Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние разработки плазменно-ионных двигателей малой мощности 15
1.1. Обзор задач и требований к электроракетным двигательным установкам на малоразмерных космических аппаратах 15
1.2. Анализ эффективности применения плазменно-ионных двигателей малой мощности на малых космических аппаратах 18
1.3. Обзор существующих плазменно-ионных двигателей малой мощности 20
1.4. Основные этапы совершенствования газоразрядных камер плазменно-ионных двигателей 26
1.4.1. Принцип действия плазменно-ионного двигателя 26
1.4.2. Физические процессы и характерные параметры в газоразрядной камере 28
1.4.3. Обзор работ по поиску области рациональных параметров газоразрядных камер плазменно-ионных двигателей 33
1.5. Постановка задачи 36
ГЛАВА 2. Методики исследования 40
2.1. Методика определения интегральных параметров газоразрядной камеры 40
2.2. Описание экспериментального стенда 43
2.3. Предварительные эксперименты 48
2.4. Разработка методики проведения зондовых измерений в газоразрядной камере плазменно-ионного двигателя 55
2.4.1. Теория зондов 55
2.4.2. Выбор конструкции и размеров зонда 67
2.4.3. Расчет теплового состояния ленгмюровских зондов для измерений параметров плазмы в плазменно-ионном двигателе 70
2.4.4. Методы обработки зондовых характеристик при наличии в плазме немаксвелловских электронов 72
2.4.5. Оценка достоверности результатов зондовых измерений 75
2.5. Создание системы зондовых измерений локальных параметров
плазмы в газоразрядной камере плазменно-ионного двигателя 77
2.6. Порядок проведения зондовых измерений 85
ГЛАВА 3. Исследование локальных параметров плазмы в газоразрядной камере плазменно-ионного двигателя 88
3.1. Результаты измерений рабочих параметров двигателя ИД-50 в ходе зондового эксперимента 88
3.2. Результаты обработки зондовых измерений 93
3.3. Анализ распределений локальных параметров плазмы газоразрядной камеры ИД-50 116
ГЛАВА 4. Рекомендации по выбору рациональной геометрии и параметров разряда 147
4.1. Выбор рациональной геометрии газоразрядной камеры 5-см плазменно-ионного двигателя 147
4.2. Рекомендации по выбору геометрии газоразрядной камеры для плазменно-ионных двигателей малой мощности 153
Выводы 161
Список использованных источников
- Анализ эффективности применения плазменно-ионных двигателей малой мощности на малых космических аппаратах
- Физические процессы и характерные параметры в газоразрядной камере
- Разработка методики проведения зондовых измерений в газоразрядной камере плазменно-ионного двигателя
- Анализ распределений локальных параметров плазмы газоразрядной камеры ИД-50
Введение к работе
Плазменно-ионные двигатели (ПИД) малой мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких сотен ватт) могут эффективно применяться на малых космических аппаратах (массой менее 1000 кг) при решении задач функционирования аппаратов наблюдения и связи в околоземном космическом пространстве (компенсация аэродинамического сопротивления низкоорбитальных космических аппаратов, довыведение на рабочую орбиту, коррекция рабочей орбиты и др.) [1].
Разработка ПИД [2] началась практически одновременно в СССР и США в конце 50-х - начале 60-х годов. Несколько позже были начаты работы по ПИД во Франции, ФРГ, Великобритании, а затем и в Японии. В 1963-1964 гг. прошли первые летные испытания российских моделей плазменно-ионных двигателей в составе ионосферной лаборатории "Янтарь". На основе накопленного в нашей стране опыта была создана двигательная установка (ДУ) "Агат" на базе цезиево-го плазменно-ионного двигателя ИДОР-100 мощностью 500 Вт. ДУ "Агат" предназначалась для компенсации аэродинамического сопротивления низкоорбитального искусственного спутника Земли (ИСЗ). Опытные образцы этой ДУ прошли полный цикл наземной отработки, но продолжение эта работа не нашла.
