Принцип работы ПИД. Газоразрядная камера, страница 4

Первые два типа ПИД конструктивно проще. В них для создания магнитного поля допускается как применение постоянных магнитов, так и электромагнитов. Третий тип ПИД имеет преимущество при создании двигателей больших диаметров (300 мм и выше). Он имеет следующую особенность. Магнитные поля сосредоточены возле стенок ГРК, а ее основной объем – безмагнитный. Это дает возможность получения равномерного распределения плотности плазмы по радиусу при больших размерах ГРК. При проектировании магнитной системы ПИД необходимо учитывать следующее. Система должна быть такой, чтобы напряженность магнитного поля в объеме ГРК  была минимальной, чтобы не вызывать заметный рост разрядного напряжения . Пример влияния магнитного поля на разрядное напряжение представлен на рис. 10  для  ПИД   с   радиальным  магнитным   полем,    -   ток соленоида.

Рис. 10

Критические силовые линии, выходящие из отверстий центрального полючного наконечника или из центра катода (в случае схемы с открытым катодом) не должны пересекать анод и экранный электрод ИОС. Первое не дает возможности первичному электрону попасть вдоль силовой линии на анод без столкновения с нейтральной……………….., а второе – улучшает однородность в распределении плотности плазмы по радиусу перед ИОС (так как плазма сосредоточена в области, образованной критическими линиями – рис. 7).

Величина напряженности магнитного поля должна быть такой, чтобы ларморовский радиус электрона был меньше радиуса анода (для схемы на рис. 7) или меньше величины для схемы на рис. 8. Тогда первичному электрону необходимы столкновения, чтобы уйти на анод, соответственно растет вероятность ионизации.  Однако при этом следует помнить о том, что увеличение напряженности магнитного поля ведет к увеличению сопротивления плазмы, а следовательно, к увеличению разрядного напряжения.

При выборе размеров ГРК нужно опираться на следующие рекомендации. Диаметр ГРК задается диаметром ИОС, а исходный – необходимым ионным током, т.е. тягой и удельным импульсом ПИД (см. ниже – описание ИОС). Длина ГРК выбирается исходя из того, что 80-95 % рабочего тела должно ионизоваться, перед тем как  покинуть объем ГРК при минимальных энергозатратах. Это обычно выполняется, если рабочая длина ГРК на 20-30 % больше пути пробега первичных электронов, рассчитанной для выбранной схемы разряда и ГРК.

3. ИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

В ПИД ионно-оптическая система предназначена для сосздания тяги. Тяга ионного движителя определяется выражением:

                                  (6)

где  - тяговый коэффициент, обусловленный расхождением пучка и наличием двухзарядных ионов,  лежит обычно в пределах 0,95-0,97;  - ток ионного пучка (А);   - напряжение ускорения пучка (В);  - масса иона (кг);  - заряд электрона, равный  Кл.

Ионно-оптические системы ПИД обычно представляют собой многотемпературные системы (с большим количеством отверстий). Рассмотрим параметры и процессы, на примере одного отверстия для двухэлектродной ИОС. На рис. 12 представлены геометрические параметры ячейки, на рис. 13 – распределение потенциала в ней, а на рис. 14 – эквипотенциалы и траектории ионов.

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

На рис. 12:  - диаметр отверстия в экранном электроде;  - толщина экранного электрода;  - расстояние между электродами;  - диаметр отверстия в ускоряющем электроде;  - толщина ускоряющего электрода;  - эффективная длина ускорения.

На рис. 13:  - разрядное напряжение;   - полное ускоряющее напряжение;  - эффективное ускоряющее напряжение.

Плотность ионного тока в пучке единичной ячейки сетки ИОС ограничена Законом 

                              (7)

где   - плотность ионного тока;  и  - заряд и масса иона, соответственно;  - разность потенциалов между экранным и догорающим электродами на длине ускорения ионов .