Принцип работы ПИД. Газоразрядная камера

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИД

Схема плазменно-ионного двигателя (в дальнейшем ПИД) представлена на рис. 1. Катод, находящийся под отрицательным потенциалом относительно анода, эмитирует первичные электроны   в объем камеры ионизации 8, заполненный паром или газом . В результате ионизационных столкновений объем 8 заполняется плазмой.

.                                        (1)

Поток электронов, испускаемых катодов, ограничен либо действием пространственного заряда в двойном электрическом слое катода, либо эмиссионной способностью катода. В результате ионизационного столкновения в камере появляются: а) ион; б) вторичные электроны; в) испущенный атомом рабочего тела  и имеющие максвелловское распределение и электрон . Электрон   это налетевший на атом  электрон , но потерявший энергию на ионизационном акте. В дальнейшем электроны   и   могут участвовать в ионизационном процессе, но только в случае ступенчатой ионизации. Следует отметить, что вклад ступенчато       й ионизации в процессе образования плазмы в объеме камеры ионизации невелик (на уровне 3 %) и в дальнейшем учитываться не будет. Можно предположить, что электроны   и    после их образования уходят на анод.

Задача эффективного использования первичных электронов для ионизации решается в основном путем создания магнитного поля с помощью специальных систем, в т.ч. на постоянных магнитах (6). Конфигурация магнитных полей (силовая линия 4) может быть различной. Цель применения магнитного поля в объеме 8 – удержание первичных электронов путем их замагничивания и  повышение, тем самым, вероятности ионизации: электрон должен покинуть объем 8 (уйдя на анод) только в результате акта ионизации.

Рис. 1. Принцип работы ПИД

1 – катод-компенсатор; 2 – камера ионизации; 3 – анод; 4 – силовая линия магнитного поля; 5 – коллектор основного расхода; 6 – источник магнитного поля; 7 – катодный блок; 8 – объем, занятый плазмой; 9 – слой между плазмой   и поверхностями; 10 – экранный электрод; 11 – ускоряющий электрод;   - расход рабочего тела через катодный блок;   - расход рабочего тела через катод-компенсатор;  - основной расход рабочего тела

Образовавшиеся в результате ионизации ионы диффундируют к границам слоя 9 между плазмой и поверхностями камеры ионизации и экранного электрода.

Часть ионов, достигающая экранного электрода, далее ускоряется электростатически при помощи системы электронов ионно-оптической системы (ИОС). Энергия извлекаемых из плазмы ионов определяется приложенным к электродам ускоряющим напряжением. В случае ускорения ионов до энергий, которые превышают требуемую, ионный пучок тормозится до необходимой конечной энергии.

Чтобы на конструкции движителя не находился большой отрицательный заряд (в этом случае прекратится истечение ионов) в пучок с помощью катода-компенсатора необходимо впрыскивать поток электронов, соответствующий току ионного пучка.

Рабочие тела, используемые в плазменно-ионных двигателях можно условно разить на две группы: а) жидкометаллические (в ПИД подаются пары металлов); б) газообразные. Металлические рабочие теля применялись на ранних стадиях разработок, при этом основными металлами являлись цезий и ртуть. Выбраны они были из-за большого атомного веса, примесей и высокой энергии ионизации и простотой управления потоком с помощью испарителя. Однако, применение металлов в качестве рабочих тел породило проблему загрязнения поверхностей космического аппарата и окружающего пространства. Появление ртути или цезия на поверхностях космического летательного аппарата и его оборудовании приводило к изменению физических свойств этих поверхностей, что влияло на их работу. Это недостаток устранялся при использовании в качестве рабочих тел инертных газов (аргона, крептона, ксенона), при этом характеристики ПИДа, вообще не уступали двигателям, работающим на жидких металлах.

2. ГАЗОРАЗРЯДНАЯ КАМЕРА

Основная задача газоразрядной камеры (ГРК) (в некоторых литературных источниках – камера ионизации) – создание с минимальными энергетическими затратами  плазмы с необходимыми параметрами (температурой, распределением и величиной плотности и потенциала) в объеме перед ионно-оптической системой. ГРК включает в себя следующие узлы: корпус, катодный и анодный узлы, магнитную систему.

Основные процессы, протекающие в объеме ГРК и влияющие на характеристики двигателя, следующие:  организация процесса поступления первичных электронов в ГРК (их источником является катод); поддержание процессов неупругих взаимодействий – ионизация и возбуждение; увод заряженных частиц из объема ГРК. Баланс мощности в ГРК, обусловленный этими процессами, приведен на рис. 2