Прикладная механика и техническая физика №5 2001 (352,00 руб.)

Стр.1

Стр.2

Стр.3

ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2001. Т. 42, NУДК 531.782.082 ПОВЫШЕНИЕ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ ЧЕРЕЗ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ОКНО ДЛЯ ВЫВОДА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА Л. Н. Орликов, Н. Л. Орликов Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050 Томск Выполнен анализ работы газодинамического окна в виде откачиваемой камеры с отверстиями диаметром 1 мм для вывода электронного пучка из вакуума (10 Па) в атмосферу. Увеличение перепада давления достигается за счет эжектирующего эффекта, возникающего при обтекании газом элемента газодинамического окна, содержащего дренажные отверстия в стенке. Приводится методика расчета площади дренажных отверстий. Для вывода электронных пучков из вакуума в атмосферу применяются газодинамические окна [1–4] в виде камер с автономной откачкой газа и элементами с отверстиями для вывода пучка. Однако для работы таких устройств требуется большая мощность вакуумных насосов для поддержания перепада давления между источником электронов и камерой с газом (5–10 кВт на 1 мм2 площади выводного отверстия) [5–7]. Возможный путь решения проблемы вывода пучков заключается в применении газоразрядных источников электронов, работающих на форвакууме [3, 4, 8], а также в использовании газодинамических эффектов для увеличения перепада давления через газодинамическое окно. На рис. 1 приведена схема источника электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда с двухступенчатым газодинамическим окном. Источник состоит из холодного алюминиевого катода и анодов, между которыми равномерно распределен ускоряющий потенциал. При давлении в источнике 1–10 Па на катод подается отрицательный потенциал (до 100 кВ). Между катодом и анодами зажигается высоковольтный тлеющий разряд. ◦ 5 3 Рис. 1. Схема источника электронов с газодинамическим окном: 1 — катод; 2 — аноды; 3 — магнитная линза; 4, 8 — элементы газодинамического окна с отверстиями диаметром d2, d1 соответственно; 5 — диск Маха; 6 — висячий скачок уплотнения давления; 7 — граница струи

Стр.1

4 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2001. Т. 42, N◦ 5 Рис. 2. Схема течения газа в газодинамическом окне с боковыми отверстиями: 1, 2 — элементы с острыми кромками Ионы из плазмы разряда устремляются на катод. Под действием ионной бомбардировки из катода выбиваются электроны. Электронный пучок с силой тока до 100 мА фокусируется магнитной линзой в отверстиях диаметром d2 и d1 элементов газодинамического окна и выводится в камеру с давлением Pк. Поток газа из рабочей камеры формируется между элементами окна (в первой ступени газодинамического окна) в виде сверхзвуковой струи с диском Маха и висячим скачком уплотнения давления. Перепад давления определяется отношением давления в камере Pк к давлению во второй ступени газодинамического окна (в источнике электронов) P2. Для минимизации потерь электронного пучка в газе важно предельно уменьшить расстояние h между срезами элементов окна при минимальном давлении в источнике электронов. В ходе экспериментов установлено, что при использовании элементов в виде трубок с острыми кромками это условие выполняется, когда значение h равно расстоянию Xm до диска Маха. Значение Xm определяется выражением [9] Xm = 0,7d1(kPj/P1)0,5, (1) где k — показатель адиабаты газа; Pj — давление на срезе отверстия истечения газа; P1 — давление между элементами окна. На рис. 2 представлена схема течения газа в двухступенчатом газодинамическом окне, образованном элементами с острыми кромками. Из анализа полученного в эксперименте распределения давления на поверхности элемента второй ступени окна следует, что давление торможения P∗ на входе в элемент окна в 5–6 раз превышает давление P на его наружной поверхности. Боковые дренажные отверстия диаметром d∗ в элементе второй ступени окна позволяют отводить часть газа из канала вывода пучка в первую ступень окна за счет разности давлений на стенках элемента. В результате перепад давления на газодинамическом окне увеличивается без увеличения производительности средств откачки. Для практического применения данного метода необходимо определить площадь боковых отверстий, их положение и количество удаляемого газа. Анализ системы удобно проводить на основе общего уравнения эжекции [9] n = 1 Naθ0,5 q(λ)d q(λ)f , (2) где коэффициент эжекции n = Qd/Qf — отношение расходов эжектируемого и эжектирующего потоков; N — перепад давления на боковом отверстии; a — геометрический параметр (отношение площади боковых отверстий F∗ к площади струи, обтекающей элемент); θ — отношение температур эжектируемого и эжектирующего потоков;

