патент
№ RU 2703848
МПК H01J27/00

ГАЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА

Авторы:
Ахметжанов Руслан Ваисович Богатый Александр Владимирович Дьяконов Григорий Александрович
Все (15)
Номер заявки
2018130385
Дата подачи заявки
22.08.2018
Опубликовано
22.10.2019
Страна
RU
Дата приоритета
14.06.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Иллюстрации 
1
Реферат

Изобретение относится к плазменной технике. Газоэлектрическая развязка (ГЭР) входит в состав тракта подачи рабочего тела в газоразрядную камеру источника заряженных частиц. Входной и выходной патрубки (1, 2) выполнены из электропроводящего материала. В диэлектрическом корпусе (3) образован проточный канал, протяженность которого превышает его максимальный диаметр. Проточный канал (4) имеет осесимметричную форму и выполнен с сужением, образованным кольцеобразным выступом (5) на поверхности канала. Газопроницаемая вставка выполнена из электропроводящего материала и установлена на входе в выходной патрубок (2) с образованием электрического контакта с выходным патрубком. Вставка образована последовательно установленными газопроницаемыми элементами (6) с пористой структурой. Поверхности близлежащих газопроницаемых элементов (6), через которые осуществляется газообмен, контактируют между собой. Элементы (6) изготовлены из порошкового электропроводящего материала методом порошковой металлургии. Открытые поры каждого газопроницаемого элемента (6) образуют криволинейные каналы, связывающие проточный канал (4) с выходным патрубком (2). Оптимальные значения степени пористости газопроницаемых элементов (6) составляют от 30% до 50%. Газопроницаемые элементы выполнены в форме диска, противоположные плоские поверхности которого обращены к входному и выходному патрубкам. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения

1. Газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела в газоразрядную камеру источника заряженных частиц, содержащая входной и выходной патрубки, выполненные из электропроводящего материала, диэлектрический корпус по меньшей мере с одним проточным каналом, протяженность которого превышает его максимальный диаметр, и газопроницаемую вставку, выполненную из электропроводящего материала и установленную на входе в выходной патрубок с образованием электрического контакта с выходным патрубком, отличающаяся тем, что в качестве газопроницаемой вставки использован по меньшей мере один газопроницаемый элемент с пористой структурой, выполненный из порошкового электропроводящего материала методом порошковой металлургии, при этом открытые поры газопроницаемого элемента образуют криволинейные каналы, связывающие проточный канал с выходным патрубком.
2. Газоэлектрическая развязка по п. 1, отличающаяся тем, что газопроницаемая вставка образована последовательно установленными газопроницаемыми элементами с пористой структурой, при этом поверхности близлежащих газопроницаемых элементов, через которые осуществляется газообмен, контактируют между собой.
3. Газоэлектрическая развязка по п. 2, отличающаяся тем, что газопроницаемая вставка образована двумя контактирующими между собой газопроницаемыми элементами.
4. Газоэлектрическая развязка по п. 1, отличающаяся тем, что степень пористости газопроницаемого элемента составляет от 30% до 50%.
5. Газоэлектрическая развязка по п. 1, отличающаяся тем, что газопроницаемый элемент выполнен в форме диска, противоположные плоские поверхности которого обращены к входному и выходному патрубкам.
6. Газоэлектрическая развязка по п. 1, отличающаяся тем, что проточный канал имеет осесимметричную форму и выполнен по меньшей мере с одним сужением, образованным кольцеобразным выступом на поверхности канала.

Описание

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться в системах хранения и подачи газообразного рабочего тела электрических ракетных двигателей (ЭРД) космических аппаратов, в том числе ионных и плазменных двигателей, в двигательных установках на основе ЭРД, а также в системах подачи рабочего тела источников заряженных частиц, применяемых в технологических процессах вакуумной ионно-плазменной обработки.

Нормальное функционирование источников заряженных частиц различного назначения связано с обеспечением электрической изоляции элементов конструкции, находящихся под высокими электрическими потенциалами, относительно контактирующих с ними элементов вспомогательных систем, в том числе от подводящих трубопроводов системы подачи рабочего тела. Для решения данной задачи используются специальные технические средства, обеспечивающие необходимую электрическую прочность трактов подачи рабочего тела в газоразрядные камеры источников заряженных частиц. В качестве таких технических средств обычно применяются газоэлектрические развязки (ГЭР), с помощью которых достигается требуемый уровень электрической прочности для прерывания электрической проводимости между высоковольтными элементами газоразрядных камер и электропроводящими элементами системы подачи рабочего тела. Вместе с тем ГЭР должна обеспечивать расчетные значения расхода и давления рабочего тела на входе в газоразрядную камеру.

