專利名稱：霍爾效應(yīng)等離子加速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種霍爾效應(yīng)等離子加速器，也稱為閉合電子漂移加速器。本發(fā)明是在設(shè)計這種用于衛(wèi)星或其它空間飛行器的推進器的加速器時提出的。但是，本發(fā)明也可應(yīng)用于其它用途的加速器，例如真空中的等離子蝕刻和加工工件。
傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)等離子推進器包括繞加速器的軸周向延伸并沿軸向從封閉端向開口端延伸的環(huán)狀加速通道。陽極通常位于通道的封閉端，陰極位于通道之外并靠近其開口端。設(shè)置了用于將推進劑例如氙氣導(dǎo)入通道的裝置，導(dǎo)入推進劑經(jīng)常是通過形成于陽極內(nèi)或靠近陽極的通路進行。磁系統(tǒng)沿徑向穿過通道施加磁場，使得從陰極發(fā)射的電子繞通道周向運動。從陰極發(fā)射的電子部分但不是全部地進入通道并被陽極吸引。徑向磁場沿周向偏轉(zhuǎn)電子，從而使它們沿螺旋軌跡運動，在其逐漸向陽極漂移時積聚能量。在靠近陽極的區(qū)域，電子與推進劑的原子碰撞，產(chǎn)生電離作用。產(chǎn)生的帶正電離子由電場向通道的開口端加速，其以高速從通道開口端噴出，從而產(chǎn)生所需的推進力。因為離子的質(zhì)量遠比電子的質(zhì)量大，因此它們不易受到磁場的影響并且其加速的方向主要是相對于通道的軸向而不是周向，被那些從陰極發(fā)射的電子中和的離子不進入通道。
在本說明書中，將采用術(shù)語“上游”和“下游”以便于參照離子在通道中的運動來描述方向。
傳統(tǒng)上，采用具有磁性材料的磁軛的電磁體使所需的徑向磁場施加于通道，磁性材料的磁軛確定通道相對側(cè)的磁極，即一個是相對通道徑向向內(nèi)，另一個是相對通道徑向向外。歐洲專利說明書0463408示出了一個實例，其示出了具有單一圓柱部并裝有單一磁化線圈的磁軛，圓柱部穿過環(huán)形通道的中部；及若干與加速通道外側(cè)相隔并裝有其各自外線圈的外圓柱體。內(nèi)和外圓柱件與磁性背板栓接，以形成單一的磁軛。另一相似的裝置示于歐洲專利說明書0541309。
眾所周知，在通道內(nèi)實現(xiàn)磁場的適宜限定的分布是很重要的，并且過去已為這一目的提出了線圈和磁體的各種設(shè)置。例如，俄國專利說明書2022167描述了最多達16個線圈和磁隔離屏的設(shè)置。
當(dāng)把加速器設(shè)計為衛(wèi)星推進器時，這種實現(xiàn)磁場在通道內(nèi)的最佳分布的意圖就與使加速器的重量和復(fù)雜程度保持最小的需要相沖突。俄國專利說明2022167中提出，還需要考慮的一個重要因素是通道內(nèi)的溫度非常高，應(yīng)將線圈與此高溫隔離以防止其損壞。
根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了一種霍爾效應(yīng)等離子加速器，包括具有封閉和開口端的大體環(huán)形加速通道以及位于通道封閉端后面并具有沿與通道軸相同方向延伸的軸的磁場源。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種霍爾效應(yīng)等離子加速器，包括具有封閉和開口端的大體環(huán)形加速通道以及位于通道封閉端后面并繞通道軸延伸的磁場源。
采用本發(fā)明，可以通過利用單一磁場源如單個線圈或永磁體形成更加簡單并更輕的裝置從而獲得具有在加速通道內(nèi)最佳磁場分布的霍爾效應(yīng)加速器。更簡化的設(shè)計特別適合于較小的加速器并允許磁場源位于加速通道之外，從而減小從通道傳遞的熱量導(dǎo)致的線圈內(nèi)的熱效應(yīng)。磁場源位于加速通道后面也改進了磁場源在運行中的冷卻，從而進一步減小了過熱帶來的損害。與加速器外壁成對地對中可有顯著的熱量優(yōu)勢。
大體環(huán)形的加速通道的形狀并不限于圓截面，還可以是長條形、多邊形或非規(guī)則形。磁場源(根據(jù)需要可以是永磁體或電磁體)具有一沿與通道軸相同的方向延伸的軸，即至少一個磁場源的軸的分量沿通道軸的方向延伸。磁場源的軸不必平行于通道的軸。
