Исследование ресурсных характеристик ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов бесконтактным методом

Дышлюк, Евгений Николаевич

Исследование ресурсных характеристик ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов бесконтактным методом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Дышлюк, Евгений Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование ресурсных характеристик ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов бесконтактным методом»

Автореферат диссертации на тему "Исследование ресурсных характеристик ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов бесконтактным методом"

на правах рукописи

Дышлюк Евгений Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕСУРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСКОРИТЕЛЯ ПЛАЗМЫ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ

01.04.08 - Физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2008

003450591

Работа выполнена в федеральном государственном унитарном предприятии "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша"

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Горшков Олег Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор

Протасов Юрий Степанович

доктор технических наук Карабаджак Георгий Февзиевич

Ведущая организация: Государственный научный центр

Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Защита диссертации состоится «26» и0911к)% 2008 года в на заседании диссертационного совета 'Д 212.156.06 при Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32, корпус В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института (государственного университета).

Автореферат разослан <<ЗЬ>ОШ^А2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета } Н.П. Чубинский

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена разработке бесконтактного метода исследования скорости эрозии разрядной камеры ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) в режиме реального времени.

Актуальность работы.

Электроракетные двигатели находят широкое применение как в составе электроракетных двигательных установок, предназначенных для управления движением космических аппаратов, так и для решения технологических задач, связанных, например, с ионно-пучковой обработкой материалов. Среди всех типов электроракетных двигателей ускорители плазмы с замкнутым дрейфом электронов, известные также как холловские двигатели, обладают наилучшими энергомассовыми характеристиками и кпд для решения ряда задач в космосе в диапазоне удельных импульсов 1500...3000 с. Несмотря на малую тягу УЗД (десятки миллиньютонов)^ за счет длительного времени работы (тысячи часов), возможно достижение большого суммарного импульса.

В настоящее время основной причиной, ограничивающей ресурс УЗД, является эрозия разрядной камеры ускорителя. Этот процесс вызван воздействием высокоэнергетических ионов на материал стенки камеры. Скорость эрозии зависит от многих параметров: геометрии разрядной камеры и режимов работы ускорителя, топологии магнитного поля, состава, геометрии и температуры распыляемых частей и т.д. В связи со сложностью учета всех этих процессов -не удается создать модель, адекватно описывающую характер' изменения скорости эрозии, и для ее определения применяются экспериментальные методы.

Наиболее надежным способом определения ресурсных характеристик УЗД являются длительные ресурсные ' испытания. Продолжительность таких испытаний составляет тысячи часов, а стоимость сопоставима с затратами на разработку самого ускорителя. Существуют также методы укороченных ресурсных испытаний, позволяющие на основании информации о скорости эрозии разрядной камеры в течение некоторого начального времени работы . осуществить прогноз ресурсных характеристик. При укороченных ресурсных испытаниях используется информация о скорости эрозии разрядной камеры ускорителя, полученная при помощи прямых измерений, то есть по изменению геометрии или массы распыляемых частей разрядной камеры. В связи с малостью скорости эрозии, для ее надежного определения требуется значительное время наработки ускорителя (порядка 100 ч).

Скорость эрозии зависит от большого количества параметров и выбор режима с наилучшими ресурсными характеристиками на ранних этапах отработки УЗД является очень кропотливой и дорогостоящей задачей. В связи с этим актуальна задача разработки метода определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД в режиме реального времени. Целью работы является исследование потока плазмы УЗД применительно к созданию метода определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД в режиме реального времени.

Основными задачами, решаемыми в работе являются:

1. Исследование локальных характеристик плазменной струи УЗД и определение модели интерпретации результатов спектроскопических измерений. Необходимо связать интенсивность излучения спектральных линий распыляемых элементов разрядной камеры УЗД со скоростью эрозии.

2. Разработка и создание стендовой системы, позволяющей проводить необходимую диагностику плазменной струи УЗД.

3. Экспериментальная проверка достоверности данного метода диагностики, определение его точности и границ применимости.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана и внедрена процедура учета изменения коэффициентов скоростей возбуждения исследуемых спектральных переходов, что важно в условиях диагностики скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры УЗД. При определении изменения коэффициентов скоростей возбуждения использован метод "оптического термометра", при этом, интерпретация спектра нейтральной компоненты рабочего газа впервые для УЗД с диэлектрическими стенками разрядной камеры основана на современной столкновительно-излучательной модели, позволяющей повысить точность спектроскопической диагностики.

2. Предложен способ определения концентрации нейтральной компоненты рабочего газа вблизи среза ускорителя, основанный на экспериментальных данных о тепловых режимах разрядной камеры с последующим расчетом динамики нейтральной компоненты газа, истекающей из УЗД, и экспериментальных данных об энергетическом спектре ионов в плазменной струе за срезом ускорителя. Предложенный способ позволяет с высокой точностью определять концентрацию опорного элемента - нейтральной компоненты рабочего газа в области исследования.

3. Определен коэффициент, отвечающий за изменение скорости и состава распыляемых атомов бора, при изменении энергии

распыляющих ионов, для чего проведены испытания УЗД при различных напряжениях разряда с измерением скорости эрозии прямым и оптическим методами, что позволило распространить предлагаемый метод на исследование скорости эрозии разрядной камеры УЗД при различных напряжениях разряда. Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением данных, полученных предложенным методом, с данными, полученными прямым методом измерения скорости эрозии разрядной камеры УЗД, а также путем анализа погрешностей измерений.

Практическая ценность результатов данной работы заключается в том, что предложенный метод диагностики позволяет значительно (в несколько раз) сократить время проведения испытаний по определению скорости эрозии на предварительных этапах отработки УЗД, а также позволяет в режиме реального времени отслеживать изменения скорости эрозии в ходе проведения ресурсных испытаний. На защиту выносятся:

1. Метод определения скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры УЗД, основанный на использовании опорных линий нейтральной компоненты рабочего газа и позволяющий учитывать изменения коэффициентов скоростей возбуждения исследуемых спектральных линий и изменение концентрации опорного элемента в области исследования.

2. Результаты экспериментов по определению скорости эрозии диэлектрической разрядной камеры УЗД в ходе ресурсных испытаний и при изменении режимов работы ускорителей.

3. Результаты экспериментальных исследований по определению коэффициента, отвечающего за изменение скорости и состава распыляемых атомов бора, при изменении разрядного напряжения ускорителя.

Апробация работы и научные публикации.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 47"ои, 48"°и и 49"си открытой конференции Московского физико-технического института в 2004, 2005, 2006 гг.; 10"°м международном конгрессе двигателестроителей в 2005 г.; 17"ои научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в 2005 г.; 5"°м Российском семинаре "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" в 2006 г.; 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference в 2006 г.; конференции "Актуальные вопросы планетных экспедиций" в 2006 г; 35th International Electric Propulsion Conference в 2007 г; научных семинарах Центра

Келдыша. Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 14"™ печатных работах. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, З'х глав и заключения, содержит -116 машинописных листов, включающих 60 рисунков, 6 таблиц и список используемой литературы из 106 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, кратко излагается содержание диссертации по главам.

Первая глава диссертации содержит обзор современного состояния исследований в области оптической диагностики плазмы ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. Описаны существующие подходы к оптической диагностике скорости эрозии разрядной камеры УЗД.

Единственным бесконтактным методом, применяемым в настоящее время для определения скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры УЗД является метод эмиссионной спектроскопии. Существующие подходы в рамках данного метода диагностики используют большое количество предположений, нуждающихся в дополнительной проверке. Среди основных недостатков предложенных моделей можно выделить следующие: предположение о неизменности коэффициентов скоростей возбуждения исследуемых спектральных переходов, использование простейшей - корональной модели при интерпретации спектра, предположение о неизменности скоростей и зарядового состава распыляемых атомов и т.д. Использование этих предположений должно значительно ограничить точность и границы применимости предложенных методов диагностики. Тем не менее, оценка точности представленных методов диагностики не проводилась, а сравнения скоростей эрозии, измеренных прямым и спектроскопическим методом, представлены далеко не во всех работах.