При проектировании ГЭР следует учитывать, что согласно закону Пашена величина пробойного напряжения между проводящими элементами конструкции, находящимися под различными потенциалами, зависит от параметра Pd, представляющего собой произведение давления газа P и расстояния d между близлежащими кромками проводящих элементов, разделенных газовым промежутком. Зависимости (кривые) Пашена устанавливаются для каждого определенного вида газа (или смеси газов), заполняющего межэлектродный промежуток. Принимая во внимание, что зависимости Пашена имеют минимальные значения пробойного напряжения в области относительно малых значений давления газообразного рабочего тела от 0,5 до 50 торр (при фиксированном межэлектродном расстоянии ~1 см), важное значение имеет выбор конструкции ГЭР для трактов подачи рабочего тела в газоразрядные камеры источников заряженных частиц, работающих при давлениях менее 30 торр. К данному типу газоразрядных устройств, в частности, относятся газоразрядные источники ионов, широко применяемые в составе ионных ЭРД.

В патенте US 3520110 (опубликован 14.07.1970) описана конструкция ГЭР, применяемой в трактах подачи газообразного рабочего тела в газоразрядные камеры источников заряженных частиц. В рассматриваемом случае в качестве источника заряженных частиц используется источник ионов. Давление P рабочего газа и длина изолирующего промежутка (расстояние d) в известном устройстве выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимый запас электрической прочности изолятора в диапазоне значений Pd, соответствующих левой части кривой Пашена за пределами области с минимальными значениями пробойного напряжения U.

Для выполнения данных условий используется конструкция ГЭР с изолятором в форме цилиндрической трубки, образованной изолирующими секциями, выполненными, например, из свинцового стекла, обладающего слабой электрической проводимостью. Изолирующие секции отделены друг от друга металлическими газопроницаемыми вставками и установлены в изолирующем корпусе. Первая и последняя вставки, установленные в проточном канале ГЭР, электрически соединены с входным и выходным металлическими патрубками соответственно. Для предотвращения проникновения заряженных частиц из газоразрядной камеры источника ионов в тракт подачи рабочего тела газопроницаемые вставки выполнены в виде волокнистой структуры. В качестве такой структуры используется металлический войлок, образованный стальными нитями. Принцип работы известной ГЭР основан на разделении длинного изолирующего промежутка на отдельные изолирующие секции при равномерном распределении разности потенциалов между секциями.

Газопроницаемые вставки с волокнистой структурой, образованной вольфрамовыми нитями (вольфрамовый войлок), используются в ГЭР, конструкция которой описана в патенте US 3576107 (опубликован 27.04.1971). ГЭР предназначена для электрической изоляции системы подачи рабочего тела ионного двигателя от элементов газоразрядной камеры двигателя, находящихся под высоким напряжением. С помощью ГЭР обеспечивается высоковольтная изоляция при давлении рабочего тела в газоразрядной камере от 1 до 10 торр. С целью ограничения габаритных размеров устройства используется лабиринтный канал, выполненный в диэлектрическом корпусе ГЭР. Проточный канал состоит из прямолинейных параллельно расположенных участков с противоположным направлением течения рабочего тела. Газопроницаемые вставки, выполненные из металлического войлока, располагаются между выходами и входами соседних участков каналов. Данное техническое решение связано со снижением концентрации заряженных частиц в полости проточного канала. Вследствие этого предотвращается электрический пробой при повышении давления рабочего тела, что обусловлено необходимостью одновременной подачи рабочего тела в газоразрядные камеры источника ионов и источника электронов (катода-компенсатора). Однако такие конструкции ГЭР являются сложными и ненадежными и не позволяют исключить проникновение заряженных частиц из газоразрядной камеры в проточный канал. Движение заряженных частиц в тракт подачи рабочего тела не может быть полностью предотвращено из-за высокой прозрачности волокнистой структуры газопроницаемых вставок. Кроме того, волокнистая структура газопроницаемых вставок не обеспечивает равномерное распределение потока газообразного рабочего тела по всему поперечному сечению проточного канала.

