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Engineering

एक १०० किलोवाट वर्ग लागू-क्षेत्र Magnetoplasmadynamic जोर

Published: December 22, 2018 doi: 10.3791/58510
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 3, 1, 3, 3, 4, 2
1Key Laboratory of Spacecraft Design Optimization & Dynamic Simulation Technologies of Ministry of Education, School of Astronautics, Beihang University, 2Key Laboratory of Spacecraft Design Optimization & Dynamic Simulation Technologies of Ministry of Education, School of Space and Environment, Beihang University, 3Beijng Institute of Control Engineering, 4School of Aerospace Engineering and Geodesy, University of Stuttgart

Summary

इस प्रोटोकॉल के लक्ष्य के लिए एक १०० किलोवाट वर्ग लागू-क्षेत्र magnetoplasmadynamic जोर और प्रासंगिक प्रयोगात्मक तरीकों के डिजाइन परिचय है ।

Abstract

एप्लाइड-फील्ड magnetoplasmadynamic (वायुसेना MPD के बल) त्वरक जो विद्युत चुम्बकीय और गैस गतिशील प्रक्रियाओं उच्च गति के प्लाज्मा में तेजी लाने के लिए कर रहे हैं; वे उच्च विशिष्ट आवेग और जोर घनत्व के महत्वपूर्ण लाभ के साथ भविष्य के अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए काफी क्षमता है । इस पत्र में, हम डिजाइन और जल-शीतलक संरचनाओं, एक १३० V अधिकतम निर्वहन वोल्टेज, एक ८०० एक अधिकतम निर्वहन वर्तमान, और चुंबकीय क्षेत्र के एक ०.२५ टी अधिकतम शक्ति के साथ वायुसेना MPD के एक १०० किलोवाट वर्ग के निर्माण के लिए प्रोटोकॉल की एक श्रृंखला पेश करते हैं । एक खोखले टैंटलम टंगस्टन कैथोड केवल फेंकने योग्य प्रवेश के रूप में काम करता है रेडियल निर्वहन को बाधित, और यह anode के पीछे में अक्षीय रूप से तैनात है ताकि anode भुखमरी को राहत देने के लिए । एक बेलनाकार अलग कॉपर anode anode शक्ति जमाव को कम करने के लिए कार्यरत है, जहां लंबाई को कम किया गया है दीवार प्लाज्मा जोड़ने क्षेत्र में कमी । प्रयोगों एक वैक्यूम प्रणाली है कि एक कुल फेंकने योग्य जन प्रवाह ४० मिलीग्राम से कम की दर के लिए ०.०१ फिलीस्तीनी अथॉरिटी के एक काम निर्वात को प्राप्त कर सकते है और एक लक्ष्य जोर खड़े का उपयोग किया । इस तरह फेंकने योग्य प्रवाह दर, निर्वहन वर्तमान, और प्रदर्शन पर लागू चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और उचित विश्लेषण की अनुमति के रूप में काम कर मापदंडों के प्रभाव को मापने के लिए जोर से परीक्षण किए गए । जोर से खोखले कैथोड सतह पर थोड़ा कटाव के साथ समय की महत्वपूर्ण अवधि के लिए लगातार संचालित किया जा सकता है । जोर की अधिकतम शक्ति १०० किलोवाट है, और इस पानी ठंडा विंयास के प्रदर्शन के साथ तुलनीय है कि साहित्य में रिपोर्ट की जबरदस् त ।

Introduction

MPD के लिए एक अपेक्षाकृत उच्च जोर घनत्व और एक उच्च विशिष्ट आवेग1,2,3के लिए अच्छी तरह से जाना जाता है । हालांकि, ठेठ जोर MPD के जबरदस् त1 क्षमता अपेक्षाकृत कम है, विशेष रूप से नोबल गैसों के नोदक के साथ4,5,6। सबसे MPD के लिए, फेंकने योग्य प्रवाह का एक हिस्सा anode और कैथोड7,8 के बीच एक भट्ठा से निर्वहन कक्ष में इंजेक्शन है, परिणाम यह है कि एक रेडियल घटक कुल निर्वहन का एक महत्वपूर्ण अनुपात है के साथ । हालांकि, जोर उत्पन्न करने के लिए, रेडियल काइनेटिक प्रभाव एक भौतिक नोक या एक चुंबकीय नोजल के साथ अक्षीय काइनेटिक गति में परिवर्तित करने की आवश्यकता है । तदनुसार, नए डिजाइन MPD जोर की एक प्रमुख विशेषता यह है कि सभी फेंकने योग्य कैथोड के माध्यम से आपूर्ति की है, जो रेडियल निर्वहन को बाधित करने के लिए कार्य कर सकते हैं; इस तरह से अक्षीय ऊर्जा का अनुपात बढ़ सकता है । वहां एक जोड़ा प्रभाव है कि anode के आसपास प्लाज्मा में हॉल पैरामीटर anode, जो हॉल त्वरण घटक9को मजबूत कर सकते है चारों ओर संख्या घनत्व की कमी से बढ़ सकता है । के बाद से फेंकने वाला कैथोड की भीतरी सतह के करीब है जहां प्रारंभिक इलेक्ट्रॉनों की बड़ी मात्रा में इंजेक्शन के इस मोड में उत्सर्जित कर रहे हैं, फेंकने योग्य ionization दर बहुत बढ़ाया जा सकता है । इसके अलावा, anode लंबाई को कम किया गया है दीवार को जोड़ने के प्लाज्मा क्षेत्र और anode शक्ति10,11की कमी । एक अलग anode लागू किया जाता है के रूप में, इस anode और चुंबकीय क्षेत्र लाइनों के बीच कोण में कमी और anode शक्ति जमाव आगे12,13कमी होगी ।