В целом совокупность выполненных в нашей стране исследований и разработок позволила создать физико-технические основы инженерного расчета, проектирования, конструирования, наземной отработки и летных испытаний плазменно-ионных двигателей и источников ионов. В настоящее время в Центре Келдыша проводятся совместно с МАИ разработка и испытания лабораторных моделей плазменно-ионного двигателя на ксеноне с диаметрами газоразрядной камеры 5- и 10-см.
К данному моменту за рубежом разработаны и прошли летные испытания ПИД в диапазоне мощностей 200-640 Вт, ведутся разработки ПИД мощностью менее 250 Вт и двигательных установок на базе связок ПИД с мощностью отдельного двигателя на уровне сотен ватт.
Опыт разработки и исследований плазменно-ионных двигателей различных типоразмеров свидетельствует о том, что при снижении уровня энергопо-
требления двигателя и, соответственно, его размеров снижается КПД двигателя за счет увеличения энергетической цены иона при сравнимых значениях коэффициента использования рабочего тела. Затраты на ионизацию в этом случае вырастают вследствие заметного ухудшения вероятности ионизации атомов рабочего тела электронами в плазме газоразрядной камеры (ГРК) и увеличения вероятности рекомбинации ионов на стенках ГРК при уменьшении ее геометрических размеров.
В настоящее время не создано эффективно работающих плазменно-ионных двигателей номинальной мощностью менее 300 Вт, поэтому остается актуальной задача создания малогабаритных газоразрядных камер с низкой ценой иона в сочетании с высоким коэффициентом использования рабочего тела.
Настоящая работа посвящена анализу рабочих процессов в ГРК ПИД малой мощности с целью выбора рациональной геометрии и параметров разряда и магнитной системы, обеспечивающих достижение высоких интегральных параметров.
Задачи исследования определены следующим образом:
Осуществление экспериментальной отработки лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя с варьированием параметров, оказывающих наиболее существенное влияние на рабочий процесс в ГРК: длины катодного полюсного наконечника (КПН), диаметра КПН, диаметра катодного отражателя (баффла), его положения относительно КПН, расположения катода в катодном полюсном наконечнике, тока в катушках электромагнита, - и выбор рациональной геометрии. В качестве критерия выбора служит сравнение зависимостей цены иона от коэффициента использования рабочего тела;
Получение распределений параметров плазмы (концентрации и температуры электронов, потенциала электрического поля) внутри ГРК с помощью зондового метода;
Сравнение параметров физических процессов, происходящих в ГРК двигателя, и соотнесение их с изменением интегральных параметров;
Определение путей дальнейшего совершенствования модели и выработка рекомендаций, полезных при разработке ГРК ПИД малой мощности близких типоразмеров.
Научная новизна работы:
На основании исследований рабочих параметров был впервые осуществлен выбор области рациональных параметров магнитной системы газоразрядной камеры лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя, работающего в диапазоне мощностей 50... 150 Вт.
Впервые разработана автоматизированная система зондовых измерений, позволившая определить локальные параметры плазмы в газоразрядной камере лабораторной модели плазменно-ионного двигателя малой мощности на номинальных режимах.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
Выбрана область рациональных параметров геометрии магнитной системы газоразрядной камеры для лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя, работающего в диапазоне мощностей 50... 150 Вт.
Выбранные параметры магнитной системы способствовали обеспечению высоких интегральных параметров лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя.
Разработана автоматизированная система зондовых измерений, позволяющая определять локальные параметры плазмы в газоразрядной камере лабораторной модели плазменно-ионного двигателя малой мощности на номинальных режимах.
Получены распределения локальных параметров плазмы в ГРК лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя малой мощности на рабочем режиме, позволившие обосновать выбор рациональных параметров магнитной системы. Данные распределения могут быть также использованы при физико-математическом моделировании процессов в ГРК ПИД.
Даны рекомендации по выбору геометрии газоразрядной камеры для плазменно-ионных двигателей малой мощности с характерным диаметром ГРК 5... 10 см.
На защиту выносятся:
Выбранная область рациональных геометрических параметров магнитной системы лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя.
Распределения локальных параметров плазмы в ГРК лабораторной модели плазменно-ионного двигателя малой мощности на рабочем режиме.
