автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.10, диссертация на тему:Исследование особенностей рабочего процесса и ресурсов работы ускорителя с замкнутым дрейфом электронов при низких ускоряющих напряжениях

« - г» А

к ! II Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции „ .....и ордена Трудового Красного Знамени государственный

? ;; ■ I

технический .университет имена II Баумана

На правах рукописи

я

Алексеев Дмитрий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И РЕС7РГ-. РАБОТЫ УСКОРИТЕЛЯ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕИФОМ ЭЛЕКТГОНОВ ПРИ НЙЗЮ1Х УСКОРЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЯХ. ■ ■ ." 05.07.10 - Бортовые энергоустановки и электри--'-#кие двигатели' Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата • . технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор И- К- Марахтанов

Москва - 1993

ыиг. и М. око; о; - ■ Г

:;.;:<,' Реъитт и орас-га "рудого Косного люмена

Юьул^чгишаоы тедгшчтЛ&м уищ^кшгете им. К. 0.£«аут»м.

Ь'.учгсШ 1>у|::)1- дитедь: пр. л. т. к. !. К. [Ь^иишо;:,

опасней п<: ирофиосор, д.т.к. Ь'.Р,

ВбДуЦбе С/^ЗПршпИ» И1С "Зпорпш"

Защита диссертации состоится "___"_______________1593 г.

на заседают саациалнзироьаиного Живота. Л 0,5. 1-5.Ю.щц Московское ордена Ленина, орлееа (йеглбрьогой Ревзлыов « .ордена Трудового Красного Злтож государственном тешшчаскон университете югйеи Н. 0. тауиаш. но адрйоу: 107005, Москва, 2-я Бауманская, д. 5.

Ваш отзыв ка авторс-фгрят, о-и.ср^мш;;: печатиэ, прозин шеилать по указанному адресу.

С диссертацией мтшо Соыконнт ■ ся и скблзотске МГТУ.

Телефон для (...тгавок: 263-Ш-40.

Автореферат I «аоолак "___"_______ _____________ЮТ г.

П.А. 1'ющенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность раооты. Ускорители плазмы о азимутальным дрейфом электронов ..СТАЛ3 относятся к перспективным системам для получения ионных пучков с низкой энергией. Ускорители этого класса- .-обладают - рядом приенуществ: простотой конструкции и технологичностью, высокой надежностью и эффективностью, широким диапазоном рабочих характеристик и большим ресурсом работы. Это открывает возможность для широкого примемэния.их в качестве двигателей для ориентации, стабилизации и коррекции орбит* автоматических летательных а. .аратов.

Существующие УАД делят на два типа: ускоритель " с замкнутым > дрейфом и протяженной зоной ускорения СУЗЛГР и ускоритель о анодным слоен сУАО, отличающиеся длиной ускорительного канала: и наличием диэлектрических отенок в нем. . " •

В настоящее время, разработанный на основе УЗДП электрический двигатель является штатным в системе коррекции летательных аппаратов/ "Метеор Пргоода", "Горизонт", "Эк.'лн". Однако, ; изготовление - канала УЗДП, ^робенно при .больших диаметрах, представляет определенные технологические . трудности, ввиду использования в них изолятора. Кроне того, УЗЛП имеет эксплуатационные недостатки, например, трудности обеспечения высокого ресурса. Простота конструкции, технологичность, надежность в эксплуатации,, широкие пределы регулирования тяги при постоянном удельном импульсе, высокий ресурс - лржыуцесгаа. УАС, позволяющие рассматривать его в качестве перспективного электрического ракетного двигателя.;

Актуальность ..работы также связана с тем, что "низковольтные: . УАС находят . широкое применение в нонно-плазменной технологии и физических исследованиях, что помимо : получения высоких энергетических характеристик ускорителя, также , требует/увеличения его ресурса работы и получения ионного пучка с . возможно меныпим содержанием продуктов.износа стенок ускорительного канала.

.Цель^дафрты. Исследовать влияние распределения индукции магнитного поля в канале УАС и пристеночно! . разности потенциалов на-параметры1 ускорителя него реоуро работа.

Шь^г^^сл^овання^ Низковольтный одноступенчатый УАС, работающей на ксеноне. ■ ■

Матоды псследованиз^ Эксперименты ПрОВОДИЛЕОЬ . В

Еакууиной камере установки УВН71-ЗП. Величина электрических токов и разностей потенциалу измерялись с помощыо универсальных цифровых вольтметров L7-2IA. Давление в вакуумной камере. определялось вакууметром ВИТ-2. Расход рабочего газа определялся с помощью специально изготовленного и протарнрованного расходомера. Определение ло2сальных параметров плазмы в канале УАС, а также функции распрех-ления электронов по энергиям проводилось с. поыоцыо одиночных электрических зондов, по методике, разработанной в МИРЭА и опробировакной на УЗЖ Для регистрация спектра ионного пучка УАС использовался даффратздионный спектрограф ДФС-452 с фотографической регистрацией спектра. В теоретической части ра5оты применялся численный счет на персональном компьютере

IB(4 PC ХТ.

Иаумкая новизна

1. Изучено влияние распределения магнитного поля в ус -оритальнсн канале на параметры ускорителя с анодным слоен, приведена оптимизация УАС по минимальному параметру обмена и на {сшальному коэффициенту использование массы. Получены оптимальные параметры магнитного поля в канале и оптимальное значение плотности расхода плазмообр" чушщего газа.

2. Дано теоретическое.описание пристеночннз процессов в УАЗ, получено уолог.ие существования самостоятельного разряда.

, 3. Изучено влияние расщ. ¿деления магнитного поля в карале н разности оатенциалов в прнстеночЕон'слое ускорителя naj пат "'Метры ионного пучка УАС.

I 4. Исследован; износ полисов магнитной системы УАС в захшоикостЕ от распреде "-пил магнитной ннлукщш в канале я разности " отедцпад.'юв в пристеночном слое.

' Б. Получено р определение локальных параметров плазмы в кашле УАС для рааяичшп значений олектрпческсго смещения па подаоах магнитной <гиогеда.

6. Показано, что причиной появления быстрых электронов в канале является v- ^мне^ия электронов с поверхности магнитных педа ib л ш ускорение пристеночной разностью потенциалов.

, Практическая ценность. Разработан НИЗКОВОЛЬТНЫЙ УАС о

магнитной системой, позволяющей регулировать величину и профиль магнитного поля в канале независимо яруг от друга. рг--*им устойчивой работы на ксеноне снижен до 60 В, а оптимальное разрядное напряжение до 100 В.

Экспериментально исследовано распыление материала магнитных полюсов УАС как элемента определяющего ресурс работы УАС в целом. Показ-'яо, что скоростью износа полисов можно управляв как путем изменения параметров в-поля, так и путем изменения потенциала погаосов. Найдены режимы, при »-.'орнх распыление полюсов практически отсутствует.

Аппрозация и пувликациа_ раооты. Результаты исследований были доложены, обсуждены и одобрены на научных семинарах кафедры 3-6 МГТУ им. Н.Э.Баумана. Основные положения работа докладывались на vin Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы Л 21 - 23 сентября 1991 г., Минск, ИГМО АН БССВ>, конференции посвященной 100-летию А. Ь. Квасникова с 2 - 4 'к...ля 1992 г., Москва, MAIP. По теме диссертации имеется 3 работа.

' структура гобми раооты. Диссертация ' содеп-;>чт введение, четыре главы, • основные результаты и выводы, список литератур« из 86 наименований. Объем диссертации составляет 157 страниц, включая 48 рисунков.

: 0СН0ЕН0Е СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

go. введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель, научная новизна и практическая полезность работа.

В_ПЁЕаеа_лл.ав2; приведен обзор теоретических . и экспериментальных исследований рабочего процесса ускорителей с замкнутым дрейфом электронов.

Как следует из литературного обзора, работа одноступенчатого УАС в низковольтном режиме изучена недостаточно полно. Так, например, отсутствует ясность о влиянии распределения магнитного поля в канале на параметры ускорителя. Нет ни теоретического, ни экспериментального исследования пристеночных.процессов вканале. Не исследовано распыление магнитим: полюсов УАС в зависимости от профиля нагни шого поля в канале.

В соответствии о поставленной целью и проведенным анализом работ в диссертации . сформулированы следувдне основные задачи:

1. Исследовать влияние величины и распределения магнитного поля в канале 7АС на параметры ускорителя. Разработать УАС, в котором величина и профиль в-поля регулируются ж авьоимо друг от друга.

2. Дать теоретическое описание процессов на стенках ускорительного канала УАС.

3. Последовать влияние прис.еночных слоев в ' пла0ме на бгцплано токов и параметры ионного пучка в ускорителе.

| 4. Экспериментально исследовать скорость распыления полюсов магнитно" системы, определяющую ресурс УАС.

Б. Исследовать спектр юнного пучка с целью определения егэ зарядового оостава.

во второй главе дано теоретическое описание катодного слэя на полисах магнитной системы. Предполагалось, что линии по зтоявного потенциала в катодном слое перпендикулярны линиям магнитной нндукеции с см. рис. Р, а в самом ускорительном tc^tajie липли шгннтной индукции явлггготоя отсвипотегщиаллмп. . Рассматривался малый участок Д*. на котором изменением пржатодного падения потенциала Дможно пренебречь.

Ионный ток на магнитные полюса 7А0 обусловлен не только порами, рожденными в катодном с: е JiK, но и ионами, поступающими в слой из ускорительного канала JiycK- Баллано точов в слое прейгтавле н на ' шс. 2 i описывается системой дйферен'гиальнах уравнений: .

1. я const ■

•Чуек

jis- - « [£С*?] J£

hK * J*

'ивдукции в кайме У АС.

['[йничные условия: I. х - О, t « j- (i... * j. э, 2. * - i ,

í^' УиК ' к

liK- 0.

Решение данной системы уравнений дает условие ¡•чмииодлержания разряда: i

S а [с С х> ]dx =. 1 nC 1 + lskj)

0

Здесь: k - 1 + [ilycKC0y/jlK<0>]; с = N0oiv^vii¡jf 0l - сечение гошщда H0- юуАи,ентра.цйя НЬЙТ^Я^ЛЪ, V - (фактическая скорость электронов; скорость направленного движения

адектронов по напг~влетш к аноду.

Б отсутствии ионного .-ora из ускорительного канала ^lycK " 03 условие саыоподлердания разряда подностш совпадает о условием самоподдерсгания 1ля тлеющего разряда.

Из условия еамоподдерскания разряда было получено выражение для определения толщины слзя ка полюсах магнитной системы ускорителя:

lriCl -f 1/к))

1 . -;------

к р Ь (т. Ce i ri

1 ср ср

2П 3 Т

Здесь." ь - 2,4? 10 м Па г р - давление нейтралов;

1 1

к к

Г Г Г CUl-O - U 3dx/ , , I , .

J I J к ' - I ) пСхЗих

0 0, * J

е,

'ор iK

S nCxJdx О

- Г

f Г /гесик- игхш/т / Кси - UCx>3 Р II 1 nCxJdx о_-_^___£_

ор "

К,

•Г nCxídx ' О

nCxD - количество электронов, рождающихся на один ¡электрон, шбитай с поверхности катода 'магнитных ползоеоьэ; ucxi -

Б

разность потенциалов медлу текущий поколением * я потенциалом катода; Н - ширина ускорительного канала.

На основе анализа -расчетов толшцпш катодного слоя на полосах магнитной системн УАС. вниолзгажга аз г.гт-созадгнгм компьютере 1ви рс хт, получено условие существования самостоятельного разряда с возможность работа без ка т ода-ней трализа тора):

31 £ ,

к

Показано, что причиной возникновения быстр га электронов в канале является вторичная эмиссия электронов о поверхности магнитных полюсов и их ускорение пристеночной разностью потенциалов.

Третьз глава посвящена описанию экспериментального оборудования и методов измерений. Расчитаны погрешности измерений.

В работе -исследовался низковольтный одноступенчатый УАС. электрическая схема которого представлена на рис. 3. Основным отличием экспериментального УАС от "традиционных" является наличие дополнительной магнитной системы, позволяющей изменять профиль магнитного поля в ускорит^,ном канале. Другим отличием экспериментального УАС является наличие источника питания, с помощью которого можно изменять потенциал полюсов основной магнитной системы, которые выполняют роль стенок ускорительного канала.

Эк.-лерименты проводились в вакуумной камере установки УВН71-ЗП. Величины электрических токов и разностей потенциалов измерялись с помощи универсальных цифровых вольтметров В7-21А. Давление в вакуумной камере определялось вакууметром ВИТ-2. Расход рабочего газа определялся с помощью специально изготовленного и протарнрованного расходомера. Определение локальных параметров плазмы в канале УАС, а тагасе функции распределения электронов по энергиям проводилось с помощью одиночных электрических зондов. Относительная погрешность определения концентрации электронов в канале не превышала ±15%, а электронной температуры ±7%. Для регистрации спектра ионного пучка использовался диффракционный спектрограф ДФС-451 о фотографической регистрацией спектра. Полученные спектры фотометрировались на

тема,: 2 - доиолш'гашт магнитная система, ,3 - анод, 4 -катод-нейтрализафр, 5 - коллектор. -

микрофотометре ИБО-452. Погрешность определения отношения концентраций понев различной кратности но,низании в пучке не превншала 60%. ,

в четб&ьтоя главе представлены результата исследования экспериментального УАС. . '; '

Исследовано влияние величина и распределения магнитного поля в канале УАС на параметры ускорителя й параметры ионного пучка при работе УАС в оптимальном двигательном редгаме. Оптимизация проводилась по минимальному разрядному напряжению cUp>( минимальному параметру; обмена c?m » ✓ хт5, максимальному коэффициенту использования массн счт " Ij/ 1т:>.

В отсутствие градиента 'шгнитной индукции в канале наилучшие параметр« достигаются при в « 0,018... 0,020 Тл и значении плотности расхода плазмообразущего газа Jm - 800... 900 А Исследовано влияние удаленности анода от полюсов магнитной системы при постоянном в Так, при в » 0,02 Тл и

о * г

Jm » 860 А м"*, приближение анода ближе 8 мм к полюсам приводит к резкому ухудшении, параметров УАС, при удалении же анода больше 8 мм параметры ускорителя практически не изменяются. Следовательно, граница зоны ионизации и ускорения устанавливается в области i í 8 им. '

Для исследования влияния градиента магнитной индукции в канале . сравнивались режимы с одинаковыми максимальными 'значениями магнитной индукции в канале вр и одинаковыми значениями магнитной индукции в области анода ва, но с

различными vzBr- • Увеличение градиента магнитной индукции

в канале приводит к улучшении параметров УАС с рис. Кроме

того, снижаются тепловые потери в анод и прианодное падение

потенциала. Параметры ионного пучка определялись путем

пересчета тормозных характеристик ионного пптеа, . снятых

трехэлектродным зондом. Средняя энергия ионов в. пучке о

ростом ?zBr увеличивается, а также улучшается

монохроматичность ионногс. пучка.

Аналогии ни,- резуьтатн получены для различных значений магнитной индукции в области анода в& с см. рис. 5>. Видно,

Ур,6 утнМ ' 1р, 11МС) 1е ; А

. №

«О

100

-1р

X

-и

.'Ч

1,5

0,6

1,0

0,5

0,5

ол

1,0 4,5 ,Тл-м

(о)

% 0

3 /и

—1

ж «V- — ---- /Ъмс ^ ' ''—- ,

1нс

6т

1,0 1,5 уА,Тлн1 (5)

40 '50

\ \

Х^ЛА * ' V 1—

30

го

1,0 is (&)

Г-цс.; Влияние ггэд1'.сл:ти магнитной индукции в канале на пара. кетрк У АС (а;, бальлс токов (б), тепловые потери в анод 1 в)-.

хО ■

И

р.

6 ?иоп..ей. ЗрД1,ТеДмс,1^;А

1,5

120

-А

НО

юо

лг

*

/

Аь

\

и,<

0,005 .ид Да

(а)

БдТл

Гис.5 илилние значения Мигнитнох'о пола в ойлаотя анода на аа-уиметрк У ¡с 1а), бильлс токов (б), «иловые гютарц в "йод с. ь).

что оптимальным является значеьие в » 0.004... 0,005 Тл.

а

Таким образом, получены параметры магнитного полл, обеспечивающие оптимальный режимработы УАС при работе на ксеноне в области низких разрядных напряжений: вг « 0,018... 0,020 Тл; ва - 0,004.. .0,005 Тл; - пах.

Часть экспериментальных исследований посвящена изучению

влияния электрического смещения на' полюсах магнитной системы

УАО с^мс>. На рис.6 представлен баланс токов в канале

ускорителя' при различных . значениях При подаче

отрицательного смещения разрядный ток и ионный.'ток на

коллектор не зависят от i>KC,. ток же на магнитные полюса

несколько возрастает, а при v>,,„ - -25 В настушет насыщение-

мс

При подаче положительного электрического смещения резко увеличивается электронный ток на полюса, а при рнс ■ ^плав = 6 В ионный ток псигастью компенсируется электронным. При дальнейшем увеличении снс - 36 В разряд гасн,е т.

Ионный ток на коллектор . при yiэличении положительного сга-едеяия на магнитные полюса также несколько увеличивается.' Это объясняется "отражением" части ионов от полюсов мг гнитной системы из-за снижения разности потенциалов между плазмой и поверхностью полюсов. Ионный ток на магнитные .■ полюса ^hq яри этом снижается,, снижается и энергия ионов, достигающих поверхности полюсов, а следовательно, снижается ". износ магнитных полюсов. _ ■ ,

Дня определения влияния электрического смещения на параметр« ионного пучка УАС были сняты , тормозные характеристики пучка. Параметры пучка при f>KC < 0 не меняются, а при <pmq > 0 пучок становится менее монохроматичным и снижается средняя энергия ионов в пучке.

В работе определялась, скорость износа полюсов магнитной системы. ■ Зависимость скорости износа полюсов о.т 7zDr и повторяет зависимости IiM0 от этих величин. Исследование влияния '/>по на износ показало, что при полаче положительного смещения износ полюсов существенно снижается, \а в некотрыз режимах износ отсутствует. При подаче. же отрицательного смещения износ полисов. резко возрастает. , Это позволяет использовать УАС в качестве распылительной систеьш.

Локальные параметры плазмы в . канале определялись' с

1рДъ ДисДи*«. »А

Л- Л-а- Л—Ь Ь. —•

■1р

. ') (

— Х-^

II

«-^

д—Й —о—<з_о—о—о

-60 %с,&

Рис.С Баланс токов в УАС в зависимости от чмгтаеиия смещения на полюсах нагннтной слстьми.

помощью зонлоькх измерений. Схема расположения, зондов и распределение параметров плазмн по длина канала для различных *>мс показаны на рис. 7. Пунктиром обозначен профиль г 1горания зондов. Область канала, где происходит максимальное выгорание зондов, соответствует зоне формирования азимутального дрейфа, в этой области происходит основное падение потенциала. Как видно, параметры плазмы в канале при <>ио = 0 и = -30 В совпадают, а при рмс = 30 В зона', дрейфа более размыта.

Анализ изменения функции распределения быстрых электронов по длине канала | УАС доказал, что .быстрая компонента возникает в области Кагнятных полюсов, а максимум ее распределения следит за приотеночным падением потенциала. Зто подтверждает вывод о той; что причиной возникновения быстрых электронов в канале УАС является у-эмиссия электронов с поверхности ыагнщад? Р их ускорение пристеночной

разностью'потенциалов. '.

Для определения доли доцой! различной кратности ионизации в ионном пучке был исследован'спектр пучка ва срезом УАС. Исследовался режим с .1 ■ 550|А:м"л - 0,02 Тл, = 0,05 Тл, '2вг - 1,5 Тл » ^00; В. Обнаружено, что доля

двухзарядннх ионов в .пучке г е; превышает 2%, а электронная температура те 1,9 дЬ, 4то| хорошо согласуется с результатами зондовых измерений. ' |

СБШИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1 I 1

I. Разработан ■ экспериментальный УАС, работающий •. в области низких разрядных напряжений, с магнитной системой,

позволяющей регулировать величину И>распределение магнитного поля в канале независимо др|уг от! {друга. . Режим устойчивой работа на ксеноне снижен до]60 В,'а оптимальное разрядное напряжение до 100 В.

• 2. Дано теоретическое описание катодного'слоя на. полюсах: магнитной системы ускорителя ' с анодным слоем.. Выведена з'лнсимость, позволяющая определить толщину слоя с учетом потока ионов в су:ой из плазмы ускорительного канала. Получено условие существования самостоятельного разряда УАС.

3. При работе ускорителя на ксеноне в области . низких. разрядных напряжений 'определена оптимальная плотность расхода плазмообразующегс газа Jm '» 8С0..4 900 А. ы~2 и оптимальные

14.. . • - - '-■-',.'■''.-■•' 'с . ..■' '' '

л ---.—i-j---1

u 5 . ■ '10

Fhc.v распределение' лоряьких пара:отроь шьзмн в шше УШ ¡¡ри различных Ч1 .iC. 1-Ч> ¿.с^-Зй 'af'¿- Y^ "u, -3 3ü в.

параметры магнитвогго поля

D

а чанале вр - 0,018... 0,020 Тл,

0,004... 0,006 Тл, vzBr

4. Исследовано влияние электрического смек няя на полюсах магнитной системы УАС, При изменении отрицательного смещения на полюсах магнитной ¡системы изменения параметров УАС не наблюдается. При подаче положительного: смещения параметры ускорителя улучшается, но ухудшается монохроматичность ионов в . пучке.

Б. Исследовало распыление? материала магнитных полюсов ускорителя как элемента, опреле шкщего ресурс УАС. Показано, что скоростью износа . можно параметров магнитного поля. и -полюсов . »магнитной системы.. Найдены режимы, раопнление hojhocqb отсутствует.

6. Получено доопределение фокальных параметров плазмы в ускорительном канале для р^Аличных значений' потенциала

управлять путей изменения путем изменения потенциала при 'которых

полюсов магнитной системы.'

t Показано,

что, причиной

возникновения быстрых электродов '¡в канале УАС является, V-эмиссия электронов со стен эЦ ; укорительного канала и их ускорение пристеночной разнос! ьи раТенциалов..

• Основное оодержание лис зароки отражено - в следующих работах: '' ' ; . г '-'■ . . ' '

I. Источники , плазмы с замкнутом дрейфы электронов для моделирования ¡процессов в ТЯР. / ^ нЗХлексеев, И. К. Нарахтанов, А. Б. Пальников. и др. // Тезисы докладов 'ли Всес.. кон£. -по физике низкотемпературной плазмы.- Нинок, 1991.- С. 178 - 179.

?., Исследование -ионного пуч^а ¡плазменного ускорителя с азимутальным жрэйфом . .электронов, оптическим методой /Л.Н.Алексеев, А.Б.Вагапов, И.|К.Нарйхтанов и жр. У/ Журнал прикладной спектроскопии. - ГЛг. - Т.' 66, вып. &- 6. -. С. 843 -: 846.

•3,: Алексеев ХН., Нарахтанов М. К. Исследование рг.,'¡пиления магнитной , системы Ускорителя с анодным слоем, р-'отаищего на ксеноне // Тезисы докладов ковф. посвященной-100-летию со дня рождения А. Е Квасникова. - Н., 1992. - С, 25.

Подписано к пчпати 05.01,94

Обтек 1п.л. Заказ * 31 . ТЪпограМи ИЛУ

Ч