Низьковакуумні газорозрядні електронні гармати і їх використання в електронно-променевих технологіях

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

«ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Спеціальність 01.04.20 - Фізика пучків заряджених частинок

(технічні науки)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Низьковакуумні газорозрядні електронні гармати і їх використання в електронно-променевих технологіях

Тутик Валерій Анатолійович

Харків-2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України м. Дніпропетровськ

Науковий консультант: академік НАН України , доктор технічних наук, професор

ГАСИК Михайло Іванович, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри електрометалургії.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор ЛАДОХІН Сергій Васильович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, м. Київ, завідувач відділом електронно-променевих технологій;

доктор фізико-математичних наук, професор КОРНІЛОВ Євгеній Олександрович, ННЦ "Харківський фізико-технічний інститут", м. Харків, завідувач відділу інститута "Плазмової електроніки";

доктор технічних наук, старший науковий співробітник ДЕМЧИШИН Анатолій Васильович, Інститут проблем матеріалознавства, НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться 3 листопада 2009 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.845.01 у Національному науковому центрі «Харківський фізико-технічний інститут» за адресою: 61108, Україна, м. Харків вул. Академічна, 1

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» за адресою: 61108, м. Харків вул. Академічна, 1

Автореферат розісланий 25 вересня 2009 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Д64.845.01

доктор фізико-математичних наук, професор М.І. Айзацький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Електронно-променеві технологічні процеси (ЕПТП) є перспективними й ефективними по перетворенню електроенергії в теплову, радіаційну й мікрохвильову. Широке їх використання в базових галузях промисловості України - металургії, машинобудуванні, енергетиці, хімічній промисловості, дозволяє створювати нові ефективні ресурсо- і енергозберігаючі технології. В умовах ринкової глобалізації ЕПТП дозволяють різко підвищити ефективність виробництва в базових галузях шляхом впровадження нових інноваційних технологій. В останнє десятиліття спостерігається тенденція розширення області застосування електронних пучків (ЕП) для рішення технічних і наукових завдань в області низького й середнього вакууму. Існуючі електронні гармати (ЕГ) працюють при тисках до 10 Па й не дозволяють реалізовувати багато ЕПТП у низькому вакуумі без використання спеціальних пристроїв виводу ЕП у технологічну камеру. У той же час для багатьох вакуумних технологічних процесів таких як: одержання покриттів у середовищі реакційного газу, вирощування кристалів, інженерії поверхні матеріалів, зонної плавки, плазмохімія, космічних досліджень у верхніх шарах атмосфери, діагностичних електронно-променевих пристроїв і ряду інших, потрібні прості по конструкції ЕГ, що працюють при високому залишковому тиску газу до 1000 Па. У зв'язку із цим виникає проблема створення ЕГ, що працюють в середньому й низькому вакуумі. Тому одержання нових експериментальних даних, виявлення невідомих механізмів, теоретичних пояснень, описів, розробка нових методів розрахунку і створення на цій підставі ЕГ безпосередньо працюючих у середовищі низького й середнього вакууму з метою рішення різних наукових і технологічних завдань є актуальною науково-технічною проблемою. Рішення цієї складної проблеми неможливо без проведення комплексу теоретичних і експериментальних досліджень, фізичного й математичного моделювання процесів для створення ЕГ різного призначення, що безпосередньо працюють у середовищі середнього й низького вакууму, що і є центральним завданням цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до основних наукових напрямків державних наукових, науково-технічних програм пріоритетних напрямків розвитку науки України, міжнародних наукових програм активних космічних досліджень проектів "АПЕКС" та "Сospar" і планів науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ), у рамках НДР: «Розробка електронної газорозрядної гармати з холодним катодом, що працює при підвищеному тиску» (№ Др 81082816, 1982-1983 р. Здобувач - науковий керівник теми); «Розробка електронної газорозрядної гармати для геофізичних аеростатних досліджень» (№ Др 01.82.304535, 1982-1986 р. Здобувач - науковий керівник); «Дослідження, розробка й виготовлення газорозрядних пристроїв для генерації потужних електронних пучків» (№ Др 01.83.0045647, 1985 р. Здобувач - науковий керівник); «Розробка потужного імпульсного електронного прискорювача й проведення аеростатних експериментів» (№ Др 01.86.0022775, 1987- 1988 р. Здобувач - науковий керівник); «Розробка й дослідження особливостей функціонування електронно-пучкової системи для нагрівання, іонізації й діагностики газу» (№ Др 01.86.0053879, 1987 -1989 р. Здобувач - науковий керівник); «Створення автоматичного блоку для ракетно-аеростатних досліджень на базі розробленого електронного прискорювача (типу ''ГІАРІС'')» (№ Др 01.89.0045059 1991 - 1993 р. Здобувач - науковий керівник). «Фрактально-кластерний аналіз механізму формування метастабільних структур у металевих сплавах» (№ Др. 01054000701, 2005-2007 р.).

Об'єкт досліджень - газорозрядні електронні гармати з холодним катодом і порожнім анодом на основі високовольтного тліючого розряду (ВТР).

Предмет досліджень - фізичні процеси й закономірності, що відбуваються в газорозрядних електронних гарматах, при формуванні електронних пучків і використанні їх в низьковакуумних електронно-променевих пристроях і технологічних процесах

Ціль й задачі роботи. Метою роботи є розвиток наукових основ створення газорозрядних електронних гармат з анодною плазмою, що працюють в області тисків середнього й низького вакууму (10...1000 Па), розробка з їхнім використанням ряду конструкцій низьковакуумних газорозрядних електронних гармат (НГЕГ) різного призначення й доказ їхньої ефективності шляхом рішення на їхній основі ряду наукових і технічних завдань: модифікації поверхні, діагностики газових потоків; створення автономних електронних прискорювачів; одержання покриттів у середовищі реакційного газу; зонної плавки й вирощування кристалів.

Досягнення цієї мети вимагало рішення наступних основних задач:

1.Провести аналіз відомих способів одержання електронних пучків і на його основі обґрунтовано вибрати спосіб створення конструкції електронної гармати, що безпосередньо працює в середньому й низькому вакуумі.

2.Розробити, теоретично й експериментально обґрунтувати наукові основи методів підвищення робочого тиску для НГЕГ у безперервному й імпульсному режимах роботи.

3.Методами математичного й фізичного моделювання електричних полів у НГЕГ розробити рекомендації з визначення раціональної форми електродів.

4.Створити методики й пристрої для вимірювання параметрів НГЕГ.

5.Провести теоретичні й експериментальні дослідження імпульсного режиму роботи і його впливів на параметри НГЕГ.

6.Розробити й створити НГЕГ для реалізації різних ЕПТП і на підставі досліджень виробити рекомендації з їхнього застосування.