Автоматизированная система зондовых измерений, позволяющая определять локальные параметры плазмы в газоразрядной камере лабораторной модели плазменно-ионного двигателя малой мощности на номинальных режимах.
Апробация работы и научные публикации.
Диссертация выполнялась в течение 1997-2002 годов в Центре Келдыша и на кафедре 208 МАИ. Большинство экспериментальных исследований проведено в рамках научно-исследовательских работ институтов по темам "Ион" и "Вега".
Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах сектора №2 каф. 208 МАИ; семинарах и заседаниях каф. 208 МАИ; научно-технических советах отдела 120 Центра Келдыша; Всероссийском межведомственном семинаре; ХХШ научных чтениях по космонавтике, посвященных памяти академика СП. Королева (Москва, 1999 г.); 26-й международной конференции по электроракетным двигателям (Китакушу, Япония, 1999 г.). Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 2-х печатных работах и в ряде отчетов по НИР.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. В главе 1 рассмотрено современное состояние исследования и разработок ПИД, выделены задачи исследования и дано их обоснование. В главе 2 приведено описание экспериментального стенда, системы измерения рабочих параметров двигателя и ее погрешностей, методики проведения и обработки зондовых измерений локальных параметров плазмы в объеме ГРК. Приведены результаты определения ин-
тегральных параметров исследуемой модели двигателя. Глава 3 посвящена результатам зондовых измерений - анализу полученных распределений потенциалов, энергий и концентраций электронов; проверке достоверности результатов с помощью интегральных параметров. Глава 4 содержит рекомендации по выбору рациональной геометрии и параметров разряда и магнитной системы для ГРК ПИД малой мощности.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Горшков О.А., Муравлев В.А., Зикеев М.В. и др. Экспериментальные исследования интегральных характеристик ионных двигателей с малогабаритными разрядными камерами. Создание автоматизированной базы данных по ЭРД и ЭРДУ для малых КА. НИР "Ион", НТО инв. № 2705, Центр Келдыша, 1997г.
Зикеев М.В. Исследование околокатодной области электроракетных двигателей малой мощности. // ХХШ Королевские чтения по космонавтике. Тезисы докладов. - Москва, 1999.
Горшков О.А., Муравлев В.А., Зикеев М.В., Акимов В.Н. и др. Исследование взаимосвязи показателей эффективности орбитальных средств с уровнем технического совершенства ЭРДУ. Экспериментальные исследования доработанных ионных двигателей в диапазоне потребляемой мощности 50-500 Вт. НИР "Ион", НТО инв. № 2910, Центр Келдыша, 1998г.
Горшков О.А., Муравлев В.А., Зикеев М.В., Акимов В.Н. и др. Выработка рекомендаций по созданию образцов ионных двигателей на стадии опытно-конструкторских работ. Формирование требований к ЭРДУ с ИД для перспективных КА. НИР "Ион", НТО инв. № 2941, Центр Келдыша, 1999г.
Gorshkov О. A. and Zikeyev M.V. Investigation of Near-Cathode Area of 5-cm Ion Thruster: A Current State of Work. 26th International Electric Propulsion Conference, October 17-21, Kitakyushu, Japan, 1999.
Акимов В.Н., Муравлев В.А., Зикеев М.В. и др. Обзор состояния и перспектив применения ИД на КА различного целевого назначения. Экспериментальная отработка узлов 30-см ИД. Разработка и изготовление системы зондовых измерений параметров плазмы газоразрядной камеры ИД. НИР "Вега", НТО инв. № 3442, Центр Келдыша, 2001г.
Муравлев В.А., Зикеев М.В. и др. Доработка лабораторной модели 30-см ИД с номинальной мощностью 1,9 кВт. Экспериментальное исследование локальных параметров плазмы газоразрядной камеры ИД. НИР "Вега", НТО инв. № 3553, Центр Келдыша, 2001г.
Анализ эффективности применения плазменно-ионных двигателей малой мощности на малых космических аппаратах
Анализ эффективности применения ЭРД при решении различных транспортных задач [4] показывает, что наименьшая масса ДУ обеспечивается различными по типу ЭРД в зависимости от величины потребного суммарного импульса тяги, определяемого целевым назначением, сроком активного существования (САС), областью функционирования и массой КА.