加速器優(yōu)選包括第一磁體，其確定由通道徑向向內(nèi)和向外的磁極。依據(jù)具體的應(yīng)用，該第一磁體可以是基本或部分圍繞或者僅接近磁場源。例如，當(dāng)線圈的冷卻很重要時，可以優(yōu)選沒有封閉的線圈的更為開放的結(jié)構(gòu)。
第一磁體優(yōu)選包括兩個主內(nèi)和外壁，這兩個壁可以是圓柱形狀或者是另一種適于所用加速通道形狀的適宜形狀，并且分別在通道的內(nèi)側(cè)和外側(cè)從靠近通道開口端的各磁極向通道封閉端后的位置延伸。根據(jù)具體應(yīng)用中對磁場和減小熱水平的需要，通道封閉端后的第一磁體的連接件可把兩壁之間的空間封閉成較完全或較不完全的程度。該連接件優(yōu)選地，可能與內(nèi)和/或外主壁(或其延伸件)一起，限定與通道軸同軸的環(huán)形空間。該環(huán)形空間容納磁場源，并且在優(yōu)選裝置中，其外壁由主外壁的上游延伸件限定，從而使磁場源盡可能合理地遠離熱源并使用于散熱的表面面積最大。連接件的實際形狀根據(jù)所用磁源的形狀而定，可包括單個或多個線性或曲線段。
本發(fā)明的優(yōu)選特征是第二磁體與第一磁體磁性分離并被包圍在第一磁體內(nèi)。該第二磁體優(yōu)選具有“U”形截面環(huán)形狀，設(shè)置的其“U”形部可包圍通道封閉端，因此可用作為隔離屏，以減弱陽極區(qū)內(nèi)的磁場。
現(xiàn)在參照附圖通過實例描述本發(fā)明的兩個實施例，其中

圖1示出本發(fā)明第一實施例的軸截面，其僅示出了在軸一側(cè)的截面的一半，在軸另一側(cè)的另一半是鏡像圖；圖2示出本發(fā)明第二優(yōu)選實施例等同于圖1的截面形式，并示出磁力線；及圖3示出第二實施例沿軸向截成兩半的透視圖，并去除了其陶瓷加速通道以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特征。
參照圖1，加速器大體繞軸X-X對稱。其包括由陶瓷插件1a確定的環(huán)形加速通道1，陶瓷插件1a從封閉、上游端(如圖1所示的底端)向開口、下游端延伸。在通道的上游端，有一大體環(huán)形的陽極2和集電極3，集電極3將推進劑氣體典型是氙氣輸送到陽極2附近的通道。陰極4安裝在通道外側(cè)，接近下游端并因電源5而帶有負(fù)電勢。第一中空環(huán)形磁體6包圍除了加速通道1的開口、下游端外的所有部分，并包括在環(huán)形通道徑向外部的主外圓柱壁7。該壁7與徑向向內(nèi)延伸的極片7a相連。磁體6也具有第二主內(nèi)圓柱壁8，第二主內(nèi)圓柱壁8在通道徑向內(nèi)部并與徑向向外延伸的端片8a相連。連接件9在加速通道1的封閉端后的磁體6的一端將兩壁7和8連接在一起。
第二中空環(huán)形磁體10具有U形截面形狀。其包圍通道1的封閉端并且其本身被第一磁體6完全包圍。磁場源11以具有與軸X-X重合的物理和磁性軸的電磁線圈的形式位于通道1的封閉端之后(即其軸向上游)并被第一磁體6包圍。在可選結(jié)構(gòu)中，線圈11可由具有同等磁效應(yīng)的環(huán)形永磁體代替。第二磁體10由支承件14支承于第一磁體6。支承件14由非磁性材料即不影響磁場的材料制成，或用另一種方式表示是相對導(dǎo)磁率接近于1的材料。這樣就能保證支承件不會改變通道1內(nèi)磁場的分布。
極片7a和8a產(chǎn)生最佳磁場，最佳磁場徑向穿過靠近加速通道1的開口端的區(qū)域，而第二磁體10用于減小或消除陽極2的區(qū)域內(nèi)的任何磁場。第一壁7內(nèi)設(shè)置的槽12促進從通道分散熱量。
在圖2和3中，為便于描述，用相同的標(biāo)號表示與圖1相似的特征，但是為簡化起見，省去了圖1中的一些細節(jié)。圖2和3示出本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例，包括圖2中的磁力線13。這些磁力線13示出穿過加速通道1產(chǎn)生的磁場的徑向特性。圖2中省去了穿過磁體6和10內(nèi)側(cè)的磁力線13，這些磁力線彼此太近，難以清楚地示出。應(yīng)注意圖2和3的實施例中，線圈比圖1中的對應(yīng)件更為遠離加速通道。這將進一步減小線圈的發(fā)熱。
