Учёные Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» представили разработку, способную изменить облик космической отрасли. Исследователи научились не подавлять, а использовать вторично-эмиссионные неустойчивости – один из самых неприятных побочных эффектов в плазменных установках. Об этом сообщили в пресс-службе МИФИ.
В результате исследований была разработана концепция принципиально нового плазменного двигателя и высокомощного генератора импульсов, основанного на автоколебательном вторично-эмиссионном разряде. Эта технология не требует сложных внешних систем питания.
В любой плазменной системе на границе плазмы и стенки камеры происходит обмен зарядами. Если электрод обладает высокой вторичной эмиссией, этот процесс может стать нестабильным. Возникают колебания тока и напряжения, которые обычно считаются опасными, так как приводят к срывам плазмы, повреждениям блоков питания и оборудования.
Учёные НИЯУ МИФИ предложили альтернативное решение. Они выяснили, что при правильном контроле параметров разряд с высокоэмиссионным электродом становится электрическим элементом с уникальной вольт-амперной характеристикой, имеющей N-образную форму с областью отрицательного дифференциального сопротивления. Эта характеристика позволяет использовать разряд в качестве генератора или широкополосного усилителя.
Суть технологии заключается в создании тончайшего слоя на поверхности электрода. Исследователи используют металлы, такие как алюминий, для формирования оксидной плёнки толщиной около 50 нанометров. Коэффициент вторичной эмиссии в такой системе увеличивается в десятки и сотни раз. Этот микроскопический слой позволяет управлять колебаниями разряда до гигагерцового диапазона с амплитудами до сотен киловольт.
Одним из первых и наиболее очевидных применений этой разработки являются плазменные ракетные двигатели. Современные высокоэффективные двигатели требуют внешних систем накачки высокочастотной мощности, таких как геликонные антенны. Отсутствие такой системы значительно упрощает конструкцию, позволяет использовать водоохлаждаемые металлические стенки разрядной камеры и значительно увеличивает мощность двигателя. Двигатель может эффективно работать на водороде с примесями кислорода и на парах воды.
Другая область исследований связана с генерацией высоковольтных импульсов. Устройство с внешним питанием в сотни вольт может выдавать частотно-модулированные импульсы с размахом в сотни киловольт. Это открывает новые возможности в ионной имплантации, управляемой рентгенографии и генерации нейтронов.
«Мы пытаемся не избавиться от этих эффектов, а использовать их, – пояснил заведующий кафедры физики плазмы Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян. – В предлагаемой нами системе ВЧ колебания формируются за счет самой плазмы и плазменно-поверхностного взаимодействия внутри камеры двигателя без внешних генераторов, фидерных линий и согласующих устройств».
В настоящее время в МИФИ собран макет установки мощностью до 10 киловатт. Физики подбирают оптимальные режимы и исследуют работу на различных газах. Актуальность проблемы подтверждается запросами из промышленности: в мощных магнетронах на алюминиевых электродах самопроизвольно возникали высокочастотные колебания, которые сжигали дорогостоящую электронику. Теперь учёные превращают то, что ломало оборудование, в инструменты для создания тяги и сверхмощных импульсов.
Плазменные двигатели разрабатывают не только в МИФИ, но и в других российских вузах. Как рассказывала интернет-газета «ЖУК», специалисты Московского авиационного института совместно с учёными МФТИ создали первый в России плазменный двигатель малой мощности на криптоне.