При располагаемой мощности систем энергоснабжения 50-150 Вт, удельном импульсе 30000 м/с и КПД 50 % [4], 5-см ПИД обеспечивает наименьшую по сравнению с альтернативными вариантами ЭРД (например, импульсным плазменным двигателем мощностью 30... 100 Вт [4]) массу ДУ в области суммарного импульса тяги Is = 25-150 кНс при отсутствии ограничений на время выполнения маневров; при располагаемой мощности 150-500 Вт, удельном импульсе 30000 м/с и КПД 50 % [4], 10-см ПИД обеспечивает наименьшую массу ДУ в области суммарного импульса Is 80-100 кНс по сравнению с ДУ на базе перспективного стационарного плазменного двигателя (СПД) М-50 мощностью 300 Вт [4]. Уровень суммарного импульса тяги Is - 10-200 кНс является характерным для отработки возмущений орбиты при поддержании трассы КА дистанционного зондирования Земли и структуры орбитального построения низкоорбитальных многоспутниковых систем связи на рабочих орбитах высотой Н = 500-1500 км и С АС 5-10 лет, а также для геостационарных КА, в частности, метеорологического назначения, массой 300-1000 кг. Уровень суммарного импульса тяги Ь « 100-600 кНс характерен для низкоорбитальных МКА с высокой энерговооруженностью (порядка 5-10 кВт/т), а также для геостационарных МКА связи с коррекцией орбиты в направлении С-Ю, массой 500-1000 кг и САСЮлет.
Применение ПИД вместо электронагревных двигателей для поддержания положения геостационарного КА массой 1000 кг и С АС 10 лет позволяет увеличить массу полезной нагрузки примерно на 150 кг. Использование резерва массы на увеличение количества ретрансляторов (РТР) на 5-6 шт. (при массе одного РТР 30 кг) либо увеличение С АС на 3-4 года может обеспечить дополнительную прибыль от 50 до 200 млн.долл. (при принятом среднем мировом уровне дохода 1.2 млн.долл. в год от одного ретранслятора коммерческих систем связи).
В наибольшей степени эффективность применения ПИД в составе ДУ низкоорбитальных МКА проявляется в энергоемких задачах, требующих значительных затрат характеристической скорости: для компенсации аэродинамического сопротивления низкоорбитальных МКА дистанционного зондирования Земли с характерной высотой полета Н=300-500 км, для довыведения МКА с низкой опорной орбиты Н=300-500 км на рабочую орбиту высотой Н=700-1500 км и выше.
Анализ [4] показал, что компенсация аэродинамического сопротивления МКА массой 250-1000 кг может быть наиболее эффективно обеспечена (при минимуме массы двигательно-энергетической системы коррекции) с помощью ПИД мощностью 150-400 Вт при высоте полета МКА Н = 300-400 км, а при уве 20 личении высоты Н 400 км потребная мощность ПИД снижается до уровня 50-150 Вт.
Анализ эффективности применения ПИД для довыведения MICA с опорной орбиты на рабочую орбиту [4] выявил возможность существенного увеличения массы полезной нагрузки при приемлемой продолжительности довыведения. Например, при выведении МКА ракетоносителем (РН) "Рокот" использование режима довыведения с помощью ПИД на рабочую орбиту высотой Н = 1500 км позволяет увеличить массу МКА (либо связки МКА) на 20-40 % по сравнению со схемой непосредственного выведения аппарата на рабочую орбиту данным носителем. При развертывании многоспутниковых систем связи типа Globalstar (42-48 КА массой примерно 400 кг каждый) использование довыведения с помощью ПИД позволяет сократить число пусков ракетоносителей на 7-8 и снизить затраты на развертывание группировки примерно на 50 млн. долл. (для принятой стоимости пуска в коммерческих запусках 7 млн. долл., а также при выполнении требований по плотности компоновки МКА в транспортном положении 100-130 кг/м3).
