极(3,4)相配合，限定环形通道(1)下游磁场的形状，强制由环形通道(1)发射的离子束留在一个基本锥形的区域里，这个区域的预定的顶点角度由扩口磁极(63)的顶点角度加以限定。
全文摘要
一种具有闭合电子漂移和包括一个环形电离和加速通道(1)的等离子体推进器的离子束集中器,包括附加周边磁路(60;80),将扩口磁极(63)的下游端连接到周边磁极(3)上,扩口磁极(63)与附加周边磁路(60;80)以及与周边和中央磁极(3,4)相配合,限定环形通道(1)下游磁场的形状,强制由环形通道(1)发射的离子束留在一个基本锥形的区域内。
文档编号F03H1/00GK1209036SQ98108949
公开日1999年2月24日 申请日期1998年5月22日 优先权日1997年5月23日
发明者利奥尼德·A·拉季谢夫, 艾哈迈德·M·亚格波夫, 艾达尔·B·雅库博夫, 谢尔盖耶·A·哈尔托夫, 多米尼克·瓦连京 申请人:航空发动机的结构和研究公司