зивати іонні течії з великою щільністю струму, на які робить істотний вплив поле власного просторового заряду. Мірою інтенсивності течії є його первеанс Р, визначається як відношення струму пучка/к прискорює напрузі U в ступені три других: В
P = I / U 3 /2 . (2.43)
Інтенсивними вважаються течії, первеанс яких більше 10 " 8 - 10 ~ 7 А/В 3/2 . У вільному від зовнішніх полів просторі спостерігається розширення інтенсивних іонних пучків внаслідок дії кулонівських сил відштовхування, зміна розподілу потенціалу і пов'язане з цим обмеження струму.
Одним із фундаментальних законів інтенсивних течій є закон Ленгмюра-Богуславського, про який вже неодноразово згадувалося й який для одновимірного течії однозарядних іонів між плоскими паралельними електродами записується таким чином
Щільність іонного струму в плоскій електростатичної прискорюючою системі не може перевищувати величину, яка визначається законом Ленг-Мюра - Богуславського.
Фізичною причиною обмеження щільності іонного струму є в оздействіе просторового заряду рухомих іонів. Якщо щільність струму іонів, вступників з джерела в прискорює систему перевершує величину, певну формулою (2.44), то в ускоряющем просторі утворюється потенційний бар'єр (область, де потенціал вище потенціалу анода) м частина іонів повертається до анода.
Розподіл потенціалу, напруженості електричного поля і щільності об'ємного заряду в плоскій електростатичної прискорюючою системі в режимі течії, визначеному законом Ленгмюра-Богуславського, описується наступним чином:
В
Тут Ф, Е І.Р - потенціал, напруженість поля і щільність об'ємного заряду в перерізі х; Ф ан - потенціал анода;? В« до і р до - напруженість електричного поля і щільність об'ємного заряду в щільності катода.
Зазначимо, що в площині анода при х - 0 досягається максимум потенціалу, а напруженість електричного поля приймає нульове значення.
Використовуючи наведені вище співвідношення, можна визначити граничну щільність іонного струму, яка може бути отримана в іонному двигуні. Як відомо, щільність тяги величиною пробійного напруги. На основі наявного досвіду можна вважати, що тривала робота іонного двигуна можлива при напруженості поля Е до = 70 ... 100 кВ/см. При цьому граничне значення щільності тяги іонних двигунів не перевищує 200 - 400 Н/м 2 . У формулу (2.46) не належать характеристики робочого речовини. Тому наведена оцінка щільності тяги застосовна для всіх різновидів електростатичних двигунів незалежно від виду прискорених заряджених частинок.
При визначенні граничної щільності тяги, фактично реалізованої в іонних двигунах і розраховується як відношення тяги до площі поперечного перерізу джерела, необхідно враховувати прозорість електродів іонно-оптичної системи. Якщо сумарна площа отворів прискорюючого електрода S o , а площа поперечного перерізу джерела S H , то фактична гранична щільність тяги.
В
Метод електростатичної фокусування інтенсивних іонних пучків був розроблений Дж. Пірсом. У разі стрічкових пучків (ширина пучка значно більше його товщини) потенціал зовнішнього фокусирующего електричного поля визначається рівнянням
В
іонно-оптичних систем показує, що фокусування інтенсивних іонних пучків з геометричним параметром R >> 3 ... 5 - трудноразрешимая завдання. У цьому випадку градієнти потенціалу в напрямку, перпендикулярному осі пучка, стають настільки значними, що формування паралельного пучка за допомогою зовнішніх фокусирующих полів стає практично неможливим. Тому в іонних двигунах іонний пучок великого перерізу ділиться на елементарні пучки малих розмірів, кожен з яких має допустимий геометричний параметр.
У іонних двигунах застосовуються іонно-оптичні системи двох типів: система з електродами у вигляді сіток з гексагональними рядами круглих отворів невеликого діаметру і система у вигляді набору з тонких паралельних ниток або стрижнів.
При проектуванні іонно-оптичних систем широко використовуються аналогові пристрої (електролітична ванна), а також досвідчені дані, отримані при експериментальній відпрацюванні іонних двигунів. Для обгрунтованого використання експериментальних даних велике значення набуває теорія подібності іонно-оптичних систем.
Розглянемо усталене інтенсивне іонну течія в прискорюючою системі. Вважаємо його ламінарним, тобто таким, що траєкторії різних іонів НЕ перетинаються і що в кожній точці течії всі іони мають однакові швидкості. Також нехтуємо зіткненнями іонів з якими-небудь частками і коливальними процесами в пучку.
При прийнятих припущеннях іонну протягом опи...
