Принцип работы ПИД. Газоразрядная камера, страница 6

4. КАТОД-НЕЙТРАЛИЗАТОР

Катод-нейтрализатор (КН) в составе ПИД выполняет две основные функции. Первая заключается в том, что космический аппарат не может испускать пучок  положительных ионов без того, чтобы не испускать одновременно поток электронов с равным по величине током.  В противном случае аппарат приобретает такой отрицательный заряд, что ионы не покидают его, а замыкаются на корпус. Вторая функция – это нейтрализация объемного пространственного заряда пучка, в противном случае может пройти его запирание.  Возникает это по следующей причине. Ионный ток, текущий между экранным и ускоряющим электродами по существу является потоком, ограниченным действием объемного заряда, плотность которого соответствует межэлектродному расстоянию.  За выходной плоскостью ускоряющего электрода пучок может пройти расстояние порядка межэлектродного зазора, прежде чем его потенциал возрастет до величины потенциала источника и пучок отразится. Этот процесс, называемый запиранием пучка, произойдет, если вокруг будут полностью отсутствовать отрицательно заряженные частицы.  При наличии электронов, подаваемых катодом-нейтрализатором, происходит компенсация объемного заряда положительных ионов, захваченными в пучок электродами.  В качестве источника электронов в КН обычно используется полый катод, создающий плазменный мостик между катодом и пучком, электроны из этого мостика и нейтрализуют объемный заряд пучка. КН поддерживается под потенциалом корпуса космического аппарата, а сам пучок обычно находится под небольшим положительным потенциалом (7-15 В).  Эта разность потенциалов и изменяет из плазмы мостика ток электронов, равный ионному току. Обычно КН устанавливают на кожухе ПИД (внутри или снаружи) связанным с космическим аппаратом. При этом применяется резервирование (устанавливается два или три КН).  

Отдельно следует остановиться на материалах, применяемых при изготовлении ПИД. В самом общем смысле ПИД состоит из проводящих материалов (металлов) и изоляторов. Для изготовления проводящих узлов и элементов обычно применяют нержавеющую сталь (типа IX18H10Т). Эта сталь достаточно пластична, что существенно для изготовления деталей штамповкой, и хорошо обрабатывается. Если требуется более высокая температуростойкость (> 600 ⁰С) или устойчивость  к короблению, то рекомендуются молибден, тантал, ниобий.  Они также хорошо обрабатываются, но дороги. Если температура элементов не превышает 400 ⁰С, то возможно применение титана, что уменьшает массу ПИД. Для эмиттеров полых катодов (главного и нейтрализатора) применяют пористый вольфрам. Для магнитопроводов и полюсных наконечников обычно применяется малоуглеродистое железо (типа армко)  или специальные сплавы (если необходимо уменьшить вес магнитной системы) типа 49 КФ или 48НФ. Если в магнитной системе ПИД в качестве источника магнитного поля применяются постоянные магниты, то наиболее подходящими материалами для них являются: платковар, самарий-кобальт (SmCo₅), ферримагнетики (общее название группы керамических постоянных магнитов), группа алнико.  Наиболее дорогой из них – это платковар, однако он единственный обладает преимуществами изотропности, пластичности и возможностью механической обработки. Стоимость самарий-кобальта тоже достаточно высока. При выборе материала магнита необходимо знать его рабочую температуру в составе ПИД (эта температура ни в коем случае не должна превышать точку Кюри, т.е.  температуру, при которой ферромагнетики становятся парамагнетиками). Это же нужно учитывать при выборе материалов для магнитопроводов.