Физические процессы и характерные параметры в газоразрядной камере
Работы над двигателями типа Кауфмана, в которых используется пеннин-говская геометрия электродов разрядной камеры, начались в конце 50-х - начале 60-х годов в США. Первоначально в качестве рабочего тела использовалась ртуть, но в связи с загрязнением ею элементов конструкции испытательных стендов и возможным воздействием на элементы конструкции космического аппарата в конце 70-х годов произошел переход на инертные газы. До сегодняшнего дня в качестве рабочего тела в двигателях данного типа используется ксенон. Тем не менее, большинство опубликованных работ по изучению физических процессов в двигателях типа Кауфмана относятся ко времени использования ртути.
Как указывалось ранее, применяемые в настоящее время ГРК плазменно-ионных двигателей имеют характерные размеры от нескольких сантиметров (5 см - ИД-50) до нескольких десятков сантиметров и более (до 1.5 м). Концентрация нейтральных частиц ксенона в объеме ГРК составляет 1018...1019 м"3, концентрация заряженных частиц 1016...1018 м"3 [23]. Разрядное напряжение составляет десятки вольт, ток разряда - от десятых долей до десяти ампер. При таких параметрах реализуется положительный столб разряда низкого давления [24, 25].
При этом плазма имеет следующие характерные значения параметров [23]: характерная скорость нейтральных частиц 400 м/с; характерная скорость электронов -2-Ю6 м/с; длина свободного пробега нейтральных частиц 0.1... 10 м; длина свободного пробега ионов 1... 100 м; длина пробега нейтральных частиц до ионизации 0.1... 10 м; длина пробега электронов до ионизации 30.. .300 м; длина свободного пробега электронов 1... 10000 м; длина пробега электрона до упругого рассеяния на нейтральных атомах 1...10м; радиус Дебая-10"4 м; скорость ионов по формуле Бома 2500 м/с; скорость нейтральных частиц, которую им может придать поток электронов 0.005...5 м/с; скорость ионов, которую им может придать поток электронов 5 м/с.
Исходя из этих данных, можно сделать следующие выводы [23]: длина свободного пробега тяжелых частиц (ионов и нейтральных атомов) больше характерного размера газоразрядной камеры, следовательно, можно пренебречь объемной перезарядкой и считать, что рекомбинация ионов происходит только на стенках ГРК; длина свободного пробега электронов больше характерного размера ГРК, следовательно, можно пренебречь вязким взаимодействием частиц и считать, что энергия переносится внутри объема ГРК только в процессе переноса массы (можно пренебречь теплопроводностью); радиус Дебая много меньше характерного размера ГРК, следовательно, почти во всем объеме (за исключением пренебрежимо тонких пристеночных слоев) можно считать плазму квазинейтральной. Электрическое поле в плазме формируется таким образом, чтобы обеспечить приблизительное равенство концентраций ионов и электронов в объеме ГРК; импульсом, который передается потоком электронов тяжелым частицам, можно пренебречь.
Вблизи стенок ГРК существует слой, в котором нарушается условие квазинейтральности плазмы. Согласно расчетам, приведенным в работе [26], толщина слоя может достигать десятков радиусов Дебая, что на несколько порядков меньше характерного размера ГРК. Пристеночный слой характеризуется падением потенциала плазмы, которое ускоряет ионы в направлении стенки и является потенциальным барьером для электронов.
Первичные электроны попадают в основной объем ГРК с катода или из катодной плазмы, имея энергию, соответствующую разности между потенциалом плазмы основного разряда и или катодным потенциалом, или потенциалом катодной плазмы, в зависимости от конструкции. В последнем случае, когда используется катодный отражатель, катодная плазма полагается находящейся под потенциалом, близким к потенциалу поджигного электрода.
В результате неупругих столкновений с электронами происходит возбуждение и ионизация нейтральных атомов. При этом часть энергии теряется с излучением и выпадением возбужденных атомов на стенки. Поэтому средние энергозатраты на ионизацию могут многократно превышать энергию ионизации атома. Это явление может быть учтено введением "эффективной" энергии ионизации, зависящей от средней энергии электронов [25]. Как показано в работе [24], концентрация двухзарядных ионов не превышает нескольких процентов.