7.Виконати металографічні дослідження робочої поверхні катодів НГЕГ, що використовувалися для переплаву й виявити закономірності впливу режиму роботи на їхню довговічність.

8.Розробити технологічні основи й методи поверхневої інженерії шляхом оплавлення, нанесення покриттів з використанням НГЕГ.

9.Розробити й створити автономний електронний прискорювач для активних аеростатних досліджень у верхніх шарах атмосфери.

10.Дослідити особливості використання НГЕГ у практиці аеродинамічного експерименту по візуалізації газових потоків, нагрівання моделей і випробування захисних покриттів.

11.Створити пристрої на основі НГЕГ для зонної плавки напівпровідникових кристалів і вирощування кристалів кремнію.

12.Розробити й дослідити технології одержання покриттів у середовищі реакційного газу (СРVD, СVD - технології) з використанням НГЕГ.

Методи досліджень. Для рішення поставлених завдань і одержання основних наукових і технічних результатів у ході досліджень використовувалися аналітичні й чисельні методи дослідження фізико-хімічних процесів у високовольтному тліючому розряді, взаємодії ЕП з газом, плазмою й твердим тілом, моделювання електричних полів з використанням ЕВМ. Експериментальні дослідження проводилися із застосуванням методів зондової і НВЧ-діагностики, осцилографічного, газового, спектрального, рентгенівського, флуоресцентного й хімічного аналізів, оптичної й растрової електронної мікроскопії. Отримані експериментальні дані оброблялися з використання методів математичної статистики. низьковакуумний газорозрядний електронний гармата

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1. Розроблено й успішно апробований на цілому ряді НГЕГ. Уперше запропонований новий підхід до рішення проблеми підвищення їхнього робочого тиску до 1000 Па, що полягає у виявленні закономірностей впливу параметрів залишкового газу, прискорюючої напруги, граничних умов, геометрії області формуванні ЕП, режиму роботи й ряду інших на параметри ЕП при підвищенні тиску й створенні на цій основі комплексного методу підвищення робочого тиску НГЕГ. Цей метод дозволив уперше створити серію НГЕГ різного призначення, що працюють в низькому вакуумі при тисках до 1000 Па.

2. Уперше отримано з використанням НГЕГ у низькому вакуумі плазмо-пучковий розряд (ППР), установлено ряд загальних закономірностей ППР, зокрема: області існування залежно від тиску й прискорювальної напруги й потужності ЕП. Виявлено два режими роботи НГЕГ: режим інжекції ЕП й режим ППР. Виявлено сильний вплив ППР на роботу НГЕГ, що пов'язане з розвитком плазмових нестійкостей в анодній плазмі. Визначені рекомендації з розробки НГЕГ в умовах існування ППР.

3. Установлено ряд загальних закономірностей при роботі НГЕГ в імпульсному режимі. Уперше виявлено й досліджено час запізнювання запалювання ВТР у НГЕГ. Установлено вплив часу деіонізації ВТР на обмеження частоти повторення імпульсів. Отримано ряд нових даних про вибір режиму роботи НГЕГ для різних ЕПТП на основі аналізу питомих втрат енергії ЕП при проходженні через робочий газ.

4. Уперше розроблені НГЕГ, що дозволили створити автономний електронний прискорювач для активних дослідженнях верхніх шарів атмосфери з борту аеростатів або космічних апаратів, на робочих висотах вище 30 км і прискорювальних напругах до 80 кВ.

5. Уперше створені конструкції ряду НГЕГ різного призначення для роботи в діапазоні тисків 10...1000 Па, і прискорювальних напругах - 1...100 кВ. Реалізовані на їхній основі ЕПТП, показали ефективність використання НГЕГ у цих технологіях.

6. Уперше виявлені закономірності й причини впливу теплового режиму холодного катода на його параметри й довговічність. Результати металографічних досліджень структури й фазового складу поверхні катодів НГЕГ, які відробили термін служби, показали, що на його поверхні утворюється товста плівка, з оксиду алюмінію і інтерметалідів. Це приводить до різкої зміни параметрів ЕП і скороченню терміну служби катода.

7. Уперше створені НГЕГ, що працюють при тисках до 665 Па, для діагностики газових потоків в аеродинамічних установках по рентгено-електронній методиці й тепловому впливі на аеродинамічну модель. Удосконалено методику оцінки параметрів ЕП по заданих теплових режимах аеродинамічних моделей, що нагріваються, і вироблені рекомендації з їхнього раціонального вибору.

8. Установлено закономірності процесів одержання монокристалів кремнію методами Чохральского й зонної плавки й запропоновані конструкції електронно-променевих нагрівачів на основі НГЕГ для їхньої реалізації.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано й реалізовані теоретично обґрунтовані й експериментально підтверджені комплексні методи підвищення робочого тиску НГЕГ. Розроблені з їхнім застосуванням НГЕГ відкрили можливість створення на їхній основі нових електронно-променевих технологічних процесів, що протікають у низькому вакуумі, таких наприклад як інженерія поверхні різних виробів, вирощування монокристалів, одержання покриттів по СРVD технологіях, плавці металів, генерації випромінювань і ряд інших. Створено технічну документацію й технологію на основі якої виготовлені НГЕГ різного призначення. Розроблено пристрої діагностики параметрів НГЕГ. Результати виконаних досліджень знайшли практичне застосування в наступних організаціях:

1. Створення електронного прискорювача для аеростатних експериментів по відновленню озонового шару Землі в плані виконання міжнародного договору між ІЗМІРАН (Росія), CSSAR (P. R . China) і НМетАУ (Україна). (Center for space science & applied research academia sinica (CSSAR), t. Beijing P.R., China).

2. Розроблена електронна газорозрядна гармата працююча при підвищеному тиску. (Всеросійський енергетичний інститут (ВЕІ), м. Москва).

3. Створений електронний прискорювач для активних аеростатних досліджень верхніх шарів атмосфери по програмі АПЕКС. (Інститут земного магнетизму й поширення радіохвиль АН Росії (ІЗМІРАН), м.Троїцьк Московської області )

4. Розроблені електронно-пучкові системи для нагрівання іонізації й діагностики газу. (Центральний аерогідродинамічний інститут (ЦАГИ) м. Жуковський Московської області).

5. Розроблена технологія вакуумного напилювання нержавіючої сталі або титану на панорамні стекла для газових плит ПГ- 4 .(ЗАТ ''Дніпропетровський завод газової апаратури'', м. Дніпропетровськ).

6. Створення ефективних джерел металевого пару на основі газорозрядних електронних гармат для установки рулонної металізації скловолокна й склопластиків. (Бердянський державний завод скловолокна, м. Бердянськ).

7. Використання вакуумних установок із НГЕГ у навчальному процесі на кафедрах «Фізики» і «Електрометалургії» НМетАУ (Національна металургійна академія України. (НМетАУ), м. Дніпропетровськ).