На основе проведенного анализа опубликованных ранее работ были сформулированы задачи данного исследования и основное направление работ для их решения.

Вторая глава диссертации посвящена изучению физических аспектов исследуемого плазменного объема, предлагается и обосновывается метод определения скорости эрозии разрядной камеры ускорителя, проводится анализ погрешности предлагаемого метода.

Для установления связи скорости эрозии с интенсивностью линий распыляемых элементов разрядной камеры необходимо решить две задачи: 1 - связать концентрацию распыляемых частиц в области наблюдения с интенсивностью излучения их спектральных линий и 2 - связать концентрацию распыляемых частиц непосредственно со скоростью эрозии.

Для определения скорости эрозии используются спектральные линии бора, входящего в состав распыляемых элементов разрядной камеры УЗД. Наиболее интенсивные линии нейтрального бора находятся в ультрафиолетовой области спектра 249.68, 249.77 нм и соответствуют резонансному дублетному переходу. Проведенные оценки показали что, плазму вблизи среза УЗД можно считать оптически тонкой в резонансных линиях бора.

При условиях достаточно разреженной плазмы вблизи среза УЗД, при интерпретации спектра традиционно применяется модель коронального равновесия. Для определения концентрации распыляемых частиц посредством измерения интенсивностей их спектральных линий в рамках корональной модели необходима информация о концентрации плазмы и температуре электронов (функция распределения электронов по скоростям считается максвелловской) в области наблюдения. Так как зондовые измерения концентрации плазмы и температуры электронов вблизи среза УЗД сложны и могут вносить изменения в режим работы ускорителя, для учета изменения концентрации плазмы предпочтительной представляется чисто спектроскопическая методика, предложенная Г.Ф. Карабаджаком. Использование "опорных" спектральных линий рабочего газа ускорителя позволяет избавиться от необходимости иметь информацию о концентрации плазмы в области исследования, при условии, что концентрация опорного элемента была определена другим независимым методом.

В данной работе в отличие от работ Г.Ф. Карабаджака, использующего линии ионизованной компоненты рабочего газа в качестве опорных, используются линии нейтральной компоненты рабочего газа. Использование линий нейтральной компоненты рабочего газа позволяет учитывать изменения коэффициентов скоростей возбуждения при изменении температуры электронов в области исследования, благодаря наличию данных по сечениям возбуждения.

При изучении спектральных линий ксенона в плазме УЗД существуют ограничения на применение корональной модели. На основании анализа, параметров плазмы в исследуемой области и спектральных переходов ксенона выбраны опорные спектральные линии (788.7, 828.01, 834.7 нм). Верхние уровни этих спектральных переходов не подвержены ступенчатому заселению через метастабильные уровни. Определена

столкновительно-излучательная модель, позволяющая связать интенсивность этих линий с локальными параметрами плазмы. Данная модель учитывает возбуждение за счет электронного соударения и соударения тяжелых частиц - одно- и двухзарядных ионов ксенона.

Для связи концентрации распыляемых частиц с интенсивностью исследуемых спектральных линий получено следующее соотношение:

QxAT') + Q'XeI(UP)+4rQxAUp)

ПВ, 00 ПХе,

1В1

л/Г

LXeI

".О)

где пы - концентрация бора, пХе, - концентрация нейтрального ксенона, 1В,

интенсивность

- интенсивность спектральной линии бора, .Хе1 спектральной линии ксенона, ()Хе1(Тг), @Хе, {ир), (2Хе,(ир) коэффициенты скоростей возбуждения ксенона электронами, одно и двукратно ионизованными ионами ксенона, ()в1 (Те) - коэффициент скорости возбуждения бора электронами, Тс - температура электронов, р -доля двухзарядных ионов ксенона в струе ускорителя.

Для определения температуры электронов в области исследования в данной работе применяется метод "оптического термометра". На рис. 1, 2 представлены смоделированные зависимости отношения интенсивностей спектральных линий 788.7, 828.01, 834.7 нм от температуры электронов.

5 ■

Рис. 1. Отношение интенсивностей линий Хе1828.01 /Хе! 834.68 нм.

Рис. 2. Отношение интенсивностей линий Хе1828.01 /Xel 788.74 нм Далее, используя данные о сечении возбуждения BI, моделируется отношение коэффициентов скоростей возбуждения из соотношения:

QxAT<) + Q'xAVM4:Q"xAUp)

входящего в (1).

Я*

0в,Ю

Рис. 3. Отношение коэффициентов скоростей возбуждения Хе!828.01Ш249.77 нм

Как видно из рисунка, при малых значениях температуры электронов наблюдается сильная зависимость отношения коэффициентов скоростей возбуждения от температуры электронов, что связано, прежде всего, с разницей энергий возбуждения исследуемых спектральных. Таким образом, учет изменения коэффициентов скоростей возбуждения важен при диагностике скорости эрозии в области струи вблизи среза УЗД, где температура электронов мала, даже при небольших изменениях температуры электронов.

Концентрация нейтрального газа в разрядной камере УЗД зависит от расхода рабочего газа в анод, геометрии и температуры стенок камеры. Характерная концентрация нейтральных частиц в разрядной камере УЗД составляет ~ 5-1019 м"3, скорость нейтральных частиц определяется температурой поверхностей, с которыми они взаимодействуют - анода и стенок разрядной камеры. Температура поверхностей разрядной камеры и анода определяется режимом работы ускорителя. Оценки показывают, что длина свободного пробега нейтральных частиц в разрядной камере ускорителя сравнима с размерами и, следовательно, в разрядной камере УЗД реализуется переходный режим течения нейтрального газа.

Для расчета концентрации нейтральных атомов ксенона в работе используется программа "GASEL" (A.A. Шагайда). Расчет макроскопических величин течения в данной программе производится по методу модельных уравнений. Релаксационный член берется в форме предложенной Бхатнагаром, Гроссом и Круком. Выбор этого модельного уравнения для проведения расчетов в программе "GASEL" обусловлен его простотой и экономичностью численных алгоритмов.

Интегральная форма данного кинетического уравнения, в стационарном случае имеет следующий вид :

где а - единичный вектор, по направлению совпадающий с вектором скорости V, - расстояние от точки г до границы области по направлению (-а).

Конкретная постановка задачи при проведении расчетов с помощью программы "ОА8ЕЬ" формулируется с учетом типа симметрии течения, формы и свойств граничных поверхностей и рода рассматриваемого газа.

На рис. 4 приведена картина распределения концентрации нейтрального ксенона лабораторной модели УЗД номинальной мощностью

я.

-qä)f0(r -qä,ö)exр -■ -sä)ds dq

1500 Вт в разрядной камере и вблизи среза ускорителя, полученная с помощью данной программы. Поток газа в анод равен 3.3 мг/с, температуры стенок разрядной камеры измерены термопарами.

камере УЗД

Основная ионизация рабочего тела происходит в относительно узкой части разрядной камеры УЗД. Как показывают исследования параметров плазмы в УЗД, основная часть падения потенциала сосредоточена внутри разрядной камеры УЗД, а оставшееся падение происходит уже за срезом УЗД, при этом вся или почти вся ионизация происходит внутри разрядной камеры ускорителя.

В зависимости от режима работы ускорителя меняется эффективность ионизации рабочего газа. Для учета эффективности ионизации вводится коэффициент использования рабочего тела - а равный отношению числа атомов, покидающих разрядную камеру в ионизованном виде, к общему числу атомов, поступающих в анод.

Коэффициент а определяется при измерениях энергоспектров ионов плазменной струи УЗД при помощи зонда с задерживающим потенциалом на различных углах от оси ускорителя. Кроме того, для определения а необходимо иметь информацию по зависимости доли двухзарядных ионов

в струе УЗД от разрядного напряжения, кпд и мощности разряда ускорителя.

Нейтральные атомы, не претерпевшие ионизацию в слое ионизации и ускорения, продолжают свое движение за срезом УЗД. Характерная концентрация нейтральных атомов ксенона вблизи среза УЗД пХе1 а 2-1018 м*\ Оценки показывают, что влияние эффекта резонансной перезарядки на концентрацию нейтральных частиц непосредственно вблизи среза УЗД

пренебрежимо мало (длина свободного пробега до перезарядки ~ 1 м).

Концентрация нейтрального газа, поступающего из ускорителя сравнима по порядку величины с концентрацией газа, образующегося в вакуумной камере после перезарядки ионов ксенона на стенках камеры. Следовательно, при исследовании нейтральной компоненты Хе1 необходимо принимать во внимание давление в вакуумной камере. Концентрация Хе1 в области исследования определяется по следующей формуле:

где п'у"]Р - концентрация ксенона в вакуумной камере во время работы ускорителя, Пщ4 - рассчитанная концентрация ксенона, истекающего из разрядной камеры УЗД.

При энергии распыляющих ионов, характерной для УЗД, распыление происходит в режиме первичного прямого выбивания с эмиссией первичных атомов отдачи и атомов отдачи более высокого порядка. При таком распылении увеличение скорости распыляющих ионов приводит к сдвигу энергетического спектра распыляемых частиц в сторону больших энергий, кроме того, при распылении диэлектрических материалов увеличивается доля частиц, распыленных в ионизованном виде.

В данной работе для определения влияния изменения скорости распыляющих ионов на скорость и состав распыляемых частиц проведены испытания УЗД при различных напряжениях разряда с измерением скорости эрозии прямым (по изменению массы распыляемых частей разрядной камеры) и оптическим методами. Определение подобной зависимости возможно, так как оба перечисленных эффекта приводят к уменьшению концентрации распыляемых атомов в области исследования при увеличении напряжения разряда. После введения коэффициента кфротвечающего за изменение скорости и состава распыляемых

атомов бора, от напряжения разряда ускорителя, скорость эрозии определяется из следующего соотношения:

'Я/

1Хе1

ОшЮ

• (2.7)

V У

В предложенном методе диагностики имеется ряд допущений, поэтому необходимо определить как те или иные ошибки параметров влияют на его точность. В ходе исследований было выяснено, что основные ошибки вносят неточности при определении изменения температуры электронов, связанные с погрешностью измерения сечений возбуждения исследуемых спектральных переходов (рис 5), а также погрешность определения концентрации нейтральной компоненты рабочего газа в области исследования, зависящая от условий эксперимента: давления в вакуумной камере, погрешности определения температуры стенок разрядной камеры и анода, погрешности определения положения области исследования, которая в свою очередь зависит от того, изменялось ли положение ускорителя в ходе проведения экспериментов. Суммарная относительная погрешность представленного бесконтактного

4 40

10 11 12 13 14 15 16 17 18 Т., эВ

20 21 22 23 24 25

Рис. 5. Среднее относительное отклонение измеряемой температуры Те

от Т при которой проводятся измерения методом "оптического термометра" по отношению интенсивностей линий Хе1 828.0/834.7 нм при вносимой случайной погрешности в сечения возбуждения а= 10%.

метода определения скорости эрозии зависит от условий эксперимента и обычно составляет величину ~ 15 %.

Третья глава диссертации посвящена разработке и созданию экспериментальной установки и экспериментальным данным, полученным в ходе верификации предложенного метода. Приводятся экспериментальные данные по исследованию скорости эрозии разрядной камеры ускорителей с замкнутым дрейфом электронов номинальной мощностью от 200 до 1550 Вт, как в неизменном режиме работы, так и при изменении основных параметров работы ускорителей: конфигурации магнитных полей и напряжения разряда.

Экспериментальные исследования проводились на криогенно-вакуумной установке КВУ-90, находящейся в Центре Келдыша.

На рис. 6 представлена схема экспериментальной установки.

Перед проведением исследований скорости эрозии был проведен анализ спектрального состава излучения плазменной струи УЗД, осуществлены измерения пространственных и временных распределений

интенсивностей исследуемых

спектральных линий. Исследования спектров позволили определить необходимое спектральное разрешение монохроматора, так, чтобы исследуемые линии не перекрывались крыльями соседних линий, при максимальном соотношении

сигнал/шум. Пространственные

измерения интенсивностей позволили выбрать область исследований, наилучшим образом подходящую для определения скорости эрозии. Эта область находится на расстоянии ~ 1 см от среза и соответствует области повышения концентрации плазмы.

На рис. 7 представлены временные распределения интенсивности линий бора и ксенона после начала работы ускорителя. Увеличение интенсивности линии бора по сравнению с интенсивностью линии ксенона связано с повышением скорости эрозии после прогрева поверхностного

Рис. 6. Схема экспериментальной установки. УЗД (1), вакуумная камера (2), зондовая система измерения параметров струи УЗД (3), затвор (4), кварцевое окно (5), кварцевая линза (б), зеркало (7), монохроматор (8), ФЭУ (9), усилитель (10), осциллограф (11).

слоя диэлектрических стенок разрядной камеры УЗД. Благодаря наличию зависимости скорости эрозии от температуры диэлектрика подобное измерение позволяет определить температуру распыляемой стенки (в данном случае ~ 500 °С спустя 50 секунд после начала работы).

1,7 ......... I I I I.....I I II I I I I I I I............. Т'ТТТ "1 ■ -|

1,6 1,5 1,4 . 1,3 ? 1,2

5 0,9

£ 0,8 а

* 0,7

I 0,6

0,3 0,2 0,1 О

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Время, с

Рис. 7. Временные распределения интенсивностей спектральных линий Измерение скорости эрозии бесконтактным методом в процессе ресурсных испытаний является крайне актуальной задачей. В настоящее время для контроля за скоростью эрозии при проведении ресурсных испытаний вакуумная камера периодически вскрывается и проводится измерение геометрии распыляемых частей разрядной камеры, при этом время, затрачиваемое На проведение ресурсных испытаний возрастает. Нарушаются условия постоянного пребывания ускорителя в безвоздушном пространстве, что может вести к увеличению скорости распыления диэлектрической разрядной камеры, т.к. пористая структура диэлектрика поглощает воздух, что может приводить, например, к химическим реакциям, влияющим на прочностные характеристики диэлектрика.

Для проверки достоверности данного метода при проведении ресурсных испытаний было выполнено несколько серий экспериментальных исследований по определению скорости эрозии бесконтактным и прямым методами. Измеренные в процессе данных испытаний скорости эрозии совпали в пределах погрешности измерений. При этом погрешность измерений бесконтактным методом при подобных испытаниях мала и составляет величину ~ 8-10 %, что связано с малыми изменениями основных измеряемых величин. На рис. 8 представлены результаты экспериментальных исследований, полученные в ходе 500-

-А _

интенсивность Ы ¿4У,// нм ноем.)

Интенсивность Хе1 828.01 нм (норм.)

Ц -

часовых ресурсных испытаний УЗД номинальной мощностью 900 Вт. Экспресс-оценка скорости эрозии бесконтактным методом позволила в ходе ресурсных испытаний оперативно подобрать режим работы УЗД с наилучшими ресурсными характеристиками.

2 1.8

ct о»

х 1.6 О

л к о о

|1.2

1 0.8

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Время работы ускорителя, ч

Рис.8. Сравнение скоростей эрозии разрядной камеры УЗД, определенных прямым и бесконтактным методами в ходе 500-часовых ресурсных испытаний

Другим, не менее важным направлением применения представленного метода диагностики является исследование скорости эрозии на предварительных этапах отработки УЗД при выборе режима работы с оптимальными ресурсными характеристиками. Скорость эрозии зависит от большого количества параметров и выбор режима с наилучшими ресурсными характеристиками является очень кропотливой и дорогостоящей задачей. Как правило, при разработке нового УЗД техническим заданием задаются такие величины как удельный импульс, кпд и суммарная мощность, что фактически определяет напряжение разряда, и основные геометрические размеры разрядной камеры ускорителя. При отработке нового ускорителя в основном изменяется конфигурация магнитного поля. На рис. 9 представлена зависимость скорости эрозии от токов во внутренней (1вн) и наружной (1нар) магнитных катушках лабораторной модели УЗД мощностью 900 Вт, полученная в

* Спектр, метод. Работа УЗД в режиме № 1 ■ Спектр, метод. Работа УЗД в режиме № 2 « Прямой метод определения скорости эрозии_

\ \ ч ч « L

-ч. •ч»

-----

течение одного рабочего дня. Для измерения подобной зависимости прямым методом необходимо затратить около 3-х месяцев непрерывной работы, что говорит об эффективности предлагаемого метода исследований.

Рис. 9. Зависимость скорости эрозии распыляемых частей разрядной камеры УЗД от токов во внутренней и наружной магнитных катушках

Проверка достоверности данного метода диагностики при изменении конфигурации магнитного поля осуществлялась при изучении влияния топологии магнитного поля на ресурсные характеристики УЗД. Изучалось четыре близких по выходным характеристикам режима работы ускорителя при различных соотношениях токов в магнитных катушках. Изучаемые режимы отличались как топологией, так и абсолютной величиной магнитного поля. Напряжение и ток разряда поддерживались на постоянном уровне. Время наработки составило около 100 часов для каждого из режимов. Скорости эрозии, измеренные для всех четырех режимов прямым и бесконтактным методами, совпали в пределах погрешности измерений.

Для определения влияния топологии магнитного поля на параметры работы УЗД использовалась, разработанная в Центре Келдыша, лабораторная модель ускорителя с магнитной системой, имеющей помимо двух традиционных магнитных катушек с магнитными экранами две дополнительные катушки со своими магнитными экранами. Схема с дополнительными магнитными экранами позволяет изменять не только градиент и положение максимума радиальной компоненты магнитного

поля, но также и форму силовых линий при фиксированном положении максимума магнитного поля. Это позволяет более детально исследовать влияние топологии магнитного поля на эффективность работы ускорителя.

Как показали экспериментальные исследования, проведенные ранее в Центре Келдыша, силовые линии магнитного поля, проходящие через зону с максимальным градиентом магнитного поля в направлении перпендикулярном силовым линиям магнитного поля (функция /г), проходят вблизи границы области распыления для обоих изоляторов. Линии для внутреннего и наружного изоляторов не совпадают, но они чаще всего центрированы, то есть, удалены на равное расстояние, относительно точки с максимальным градиентом магнитного поля. Линия для наружного изолятора лежит ближе к срезу УЗД.

В качестве изменяемых величин в ходе экспериментов были выбраны расстояние от среза ускорителя до точки с максимальным градиентом магнитного поля - Ь и разница в положении пересечений внутреннего и наружного изолятора силовой линией проходящих через точку с максимальным градиентом магнитного поля - ёг (ёг > 0, если пересечение силовой линии с внутренним изолятором лежит дальше от среза ускорителя, чем с наружным). При работе ускорителя мощность разряда оставалась неизменной (ир = 470 В, 1р = 1.8 А). При данной топологии магнитного поля (фиксированных Ь и с1г) по минимуму тока разряда подбиралось оптимальное значение максимума магнитного поля. Для экспериментального исследования в плоскости Ь-с1г было выбрано 20 точек. На рис. 10 показаны конфигурации поля с минимальной и максимальной скоростью эрозии (отличие скорости эрозии в 10 раз).

По результатам этой серии экспериментов показано, что скорость эрозии растет с увеличением глубины расположения слоя в ускорителе, и с увеличением перекоса магнитного поля (характеризуется ёг). Эта зависимость для каждого из параметров в отдельности носит слабый характер (см., например, рис. 11), так как она должна определяться неким комплексом этих параметров. Предложенная простая модель аппроксимации, учитывающая оба этих параметра одновременно, подтвердила это предположение. Таким образом, работа в направлении изучения влияния конфигурации магнитного поля на скорость эрозии должна быть продолжена, возможно, с учетом более "тонких" параметров магнитного поля, что, однако, выходит за рамки темы данной работы.

(а) (б)

Рис. 10. Силовые линии магнитного поля, цветом показано значение функции

^ , (а) - скорость эрозии минимальна, (б) - скорость эрозии максимальна.

Рис. 11. Зависимость скорости эрозии от В ходе экспериментов измерялись также все основные параметры работы УЗД и коэффициенты эффективности. Поиск линейных корреляций измеренных величин со скоростью эрозии показал, что наибольшая корреляция отмечена для коэффициентов отвечающих за потери тяги, вызванные угловым и энергетическим распределениями ионов плазменной струи УЗД (см рис. 12). Коэффициент корреляции составил -0.62 и -0.80 Для Уугл и Уонерг соответственно (коэффициент корреляции для Ь и ¿г

составил 0.40 и -0.43 соответственно). Возможно следующее объяснение полученных результатов: при худшей фокусировке потока ионов (коэффициент Ууа) большая их часть попадает на стенки разрядной

камеры, что приводит к увеличению эрозии. В случае с у возможно

обратное влияние: ион, попадающий на стенку разрядной камеры, вызывает эрозию и, отразившись обратно в виде нейтрала, может быть заново ионизован и ускорен, что отражается ухудшением у .

м- -1 4 — -н - V

— \ 4 -о сн- —1

>1 1

т, 4

н г

о Гамма_угл. Д Гамма_энерг. -Линейный (Гамма_угл.) --Линейный (Гамма_энерг.)

с—^ РЧ

1 1

1 2

90 90 5 91 91 5 92 92 5 93 93 5 94 94 5 95

Гамма, %

Рис. 12. Зависимость скорости эрозии от коэффициентов, отвечающих за потери тяги, вызванные угловым и энергетическим распределениями ионов плазменной струи УЗД. При проведении тарировочных испытаний для определения коэффициента к(1/р) (см. выражение 1) была проведена серия

экспериментов с измерением скорости эрозии прямым и бесконтактным методами при трех режимах работы ускорителя с разрядными напряжениями ир = 300, 500 и 700 В (при постоянной мощности разряда). Полученная зависимость скорости эрозии представлена на рис. 13. Разница между двумя верхними кривыми на данном рисунке и дает искомую зависимость для коэффициента к(ир). Получение данной зависимости

позволило распространить предлагаемый метод диагностики на исследование скорости эрозии диэлектрической разрядной камеры УЗД при различных напряжениях разряда.

Рис. 13. Зависимость скоростей эрозии, измеренных прямым и оптическим методами (с учетом изменения Те и без учета изменения Те) при изменении напряжения разряда УЗД

В заключении диссертации излагаются основные особенности работы, обобщаются полученные результаты и формулируются следующие выводы:

В работе решена задача создания метода бесконтактной диагностики скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры УЗД в режиме реального времени, имеющая существенное значение для успешной разработки новых образцов электроракетных двигателей на базе ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. Предложенный метод диагностики позволяет значительно (в несколько раз) сократить время проведения испытаний по определению скорости эрозии на предварительных этапах отработки УЗД, а также позволяет в режиме реального времени отслеживать изменения скорости эрозии в ходе проведения ресурсных испытаний.

распыляемых элементов разрядной камеры ускорителя и опорных линий нейтральной компоненты рабочего газа. Использование опорных линий позволяет учесть изменения локальных параметров плазмы (концентрации частиц, температура электронов), при наличии информации о концентрации опорной компоненты в области исследования.

В работе впервые разработана и внедрена процедура учета изменения коэффициентов скоростей возбуждения спектральных переходов распыляемых компонент, а именно атомов бора. При интерпретации спектра нейтральной компоненты рабочего газа впервые для УЗД с диэлектрическими стенками разрядной камеры использована современная столкновительно-излучательная модель, позволяющая повысить точность спектроскопической диагностики.

Для определения концентрации опорной компоненты в области исследования разработан подход, основанный на экспериментальных данных о тепловых режимах разрядной камеры с последующим расчетом динамики нейтральной компоненты газа, истекающей из ускорителя, и экспериментальных данных об энергетическом спектре ионов в плазменной струе за срезом ускорителя.

Впервые проведен анализ точности измерения скорости эрозии разрядной камеры УЗД оптическим методом.

Создана стендовая система, позволяющая проводить необходимую спектроскопическую диагностику плазменной струи УЗД. Проведены экспериментальные исследования пространственных и временных характеристик распределения интенсивностей спектральных линий Хе1, Хе11, В1 в плазме УЗД. Методом "оптического термометра" измерены распределения температуры электронов вблизи среза ускорителя.

Проведены измерения скорости эрозии диэлектрической разрядной камеры УЗД:

• при ресурсных испытаниях на неизменном режиме работы ускорителя, показано совпадение скоростей эрозии, измеренных прямым и спектроскопическим методами в пределах погрешности измерений;

• при изменении топологии и величины магнитного поля УЗД, показано совпадение скоростей эрозии, измеренных прямым и спектроскопическим методами в пределах погрешности измерений;

• при изменении разрядного напряжения ускорителя, благодаря чему впервые определена зависимость, позволяющая учесть изменение скоростей и зарядового состава, распыляемых из ВЫ атомов бора при изменении разрядного напряжения в диапазоне 300-700 В, что позволило распространить предлагаемый метод диагностики на исследование скорости эрозии диэлектрической разрядной камеры УЗД при различных напряжениях разряда.

На основании проведенной работы сделан вывод о возможности

применения данного метода бесконтактной диагностики для определения

скорости эрозии разрядной камеры УЗД.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Блинов Н.В., Головин Ю.М., Горшков O.A., Дышлюк E.H., Шагайда A.A. Спектроскопические исследования струи ХД с целью определения скорости эрозии ускорительного канала в ходе длительных ресурсных испытаний // Авиационно-космическая техника и технология. № 9. В. 25.2005. с. 152.

2. Дышлюк E.H. Определение скорости эрозии ускорительного канала холловского двигателя при помощи спектроскопических методов. Научно-технический сборник "Ракетно-космическая техника", серия 12: "Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем". 2006.

3. Dyshlyuk E.N., Gorshkov O.A. Spectroscopic Investigation of a Hall Thruster Ceramic Acceleration Channel Erosion Rate // Proc. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Sacramento. 2006. AIAA-2006-4660.

4. Горшков O.A., Дышлюк E.H. Спектроскопический метод измерения скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры холловского двигателя. Учебное пособие (лабораторная работа № 3 по курсу «Электрофизика»). Москва, Центр Келдыша. Заказ 72. 2007.

5. Belikov М., Gorshkov О., Dyshlyuk Е., et al. Development of Low-Power Hall Thruster with Lifetime up to 3000 Hours. // Proc. 35th Intern. Electric Propulsion Conf. Florence. 2007. IEPC-2007-129.

6. Дышлюк E.H. Измерение скорости эрозии керамической разрядной камеры ускорителя с замкнутым дрейфом бесконтактным методом в ходе длительных ресурсных испытаний. Электронный журн. "Исследовано в России". 153/071010.2007. с. 1760.

7. Горшков O.A., Дышлюк E.H., Шагайда A.A. К вопросу о возможности определения скорости эрозии разрядной камеры ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения методом эмиссионной спектроскопии. Журн. ТВТ. Т. 45. № 6. 2007. с. 825-831.

8. Горшков O.A., Дышлюк E.H. Исследование примесей в плазменной струе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов. Журн. Письма в ЖТФ. Т. 34. В. 8.2008. с. 77-84.

9. Беликов М.Б., Горшков O.A., Дышлюк E.H., Ловцов A.C., Шагайда. A.A. Разработка холловского двигателя малой мощности с ресурсом до 3000 часов // Космонавтика и ракетостроение, 2008, Вып. 3, С. 131-141.

Дышлюк Евгений Николаевич

Исследование ресурсных характеристик ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов бесконтактным методом

Автореферат

Подписано в печать)&_.{£^.2008 Формат 60x84 1/16, Усл. леч. Тираж 100 экз. Заказ № 23

Московский физико-технический институт (государственный университет) 141700, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., 9

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Дышлюк, Евгений Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Оптическая диагностика УЗД.

1.1. Принцип работы УЗД.

1.2. Оптические методы исследования УЗД.

1.2.1. Пассивная оптическая диагностика.

1.2.2. Активная оптическая диагностика.

1.3. Диагностика скорости эрозии разрядной камеры УЗД методом эмиссионной спектроскопии.

Глава 2. Бесконтактный метод определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД.

2.1. Выбор спектральных линий для диагностики скорости эрозии.

2.2. Учет изменения коэффициентов скоростей возбуждения исследуемых спектральных переходов.

2.3. Определение концентрации нейтрального ксенона в области исследований.

2.4. Оценка погрешностей.

Глава 3. Экспериментальные исследования плазмы УЗД методом эмиссионной спектроскопии.

3.1. Описание экспериментального оборудования.

3.2. Результаты экспериментов и их анализ.

3.2.1. Качественный анализ спектрального состава излучения, пространственные и временные характеристики излучения спектральных линий.

3.2.2. Исследование скорости эрозии разрядной камеры УЗД.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование ресурсных характеристик ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов бесконтактным методом"

Электроракетные двигатели (ЭРД) находят широкое применение как в составе электроракетных двигательных установок, предназначенных для управления движением космических аппаратов, так и для решения технологических задач, связанных, например, с ионно-пучковой обработкой материалов. Среди всех типов ЭРД ускорители плазмы с замкнутым дрейфом электронов (УЗД), известные таюке как холловские двигатели, обладают наилучшими энергомассовыми характеристиками и кпд для решения ряда задач в космосе в диапазоне удельных импульсов 1500.3000 с [1,2]. Несмотря на малую тягу УЗД (десятки миллиньютонов), за счет длительного времени работы (тысячи часов), возможно достижение большого суммарного импульса.

В настоящее время основной причиной, ограничивающей ресурс УЗД, является эрозия разрядной камеры ускорителя. Этот процесс вызван воздействием высокоэнергетических ионов на материал стенки камеры. Скорость эрозии зависит от многих параметров: геометрии разрядной камеры и режимов работы ускорителя, топологии магнитного поля, состава, геометрии и температуры распыляемых частей и т.д. В связи со сложностью учета всех этих процессов не удается создать модель, адекватно описывающую характер изменения скорости эрозии, и для ее определения применяются экспериментальные методы.

Наиболее надежным способом определения ресурсных характеристик УЗД являются длительные ресурсные испытания. Продолжительность таких испытаний составляет тысячи часов, а стоимость сопоставима с затратами на разработку самого ускорителя. Существуют также методы укороченных ресурсных испытаний, позволяющие на основании информации о скорости эрозии разрядной камеры в течение некоторого начального времени работы осуществить прогноз ресурсных характеристик. При укороченных ресурсных испытаниях используется информация о скорости эрозии разрядной камеры ускорителя, полученная при помощи прямых измерений, то есть по изменению геометрии или массы распыляемых частей разрядной камеры. В связи с малостью скорости эрозии, для ее надежного определения требуется значительное время наработки ускорителя (порядка 100 ч).

Скорость эрозии зависит от большого количества параметров и выбор режима с наилучшими ресурсными характеристиками на ранних этапах отработки УЗД является очень кропотливой и дорогостоящей задачей. В связи с этим актуальна задача разработки метода определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД в режиме реального времени. Таким образом, можно сформулировать цель настоящей работы.

Целью работы является исследование потока плазмы УЗД применительно к созданию метода определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД в режиме реального времени. Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать локальные характеристики плазменной струи УЗД и определить модель интерпретации результатов спектроскопических измерений. Связать интенсивность излучения спектральных линий примесных частиц со скоростью эрозии распыляемых частей разрядной камеры УЗД.

2. Разработать и создать стендовую систему, позволяющую проводить необходимую диагностику плазменной струи УЗД.

3. Экспериментально проверить достоверность данного метода диагностики, определить его точность и границы применимости. Научная новизна. В работе впервые получены следующие результаты:

3. Определен коэффициент, отвечающий за изменение скорости и состава распыляемых атомов бора, при изменении энергии распыляющих ионов, для чего проведены испытания УЗД при различных напряжениях разряда с измерением скорости эрозии прямым и оптическим методами, что позволило распространить предлагаемый метод на исследование скорости эрозии разрядной камеры УЗД при различных напряжениях разряда.

Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением данных, полученных предложенным методом, с данными, полученными прямым методом измерения скорости эрозии разрядной камеры УЗД, а также путем анализа погрешностей измерений.

Практическая ценность данной работы заключается в том, что предложенный метод диагностики позволяет значительно (в несколько раз) сократить время проведения испытаний по определению скорости эрозии на предварительных этапах отработки УЗД, а также позволяет в режиме реального времени отслеживать изменения скорости эрозии в ходе проведения ресурсных испытаний.

Апробация работы и научные публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 47"ои, 48"ои и 49" 011 открытой конференции Московского физико-технического института в 2004, 2005, 2006 гг.; 10"ом международном конгрессе двигателестроителей в

2005 г.; 17"ои научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в 2005 г.; 5"ом Российском семинаре "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" в 2006 г.; 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference в

2006 г.; конференции "Актуальные вопросы планетных экспедиций" в 2006 г; iL

35 International Electric Propulsion Conference в 2007 г; научных семинарах Центра Келдыша. Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 14"™ печатных работах. На защиту выносятся:

Диссертация состоит из введения, 3"х глав и заключения, содержит — 116 машинописных листов, включающих 60 рисунков, 6 таблиц и список используемой литературы из 106 наименований.

Заключение диссертации по теме "Физика плазмы"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спектроскопический метод диагностики скорости эрозии разрядной камеры ДАС модифицирован, верифицирован и применен на практике. Основная особенность предложенного метода состоит в использовании экспериментально измеренных интенсивностей спектральных линий распыляемых элементов разрядной камеры ускорителя и опорных линий нейтральной компоненты рабочего газа. Использование опорных линий позволяет учесть изменения локальных параметров плазмы (концентрации частиц, температура электронов), при наличии информации о концентрации опорной компоненты в области исследования.

Впервые проведен анализ точности измерения скорости эрозии разрядной камеры УЗД бесконтактным методом.

Создана стендовая система, позволяющая проводить необходимую спектроскопическую диагностику плазменной струи УЗД. Проведены экспериментальные исследования пространственных и временных характеристик распределения интенсивностей спектральных линий Xel, Xell, BI в плазме УЗД. Методом "оптического термометра" измерены распределения температуры электронов вблизи среза ускорителя.

Проведены измерения скорости эрозии диэлектрической разрядной камеры УЗД:

• при изменении разрядного напряжения ускорителя, благодаря чему впервые определена зависимость, позволяющая учесть изменение скоростей и зарядового состава, распыляемых из BN атомов BI при изменении разрядного напряжения в диапазоне 300-700 В, что позволило распространить предлагаемый метод диагностики на исследование скорости эрозии диэлектрической разрядной камеры УЗД при различных напряжениях разряда.

На основании проведенной работы сделан вывод о возможности применения данного метода спектроскопической диагностики для определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Дышлюк, Евгений Николаевич, Москва

1. Горшков О.А., Коротеев А.С. Электроплазменные ракетные двигатели для космических аппаратов. Известия РАН. Серия "Энергетика". № 5. 2000. с.66.

2. Gorshkov О., Koroteev A. New Trends in Hall Effect Thruster Development // Proc. Propulsion for Space Transportation of the XXIst Century Conf., Versailles, 2002.

3. Belikov M.B., Vasin A.I., Gorshkov O.A., Muravlev V.A., Rizakhanov R.N., Shagayda A.A. Low-Power Hall-Effect Thruster for Small Spacecrafts. International Symposium on Space Propulsion, Shanghai PR China, August 2528, 2004.

4. Жаринов A.B., Ерофеев B.C., Гришин С.Д. Ускорители с замкнутым холловским током. В кн.: Плазменные ускорители. М. 1973.

5. Морозов А.И., Кислов А.Я., Зубков И.П. Письма в ЖЭТФ. Т. 7. 1968. с. 224.

6. Горшков О.А. Холловские ЭРД с гибридной схемой разрядного канала. Дисс. на соиск. уч. степ, д.т.н. Москва. 2006.

7. Методы исследования плазмы/ Под ред. В. Лохте-Хольтгревена, М.: Мир, 1971. С. 552.

8. Морозов А.И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. М.: Атомиздат, 1978, 328 с.

9. Диагностика плазмы/ Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, М.: Мир, 1967. С. 516.

10. Capelli М., Hargus W.Jr. Images of Ground State Xenon Density in the Near Field of a Low Power Hall Thruster. AIAA-2004-4120.

11. Бугрова А.И., Данелия И.А., Ермоленко В.А., Калихман JI.E. Определение электронной температуры плазменной струи ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП). ЖТФ, 1977, Т. 47, в. 11, 2310 с.

12. Войцейня B.C., Волошко А.Ю., Коновалов В.Г., Солодовченко С.И., ЖТФ, 1974, 44, 1455 с.

13. Ростовикова Г.С., Самойлов В.П., Смирнов Ю.М., Оптика и спектроскопия. 1973. 34. 7.

14. Бугрова А.И., Ермоленко В.А., Калихман JI.E. Излучательные характеристики ксенона в разреженной плазме, ТВТ, 1979, Т. 17, в. 5, 916 с.

15. Бугрова А.И., Волкова JI.M., Ермоленко В.А. и др. Динамика функции распределения электронов по энергиям в канале УЗДП, ТВТ, 1981, Т. 19, в. 6, 1149 с.

16. Волкова Л.М., Девятов A.M., Кралькина Е.А., Меченов А.С. Определение функции распределения электронов по энергиям по интенсивностям спектральных линий, СО АН СССР, Новосибирск, 1976, с.73 В кн.: Некорректные обратные задачи атомной физики

17. Иришков С.В. Численное моделирование динамики плазмы в холловском двигателе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва, 2006.

18. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М., Атомиздат, 1961.

19. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979.

20. Волкова JI.M., Девятов A.M., Кралькина Е.А. и др. Применение регуляризирующих алгоритмов для расчета функции распределения электронов по энергиям в плазме газового разряда. — Вестн. МГУ. Сер. физ., астрон., 1975, № 4, с. 502.

21. Бугрова А.И., Ермоленко В.А., Соколов А.С. «Оптические исследования нейтральной компоненты ксеноновой плазмы в условиях неравновесности», ТВТ, 1987, Т. 25, в. 6, 1080 с.

22. Бишаев A.M., Ким В., В сб.: Источники и ускорители плазмы. Харьков: Изд-во ХАИ, 1981, №5, с.З.

