Medvedeva (1248221), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Чтобы оценить эмиссию под действиемположительных ионов, надо знать коэффициент вторичной эмиссии из материала зондадля ионов с энергией, соответствующей отрицательному потенциалу зонда.jem =e ⋅ v ⋅ S ⋅ ni4⋅γ(17)Для энергий, меньших 100 эВ, коэффициент эмиссии порядка 10-1—10-2. Следует иметьв виду, что загрязнение поверхности зонда может увеличить коэффициент эмиссии.Эмиссия под действием метастабильных атомов и фотонов наиболее выражена винертных газах, обладающих высокими потенциалами возбуждения. Отношение токаэмиссии к ионному току на зонд тогда может составлять до 20%.
Для оценки величиныэмиссии необходимо знать концентрации возбужденных атомов в плазме. Ток эмиссиипод действием метастабильных атомов дается выражением (17), где в качествеплотности ni следует взять концентрацию метастабильных атомов, в качестве <ν> - ихсреднюю скорость, γ - коэффициент эмиссии, который также имеет порядок 10-1—10-2.Ток эмиссии под действием фотонов можно оценить по формулеjem =e ⋅ S ⋅ na⋅γ4τ ⋅ k(18)где nа — концентрация возбужденных атомов, k — коэффициент поглощения, τ —продолжительность жизни возбужденного атома, γ — квантовый выход. При большихотрицательных потенциалах зонда (порядка сотен электрон-вольт) становитсявозможной интенсивная ударная ионизация электронами, выбитыми из зонда, иобразование лавины. Поэтому этим участком характеристики нельзя пользоваться дляизмерения параметров плазмы.Загрязнения могут менять работу выхода из зонда или образовыватьповерхностные слои с большим омическим сопротивлением.
Когда на зонд идут малыеэлектронные токи и зонд является холодным, он покрывается налетом. При увеличенииэлектронного тока на зонд, когда зонд нагревается, или при больших отрицательныхпотенциалах зонда, когда существенна ионная бомбардировка, загрязнения с13 поверхности слетают. Понятно, что при изменении работы выхода или паденияпотенциала в поверхностном слое регистрируемое напряжение будет отличаться отизменения потенциала у поверхности зонда. Кроме того, при изменении состоянияповерхности меняется коэффициент отражения электронов. Все эти факторы восновном влияют на часть характеристики при небольших отрицательных потенциалахзонда. Чтобы избежать искажений, можно прогревать зонд перед измерением,например, импульсно пропуская по нему ток.В случае больших отрицательныхпотенциалов, очевидно, зонд можно не очищать заранее благодаря ионнойбомбардировке.Впредшествующемизложениипредполагаласьизотропияфункциираспределения электронов вдали от зонда.
В реальных условиях существуетнаправленноедвижениечастицплазмы,обусловленноеееадиабатическимрасширением в область с меньшим магнитным полем. Это приводит к искажениюзондовых характеристик. Надежной теории зондовых измерений в случаях, когда этоискажение велико, не существует.
При использовании цилиндрического зонда можноизбежать изменения вольтамперной характеристики, если направить ось зонда вдольнаправления тока. Если же ось цилиндрического зонда перпендикулярна кнаправлению тока, то искажения неизбежны. Строгое решение задачи невозможно,поскольку распределение потенциала вокруг зонда не является цилиндрическисимметричным. В работе [10] задача решалась в пренебрежении асимметриипотенциала. В качестве функции распределения электронов по составляющимскорости, перпендикулярным к оси зонда, использовалось выражениеf ⊥ (v 0 ) =⎡ m⎤mexp ⎢−(v 0 − u ) 2 ⎥2πTe⎣ 2πTe⎦(19)где u — скорость дрейфа.
Такое рассмотрение может дать лишь оценку влиянияэффекта направленного движения при малых скоростях дрейфа. Расчет показал, чтохарактеристика и при наличии дрейфа остаются приближенно неизменной вплоть доmu 2∝ 0,5 .значения2TeТаким образом, при обработке результатов измерений электроды нужно считатьплоскими, зонд можно не прогревать, поскольку он находится под достаточно большимотрицательным потенциалом, а ток эмиссии электронов – не учитывать, т.к.
он непревышает 10%.14 1.4. Оценка погрешностейМинимальная погрешность измерения времени равна шагу АЦП, 0,84 мкс. Ноосновные погрешности измерения связаны с паразитными емкостями. Так емкостьмежду центральной жилой кабеля и землей равна 900 пФ. Поскольку потенциал землипри выстреле резко изменяется примерно на -10 кВ, эта емкость заряжается схарактерным временемt=C ⋅U≈ 4 мкс . Соответственно, в течение некоторогоenSve4времени после инжекции пучка показания зонда определяются быстро протекающимипроцессами на емкости с характерным временем 4 мкс, а не температурой иплотностьюплазмы.Дляуменьшенияпогрешностинеобходимоувеличитькомпактность схемы включения зонда, сократить длину кабеля, по которому сигналыпередаются АЦП и т.п.