Более перспективной формой выполнения газопроницаемых вставок, устанавливаемых в проточном канале ГЭР, является пористая структура с открытыми порами. В патенте RU 2481753 C2 (опубликован 10.05.2013) раскрыта конструкция ГЭР, которая устанавливается непосредственно на входе в газоразрядную камеру источника заряженных частиц. В устройстве-аналоге высоковольтный изолятор с пористой структурой установлен на стенке газоразрядной камеры источника ионов с тыльной стороны анода, выполняющего функцию газораспределителя. Изолятор представляет собой пористую вставку, выполненную из диэлектрического керамического материала. Пористая вставка служит для предотвращения возникновения в проточном канале коронного разряда, переходящего в дуговой разряд, при давлении газа от 20 до 115 торр и разности потенциалов в несколько кВ. Для этого используется диэлектрический керамический пористый материал с открытыми порами, размер которых составляет менее 100 мкм.

С целью ограничения перемещения заряженных частиц из газоразрядной камеры в тракт подачи рабочего тела и выполнения ГЭР своих функций в устройстве-аналоге между газопроницаемой вставкой и анодом устанавливается дополнительный экранирующий металлический электрод, находящийся под анодным потенциалом. Через отверстие, выполненное в экранирующем электроде, производится подача рабочего газа в газоразрядную камеру с заданным расходом и давлением.

При данном конструктивном выполнении диэлектрическая газопроницаемая вставка расположена непосредственно в области действия высокой разности потенциалов (~2 кВ) между экранирующим электродом, с одной стороны, и подводящим металлическим патрубком системы подачи рабочего тела, с противоположной стороны. В этом случае не может быть полностью исключена возможность электрического пробоя диэлектрика и возникновения коронных разрядов в каналах, образованных открытыми порами газопроницаемой вставки. Материал вставки должен обладать высоким электрическим сопротивлением, чтобы обеспечить необходимый запас электрической прочности при разности потенциалов до 3 кВ. Данное требование достаточно сложно реализовать на практике при ограниченных размерах ГЭР. Следует также отметить, что с помощью ГЭР с диэлектрической вставкой невозможно обеспечить электрическую изоляцию тракта подачи рабочего тела при использовании высокочастотно (ВЧ) электромагнитного поля для возбуждения электрического разряда в газоразрядной камере источника заряженных частиц.

Электрическая изоляция тракта подачи рабочего тела в современных плазменных источниках заряженных частиц обеспечивается с помощью высоковольтных ГЭР с секционированным проточным каналом. В патенте RU 2444867 C2 (опубликован 10.03.2012) описана конструкция ГЭР тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя. Такой ускоритель может применяться в качестве плазменного ЭРД или технологического источника заряженных частиц. Особенностью данного типа плазменных ускорителей является относительно низкий уровень разрядных напряжений (~400 В) и высокий уровень давления газообразного рабочего тела в разрядной камере (от 50 до 150 торр).

С целью обеспечения высокой электрической прочности устройство-аналог включает в свой состав несколько изоляторов с проточными каналами, которые чередуются электропроводящими вставками. Проточные каналы секционированных изоляторов имеют различную площадь поперечного сечения, которая уменьшается в направлении подачи рабочего тела, либо различную кривизну и/или ориентацию, определяющие величину гидравлического сопротивления каналов.

При данном выполнении между входом и выходом из проточного канала увеличивается перепад давления газообразного рабочего тела и, вследствие этого, повышается давление газа в полости проточного канала. В результате повышается надежность ГЭР за счет увеличения запаса электрической прочности конструкции. Вместе с тем при использовании сборки из последовательно соединенных изоляторов, разделенных электропроводящими вставками, находящихся под плавающими потенциалами, увеличивается расстояние между элементами конструкции, находящимися под различными потенциалами. В этом случае происходит перераспределение разности потенциалов между отдельными изолирующими секциями. Однако такая конструкция ГЭР не обладает универсальностью использования в системах подачи рабочего тела для питания различных типов источников заряженных частиц. Так, например, данное устройство не может использоваться в системах питания ВЧ источников ионов, работающих при давлении газа в газоразрядной камере не более 30 торр и разности потенциалов между элементами конструкции не менее 2 кВ.