23. Ермоленко В.А., Нискин В.Т., Соколов А.С., В кн.: Тез. Докл. III Всес. Симп. По плазмохимии. М.: ИНХС АН СССР, 1979, с. 51.

24. Grizinski М., Phys. Rev., 1965, v. 138, N 2А, p. 336.

25. Karabadzhak G.F., Chiu Y.-H., Williams S. and Dressier R.A. Hall Thruster Optical Emission Analysis Based on Single Collision Luminescence Spectra. 37th Joint Propulsion Conference, 9-11 July 2001 Salt Lake City, Utah AAIA-01-34523.

26. Fons J.T., Lin C.C. Measurement of the Cross Sections for Electron-Impact excitation into 5p56p Levels ofXenon. Phys. Rev. A58, 4603-4615 (1998).

27. Karabadzhak G., Gabdulin F., Korsun A., Plastinin Y., Tverdokhlebova E. Optical Emission of a Hall Thruster Plume in Space Condition. 27th International Electric Propulsion Conference, 2001, IEPC-2001-053.

28. Karabadzhak G.F. Improvement of Optical Diagnostic Technique for a Xenon Operating Hall Effect Thruster. 4th International Spacecraft Propulsion Conference, 2-4 June 2004, Sardinia, Italy.

29. Karabadzhak G.F., Chiu Y.H., Austin B.L., Williams S., Dressier R.A. Passive optical diagnostic of Xe-propelled Hall thrusters. I. Emission cross sections. Journal of applied physics 99, 113304 (2006).

30. Karabadzhak G.F., Chiu Y.H., Austin B.L., Williams S., Dressier R.A. Passive optical diagnostic of Xe-propelled Hall thrusters. II. Collisional-radiative model. Journal of applied physics 99, 113305 (2006).

31. Карабаджак Г.Ф. Развитие методов оптической диагностики холловских электро-реактивных двигателей. Космонавтика и ракетостроение. В. 2 (35). 2004. с. 85.

32. Преображенский Н.Г.//УФН. 1983. Т. 141, №3. С. 469-494.

33. Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Томография плазмы. Новосибирск: Наука, 1995. 228 с

34. Darnon F., Lyszyk М., Bouchole A. Optical Investigation on Plasma Oscillation of SPT Thrusters. AIAA-1997.

35. Komurasaki K., Sakurai Y., Kusamoto D. Optical Oscillations in a Hall Thruster. AIAA-98-3638.

36. Meezan N., Harguus W., Capelli M. Optical and Electrostatic Characterization of Oscillatory Hall Discharge Behavior. AIAA-1998.

37. Darnon F., Lyszyk M., Bouchole A. Dynamic Plasma and Plume Behavior of SPT Thrusters. AIAA-98-35428.

38. Leray P., Bonnet J., Pigache D. Spectroscopic Emission Spatially Resolved Along a SPT Channel. Second European SPC 1997.

39. Meezan N., Schmidt D., Harguus W. Optical Study of Anomalous Electron Transport in a Laboratory Hall Thruster. AIAA-99-2284.

40. Pagnon D., Darnon F., Roche S., Bechu S., Magne L., Bouchoule A., Touzeau M., Lasgorceix P. Time Resolved Characterization of the Plasma and the Plume of a SPT Thruster. AIAA-99-2428.

41. Prioul M., Bouchoule A., Roche S., Magne L., Pagnon D., Touzeau M., Lasgorceix P. Insights on Physics of Hall Thrusters through Fast Current Interruptions and Discharge Transients. IEPC-01-059.

42. Gawron D., Mazouffre S., Boniface C. Parametric Study of the Acceleration Layer of a High Power Hall Effect Thruster by a Fabry-Perot spectroscopy, 29th International Electric Propulsion Conference, 2005, IEPC-2005-144.

43. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров, Москва, 1963.

44. Cedolin R.J., Hargus W.A., Jr., Storm P.V., Hanson R.K., and Capelli M.A. Laser-Induced Fluorescence Study of a Xenon Hall Thruster. 33rd Joint Propulsion Conference, 1997.

45. Hargus W.A., Cappelli M.A. Laser-Induced Fluorescence Measurements on a Laboratory Hall Thruster. 34th Joint Propulsion Conference, 1998, AIAA-98-3645.

46. Hargus W.A., Jr., and Capelli M.A. Interior and Exterior Laser-Induced Fluorescence and Plasma Potential Measurements on a Laboratory Hall Thruster. 35th Joint Propulsion Conference, 1999, AAIA-99-2721.

47. Williams G.J., Jr., Smith T.B., Gulczinski F.S., III, et al., Laser Induced Fluorescence Measurement of Ion Velocities in the Plume of a Hall Thruster, 35th Joint Propulsion Conference, 1999, AAIA-99-2424.

48. Betting E.J. and Pollard J.E., Measurement of Xenon Ion Velocities of the SPT-140 Using Laser-Induced Fluorescence. International Conference on Space Propulsion, 2000.

49. Crofton M.W. New Laser Application for Electric Propulsion 27th International Electric Propulsion Conference, 2001, IEPC 01-305.

50. Yamamoto N., Yokota S., Matsui M., Komurasaki K., Arakawa Y. Estimation of Erosion Rate by Absorption Spectroscopy in a Hall Thruster, 29th International Electric Propulsion Conference, 2005, IEPC-2005-037.

51. Yalin A.P, Surla V. Determination of Number Density and Velocity of Sputtered Particles by Cavity Ring-Down Spectroscopy, 29th International Electric Propulsion Conference, 2005, IEPC-2005-300.

52. Yalin A.P., Surla V., Williams J.D. Erosion Measurements by Cavity Ring-Down Spectroscopy for the VHITAL Program, 29th International Electric Propulsion Conference, 2005, IEPC-2005-299.

53. Морозов А.И. О принципах разработки ЭРД с большим ресурсом и о проблеме ускоренных испытаний // РКТ: Ракетные двигатели и энергетические установки № 3 (131), с. 34, 1991.

54. Minea Т.М., Bretagne J., Magne L., Pagnon D., Touzeau M. Spectroscopic Evidence of the Ceramics Erosion in a Stationary Plasma Thruster. Second European Spacecraft Propulsion Conference, 27-29 May, 1997.

55. Karabadzhak G., Semenkin A., Tverdokhlebov S., Manzella D. Investigation of TAL optical emissions / Proc. of 25 Int. Electric Propulsion Conf., Cleveland, OH, 1997. IEPC 97-131.

56. Karabadzhak G.F. Semi-Empirical Method for Evaluation of a Xenon Operating Hall Thruster Erosion Rate Through Analysis of its Emission Spectra. International Conference on Space Propulsion 2000.

57. Karabadzhak G.F. and A.V. Semenkin Evaluation of a Xenon Operating Hall Thruster Body Erosion Rate Through Analysis of its Optical Spectra. 37th Joint Propulsion Conference, 9-11 July 2001 Salt Lake City, Utah AAIA-01-34519.

58. Karabadzhak G.F., Semenkin A.V., Solodukhin A.E., Tverdokhlebov O.S. "Evaluation of Impurity Composition and Content in the TAL at Various Operating Regimes", 29th International Electric Propulsion Conference, 2005, IEPC-2005-147.

59. Bugrova A.I., Bishaev A.M., Desyatkov A.V., Kozintseva M.V., Prioul M. Spectral Investigation of SPT MAG Insulator Erosion, 29th International Electric Propulsion Conference, 2005, IEPC-2005-167.

60. Dyshlyuk E.N., Gorshkov О.A. Spectroscopic Investigation of a Hall Thruster Ceramic Acceleration Channel Erosion Rate. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Join Propulsion Conference and Exhibit, 9-12 July 2006, Sacramento, Ca, AIAA-2006-4660.

