В установившем- ся режиме она выглядит следующим образом (рис. 6.7.2а). При включенных магнитной системе и электрической цепи в канале создается квазира- диальное магнитное поле, а между анодом и ка- тодом - продольное Е-поле. В скрещенных полях электрон дрейфуют преимущественно по азимуту, медленно перемещаясь к аноду за счёт столкновений с тяжёлыми частицами и со стенками канала, а также под действием хаотических Е-полей, возникающих за счёт тех или иных неустойчивостей, которые всегда присутствуют в плазме, особенно при протекании тока. щ<щ Рис. 6.7.1. Три блока СПД III Jp Рис. 6.7.2. Схема функционирования СПД (а) 1 — нейтральный атом, 2 — ионизация, 3 — ион, 4 — электрон, нейтрализующий заряд уходящего иона, 5 — анод, I — зона слабо ионизованной плазмы, II — зона ионизации, III — зона ускорения. Схема вольт-амперных характеристик СПД (б) Магнитное поле делается нарастающим от анода к срезу канала и в максимуме обычно находится на уровне ~ 200-400. Нарастающее магнитное поле обладает фун- даментальным для работы СПД свойством. Оно подавляет самую сильную "враща- тельную" неустойчивость, которая приводит к появлению азимутальной компоненты Е-поля, и тем самым к дрейфу электрона от катода к аноду, т. е. к их закорачиванию. Вращательная неустойчивость образуется, если магнитное поле убывает от анода к катоду. Нейтральные атомы — в современных двигателях используется ксенон, из буфера поступают в ускорительный канал, где ионизуются в облаке дрейфующих по азимуту электронов. Характерные значения плотности нейтралов Хе на входе в канал в совре- менных СПД ~ 1013см~3, а ионов в канале ~ 1012см~3. При указанных величинах магнитного поля и при длине канала L ~ 1-5 см имеют место сильные неравенства F.7.1) 318 Гл. 6. Плазменные процессы с трансформацией частиц и излучением т. е. электроны сильно замагничены, а ионы практически не чувствуют магнитного поля. Поэтому образовавшийся при ионизации ион фактически движется только под действием электрического поля и на выходе из канала имеет энергию е = еф*, F.7.2а) где ф* — потенциал точки рождения. В одноступенчатых СПД, о которых здесь идет речь, средняя энергия ионов на выходе г = OeUp, F.7.26) где в ~ 2/3—3/4, г ир — напряжение между анодом и катодом. Выход на анод электронов, образовавшихся при ионизации — поскольку ре <С L, это сложный многовариантный процесс. Его обсуждение мы отложим до следующей главы. Нарастание магнитного поля к срезу — поскольку оно слабо искажается токами в плазме и может считаться вакуумным, имеет магнитные силовые линии, выпуклые в сторону анода. Учитывая эквипотенциализацию магнитных силовых линий (п. 3.2.2) в плазме и тот факт, что ионы рождаются практически с нулевыми скоростями, мы видим, что ускоряемый в канале поток ионов отжимается от стенок к середине канала. Отмеченный в п. 3.2.2 эффект "термализации" электрического потенциала ухудшает отжатие ионного потока от стенок, но тем не менее, СПД мо- жет быть так оптимизирован, чтобы бомбардировка стенок ионам была минимальна. Что касается распределения потенциала вдоль канала, то в первом приближении можно принять условие "изодрейфовости" тр ue = с— = const. F.7.3) Н Это условие, хорошо подтверждаемое экспериментально вне зоны ионизации, означает, что основная часть электронной компоненты в канале вращается как твёрдое целое. И этот факт достаточно естественен, т. к. сильная зависимость ue от z способствовала бы развитию неустойчивости типа Релея-Тимофеева, которая ведёт к изодрейфовости. Для расчёта динамики потока ионизующихся тяжёлых частиц, надо еще знать зависимость Te(z). Эта величина нужна как для определения коэффициентов иони- зации и возбуждения, а также для учёта эффекта термализации потенциала. К со- жалению, она не описывается простым конечным выражением и должна браться из эксперимента. Мы вернемся к экспериментальным данным и моделированию динамики электронов в следующей главе. Отметим только, что в современном СПД характерная величина Те лежит в среднем в пределе 10<Те < 20эВ. Однако надо иметь в виду, что функция распределения электронов здесь принци- пиально не максвелловская (см.п. 7.5.1). Зная масштабы концентраций нейтральных атомов и электронов, а также электронную температуру, можно уточнить особенно- сти трансформационных процессов. а. Свободный пробег атома Хе до ионизации оценивается по формуле л - v<* Аион — / \ • Здесь va ~ 104см/с — средняя скорость атомов Хе вдоль канала при температуре стенок газоподвода Т ~ ЗОО°С; пе ~ 1012см~3, a (ave)mH ~ 10~8см3с~1, если Те ~ ~ 15 эВ. Тогда Лион « 1 СМ. 6.7. Объёмные процессы в стационарных плазменных двигателях 319 Реально в экспериментах Лион ~ 0,5 см. Причина различия оценочного и экспери- ментального значения Лион объясняется произволом в числовых коэффициентов при оценке va, ne, (rv)mH. Приводившиеся в п. 6.2.4 оценки показывают, что рекомбина- ция ионов в объёме канала СПД практически исключена. б. Можно оценить, используя указанные параметры, длину свободного пробега иона до возбуждения при его движении в ускорительном канале. Оценки дают Авозб. ^ 102см. Полученные величины Лион и ЛВОЗб однозначно указывают на пролёт- ный режим трансформаций частиц в СПД. Отметим одну важную особенность протекания продольного тока в канале СПД. Суть дела изображена на рис. 6.7.2а. Здесь изображены три зоны: окрестность анода (I), зона ионизации (II) и зона ускорения (III). В окрестности анода степень ионизации мала и здесь разрядный ток переносится (между зоной ионизации и анодом) преимущественно электронами Jp = J7 « Je. F.7.4a) В зоне ионизации в переносе тока участвуют как электроны, так и ионы Jp = JlI = Ji + Je' F-7.46) Наконец, в зоне III — в зоне основного ускорения ионов, разрядный ток перено- сится в основном ионами JP = Jin ~ Ji- F.7.4в) В оптимизированном двигателе степень ионизации рабочего вещества близка к 100%, что хорошо подтверждается экспериментально. Поэтому разрядный ток Jp определяется прежде всего расходом и равен (рис. 6.7.26) PTY1 Jp = J[{l+a) + Je ¦ F7-5) Здесь а — доля дважды ионизованных ионов (а ~ 10—20%), т — масса подаваемого в канал рабочего вещества в единицу времени. В правой части F.7.5) входит еще "сквозной" электронный ток, который, протекая непрерывно от катода к аноду, стабилизирует разряд (J^ckb) ~ 5%JP). Очевидно, для нормальной работы СПД необходимо, чтобы пробег нейтральных атомов до ионизации был относительно мал. И чем это пробег будет меньше, точнее, чем меньше перепад потенциала на длине свободного пробега, тем выше будет кпд двигателя.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Схема функционирования» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
