научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ЗАЖИГАНИЯ ИНТЕНСИВНОГО НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ С ТЕРМОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ЗАЖИГАНИЯ ИНТЕНСИВНОГО НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ С ТЕРМОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 4, с. 497-501

УДК 537.52.621.384

ОСОБЕННОСТИ ЗАЖИГАНИЯ ИНТЕНСИВНОГО НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ С ТЕРМОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ

© 2013 г. А. Н. Ермилов, В.Ф. Ерошенков, Ю. А. Коваленко, С. В. Королёв,

Т. В. Чернышёв, А. П. Шумилин

Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина, Москва Email: thambsup@gmail.com Поступила в редакцию 31.07.2012 г.

Приведены результаты экспериментальных исследований использования термоэмиссионных катодов в качестве катода-компенсатора при работе с холловским электрореактивным двигателем. Исследованы особенности работы двигателя с термоэмиссионным катодом и уточнены технические требования к применяемым катодам. Получены данные, позволяющие сформировать технические требования к источникам питания ХРД. Исследование процесса зажигания разряда в скрещенных полях внутри холловского электрореактивного двигателя показало, что в момент зажигания полный ток разряда может в 10—20 раз превышать ток стационарного режима, при этом величина и длительность "выброса" тока находятся в непосредственной зависимости от эмиссионной способности катода-компенсатора. Обнаружено влияние величины магнитного поля в канале ускорителя на потенциал зажигания.

DOI: 10.7868/S004036441304008X

ВВЕДЕНИЕ

В работе рассматривается зажигание интенсивного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в холловском электрореактивном двигателе [1]. Двигатель такого типа представляет собой азимутально-симметричное устройство, где разряд горит в потоке газа в кольцевом канале, образованном полюсами магнитопрово-да. 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 маг-нитопровода электроны осциллируют в электрическом поле между катодной и анодной областью разряда, формируя холловский ток, замкнутый в азимутальном направлении. Средняя кинетическая энергия холловских электронов существенно больше порога ионизации атомов рабочего тела, поэтому в разряде такого типа реализуется практически полная ионизация поступающего потока газа, т.е. происходит интенсивное выгорание атомов. В результате столкновений и не-устойчивостей некоторая часть электронов, захваченных в катодной области разряда, уходит на анод, формируя сквозной электронный ток. Для поддержания этого тока необходим источник электронов. В случае, если используется внеш-

ний источник электронов (катод-компенсатор), разряд является несамостоятельным. При отсутствии катода-компенсатора и больших напряжениях возможно возникновение самостоятельного разряда. В работе ограничимся рассмотрением переходного процесса в момент зажигания [2, 3] интенсивного несамостоятельного разряда.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Эксперименты производились в вакуумной камере, длина которой составляла Lcam = 150 см, радиус Rcam = 25 см. Стендовая система откачки обеспечивала остаточное давление P0 = 2 х 10-5 Top. В качестве рабочего газа использовался ксенон. При рабочих расходах ксенона его парциальное давление много больше остаточного и определяется с помощью соотношения Pg = 1.48 х 10-4Q Top , где Q — расход газа через двигатель в амперах (1 A = = 15 SCCM = 6.25 х 1018 частиц/с). В качестве холловского двигателя использовался макет ХРДПУ (холловский реактивный двигатель с полым анодом, усовершенствованный), представляющий собой модифицированный вариант макета, описанного в [4]. Особенностью данного макета ионного двигателя является использование в системе газоподачи пористой диафрагмы из композитного углерод-углеродного материала. Во избежание расплавления при перегреве анод

\\\\\Ч\\\\Ч\\\\Ч\\\\\Ч\\\\ЧЧ\\\Ч\\\\Ч\^

Хе

О

+

1е_

"7Т

1А ¡^йрщти

■АЧЧЧЧУ

.\\\\ччч\\\\ч\\\чч\\\\ч\\\\\ч^

ф

Рис. 1. Схема электрических измерений двигателя.

0.25

0.50

Токи,А 1

0

0.75 0.25 Л, А

0.50

*!а

*!к

0.75 1„ А

Рис. 2. Зависимость плавающего потенциала катодной плазмы и токов 1а, I, Iк от тока 1е.

выполнен из пироуплотненного графита. Магни-топровод (катодная точка ускорителя) снабжен графитовым экраном для защиты от ионной бомбардировки. Магнитопровод формирует магнитное поле, слабо спадающее в сторону анода (под величиной Н подразумеваем значение магнитного поля в максимуме).

В качестве катода-компенсатора использовались от одного до четырех плоских термоэмиссионных катодов из ЬаВ6 диаметром 120 мм с косвенным накалом. Схема подключения двигателя и схема электрических измерений приведены на рис. 1.

В качестве источника питания использовался стабилизированный по напряжению источник питания с защитой от перегрузки по току (не более 8 А). В цепи источника установлен РС-фильтр 40 Ом, 100 мкФ. Катодная точка гальванически связана со стенками вакуумной камеры и заземлена. В этом случае камера выступает в качестве цилиндра Фарадея и (частично или полностью) осуществляет токовую компенсацию, а термоэмиссионный катод служит для восполнения потерь электронов, затрачиваемых на ионизацию и нейтрализацию плавающего потенциала.