Наиболее близким аналогом изобретения является ГЭР тракта подачи рабочего тела в газоразрядную камеру источника заряженных частиц, в частности в газоразрядную камеру плазменного ускорителя (патент RU 2191289 C2, опубликован 20.10.2002, фиг. 4 чертежей). ГЭР содержит входной и выходной патрубки, выполненные из электропроводящего материала. В диэлектрическом корпусе ГЭР образован проточный канал, протяженность которого превышает его максимальный диаметр. Проточный канал ограничен секционированным изолятором, который разделен на две части металлической перегородкой. В перегородке выполнен сквозной канал, смещенный относительно основного проточного канала. В состав ГЭР входит газопроницаемая металлическая вставка, установленная на входе в выходной патрубок с образованием электрического контакта с выходным патрубком. Газопроницаемая вставка в устройстве-аналоге выполнена в виде дроссельной шайбы.

Применение дроссельной шайбы позволяет повысить давление рабочего газа в проточном канале ГЭР за счет увеличения гидравлического сопротивления тракта на входе в газоразрядную камеру. Повышение давления газа P при фиксированном межэлектродном расстоянии d позволяет, в свою очередь, обеспечить надежную работу ГЭР в интервале значений параметра Pd, при которых, согласно зависимости Пашена, существенно увеличивается критическая величина пробойного напряжения U. Из-за этого снижается вероятность электрического пробоя межэлектродного промежутка в проточном канале. Однако, учитывая, что гидравлическое сопротивление дроссельной шайбы имеет локальный характер (в поперечном сечении канала), размеры канала дроссельной шайбы оказываются достаточно большим для прохождения через него заряженных частиц. Попадая в полость проточного канала, заряженные частицы вызывают ионизацию рабочего газа и электрический пробой ГЭР. Существенное значение для прохождения заряженных частиц имеет и форма канала газопроницаемой вставки: прямолинейная форма канала дроссельной шайбы не препятствует свободному перемещению через него заряженных частиц. Кроме того, при секционированном выполнении изолятора и использовании электропроводящих вставок между секциями изолятора исключается возможность применения ГЭР в трактах подачи рабочего тела газоразрядных камер ВЧ источников заряженных частиц.

Изобретение направлено на комплексное решение технических проблем, связанных с надежной электрической изоляцией тракта рабочего тела, который может использоваться для питания различных типов источников заряженных частиц. Данные проблемы включают: необходимость создания в проточном канале ГЭР газовой среды с повышенным давлением (не менее 100 торр) по сравнению с давлением на входе в газоразрядную камеру; исключение проникновения в проточный канал заряженных частиц из газоразрядной камеры источника заряженных частиц; исключение влияния электромагнитных полей, создаваемых в газоразрядной камере, в том числе ВЧ полей, на ионизацию рабочего тела в полости проточного канала и, как следствие, на снижение электрической прочности ГЭР.

Достигаемый при решении указанных проблем технический результат заключается в повышении надежности электрической изоляции и электрической прочности тракта подачи рабочего тела в газоразрядные камеры различных типов источников заряженных частиц, в том числе ВЧ источников ионов.

Технический результат достигается с помощью ГЭР тракта подачи рабочего тела в газоразрядную камеру источника заряженных частиц, включающей в свой состав диэлектрический корпус, входной и выходной патрубки, выполненные из электропроводящего материала. Диэлектрический корпус ГЭР выполняется по меньшей мере с одним проточным каналом, протяженность которого превышает его максимальный диаметр. ГЭР содержит газопроницаемую вставку, изготовленную из электропроводящего материала. Вставка устанавливается на входе в выходной патрубок с образованием электрического контакта с выходным патрубком. В качестве вставки используется по меньшей мере один газопроницаемый элемент с пористой структурой. Применяемый газопроницаемый элемент изготовлен из порошкового электропроводящего материала методом порошковой металлургии. Открытые поры газопроницаемого элемента образуют криволинейные каналы, связывающие проточный канал с выходным патрубком.

