Influence of a non-stationary magnetic field on the charge composition and energy distribution of ions of the cathode pl.pdf Введение Высокие степень ионизации и скорость разлета катодной плазмы при относительно низком напряжении горения (т.е. низких энергетических затратах на генерирование плазмы) являются характерными чертами вакуумно-дуговых разрядов [1]. Во многом благодаря этим свойствам в сочетании с простотой и надежностью разрядных систем и источников питания вакуумно-дуговые разряды стали основой функционирования электрофизической аппаратуры различного назначения: от вакуумной коммутирующей аппаратуры [2] до источников заряженных частиц и плазмы [3]. Перспективным направлением применения импульсного вакуумно-дугового разряда, интенсивно развивающимся в последнее время, являются микродвигатели для малых и сверхмалых космических аппаратов, в которых импульс катодной струи плазмы используется для создания реактивной тяги [4]. Прикладывание к разрядной ячейке аксиального магнитного поля приводит к сжатию катодной струи, повышению среднего заряда и скорости разлета плазмы в продольном направлении [5, 6]. Этот эффект используется как в коммутирующей аппаратуре, так и в источниках заряженных частиц и микродвигателях на основе вакуумно-дуговых разрядов [7, 4]. Следует отметить, что практически все исследования эффекта магнитного поля проводились безотносительно фазы изменения магнитного поля в течение импульса тока разряда (обычно с квазистационарным, слабоменяющимся магнитным полем, или с магнитным полем, квазисинхронным с током самого разряда). Между тем в [8] для ускорения плазмы объемного газового разряда плазменного двигателя космических аппаратов предложено прикладывать к разряду нарастающее магнитное поле плоской катушки. Полагается, что индуцирование в плазме кольцевого тока, направленного встречно к току катушки, и его взаимодействие с током катушки (взаимное отталкивание) приводят к возникновению электрических полей, ускоряющих ионы рабочего газа. Модельные расчеты [9], выполненные для случая более плотной плазмы, близкой по основным характеристикам к плазме вакуумной дуги, показали, что и в этом случае индукционный механизм ускорения может иметь значимый эффект. В настоящей работе предпринята попытка экспериментального исследования влияния как собственно аксиального магнитного поля, так и его фазы (нарастание/спад) на зарядовый состав и распределение ионов по энергии в струе катодной плазмы импульсной вакуумной дуги. Эксперимент Схема эксперимента и фотография дугового источника плазмы представлены на рис. 1. Разрядная ячейка выполнена коаксиальной с внутренним катодом и внешним анодом, разделёнными керамическим изолятором. Инициирование дуги происходило «бестриггерным» образом аналогично [10] за счет испарения пленки катодного материала, покрывающей поверхность изолятора. При этом сопротивление катод-анод лежало в пределах от нескольких сотен ом до нескольких килоом, а стабильное зажигание разряда начиналось при напряжении от нескольких десятков вольт. Рис. 1. Схема эксперимента и фотография разрядной ячейки с катушкой Катод представлял собой капилляр из нержавеющей стали, соединенный с небольшим резервуаром, которые были заполнены расходуемым материалом катода галлием. Температура плавления галлия близка к 40 C. При этом разогрев катода и плавление расходуемого тела достигались без использования внешних нагревателей за счет части энергии разряда, диссипируемой в электродах разрядной ячейки. Подтекание жидкого металла из резервуара к актуальной зоне разряда происходило за счет капиллярных сил вплоть до полного израсходования. Использование катода в жидкофазном состоянии обеспечивало высокую стабильность формы поверхности катода и геометрии разрядной ячейки в целом на протяжении большого количества разрядных импульсов, что сводило к минимуму влияние факторов изменения геометрии катода на разряд и на результаты эксперимента. Полагаем, что такая или подобные разрядные ячейки с жидкометаллическим расходуемым материалом катода являются перспективными для создания компактных микродвигателей космических аппаратов массой в несколько десятков и даже единиц килограммов (наноспутников), включая аппараты класса CubeSat [4]. Компактная катушка для создания внешнего переменного магнитного поля содержала N = 36 витков при среднем радиусе витка R = 14 мм и располагалась так, что поверхность катода незначительно (не более 1 мм) выступала за плоскость катушки. Для оценки установившейся индукции магнитного поля в центре катушки BAMF можно использовать выражение BAMF = 1.6 мТл/A  I, (1) где I - ток в катушке, А. Индуктивность катушки и омическое сопротивление составляли LAMF = 41.5 мкГн и RAMF = 91 мОм соответственно. Катушка запитывалась путем коммутации предварительно заряженного конденсатора CAMF = 40 мкФ, ток в катушке был близок к половине периода синусоиды длительностью по основанию ~ 130 мкс. Вакуумно-дуговой разряд запитывался от цепи, представляющей собой пятиступенчатую LC-цепь, генерирующую квазипрямоугольный импульс тока длительностью ~ 60 мкс, т.е. примерно половину длительности полупериода тока в магнитной катушке. Потенциальным электродом в разряде являлся катод, анод находился под потенциалом стенок вакуумной камеры (был заземлен). Для регистрации токов разряда и катушки использовались малоиндуктивные шунты сопротивлением 10 и 7.5 мОм. В нашем эксперименте огромное значение имеет вопрос о том, насколько велико влияние токов, индуцированных в металлических деталях разрядной ячейки. Эти токи приводят к сдвигу фазы магнитного поля относительно фазы тока в катушке и особенно актуальны для анода, представляющего, по существу, короткозамкнутый виток с диаметром, близким к диаметру витков катушки. Для ослабления индукции кольцевых токов в аноде были выполнены тонкие радиальные разрезы (видны на рис. 1). Для калибровки сдвига фазы магнитного поля относительно тока в катушке были проведены отдельные измерения с использованием малогабаритного датчика Холла SS94A2CЮ, размещенного по оси системы в плоскости среза анода. Осциллограммы тока катушки и сигнала датчика Холла (т.