СПОСОБ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА ИОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1999 года по МПК G01R31/24 H01J37/08 

Изобретение относится к технике создания интенсивных ионных потоков и пучков и может быть использовано при определении показателей надежности (ресурса) различных ионных источников, в частности, ионных двигателей.

Известны способы ускоренного определения ресурса, применяемые для электрофизических установок [1]. В большинстве случаев эти способы реализуются при использовании большого числа реальных образцов с последующей обработкой результатов испытаний статистическими методами. Это делает их непригодными для класса изделий, выпускаемых в ограниченном количестве или имеющих сложную конструкцию и высокую стоимость. К таким изделиям могут быть отнесены ионные двигатели для космических летательных аппаратов, источники ионов для генерации ионных потоков, применяемых для технологических целей, установок термоядерного синтеза и др.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ ускоренного определения ресурса ионно-оптической системы (ИОС) в виде перфорированных электродов [2], применяемый для ионных двигателей. Этот способ включает операцию установки форсированного режима ИОС с перфорированными электродами по распыляющему обратному току j_обр ионов и последующее определение ресурса по степени износа ускоряющего электрода ИОС. В этом способе форсирование режима работы ИОС осуществляется путем увеличения плотности тока ионного пучка и увеличения значения отрицательного потенциала ускоряющего электрода, который подвергается наибольшему износу из-за воздействия обратного тока с плотностью j_обр ионов, образующихся вследствие перезарядки нейтральных атомов на выходе ИОС. При таком форсировании действительно происходит ускоренный износ поверхности ускоряющего электрода, а ресурс может быть оценен по сокращенному времени испытаний. Однако такая оценка изначально включает погрешность, связанную с тем, что при увеличении тока пучка и отрицательного потенциала существенно, как показывают расчеты и экспериментальные исследования, изменяются траектории частиц и нарушается процесс формирования обратных потоков. Это объясняется тем, что медленные ионы перезарядки, достигая границы плазменного мениска, ускоряются электрическим полем в направлении ускоряющего электрода. При этом в зависимости от кривизны траектории изменяется угол (и, соответственно, место), под которым каждый ион перезарядки приходит на поверхность этого электрода. От угла взаимодействия иона с поверхностью существенно зависит и интенсивность катодного распыления материала электрода, т.е. интенсивность износа. Любое изменение потенциала ускоряющего электрода приводит к изменению конфигурации электрического поля, поэтому форсирование по отрицательному потенциальному в любом случае искажает реальный процесс износа. С увеличением тока ионного пучка, происходит приближение плазменного мениска к поверхности ускоряющего электрода и соответствующее увеличение объемного заряда. В результате также изменяется конфигурация электрического поля и искажение реального процесса износа. Таким образом, оценка ресурса ИОС с помощью известного способа определяется с погрешностью, которая может значительно исказить действительную величину.

Кроме того, известный способ ограничен по степени форсирования, так как обычные рабочие режимы двигателя или источника ионов уже находятся как правило у границы предельных режимов по устойчивости, температуре и другим параметрам. В связи с этим временная база испытаний сокращается в незначительной мере.

Целью предлагаемого способа является повышение точности определения ресурса ИОС и сокращения времени на проведение ресурсных испытаний.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе ускоренного определения ресурса ионно-оптической системы в виде перфорированных электродов, заключающимся в измерении степени износа ускоряющего электрода на форсированном режиме по распыляющему обратному току ионов, определение ресурса проводят на уменьшенном модельном образце ионно-оптической системы с критерием подобия где отношение геометрических размеров L и плотности обратного тока ионов j_обр испытываемой ИОС соответственно к геометрическим размерам L_м и плотности обратного тока ионов j_обрм модельного образца, а форсированный режим работы реализуется путем генерирования плазмы в пространстве, примыкающем к поверхности ускоряющего электрода со стороны выхода из ИОС.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показана схема формирования обратных потоков ионов известным способом [2], на фиг.2 - схема расположения зон износа материала ускоряющего электрода, на фиг.3 - схема процесса испытаний при генерировании плазмы на выходе из модельного образца ИОС.

Источник ионов (ионный двигатель) включает газоразрядную камеру 1, эмиссионный электрод 2, ускоряющий электрод 3 и выходной электрод 4. Позицией 5 показан плазменный мениск, позицией 6 - область плазмы нейтрализации, позицией 7 - область сформированного потока плазмы. Электроды 2 и 3 выполнены перфорированными, например, круглыми отверстиями 8 (фиг.2), между которыми образуются при работе зоны износа 9 на ускоряющем электроде. Предельный размер этих зон, когда отверстия перфорации сливаются, может быть задан диаметром 2r_a окружности, вписанной между отверстиями перфорации. Модельный образец ИОС включает модельные эмиссионный 10, ускоряющий 11 и выходной 12 электроды. На выходе модельного образца ИОС размещен генератор плазмы 13 с катодом 14 и анодом 15. Генератор снабжен автономным подводом плазмообразующего газа. На поверхности ускоряющего электрода 11 может быть установлен изолированный электрический зонд 15, например, с плоской приемной поверхностью.

Возможность реализации способа подтверждается следующим. Движение ионов в ИОС описывается системой уравнений:

где U = U₊ + U_- - ускоряющая разность потенциалов,
ρ_i - объемный заряд ионов,
x, y, z - координаты (фиг.1),
ε₀ - диэлектрическая постоянная,
μ_i - масса иона,
v_i - скорость иона,
t - время,
e - заряд иона.

Уравнение (1) описывает распределение электрического поля в ИОС с учетом объемного заряда ионов, уравнение (2) является уравнением движения ионов, а уравнение (3) - уравнением неразрывности, известными из физики плазмы.

При этом на плазменном мениске 5 (фиг.1) должно выполняться нелинейное граничное условие:

где n - концентрация плазмы,
k - постоянная Больцмана,
T_e - температура электронов.

Концентрация плазмы n определяет плотность обратного тока j_обр ионов перезарядки, достигающих плазменного мениска. Согласно уравнению Бома:

Именно с этой плотностью ионы перезарядки стартуют с плазменного мениска в сторону ускоряющего электрода, при этом в пространстве между плазменным мениском и ускоряющим электродом траектории движения ионов определяются системой уравнений (1)-(3).

Эта же система уравнений для модельного образца ИОС будет иметь вид (соответствующие величины с индексом "м"):

с соответствующим граничным условием:

и плотностью обратного тока:

Коэффициенты аналогии между реальным и модельным образцами ИОС могут быть представлены как отношение величин:
- ускоряющей разности потенциалов

- координат (геометрических размеров)

- объемного заряда

Объемный заряд ионов в объеме у поверхности ускоряющего электрода определяется ускоренными ионными пучка и ионами перезарядки. Однако составляющая объемного заряда ускоренных ионов мала из-за их большой скорости и этой составляющей можно пренебречь. Поэтому выполняется соотношение:

Поскольку скорость обратного потока ионов перезарядки

то уравнение (1) будет иметь вид

где

Подставляя в уравнение (16) соответствующие величины через коэффициенты аналогии (11), (12) и вводя коэффициент аналогии по обратному току ионов перезарядки:

получим

или после преобразования

Уравнение (20) для реального образца и уравнение (6) для модельного образца ИОС будут тождественны при условии:

Аналогичные преобразования могут быть проведены по граничным условиям (4) и (9) и получено условие тождества для них:

Из необходимости одновременного соблюдения условий (21) и (22) следует, что должно выполняться:
K_U = 1 (23)
K2L

•K_jобр = 1 (24)
т. е. при соблюдении (23) и (24) в реальном и модельном образцах ИОС будут обеспечены идентичные распределения электрического поля, и, следовательно, идентичные условия износа материала ускоряющего электрода.

Условие (23) означает, что форсирование происходит при неизменном значении потенциала ускоряющего электрода.

Коэффициент аналогии K_L < 1 характеризует, как отмечалось выше, во сколько раз уменьшены размеры модельного образца ИОС. При этом коэффициент показывает, как должна быть увеличена плотность j_обр обратного тока ионов:

Для обеспечения соотношения (25) простое уменьшение реального образца ИОС непригодно, т.к. при работе такой модели невозможно в необходимой пропорции (25) увеличить обратный ток j_обрм из-за ограничений, накладываемых самим рабочим процессом, особенно с дополнительным условием сохранения ускоряющей разности потенциалов (23). Необходимое увеличение j_обрм может быть обеспечено только искусственным образом, а именно принудительным генерированием плазмы в объеме со стороны выхода из ИОС, как это предложено в данном изобретении. Само по себе такое генерирование плазмы может быть обеспечено различным образом - от простейшего газоразрядного промежутка любого специального известного источника ионов [3]. Определяющим является лишь концентрация плазмы, которая бы обеспечивала требуемое значение j_обрм. В свою очередь концентрация плазмы прямо определяется расходом плазмообразующего газа и степенью его ионизации, техника регулирования которых в настоящее время достаточно хорошо отработана.