Газопроницаемый элемент с пористой структурой одновременно выполняет сразу несколько функций. Во-первых, за счет равномерно распределенной по площади поперечного сечения канала газовой проницаемости вставки гидравлическое сопротивление также равномерно распределяется по поперечному сечению канала. В этом случае расчетный уровень давления газа P, при котором значения параметра Pd соответствуют правой части кривой Пашена, достигается при минимальных поперечных размерах сквозных криволинейных каналов, связывающих проточный канал с выходным патрубком ГЭР. Вследствие этого снижается вероятность прохождения заряженных частиц из газоразрядной камеры в проточный канал через газопроницаемый элемент под действием приложенной разности потенциалов. Следует отметить, что величина разности потенциалов в газоразрядных камерах источников ионов может превышать 2 кВ.

Во-вторых, стенки каналов, образованных открытыми порами газопроницаемого элемента, выполняют функцию нейтрализатора заряженных частиц, поскольку они выполнены из электропроводящего материала и находятся под потенциалом выходного патрубка, который соответствует потенциалу корпуса газоразрядной камеры. При данных условиях на поверхности стенок каналов произойдет рекомбинация при осаждении заряженных частиц, имеющих противоположную полярность по отношению к потенциалу газопроницаемой вставки, и отражение заряженных частиц, имеющих одноименную полярность по отношению к потенциалу газопроницаемой вставки.

В-третьих, электропроводящая структура газопроницаемого элемента будет полностью экранировать полость каналов, образованных открытыми порами, от внешних электромагнитных полей, возбуждаемых в газоразрядной камере. При использовании ГЭР в тракте подачи рабочего тела для питания ВЧ источников ионов электропроводящая структура газопроницаемого элемента будет экранировать полость каналов от внешнего ВЧ поля. Данное преимущество приобретает существенное значение при расположении ГЭР в непосредственной близости от газоразрядной камеры ВЧ источника ионов, что обычно имеет место в двигательных установках космических аппаратов на основе ЭРД.

Указанные выше преимущества ГЭР обусловлены применением порошкового электропроводящего материала для формирования пористой структуры газопроницаемого элемента методом порошковой металлургии. Размеры частиц порошка, применяемого в порошковой металлургии, обычно составляют от 10-8 до 5⋅10-4 м. Используемые для формирования пористой структуры порошки металлов или электропроводящих керамик могут быть получены механическими или физико-химическими методами. Порошок предварительно компактируют прессованием, а затем спекают при высокой температуре. Для совмещения данных операций применяют метод горячего прессования порошковых материалов, заключающий в одновременной формовке-спекании порошка. Характерной особенностью порошковых материалов с пористой структурой является большое количество пор, равномерно распределенных по всему объему изделия. В зависимости от технологических режимов и характеристик исходного порошкового материала степень пористости структуры изделия может изменяться в широком диапазоне значений: от 2% до 98%.

Газопроницаемый элемент с пористой структурой, выполненный из порошкового электропроводящего материала методом порошковой металлургии, содержит равномерно распределенные по всему объему открытые поры, которые образуют криволинейные каналы, связывающие проточный канал с полостью выходного патрубка. При этом поперечный размер криволинейных каналов не превышает максимальный размер частиц порошка (5⋅10-4 м), из которого выполнен газопроницаемый элемент.

Для повышения технологичности процесса изготовления ГЭР газопроницаемая вставка может быть собрана из нескольких последовательно установленных газопроницаемых элементов с пористой структурой. В этом случае поверхности близлежащих газопроницаемых элементов, через которые осуществляется газообмен, должны контактировать между собой. Такое выполнение вставки может использоваться для достижения расчетного значения гидравлического сопротивления вставки с помощью однотипных газопроницаемых элементов, имеющих одинаковые размеры. В частности, газопроницаемая вставка может быть образована двумя контактирующими между собой газопроницаемыми элементами.

Степень пористости газопроницаемого элемента преимущественно выбирается в диапазоне от 30% до 50%. Газопроницаемый элемент может быть выполнен в форме диска, противоположные плоские поверхности которого обращены к входному и выходному патрубкам.

С целью снижения вероятности электрического пробоя вдоль внутренней поверхности диэлектрического корпуса, образующей проточный канал, между входным и выходным патрубками может использоваться по меньшей мере одно сужение проточного канала. Такое сужение создается за счет выполнения кольцеобразного выступа на поверхности проточного канала.

ГЭР может применяться в трактах подачи рабочего тела в газоразрядные камеры не только источников ионов, но и источников электронов (см., например, патент US 3576107).

