ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 3, с. 371-376
УДК 537.52.621.384
ОБ ОСЦИЛЛЯЦИЯХ ХОЛЛОВСКОГО ТОКА В ДВИГАТЕЛЕ
С АНОДНЫМ СЛОЕМ
© 2014 г. А. Н. Ермилов, В. Ф. Ерошенков, Д. Н. Новичков, Ю. А. Коваленко, Т. М. Сапронова, Т. В. Чернышев, А. П. Шумилин
ФГУПВсероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина, Москва
E-mail: thambsup@gmail.com Поступила в редакцию 07.03.2013 г.
Рассматривается горение интенсивного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в холловском электрореактивном двигателе. Двигатель такого типа представляет собой азимутально-симметричное устройство, где разряд горит в кольцевом канале, образованном полюсами магнито-провода. Обычно анод выполнен в виде полости, через которую подается рабочий газ (двигатель типа ДАС (TAL)), или в виде плоского кольца, установленного в диэлектрическом канале, в слабом магнитном поле (двигатель типа СПД (SPT)), а роль катода играет плазма снаружи двигателя. Захваченные в магнитном поле между полюсами магнитопровода электроны осциллируют в электрическом поле между катодной и анодной областями разряда, формируя холловский ток, замкнутый в азимутальном направлении. Из практики известно, что разряд такого типа всегда является нестационарным и основные автоколебания возбуждаются на атомной пролетной частоте ("ускорительный" режим). Кроме того, существует область параметров, в которой автоколебания становятся стохастическими и ток разряда резко возрастает ("стохастический" режим). Эта работа посвящена индукционному измерению колебаний холловского тока, возникающих в различных режимах работы.
DOI: 10.7868/S0040364414030107
ВВЕДЕНИЕ
Анализ работы макета холловского двигателя с замкнутым дрейфом электронов базируется на рассмотрении баланса силы Ампера, действующей на виток азимутального холловского тока /0, и реактивной силы тяги Ш, как в [1]. Холловский ток с учетом размерностей и рабочего тела определяется соотношением
J [aA] = 1600F[г.с.
263
-Q [ A ]Тф[Б] ,(1)
Я[ см ]Н[ Гс ] Я [ см ] Н[ Гс ]'
где Ш — тяга (1 г.с. = 9.8 мН), Я — средний радиус разрядного канала, Н — магнитная индукция, О — расход газа в амперах , ф — ускоряющее напряжение.
Этот же замкнутый холловский ток должен обеспечивать интенсивную ионизацию подаваемого сквозь анод газа. Оценим характерный размер зоны ионизации Если ионизация производится преимущественно электронами холлов-ского тока, то
. 1 иа ^ йЬеиа ^ =--~ ~Т-, (2)
где Ь — характерная длина области, занятой холлов-ским током, d — ширина анодной полости, ^¡^^ ~ 5 х х 10-16 см2 — сечение ионизации Хе, иа ~ 104 см/с —
1 1 А эквивалентен 6.25 х 1018 частиц/с для однократно
ионизированного ксенона, или 1.37 мг/с.
тепловая скорость атомов, поступающих с анода, V© ~ сф/(ЬН) — характерная скорость дрейфа электронов. Теперь, если положить, что в слое холловского тока происходит основное падение потенциала и ширина слоя пропорциональна ларморовскому
радиусу электрона Ь ~ ре = с/Ял/2фт/е, получается
1 г т о л 1П-3 Я [см ] й[см ] ,
Х,Т[см] ~ 3.4 х 10 —--—-—- <§ ре, * 0[А] Vе
т.е. можно считать, что рождение ионов происходит в практически эквипотенциальной области.
Ларморовский радиус ионов много больше характерных размеров системы, поэтому ионы свободно уходят из объема на стенки магнитопровода, в основном в катодную плазму, тем самым создавая тягу двигателя. Для обеспечения квазинейтральности уход ионов должен компенсироваться уходом электронов, образовавшихся в результате ионизации, на анод. Но их уход поперек магнитного поля затруднен, так как движение электронов поперек магнитного поля определяется столкновениями с нейтральными атомами, а концентрация атомов зависит от холловского тока. Возможно возникновение положительной обратной связи, приводящей к нарушению непрерывности электронного тока на анод, колебаниям ионизации, как следствие — колебаниям тяги, а значит и самого холловского тока. Цель настоящей работы — непосредственное измерение колебаний холловского тока индукционным методом.
Рис. 1. Схематический чертеж макета с нанесенными силовыми линиями магнитного поля в масштабе 1 : 1 (а) и внешний вид макета (б).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Эксперименты производились на макете двигателя, расположенного в вакуумной камере, длина которой составляла 1500 мм, а диаметр — 500 мм. Стендовая система откачки обеспечивает остаточное давление Р0 = 10-5 Тор. В качестве рабочего тела использовался ксенон. При установленных расходах через анод О ~ 0.5—1.5 А его парциальное давление много больше остаточного и определяется скоростью откачки, Рд = 1.1 х 10-4О Тор. Использовался макет ХРДПУ (холловский реактивный
V V
Рис. 2. Схема подключения и измерения макета ХРДПУ.
>
Рис. 3. Расчет силовых линий собственного магнитного поля, создаваемого витком холловского тока.
