Принцип работы ПИД. Газоразрядная камера, страница 2

Рис. 2

Источником первичных электронов в ПИД является ток катодной эмиссии  эти электроны ускоряются в прикатодном слое и в слое, разделяющем плазму ГРК с плазмой катодного блока. Потенциал прикатодного слоя  самоустанавливается на уровне, обеспечивающем работу полого катода. Величина  характеризует совершенство катода (чем она меньше, тем катод лучше). Таким образом, в разряд вводится мощность , где   - напряжение разряда.

Энергия первичных электронов расходуется на ионизации, возбуждение, рекомбинации и др. (рис. 2). Скорость ионизации определяется выражением

                                      (2)

где  - плотность нейтралей рабочего тела;  - плотность плазмы в ГРК;   -  произведение эффективного поперечного сечения ионизации и осредненной скорости электронов;  - объем, в котором происходит ионизация.

Скорость возбуждения определяется выражением

                                  (3)

где   - эффективное поперечное сечение возбуждения -го уровня.

Ток максвелловских электронов на анод обозначим ; ток первичных  электронов на анод . Тогда банан мощности в ГРК будет выглядеть следующим образом

   (4)

где   - энергия ионизации (еВ);  - энергия возбуждения -го уровня атома;   - средняя энергия максвелловских электронов, выходящих из плазмы у анода.

Следует отметить, что ток максвелловских электронов на анод определяется суммой потоков электронов, высвобождающихся в процессе ионизации и нормализованных первичных электронов.

                    (5)

Мощность, затрачиваемая на создание необходимого количества ионов в пучке ПИД, необходимо подводить к движителю, чтобы обеспечить его рабочим током, но тяги она не создает. Поэтому желательно эту мощность свести к минимуму, поддерживая на высоком уровне эффективность использования рабочего вещества.  Зависимость удельной разрядной мощности (,  где  - ток разряда;  - ток ионного пучка) от эффективности использования рабочего вещества  принято называть характеристической кривой. Работы по совершенствованию конструкции ГРК должны быть направлены на снижение  при =0,8-0,95. Если с этой точки зрения рассматривать уравнение (4) баланса мощности ГРК, то необходимо уменьшить следующие его составляющие:

 - применением более совершенных полых катодов;

 - подбором режима работы и конструкции ГРК;

 - оптимизацией формы и величины магнитного поля.

Эти мероприятия не должны  вести к снижению ресурса и надежности узлов ГРК.

Одним из наиболее важных и ответственных узлов ГРК является катодный узел. На сегодняшний день можно отметить два основных типа катодных узлов: с открытым катодов (рис. 3) и катодом, находящимся в катодном полюсном наконечнике (рис. 4).

В первом случае электроны полого катода прямо попадают в объем ГРК. Преимущество этой конструкции – более низкое разрядное напряжение, а следовательно, меньшая цена иона. Величина потенциала    обусловлена параметрами плазмы внутри катодной полости и лежит в диапазоне 8-12 В. Недостатком является то, что катод бомбардируется ионами с энергией, определяемой разностью , что уменьшает ресурс диафрагмы катода. В  случае  конструкции, выполненной  по   второму   варианту,   электроны  с  катода попадают в

Рис. 3

Рис. 4

прикатодную плазму, а затем через щели или отверстия катодного полюсного наконечника в объем ГРК. Потенциал прикатодной плазмы лежит в обычно в диапазоне 12-20 В, при этом энергия ионов, бомбардирующих диафрагму катода, определяется разностью потенциалов, лежащей в диапазоне 4-12 В, что повышает ресурс катода. Однако при этом необходимо иметь в виду, что системы с открытым катодом работают при больших разрядных токах, следовательно запас активного вещества в таких катодах должен быть больше, чем при варианте 2.