第一磁體6的外壁7具有在通道1的封閉端后面延伸的件7b。其通過包含區(qū)段9a、9b和9c的連接件9與內(nèi)壁8連接。區(qū)段9a在與區(qū)段9b相連之前相對環(huán)形通道1的軸徑向向內(nèi)延伸，區(qū)段9b向著通道的封閉端軸向向下游延伸，從而為磁力線圈11確定一腔。外壁和內(nèi)壁7和8的連接最后由連接件的區(qū)段9c完成，區(qū)段9c從9b向內(nèi)壁8的位于通道1的封閉端后的一端延伸。由于區(qū)段9b大體比9a長并且由于區(qū)段9c增大了線圈的直徑，因此線圈的表面面積較大，有助于熱量的散發(fā)。
權(quán)利要求
1．一種霍爾效應(yīng)等離子加速器，包括具有封閉和開口端的大體環(huán)形加速通道以及位于通道封閉端后的磁場源，并具有沿與通道的軸(X-X)相同方向延伸的軸。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速器，包括第一磁體，限定分別相對環(huán)形通道徑向向內(nèi)和向外設(shè)置的極性相反的磁極，以便產(chǎn)生徑向穿過通道的磁場，第一磁體構(gòu)形為確定一容納磁場源的腔。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的加速器，僅包括一個磁場源。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的加速器，其中第一磁體包括兩個圓柱壁，與通道同軸，并設(shè)置在通道側(cè)邊，一個在通道徑向內(nèi)側(cè)，一個在通道徑向外側(cè)；及連接件，在通道封閉端后連接兩個圓柱壁，腔體的一側(cè)由一個壁的延伸件確定。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的加速器，僅包括一個磁場源。
6．根據(jù)權(quán)利要求4所述的加速器，包括具有至少兩個圓柱壁的第二磁體，所述圓柱壁與通道同軸并設(shè)置在通道兩側(cè)，在第一磁體的圓柱壁之間，其中第二磁體與第一磁體磁性分離。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的加速器，僅包括一個磁場源。
8．根據(jù)權(quán)利要求4所述的加速器，其中延伸件是徑向外壁的延伸件。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速器，僅包括一個磁場源。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速器，包括具有至少兩個圓柱壁的第二磁體，所述圓柱壁與通道同軸并設(shè)置在通道兩側(cè)，在第一磁體的圓柱壁之間，其中第二磁體與第一磁體磁性分離。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的加速器，僅包括一個磁場源。
12．根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速器，其中第一磁體的連接件從位于通道封閉端后的外圓柱壁的端部徑向向內(nèi)延伸，接著向通道軸向延伸以確定腔體，然后徑向向內(nèi)與位于通道封閉端后的內(nèi)圓柱壁的端部相連。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的加速器，僅包括一個磁場源。
14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的加速器，包括具有至少兩個圓柱壁的第二磁體，所述圓柱壁與通道同軸并設(shè)置在通道兩側(cè)，在第一磁體的圓柱壁之間，其中第二磁體與第一磁體磁性分離。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的加速器，僅包括一個磁場源。
16．根據(jù)權(quán)利要求12所述的加速器，其中連接件封閉通道封閉端后的外和內(nèi)圓柱壁之間的空間。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的加速器，僅包括一個磁場源。
18．根據(jù)權(quán)利要求16所述的加速器，包括具有至少兩個圓柱壁的第二磁體，所述圓柱壁與通道同軸并設(shè)置在通道兩側(cè)，在第一磁體的圓柱壁之間，其中第二磁體與第一磁體磁性分離。