двигатель с полым анодом, усовершенствованный), представляющий собой модифицированный вариант макета, описанного в [2]. Параметры макета: Я = 22.5 мм, d = 3 мм, расстояние от среза анодной полости до внутренней кромки магнито-провода — 3 мм. Схематический чертеж и внешний вид макета показаны на рис. 1. Во избежание расплавления при перегреве анод выполнен из пиро-уплотненного графита. Магнитопровод (катодная точка ускорителя) снабжен графитовым экраном для защиты от ионной бомбардировки. Магнито-провод формирует магнитное поле, слабо спадающее в сторону анода.
В качестве катода-компенсатора (КК) использовались от одного до четырех торцевых термоэмиссионных катодов с плоским эмиттером из ЬаВ6 диаметром 12 мм с косвенным накалом. Заметим, что плотность тока с термоэмиссионного катода, помещенного в плазму, ограничена сверху пространственным зарядом эмитированных электронов и определяется током ионов, поступающим на него из катодной плазмы. Таким образом, электронная и ионная компоненты тока КК соотносятся как л/М/т (М — масса иона, т — масса электрона). Схема подключения двигателя и схема электрических измерений приведены на рис. 2. Использовался стабилизированный по напряжению источник питания с защитой от перегрузки по току (не более 8 А). В цепи источника установлен ЯС-фильтр 40 Ом, 100 мкФ. "Минус" источника питания (катодная точка) гальванически связан со стенками вакуумной камеры и заземлен.
Плавающий потенциал катодной плазмы фр1 измерялся подвижным ленгмюровским зондом в виде плоского диска 0 = 7 мм. С помощью шунтов с гальванической развязкой ЬЕМ LA-25NP измерялись: полный ток разряда 1А; ток, протекающий через цепь катода, — 1е; 1к и I — токи через магнитопровод и стенки вакуумной камеры. Напряжение между катодной точкой двигателя и анодом обозначим фА.
е
(б)
107/К 1.0 -
0.5 -1-1-1-1-1-1
0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
1т, А
Рис. 4. Схема калибровочного эксперимента для определения коэффициента К (а) и калибровочная кривая для коэффициента взаимной индукции (б).
(а)
1т - 5/0
+ }кит- -
□Е—- :1
Для устранения нежелательной обратной связи в цепь питания катушки намагничивания введена катушка индуктивности 30 мГн, обеспечива-
2
ющая стабилизацию тока в катушке 1т . Переменная составляющая ЭДС катушки 8 ит измерялась через интегрирующую цепочку 500 Ом х 3 нФ для фильтрации высокочастотной составляющей колебаний (см. [3]), в настоящей работе анализируется только диапазон частот, в котором происходят наиболее существенные осцилляции анодного тока (10—100 кГц).
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерения осцилляций холловского тока применялся индукционный метод [4—7]. Холлов-ский ток создает собственное магнитное поле, причем часть силовых линий замыкается через магнитопровод (рис. 3). Численный расчет магнитного поля в программе FEMM4.2 [8] показал, что магнитный поток, пронизывающий катушку намагничивания, практически не зависит от формы витка холловского тока и его радиального расположения и определяется только продольным положением "центра масс". Если за "нуль" принять точку максимума магнитного поля, то в случае локализации витка тока на срезе анодной полости (—3 мм) магнитный поток будет в 1.2 раза больше, а в случае локализации витка вне разрядного канала в области спадающего магнитного поля (+10 мм) магнитный поток будет в 1.6 раза меньше.
Магнитный поток холловского тока, проходящий сквозь катушку намагничивания, имеет знак, обратный магнитному потоку внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой. Из закона электромагнитной индукции Фарадея следует, что величина переменной составляющей ЭДС, возникающей на катушке намагничивания в результате изменения холловского тока, равна
ъит( о = ,
С
(3)
' В противном случае колебания модельного холловского тока вызывали незначительные колебания тока в катушке намагничивания и значительное уменьшение Ъит, что делало измерение невозможным.
где К — коэффициент взаимной индукции, измеряемый в ходе калибровочного эксперимента. Интегрируя выражение (3), можно вычислить переменную составляющую холловского тока. Так как измеряется полная ЭДС катушки, то присутствует неточность в определении нуля, и при численном интегрировании возникает систематическая ошибка. На некотором интервале времени ее можно скорректировать следующим образом:
8( 0 = - К18 ит ( ') Л - В - С, '2 (4)
18 /& (') СИ = 0,
л
где 8/0 — переменная составляющая холловского тока, В и С — корректирующие константы, которые можно вычислить методом наименьших квадратов.
Для определения коэффициента К был проведен калибровочный эксперимент, в ходе которого холловский ток моделировался миниатюрной катушкой (см. рис. 4а), расположенной по центру разрядного канала в максимуме магнитного поля.
фА -
500 400 300 200 100
Ф^, в
0.66 А
50 100 150 200 250 300 350 400
Н Гс
Рис. 5. Граница существования "ускорительного" режима при разных расходах [9].
6 5
< 4 к? 3 ^ 2
0 20 40 60 80 t, мкс
0 20 40 60 80 t, мкс
0 20 40 60 80 t, мкс
0 20 40 60 80 t, мкс
Рис. 6. Характерные осциллограммы осцилляций анодного и холловского токов при Фа — Фр1 я 250 В и расходе 1.33 А.
со
6 5
4 3 2 1
15 10
5 0
-5 10 15
0 20 40 60 80 t, мкс
- 247 Гс IM 1 1 1 ш 1
чпW #1
i i i i
0 20 40 60 80 t, мкс
0 20 40 60 80 t, м
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.