Управление электростатической зарядкой твердых тел в каналах, заполненных электронно-пучковой плазмой

Электростатика. - одна, из главных проблем эксплуатации техники, работающей в условиях открытого космоса. В настоящее время наиболее изученными являются процессы, приводящие к электростатической зарядке космических летательных аппаратов (КЛА)

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2021

под воздействием факторов космического полета, в первую очередв - облучения быстрыми электронами солнечного ветра. Этой проблематике посвящено множество работ [1, 2].

Непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, падающий на поверхноств К ЛА, вызывает появление и накопление электростатического заряда забортными элементами конструкции, а также их дифференциальную зарядку, приводящую к электрическим разрядам по поверхности из-за высокой разности потенциалов между различными зонами этих конструкций. Последнее обстоятельство может спровоцировать аномальное поведение электроники К ЛА. Перечисленные явления достаточно хорошо изучены и экспериментально, и теоретически, найдены способы нейтрализации электростатического заряда К ЛА как интегрального, так и локального [3].

Значительно меньшее внимание уделялось исследованию внутренних электрофизических процессов в бортовых плазмотехнических системах, в которых имеет место контакт неравновесной плазмы с поверхностью твердого тела. В самой общей постановке физическая задача ставится следующим образом: неравновесная плазма заполняет некоторый контейнер, внутри которого могут располагаться какие-либо макроскопические тела.Очевидно, что и стенки контейнера, и объекты, которые в нем находятся, могут накапливать электростатический заряд, что во многом определяет плазменные процессы в таких системах. Экспериментальному исследованию этих процессов посвящена настоящая работа.

2.    Постановка экспериментов

В наших экспериментах холодная сильнонеравновесная плазма возбуждалась внутри цилиндрического канала, заполненного плазмообразующим газом, инжекцией тонкого непрерывного пучка быстрых электронов вдоль оси цилиндра (ось г). В канале могли располагаться макроскопические тела простейшей геометрии, которые имитировали элементы внутренней оснастки реальной плазмотехнической системы. Эксперименты могли проводиться как в неподвижной плазме, так и в плазменном потоке. В последнем случае вдоль канала организовывалась продувка плазмообразутощего газа. Варианты постановки экспериментов (см. рис. 1а, б):

а)                                                         б)

Рис. 1. а) Генерация электроиио-пучковой плазмы внутри кварцевой трубки со сферическим теплом, установленным на ее оси, D = 22 мм, d = 9 мм; б) генерация электроиио-пучковой плазмы внутри кварцевой трубки с установленным внутри нее диском, D = 22 мм, d =18 мм

• •    Материал канала: металл или диэлектрик.

• •    Твердое тело, размещаемое внутри канала: материал - металлы или углерод (графит), форма - сфера или диск.

• •    Режимы течения плазмы в канале: неподвижная плазма, плазменный поток с продольной или тангенциальной подачей плазмообразутощего газа.

Для создания плазмы внутри канала использовался генератор электронно-пучковой плазмы, подробно описанный в нашей предыдущей работе [4]. В этом генераторе, кроме состава плазмообразующего газа, могли варьироваться:

• •    Давление плазмообразующего газа Р_т в диапазоне 0,1-10 Торр.

• •    Ток электронного пучка 1ь в диапазоне 0-20 мА.

• •    Скорость плазменного тока (w) в диапазоне 0-200 м/с.

• •    Угол поворота диска в плоскости, перпендикулярной оси инжекции электронного пучка (у) от 0 до тг/2.

3.    Цель и задачи экспериментального исследования 4.    Экспериментальные результаты

Диапазон варьирования энергии быстрых электронов был весьма ограниченным Еь = 25 — 30 кэВ, и, следовательно, интегральная мощность, вкладываемая в газ, в стенки канала и в расположенные в нем объекты, практически полностью определялась величиной тока электронного пучка.

Целью исследования было изучение влияния условий, в которых проводились эксперименты, на процессы зарядки металлических тел, контактирующих с неподвижным облаком или потоком электронно-пучковой плазмы. Если в работе [4] основное внимание уделялось эффектам, связанным с составом и давлением плазмообразутощего газа, то в настоящей работе изучалась роль термогазодинамических процессов на поверхности тела и влияние геометрических параметров, характеризующих постановку эксперимента. При этом исследовалось влияние нагрева тела в электронно-пучковой плазме на накопление им электростатического заряда, а также возможность управления этим процессом за счет интенсивности обдува тела потоком плазмы. К геометрическим параметрам, характеризующим постановку экспериментов, относятся соотношение размера (диаметра D) канала и диаметра d размещенного в нем сферического тела, расстояние z между поверхностью тела и точкой инжекции электронного пучка, а также угол падения электронного пучка на поверхность диска, у.