Один из возможных вариантов схемы генерирования плазмы показан на фиг.3. Источник представляет собой осесимметричную систему: центральный катод (14) - кольцевой анод (15) с системой подачи плазмообразующего газа. Конструктивно такой источник по существу может повторять газоразрядную камеру ионного двигателя со снятой ИОС. Камера расположена у внешнего края испытываемой ИОС со стороны выхода из нее и ориентирована таким образом, что ее открытая часть обращена к пространству, занимаемому областью плазмы 6. При этом ось камеры параллельна поверхности ускоряющего электрода 11. Поступающие атомы плазмообразующего газа ионизируются электронным ударом, а образующаяся плазма под действием градиента концентрации частиц заполняет указанную область 6. Под действием отрицательного потенциала U_- на поверхность ускоряющего электрода 11 из генерированной плазмы вытягивается поток ионов с плотностью j_обрм. Требуемое значение j_обрм может контролироваться с помощью плоского электрического зонда 16, либо по интегральному обратному току ионов, выпадающих на ускоряющий электрод (в этом случае зондом является вся поверхность электрода).

Ресурс τ ИОС (ускоряющего электрода) определяется как отношение запаса V₀ на износ электрода к скорости износа v_изн:

В свою очередь скорость износа электрода вследствие катодного распыления материала пропорциональна произведению:
v_изн ≈ n_i•W_i ≈ j_обр (27)
где W_i - энергий ионов перезарядки, определяемая ускоряющей разностью потенциалов. В первом приближении можно принять, что запас на износ равен предельному цилиндрическому объему материала в зонах 9 (фиг.2) износа:
V₀ = V_пр = πδr2a

(28)
где δ - толщина ускоряющего электрода.

Тогда предельной ресурс ИОС:

Ресурс модельного образца ИОС:

Пример реализации.

Решается задача экспериментального определения ресурса ИОС ионного двигателя диаметром 180 мм. В качестве модельного образца ИОС выбирается система диаметром 60 мм, естественно, что все геометрические размеры ИОС (диаметр отверстий, толщина, величина межэлектродного зазора) также уменьшаются, т.е. K_L=3. В процессе испытаний реальной системы определено значение j_обр=0.02мА/см², тогда для модельной системы необходимо:
j_обрм = K2L

•j_обр = 9•0,02м A/c м² = 0,18м A/c м².
Такое значение плотности тока можно обеспечить, например, газоразрядной камерой от ионного двигателя диаметром 50...60 мм. При этом расход рабочего тела должен составлять величину порядка 10^-2 мг/с. Значение j_обрм регулируется (подбирается) расходом рабочего тела и контролируется с помощью плоского зонда на поверхности ускоряющего электрода.

Временная база испытаний будет сокращена в K5L

= 243 раза, т.е. в модельном образце любой заданный уровень износа ускоряющего электрода (вплоть до предельного) будет достигнут в 243 раза быстрее, чем для реального образца (известные способы позволяют уменьшить время испытаний только в 4-5раз).

Источники информации:
1. Перроте А.И. и др. Основы ускоренных испытаний радиоэлементов на надежность. - М., Сов. радио, 1968г, с.35-42.

2. Russel K.J. et al. Electric propulsion design optimization methodology. - Journal Spacecraft and Rockets v.7, N2, 1970, р.164.

3. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. - М., Атомиздат, 1972.

Изобретение используется в технике создания интенсивных ионных потоков, в частности к методам определения ресурса ионно-оптических систем (ИОС). Технический результат заключается в повышении точности определения ресурса ИОС и сокращения временной базы на проведение испытаний за счет создания при испытаниях идентичных условий распыления материала ускоряющего электрода ИОС и снятия ограничения на относительное увеличение плотности распыляющего обратного тока ионов в форсированном режиме работы. Ресурсные испытания проводят на уменьшенном в K_L = L/L_M раз модельном образце ИОС, где L и L_M - геометрические размеры ИОС испытываемого и модельного образца, а увеличение плотности обратного тока реализуют путем принудительного генерирования плазмы в пространстве, примыкающем к поверхности ускоряющего электрода со стороны выхода из ИОС. При этом должно быть выдержано соотношение критерия подобие K2L

• K_jобр. = 1, где K_jобр. = j_обр./j_обр.М - отношение плотностей обратных токов ионов для испытываемого и модельного образца ИОС. 3 ил.

Способ ускоренного определения ресурса ионно-оптической системы в виде перфорированных электродов, заключающийся в измерении степени износа ускоряющего электрода на форсированном режиме работы по распыляющему обратному току ионов, отличающийся тем, что определение ресурса проводят на уменьшенном модельном образце ионно-оптической системы с критерием подобия
K2L

• К_jобр. = 1,
где К_L = L/L_м;
К_jобр. = j_обр./j_обр.м - отношение геометрических размеров L и плотности обратного тока j_обр. испытываемой ионно-оптической системы соответственно к геометрическим размерам L_м и плотности обратного тока j_обр.м модельного образца,
а форсированный режим работы реализуется путем генерирования плазмы в пространстве, примыкающем к поверхности ускоряющего электрода со стороны выхода из ионно-оптической системы.