8. Використання електронно-променевих нагрівачів для створення установок по вирощуванню монокристалів кремнію. (Запорізька державна інженерна академії (ЗДІА), м. Запоріжжя).

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі постановка завдань досліджень, вибір наукових підходів до їхнього рішення, адаптація результатів теоретичних досліджень до створення конструкцій газорозрядних електронних гармат різного призначення, експериментальні дослідження їхніх характеристик і пристроїв діагностики, а також методики й технології застосування виконані особисто автором. Всі наукові результати, які виносяться на захист, отримані автором особисто й викладені в роботах, опублікованих одноосібно.

При підготовці експериментів, формулюванню висновків, підготовці публікацій за результатами досліджень і розробці принципів створення НГЕГ внесок автора був визначальним. Автор брав активну участь при проведенні експериментів і при впровадженні розроблених газорозрядних електронних гармат у промисловість.

У спільних роботах здобувачеві належить обґрунтування методології досліджень, формулювання розрахункових і конструктивних рішень НГЕГ, методів і пристроїв діагностики їх параметрів, узагальнення теоретичних положень і результатів експериментів. Збір статистичної інформації, обробка й аналіз результатів досліджень, розробка обчислювальних алгоритмів, проектно-конструкторської документації виконані спільно. За участю співавторів вирішено ряд теоретичних і практичних завдань, які не ввійшли безпосередньо в дисертаційну роботу, але істотно розширюють область застосування створених НГЕГ.

Апробація роботи. Основні положення й результати роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних конференціях: The World Spase Congress 29 th Plenary Meeting of the Committee in Space Research Cоspar (Washington, 1992); Міжнародній нараді Ради ''Інтеркосмос'' по проекту АПЕКС (Росія, м. Липецьк, 1990); Науково - технічній конференції по електрометалургії (Дніпропетровськ, 1998); First meeting of the joint active balloon experiment program between China, Russia and Ukrainе (Beijing, 1997); 32-nd Scientific Assembly of Cospar (Japan, t. Nagoya, 1998); 6-й Міжнародній конференції “Вакуумні технології й устаткування” (м. Харків, 2003); Х науково-технічній конференції “Вакуумна наука й техніка” (Росія, 2003); 6-й Міжнародній науково-практичній конференції “Людина і Космос” (м. Дніпропетровськ, 2004), 6-th International Symposium of Croatian Metallurgical Society Materials and Metallurgy (Хорватія, 2004); Хімічна й електрохімічна обробка прокату (м. Дніпропетровськ, 1983); 5-й міжнародній конференції “Устаткування й технології термічної обробки металів і сплавів”(м. Харків, 2004); Ювілейній Х Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (м. Івано-Франківськ, 2005); 6-й Міжнародній конференції “Устаткування й технології термічної обробки металів і сплавів” (м. Харків, 2005); 8-й Міжнародній науково-практичній конференції “Людина і Космос” (м. Дніпропетровськ, 2006); 7-й Міжнародній конференції “Вакуумні нанотехнології й устаткування” (м. Харків, 2006); ХІІІ науково-технічній конференції “Вакуумна наука й техніка” (Росія, 2006), 7-й Міжнародній конференції “Устаткування й технології термічної обробки металів і сплавів” (м. Харків, 2006); ІІ-й Міжнародній конференції “Стратегія якості в промисловості й утворенні” (Болгарія, 2006); 9-й Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і Космос” (м. Дніпропетровськ, 2007); 8-й Міжнародній конференції “Вакуумні нанотехнології й устаткування” (м. Харків, 2007); 212-th Meeting of the Electrochemical Society (Washington, USA, 2007); Міжнародній конференції-виставці “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів (Корозія-2008)” (м. Львів, 2008); 55th Anniversay of the Foundation of Croatian Metallurgical Society (Хорватія, 2008); X International workshop “Plasma electronics and new acceleration methods” (t. Kharkov, 2008); “ Alushta-2008” International Conference School on Plasma Physics and Controlled Fusion (t. Alushta, 2008), Міжнародній конференції “Зварювання та споріднені технології - у третє тисячоліття” (м. Київ, 2008).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 62 роботи [1-62] в журналах, збірниках наукових праць та матеріалах конференцій. У тому числі: 18 статей в академічних журналах [1-5, 7, 9, 10, 11, 18, 19, 20, 22-25, 27, 62]; 10 - в збірниках наукових праць [6, 8, 12-17, 21, 26 ], які відповідають вимогам ВАК, 13 докладів в працях міжнародних конференцій [33-45]; 16 тезисів докладів на конференціях [46-61]; отримано 4 патенти [28-31].

Структура й об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використовуваної літератури й доповнень. Загальний об'єм дисертації 483 сторінок машинописного тексту, включаючи 16 таблиць, 238 малюнків і списку літератури з 555 найменувань на 57 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи й визначені основні задачі досліджень, описані об'єкт і методи досліджень, викладені наукова новизна й практичне значення отриманих результатів. Визначено особистий внесок автора в спільних наукових публікаціях, приведені відомості про апробацію результатів.

У першому розділі дисертації виконаний аналіз відомих теоретичних і експериментальних досліджень властивостей існуючих типів ЕГ. Установлено, що найбільш високий робочий тиск (до 10 Па) мають ГЕГ на основі ВТР. Тому цей тип гармат був вибраний за основу для створення НГЕГ. При подачі високої напруги на електроди гармати, в області анодного отвору уздовж осьової лінії запалюється ВТР і утворюється плазма П. Позитивні іони і+, із плазмової границі втягуються в міжелектродний простір і, прискорюючись, рухаються до катода. На своєму шляху деякі з них випробовують перезарядження. У результаті виникають швидкі нейтральні атоми або молекули Н. Іони й нейтральні частки, ударяючись об катод, вибивають із його поверхні швидкі електрони еБ, які прискорюються в міжелектродному проміжку, де сконцентрована практично вся висока напруга, й на виході утворюють електронний пучок ЕП. На своєму шляху деякі з електронів пучка іонізують атоми або молекули нейтрального газу, створюючи нові i+, і повільні електрони eМ. Останні попадають на анод 3 і компенсують заряд збіглих еБ пучка. При цьому можуть протікати наступні основні процеси:

де A - атом; A* - збуджений атом; h - постійна Планка; v - частота фотона; M - молекула; A+ і M+ - відповідно атомарний й молекулярний позитивний іони i+ . Нові іони i+ знову рухаються до катода й процес горіння ВТР самопідтримується. За анодом гармати ЕП попадає в магнітні системи фокусування 4 і відхилення 5, які забезпечують фокусування пучка й сканування по заданій програмі.