Под воздействием электронного пучка на находящемся в плазме твердом теле может накапливаться отрицательный электрический заряд, что проявляется как возникновение некоторой разности потенциалов между телом и «землей». Было установлено, что при включении пучка абсолютная величина разности потенциалов возрастает от нуля до некоторого A U за время одного порядка со временем выхода 1ь на стационарное значение, определяемое характеристиками системы управления генератором электронного пучка. Если условия эксперимента (мощность пучка и давление газа в канале) таковы, что возможен нагрев мишени, то по мере разогрева мишени разность потенциалов продолжает плавно расти выше AU. достигая, в конце концов. пекоторого нового стационарного 'значения AUmax.

На рис. 2а представлена зависимость, характеризующая рост отношения AU/(AU )о, при увеличении температуры мишени Т/, где (AU)о - разность потенциалов между мишенью и «землей» при Т/ ~ 100 С. Условия эксперимента: Еь 25 кВ, 1ь = 10 мА, z = 200 мм, мишень - стальной шар диаметром 9 мм. В качестве измерительного прибора использовался цифровой вольтметр В7-35 с входным сопротивлением 10±0,5 МОм. Измерения проводились вплоть до таких температур мишени, когда рост функции AU/(AU )о = / (Тм ) становился слабым: для гелия это Тм ~ 500 °C, а для аргона и воздуха - Тм ~ 300 °C. Температура мишени измерялась вольфрам-рениевой термопарой В В 5/20. Расстояние z отсчитывалось от точки инжекции электронного пучка в контейнер.

Рис. 26 показывает, как установившееся значение AUmax зависит от условий эксперимента. В качестве примера на этом рисунке приведены графики зависимости разности потенциалов AUmax между мишенью в виде стального шара диаметром 18 мм и заземленным корпусом рабочей камеры экспериментальной установки как функция статического давления в канале Рт и расстояния между мишенью и точкой инжекции электронного пучка z. При уменьшении давления в канале AUmax почти обратно пропорционально (Рт)1/2 • Сначала при достаточно высоких давлениях (2,0 < Рт < 5,0 Торр) наблюдается медленный рост AUmax; при дальнейшем понижении Рт разность потенциалов A Umax начинает быстро нарастать и при Рт < 0,5 Торр рост разности потенциалов приобретает лавинообразный характер. На рис 26 видно также, что по мере приближения тела к точке инжекции пучка его потенциал возрастает.

а)

Рис. 2. а) Влияние температуры мишени на величину потенциала стальной сферы диаметром 9 мм, в электронно-пучковой плазме аргона (кривая 1) и гелия (кривая 2): Е ь = 25 к В, І ь = 10 мА, z = 150 мм; б) зависимость потенциала диска диаметром 18 мм от давления в канале на различных расстояниях z. Плазмообразующий газ - воздух, І ь = 10 мА, Е ь = 25 кВ, у = л/2

б)

В исследованном диапазоне значений тока инжектируемого пучка ( Іь = 14-20 мА) AUmax пропорцпопален Іь, что соответствует результатам, которые были нами ранее получены в экспериментах с телами, находящимися в свободном плазменном объеме, когда D ^d.

Таблица!

Максимальные и минимальные значения потенциал медного диска ( d = 18 мм), вращающегося в электронно-пучковой плазме воздуха и кислорода при давлениях Р_т = 1 Торр и Р_т = 3,0 Торр; то к пучка Іь = 1 мА

	Umax (В) при у = 90°		Umin (В ) При у = 0°
	Рт = 1, 0ТорР	Рт = 3, 0 Торр	Рт = 1, 0Торр	Рт = 3, 0 Торр
Воздух	4,7	0,7	0,2	0,2
Кислород	3,1	0,6	0,3	0,1

Т а б л и ц а 2

Зависимость потенциала мишени (медный диск d = 18 мм) от угла ее поворота у для электронно-пучковой плазмы воздуха: Іь = 1 мА, Р_т = 1, 0 Торр

У, град	0	15	30	45	60	75	90
Umax, В	4,7	4,5	3,4	2,5	1,2	0,6	0,3
U/Umax	1,0	0,95	0,75	0,53	0,25	0,12	0,06

Табл. 1 и 2 характеризуют зависимость потенциала мишени в виде диска от угла падения электронного пучка на ее поверхность у. Диск был установлен внутри диэлектри- ческого контейнера, как показано на рис. 16, и мог поворачиваться, чтобы исследовать 'зависимость Аитах(у).

Данные табл. 1 и 2 показывают, что

• •    Величина потенциала, накапливаемого мишенью в виде плоского диска, которая помещена в контейнер, заполненный электронно-пучковой плазмой, зависит от угла между осью инжекции пучка и плоскостью мишени у. Когда у = 90° величин а потенциала AUmax максимальна. При уменьшении у потенциал мишени немонотонно уменьшается, достигая своего минимального значения, когда у = 0°. Тот факт, что в последнем случае этот потенциал не равен нулю, объясняется зарядкой мишени электронами, которые падают на нее под углом, не равном нулю. Такими электронами являются электроны, отраженные стенкой канала и электроны, рассеянные в столкновениях с молекулами плазмообразующего газа.

• •    Максимальная (при у = 90°) и минимальная (при у = 0°) величина потенциала зависят от химического состава плазмообразующего газа и его давления. В экспериментах с воздухом и кислородом установлено, что в исследованном диапазоне Р_т максимальные величины потенциала диска в плазме воздуха выше, чем в плазме кислорода, а минимальные величины потенциала практически одинаковы. Увеличение давления плазмообразутощего газа приводят к уменьшению и максимальной, и минимальной величины потенциала в плазме обоих газов.

5.    Выводы

Табл. 3 иллюстрирует эффект влияния движения электронно-пучковой плазмы на элек-тростатичческую зарядку тела, помещенного в плазменный поток. Эксперменты проводились с металлическими сферами, установленными на оси кварцевой трубы (как показано на рис. 1), вдоль которой продувался воздух. Ток инжектируемого пучка варьировался в диапазоне 0,5-1,5 мА, а давление газа в канале поддерживалось постоянным Р_т = 1, 6 Торр. Из данных, приведенных в таблице для расхода газа через канал G = 2 л/мин (w ~ 10 м/с), следует, что при всех токах пучка потенциал сферы в потоке плазмы примерно в 2 раза ниже, чем потенциал сферы в неподвижном плазменном облаке. Обнаруженный эффект требует специального исследоваия и объяснения, поскольку он может оказаться весьма важным при проектировании плазмотехнических систем проточного типа.

Т а б л и ц а 3

Влияние обдува сферы ( d = 9 мм) потоком электронно-пучковой плазмы воздуха, на ее электростатическую зарядку в канале D = 22 мм, Р_т = 1.6 Торр

G (л/мин)	Рт (Торр)	1ь (мА)	AU (В)
0	1.6	0.5	14
0	1.6	1	24
0	1.6	1.5	32
2	1.6	0.5	8
2	1.6	1	10
2	1.6	1.5	14

• 1.    Экспериментально исследована электростатическая зарядка макроскопических тел в плазме различных газов, возбуждаемой электронным пучком внутри диэлектрического контейнера.

• 2.    Получены зависимости, характеризующие влияние условий генерации плазмы на величину потенциала U металлической сферы (мишени), находящейся в диэлектрической трубке, вдоль которой инжектируется тонкий непрерывный электронный пучок. При этом установлено, что на величину потенциала существенным образом влияют

• -    давление плазмообразутощего газа;

• -    сила тока пучка;

• -    расстояние между мишенью и точкой инжекции пучка.

• 3.    Нагрев мишени приводит к некоторому (незначительному) повышению величины потенциала мишени U по сравнению с потенциалом холодной мишени.

• 4.    Аналогичные результаты получены и для мишеней в виде диска. Для таких мишеней было выявлено влияние угла у между осью инжекции пучка и плоскостью диска на величину потенциала U. При нормальном падении пучка потенциал U оказывался на порядок выше, чем при скользящем падении пучка.

• 5.    Выводы 2-4 качественно справедливы для всех газов, использовавшихся в наших экспериментах (воздух, кислород, гелий), однако количественные эффекты для разных газов оказались различными.

• 6.    Установлено, что обдув потоком электронно-пучковой плазмы существенно влияет на электростатическую зарядку твердого тела: при прочих равных условиях потенциал тела в плазменном потоке значительно ниже, чем в неподвижном плазменном облаке.

Работа поддержана РФФИ, грантами 20-02-00501 и Аспирант № 19-38-90009.