फायदे के बावजूद प्रदर्शन में सुधार करने के लिए ऊपर उल्लेख किया, कैथोड इंजेक्शन द्वारा पूरा फेंकने योग्य आपूर्ति anode भुखमरी जो "शुरुआत"14घटना में परिणाम कर सकते है के जोखिम को बढ़ा सकते हैं । इस व्यवहार को बाधित करने के लिए, हम कैथोड वापस anode के आधार करने के लिए मुकर गया है । इलेक्ट्रॉन तो anode बाहर निकलने से पहले रेडियल दिशा में पर्याप्त रूप से फैलाना कर सकते हैं, जो anode भुखमरी को दूर करने का कार्य करेंगे. इसके अलावा, एक मल्टीचैनल खोखले कैथोड अपनाया जाता है; एक चैनल खोखले कैथोड, एक मल्टीचैनल खोखले कैथोड की तुलना में इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन क्षेत्र में वृद्धि और फेंकने योग्य अधिक समान का वितरण कर सकते हैं । इस संशोधन के साथ, दोनों के जीवनकाल और स्थिरता के जोर से15,16,17बढ़ाया जा सकता है ।

जोर की डिजाइन शक्ति १०० किलोवाट है और एक ठंडा संरचना स्थिर राज्य आपरेशन के साथ आवश्यक है । वर्तमान प्रयोगशाला प्रयोगों में, एक कुशल जल-शीतलन संरचना कार्यरत है । हालांकि, MPD जोर डिजाइन के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए, यह जोर प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है । गर्मी हस्तांतरण करने के लिए एक उच्च दबाव पानी प्रणाली के आवेदन के साथ, इस तरह के ठंडा करने के आपरेशन के दौरान मजबूत कंपन होगा, जो महत्वपूर्ण हस्तक्षेप बना सकते हैं अगर हम पारंपरिक जोर माप का इस्तेमाल किया । तदनुसार, जोर से मापने के लिए एक लक्ष्य जोर स्टैंड कार्यरत है ।

MPD जोर

के रूप में चित्रा 1में दिखाया गया है, MPD जोर anode, कैथोड और इंसुलेटर के होते हैं । anode एक बेलनाकार अलग नोक के साथ तांबे से बना है, जो की ंयूनतम भीतरी व्यास ६० mm है । वहां एक एस के आकार का anode के भीतरी दीवार के चारों ओर ठंडा चैनल है । प्रवेश और चैनल के आउटलेट anode, जो एक चकरा द्वारा अलग कर रहे है के शीर्ष पर हैं । एक पतला तांबे ब्लॉक anode और बिजली की केबल को जोड़ने के लिए कार्यरत है । यह जंक्शन anode की बाहरी सतह पर है ।

कैथोड सामग्री नौ फेंकने योग्य चैनलों के साथ टैंटलम टंगस्टन है । कैथोड का बाहरी व्यास 16 मिमी है । कैथोड के शीतलक कैथोड आधार के आसपास एक पानी ठंडा धारक के साथ हासिल की है । धारक के अंदर एक अंगूठी के आकार का चैनल है । ठंडा पानी नीचे से होल्डर में इंजेक्ट होता है और ऊपर से बाहर बहता है । वहां कैथोड के बाईं ओर एक खोखले कैथोड संबंधक है । फेंकने वाला कनेक्टर के केंद्र के माध्यम से और खोखले कैथोड चैंबर में बहती है; नौ संकीर्ण बेलनाकार चैनलों के साथ जोड़ने कैथोड आधार के अंदर एक बड़ी गुहा है । गुहा नौ चैनलों में फेंकने योग्य वितरण की एकरूपता बढ़ाने के लिए एक बफर के रूप में कार्य करता है । कैथोड एक कुंडलाकार तांबा ब्लॉक, जो कैथोड संबंधक के आसपास स्थापित है के साथ बिजली के केबल से जुड़ा है ।

जोर से मुख्य शरीर के अलावा, एक बाहरी चुंबकीय कुंडल भी वायुसेना में तंत्र के लिए खेतों MPD जोर से उत्पंन करने के लिए आवश्यक है; चुंबकीय क्षेत्रों एक अभिसरण-अलग चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करने के लिए बिजली के क्षेत्र के साथ एक साथ प्लाज्मा में तेजी लाने के । क्षेत्र कुंडल परिपत्र कॉपर पाइप, जो दोनों बिजली के वर्तमान और ठंडा पानी के लिए पारित होने के रूप में कार्य के २८८ बदल जाता है के होते हैं । कुंडल के भीतरी व्यास १५० मिमी है, जबकि बाहरी व्यास ५०० मिमी है । केंद्र में उच्चतम क्षेत्र की ताकत २३० ए के वर्तमान के साथ ०.२५ टी है ।

प्रयोग प्रणाली

प्रयोग प्रणाली में छह उपतंत्र शामिल हैं । प्रयोगात्मक प्रणाली के समग्र लेआउट के योजनाबद्ध आरेख चित्रा 2में दिखाया गया है; वैक्यूम चैंबर के अंदर जोर का लेआउट चित्रा 3में दिखाया गया है ।

सबसे पहले, वैक्यूम प्रणाली है, जो जोर आपरेशन के लिए आवश्यक वैक्यूम वातावरण प्रदान करता है, एक वैक्यूम चैंबर, दो यांत्रिक पंपों, एक आणविक पंप और चार क्रायोजेनिक पंप के होते हैं । कक्ष का व्यास 3 मीटर है, और लंबाई 5 मीटर है । ०.०१ Pa के तहत पर्यावरण दबाव बनाए रखा जा सकता है जब (आर्गन) फेंकने वाले की प्रवाह दर ४० mg/

दूसरा, इस स्रोत प्रणाली प्रदान करता है एक उच्च वोल्टेज पल्स जोर से प्रज्वलित करने के लिए, बल के लिए बिजली प्रदान करता है प्लाज्मा में तेजी लाने के लिए, और चुंबकीय क्षेत्र के लिए बिजली प्रदान करता है बाहरी चुंबकीय क्षेत्र बनाए रखने के लिए कुंडल । विद्युत स्रोत प्रणाली एक इग्निशन शक्ति स्रोत, एक जोर शक्ति स्रोत, एक कुंडल शक्ति स्रोत और केबल के होते हैं । इग्निशन शक्ति स्रोत 8 केवी या 15 केवी निर्वहन वोल्टेज प्रदान कर सकते हैं । जोर शक्ति स्रोत १००० a तक प्रत्यक्ष वर्तमान प्रदान करता है । कुंडल शक्ति स्रोत २४० a तक प्रत्यक्ष वर्तमान प्रदान करता है ।

तीसरा, फेंकने योग्य आपूर्ति प्रणाली चुनौतियों के लिए गैस फेंकने वाला खिलाती है । इस प्रणाली में मुख्य रूप से गैस स्रोत, जन प्रवाह दर नियंत्रक और गैस की आपूर्ति पाइपलाइन शामिल हैं ।

चौथी उप-प्रणाली पानी ठंडा प्रणाली है, जो शांत उच्च दबाव पानी प्रदान करता है के लिए जोर की गर्मी, चुंबकीय तार और बिजली के सूत्रों का आदान । चित्रा 4में दिखाया गया है, प्रणाली पंप समूह, पानी की टंकी, रेफ्रिजरेटर, पानी की आपूर्ति पाइपलाइनों और पंप नियंत्रकों के होते हैं । गैर वैक्यूम चैंबर के अंदर पाइप का आयोजन जोर और चुंबकीय कुंडल के लिए एक ठंडा पानी टर्मिनल प्रदान करते हैं, और anode, कैथोड, और जमीन के बीच है कि बिजली के इंसुलेशन सुनिश्चित करता है ।

अधिग्रहण और नियंत्रण प्रणाली के अंय प्रणालियों के जोर से आपरेशन की स्थिति और नियंत्रण आपरेशन मापने के संकेत रिकॉर्ड कर सकते हैं । यह तीन कंप्यूटर और इसी सॉफ्टवेयर, डाटा अधिग्रहण कार्ड और केबल से बना है ।

जैसा कि चित्रा 5में दिखाया गया है, टारगेट जबरदस् त स्टैंड में प्लेट टारगेट, पतला बीम, विस्थापन सेंसर, सपोर्ट फ्रेम, अक्षीय जंगम प् लेटफॉर्म और रेडियल जंगम प् लेटफॉर्म शामिल हैं । लक्ष्य प्लाज्मा जो लक्ष्य धक्का अवरोधन कर सकते हैं । लक्ष्य के विस्थापन के लक्ष्य के पीछे रखा एक संवेदक द्वारा मापा जा सकता है, इस तरह जोर18के मूल्यांकन को सक्षम करने में ।

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Protocol

1. प्रयोग के लिए तैयारी

  1. जोर से स्थापित करें ।
    1. एक साफ कमरे में, निर्जल शराब के साथ लथपथ, जोर से withnon-धूल कपड़े के घटकों पोंछ ।
    2. anode को इंसुलेटर के साथ इकट्ठा कर लीजिये.
    3. एक साथ कैथोड, कैथोड धारक और कैथोड कनेक्टर लाओ ।
    4. anode भाग में कैथोडिक भाग जोड़ें ।
    5. कोडांतरण में मध्य कनेक्टर स्थापित करें और उंहें शिकंजा (षट्कोण गर्तिका सिर पेंच, M5 × 16) के साथ ठीक ।
    6. फोर्कलिफ्ट के साथ प्रयोग मंच पर कुंडल सीट की स्थापना ।
    7. वैक्यूम चैंबर के गाइड रेल पर प्रयोग मंच प्लेस ।
    8. कुंडल पर जोर से स्थापित करें ।
    9. इसी बिजली के तारों के साथ anode और कैथोड लिंक ।
    10. तार शक्ति के स्रोत के साथ चुंबकीय कुंडल लिंक ।
    11. जोर से पानी ठंडा पाइप और फेंकने योग्य आपूर्ति पाइप में शामिल हों ।
    12. ऊपर पानी के तार के साथ शीतलन पाइप में शामिल हों ।
    13. चैंबर के अंदर जंगम मंच स्थापित करें और उस पर जोर स्टैंड के मुख्य शरीर को ठीक ।
    14. बल के नियंत्रण लाइनों बनाने के लिए रेडियल जंगम मंच की स्थिति को समायोजित करें और लक्ष्य एक दूसरे के साथ मेल खाता है ।
  2. जोर स्टैंड को जांचना ।
    1. लोड अलग वजन (10 जी, ५० जी, १०० जी, २०० ग्राम), एक के बाद एक, अंशांकन डिवाइस पर और जोर स्टैंड के इसी उत्पादन रिकॉर्ड.
    2. एक के बाद एक वजन अनलोड ।
    3. प्रक्रिया को तीन बार दोहराएं ।
    4. अंशांकन डेटा के अनुसार जोर स्टैंड के लोचदार गुणांक की गणना ।
  3. वैक्यूम चैंबर खाली ।
    1. चैंबर का दरवाजा बंद कर ।
    2. यांत्रिक पंपों को प्रारंभ करें ।
    3. जब चैंबर में पृष्ठभूमि दबाव 5 फिलीस्तीनी अथॉरिटी से कम है आणविक पंपों शुरू करो ।
    4. जब चैंबर में पृष्ठभूमि दबाव ०.०५ फिलीस्तीनी अथॉरिटी से कम है क्रायोजेनिक पंप शुरू करो ।
    5. 1 x 10-4 Pa तक पहुंचने के लिए दबाव के लिए प्रतीक्षा करें ।

2. इग्निशन और जोर माप प्रयोग

  1. कचौरी अगर हवा में आ गई है तो वो जोर से.
    1. सिग्नल रिकॉर्डिंग प्रारंभ करें ।
    2. ४० mg/s पर फेंकने योग्य जन प्रवाह दर सेट करें और कम से 20 मिनट के लिए आपूर्ति रखें
    3. ठंडा पानी की आपूर्ति चालू करें ।
    4. 10 हर्ट्ज पर ठंडा पानी पंपों की कार्य आवृत्ति सेट करें ।
    5. जोर से दूर स्थिति के लिए जोर से खड़े हो जाओ ।
    6. ९० A के कुंडल वर्तमान के साथ कुंडल शक्ति स्रोत पर स्विच करें ।
    7. २४० A के निर्वहन वर्तमान के साथ जोर से शक्ति स्रोत पर स्विच करें ।
    8. इग्निशन शक्ति स्रोत पर स्विच करें ।
    9. सबसे कम 5 मिनट के लिए काम कर रहे जोर रखो ।
    10. जोर से शक्ति स्रोत और फेंकने योग्य आपूर्ति स्विच ।
    11. रिकॉर्डिंग रोकें ।
  2. जोर मापन
    1. जोर स्टैंड से स्थिति ५५० मिमी के लिए ले जाएं ।
    2. सिग्नल रिकॉर्डिंग प्रारंभ करें ।
    3. फेंकने योग्य आपूर्ति प्रारंभ करें ।
    4. ९० एक कुंडल वर्तमान और २४० एक निर्वहन वर्तमान के साथ जोर से प्रज्वलित ।
    5. कुंडल वर्तमान को बढ़ाने के लिए १५० A.
    6. निर्वहन वर्तमान को ८०० A तक बढ़ाएं ।
    7. कुंडल वर्तमान को बढ़ाने के लिए २३० A.
    8. जब जोर स्टैंड का आउटपुट स्थिर हो जाता है तो वह जबरदस् त स्विच ऑफ हो जाता है ।
    9. फेंकने वाले की आपूर्ति बंद कर दें ।
    10. रिकॉर्डिंग रोकें ।