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера выполнения ГЭР тракта подачи рабочего тела в газоразрядную камеру источника заряженных частиц, в качестве которого используется ВЧ источник ионов. На прилагаемом чертеже (фиг. 1) схематично изображен продольный разрез ГЭР.

ГЭР содержит входной патрубок 1, подключенный к системе хранения и подачи газообразного рабочего тела. В качестве рабочего тела в рассматриваемом примере используется ксенон. Выходной патрубок 2 ГЭР соединен с трактом подачи рабочего тела в газоразрядную камеру источника заряженных частиц (на чертеже не показан). В качестве источника заряженных частиц используется ВЧ источник ионов, в газоразрядной камере которого установлен ВЧ индуктор. Патрубки 1 и 2 выполнены из электропроводящего материала, в частности из сплава ковар. Электропроводящие парубки находятся под различными потенциалами: патрубок 1 - под потенциалом системы хранения и подачи рабочего тела, патрубок 2 - под потенциалом корпуса газоразрядной камеры ВЧ источника ионов. Между патрубками 1 и 2 установлен диэлектрический корпус 3 осесимметричной формы, в котором выполнен проточный канал 4, соединяющий патрубки 1 и 2. Проточный канал 4 имеет осесимметричную форму и выполнен с сужением, образованным кольцеобразным выступом 5 на поверхности канала. Протяженность L проточного канала 4 превышает его максимальный диаметр D.

На входе в выходной патрубок 2 установлена электропроводящая газопроницаемая вставка с образованием электрического контакта с выходным патрубком 2. В рассматриваемом примере вставка состоит из двух контактирующих между собой газопроницаемых элементов 6 с пористой структурой. Газопроницаемые элементы 6 выполнены из пористого никеля. Каждый газопроницаемый элемент 6 имеет форму диска, противоположные плоские поверхности которого обращены к входному и выходному патрубкам 1 и 2. Газопроницаемые элементы изготовлены из порошкового электропроводящего материала (никеля) методом порошковой металлургии. Никелевые газопроницаемые элементы производят путем формовки-спекания (горячего прессования) частиц никеля при температуре от 1050°С до 1150°С. Производство газопроницаемых элементов методом порошковой металлургии осуществляется в соответствии с известными технологическими процессами и режимами обработки с помощью известного технологического оборудования (см., например, Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М. Металлургия. 1980. С. 359-370).

Открытые поры газопроницаемых элементов 6 образуют криволинейные каналы, связывающие проточный канал 4 с выходным патрубком 2. Степень пористости каждого газопроницаемого элемента составляет 37% при среднем поперечном размере криволинейных каналов равном 10-5 м. Толщина каждого газоэлектрического элемента составляет 2,65 мм.

Работа ГЭР в составе тракта подачи рабочего тела ВЧ источника ионов, используемого в качестве ЭРД космического аппарата, осуществляется следующим образом.

При включении устройства ВЧ индуктор источника ионов подключается к ВЧ генератору, на эмиссионный электрод и корпус газоразрядной камеры подается высокое напряжение положительной полярности ~2000 кВ. Соответствующая разность потенциалов создается между патрубками 1 и 2 ГЭР. Одновременно производится открытие клапанов системы хранения и подачи рабочего тела, и газообразное рабочее тело (ксенон) поступает в газоразрядную камеру ВЧ источника ионов через тракт подачи, включающий в свой состав ГЭР. Расход ксенона через ГЭР в газоразрядную камеру источника ионов поддерживается равным 0,5 мг/с.

За счет предварительного выбора размеров и степени пористости двух газопроницаемых элементов 6, образующих газопроницаемую вставку, устанавливается расчетное значение гидросопротивления тракта подачи, при котором давление газа P в полости проточного канала 4 превышает критическое значение, соответствующее минимальному уровню пробойного напряжения U согласно зависимости Пашена (правая ветвь кривой Пашена). Увеличение значений параметра Pd в объеме проточного канала 4 приводит к существенному снижению вероятности электрического пробоя ГЭР. При этом давление PK в газоразрядной камере источника ионов и расход G газообразного рабочего тела остаются в пределах расчетных значений: PK=30 торр, G=0,5 мг/с.