Однако увеличение компактности ведет к увеличениювероятности пробоев.В погрешность измерения тока насыщения, а, следовательно, и плотностиплазмы, вносит вклад то, что с ростом потенциала на зонде увеличивается толщинапереходного слоя и эффективная площадь собирающей поверхности. Оцениваятолщину слоя по формуле (1), получим d ≈ 10 мкм .
Таким образом, измереннаяплотность превышает фактическую не более чем на 1,5%. Кроме того, амплитудасигнала определяется с точностью до погрешности, которую дают делителинапряжения. Делитель 1:13 вносит погрешность 2%, делитель 1:2 - 0,3%, тогдатемпература и плотность определяются с точностью 2%.2. Изучение процессов расширения и отрыва плазмыот силовых линий ведущего магнитного поля2.1. Теоретические моделиЗаряженные частицы в магнитном поле сопла плазменного двигателя движутсявдоль замкнутых силовых линий этого поля. Механизма отрыва плазмы откосмического корабля можно разделить на два типа.
Первый сценарий развитиясобытий включает в себя устранение вмороженности силовых линий магнитного поля спомощью рекомбинации или другого процесса. Второй – подразумевает, что плазмаотрывается от корабля вместе с силовыми линиями, растягивая и перезамыкая их.15 Свойство вмороженности, казалось бы, гарантирует сохранение топологиимагнитных силовых линий, однако при сложном движении плазмы силовые линии сразличными направлениями могут подходить очень близко друг к другу, почтисоприкасаясь. При дальнейшем движении плазмы силовые линии могут разойтись впрежней топологии, а могут и «перезамкнуться».
При наличии конечной, хотя и оченьбольшой, электропроводности такое перезамыкание может произойти без касаниялиний, а всего лишь при тесном их сближении. Разумеется, сам факт сближениясиловых линий с сильно различающимися направлениями магнитного поля означает,что вблизи точки сближения имеется достаточно высокая плотность электрическоготока. Таким образом, при перезамыкании конечная проводимость срабатывает только вмалых областях с высокой плотностью тока, но при этом может происходитьсущественное изменение топологии силовых линий, которое может сказаться надвижении всей плазмы.Простейшие модели перезамыкания были предложены Паркером, Свитом иПечеком. В этих моделях существенную роль играет сопротивление плазмы,обеспечивающее перенос силовых линий через точку пересечения встречных полей.Иногда более адекватно кинетическое описание плазмы в отсутствие столкновений.Роль диссипации, обеспечивающей перевод части магнитной энергии в плазму иперенос силовых линий, выполняется в этом случае частицами, ускоряющимися впроцессе перезамыкания.
А сам процесс перезамыкания начинается как результатнеустойчивости нейтрального слоя, по которому течет ток, по отношению кстягиванию этого тока в отдельные токовые нити, так называемая, тирингнеустойчивость.Идея перезамыкания силовых линий является ключевой в объяснении целогоряда явлений в плазме, имеющих характер взрывной трансформации энергиимагнитного поля в тепло и кинетическую энергию частиц.
Однако процессыперезамыкания довольно сложны, а теоретические модели, как правило, ухватываютлишь качественные, в основном двумерные, черты перезамыкания.Введем параметр- отношение плотностей кинетической энергии плазмы иэнергии магнитного поля,β=4πρ ⋅ v 2B2(20)Если β близко к единице, то плазма обладает достаточной энергией, чтобы оторватьсяот силовых линий.16 Движение плазмы из области сильного в область слабого магнитного поляможет быть рассмотрено как переход из до-альфвеновского течения к сверхB. Магнитное сопло подобно соплу Лаваля,4πρальфвеновскому со скоростью v > v A =в которомпроисходит переход от дозвукового к сверхзвуковомутечению.Суперальфвеновская плазма гарантированно отрывается от космического корабля.С целью описать отрыв плазмы количественно, в работе [2] были решеныуравнения идеальной МГД для течения холодной плазмы в расширяющемся сопле суглом раствора θ.
Решение дает переход из до- в сверх-альфвеновское течение. Выводсделан для стационарного течения, холодной плазмы, перед отрывом текущей вдольмагнитного поля. При условии θ<<1, kR<<1, где k – кривизна силовой линии ведущегомагнитного поля, R – расстояние от оси сопла, возмущение магнитного поля⎡⎛⎤v2 ⎞⎟ ⋅ kR + θ 2 ⎥2 ⎟vA ⎠⎦δB ≈ B ⎢⎜⎜1 +⎣⎝(21)становится порядка самого поля B, когда скорость удовлетворяет соотношениюvAv>kR.(22)В этом случае плазма отрывается от силовых линий ведущего магнитного поля.Для расширителя установки ГОЛ-3 альфвеновская скорость равна 2·108 см/с,кривизну можно оценить как 1/r = 0,02 см-1, где r – радиус вакуумной камеры,расстояние R порядка 10 см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