Аналіз літературних джерел продемонстрував відсутність інформації відносно ГЕГ, які безпосередньо працюють у середньому й низькому вакуумі в діапазоні тисків 10…1000 Па й більше. Існуючі методики розрахунку ГЕГ мають фрагментарний характер, а для НГЕГ - відсутні.

У результаті дослідження стану питання поставлені задачі, які визначають логічну схему вирішення проблеми дисертаційного дослідження. Така схема включає: первинний аналіз відомих ГЕГ; обґрунтування структурно-функціональної подібності НГЕГ; аналіз гіпотез і припущень; розробка моделей НГЕГ; розробка моделі перехідних режимів; рішення конкретних практичних проблемних задач застосування. Запропонована концепція єдиного підходу до питання проектування НГЕГ і моделі її розрахунків дозволили створити різні конструкції НГЕГ і на їхній основі вирішити цілий ряд практичних проблемних задач.

У другому розділі приведений теоретичний аналіз елементарних процесів, що протікають в ВТР й виконана оцінка їх впливу на параметри ЕП при підвищенні тиску. Знайдені закономірності впливу цих процесів на підвищення робочого тиску НГЕГ [1, 2, 45]. Доказано, що підвищення робочого тиску приводить до зростання крутості S=?I/?U вольт-амперної характеристики (ВАХ) НГЕГ

S2=?I2/?U> S1=?I1/?U. (1)

Тому в якості параметра, що характеризує вплив тиску газу Р на ВАХ НГЕГ, запропоновано використовувати її крутість і проблема підвищення робочого тиску ГЕГ може бути вирішена за рахунок зниження миттєвої крутості S ВАХ зі збільшенням P за рахунок зменшення dI, у наслідку незалежності dU від Р. Виділено основні незалежні змінні, функцією яких є величина струму, що протікає через гармату I=f(U,P,г,dA,dK,LAK,A), де г - коефіцієнт вторинної іонно-електронної емісії, dK - діаметр катода; LAK - міжелектродна відстань анод-катод; dA - діаметр анода; A - род газу. Тоді величина

dI=(?I/?U)dU+(?I/?P)dP+(?I/?г)dг+(?I/? dA)d(dA)+(?I/? dK)d(dK )+(?I/? LAK)d LAK +(?I/?A)dA. (2)

Значення струму в робочій точці визначається як

Ia=(?I/?U)Ua+ (?I/?P)P0 +(?I/?г)г0 + (?I/? dA)dA0 + (?I/? dK)dK0+ (?I/? LAK)LAK0 + (?I/?A)A0, (3)

де Ia, Ua, P0, г0, dA0, dK0, LAK0, A0 - миттєві значення перемінних складових відповідних параметрів у робочій точці. Якщо у вираженні (2) перші дві частки похідні -?I/?U і ?I/?P, зростають із ростом тиску Р, то наступні, як показано в подальших дослідженнях, можуть зменшуватися при відповідному їх виборі. Це дозволило вибрати основні напрямки досліджень підвищення робочого тиску НГЕГ, і виявити закономірності, що дозволяють зменшувати значення часток похідних (?I/?г), (?I/?dA), (?I/?LAK), (?I/?dK), (?I/?A) залежно від конструктивних параметрів НГЕГ, матеріалу електродів і характеристик піддуваємого газу [1, 2].

У загальному виді ВАХ НГЕГ може бути представлена наступним емпіричним вираженням:I?C•Pm•Uq, де C, m, q- коефіцієнти.

Основні положення розробленої методики розрахунку НГЕГ містять у собі наступні етапи. На першому етапі визначаються вид технологічного процесу й на основі, створених методик аналізу енергетичних втрат, розраховуються параметри ЕП необхідні для реалізації процесу. На другому етапі, використовуючи параметри ЕП, робочого газу, оброблюваного виробу визначаються технічні умови для НГЕГ. Далі, на третьому етапі обчислюються очікувані теплові втрати на електродах і ізоляторові. На їхній основі розраховується система охолодження електродів гармати. На четвертому етапі, використовуючи обчислене раніше значення енергії ЕП, роблять розрахунок ізоляторів ЕГ. Методами математичного й фізичного моделювання електростатичних полів [21] на п'ятому етапі визначають форму електродів і ізоляторів, а також конструкцію фокусуючої і відхиляючої систем. На заключному шостому етапі виконують компоновку НГЕП і її випробування.

Вибір оптимальних режимів НГЕГ для реалізації різних ЕПТП здійснювався на основі балансу потужності (N=IU), що витрачається на нагрівання (Nнаг) і на випромінювання (Nизл.). Рівняння балансу можливо представити у вигляді [7]:

N= Nнаг+ Nизл=Nv +Nk + Na + Neb + Ns + Nr + Nnr (5)

де Nv - втрати потужності на нагрівання газу при пружних зіткненнях; Nk - втрати потужності на катоді; Na - втрати потужності на нагрівання анода; Neb - потужність

ЕП; Ns- потужність, що виділяється на стінках камери; Nr - потужність, що витрачається на випромінювання резонансних ліній; Nnr - потужність, що витрачається на випромінювання нерезонансних ліній;

Величина ККД НГЕГ оцінювалась в розрахунках у такий спосіб [7]:

з=(jeb-jem)/( jeb+jem+ji)= (1-k)/{1+(1+г)-1(me/mi)-1/2+(UT/U)-1/2} (6)

тут jеб ,- щільність струму швидких електронів; jем,- щільність струму повільних електронів; jі, - щільність струму іонів; k - коефіцієнт втрат швидких електронів пучка.

Створено методику розрахунку параметрів ЕГ при взаємодії його з газом для реалізації різних ЕПТП засновану на балансі питомих втрат енергії на одиницю довжини пробігу. Повна втрата енергії електрона (dW/dx)полн на одиницю довжини шляху в газі дорівнює [4, 6]:

(dW/dx)полн=(dW/dx)упр+ (dW/dx)неупр+ (dW/dx)рад+ (dW/dx)ког (7)

де (dW/dx)упр, (dW/dx)неупр, (dW/dx)рад, (dW/dx)ког відповідно: питомі втрати електрона на пружні, непружні, радіаційні й когерентні втрати. Співвідношення між радіаційними й непружними втратами енергії електронів виражається наступною формулою: (dW/dx)рад/(dW/dx)неупр=WполнZ/800 де Wпол - енергія електрона в МеВ; Z - заряд ядра атома середовища. Для газорозрядних гармат Етах ? 0,1 МеВ. При русі пучка в повітрі Z = 7,2. Тоді (dW/dx)рад/(dW/dx)неупр=9•10-4, отже (dW/dx)рад<<(dW/dx)неупр. На рис. 2 наведено питомі відносні втрати енергії електронів при непружних зіткненнях для Р = 133 Па, Т = 323К і різних Uп. Відносні питомі когерентні втрати енергії пучка Еког.отн., %/м розраховані для різних In, Uп, пе зображені на рис. 3, де крива 1 розрахована при In = 0,5 А; крива 2 - In = 0,1 А; крива 3 - In = 0,05 А; криві 1-3 розраховані для однієї концентрації електронів пе = 1010 см-3 При енергіях електронів 30 ч 50 кВ втрати =(dW/dx)упр, (dW/dx)неупр, (dW/dx)ког по величині порядку однакові. При енергіях електрона менше 30 кВ для In ? 0,5 А и п < 1010 см-3 Wког.отн. > Wнеупр.отн. > Wупр.отн..

При взаємодії з речовиною енергія ЕП W0 витрачається: на теплові втрати WТ , на нагрівання, розплавлювання й перегрів речовини WП, на випар речовини WИСП. Рівняння енергетичного балансу, з урахуванням вище приведеного, запишеться у вигляді W0= W ГЗ+W Т+W П+W ИСП. Енергія ЕП, що витрачається на теплові втрати WТ при взаємодії з речовиною, містить у собі наступні складові: WТ=WОТР+WРЕН+WИЗЛ+WТП+WВЕ+WТЕ, де WОТР - втрати енергії з відбитими електронами; WРЕН - втрати енергії на рентгенівське випромінювання

W ИЗЛ - енергія теплового випромінювана з поверхні речовини; W ТП - енергія теплових втрат за рахунок теплопровідності речовини; W ВЕ - втрати енергії за рахунок термоелектронної емісії з поверхні речовини [36]. Залежно від виду технологічного процесу, у якому використовується ЕГ, переважають ті або інші витрати енергії.

Розрахунок форми електродів НГЕГ здійснювався методами математичного й фізичного моделювання електростатичних полів. Чисельними методами із застосуванням ЕЦВМ, або за допомогою моделей аналогів, вирішується рівняння Пуассона при наявності об'ємних зарядів. Завдання граничних умов для електродів НГЕГ дозволяє розраховувати їхню форму для створення необхідної конфігурації електростатичного поля (рис.4) і траєкторії руху електронів пучка (рис.5) [21, 32, 39, 55]. Результати моделювання полів використовувалися при створенні конструкцій НГЕГ різного призначення й підтверджені експериментально при їх випробуванні.

Створено методику розрахунку ізоляторів і ізоляційних проміжків у НГЕГ, що забезпечує електричну міцність по наступних можливих шляхах електричного пробою ізоляції: через газовий проміжок? по об'єму твердого діелектрика? уздовж поверхні твердого діелектрика і через проміжок плазма - катод. Розрахунок електричної міцності газового проміжку анод - катод проводився по лівій області кривій Пашена. Вона зв'язує напругу запалювання U3, тиск Р і відстань між електродами LAK рівнянням виду U3=f(PmLAK). Для одержання максимального робочого тиску Pmax, міжелектродну відстань доцільно вибирати мінімальним LAKmin. Однак, LAKmin обмежено напруженістю електричного поля, при якій виникає автоелектронна емісія з катода. В якості ізоляторів в НГЕГ використовувалися тверді діелектрики: електротехнічна порцеляна типу УФ-46, глиноземна кераміка типу 22 ХС і електроізоляційні стекла [1, 8].

У діапазоні робочих тисків НГЕГ спостерігається ефект іонного фокусування ЕП. Виконані розрахунки концентрації іонів nio на осі ЕП, тиску нейтралізації Pn, мінімального часу нейтралізації tH [13]. (8). Для діапазону U=10…100 kB, тиск Рn для гелію лежить у діапазоні 0,0283...0,0562 Па, а для повітря - 0,00124...0,00235 Па, що нижче робочих тисків НГЕГ. Отже іонне фокусування ЕП створюваних НГЕГ здійснюється в режимі “перекомпенсації”, коли ni>>ne. Розрахунки показали, що для діапазону прискорювальних напруг 10100 кВ в області тисків робочого газу 13,32660 Па для радіуса ЕП , час нейтралізації для гелію змінюється в діапазоні 2,19 10-•42,55 10-7 c, а для повітря - 1,83·10-52,08 10-7 с. Досліджувався вплив швидкості польоту літального апарата VЛА на режим іонного фокусування ЕП. Показано, що при швидкостях VЛА <1,2 км/с, цим впливом, можливо, зневажити [13].

На підставі досліджень розроблені основні напрямки й методи підвищення робочого тиску в НГЕГ [1, 2, 45]. В основу методів покладено критерій збільшення робочого тиску НГЕГ, заснований на зменшенні крутості ВАХ. Були запропоновані й експериментально підтверджені наступні методи підвищення робочого тиску НГЕГ, засновані на:

1) зниженні з ростом тиску: величини коефіцієнта іонно-електронної емісії г; площі анодного отвору SA; площі катоду SK; міжелектродної відстані LAK ;

2) створенні в міжелектродному просторі ежекторного ефекту за рахунок піддуваємого газу;

3) виборі роду піддуваємого газу, який має максимальну електричну міцність в області лівої області кривої Пашена (водень і гелій);

4) використанні при роботі тривалості імпульсу високої напруги менше часу формування розряду;

5) роботі в режимі ефекту «втікання електронів».

Використання запропонованих методів дозволило створити цілий ряд НГЕГ різного функціонального призначення, що працюють у діапазоні тисків 10...1000 Па [17, 25, 42 - 45].

Третій розділ присвячений розвитку теорії, методів і пристроїв діагностики параметрів ЕП і НГЕГ при наявності іонів і плазми [7, 10, 13, 36].

Схема досліджень в імпульсному режимі (рис.6) включає: ЕП - НГЕП; ВК - вакуумну камеру; ВН - вакуумний насос; ВТ - вимірники тиску; СПГ - систему піддуву газу; ВІГ - високовольтний імпульсний генератор; ЕО - електронний осцилограф; Д1 Д3 - плівкові діафрагми; ФЕП - фотоелектронний помножувач; КВП - калориметричний вимірник потужності; ВРС - вимірник розподілу щільності струму в ЕП; К - кристал NaI.

Вимір параметрів плазми, створеної ЕП здійснювався двома методами: зондовим і НВЧ-методом. Останній дозволяє вимірювати усереднені параметри плазми безконтактним способом. Для цієї мети був створено НВЧ-пристрій , заснований на властивості радіохвиль зазнавати загасання, як по амплітуді, так і по фазі після проходження через плазму. Знаходячи амплітуду й фазу хвилі до й після проходження через плазму, можливо, одержати інформацію про параметри плазми. НВЧ-пристрій (рис.8) включає: КГ- клістроний генератор; А - аттеньюатор; В - фазообертач; ДТ - Т-образний міст; ДГ - детекторну головку, КП - поршень; АРЛ - рупорну антену; Е - екран. Для розрахунку усередненої концентрації електронів ne виведена наступна формула

ne= nexp(2ДL/L)CL=2,4806•1010 •f 2 (ДL/L)CL (9)

де f - частота зондувальної хвилі виміряється в [ГГц]; СL - коефіцієнт, обумовлений розподілом концентрації електронів (СL 1 при 0,2neКР> ne МАХ); L - довжина шару плазми в [см]; neКР - критична концентрація електронів, при якій частота зондувальної хвилі f дорівнює плазмовій частоті; L - довжина переміщення поршня в [см]. Для визначення усередненої ефективної частоти зіткнень електронів vЭФФ запропоновано використовувати формулу виду

vЭФФ=8,5656•1018ДА f 2/L•ne•BL, c-1 (10)

де А - показання аттеньюатора виміряється в [дБ]; BL - коефіцієнт, обумовлений розподілом електронів (BL=1 при ne<0,2 nek ).

Вимір ne і Te електронів у плазмі проводився за допомогою подвійного зонда. Знайдено формули для знаходження параметрів вимірюваної плазми при обробці осцилограм зондових ВАХ. Розрахунок температури електронів плазми по симетричній осцилограмі здійснювався по формулі виду:

Te=1,1604•104б[IiL/2(dIL/dUL)-(dIiL/DUiL). (11)

Концентрація електронів у плазмі ne визначалася по наступній формулі:

ne=19,342•1015(Ii0•A1/2)/(ril Te1/2)=2,767•1010 б(A1/2)IiL0/(ri Te1/2) для лe>>R0 (12)

ne Te=2•1012(R0/ лi)(A•T)1/2ji•ln(l/R0X0)• для лe<<R0 (13)

де IiL0 - довжина відрізка, обмірюваного на зондовій характеристиці; R0 - радіус зонда; лi - довжина вільного пробігу іона; A - атомна вага газу; T температура газу; ji - щільність струму іонів на поверхні слою; X0=R0/Rc - відношення радіуса зонда до радіуса зарядженого слою біля зонда.

Для виміру розподілу щільності струму по перетині ЕП при наявності іонної компенсації був запропонований метод “діркової камери” і реалізований на його основі вимірювальний пристрій. Величина повного струму пучка в перетині розраховувалася по формулі

I=?j(s)ds=2р?j(r)•rdr• (14)

Для виміру енергетичних параметрів НГЕГ при наявності іонної компенсації заряду, був використаний калориметричний метод.

Створений на його основі пристрій (рис.10) включає: вхідні - ТПВХ і вихідні - ТПВИХ термопари, трубопроводи для підведення й відводу охолоджуваної рідини, уловлювач - Л, вимірник сигналів з термопар - ВС, вимірник витрати охолоджуваної рідини - ВР, блок обробки інформації - ЕОМ. Енергія, отримана калориметром від ЕП, визначається вираженням

W=N•t=cp•m?ДТ= cp•с•G ДТ•t (15)

де N - потужність ЕП; t - час нагрівання; cp - питома теплоємність охолоджуваної рідини при постійному тиску; m - маса охолодної рідини; с - питома вага охолоджуваної рідини; G - витрата охолоджуваної рідини; ДТ=Tвих-Tвх - різниця температур рідини на виході Твих і вході Твх в уловлювач (колектор) ЕП [7].

Функціональна залежність потужності ЕП N=f(ДТ, G) при G=const визначалася експериментально шляхом заміни ЕП резистивним нагрівальним елементом з відомою контрольованою потужністю, представлялася графічно, уводилася в блок ЕОМ і використовувалася при обробці результатів вимірів. Обробка результатів експериментальних вимірів здійснювалася з використанням відомого статистичного методу Стьюдента. При обчисленні довірчого інтервалу ДXбn величина довірчої ймовірності приймалася рівною б=0,95.

У четвертому розділі представлені результати експериментальних досліджень характеристик і конструкції, створених НГЕГ. Основні їхні параметри наведені в табл. 1. На першому етапі досліджень була вирішена задача вибору типу ГЕГ на основі ВТР. Експериментальні дослідження створених ГЕГ з порожнім холодним катодом типу ЕГГ-1, ЕГГ -2 і ЕГГ -3 показали, що вони мають істотні недоліки: наявність низького ККД (з=25…40% ) і існування критичного струму Iкр, при перевищенні якого спостерігався перехід ВТР у низьковольтний тліючий розряд (НТР) і зникнення при цьому ЕП. Для ЕГГ - 2 = 0,027 А при кВ для Па в повітрі. Кращі параметри (, відсутність ) у цьому плані мають ГЕП з анодною плазмою, порожнім анодом і холодним катодом. Тому цей тип гармат і був узятий за основу для створення НГЕГ. Використовуючи, створену теорію підвищення робочого тиску й методику розрахунку, був розроблений цілий ряд НГЕГ (табл.1) ЕГГ-4…ЕГГ-25 для рішення різних прикладних задач ЕПТП у середньому й низькому вакуумі [9, 11, 17, 25, 42 - 45]. Створені гармати, інжектували ЕП різного профілю й форми: циліндричної форми (ЕГГ-4...6, ЕГГ -9, ЕГГ -11, ЕГГ -14, ЕГГ -16), багатопроменеві, циліндричної й конічної форми (ЕГГ -7, ЕГГ -24), дискової форми (ЕГГ-25). НГЕГ працюють, як в імпульсному так і в безперервному режимах. Примусовим водяним охолодженням електродів володіють ЕГГ-7, ЕГГ-9, ЕГГ-16, ЕГГ-24. Для роботи при високих імпульсних напругах ( ) призначені ЕГГ - 14, ЕГГ-14а.

Експериментальні дослідження НГЕГ дозволили виявити цілий ряд закономірностей впливу конструктивних параметрів гармат на зниження значень часток похідних ?I/?г, ?I/?dA, ?I/?LAK, ?I/?dK, ?I/?A для підвищення робочого тиску .

Зниження ?I/?dA спостерігається при зменшенні dА (рис.11), що пов'язане зі звуженням перетину потоку іонів, які бомбардують катод. Це приводить до зменшення струму ЕП. Доказано, що величина (?I/?dA) ~ р?2A.

Експериментально отримано, що величина (?I/?LAK) ~ LAK знижується зі зменшенням LАК (рис.11). Це приводить до збільшення напруженості електричного поля і неоднорідності еквіпотенціальних ліній на осі гармати і до скорочення ділянки катода, що емітує ЕП. Дослідження властивостей коефіцієнта вторинної іонно-електронної емісії г=ш(Т,и,о,хі,е,в,д,Е) катода показали його залежність від наступних параметрів: - атомного номера заряду матеріалу катода; - роду газу; - швидкості іона; - чистоти плівки на поверхні катода; - кута падіння іонів; - структури; - температури катода. Величина (?I/?г) ~f(г). Вибір матеріалу, форми й чистоти поверхні катода здійснювався виходячи із принципів мінімуму й мінімуму розпилення катода під дією іонного бомбардування.

Зменшення , приводить до зниження (?I/?dК) ~ рd2К. Однак, величина dКmin обмежена необхідністю забезпечення охолодження катода при роботі НГЕГ.

Експериментально доведена ефективність використання в якості робочого газу - гелію Не або водню Н2. Ці гази мають мінімальні значення , (?I/?A), внаслідок малої маси їхніх молекул і високої електричної міцності в області лівої гілки Пашена. Заміна повітря на гелій приблизно на порядок знижувало струм ЕП при P=const.

НГЕГ типу ЕГГ-6 призначена для роботи в імпульсному режимі при тисках повітря до 730 Па. Вона складається (рис.12) з наступних основних елементів: корпуса -1, анода - 2, катодного вузла - 3, 4, штуцера піддуву - 15, ізоляторів - 10, 13.

У конструкції системи піддуву використаний “ежекторний ефект“ витікання газу з анодного отвору для створення додаткового розрідження в міжелектродному просторі. Імпульсні ВАХ ЕГГ-6 (рис.13.) мають вигляд прямих у подвійному логарифмічному масштабі U = f(I) й апроксимуються у вигляді вираження

I=242,6•10-1,03•U-0,85, (16)

де I - струм розряду, А; U - прискорювальна напруга, кВ.

Для технологічних цілей, була створена НГЕГ типу ЕГГ-16 (рис.14). Вона містить: 1-катодний блок; 2- ізолятори; 3 - анодний блок; 4 -фокусуючу й відхиляючу системи.

Експериментальні ВАХ ЕГГ-16 в імпульсному режимі (рис.15) у логарифмічному масштабі являють собою прямі з різним нахилом залежно від тиску гелію і описуються функціями виду I = f(P)•Um, де f(P) - функція тиску P; m - показник статечної функції. На підставі вимірів були розраховані показники ступеня m. Так для алюмінію показник m склав - 1.4; маловуглецевої стали - 0.95; графіту - 0.43.

Особливістю конструкції високовольтних ЕГГ-14 і ЕГГ-14а для роботи в імпульсному режимі при високих прискорювальних напругах ЕП U 100кВ є використання в проміжку анод-катод фокусуючих електродів з метою забезпечення рівномірності розподілу електричного поля й збільшення електричної міцності.

НГЕГ типу ЕГГ-9 разом із системою фокусування й відхилення Е. ВАХ ЕГГ-9 (рис.16) показують ріст крутості зі збільшенням тиску. Так якщо при Р1=23,3Па вона становила величину S1=0,01мА/В, то при Р2=266Па - S2=0,031мА/В. Ріст крутості, імовірно, пов'язаний з ростом коефіцієнта об'ємної іонізації електронами атомів газу з ростом тиску.

Одним зі шляхів підвищення потужності ЕП у низькому вакуумі є створення багатопроменевих НГЕГ. Для цих цілей були створені багатопроменеві гармати: ЕГГ-7, які інжектують шість циліндричних пучків і ЕГГ-24, що генерує конусний пучок, який складається з п'яти збіжних циліндричних електронних пучків. Експериментальними дослідженнями ЕГГ-7 і ЕГГ-24 було доведено, що знайдені закономірності підвищення робочого тиску для однопроменевих НГЕГ справедливі й для багатопроменевих гармат. За рахунок зміни форми катода, анода й конфігурації анодних отворів відкривається можливість одержання ЕП довільної форми, що, безсумнівно, є їхнім істотним достоїнством.

Для нагрівання газових потоків у низькому вакуумі, вирощування кристалів, зонної плавки й була створена конструкція кільцевої НГЕГ ЕГГ -25 що створює дисковий ЕП. В гарматі спостерігається висока крутість характеристики S?0.75мА/В в порівнянні з однопроменевими, де S?0.01мА/В. Це зв'язано зі значно більшою робочою площею катода в пучках дискового типу.

На підставі результатів металографічних досліджень алюмінієвих катодів ГЕГ, що відробили термін дії, уперше виявлено вплив на довговічність катода структури й фазової сполуки матеріалу його поверхневого шару [12, 41]. Розрахунки виконані для алюмінієвого катода показали, що товщина приповерхнього шару катода істотна для емісії електронів лежить у діапазоні 1,2...1,6 нм. Вона оцінювалася згідно рівності

=1,9.10-7A-1.Z 2-0,6, см, (17)

де A - атомна маса матеріалу катода; - щільність матеріалу катода; Z2 - атомний номер матеріалу катода.

Фазові й структурні дослідження показали, що основною причиною скорочення терміну дії ГЕГ є робота його катода з великим тепловим навантаженням (). Це приводить до режиму неселективного випару атомів з поверхні, внаслідок чого під дією іонного бомбардування на поверхні створюється розгалужена система тугоплавких окісних плівок крізь які на поверхню катода у вигляді круглих крапель або горбків неправильної форми видавлюється алюміній [12]. В зв'язку з тим, що інтерметаліди більше стійкі до випару, чим основний компонент алюміній, на поверхні катода відбувається також поступове оголення інтерметалідів (рис.21). Ці процеси приводять до виникненням на поверхні катоду ерозірованого слою, з тугоплавких окислів та інтерметалідів алюмінію і різкого погіршення емісії електронів і виходу катода з ладу.

При дослідженні НГЕГ в імпульсному режимі виявлена наявність статистичного часу запізнювання tc (рис.22) імпульсу струму після подачі імпульсу напруги, часу формування tф струму до сталого значення й часу деіонізації розряду tД [14 - 17].

Запропоновано час запізнювання tc у НГЕГ розраховувати по наступній формулі:

tc=Ф-1•хе-1={1-{г[exp(?б•dx)]}-1}-1•t-1•ln(K/k), (18)

де Ф- імовірність запалювання ВТР; хе -швидкість утворення первинних електронів; - коефіцієнт об'ємної іонізації електронів; Х -відстань, пройдена електроном; t -час початку запалювання ВТР; К - загальне число випробувань; к- число випробувань, коли імовірність появи tc >t дорівнює к/К [15].

Експериментальні дослідження дозволили виявити ряд закономірностей що характеризують tС. Так зі збільшенням тиску газу Р и величини U/U3 час tс зменшується. Останнє пов'язане зі зменшенням при росту U.. При U>Ui, де Ui - потенціал іонізації газу, коефіцієнт стає пропорційним кількості електронів у молекулі. Тому гелій у порівнянні з повітрям (рис.23) має менші значення , і більші значення часу запізнювання tc.

Знайдено вираження, що описує час формування tФ струму розряду в НГЕГ у вигляді [16]

tФ=(фi / G)ln(1+G(iN+i0)), (19)

де фi=PX2/KiUA, Кi - рухливість іона.