Стенки криволинейных каналов, образованных открытыми порами каждого газопроницаемого элемента, выполнены из электропроводящего материала (никеля) и находятся под потенциалом выходного патрубка 2. Вследствие этого в криволинейных каналах газопроницаемых элементов осуществляется нейтрализация заряженных частиц. На поверхности стенок каналов происходит рекомбинация при осаждении заряженных частиц, имеющих противоположную полярность по отношению к потенциалу газопроницаемой вставки, и отражение заряженных частиц, имеющих одноименную полярность по отношению к потенциалу газопроницаемой вставки.

Кроме того, электропроводящая структура газопроницаемого элемента экранирует полость каналов, образованных открытыми порами, от внешних электромагнитных полей, в том числе и от ВЧ поля, возбуждаемого ВЧ индуктором в газоразрядной камере источника ионов. Возможность экранирования внешних электромагнитных полей имеет существенное значение при установке ГЭР в трактах подачи рабочего тела ВЧ источников ионов, особенно при близком расположении ГЭР относительно газоразрядной камеры. Экранирование каналов газопроницаемой вставки от внешних электромагнитных полей снижает вероятность возбуждения коронного разряда в полости каналов.

При использовании газопроницаемых элементов с пористой структурой, изготовленных из порошкового электропроводящего материала методом порошковой металлургии, криволинейные каналы, образованные открытыми порами и имеющие минимальные поперечные размеры, равномерно распределены по всему объему пористой структуры вставки. В этом случае происходит равномерное перераспределение расхода рабочего газа по всему поперечному сечению газопроницаемой вставки, что существенно снижает вероятность электрического пробоя в области, где действует максимальный перепад давления газа. За счет использования пористой электропроводящей структуры вставки исключается образование каналов с максимальным размером поперечного сечения, что характерно для дроссельных шайб, и связанная с этим локализация области с максимальным расходом газового потока.

Вероятность электрического пробоя в газовом потоке по поверхности диэлектрика (на внутренней поверхности корпуса 3) снижается за счет сужения проточного канала 4. Сужение, образованное кольцеобразным выступом 5 на поверхности проточного канала 4, является препятствием для распространения электрического разряда вдоль диэлектрической поверхности канала. В этом случае дополнительно снижается вероятность электрического пробоя ГЭР в целом.

За счет комплексного решения перечисленных выше технических проблем, связанных с возможностью электрического пробоя ГЭР, повышается надежность электрической изоляции и электрическая прочность тракта подачи рабочего тела в газоразрядные камеры различных типов источников заряженных частиц.

Представленный пример осуществления изобретения основывается на конкретной форме выполнения конструкции ГЭР, однако это не исключает возможность достижения технического результата и в других частных случаях реализации изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы. Форма выполнения элементов конструкции ГЭР, размеры, степень пористости газопроницаемой вставки, количество газопроницаемых элементов и другие характеристики ГЭР выбираются в зависимости от типа источника заряженных частиц и его рабочих характеристик.

В частности, в зависимости от расхода газообразного рабочего тела, давления в газоразрядной камере источника заряженных частиц, разности потенциалов между корпусом газоразрядной камеры и трубопроводом системы хранения и подачи рабочего тела расчетным путем определяется оптимальная степень пористости, размеры и количество элементов 6, образующих газопроницаемую вставку. На основании исходных данных определяются размеры проточного канала 4, а также количество проточных каналов (при ограничении габаритных размеров ГЭР). В случае использования в ГЭР нескольких проточных каналов они могут быть расположены параллельно относительно друг друга и оси симметрии диэлектрического корпуса устройства (см., например, патент RU 2444867 C2).

На основании выбранных значений степени пористости газопроницаемой вставки, рабочих характеристик и условий эксплуатации ГЭР выбирается электропроводящий порошковый материал (металл или электропроводящая керамика) и технологические режимы его обработки методом порошковой металлургии, включая давление прессования (формования) и температуру спекания. Необходимость использования кольцеобразных выступов 5, образующих сужение проточного канала 4, и количество таких выступов устанавливается в зависимости от расчетных размеров проточного канала.

Выполненная согласно изобретению ГЭР может использоваться в системах подачи газообразного рабочего тела ЭРД космических аппаратов, в том числе ионных и плазменных двигателей, в двигательных установках на основе ЭРД, а также в системах подачи рабочего тела источников заряженных частиц, применяемых в технологических процессах ионно-плазменной обработки.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты