Принцип работы ПИД. Газоразрядная камера, страница 5

В настоящее время наилучшее соответствие экспериментальных результатов и вычислений по этой формуле получается в том случае, если в качестве  берется полное напряжение , а в качестве  - эффективная длина ускорения , найденная по выражению  Тогда плотность тока в ячейке запишется так:  Полный ток в отверстии получится, если площадь отверстия, равную   умножить на . Следует обратить внимание на то, что если за извлечение тока отвечает полный потенциал  , то за создание тяги – эффективный потенциал .

На рис. 14 потенциал экранного электрода равен +5000 В (для примера), 4000, 3000, …0, -1000, - потенциалы эквипотенциалей – 2000 В – потенциал ускоряющего электрода. Как вид рис. 14 в электрическом поле происходит ускорение ионов на разности потенциалов , а затем их замедление до энергии, обусловленный разностью потенциалов . При таком распределении потенциалов электроны из плазмы за пределами ИОС не могут вернуться в ПИД, нарушая его работу (поле для них тормозящее). На практике тормозящий потенциал электрода ускорения лежит в пределах – 200-500 В. Однако это поле для медленных ионов плазмы пучка, образованных в результате перезарядки пучка, является ускоряющим. Практически ресурс ускоряющего электрода ИОС и ограничивается распылением, которое вызывает эти ионы (их возврат на ускоряющий электрон).

При выборе размеров ИОС и ее параметров должно быть известно следующее: а) рабочее тело; б) удельный импульс; в) тяга; г) ресурс. Вид рабочего тела позволяет грубо определить разрядное напряжение в ГРК. Например при применении инертных газов, которые на сегодняшний день являются наиболее используемыми рабочими телами, можно ориентироваться на следующие величины : ксенон ≈25-40 В; криптон ≈30-45 В; аргон ≈40-450 В.

Знание удельного импульса позволяет определить эффективное ускоряющее напряжение:

                                 (8)

Зная эффективное напряжение  и используя выражение для  тяги ПИД,  определяем полный ионный ток пучка. Затем под величину этого тока подбираем диаметр ИОС. Делается это следующим образом. Для ионного тока пучка существует сл6едующее выражение:

                                            (9)

где   - диаметр; - коэффициент прозрачности электродов, равный отношению суммарной площади всех отверстий к полной площади ИОС. Задав величины   и  , мы можем вычислить  . Практический диапазон значений  для ПИД лежит в пределах 4-10 мА/см², причем чем больше ресурс, тем меньшее значение  нужно выбирать. Величина  лежит в пределах 0,5-0,75 и зависит от выбранной технологии изготовления электродов ИОС. При гексагональной структуре расположения отверстий   где   - диаметр отверстия в экранном электроде;   - расстояние между центрами отверстий. Обычно диаметры отверстий экранного электрода лежат в диапазоне  2-2,8 мм, а ускоряющего – 1,5-2 мм. Диапазон зазоров между электродами составляет 0,5-1,2 мм.

Электроды ИОС работают в тяжелых условиях. Наличие градиента температур на них может привести к деформации, которая уменьшает фактический зазор. При этом может наступить момент нарушения электрической прочности, что приводит к появлению высоковольтных пробоев, нарушающих стабильность работы ПИД и разрушающих  электроды. Вышесказанное накладывает свой отпечаток на требования к конструкции ИОС и к материалам электродов. Они должны обладать хорошей теплопроводностью (это уменьшает тепловую деформацию), малым коэффициентам катодного распыления (это увеличивает ресурс ИОС), максимальной работой выхода в присутствии конкретного рабочего тела (это уменьшает вероятность высоковольтного пробоя). На сегодня наиболее применимыми материалами для электродов ИОС являются молибден, титан, сталь. При применении первых трех материалов электродам придают форму сферических сегментов, что позволяет  повысить их жесткость и сводит к минимуму уменьшение зазора из-за тепловых деформаций.