Експериментальні дослідження показали, що час tф НГЕГ зростає з ростом Р гелію. Збільшення прискорювальної напруги приводить до зменшення tф.

У роботі досліджені процеси відновлення електричної міцності міжелектродного простору НГЕГ після гасіння ВТР [14]. Доказано, що величина часу деіонізації td~Р-1. Для зменшення td, доведена доцільність введення в гелій 5% водню, що дозволяє майже на порядок знизити час деіонізації. Це явище пов'язане з тим, що у водні не виникають метастабільні атоми затримуючі час деіонізації, а в суміші з гелієм вони виводять атоми гелію зі збудженого стану.

При дослідженнях НГЕГ в імпульсному режимі [25] при високих тисках (250…3000 Па) на передньому фронті імпульсу струму виявлено виникнення короткочасного по тривалості (tи<1 мкс) режиму генерації високоенергетичного ЕП. Спостерігається зменшення тривалості tи цього імпульсу при збільшенні тиску Р . Це явище очевидно пов'язане з існуванням ефекту «втікання» електронів при роботі НГЕГ [2, 37]. Для переводу електронів у режим втікання з імовірністю рівній одиниці повинен виконуватися критерій Драйсера

E/p > (E/p)кр = 2540 Z/J, В/Па•м, (20)

де Z - повне число електронів у молекулі газу, J - усереднена енергія порушення електронів, що входять у молекулу газу. Результати розрахунку показують, що величина (E/p)кр має для гелію значення 40 В/Па•м. В умовах нашого експерименту (E/p)>>(E/p)кр. Зменшення tи з ростом Р очевидно пов'язане зі зростанням частоти зіткнень електронів і зменшенням довжини їхнього пробігу з ростом тиску.

НГЕГ працює в режимі ВТР і іонного фокусування і в режимі плазмо-пучкового розряду (ППР)

Електрони пучка взаємодіють із плазмою й ефективно віддають енергію електронам плазми у випадку виконання умови запалювання ППР:

5ЕН<РЕ(nВ/nЕ)1/3, (21)

де ЕН - частота зіткнень електронів плазми з нейтралами, nВ -концентрація електронів пучка, nЕ - концентрація електронів плазми, РЕ - ленгмюрівська електронна частота плазми.

Експериментально досліджені границі області запалювання ППР при різних тисках P залежно від струму (рис.29) і потужності (рис.30) ЕП при різних діаметрах анодного отвору [3]. Підвищення тиску робочого газу приводить до зростання струму й потужності ЕП, необхідних для запалювання ППР. Результати досліджень показали можливість одержання ППР із використанням НГЕГ у діапазоні тисків 10...133 Па з виникненням плазмового утворення з , що займає весь об'єм вакуумної камери.

У п'ятому розділі наведені результати дослідження використання НГЕГ для проведення активних експериментів по інжекції ЕП з борта літальних апаратів з метою дослідження геофізичних процесів у верхніх шарах атмосфери на висотах 30-80 км [4, 5, 6, 33-35, 47, 52]. Зокрема для дослідження умов відновлення озонового шару: генерації озону й розщеплення фтористих сполук і галогенів. На основі НГЕГ був створений автономний імпульсний електронний прискорювач (АІЕП). Вибір режиму роботи АІЕП здійснювався з використанням розрахованої довжини пробігу ЕП у верхніх шарах атмосфери в діапазоні висот ~ 10…100 км для різних енергій.

Основні параметри АІЕП наступні: діапазон робочих висот прискорювача - ; енергія ЕП - We 10...80 кэВ; тривалість імпульсу - tu?5 мкс; частота проходження -fсл=50…400 Гц; потужність ЕП в імпульсі - Ри=106 Вт; питома напруга -UAB=60 B.

Структурна схема АІЕП містить: блок живлення - БЖ; перетворювальний блок - ПБ; високовольтний імпульсний генератор - ВІГ; електронну газорозрядну гармату - ЕГГ; систему піддуву газу СПГ; блок керування й телеметрії - БКТ; електронний пучок - ЕП. Прискорювач скомпонований у герметичному, циліндричному контейнері (рис.32) з максимальним діаметром 300 мм і висотою 978 мм. У якості НГЕГ у прискорювачі використовувалися ЕГГ-5, ЕГГ - 6 і ЕГГ - 14. Лабораторні випробування АІЕП проводилися з використанням діелектричної скляної вакуумної камери в яку інжектувався ЕП. Експериментально доведена можливість роботи прискорювача без нейтралізатора заряду за рахунок іонної компенсації.

Проведено цикл експериментальних досліджень по вибору раціонального режиму роботи НГЕГ в АІЕП, що відповідає граничним аеростатним висотам, які показали його працездатність і відповідність розрахунковим параметрам.

У шостому розділі наведені результати дослідження й методики використання НГЕГ створених для рішення наступних завдань аеродинамічного експерименту: високотемпературних випробувань тепло захисних покриттів і нагрівання аеродинамічних моделей (ЕГГ-9); візуалізації газових потоків, що обтікають аеродинамічну модель (ЕГГ-6, ЕГГ-14, ЕГГ-14а, ЕГГ-16); нагрівання й іонізація газових потоків (багатопроменева - ЕГГ-24 і кільцева - ЕГГ-25) [43, 44].

Експериментальними дослідженнями доведена ефективність використання НГЕГ для моделювання умов входу літальних апаратів в атмосферу при тисках від 1 до 150 Па й випробування теплозахисних покриттів.

. Модель мала форму диска діаметром - 72 мм і товщиною - h (13) мм. Із графіків (рис. 33) видно, що зі збільшенням NУД ЕП зростає швидкість нагрівання моделі. При цьому залежність (Т/t) =f(NУД) нелінійна, що пов'язане з нелінійною залежністю відводу тепла з ростом температури. Складено методику розрахунку теплових полів моделі при нагріві ЕП у стаціонарному й імпульсному режимах.

Візуалізації газових потоків складається в порушенні молекул газу ЕП. По інтенсивності випромінювання можливо оцінити щільність газу. При цьому інтенсивність зондувального пучка в лінійній області , де інтенсивність ЕП; щільність газу, коефіцієнт поглинання; відстань пройдена пучком. Діапазон прискорювальних напруг, для реалізації пристроїв візуалізації газових потоків, становить 20...90 кВ, струм пучка - , робочий тиск Експериментальні дослідження з використанням ЕГГ-6, ЕГГ-16 показали можливість виміру щільності в різних крапках газового потоку в діапазоні від 10-8…10-7г/см3 з точність 2% за 2 с. Локальні зміни щільності потоку газу приводять до зміни розсіювання й поглинання електронів, що дозволяє створювати на люмінесцентному екрані тіньове зображення струменя [56].

...