ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКОВ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В ТЛЕЮЩЕМ ЗАРЯДЕ С ПОЛНЫМ КАТОДОМ. РАСЧЕТ ПРЕДПОЛАГАЕМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В данной работе проводится изучение ионных источников и подготовка ионизационной камеры для дальнейших опытов в области ионных двигателей. Ионный двигатель – ракетный двигатель малой тяги принцип, которого основан на формировании реактивной тяги за счет разгона в электрическом поле ионизированного газа. Продолжительное время работы (в среднем более трех лет) и малый расход топлива позволяет использовать ионные двигатели на небольших автоматических космических станциях в качестве главного тягового двигателя.

Основой задачей работы является разработка максимально эффективного технологического ионного источника на основе Пеннинговой системы с неэквипотеницальным катодом. Подобный источник может стать основой для построения ионной двигательной установки с энергетической эффективностью, близкой к предельно возможным для систем на основе тлеющего разряда с осциллирующими электронами.

Рисунок 1. Сборочный чертеж ионного источника

(1 и 2 –металлокерамические изоляторы, 3 – корпус источника, 4 – держатель катода, 5 – анод газоразрядной камеры, 6 и 7 – катодные элементы газоразрядной системы, 8 – эмиссионный электрод, 9 – ускоряющий электрод, 10 – замедляющий электрод, 11 - штуцер, 12 – металлокерамический электрический ввод, 13 - фланец)

На рисунке 1 представлен чертеж ионного источника. Отличительной особенностью является неэквипотенциальный катод и наличие трех сеток. Данный вид катода представляет собой несколько элементов, на которые поданы различные напряжения относительно анода. Подавая на катодный элемент, находящийся в центре, напряжение меньшее, чем на периферийной части, будем иметь однородную плазму. Данная реализация будет происходит при затруднительном быстром перемешивании электронов различных энергетических групп, т.е. путем наложения внешнего магнитного поля.

При проведении испытаний изготовленного ионного источника после непродолжительной тренировки электродов ионно – оптической системы источник вышел на стабильный режим работы и обеспечил получение требуемых параметров пучка: энергия ионов 1,5 – 2,5 кэВ, ток пучка до 10 мА, диаметр пучка – 10 см. Рабочий газ – аргон. Были проведены измерения ряда характеристик. Для данного источника были получены эмиссионная и вольт-амперная характеристики (рисунки 2 и 3 соответственно).

Вид полученных характеристик является типичным для плазменных источников ионов [2]. Ток пучка линейно нарастает с увеличением тока разряда и практически не зависит от ускоряющего напряжения. При выполненном числе и диаметре отверстий в электродах ионно – оптической системы эффективность извлечения α=I_p/I_r была несколько меньше оптимальной величины ~ 0,2, обнаруженной в сделанных ранее экспериментах, но это позволило повысить устойчивость оптики к тепловым нагрузкам и уменьшить напуск рабочего газа Q по сравнению с источниками аналогичных размеров на основе разряда с полым катодом. Устойчивое горение разряда в газоразрядной системе разработанного ионного источника сохранялось вплоть до Q = 0,15 cм³/с (~550 cм³атм/час). При дальнейшем уменьшении доли отбираемого тока величина критического напуска газа может быть еще более низкой, что может быть существенным для некоторых приложений.

Рисунок 2. Эмиссионная характеристика ионного источника.

U_a = 2 кВ, Q = 0,25 cм³/с

Рисунок 3. Вольт-амперная характеристика ионного источника

Q = 0,25 cм³/сек, I_r (мА): 30 и 60

Произведем расчет тяги ионного источника задавшись следующими параметрами ионной установки: энергия ионов 1,5 кэВ, ток пучка до 10 мА, диаметр пучка – 10 см.

Количество ионов, протекающих за единицу времени:

                                                                       (1)

где J – ток пучка, q – заряд одного иона.

Скорость пучка ионов

                                                                    (2)

Где E – энергия ионов, m – масса одного иона.

Тогда тяга ионного источника:

  Удельный импульс из (2):

Полученное значение удельного импульса говорит о высокой эффективности ионной установки, что важно при проектировании ионных двигателей. Тяга установки имеет небольшое значение, в дальнейшем диаметр пучка планируется увеличить.

В ходе выполнения работы был проведен опыт с помощью управления пространственным распределением интенсивности ионизационных процессов в тлеющем разряде низкого давления с осцилляцией электронов в магнитном поле, связанный с использованием неэквипотенциального катода. В этом случае быстрые электроны, стартовавшие с катодных элементов, находящихся под разным потенциалом, приобретают в катодном падении различную энергию и вносят разный вклад в ионизацию. Магнитное поле препятствует быстрому перемешиванию электронов различных энергетических групп. Это позволяет, в частности, при надлежащем выборе катодных потенциалов обеспечить уменьшение интенсивности ионизационных процессов в центре системы и увеличение ионизации на периферии, что, в свою очередь, делает возможным при некотором оптимальном выборе размеров и потенциалов катодных элементов генерацию однородной плазмы в значительной части газоразрядной камеры. Предложенный способ управления концентрацией плазмы был реализован в модифицированной Пеннинговской системе.

Преимуществом Пеннинговской системы по сравнению с разрядом с полым катодом является возможность существенного увеличения доли отбираемых в пучок ионов без уменьшения объема разрядной камеры. Однако, как показали результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований, чрезмерное увеличение эффективности извлечения является нецелесообразным, так как ведет к резкому увеличению напряжения горения разряда и уменьшению энергетической эффективности ионного источника. Были определены оптимальные условия работы источника, при котором энергетическая эффективность достигает максимального значения, определенны значения удельного импульса и тяги. Были достигнуты значения энергетической эффективности, близкие к предельно возможным для систем на основе тлеющего разряда с осциллирующими электронами что особенно важно при проектировании ионизационных двигательных установок.

Список литературы:

1. Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов / М. Д. Габович. Москва: Атомиздат, 1972. – 304 с.
2. Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов / Ю. Е Крейндель. Москва: Атомиздат, 1977. – 145 с.