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Representative Results

प्रयोग में, हम निर्वहन वर्तमान (आईडी), फेंकने योग्य जन प्रवाह दर (एम) और एप्लाइड चुंबकीय क्षेत्र (बीए) नियंत्रित करते हैं । आपरेशन में, हम निर्वहन वोल्टेज (Vd) और जोर (टी) के मूल्य को मापने, जो आधार से हम बिजली की तरह अन्य प्रदर्शन मापदंडों प्राप्त कर सकते हैं (पी), विशिष्ट आवेग (आईएसपी) और जोर दक्षता (η)1.

निर्वहन वोल्टेज का एक विशिष्ट संकेत चित्रा 6में दिखाया गया है । शक्ति के स्रोत की दीक्षा पर, वहां एक खुले सर्किट वोल्टेज anode और कैथोड के बीच होगा, जो मूल्य के बारे में २३० वी है । इस खुले सर्किट वोल्टेज पर्याप्त उच्च निर्वहन कक्ष में तटस्थ फेंकने वाला नीचे तोड़ने के लिए नहीं है; हम एक उच्च आवृत्ति निर्वहन वोल्टेज लागू करने के लिए जोर से प्रज्वलित की जरूरत है । प्रज्वलन के बाद, वोल्टेज तेजी से कम हो जाएगा; फिर एक स्थिर मान के लिए वोल्टेज रुझान दोलन की अवधि के बाद.

एक ठेठ जोर माप परिणाम चित्रा 7में दिखाया गया है । हम फेंकने वाले की आपूर्ति आरंभ करने से पहले जोर स्टैंड के सिग्नल की रिकॉर्डिंग शुरू करते हैं, जिसे शूंय-जोर बिंदु माना जाता है । वहां फेंकने की आपूर्ति शुरू करने के बाद कमजोर जोर दिया जाएगा । जोर से प्रज्वलन के बाद, वहां दोलनों के साथ एक बड़ा संकेत है, जिसके बाद स्थिर मूल्य के लिए जोर प्रवृत्तियों होगा । फिर हम जोर से बंद हो जाते हैं । वहां एक शूंय-बहाव लक्ष्य के थर्मल विकृति के कारण होगा; इस प्रभाव के कारण होने वाली त्रुटि 1% से अधिक नहीं होगी ।

चित्रा 8 25 किलोवाट तक चाप सत्ता के लिए जोर पर निर्वहन वर्तमान, लागू क्षेत्र और फेंकने योग्य जन प्रवाह की दर के प्रभाव से पता चलता है । हम चुनते हैं: Id = २०० a, Ba = १०० मीट्रिक टन, ṁ = ४० मिलीग्राम/एस, एक बुनियादी आपरेशन हालत के रूप में; बुनियादी आंकड़ों के साथ तुलना करने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की जाती है । प्रत्येक विपरीत प्रयोग में केवल एक कार्रवाई पैरामीटर बदल जाएगा: निर्वहन वर्तमान १६० a से ३६० a तक अलग किया जा सकता है; एप्लाइड फील्ड शक्ति ३४ मीट्रिक टन से २५८ मीट्रिक टन से अलग किया जा सकता है; फेंकने योग्य जन प्रवाह की दर से अलग किया जा सकता है 20 mg/s करने के लिए ८० मिलीग्राम/ तुलना की सुविधा के लिए, हम इन तीन कार्रवाई पैरामीटर्स को सामान्य करते हैं, जैसा कि चित्र 8में नीचे x-अक्ष में दिखाया गया है. जब सामान्यीकृत आपरेशन पैरामीटर १.० हैं, इसका मतलब है आपरेशन की स्थिति बुनियादी एक के रूप में ही हैं । नीचे x-अक्ष के साथ, शीर्ष पर तीन और x-अक्ष हैं, जो क्रमशः तीन मापदंडों के मूल मानों के अनुरूप हैं ।

चित्रा 9 निरंतर आपरेशन के एक आधे घंटे के दौरान निर्वहन विशेषताओं से पता चलता है । यह देखा जा सकता है कि एक स्थिर राज्य के लिए जोर की प्रवृत्तियों तेजी से प्रज्वलन के बाद, और वोल्टेज इस अवधि के दौरान स्थिर है ।

चित्रा 10 से पहले और परीक्षणों के बाद टैंटलम टंगस्टन कैथोड की तस्वीरें प्रस्तुत करता है । परीक्षणों के कुल रनटाइम एक आधे घंटे के सतत संचालन और कम समय के लिए परीक्षण सहित 10 ज था ९० से अधिक शुरू होता है । यह देखा जा सकता है कि कटाव मामूली है और कैथोड की बाहरी सतह पर समान रूप से वितरित । इस नतीजे के मुताबिक, जबरदस् त लंबे समय तक ऑपरेट करने की क्षमता होती है ।

निरंतर आपरेशन परीक्षण के बाद, हम 50-100 किलोवाट की शक्ति रेंज में जोर के प्रदर्शन का पता लगाया । जोर लक्ष्य जोर स्टैंड के साथ मापा गया था, और माप परिणाम चित्र 11में दिखाया गया है । सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन ९९.५ किलोवाट, जहां जोर ३०५२ mN है पर प्राप्त की है, विशिष्ट आवेग ४३५९ s है और जोर दक्षता ६७% है । इसके अलावा, एक सैद्धांतिक जोर मूल्य गणना की गई थी, Eq .1 (Mikellides12 ) के रूप में, मापा जोर मूल्यों के साथ तुलना करने के लिए; उनमें सबसे बड़ा अंतर ११.६% था ।

Equation 11

(एक है कैथोड त्रिज्या लंबाई अनुपात इलेक्ट्रोड के लिए; आर इलेक्ट्रोड त्रिज्या अनुपात है; एक परमाणु द्रव्यमान इकाई में परमाणु वजन है और Equation 2 ionization कारक12है.)

जोर अनुकूलन का प्रभाव

प्रणाली मापदंडों के रूपांतर के जवाब में जोर के परिणामस्वरूप मूल्यों 8, चित्रमें दिखाया गया है, जहां यह देखा जा सकता है कि जोर पर फेंकने योग्य जन प्रवाह दर के प्रभाव लागू क्षेत्र के समान है । के रूप में गैस गतिशील त्वरण19 ṁ के प्रति संवेदनशील है, यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि गैस गतिशील त्वरण घटक हमारे जोर में बढ़ाया है । इसके अलावा, निर्वहन वर्तमान और लागू क्षेत्र कई अलग तंत्र में विद्युत चुम्बकीय त्वरण को प्रभावित करता है और उनके प्रभाव1स्पष्ट किया जाना चाहिए. हमारे प्रयोगों में, जोर के रूप में लागू क्षेत्र के साथ तुलना में एक निर्वहन वर्तमान की वृद्धि के लिए काफी अधिक संवेदनशील है, जैसा कि चित्र 8में दिखाया गया है । इस व्यवहार का एक पहलू कैथोड के माध्यम से विशिष्ट फेंकने योग्य आपूर्ति मोड के लिए अक्षीय निर्वहन वर्तमान कारण बढ़ाने से गैस गतिशील प्रभाव को मजबूत बनाने के कारण हो सकता है । इसके अलावा, के रूप में चित्र 11में दिखाया गया है, MPD जोर ६७% है, जो क्षार धातु20के फेंकने योग्य के साथ MPD के बल की बेहतर दक्षता के बराबर है की एक सर्वोच्च जोर दक्षता तक पहुंचता है । इस प्रकार, डिजाइन परिवर्तन के प्रभाव को MPD जोर के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए काफी देखा जाता है ।

इसके अतिरिक्त, इस तथ्य के बावजूद कि वहां कोई anode क्षेत्र पहुंचाने की आपूर्ति है, हमारे जोर से ८०० के एक निर्वहन वर्तमान में स्थिर आपरेशन किया था एक और फेंकने वाले की आपूर्ति की दर ७० mg/ तुलना करके, MPD SX3 anode से आंशिक फेंकने योग्य आपूर्ति के साथ21 , ५०० के एक निर्वहन वर्तमान में एक शुरुआत शासन पर पहुंच गया और ६० मिलीग्राम की आपूर्ति की दर/महत्वपूर्ण मूल्य के साथ एक MPD जोर की स्थिरता के आधार पर मैं2/ṁ 22, वर्तमान जोर थोड़ा SX3 करने के लिए बेहतर है ।

लक्ष्य जोर माप त्रुटियां

लक्ष्य जोर माप के साथ, यह उच्चतम प्रदर्शन आपरेशन पर जोर के अधिक से अधिक अनुमान से बचने के लिए आवश्यक है । यहां हम मानते है कि लक्ष्य और प्लाज्मा में भारी कणों के बीच टक्कर पूरी तरह से लोचदार है । इस प्रकार, मापा जोर का आधा सच जोर के रूप में लिया जाता है । इसके अलावा, लक्ष्य के लिए फेंकने योग्य के प्रवाह में, हम मानते है कि प्लाज्मा पूरी तरह से चुंबकीय क्षेत्र से विवश है । हम चुंबकीय क्षेत्र लाइनों है कि चुंबकीय नोजल की सीमा के रूप में anode की बाहरी रेंज के माध्यम से पारित चुना है । यह मानते हुए कि प्लाज्मा कणों नोजल में समान रूप से वितरित कर रहे हैं, के रूप में 12 चित्रामें दिखाया गया है, हम लक्ष्य विमान, जो व्यास में ७०४ मिमी है पर प्लाज्मा की सीमा प्राप्त कर सकते हैं । तो मापा जोर और सच जोर के बीच संबंध के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:

Equation 32

जहां एफ लक्ष्य और टी द्वारा मापा जोर है सच जोर है ।

इसके अलावा, लक्ष्य की बाधा व्यवहार के कारण, फेंकने योग्य कणों निर्वहन कक्ष में वापस प्रवाह कर सकते हैं । यह मानते हुए कि सभी कणों लक्ष्य के केंद्र से जारी कर रहे हैं, के रूप में चित्र 13में दिखाया गया है, और है कि वापस प्रवाह कणों के वितरण कोज्या कानून23का पालन करें, तो फिर से प्रवेश कणों के अनुपात Eq .3 के साथ मूल्यांकन किया जा सकता है । वापस प्रवाह कणों अंतरिक्ष के सभी दिशाओं में समान रूप से वितरित करते हैं, अनुपात Eq .4 के साथ व्यक्त किया जाएगा । लक्ष्य के साथ अनुपात के बदलाव-जोर से दूरी z, दो वितरण मांयताओं के तहत, चित्र 14में सूचीबद्ध हैं । जोर माप में, लक्ष्य-जोर से दूरी 550mm थी; इस प्रकार, पुनर्प्रवेश कणों के अनुपात में कोई अधिक से अधिक ०.३% की गणना की गई थी ।

पृष्ठभूमि दबाव भी मापा जोर प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं । जब जोर से उच्चतम प्रदर्शन तक पहुंचता है, प्रणाली में पृष्ठभूमि दबाव ७० मिलीग्राम/एस की जन प्रवाह दर के साथ ०.२ फिलीस्तीनी अथॉरिटी में बनाए रखा जा सकता है । हालांकि, मापा जोर इस उच्च पृष्ठभूमि दबाव20,24,25,के प्रभाव की वजह से वास्तविक मूल्य से अधिक हो सकता है । इस संभव प्रभाव वैक्यूम प्रणाली के पंप गति को खत्म करने के लिए बढ़ाया जाना चाहिए, और यह एक योजना बनाई उंनयन है ।

लक्ष्य बिजली प्रवाहकीय सामग्री से बना है, और यह जोर माप के दौरान जमीन से अछूता है । हालांकि, वहां बेर कि लक्ष्य के साथ बातचीत और MPD जोर माप15के लिए व्यवहार को प्रभावित कर सकते है में एक बहिर्वाह वर्तमान है । यह एक जोर दक्षता की भयावहता को प्रभावित कारक हो सकता है और आगे विचार के योग्य है ।