Для обеспечения необходимого ресурса в существующих ПИД используются напряжения разряда, при которых коэффициенты катодного распыления стенок ГРК и вторичной электронной эмиссии составляют доли процента, следовательно, потоком вторичных частиц со стенок ГРК можно пренебречь.
Так как длина свободного пробега электронов больше характерного размера ГРК (или сравнима с ним), то не происходит интенсивного обмена импульсом между электронами и функцию распределения всех электронов по энергиям нельзя считать максвелловской. Поэтому для описания распределения электронов по энергиям обычно используют двухгрупповое приближение, рассматривая отдельно "быстрые" и "медленные" (первичные и максвелловские) электроны. Сечение электрон-электронного взаимодействия уменьшается обратно пропорционально энергии электронов. Электроны, эмитируемые с катода и прошедшие через разность потенциалов (сравнимую с напряжением разряда) в прикатодном скачке, имеют низкое сечение электрон-электронного взаимодействия и практически не обмениваются импульсом с электронами, полученными в результате ионизации в объеме ГРК. "Медленные" электроны, имея более низкую энергию, обмениваются импульсом интенсивнее. Благодаря тому, что магнитное поле не позволяет им быстро покинуть ГРК, эти электроны, многократно отражаясь от поверхностей, находящихся под катодным потенциалом, сталкиваются между собой, и внутри этой группы устанавливается распределение скоростей, близкое к максвелловскому.
Разработка методики проведения зондовых измерений в газоразрядной камере плазменно-ионного двигателя
Метод зондовых измерений в плазме был предложен и обоснован в классических работах Ленгмюра с соавторами [55-57]. Суть метода заключается в измерении тока заряженных частиц на малый заряженный электрод, помещенный в плазму. Зависимость этого тока от потенциала электрода называется зондовой характеристикой. Из зондовой характеристики при определенных условиях можно вычислить основные параметры плазмы -температуру и концентрацию заряженных частиц и потенциал пространства. В некоторых случаях зондовые измерения позволяют определить функцию распределения частиц по энергиям.
От других средств плазменной диагностики зонды отличаются тем, что позволяют производить прямые локальные измерения параметров плазмы. Основной недостаток этого метода - возмущение плазмы зондом, которое приводит к изменению функции распределения и потенциала пространства в некоторой области вокруг зонда.
Одно из основных положений зондовой теории - допущение о том, что эти возмущения в основном локализуются вблизи зонда, так что он мало влияет на состояние плазмы и на режим газового разряда в большей части рассматриваемого объема. Такая локализация возмущения возможна в связи с тем, что в достаточно плотной плазме зонд окружен слоем заряженных частиц, которые экранируют его от остального объема. Например, отрицательно заряженный относительно плазмы зонд отталкивает электроны и притягивает ионы, создающие вблизи его поверхности слой с положительным объемным зарядом, в котором в основном и локализуется почти все электрическое поле зонда. Заряженные частицы из окружающей плазмы, попадая в этот слой, а затем на зонд, создают ток в его цепи, характеризующий параметры плазмы.
Метод ленгмюровских зондов наиболее полно и корректно обоснован теоретически и экспериментально для разреженной изотропной плазмы в достаточно слабых магнитных полях. Наиболее последовательно развита теория сферического зонда в разреженной изотермической плазме. Достаточно хорошо разработана также зондовая теория для разреженной неизотермической плазмы при Tj«Te. Остальные случаи менее разработаны. В частности, наиболее важными объектами, потребовавшими развития классической теории зондов, явились замагниченная плазма и плазма при высоком давлении газа. В этих случаях не только чрезвычайно усложняются зондовые измерения, но и сами результаты этих измерений зачастую не могут быть непосредственно применены к экспериментально определяемым характеристикам. В то время, как теорию Ленгмюра можно получить из законов сохранения (энергии и момента количества движения) и уравнения Пуассона с соответствующими граничными условиями, при создании теории, учитывающей столкновения между частицами плазмы, приходится вводить ряд новых параметров, таких, как подвижности, коэффициенты диффузии и частоты ионизации. Последние в свою очередь связаны довольно сложной зависимостью с такими величинами (испытывающими в окрестности зонда скачкообразное изменение), как напряженность электрического поля и распределение частиц плазмы по скоростям. Рассмотрение зондовых характеристик в случае сильных магнитных полей представляется почти безнадежным, так как понимание влияния процессов диффузии поперек силовых линий продолжает оставаться явно недостаточным.
