научная статья по теме ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУШКИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУШКИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 5, с. 428-435

УДК 621.3.032.533.3

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУШКИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ © 2013 г. Е. Н. Евланов, М. А. Завьялов, П. М. Тюрюканов

Институт космических исследований РАН, г. Москва Поступила в редакцию 05.07.2012 г.

Приведены исследования трех вариантов электронных пушек (0.3 кВ, 0.14 А; 20 кВ, 0.1 А; 40 кВ, 0.05 А), предназначенных для работы на борту КА при проведении различных космических экспериментов. Представлены результаты компьютерного моделирования электронно-оптических систем, проведена оптимизация катодно-подогревательных узлов, системы отвода тепла, обсуждаются схемные решения систем питания пушек, как стационарного режима, так и с использованием специального модулятора.

Б01: 10.7868/$002342061305004Х

Электронные пучки длительное время широко используются в качестве инструмента в электронно-лучевой технологии для плавки, сварки, испарения, термической обработки материалов, получения микроструктур в электронике, а также в электрофизической аппаратуре. Очень широк диапазон параметров электронных пушек, формирующих электронные пучки — мощность от 100 Вт до 1 МВт при энергии электронов от сотен эВ до релятивисткой [1—2]. Возможны как импульсный, так и стационарный режимы работы пушек. Электронные пушки, удовлетворяющие специфическим требованиям, используются также в космических экспериментах. Для советско-французского космического эксперимента "Аракс" был разработан вариант инжектора электронов с системой питания [3]. Электронные пушки одноразового действия могли быть использованы для создания плазменных образований при входе ракет из ионосферы в стратосферу Земли. Пушки выполнялись в виде отпаянного модуля с фольговым анодным окном и имели параметры: ускоряющее напряжение 100 кВ, ток 0.4 А. Позднее данная конструкция пушки была положена в основу электронно-лучевой технологической установки с выпуском концентрированного электронного пучка в атмосферу через оригинальную систему дифференциальной откачки. В пушках применялся термоэмиссионный катод из гексаборида лантана (ЬаВ6) диаметром 7 мм; режим работы установки — стационарный, либо частотно-импульсный управляемый с помощью коммутатора на базе электронно-лучевого вентиля [4, 5].

В последнее время появилось сообщение о проработке варианта конструкции инжектора электронов с системой импульсного питания, предназначенного для работы на борту КА в со-

ставе комплекса по зондированию поверхности Луны. Энергия электронов составляет 100— 300 кэВ, длительность импульса ~10 мкс, энергоемкость импульса ~35—40 Дж, продолжительность зондирования ~1 с [6].

Электронные пушки необходимы на борту КА, использующего солнечный ветер в качестве движущей силы в космическом пространстве для межпланетных путешествий (так называемые, магнитный парус или электрический парус) [7— 9]. Поток количества движения солнечного ветра,

Г> 2

т.е. его динамическое давление Рдин = рV в среднем составляет 2 нПа на расстоянии ~1 а.е. от солнца. В работе [7] предложена идея создания искусственной магнитосферы вокруг космического корабля для того, чтобы отклонять солнечный ветер и тем самым извлекать импульс силы для его движения. Альтернативный путь создания движущей силы электрическим прусом был предложен в [8—9]. Предполагается, что электрический парус будет состоять из большого количества длинных и тонких электропроводящих проволочек, которые находятся под высоким положительным потенциалом ~15 кВ за счет ин-жекции электронного пучка в космическое пространство, генерируемого электронной пушкой, установленной на борту. Положительно заряженные проводники отталкивают и отклоняют налетающие ионы солнечного ветра.

Электронные пушки используются в активных плазменно-пучковых экспериментах в верхней атмосфере и космосе. Одним из эффектов, сопровождающих инжекцию электронных пучков в ионосферную плазму обычно, является радиоизлучение [12, 13]. Актуальным является вопрос об обеспечении связи со спускаемыми КА, которая прерывается из-за образования вокруг них плот-

ного слоя плазмы, препятствующего распространению волн. В работе [14] приведено описание лабораторных установок, на которых были смоделированы космические условия и проведено исследование излучения возбуждаемого модулированным электронным пучком при его прохождении через плотный плазменный слой. Проведенные эксперименты подтверждают возможность осуществления связи КА с Землей с помощью модулированных электронных пучков. При проведении экспериментов использовалась электронная пушка, разработанная в Институте электросварки им. Е.О. Патона. Диапазон ускоряющих напряжений до 30 кВ, ток в пучке до 0.5 А. В пушке используется трехэлектродный инжектор с катодом из ЬаБ6 диаметром 0.4 см. Такие пушки успешно применялись в космических экспериментах "Зарница" и "Аракс" [14]. Исследовались такие явления, как полярные сияния, генерация и распространение радиоволн и др., которые искусственно вызывались воздействием на магнитосферу Земли потока заряженных частиц и интенсивного радиоизлучения. В программе "Аракс" использовались две французские исследовательские ракеты "Эридан", запущенные с острова Кергелен. На борту каждой ракеты были установлены советские электронные пушки мощностью 15 кВт, которые инжектировали в ионосферу и магнитосферу пучки электронов с энергиями 27 и 15 кэВ. В магнитосопряженном районе (Архангельская обл.) оптические и радиолокационные станции зафиксировали приход электронного пучка в северное полушарие, а также возбуждение волн, вызываемых пучком электронов во время движения в ионосфере и магнитосфере Земли [15—17].

