Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ методов и устройств для создания потоков заряженных пылевых частиц 11
1.1 Область применения ускорителей твердых заряженных частиц 11
1.1.1 Параметры частиц космического мусора и микрометеороидов 12
1.1.2 Параметры потоков частиц у поверхности безатмосферных космических тел 14
1.2 Устройства для моделирования высокоскоростных твердых частиц 27
1.3 Устройства генерации твердых заряженных частиц 30
Выводы 37
ГЛАВА 2 Методы расчета параметров электростатического генератора заряженных твердых микрочастиц 39
2.1 Методы оценки заряда проводящей частицы 39
2.2 Бесконтактный механизм зарядки частиц
2.2.1 Заряд частицы темновым током 48
2.2.2 Заряд частицы при возникновении микроразряда 54
2.2 Модель разлета разрядной плазмы с учетом электростатического
поля 61
Выводы 76
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование параметров электростатического инжектора 78
3.1 Исследования зависимости параметров потока частиц на выходе инжектора от параметров зарядной камеры 79
3.1.1 Стенд для моделирования факторов воздействия космической среды 79
3.1.2 Методика измерения параметров потока заряженных частиц на стенде для моделирования факторов космической среды 84
3.1.3 Стенд для изучения зависимости параметров потока частиц на выходе инжектора от параметров зарядной камеры 87
3.1.4 Методика расчета параметров потока частиц 90
3.2 Погрешность измерения параметров высокоскоростных заряженных частиц 91
3.2.1 Состав погрешностей системы измерения параметров потока заряженных частиц 91
3.2.2 Погрешность измерения заряда частицы 92
3.2.3 Погрешность измерения скорости частиц 93
3.2.4 Погрешность измерения удельного заряда 97
3.3 Результаты экспериментов 100
3.3.1 Определению влияния конструкции инжектора на параметры потока высокоскоростных частиц 100
3.3.2 Изучение влияния зарядной иглы на параметры потока высокоскоростных частиц 109
3.4 Экспериментальное изучение процесса заряжения частицы в области зарядной иглы 112
3.4.1 Экспериментальный стенд для изучения механизма зарядки микрочастиц 112
3.4.2 Результаты эксперимента по изучению процесса зарядки микрочастиц 115
Выводы 116
ГЛАВА 4 Разработка конструкции генератора заряженных твердых частиц 118
4.1 Методика расчета конструкции электростатического генератора твердых заряженных частиц 118
4.1.1 Выбор и обоснование основных элементов конструкции инжектора 118
4.1.2 Выбор порошка для генератора твердых заряженных частиц 121
4.1.3 Алгоритм расчета параметров элементов конструкции инжектора 123
4.1.4 Расчет бункерной камеры инжектора 128
4.1.5 Расчет параметров зарядной камеры и иглы 133
4.2 Примеры конструктивного исполнения генераторов твердых заряженных частиц 140
4.2.1 Вертикальный генератор заряженных микрочастиц с промежуточной камерой 140
4.2.2 Генератор твердых заряженных частиц с предускорителем 142
4.3 Примеры использования электростатических инжекторов 144
4.3.1 Устройство для упрочнения материала изделий 144
4.3.2 Конструкция испытательного стенда для моделирования пылевой составляющей лунной экзосферы 145
Выводы 153
Заключение 154
Список литературы 156
- Параметры потоков частиц у поверхности безатмосферных космических тел
- Заряд частицы темновым током
- Методика измерения параметров потока заряженных частиц на стенде для моделирования факторов космической среды
- Алгоритм расчета параметров элементов конструкции инжектора
Параметры потоков частиц у поверхности безатмосферных космических тел
Данных о концентрации пыли над лунной поверхностью практически нет. Параметры распределения частиц по высотам, размерам, скоростям находятся из математических моделей, построенных с использованием известных параметров потоков электронов и ионов солнечного ветра и распределения фотоэлектронов в приповерхностном слое.
С помощью измерений автоматических станций и аппаратуры миссий «Apollo» получены сведения о потенциале лунной поверхности («Lunar Prospector»), о параметрах солнечной плазмы, об интенсивности потоков микрочастиц на поверхности (LEAM эксперимент миссии «Apollo 17»). Данные о величине электростатического поля лунной поверхности были получены с помощью электронного рефлектометра, установленного на «Lunar Prospector». Потенциал поверхности в тени составляет примерно 100 В, при нахождении Луны в магнитном хвосте Земли потенциал увеличивается и составляет от -200 В до -1 кВ. Максимальный зафиксированный потенциал ночной стороны лунной поверхности составил -4кВ. Измерение потенциала освещенной стороны Луны электронным рефлектометром затруднено из-за наличия большого числа фотоэлектронов, полученные значения потенциала составляют (5 -10) В [37].
В ходе миссии «Apollo 17» на поверхности Луны устанавливался прибор, позволяющий фиксировать микрочастицы. Данные, полученные в ходе LEAM эксперимента, показаны на рисунке 1.4. Как видно из графика, интенсивность потока частиц зависит от времени суток, ярко выраженные максимумы зафиксированы в моменты захода и восхода Солнца [38].
Данные LEAM эксперимента Некоторые особенности поведения лунной пыли при её взаимодействии с ионизирующим излучением, заряженными поверхностями и фотоэмиссионными электронами были определены в ряде лабораторных экспериментов [39-40]. В [39] показана возможность левитации пыли над поверхностью, находящейся под постоянным потенциалом. Эксперимент наглядно продемонстрировал «расползание» образца по графитовой пластинке, на которую подаётся потенциал (-40 + -100) В. В работе [40] частицы с размерами (125- 150) мкм имитатора лунного реголита JSC-1 при контакте с металлической поверхностью с потенциалом -20 В заряжались до 10 е. В эксперименте [41] исследован процесс заряда микрочастиц различных материалов (Zn, Си, графит, JCS-1, JCS-Mars-І) под воздействием ультрафиолетового излучения, созданного дуговой 1кВ лампой. Средний заряд частиц составил 4,5-10 е. Полученные экспериментальные данные и данные измерений параметров лунной среды используются для построения моделей и оценки плазменно-пылевой обстановки на поверхности Луне
Для описания процесса подъёма и переноса пыли в условиях лунной экзосферы разработано несколько математических моделей. В работах [42-45] проводится анализ приповерхностной пылевой плазмы. В [42] определены условия подъёма частиц реголита. Расчёты проводились для проводящих микрочастиц. Концентрация фотоэлектронов оценивались исходя из того, что поверхность Луны и левитирующая частица покрыта монослоем водорода. При этом распределение электронов над поверхностью описывается распределением Максвелла: где v - скорость движения электрона, m - масса электрона, по=2ЛО см" ; кТ=0,1 эВ; в - угол между местной нормалью и направлением на Солнце (зенитный угол). Заряд пыли определяется, исходя из условия равенства фотоэлектронного тока с поверхности частиц и тока электронов приповерхностной фотоэлектронной плазмы. Распределение электростатического потенциала в зависимости от высоты находится из решения системы уравнений Власова - Пуассона с заданной функцией распределения (1.1): 2кТ і p(z) = ln(GzJcos0o), (1.2) где є - заряд электрона, z - высота над поверхностью Луны, в0 - угол падения солнечных лучей на поверхность, G = л]2лп I кТ .
В расчётах не учитывалось влияние электронов и ионов солнечного ветра, так как их поток более чем на порядок меньше потока фотоэлектронного слоя. Результатом работы является определение критического угла падения солнечного света, при котором возможна левитация частиц лунного реголита. Так, для частицы радиусом 0,1 мкм угол падения солнечного света составил 76,14.
В работе [43], исходя из тех же условий, решается уравнение динамики движения пылевой частицы. Рассчитанное время зарядки пылевой частицы позволяет считать заряд частицы постоянным для всей траектории движения. Построенные графики траектории движения пылинки носят периодический характер. Амплитуда и период колебания частицы слабо зависят от угла падения солнечного света на поверхность. Так, для периода колебания (1,9-К2,1) с, амплитуда составляет (0,33-Ю,51) м, средняя скорость движения частицы - (0,21 -0,325) м/с.
Пылевая система на освещенной части Луны рассмотрена в [44]. В отличие от предыдущих работ, в расчёте заряда пылинки учитываются токи потоков ионов и электронов солнечного ветра. Рассматриваются два варианта: поверхность Луны покрыта и не покрыта монослоем водорода. Для первого случая работа выхода фотоэмиссии составляет 9 эВ, для второго - 4 эВ.
Для нахождения концентрации фотоэлектронов и электрических полей решаются системы уравнений, состоящие из стационарного кинетического уравнения для функции распределения фотоэлекторонов и уравнения Пуассона для электростатического потенциала с соответствующими граничными условиями, характеризующими поведение электронов у линии поверхности и на бесконечном удалении от неё.
Заряд частицы темновым током
В случае бесконтактного механизма зарядки частица приобретает заряд на некотором расстоянии от поверхности зарядного электрода. При подлете частицы к зарядному электроду поле в промежутке "игла-электрод" становится резко неоднородным и его величина возрастает до значений, при которых с поверхности электрода или частиц начинается автоэлектронная эмиссия (АЭЭ). Плотность тока автоэлектронной эмиссии способна достигать больших значений вплоть до 10 А/м [75], таких токов в поле между частицей и иглой достаточно для разогрева и испарения части поверхности частицы, что в свою очередь способно вызвать микроразряд между подлетающей частицей и электродом.
Из выше сказанного процесс зарядки частицы при подлете к электроду можно разделить на две стадии: зарядка частицы темновыми токами и зарядка частицы в результате возникновения микроразряда.
Разделение процесса зарядки на две стадии проведено из-за трудности определения критерия пробоя промежутка "частица-электрод", т.к. полностью не представляется возможным рассчитать напряженность поля на поверхности частицы при расстояниях порядка (0,1- 1) мкм из-за необходимости учета рельефа поверхности частицы и электрода, примесей и абсорбированного газа на их поверхности. Подобная задача является областью изучения физики твердого тела и не входит в круг вопросов рассматриваемых в диссертации. Поэтому критерий возникновения пробоя взят из экспериментальных данных, полученных в работе [76]. Из выше сказанного следует, что заряд микрочастицы при бесконтактном заряде складывается из двух составляющих: заряда электронов, ушедших с ее поверхности вследствие автоэлектронной эмиссии, и заряда положительно заряженных ионов, которые образуются в процессе образования плазмы в промежутке «частица-электрод». Заряд частицы можно записать в следующем виде: qP=) Je-Se+JrS№, (2-14) о где7е_плотность тока эмиссии автоэлектронов; j— плотность тока ионов; Se, Sj -соответственно площадь тока эмиссии автоэлектронов и площадь осаждения ионов на частицу, время процесса заряда микрочастицы.
Моделирование процесса бесконтактной зарядки частицы разделим на два этапа. На первом этапе будем рассматривать процесс зарядки частицы только при наличии токов АЭЭ с ее поверхности. На втором этапе, при достижении частицы пробивного расстояния, рассмотрим процесс образования плазмы и произведем расчет заряда частицы, который она получает через вакуумный пробой.
Как отмечалось выше, максимальная напряженность поля на поверхности положительно заряженной частицы может достигать значений 10 В/м, при этом ее заряд ограничен токами автоэлектронной эмиссии. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать зарядку микрочастицы около зарядного электрода, которой находится под положительным потенциалом, в этом случае микрочастица по отношению к зарядному электроду будет являться катодом, а приобретенный ею заряд будет положительным [77]. На рисунке 2.7 показана схема процесса зарядки частицы «темновым током». о О О О 0 о 0 00
Для определения характерных времён процесса зарядки и величины заряда, получаемого микрочастицей, решим систему уравнений, описывающих движение частицы и изменение её заряда в области иглы зарядного электрода инжектора. Систему уравнений, описывающую движение частицы в области зарядной иглы, можно записать в виде: 4L = I. dt e где /72 -масса частицы, -координата частицы вдоль оси иглы, ЕШу -вектор напряжённости поля вдоль оси иглы. Уравнение (2.15) описывает динамику движения частицы под действием электростатического поля, а уравнение (2.16) - динамику изменения заряда частицы при автоэлектронной эмиссии с ее поверхности.
Плотность тока автоэлектронной эмиссии сильно зависит от напряжённости электрического поля на поверхности частицы и описывается уравнением Фаулера-Нордгейма [76]: гдеуе, Eout, (р измеряются в А/м , В/м и эВ, соответственно. При расчете плотности тока эмиссии не учитывалось его уменьшение вследствие возникновения объемного заряда в промежутке "частица-электрод", т.к. отклонение от закона Фаулера-Нордгейма наблюдается при плотности тока автоэлектронной эмиссии je=(5-10 -10 ) А/см [78]. Для упрощения расчётов будем рассматривать движение частицы вдоль оси иглы, форма которой аппроксимирована гиперболоидом вращения. Напряженность поля вдоль оси иглы будем рассчитывать по формуле [72]:
Методика измерения параметров потока заряженных частиц на стенде для моделирования факторов космической среды
Целью экспериментального исследования является подтверждение разработанных физико-математических моделей зарядки микрочастицы в области зарядной иглы и движения заряженных частиц в зарядной камере инжектора.
Для изучения работы электростатического инжектора применялся экспериментальный стенд для моделирования факторов космической среды, в состав которого входит система измерения скорости и удельного заряда микрочастицы.
Для проведения изучения влияния параметров иглы, расстояния от зарядного и нейтрального электрода был собран экспериментальный стенд, позволяющий измерять скорость и удельный заряд частицы по упрощенной схеме и с меньшей точностью, но позволяющий за короткое время провести большое число серий экспериментов.
Для исследования механизма зарядки частиц в области зарядной иглы был собран экспериментальный стенд, позволяющий регистрировать микро разряд между иглой и подлетающей частицей. Экспериментальный стенд монтировался в ускорительный тракт стенда для моделирования факторов космической среды. Для измерения параметров частиц на выходе использовалась штатная система измерения.
Проведенные эксперименты позволили выявить зависимость параметров потока заряженных частиц на выходе инжектора от его конструктивных параметров
Для проведения экспериментов по изучению характеристик инжектора использовался электростатический ускоритель со встроенной системой индукционных зарядочувствительных усилителей. Более подробное описание экспериментального стенда приведено [61]. Полная схема ускорителя приведена на рисунке 3.1. Для проведения эксперимента использовалась первая ступень, электростатический ускоритель, ускорительного тракта и система измерения скорости и заряда микрочастицы. Ускоритель имеет следующие характеристики: эффективное ускоряющее напряжение линейного электростатического ускорителя 100 кВ эффективное ускоряющее напряжение линейного электродинамического ускорителя 540 кВ диапазон ускоряемых частиц (0,1- 10) мкм предельное остаточное давление в испытательной камере 10" мм.рт.ст объем испытательной камеры 0,6 м общая длина ускорительного тракта 4,665 м диапазон регистрации частиц по массам соответственно (10" 4-10" ) г диапазон регистрации частиц и скоростям (0,1 -15) кмс" . ИН
И - инжектор; ИЛ - измерительная линейка; ЭСЛУ - электростатический линейный ускоритель; ЭДЛУ -электродинамический линейный ускоритель; ИК - испытательная камера; ФН - форвакуумный насос; ВН -высоковакуумный насос; ИН - игольчатый натекатель; ПЗ - проходной затвор; КО - клапан отсекатель; КН - клапан натекатель; ВД - вакуумные датчики; ВИТ - вакуумметр ионизационно-термопарный; ВР - выравнивающие резисторы; ИР - измерительные резисторы; БПИ - блок питания инжектора; БП - блок питания; АБ - аккумуляторная батарея; ЗУ - зарядное устройство; ЛР - лазерная развязка; К1 - первый контроллер; К2 - второй контроллер; У -усилитель; К - компаратор; ИВН - измеритель высокого напряжения; ВГ - высоковольтный генератор; ВУ На рисунке 3.2 представлена фотография ускорительного тракта с местом для установки инжектора и с усилителями на первой паре индукционных колец. 1-место установки инжектора, 2-зарядочувствительные усилители, 3-изолятор линейного ускорителя, 4- электростатический экран
Индукционные кольца сделаны из меди и представляют собой цилиндры длинной- ц=30мм с внешним диаметром Д =30мм и внутренним диаметром d4=\5 мм.
Для питания инжектора используется двухканальный высоковольтный источник напряжения. Напряжение на первом канале изменятся в диапазоне (5- 40) кВ, а на втором канале изменяется в диапазоне ((НЮ) кВ. С первого канала напряжение подается на зарядный электрод, а со второго - на бункерный. Управление высоковольтным источником питания осуществляется по оптоволокну.
Алгоритм расчета параметров элементов конструкции инжектора
Устройства генерации заряженных твердых частиц предназначены для работы в составе ускорительного тракта электростатических и электродинамических ускорителях или специальных испытательных стендах, в которых создаются потоки частиц со скоростями менее 2 км/с. В перечисленных испытательных стендах эксперименты проводятся в вакууме порядка (10" - -10") мм. рт. ст. При этом в некоторых экспериментах, кроме воздействия твердых заряженных частиц на объект испытания, проводятся и многофакторные испытания с применением источников элементарных частиц и ультрафиолетового излучения. Из условий эксплуатации инжектора возникают требования к материалам элементов его конструкции и газопроницаемости.
Для передачи микрочастице электрического заряда в большинстве конструкций используется зарядка частицы в сильном электрическом поле [94, 95]. Средняя напряженность электрического поля в зарядной камере с п о может составлять 10 В/м, а в области зарядной иглы (10 - 10 ) В/м. При таких величинах напряженности поля возможны пробои и микроразряды между электродами зарядной камеры, что приводит к прекращению зарядки частиц или к падению межэлектродного напряжения, а следовательно и к уменьшению эффективности зарядки. Для создания таких величин напряженности поля к инжектору подводится высоковольтное напряжение (5-К35) кВ. Таким образом, возникают требования к электрической прочности зарядной камеры и электрической изоляции элементов конструкции генератора.
Заряженные пылевые частицы из зарядной камеры устройства попадают в ускорительный тракт или в вакуумную камеру испытательного стенда. Часть заряженных частиц может не попасть в ускорительную систему и осесть на стенках ускорительного тракта, при этом слой проводящей пыли на поверхности ускоряющих электродов может ухудшить электрическую прочность ускоряющих промежутков. Это уменьшает время работы ускорительного тракта без проведения работ по очистке ускорительного тракта. Данное обстоятельство показывает необходимость уменьшения угла вылета частиц из инжектора и количества слабо заряженных частиц в потоке.
В ходе эксперимента иногда возникает необходимость замены порошка в бункерной камере, поэтому необходимо предусмотреть возможность быстрого замена порошка. Так же, в ходе эксплуатации из-за темновых токов и микроразрядов происходит увеличение радиуса острия зарядной иглы.
Поэтому конструкция инжектора должна позволять производить замену иглы в зарядной камере. Частицы микропорошка движутся в зарядной камере и покрывают элементы конструкции инжектора, это приводит к ухудшению электрической прочности камеры. Поэтому форма электродов и корпуса генератора должна обеспечить работу без пробоев в течение длительного времени.
Как было показано в обзоре средств и методов создания потоков заряженных частиц (п. 1.3) наиболее удобными в эксплуатации с точки зрения обслуживания и возможности управления параметрами потока заряженных твердых частиц являются электростатические инжекторы. В подобных инжекторах зарядка частицы происходит в области сильного электростатического поля, создаваемого в области зарядной иглы. Другие элементы конструкции, такие как бункерная камера, электрод бункерной камеры, зарядный электрод, нейтральный или вытягивающий электрод, должны обеспечивать доставку частиц порошка, расположенного в бункерной камере или непосредственно в зарядной камере в область зарядной иглы и вылет их из инжектора. Элементы конструкции инжектора так же должны увеличивать эффективность зарядки и обеспечивать безопасность работы с инжектором. Под эффективностью зарядки понимается уменьшение количества слабо заряженных частиц на выходе инжектора. Еще одной проблемой, при длительной эксплуатации генератора является загрязнение поверхности электродов слоем частиц, что ведет к ухудшению прохождения частиц через зарядную камеру, а также к ухудшению электрической прочности зарядной камеры.
При создании инжектора предпочтение отдаётся конструкциям, ранее спроектированным, то есть при проектировании возникает задача получения заданных характеристик потока твердых заряженных частиц при использовании известных конструкций. При разработке новой конструкции генератора частиц, предложенная методика не позволяет определять оптимальную форму конструкции, а только помогает определить способность новой конструкция создавать поток заряженных частиц с заданными характеристиками и произвести выбор размеров основных элементов конструкции.