Стр.2

Л. Н. Орликов, Н. Л. Орликов 5 q(λ) = [(k + 1)/2]1/(k−1)λ[1 − (k − 1)/(k + 1)λ2]1/(k−1); λ — коэффициент скорости потока (отношение скорости потока к скорости звука в неподвижном газе); индексы d, f соответствуют эжектируемому и эжектирующему потокам газа. Практические расчеты можно провести в упрощенной постановке, используя одномерную модель истечения сверхзвуковой недорасширенной струи и ее особенности взаимодействия с острым телом. Для большинства практических устройств перепад давления на каждой ступени окна не превышает два-три порядка. В этом случае внутренний диаметр струи, определенный по диаметру диска Маха, почти в 10 раз превышает диаметр отверстия истечения d1 [9]. При визуализации газового потока в тлеющем разряде авторами настоящей работы установлено, что при высоте элемента (расстоянии от основания до среза), большей рассчитанной по уравнению (1), и внешнем диаметре элемента, меньшем диаметра диска Маха, обтекание элемента происходит без отхода диска Маха. В этих условиях значительного изменения размеров струи за диском Маха не происходит, и в качестве площади струи вокруг боковых отверстий можно принять площадь струи на уровне диска Маха. Для элемента в виде трубки можно принять, что скорость потока газа на его внешней поверхности достигает скорости звука, а отношение температур потоков по обе стороны бокового отверстия незначительно. Следовательно, λ = 1, q(λ)f = 1, θ = 1 [9]. Зондирование потока трубкой Пито показывает, что давление торможения P∗ и статическое давление на входе второй ступени окна соизмеримы: P∗ ≈ P2, а давление на внешней боковой поверхности элемента близко к давлению P1 между элементами: P ≈ P1. Таким образом, расположение боковых отверстий вблизи среза отверстия d2 наиболее эффективно. Уже при отношении давлений на боковой стенке P/P∗ < 0,528 истечение газа через боковые отверстия происходит со скоростью звука. На боковом отверстии реализуется звуковой эжектор, для которого возможная степень повышения давления в режиме запирания составляет P∗/P1 = 3,55 [9]. Соответственно перепад давления на боковом отверстии близок к этой величине (N ≈ P∗/P1). После упрощений уравнение (2) преобразуется к виду n = 1/(3,55a). Из результатов экспериментов следует, что это соотношение выполняется в газодинамических окнах с относительно высокими значениями давления в ступенях при соизмеримости площадей боковых отверстий и площади струи (a = 1), а также давлений эжектируемого и эжектирующего потоков. Для рассматриваемого двухступенчатого окна необходимо обеспечить минимальное давление в источнике электронов. Это может быть достигнуто при минимальных значениях n и a. Предельно малое значение геометрического параметра может быть определено из анализа потоков при критическом течении газа через отверстия. Эжектирующий поток, формируемый вокруг элемента на входе окна, определяется соотношением, используемым в вакуумной технике [10] для вязкостного режима течения газа: Qf = 200F1(Pк −P1). На входе второй ступени окна поток газа Q2 = 200F2(P1 −P2) Qd = 200F∗(P∗ −P1). (3) (4) (давления P1, P2 могут быть определены отношением потока к скорости откачки [10]). Эжектируемый поток газа через боковые отверстия элемента определяется аналогично: (5) На практике последним членом в скобках в уравнениях (3)–(5) пренебрегают из-за его малости по сравнению с первым членом.

Стр.3