е. индукции магнитного поля) приведены на рис. 2. Как видно, задержка магнитного поля относительно тока в катушке не превышает 5 мкс, что близко к паспортному времени реакции датчика. Причем задержка максимальна в переходные периоды коммутации тока и практически отсутствует в остальное время. Таким образом, магнитное поле можно считать синфазным с током катушки. Рис. 2. Нормированные осциллограммы тока катушки и сигнала датчика Холла Для исследования зарядового состава и энергетического распределения ионов катодной плазменной струи использовался энергомасс-анализатор HIDEN EQP 300. Он представляет собой последовательную комбинацию электростатического фильтра по энергии E/Z (Е - энергия иона, Z - кратность ионизации) и квадрупольного масс-фильтра М/Z с разрешающей способностью 0.05 эВ и 0.1 а.е.м. соответственно. Регистрация сигнала в анализаторе происходит в режиме счета частиц. Входной фланец энергомасс-анализатора был заземлен, входное отверстие имело диаметр 0.3 мм и располагалось по оси системы на расстоянии 9 см от катода. Откачка вакуумной камеры и энергомасс-анализатора производилась двумя турбомолекулярными насосами (энергомасс-анализатор имеет автономную систему откачки). Остаточное давление во время эксперимента составляло (5-8)10-4 Па в вакуумной камере и ~ 10-5 Па в энергомасс-анализаторе. Результаты Рис. 3. Осциллограммы тока (Iarc) и напряжения горения разряда (Uarc) и осциллограммы тока в магнитной катушке (IAMF) для случаев отсутствия магнитного поля (1), нарастания (2), спада (3) и в максимуме (4) На рис. 3 представлены одиночные осциллограммы тока и напряжения горения разряда в отсутствие аксиального магнитного поля (1) и вместе с отрезками осциллограмм тока в катушке для трех различных случаев горения разряда: на стадии роста магнитного поля (2), на стадии спада (3) и в период максимальной индукции магнитного поля (4). При зарядном напряжении конденсатора питания катушки UAMF = 420 В амплитуда тока в катушке составляла IAMF,max = 375 А, а максимальная скорость нарастания достигала (dIAMF/dt)max = 10 А/мкс. Оценка по формуле (1) приводит к величине максимальной индукции аксиального магнитного поля в центре катушки Bmax = 0.6 Тл, при которой следует ожидать сильного влияния магнитного поля на сжатие катодной струи плазмы и характер протекания разряда в целом. Скорость нарастания магнитного поля максимальна в начале импульса тока в катушке и составляет, по тем же оценкам, (dB/dt)max = 1.6104 Тл/с. Согласно модельным расчетам [9], при такой скорости нарастания магнитного поля индукционные эффекты должны давать существенный вклад в ускорение плазмы, приводя к заметному росту энергии ионов в осевом направлении. Форма и амплитуда импульса тока разряда при прикладывании внешнего аксиального магнитного поля практически не менялась, поскольку импеданс генератора многократно превышает изменения сопротивления разряда. Напряжение горения, напротив, менялось существенно, что будет обсуждено далее. Распределения ионов различной кратности ионизации по энергии, соответствующие приведенным выше осциллограммам, представлены на рис. 4 в «приборных» координатах f(E/Z), где f - количество частиц, E/Z - удельная (нормированная на кратность ионизации) энергия иона. Для количественного сравнения характеристик ионных потоков путем стандартных процедур интегрирования были последовательно найдены: - количество частиц каждой степени ионизации NZ =  fz(E/Z) d(E/Z); - суммарное количество частиц всех зарядовых состояний Nsum =  NZ (Z = 1, …, 4); - доля частиц каждой степени ионизации по количеству PZ = NZ / Nsum; - средний заряд ионов = NZ Z / Nsum = PZ Z; - суммарная энергия (не удельная E/Z, а полная E с учетом заряда Z), перенесенная ионами каждой кратности ионизации EZ = Z  (E/Z) fz(E/Z) d(E/Z); - средняя энергия ионов каждой кратности ионизации = EZ /NZ; - суммарная энергия, перенесенная ионами всех зарядовых состояний: Esum =  EZ (Z = 1, …, 4). Рис. 4. Распределение количества ионов Ga+-Ga4+ по удельной энергии f(E/Z) для случая отсутствия аксиального магнитного поля (а), на стадии роста (б), спада (в) и в максимуме магнитного поля (г) Найденные значения приведены в таблице и на рис. 5. Потоки частиц NZ и энергии EZ для частиц каждой степени ионизации представлены на рис. 5, a, б; зарядовый состав PZ и средняя энергия ионов - как в таблице, так и для наглядности на рис. 5, в, г соответственно; средний заряд и суммарная энергия Esum - в таблице. Кроме того, в последнем столбце таблицы приведена величина вложенной в разряд энергии Earc, найденная путем интегрирования осциллограмм мощности Earc =  Iarc(t) Uarc(t) dt. Доля частиц каждой степени PZ, средний заряд ионов , средняя энергия ионов каждой кратности ионизации , суммарная энергия, перенесенная ионами всех зарядовых состояний, Esum и энергия разряда Earc в отсутствие магнитного поля и на фазах роста, спада и в максимуме аксиального магнитного поля Режимы разряда Доля частиц PZ, % Средняя энергия , эВ Esum, эВ Earc, Дж Z = 1 Z = 2 Z = 3 Z = 4 Z = 1 Z = 2 Z = 3 Z = 4 Без МП 58 35 7

Скачать электронную версию публикации