Расчет параметров газоразрядной камеры ПИД. Одним из главных параметров газоразрядной камеры является напря-жение разряда. Эта величина зависит от многих факторов и, прежде все-го, от первого потенциала ионизации рабочего тела φi. В идеальном случае: (4.14) где - работа выхода электрона из материала катода; - потенциал ионизации рабочего тела, в нашем случае Xe ( =12,13 эВ) [3]. Однако в реальных системах существуют различные потери, которые требуют увеличения мощности, вкладываемой в разряд, например потери на неупругие соударения, происходящие в результате возбуждения и после-дующего высвечивания, и перенос энергии электронами к аноду.
Другим ви-дом потерь является рекомбинация ионов плазмы на внутренних поверхно-стях ГРК и последующая ионизация образовавшихся нейтральных атомов.
С учётом выше описанного и результатов экспериментальных исследований различных моделей ПИД можно сделать следующий вывод: 48,52 эВ (4.15) Аналогичное выражение можно вывести для величины разрядного тока Ip, основываясь на экспериментальной связи разрядного тока с током ионного пучка: А (4.16) Зная и, по формуле (3.2) [2] рассчитывается цена иона. Опти-мальный уровень величины, лежит в диапазоне 160…240 эВ/ион, причём нижний уровень характерен для рабочих тел с невысоким потенциалом иони-зации (например, цезий, ртуть). 194,08 эВ/ион (4.17) Одним из важных узлов ГРК является катодный узел. Общие требова-ния, предъявляемые к катодам: катод должен быть сконструирован и изго-товлен так, чтобы он обеспечивал необходимый электронный ток в тече-ние всего времени работы движителя.
В предположении малости ионного то-ка на анод можно записать, что [2]: А (4.18) где Iе – электронный ток с катода; Iр – разрядный ток; Ii – ионный ток пучка.
Стабильность работы катода в течение длительного времени для ПИД является проблемой, которая полностью не решена. Ресурс наиболее дове-дённых катодов составляет 10000 ч. Однако к концу ресурса энергетический КПД, как правило, ухудшается на 20% [2]. Вторым электродом (положительным) в разрядной системе является анод. Анод обычно имеет форму диска, цилиндра или конуса.
Его конструк-ция и местоположение зависят от типа ГРК. При конструировании ПИД не-обходимо знать тепловые характеристики ПИД для того, чтобы правильно выбрать материалы, из которых изготавливаются различные узлы движителя и сконструировать отдельные детали движителя и поверхности их контакта. При определении отдельных конструктивных и рабочих характеристик ПИД (например, при расчёте величины индукции магнитного поля) необходимо знать параметры плазмы в объёме ГРК. Для определения плотности тока и плотности ионов, а также плотности электронов, необходимо знать тем-пературу максвелловских электронов (ионов) и температуру первичных элек-тронов (ионизирующих р.т.), и используя бомовский критерий устойчивости и уравнение неразрывности для ионов, определяется средняя плотность плазмы.
Бомовский критерий устанавливает минимальную энергию иона, не-обходимую для формирования устойчивого слоя. При нормальной работе движителя слои устойчивы, поэтому можно ожидать выполнения критерия: (4.19) Используя равенство (1.29) определим скорость ионов в ГРК, что по-зволит в дальнейшем провести расчёт магнитного поля движителя: , (4.20) где - масса иона ( [3]); - постоянная Больцмана ( Дж/град. [3]); - скорость иона в ГРК, м/с; - температура первичных электронов ( , где эВ – по-тенциал ионизации рабочего тела, известно, что 1эВ=11600 к, тогда 140708 К [3]). Используя закон сохранения энергии определим скорость электронов в ГРК движителя: , (4.21) где - масса электрона ( [3]); - скорость электронов в ГРК, м/с; - температура группы медленных максвеловских электронов ( , где эВ – первый потенциал возбуждения рабочего тела, известно, что 1эВ=11600 к, тогда 98020 К [3]). Используя уравнение, где - плотность ионов (электронов) в ГРК, а - скорость ионов (электронов) в ГРК движителя, и используя урав-нения (4.20 и 4.21), можем определить плотность ионов и плотность электро-нов в ГРК движителя: (4.22) (4.23) Таким образом, в результате расчётов определены параметры разряда плазмы в ГРК: 1. Напряжение разряда в ГРК, =48,52 эВ; 2. Разрядный ток в ГРК, =5,36 А; 3. Цена иона, =194,08 эВ/ион; 4. Электронный ток с катода, =6,7 А; 5. Плотность ионов, количество ионов в единице объёма, 1/ 6. Плотность электронов, т. е. количество электронов в единице объёма, ; Для обеспечения работы ПИД в течение необходимого времени ЭРДУ должна включать в себя запас рабочего тела. Для того чтобы определить этот запас, необходимо знать расход рабочего тела через движитель.
Частично от-вет на этот вопрос может дать величина ионного тока. Однако не весь расход, превращаясь в ионы, покидает движитель в виде ионной струи.
Часть ней-тральных атомов рабочего тела не ионизируется в ГРК и проходит через электроды ИОС. Величиной, характеризующей степень полноты использова-ния рабочего тела, является м, или коэффициент использования рабочего те-ла. Реально достигнутый диапазон м лежит в пределах 0,80,9 [1]. Коэффи-циент использования рабочего тела можно определить из графика зависимо-сти Сi(м) [1], он равен 0,9. 4.5