Экспериментальные исследования потока ускоренных ионов и его взаимодействия с обтекаемыми моделями Текст научной статьи по специальности «Физика»

_______ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том II 1971

№ I

УДК 533.60.118

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОБТЕКАЕМЫМИ МОДЕЛЯМИ

Г. И. Сапожников

Для моделирования условий полета в ионосфере получен бес-столкновительный поток ионов со скоростями 10е см/сек и исследованы его параметры. Приведены результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик моделей в потоке плазмы.

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ

Для экспериментального изучения взаимодействия плазмы с движущимся в ней телом представляет интерес получение бесстолкновительного потока быстрых ионов (V = 10е см/сек).

В ряде экспериментальных работ [1—3] описано проникновение плазмы из газоразрядного источника в вакуумную область. При этом обнаружен интенсивный поток быстрых ионов с энергией, соответствующей анодному напряжению.

В данной статье приведены результаты исследования параметров ионного потока, полученного на источнике упомянутого типа. Схема источника представлена на фиг. 1. Между вольфрамовым катодом прямого накала 2, находящимся под потенциалом земли, и анодом 4 горит разряд, зажигание которого облегчается присутствием анодной диафрагмы 3. Вдоль источника наложено магнитное поле, создаваемое катушкой

5. По оси плазма ограничена выходной диафрагмой 6 и отражателем /, находящимися под потенциалом катода. В качестве рабочего газа использовался аргон. Работа источника характеризовалась

следующими параметрами: анодное напряжение 60 в, разрядный ток 1 а, напряженность магнитного поля 500 э, давление в разряде 2 ■ 10 2 мм рт. ст., расход „ _ л-мм рт. ст.

газа 2-10-2-Ю-з---------С—------ .

сек

Поток плазмы через выходную диафрагму 6 (диаметр отверстия 10 мм) поступал в рабочую камеру, давление в которой составляло 10—4 мм рт.ст, Здесь проводилась его диагностика зондом-анализатором [4] и электростатическим зондом [5].

Фиг. 1

Электростатическим зондом определялась электронная температура в потоке. Установлено, что на расстояниях, больших 3 см от выходной диафрагмы источника, электронная температура практически не меняется ни вдоль оси, ни по радиусу, оставаясь равной 5 эв (в энергетических единицах). При этом измерения температуры вдоль оси проводились до расстояния 20 см от выходной диафрагмы источника, а по радиусу — до стенки рабочей камеры (20 см от оси).

Энергия ускоренных ионов определялась с помощью зонда-анализатора. На фиг. 2 в произвольном масштабе показана кривая задержки ионного тока на зонд-анализатор и соответствующая функция распределения ионов по энергиям для анодного напряжения 60 эв. Как следует из графика, средняя энергия направленного движения потока приближенно соответствует анодному напряжению, а полуширина продольного энергетического разброса составляет 50% сред-

ней энергии - = 50И . Найдем, какой относительной величине хаотиче-

ской скорости и* соответствует такой энергетический разброс. Для этого отно сительную величину энергетического разброса представим в виде

нялся. Это, по-видимому, указывает на то, что разброс ионного потока по энергиям определяется условиями в разряде и механизмом ускорения и не зависит от процессов, происходящих в ускоренном потоке.

Аксиальное распределение плотности ионов в потоке, найденное по току на коллектор зонда-анализатора с учетом прозрачности сеток и средней скорости потока, представлено на фиг. 3. Параметром на этом графике является давление в разряде. Как видно из графика, плотность ионов быстро падает при удалении от источника и на расстоянии 10 см от выходной диафрагмы источника при токе разряда 1 а составляет величину (2-|-4)-109 см~3 в зависимости от давления. Поскольку при достаточно низком давлении в источнике (10 з мм рт. ст.) столкновения на выходе из него редки и не могут оказывать влияния на убыль ионной плотности вдоль оси потока, то, по-видимому, причиной убывания ионной плотности является перпендикулярная к оси составляющая скорости потока V*. Из уравнения сохранения потока вдоль оси следует:

(V + г/*)2 — (у — V*)2

Е Е

V

(О

где N (х) и 7У0 — соответственно ионная плотность в точке на оси, удаленной на расстояние л: от выходной диафрагмы источника, и плотность на выходе из источника, а й — диаметр выходной диафрагмы источника.

Пусть на расстоянии хг от выходной диафрагмы плотность потока равна Л^, а на расстоянии х2 составляет Л^, тогда из соотношения (I) следует:

N.

1+2-

V*

14-2 —

' V

V* 1

Оценка отношения -=- , проведенная по этой формуле, дает значение—

Ч) V

Поскольку отношения к*/!’, определенные по продольному энергетическому разбросу и радиальному разлету потока, совпали, то, по-видимому, функция распределения по скоростям ионов в потоке близка к сферической.

На фиг. 4 в произвольном масштабе представлено распределение ионного тока по радиусу потока.

Параметром на этом графике является расстояние от выходной диафрагмы источника. Как следует из графика, распределение тока по радиусу имеет резко выраженный максимум на оси, причем с удалением от выходной диафрагмы относительная высота максимума убывает.

Фиг. 4

(2)

ОБТЕКАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПОТОКОМ ПЛАЗМЫ

Спутник, движущийся в ионосфере, испытывает сопротивление как со стороны нейтральных частиц, так и со стороны ионов. При этом ионное сопротивление может существенно отличаться от сопротивления в нейтральной среде той же плотности, что связано с электрическим взаимодействием между спутником и ионами.

В ряде экспериментальных работ [5, 6] были проведены измерения сопротивления моделей в ионном потоке, показавшие существенную зависимость сопротивления от потенциала модели. Эти измерения проводились в потоках относительно малой плотности при значении безразмерного параметра я/0=10, где а — радиус модели, И — дебаевская длина. В данной статье описано исследование сопротивления моделей в зависимости от поданного на них отрицательного потенциала в ионном потоке большей плотности, моделирующем полет спутника диаметром 1 л в нижних слоях ионосферы (ниже 1000 км), а также рассматривается характер обтекания сферы ионным потоком.

Экспериментальные исследования проводились в описанном выше потоке ионов аргона, позволяющем моделировать следующие условия обтекания: а еу Е

-^- = 50; —= 0-|-2; = 12, где <р — потенциал модели относительно потока,

е — заряд электрона, Е — средняя энергия ионов, Те — электронная температура, & — постоянная Больцмана.

На этой экспериментальной установке были измерены силы, действующие на модель в ионном потоке, определена зависимость тока на сферу от ее диаметра и измерено распределение плотности ионного тока на сферу.

Схема весовых измерений приведена на фиг. 5. Весы маятникового типа представляли собой жесткий стержень, закрепленный на оси 4. На одном конце стержня устанавливалась модель 5, а на другом — противовес 3, регулировкой которого можно добиться требуемой чувствительности весов. Отклонения моде-

лей измерялись с помощью оптической системы, состоящей из линзы 2 (фокусное расстояние 75 мм) и измерительного микроскопа 1. В качестве моделей использовались изготовленные из алюминиевой фольги сфера, диск и конусы с полууглами раствора 8=15° и 30°. Диаметр миделя всех моделей одинаков и равен 20 мм.

На фиг. 6 приведены экспериментальные значения сопротивления моделей в зависимости от ср. При этом ср отнесено к средней энергии потока (Е = 60 эв), а сопротивление модели — к ее сопротивлению при ср = 0. Точность относительных измерений составляла примерно 10%. Как следует из графика, сопротивление моделей не зависит от их формы и при заданных условиях довольно слабо зависит от потенциала <р. Этот вывод отличается от результатов работы [6], полученных при а/О = 10 (пунктирная кривая на фиг. 6).

Фиг. 5

&

5

т+т)

Р(0)

05

• сфера

• вися

• конус,аЧ5‘

. * 30‘

е<р

~Г

Фиг. 6

В работе [6] предложена эмпирическая формула

/=■ (0) -Ь Е (Ч) Е(0)

н- -

1 — ехр

V к Те )

а

Эта формула хорошо описывает как результаты эксперимента, приведенные в работе [6], так и результаты численных расчетов [8]. Для проверки этой формулы при а\Б — 50 на фиг. 6 сплошной кривой даны результаты расчетов по ней для рассматриваемых здесь условий опыта. Как видно из графика, результаты расчетов совпадают с экспериментальными в пределах точности измерений (10%).

Для выяснения вопроса о характере обтекания сферы при ср = 0 определялся ионный ток /0 на сферы различного радиуса при нулевом потенциале сферы. На фиг. 7 представлена зависимость /0, выраженного в относительных единицах, от квадрата диаметра й сферы. Как следует из графика, ионный ток при нулевом потенциале пропорционален квадрату диаметра сферы, т. е. площади ее миделя.

Кроме того, измерялось распределение плотности ионного тока j (В) на различные участки сферы с помощью электростатического зонда, расположенного заподлицо с поверхностью сферы. На фиг. 8 представлена эта зависимость, отнесенная к плотности ионного тока на зонд, при полярном угле 0 = 0. Эта

вФ

зависимость получена при —= 0 и 2. Как следует из графика, ионы попадают только на полусферу, обращенную к потоку. Распределение плотности ионного тока на полусферу практически точно следует косинусоидальной зависимости, что соответствует распределению в свободномолекулярном потоке при М = со.

Распределение ионного тока на сферу по полярному углу позволяет полагать, что характер обтекания сферы ионным потоком при имевшихся условиях практически не отличается от обтекания свободномолекулярным потоком нейтралов.

Автор признателен М. Н. Когану за внимание к работе и полезные замечания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Габович М. Д. Плазменные источники ионов. Киев, Изд.

АН УССР, 1964.

2. Габович М. Д., Романюк Л. И., Лозовая Е. А.

Проникновение плазмы из источника с осцилляцией электронов в вакуумную область с магнитным полем. ЖТФ, т. XXXiV, вып. 3, 1964.

3. Габович М. Д., Романюк Л. И., Лозовая Е. А.

Образование в плазме, выходящей из ионного источника. ЖТФ,

т. XXXV, вып. 1, 1965.

4. Ионов Н. И., Тонтегоде А. Я. Исследование плазмы многоэлектродными зондами. ЖТФ, т. XXXIV, вып. 5, 1964.

5. Collected Works of Irving Langmuir, ed. G. Suits, v. 4. New York, 1961.

6. Нечтел, Питтс. Экспериментальное исследование сопротивления движению спутников, обусловленного электрическими силами. „Ракетная техника и космонавтика", № 6, 1964.

7. Clay den W. A., Hurdle С. V. An experimental study

of plasma-vehicle interaction. Rarefied Gas Dynamics, New York — London,

Acad. Press. 1967.

8. Масленников М. В., Сигов Ю. С., Чуркина Г. П. Численные эксперименты по обтеканию тел различной формы разреженной плазмой. „Космические исследования", т. 6, № 2, 1968.

Рукопись поступила 29jXII 1969 г.