19．根據(jù)權(quán)利要求18所述的加速器，僅包括一個磁場源。
20．根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速器，僅包括一個磁場源。
21．一種霍爾效應(yīng)等離子加速器，包括具有封閉和開口端的大體環(huán)形加速通道以及位于通道封閉端后的磁場源，并繞通道的軸(X-X)延伸。
22．根據(jù)權(quán)利要求21所述的加速器，包括第一磁體，限定分別相對環(huán)形通道徑向向內(nèi)和向外設(shè)置的極性相反的磁極，以便產(chǎn)生徑向穿過通道的磁場，第一磁體構(gòu)形為確定一容納磁場源的腔。
23．根據(jù)權(quán)利要求22所述的加速器，僅包括一個磁場源。
24．根據(jù)權(quán)利要求22所述的加速器，其中第一磁體包括兩個圓柱壁，與通道同軸，并設(shè)置在通道側(cè)邊，一個在通道徑向內(nèi)側(cè)，一個在通道徑向外側(cè)；及連接件，在通道封閉端后連接兩個圓柱壁，腔體的一側(cè)由一個壁的延伸件確定。
25．根據(jù)權(quán)利要求24所述的加速器，僅包括一個磁場源。
26．根據(jù)權(quán)利要求24所述的加速器，包括具有至少兩個圓柱壁的第二磁體，所述圓柱壁與通道同軸并設(shè)置在通道兩側(cè)，在第一磁體的圓柱壁之間，其中第二磁體與第一磁體磁性分離。
27．根據(jù)權(quán)利要求26所述的加速器，僅包括一個磁場源。
28．根據(jù)權(quán)利要求24所述的加速器，其中延伸件是徑向外壁的延伸件。
29．根據(jù)權(quán)利要求28所述的加速器，僅包括一個磁場源。
30．根據(jù)權(quán)利要求28所述的加速器，包括具有至少兩個圓柱壁的第二磁體，所述圓柱壁與通道同軸并設(shè)置在通道兩側(cè)，在第一磁體的圓柱壁之間，其中第二磁體與第一磁體磁性分離。
31．根據(jù)權(quán)利要求30所述的加速器，僅包括一個磁場源。
32．根據(jù)權(quán)利要求28所述的加速器，其中第一磁體的連接件從位于通道封閉端后的外圓柱壁的端部徑向向內(nèi)延伸，接著向通道軸向延伸以確定腔體，然后徑向向內(nèi)與位于通道封閉端后的內(nèi)圓柱壁的端部相連。
33．根據(jù)權(quán)利要求32所述的加速器，僅包括一個磁場源。
34．根據(jù)權(quán)利要求32所述的加速器，包括具有至少兩個圓柱壁的第二磁體，所述圓柱壁與通道同軸并設(shè)置在通道兩側(cè)，在第一磁體的圓柱壁之間，其中第二磁體與第一磁體磁性分離。
35．根據(jù)權(quán)利要求34所述的加速器，僅包括一個磁場源。
36．根據(jù)權(quán)利要求32所述的加速器，其中連接件封閉通道封閉端后的外和內(nèi)圓柱壁之間的空間。
37．根據(jù)權(quán)利要求36所述的加速器，僅包括一個磁場源。
38．根據(jù)權(quán)利要求36所述的加速器，包括具有至少兩個圓柱壁的第二磁體，所述圓柱壁與通道同軸并設(shè)置在通道兩側(cè)，在第一磁體的圓柱壁之間，其中第二磁體與第一磁體磁性分離。
39．根據(jù)權(quán)利要求38所述的加速器，僅包括一個磁場源。
40．根據(jù)權(quán)利要求21所述的加速器，僅包括一個磁場源。
全文摘要
一種霍爾效應(yīng)等離子加速器,包括具有封閉和開口端的環(huán)形加速通道(1)。在中空環(huán)形磁體(6)中,磁場源(11)位于通道封閉端后并具有沿與通道軸相同的方向延伸的軸。通過采用諸如單個線圈或永磁體的單個磁場源的簡化和減輕重量的設(shè)置,可以使霍爾效應(yīng)加速器實現(xiàn)磁場在加速通道內(nèi)的最佳分布。此外,本發(fā)明可減小磁場源的發(fā)熱。
文檔編號F03H1/00GK1218541SQ97194587
公開日1999年6月2日 申請日期1997年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月1日
發(fā)明者Y·M·亞西諾夫, V·A·佩特羅索夫, V·I·巴拉諾夫, A·I·瓦西恩, L·塔拉洛特 申請人:空間動力公司