В настоящей работе приведены исследования трех вариантов электронных пушек (0.3 кВ, 0.14 А; 20 кВ, 0.1 А; 40 кВ, 0.05 А), предназначенных для работы на борту КА при проведении различных космических экспериментов. Представлены результаты компьютерного моделирования электронно-оптических систем (ЭОС), проведена оптимизация катодно-подогревательных узлов (КПУ), системы отвода тепла, обсуждаются схемные решения систем питания пушек, как стационарного режима, так и с использованием специального модулятора. Приведены конструкции пушек и их весогабаритные параметры. При этом использованы физико-технические и технологические решения, а также большой опыт эксплуатации электронных пушек в промышленных условиях электрофизических установок, приборов силовой электроники, включая мощные пуч-ково-плазменные приборы СВЧ [2, 10, 11]. Приведенные исследования и разработки электронных пушек могут быть использованы в КА различного назначения.

Важнейшей проблемой, возникающей при создании электронных пушек, является выбор тер-

моэмиссионного катода, который обеспечивал бы необходимые ток эмиссии электронов и срок службы. Нами рассмотрены основные типы термоэмиссионных катодов, которые применяются в настоящее время в электронных пушках различного назначения, электровакуумных и газонаполненных приборах [18, 19]. К их числу можно отнести: металлические, оксидные, металлопористые, металлосплавные и боридные.

Сравнительный анализ физических свойств термоэмиссионных катодов, применяемых для создания электронных пушек, показывает, что для решения поставленной задачи наиболее приемлемыми являются катоды, изготовленные или из гексаборида лантана ЬаБ6, или импрегниро-ванные вольфрамовые катоды. Они работают при более низких температурах по сравнению с металлическими катодами, не отравляются на воздухе и обладают высокой механической прочностью в отличие от оксидных катодов. Большой срок службы (более 3 • 104 час), высокая механическая прочность, а также ограничения в массе и габаритах являются наиболее жесткими требованиями, предъявляемыми к электронной пушке. Гексаборид лантана отличается высокой механической прочностью при низкой плотности р = 2.61 г/см3, малой величиной работы выхода еф = 2.68 эВ и низким коэффициентом испарения. Так при температуре катода Тк = 1400 К плотность тока эмиссии составляет= 0.1 А/см2 , а скорость испарения не превышает 10-12 г/(см2 с) [20, 21]. Таким образом, за 10 лет испарится ~6 • 10-4 г материала.

Рассмотрим варианты электронных пушек, предложенных для проекта, опубликованного в [8, 9]. В первом варианте для ионосферных испытаний параметры электронной пушки следующие: ускоряющее напряжение и = 300 В, ток пучка 1п = 0.14 А. Исходя из закона "3/2" имеем следующее соотношение между площадью эмитирующей поверхности 8к катода и расстоянием между катодом и анодом й: ^./й2 = 11.6. Для й = 3 мм плотность тока будет составлять 0.13 А/см2 при 8к = 1 см2. Если в качестве материала катода выбрать ЬаБ6, то необходимая плотность тока будет достигнута при температуре Тк = 1400 К. На рис. 1 представлен результат математического моделирования ЭОС электронной пушки с ускоряющим напряжением 300 В. Расчет проводился на базе пакета программ ЭРА [22—24].

Основным механизмом потерь тепла при нагревании термоэмиссионного катода является инфракрасное излучение. Величина мощности излучения рассчитывается по формуле Стефана— Больцмана: ^изл = еаT4S0, где е ~ 0.3 — коэффициент серости, а = 5.67 • 10-8 Вт/(м2 К4) , S0 = 2Бк + + 8Ь ~ 3 см2 — полная площадь катода при диамет-

430

ЕВЛАНОВ и др.

г

2000 г 1500 1000 500

0

-500 1000 1500 2000

1000 2000 3000 4000

5000

г

1500 1000 500

-2000 -

Рис. 1. Результаты математического моделирования ЭОС пушки на ускоряющее напряжение и = 300 В и ток пучка 1п = 0.14 А. Диаметр катода сферической формы 14 мм, диаметр анодного отверстия 15 мм, расстояние аI = 2 мм. 100 компьютерных единиц соответствуют 1 мм (также на рис. 2-5).

ре 12 мм и толщине 3 мм. Если Тк = 1400 К, то имеем IV,изл « 20 Вт. Потери тепла через боковую поверхность держателя катода, который можно изготовить из молибдена, составляют незначительную величину, меньше 2 Вт.

Для того чтобы нагреть катод до заданной температуры перед торцевой поверхностью расположена спираль подогревателя, которая должна излучать столько тепла, сколько необходимо для компенсации потерь на излучение и теплопроводность катода и подогревателя. Расчет показывает, что спираль подогревателя, изгот

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком