ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 2, с. 113-117
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 537.5
КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ПУЧКА СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ СПД-100
© 2008 г. Е. Е. Баркалов, А. Н. Веселовзоров, А. А. Погорелов, Э. Б. Свирский, В. А. Смирнов
РНЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Акад. Курчатова, 1 Телефон: (499) 196 70 40, факс: (495) 943 00 73 E-mail: vesel@nfi.kiae.ru Поступила в редакцию 03.07.2007 г.
Приведены результаты измерений с помощью масс-спектрометра МХ-7303 зарядового состава частиц в плазменной струе стационарного плазменного двигателя СПД-100 при работе двигателя на ксеноне в диапазоне разрядных напряжений 150-750 В. Измерены и представлены угловые распределения однозарядных, двухзарядных и трехзарядных ионов ксенона по сечению пучка и их спектры по энергиям. Приведена оценка изменения состава пучка при его транспортировке до места измерений из-за взаимодействия с нейтральными атомами ксенона.
PACS: 52.30.-q
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время для целого ряда перспективных космических проектов предполагается использование стационарных плазменных двигателей, работающих с высокими удельными импульсами (>3000 с), что соответственно потребует расширения диапазона разрядных напряжений до ~1 кВ. Для анализа основных рабочих процессов внутри и вне ускорительного канала двигателя, таких как ионизация рабочего газа, ускорение, взаимодействие со стенкой, перезарядка и т.д., необходимо знание с хорошей точностью зарядового состава и энергии частиц, вылетающих из ускорительного канала, а также их распределение в пространстве.
Имеется ряд публикаций, посвященных такого рода исследованиям [1-5], однако в этих работах измерения проводились либо в низковольтных режимах стационарных плазменных двигателей, либо измерения имели локальный характер (вблизи оси пучка), либо оценка зарядности частиц в пучке носила косвенный характер по результатам измерения тяги двигателя, величины ионного тока и т.д.
Целью настоящего исследования является определение доли одно- и многозарядных ионов и нейтральных атомов в плазменной струе СПД-100 при работе на ксеноне в расширенном диапазоне разрядных напряжений (150-750 В), а также их угловых и энергетических распределений по сечению пучка. Наряду с этим представлен анализ изменения состава пучка, которое происходит при транспортировке его до места реги-
страции, за счет неупругих взаимодействий ионов пучка с атомами нейтрального газа. Такой анализ необходим для того, чтобы определить зарядовый состав ионов, непосредственно вылетающих из СПД-100.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследования проводились на стенде Е-1 в РНЦ "Курчатовский институт". Двигатель размещался в прямоугольной вакуумной камере размером 1000 х 1000 х 2500 мм, для откачки которой использовался высоковакуумный паромасляный насос Н-200 со скоростью откачки по воздуху 200000 л/с. Основная часть исследований выполнена при рабочем вакууме не хуже 1.2 ■ 10-4 Торр (значения вакуумного давления указаны по шкале ионизационного вакуумметра без пересчета на рабочий газ).
На рис. 1 приведена конструктивная схема лабораторной модели СПД-100 [6]. Модель СПД-100 изготовлена по традиционной для РНЦ "Курчатовский институт" схеме без магнитных экранов с системой наружных и внутренних катушек. Для ускорительного канала двигателя использовали изолятор марки АБН. Детали магнитной системы (полюса, элементы магнитопро-вода) выполнены из магнитомягкой стали Ст. 3. Катушки намотаны жаростойким проводом ПСДКТ. В качестве катода-компенсатора использовался газоразрядный полый катод с эмиттером электронов из ЬаВ6. Генерация и ускорение ионов происходили внутри ускорительного кана-
СПД-100
Вакуумный затвор
Экран с сеткой Линза с сеткой
Анализирующая сетка
Масс-спектрометр Коллектор
Рис. 2. Схема измерений массового (зарядового) состава плазменного пучка двигателя с помощью масс-спектрометра МХ-7303.
Рис. 1. Схема СПД-100. 1 и 2 - наружная и внутренняя магнитные катушки, 3 - ускорительный канал, 4 и 5 -наружный и внутренний магнитные полюса, 6 - анод-газораспределитель, 7 - магнитопровод.
ла в скрещенных продольном электрическом и радиальном магнитном полях. Магнитное поле линзоподобной геометрии создавалось магнитной системой, состоящей из катушек, магнитных полюсов и магнитопровода. Рабочее напряжение прикладывалось между анодом-газораспределителем и эмиттером электронов (катодом-компенсатором), расположенным снаружи.
В данной работе для оценки зарядового состава ионов в пучке СПД-100 использовался квадру-польный масс-спектрометр динамического типа МХ-7303 [7]. Схема расположения оборудования при проведении измерений показана на рис. 2. СПД-100 располагали в вакуумной камере на вращающейся платформе, чтобы иметь возможность измерять в струе двигателя угловое распределение измеряемых величин. Экран из нержавеющей стали защищал детали вакуумного затвора от воздействия ионного пучка СПД-100. Экран с сеткой необходим для отсечки электронов и получения узкого, слабо расходящегося ионного пучка (01.5 мм). Далее пучок, состоящий из ионов и нейтральных атомов, проходил через линзу с сеткой, которая могла использоваться либо в качестве электростатического анализатора ионов по энергиям, либо при подаче большого положительного потенциала в качестве электростатического затвора, пропускающего только
нейтральные частицы. Ионизатор использовался для анализа нейтральной компоненты пучка и для ионизации газа при калибровке масс-спектрометра по массам.
Измерения зарядового состава частиц в плазменном пучке СПД-100 проводились на расстоянии 800 мм от торца двигателя в диапазоне разрядных напряжений ир = 150-750 В и подач ксенона (т = 2.5-4.5 мг/с) при рабочем давлении в вакуумной камере Р0 < 5 ■ 10-5 Торр по Хе.
На рис. 3 показана типичная масс-спектро-грамма, снятая в пучке СПД-100 при ир = 500 В. На спектрограмме видно наличие однозарядных, двухзарядных и трехзарядных ионов ксенона (Хе+, Хе2+, Хе3+). Значительная ширина линий изотопов Хе (линии сливаются в один пик) обусловлена большим разбросом ионов по энергиям.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 4 представлены относительные доли ионов Хе+, Хе2+ и Хе3+ в ионной компоненте пучка по оси канала СПД-100 при работе двигателя в диапазоне ир = 150-750 В, полученные в результате обработки масс-спектрограмм. В исследованном диапазоне разрядных напряжений доли однозарядных и многозарядных ионов в пучке изменяются незначительно и находятся в пределах для Хе+: ~85-90%, Хе2+: ~9-14% и Хе3+: <3%. С ростом разрядного напряжения доля Хе+ несколько уменьшается (в пределах 2-3%) за счет многозарядных ионов, в основном из-за Хе3+.
Хе, отн. ед.
100 150
М/д, а.е.м.
Хе, % 100 г
Хе+
и
Г
90 80
20 10 0
100 200 300 400 500 600 700 800
ир, в
Рис. 4. Доли однозарядных и многозарядных ионов в пучке СПД-100 в зависимости от разрядного напряжения (ир = 150-750 В).
Рис. 3. Масс-спектрограмма пучка СПД-100, работающего на Хе (ир = 500 В, т = 4.4 мг/с).
I, отн. ед.
dI/dU, отн. ед.
Хе2+, % 20 г
15 10 5
I -
-30 -20 -10
10
20 30 а, град
Рис. 5. Изменение доли двукратно ионизованных ионов в пучке СПД-100 по углу (ир = 500 В).
- /'\Хе+' / \
Хе+ ! Хе2+' > / ^ \
" Хе2+ / \ \ -
^ Ж 1 / / 7 ^
у У / \ ч 1 "4.
0 200 400 600 800 1000 ит, В
Рис. 6. Тормозные характеристики (Хе+, Хе2+) и энергетические спектры (Хе+', Хе2+') ионного пучка
СПД-100 (ир = 700 В, т = 4.4 мг/с).
0
Для определения доли ионов разной зарядно-сти во всем пучке двигателя необходимо знать их распределение по сечению пучка. Были сняты масс-спектрограммы под разными углами относительно оси ускорительного канала двигателя. Результаты обработки масс-спектрограмм приведены на рис. 5 для режима ир = 500 В. Видно, что соотношение ионных компонент разной зарядно-сти в поперечном сечении пучка в диапазоне углов а = ±25° изменяется незначительно - в пределах нескольких процентов.
В таблице приведены усредненные данные содержания ионов разной зарядности в пучке СПД-100 для нескольких характерных режимов:
ир = 300 В, 500 В, 700 В; т = 2.5 мг/с, 3.5 мг/с и 4.5 мг/с.
Одной из основных характеристик ионного пучка являются энергетические спектры ионов разной зарядности. На рис. 6 представлены энергетические спектры Хе+ и Хе2+, полученные по тормозным характеристикам. Обращают на себя внимание ионы, которые имеют энергию большую, чем они могли бы получить при исследуемом разрядном напряжении 700 В. Очевидно, это вызвано перезарядкой Хе2+ в Хе+ и Хе3+ в Хе2+, происходящей при транспортировке пучка. Видно, что средняя энергия, приходящаяся на единицу заряда, для Хе+ заметно выше, чем для
Усредненные данные содержания ионов разной зарядности в пучке СПД-100
Цр, В Ионы Хе, %
Хе+ Хе2+ Хе3+
2.5 мг/с
300 91 8 1
500 88 10.5 1.5
700 84 13 3
3.5 мг/с
300 83 15 2
500 82.5 15 2.5
700 80 17 3
4.5 мг/с
300 86 13 1
500 86 12 2
700 82 15 3
Хе2+ и равна для ионов Хе+ - 640 В (=0.9 ир), для Хе2+ - 550 В (=0.8 ир). Такое различие довольно естественно, поскольку образование двукратно ионизированных ионов идет при больших температурах электронов, и эта область находится ближе к срезу двигателя.
Кроме ионной компоненты, в пучке СПД-100 наблюдалась нейтральная компонента - быстрые и медленные атомы ксенона (Хе0). Измеренная доля быстрых атомов ксенона с энергией >50 эВ составила несколько процентов от ионной компоненты пучка. Однако точное определение количества нейтральных атомов было затруднено из-за низкой эффективности ионизатора.
ИЗМЕНЕНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПУЧКА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ТРАНСПОРТИРОВКИ
В процессе транспортировки пучка его процентный состав может меняться из-за того, что сечения взаимодействия ионов разной зарядности существенно отличаются. Чтобы иметь представление о составе пучка, выходящего из СПД-100, необходимо учитывать эти преобразования по пути следования ионов до места их измерений.
Будем исходить из следующих предположений.
Давление нейтрального Хе вдоль пучка не меняется, и наличием трехкратно заряженных ионов в пучке при расчетах пре
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.