61. Горшков O.A., Дышлюк E.H., Шагайда А.А. Спектроскопический метод анализа ресурсных характеристик холловских двигателей // Матер, конф. "Актуальные вопросы планетных экспедиций". Москва. 2006:

62. Belikov М., Gorshkov О., Dyshlyuk Е., et al. Development of Low-Power Hall Thruster with Lifetime up to 3000 Hours. // Proc. 35th Intern. Electric Propulsion Conf. Florence. 2007. IEPC-2007-129.

63. Дышлюк Е.Н. Измерение скорости эрозии керамической разрядной камеры ускорителя с замкнутым дрейфом бесконтактным методом в ходе длительных ресурсных испытаний. Электронный журн. "Исследовано в России". 7145/071010. 2007.

64. Горшков О.А., Дышлюк Е.Н. Исследование примесей в плазменной струе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов. Журн. Письма в ЖТФ. Т. 34. В. 8. 2008. с. 77-84.

65. Pagnon D., Lasgorceix P., Touzeau M. Control of the Ceramic Erosion by Optical Emission Spectroscopy: Parametric Studies of PPS1350-G and SPT100-ML 40th Joint Propulsion Conference, 11-14 July 2004 Fort Lauderdale, Florida AAIA-2004-3773.

66. Sputtering by Particle Bombardment III / Ed. Behrisch R. and Wittmaack K. Berlin: Heidelberg, 1991.

67. Семенов A.A., Шкарбан И.И. Распыление потоками ионов поверхностей элементов конструкций ионно-плазменных источников // РКТ: Ракетные двигатели и энергетические установки № 3 (131), с. 42, 1991.

68. Khartov S.A., Egorov V.K., Nadiradze А.В., Zikeeva Yu.V. Angular distribution of ceramic isolator sputtered material in the SPT Jet // Proc. 30th Intern. Electric Propulsion Conf., IEPC-2003-052.

69. Gamier Y., Viel V., Roussel J.F., Pagnon D., Magne L., Touzeau M. Investigation of Xenon Ion Sputtering of One Ceramic Material Used in SPT Discharge Chamber// Proc. 27th Intern. Electric Propulsion Conf., IEPC-1999-083.

70. Фриш С.Э. В кн.: Спектроскопия газоразрядной плазмы/Под ред. Фриша С.Э. Л.: Наука, 1970.

71. Balance С.Р., Griffin D.C., Berrington К.А., Badnell N.R. Electron-impact excitation of neutral boron using the R-matrix with pseudostates method. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 40 (2007) 1131-1139.

72. Marchalant P.J., Bartschat К., Berrington K.A., Nakazaki S. 1997, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 30 L279.

73. Kuchenev А К and Smirnov Yu M 1981 Opt. Spectrosc. 51116

74. Choueiri E. An Overview of Plasma Oscillations in Hall Thrusters. Physics of Plasmas, 8(4):1411-1426, 2001.

75. Warshavsky W., Zur I., Ashkenazy J., Appelbaum G. Thermal Modelling and Measurements of an Engineering Model Hall Thruster. Phyics of Plasmas, Vol.5, pp. 2055-2063, May 1998.

76. Коган M.H. Динамика разреженных газов. M., Наука, 1966,440 с.

77. Физические величины: Справочник/А.П. Бабичев; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мелихова. -М.; Энергоатомиздат, 1991.

78. Шагайда А.А. Метод численного моделирования течений разреженного газа и его применение для расчета электрофизических устройств. Дисс. на соиск. уч. степ, к.ф.м.н. Москва, 2000.

79. Bhatnagar P.L., Gross Е.Р., Krook М. A Model for Collision Processes in Gases, Physical Review, Vol. 94, 1954, p. 511.

80. Scharfe K., Gascon N., Cappelli M., Fernandez E. Comparison of hybrid Hall thruster model to experimental measurements. Physics of Plasmas, August. 2006.

81. Blinov N.V., Gorshkov O.A., Rizakhanov R.N., Shagayda A.A. Hall-Effect Thruster with High Specific Impulse // Proc. 4th Intern. Spacecraft Propulsion Conf. Sardinia, 2004.

82. Wilbur P.J., H.R.Kaufman. Double Ion Production in Argon and Xenon Ion Thrusters. Journal of Spacecraft and Rockets, Vol.16, #4, July-August 1979.

83. Горшков O.A., Григорьян В.Г. и др. Доработка лабораторных моделей ионых двигателей по результатам испытаний. Исследование параметров ионного пучка. НТО/Центр Келдыша Инв. №2843, 1998.

84. Hofer R.R., Gallimore A.D. «Ion Species Fraction in the Far-Field Plume of a High-Specific Impulse Hall Thruster». AIAA-2003-5001, 39th AIAA, Huntsville, Alabama, July 20-23, 2003

85. Dushman S., Scientific Foundations of Vacuum Technique, Vol. 4, Wiley, New York, 1958.

86. Гольдин JI.JI., Игошин Ф.Ф., Козел C.M. и др. В кн.: Лабораторные занятия по физике: Учебное пособие / Под ред. Гольдина Л.Л. М.: Наука. 1983. 704 с.

87. Gorshkov О.А., Ilyin А.А., Rizakhanov R.N. New Large Facility for High-Power Electric Propulsion Tests, Propulsion for Space Transportation of the XXIst Century, Versailles, France, 2002

88. Biagioni L., Kim V., Nicolini D. et al. Basic Issue in Electric Propulsion Testing and the Need for International Standards. IEPC-03-230, 28th IEPC, Toulouse, France, 17-21 March 2003.

89. Акимов B.H., Горшков O.A., Григорьян В.Г. Разработка ионных двигателей новых схем для космических аппаратов с длительными сроками активного существования. НТО/Центр Келдыша №3936, 2003.

90. R.R.Hofer, P.Y.Peterson, A.D.Gallimore. Characterizing Vacuum Facility Backpressure Effects on the Performance of Hall Thruster. IEPC-01-045, 27th IEPC, Pasadena, CA, 15-19 October 2001.

91. Головин Ю.М., Мошкин Б.Е., Протасов Н.И., Экономов А.П. Методика определения оптических характеристик прибора для измерения освещенности в атмосфере Венеры. АН СССР, Институт космических исследований, 1977.

92. NIST Atomic Spectra Database // www.nist.gov

93. Бугрова А.И., Ермоленко В.А., Соколов А.С. Объемное распределение излучения ксеноновой плазменной струи УЗДП. ТВТ. с. 642, 1979.

94. Warner. N., Szhabo J., Martinez-Sanches M. Characterization of a High Specific Impulse Hall Thruster Using Electrostatic Probes. IEPC-2003-082.

95. ЮО.Ранеев A.H., Семенов A.A., Соловьев O.B. 13 Интернациональная конференция по взаимодействию ионов с поверхностью, Москва, 1997, с. 136-137.

96. Lovtsov A.S., Gorshkov О.А., Shagayda А.А. Semi-Empirical Method of Hall Thrusters Life-Time Prediction // Proc. 42nd Joint Propulsion Conf., Sacramento, AIAA-2006-4661.

97. Hofer R.R., Peterson P.Y., Gallimore A.D. A High Specific Impulse Two-Stage Hall Thruster with Plasma Lens Focusing, IEPC-01-036, 27th International Electric Propulsion Conference, 2001.

98. Морозов А.И., Есипчук Ю.В., Капулкин A.M., Неверовский B.A., Смирнов В.А. Влияние конфигурации магнитного поля на режим работы ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП), Журнал Технической Физики, 17(3): 612, 1972.

99. Kim V., Grdlichko D., Kozlov V. et al. SPT-115 Development and Characterization. AIAA-99-2568, 35th Joint Propulsion Conference, 1999.

100. Gorshkov O.A., Shagayda A.A., Irishkov S.V. The Influence of the Magnetic Field Topology on Hall Thruster Performance, AIAA-2006-4772, 42nd Joint Propulsion Conference, 2006.eJ1. STeP4'