Извлечение и ускорение пучков положительных ионов, страница 13

Одна из проблем извлечения ионов с большой площади связана с изменением плотности плазмы по поверхности экстрактора. Эту проблему решали авторы работы [258] путем изменения диаметра экстракционных отверстий (рис. 5.22). Другое решение, описанное в работе [154], заключалось в том, что ускоряющий электрод был выгнут к плазменному электроду так, что межэлектродное пространство увеличивалось приблизительно как квадрат радиуса. Оба решения подходят для ионных двигателей, где величина угловой расходимости не важна до тех пор, пока не станет достаточно большой для существенной потери тяги. В тех случаях, когда угловая расходимость должна быть порядка ±1° или меньше, необходимо создать плазму с высокой однородностью концентрации. Различные способы достижения однородности изложены в гл. 8.

5.7. Влияние нейтрального газа

Важно сделать по возможности наибольшей эффективность использования газа ионным источником. Причины- этого вполне понятны. Если ионный источник используется в качестве двигателя, нейтральный газ представляет собой массу, которая должна быть выброшена в пространство, давая при этом ничтожный импульс, что ухудшает характеристики двигателя. В лабораторных исследованиях вытекающий из источника нейтральный газ обусловливает ужесточение требований, предъявляемых к вакуумной откачке, и в некоторых случаях это приводит к необходимости установки гигантских криопане-лей для получения требуемых скоростей откачки газа.

Обычно большое значение имеют результаты- перезарядки ионов на нейтральных атомах или молекулах, особенно когда это происходит в области электродов. При взаимодействии быстрого иона с нейтральной частицей, движущейся с тепловой скоростью, получаются быстрый нейтрал и медленный ион. В электродной системе, сконструированной для создания хорошо сформированного пучка из тех частиц, которые образовались в плазме и движутся к ее границе, ионы, генерируемые в ускоряющем промежутке, вероятно, будут бомбардировать электрод либо выходить из источника под большими углами. На быстрые нейтралы, разумеется, поля не действуют и они расходятся, образуя паразитные компоненты [10J. Последние в случае высокоэнергичных пучков могут привести к возникновению проблем, связанных с выделением мощности и распылением по пучковому тракту, где это нежелательно.

Последствия, вызываемые попаданием быстрых ионов на электроды, наиболее вредны. Например, в источниках ионов D+, необходимых для образования нейтральных пучков с высокой энергией, требуется плотность тока 0,25 А/см² прии 150 кВ. Для того чтобы расплавить или испарить ускоряющий электрод, достаточно небольшой доли от плотности мощности пучка 37,5 кВт/см², и даже 10^-4 от этой величины плотности мощности вызовет очень сильный нагрев электрода. Кроме то го, по данным работы [21], каждый ион, сталкивающийся с электродом при указанной величине энергии, будет выбирать в среднем два вторичных электрона. Отвод мощности, выделяемой под действием обратного потока электронов на плаз менном электроде и в ионном источнике вообще, — одна из серьезнейших проблем для источников ионов D⁺ высоких энер гий.

Другой важный результат бомбардировки электрода — эрозия электрода вследствие распыления. Для легких ионов, таких, как Н⁺ и D⁺, коэффициент распыления    (средний выход атомов на каждый ударяющий ион) достаточно мал и при правильном выборе материала электрода может быть сделан пренебрежимо малым. Например, как показано в работе [21], максимальный коэффициент распыления вольфрама ионами D+ составляет 10^-3 при энергии ионов 4 кэВ. В то же время для тяжелых ионов (Cs⁺, Hg⁺, Xe⁺) при энергии 5 кэВ, как в ионных двигателях, коэффициент распыления может быть порядка 3 даже у наиболее подходящих материалов для электродов. Например, если только 10^-6 часть пучка с плотностью тока 1 мА/см² бомбардирует электрод, для которого коэффициент распыления равен 1, то легко показать, что в течение одного года (короткое время по сравнению с длительностью некоторых космических программ) с каждого квадратного сантиметра электрода из молибдена будет распылено 30 г.