Оценка параметров плазмы из зондовых характеристик по теории Ленгмюра возможна лишь в случае максвелловского распределения скоростей заряженных частиц. Между тем, распределение скоростей электронов, особенно в плазме низкого давления, обычно не только сильно отличается от максвелловского, но зачастую даже не является изотропным. Существенный прогресс в теории зондов был достигнут благодаря работам Дрювестейна [58, 59], который показал, что из анализа зондовой характеристики можно получить распределение электронов по скоростям, реально существующее в плазме. Следующим шагом в развитии зондового метода явился метод двойных зондов, предложенный Джонсоном и Молтером [60, 61]. Этот метод позволяет исследовать плазму даже в тех случаях, когда электрод с опорным потенциалом отсутствует или когда потенциал пространства вблизи зонда является неопределенной величиной. В последнее время все большее применение находят многоэлектродные зонды [62]. В них, кроме электрода - коллектора, тока используются вспомогательные электроды, позволяющие упростить измерения и сделать их более точными. Хотя такие системы конструктивно имеют мало общего с одиночным зондом Ленгмюра, по физической сути и применимости зондовой теории измерения с их помощью также относятся к зондовым методам.
Как отмечалось ранее, создавая основы зондовой теории, Ленгмюр исходил из предположения о равновесной функции распределения заряженных частиц по скоростям в невозмущенной плазме. Он рассматривал две характерные зоны: область плазмы и область слоя вблизи зонда. Для приближенного определения хода потенциала вблизи зонда были сделаны следующие предположения: 1) в области плазмы можно пренебречь объемным зарядом частиц из-за ее квазинейтральности; 2) в области слоя при отрицательном потенциале зонда можно пренебречь зарядом, создаваемым электронами; 3) образование ионов в слое и вторичных частиц на поверхности зонда не происходит; 4) на внешней границе слоя объемного заряда потенциал плазмы обращается в нуль, то есть плазма за пределами слоя не возмущена.
В настоящее время, говоря о слое, различают четыре физических процесса, вызывающих возмущение плазмы перед зондом [63]. Пространственная протяженность области отклонения от квазинейтральности. При не особенно высоких потенциалах дебаевский радиус экранирования
Анализ распределений локальных параметров плазмы газоразрядной камеры ИД-50
Отсутствие раковин в части поверхности торца, занятой клеем, проверялось с помощью микроскопа с 12-ти кратным увеличением. Длина изоляторной трубки зонда составляла 100 мм. Место перехода проволоки на подводящий гибкий провод закрывалось двойным слоем изоляции -термоусадочной полиэтиленовой трубкой PBF и фторопластовым кембриком, во избежание электрического пробоя. В экспериментах предполагается использовать четыре зонда, расположенные так, как показано на рис. 2.10-2.12: один - в прикатодной области, два - в основном объеме ГРК, один - вблизи ИОС. Для ввода зондов в обечайке, аноде и катодном полюсном наконечнике ГРК были проделаны цилиндрические отверстия: диаметром 1.9 мм в обечайке и аноде, сквозные диаметром 4 мм - в КПН. Соосность отверстий в обечайке и аноде достигалась технологически (совместным сверлением). Зонды закрепляются в специальной державке. Специальные пружинные фиксаторы обеспечивают зондам необходимую степень свободы в направлениях, перпендикулярных направлению подачи, так, чтобы они не испытывали чрезмерных напряжений при прохождении системы отверстий обечайка-анод-КПН. В свою очередь, державка закрепляется на подвижной платформе, движущейся по направляющей типа "ласточкин хвост". Направляющая имеет концевики для ограничения движения платформы. Весь узел перемещения через изолятор жестко закрепляется на фланце двигателя. Платформа с зондами приводится в движение с помощью электропривода на базе щеточного электродвигателя с рабочим напряжением 12 В. Электропривод снабжен концевиками, а также потенциометром, предназначенным для измерения пройденного зондами расстояния. Потенциометр имеет источник питания постоянного тока типа Б5-47. Электропривод жестко закреплен внутри вакуумной камеры и соединен с платформой через гибкое звено - поводок. Все токоподводы зондов, электропривода и потенциометра выводятся из вакуумной камеры через имеющийся герметичный проходной вакуумный разъем, находящийся вне области распространения плазмы. Узел перемещения зондов экранируется от плазмы с помощью специального кожуха, использующегося также и для экранирования ИД-50.
