Ионно-плазменная технологическая установка для нанесения защитно декоративного покрытия на изделия широкого потребления, страница 13

3.3 Расчет основных параметров УАС

Расчет выполнен по методике, приведенной в [10]. Для расчета основных параметров УАС, предназначенного для очистки поверхностей изделий из металла от адсорбированных молекул воздуха пучком ионов, оговорены следующие исходные данные:

1)  рабочее тело – аргон;

2)  материал подложки –титан;

3)  очистка производится при плотности тока пучка – j_i =1600 [А/м²];

4)  энергия иона в пучке – E = 1 [кэВ].

Определим разрядное напряжение, необходимое для получения заданной энергии иона в плазменном пучке [10]:

U_р = E/q_i,                                                    (3.2)

U_р = 1000 (В).

Скорость иона в плазменном пучке определяется из выражения [10]:

V_i = ,                                                             (3.3)

V_i ==6.946×10⁵ (м/с).

Для определения массового расхода рабочего тела воспользуемся формулой [10]:

= m_i×j_i/q_i,                                                          (3.4)

==6,632×10^-6 (кг/с).

3.4 Расчет магнитной системы УАС

Для обеспечения необходимого значения напряженности магнитного поля применяем соленоиды, через которые течет постоянный электрический ток. Высокий коэффициент полезного действия УАС можно получить в том случае, когда максимум радиальной компоненты магнитного поля реализуется вблизи среза ускорителя. Характерные значения индукции магнитного поля в максимуме составляют (1…5) ×10^-2 [Тл]. Поэтому зададим значение напряженности магнитного поля H = 600 [Гн][7].

Конструктивно располагаем соленоиды вокруг ускорительного канала. В качестве материала магнитопровода выбираем углеродистую сталь с коэффициентом магнитной проницаемости m = 26 [Гн/м]. Эта сталь является хорошим проводником и имеет высокий коэффициент магнитной проницаемости.

Величину индукции магнитного поля определим по следующему соотношению [10]:

B = H×m×m_0,                                                                            (3.5)

B ==0.0195 (Тл).

Как уже было указано выше, в УАС существует тонкий прианодный слой ионизации. Для определения толщины этого слоя воспользуемся следующей формулой [10]:

L_c = .                                                         (3.6)

Зная значение индукции магнитного поля B, определим циклотронную частоту электрона из следующего выражения [10]:

w_е = B×q_i/m_e,                                                          (3.7)

w_е = 3,44×10⁹ (Гц).

Предположим, что вероятность ионизации 100%, то есть – идеальный случай [10]. Тогда частота электронно-нейтральных столкновений будет равна частоте ионизации, то есть:J₀ = J_I, а следовательно их отношение будет равно единице.

Используя формулу (3.6) с учетом формулы (3.7) вычислим значение ширины анодного слоя [10]:

L_c = 3,854×10^-3 (м).

Значит, ширина анодного слоя равна примерно 4 мм. Ширину этого слоя можно варьировать, изменяя магнитное поле. Минимальная ширина слоя – порядка ларморовского радиуса электрона.

На следующем этапе расчета магнитной системы необходимо осуществить выбор параметров обмотки соленоида. Для этого конструктивно зададимся следующими параметрами соленоида:

-  диаметр сердечника d_с = 26 мм;

-  длина обматываемой части сердечника L = 30 мм;

-  допустимая плотность электрического тока проходящего через обмотку соленоида J = 3 А/мм².

Выберем в качестве обмотки соленоида медную шину размером 1.5 мм´6 мм, и произведем проверочный расчет катушки.

Определим количество ампервитков, необходимое для обеспечения заданной силы магнитного поля, по следующей формуле [10]:

X = ,                                                             (3.8)

где: I – сила электрического тока, протекающего по обмотке соленоида, зададим значение тока I = 20 [А] [10].

X = 390.

Далее определим плотность тока, проходящего через катушку соленоида. Для этого используем следующее выражение [10]:

J = I/s.                                                                    (3.9)