Плавающий потенциал катодной плазмы фр1 измерялся подвижным цилиндрическим ленгмю-ровским зондом из вольфрамовой проволоки. С помощью шунтов с гальванической развязкой ЬЕМ LA-25NP определялись полный ток разряда 1А и токи, протекающие через цепь катода, магнитопровод и стенки вакуумной камеры, 1е, 1к и I. Напряжение между катодной точкой двигателя и анодом обозначим фА.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ С ТЕРМОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ

В ходе экспериментов проверялось изменение плавающего потенциала в зависимости от изменения режимов работы катодов, их количества и расположения относительно среза двигателя. Было установлено, что при большом значении тока 1е потенциал фр1 становится незначительным, а токи I и 1к малы1. По мере уменьшения накала ток 1е падает, токи I и 1к линейно увеличиваются, а плавающий потенциал быстро и нелинейно возрастает. На рис. 2 приведена полученная экспери-

1 В оптимальных режимах ток ^ часто бывает отрицательным, т.е. имеет место электронный засев.

ОСОБЕННОСТИ ЗАЖИГАНИЯ ИНТЕНСИВНОГО НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА

499

Токи,А 30

25 20 15 10 5 0

1етах = 21.17 А 1 фА = 232 В

N = 4.3 х 1015

46

Токи, А

30 -

25 -

20 -

15 -

10 Л

5 А

0 7

N = 3.7 х 1015

I, мкс

1етах = 3.61 А фА = 228 В N = 4.7 х 1015 N = 2.0 х 1015

105

t, мкс

1етах = 12.5 А фА = 227 В N = 4.4 х 1015 N = 3.0 х 1015

56 мкс

/етах = 1.88 А фА = 240 В N = 6.3 х 1015 N = 2.0 х 1015

197

t, мкс

/етах = 7.01 А фА = 232 В N = 4.1 х 1015

72 t, мкс

/етах= 0.93 А фА = 237 В N = 7.7 х 1015 N = 1.8 х 1015

353 t, мкс

Рис. 3. Кривые зажигания разряда при 0> = 1.33 А, Н = 200 Гс и различных температурах катодов: 1 — 1а, 2 — 1е.

ментально зависимость значения плавающего потенциала катодной плазмы от тока 1е. При этом пространственное распределение плавающего потенциала сохраняет форму и меняется только на некоторую постоянную величину, т.е. весь дополнительный потенциал сосредоточен в тонком слое вблизи стенок камеры. Полный ток разряда

и тяга остаются постоянными2.

В процессе работы проверялись разные способы увеличения тока 1е: повышением температуры катода, изменением расстояния между катодом и срезом двигателя, изменением количества катодов (эквивалентно увеличению эмитирующей поверхности катода). Оказалось, что при увеличении температуры катода существует эффект ограничения тока, т.е. имеется некоторая предельная плотность электронного тока эмиссии, при которой нагрев катода не позволяет получить плотность тока выше этой величины. Повышением накала не удалось добиться заметного изменения этой величины. Следствием эффекта запирания тока термоэлектронной эмиссии с катода является невозможность изменить величину тока 1е в достаточно широких пределах. Эта предельная плотность тока

' Ток разряда и тяга зависят как от величины магнитного поля, так и от разности потенциалов фА — фр;, поэтому, вообще, это верно только при не слишком большом росте фр;.

оказалась зависящей от расстояния между катодом и срезом двигателя. На расстоянии 2 см от среза двигателя, когда катоды были ориентированы перпендикулярно срезу двигателя, максимальная плотность тока составила около 0.25 А/см2, на расстоянии 10 см — около 70 мА/см2. Использование нескольких термоэмиссионных катодов-компенсаторов (в данном случае до четырех) позволило увеличить ток 1е и максимально снизить плавающий потенциал (см. рис. 2).

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В МОМЕНТ ЗАЖИГАНИЯ

Для уточнения технических требований к термоэмиссионным катодам были проведены исследования переходных процессов в момент зажигания разряда в двигателе. На рис. 3 показаны осциллограммы типичного переходного процесса в момент зажигания разряда. Сначала на анод двигателя подается напряжение, причем время нарастания напряжения много больше всех характерных времен разряда (пролетных времен атомов и ионов через канал). При некотором напряжении фА появляется и начинает расти анодный ток, который через какое-то время достигает своего максимального значения и резко уменьшается до значения, характерного для стационарного режима, после чего

Фа, В 350

300

250

100 150 200 250

Н, Гс

Рис. 4. Зависимость напряжения зажигания от величины магнитного поля, О = 1 А.

разряд переходит в установившийся режим с ионизационными колебаниями [5]. Характерное время переходного процесса зажигания разряда обозначим т, за него примем время между появлением анодного тока и достижением анодным током нижнего экстремума по времени. Время переходного процесса много меньше, чем характерное время выходного фильтра источника питания, поэтому анодное напряжение во время переходного процесса остается практически постоянным. Осциллограммы, приведенные на рис. 3, позволяют определить характерные значения полного числа зарядов, участвующих в "выбросе" анодного тока:

т

МА = 1 \lAdt

е

о

и числа электронов, эмитированных

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