Система питания состоит из лабораторного автотрансформатора, с помощью которого можно менять величину подаваемого напряжения, и изолированного понижающего трансформатора. Напряжение задается относительно катода двигателя. Частота переменного напряжения - 50 Гц, что позволяет проводить измерение зондовой характеристики за достаточно короткое время. Поскольку напряжение на зонде задается относительно катода, система питания и сам зонд имеют высокий потенциал, и сигналы с них подаются на систему измерений через системы преобразования и согласования. На зонд с помощью системы питания подается переменное (синусоидальное) напряжение -55...+55 В. Выбор вида сигнала определялся имеющейся аппаратурой и отсутствием в специальной литературе противопоказаний к применению синусоидального переменного напряжения в зондовых измерениях. Напряжение на зондах, а также токи зондов измеряются с помощью гальванически развязанных датчиков напряжения LV-100, имеющих лабораторный источник питания ±15 В. Преобразуемое напряжение подается на входные клеммы датчика через внешний резистор, величина которого выбирается исходя из номинального входного тока датчика. Поскольку ожидаемые токи с зондов несколько меньше номинального входного тока датчика, то токи с зондов могут измеряться без входного сопротивления. Датчики преобразуют входной ток в пропорциональный выходной ток, который измеряется по падению напряжения на нагрузочных резисторах, которые расположены в блоке согласования.
Система регистрации представляет собой систему автоматизированного сбора и обработки информации, построенную на основе компьютерного аппаратного комплекса. Данный комплекс включает в себя компьютер на основе процессора с частотой 700 МГц, плату L-1250 для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации, а также крейтовую модульную систему LM- типа для мультиплексирования и одновременного использования нескольких 16-ти канальных усилителей с программируемым коэффициентом усиления LM-102 и других блоков, зарезервированных для дальнейшего использования.
Максимальная частота преобразования АЦП платы L-1250 составляет 500 кГц, что с большим запасом удовлетворяет предъявляемым к системе диагностики плазмы требованиям.
В качестве программного обеспечения, контролирующего данный измерительный комплекс, используется пакет программ LabView (версия 5.0.) американской фирмы National Instruments. Пакет программ LabView представляет объектно-визуальную среду программирования, позволяющую с достаточной степенью гибкости реализовать требования к системе.
Для разработанной системы диагностики плазмы в ГРК ПИД были необходимы для выполнения следующие требования: обеспечить визуализацию и фиксирование (запись) данных, полученных с двух входных каналов зонда. Один из каналов отводится под потенциал зонда относительно катода, второй под ток в зондовой цепи, приведенный к напряжению через сопротивление; обеспечивать задаваемые временные задержки между циклами фиксирования входных данных; осуществлять отображение и фиксирование данных о положении зонда, а также величине тока ионного пучка.
Разработанная схема системы предполагает низкий уровень шумов и помех в кабельных линиях, а также низкое взаимовлияние каналов. Как следствие, стало возможным исключить осреднение оцифрованных данных, необходимое для получения достоверных значений входных сигналов.
Рабочее окно программы представлено на рис. 2.13. В рабочем окне находятся четыре графика и другие элементы для ввода параметров программы. На первом графике отображается задаваемое генератором напряжение, на втором - ток зонда, на третьем - ток пучка, на четвертом - перемещение зонда.
Работа с программой выглядит следующим образом. Задаются номера каналов, которые будут обрабатываться. Также задается временная задержка между сериями замеров ВАХ зонда - «Интервал между кадрами». Определяется время, в течение которого будет производиться обработка показаний, посредством задания пары значений «Интервал» и «Число точек».