Equation 43

Equation 54

Figure 1
चित्रा 1 . वायुसेना के योजनाबद्ध आरेख-MPD जोर
MPD जोर के मुख्य शरीर anode (तांबा), कैथोड (टैंटलम टंगस्टन), इंसुलेटर (बोरान नाइट्राइड), कैथोड धारक (तांबा) और कैथोड कनेक्टर (कॉपर) शामिल हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2 . प्रयोग प्रणाली के योजनाबद्ध आरेख
पानी शीतलन प्रणाली में ब्लू लाइंस: उच्च दाब ठंडा पानी; पानी शीतलन प्रणाली में लाल लाइनों: गरम पानी । अधिग्रहण और नियंत्रण प्रणाली में ग्रीन लाइंस: आपरेशन मापदंडों का संकेत; अधिग्रहण और नियंत्रण प्रणाली में ब्राउन लाइनों: नियंत्रण के निर्देशों का संकेत । बिजली के स्रोत प्रणाली में नीली लाइनों: जोर से और चुंबकीय कुंडल के anode को जोड़ने तार; शक्ति स्रोत प्रणाली में लाल लाइन: जोर और चुंबकीय कुंडल के कैथोड को जोड़ने के तार । बीच में नीला चतुर्भुज: जोर की किरण ।  कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3 . वैक्यूम चैंबर के अंदर प्रयोग लेआउट
जोर से चुंबकीय क्षेत्र के तार के अंदर तैनात है । कुंडल के पीछे है लक्ष्य जोर खड़ा करना; इस प्रकार, दृश्य कोण से लक्ष्य द्वारा जोर से देखने गिया है आंकड़ा में । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4 . पानी शीतलन प्रणाली
(क) पम्प समूह, पानी की टंकी और रेफ्रिजरेटर (प्रयोगशाला के बाहर रखा गया). (ख) उच्च दाब धातु ठंडा पानी की आपूर्ति पाइप (वैक्यूम चैंबर के बाहर) । (ग) जोड़ों और इलेक्ट्रोड और चुंबकीय कुंडल (वैक्यूम कक्ष के अंदर) के लिए ठंडा पानी की आपूर्ति पाइप अछूता । (घ) पंप्स नियंत्रकों पानी पंपों की प्रवाह दर निर्धारित किया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5 . लक्ष्य विधि जोर स्टैंड
सेंट्रल लाइन के जबरदस् त और लक्ष् य एक दूसरे के साथ घुमते रहे हैं । लक्ष् य की अक्षीय स्थिति को जंगम मंच के साथ समायोजित किया जा सकता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6 . ठेठ निर्वहन वोल्टेज के लिए जोर
२४० एक, २५८ मीट्रिक टन, पहुंचाने की जन प्रवाह दर ४० मिलीग्राम/ कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए लागू क्षेत्र के निर्वहन वर्तमान ।

Figure 7
चित्र 7 . ठेठ जोर माप संकेत
२४० एक, २५८ मीट्रिक टन, पहुंचाने की जन प्रवाह दर ४० मिलीग्राम/ कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए लागू क्षेत्र के निर्वहन वर्तमान ।

Figure 8
चित्र 8 . 25 किलोवाट तक आर्क शक्ति के साथ निर्वहन वर्तमान, लागू क्षेत्र और जोर पर फेंकने योग्य जन प्रवाह दर का प्रभाव । तल पर Abscissa सहित सामान्यीकृत आपरेशन मापदंडों का प्रतिनिधित्व करता है:
आईडी (वर्तमान निर्वहन), बीए (चुंबकीय क्षेत्र शक्ति लागू) और ṁ (फेंकने योग्य जन प्रवाह दर) id = २०० A, ba = १०० मीट्रिक टन के साथ, ṁ = ४० मिलीग्राम/एस बुनियादी आपरेशन की स्थिति के रूप में चयनित, नीचे abscissa पर 1 के मूल्य के लिए इसी । शीर्ष पर Abscissas तीन मापदंडों के मूल मूल्यों के अनुरूप है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 9
चित्र 9 . लगातार आपरेशन ३६ किलोवाट की चाप बिजली के लिए वर्तमान और वोल्टेज
तीन ठोस लाइनों के निर्वहन वोल्टेज के लिए उत्पादन संकेतों, निर्वहन वर्तमान और गणना की चाप शक्ति, क्रमशः कर रहे हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 10
चित्र 10 . कुल 10 घंटे के लिए आपरेशन के बाद प्रारंभिक कैथोड प्रकटन और कैथोड ।
आंकड़ा के बाईं ओर निर्वहन के दौर से गुजर से पहले टैंटलम टंगस्टन खोखले कैथोड की छवि को दर्शाता है; दाईं ओर के निर्वहन के तहत 10 घंटे की कुल के बाद कैथोड दिखाता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 11
चित्र 11 . 50-100 किलोवाट की बिजली रेंज में जोर का प्रदर्शन
स्टार प्रतीकों के साथ अंक जोर फार्मूला12द्वारा गणना के बल के मूल्यों रहे हैं । अंय प्रतीकों जोर के लक्ष्य जोर से मापा के मूल्यों रहे है खड़े हो जाओ । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 12
चित्र 12 . लक्ष्य के आकार की योजनाबद्ध चुंबकीय क्षेत्र की ज्यामिति की तुलना में
बिंदीदार रेखाएं anode की बाहरी श्रेणी के माध्यम से चुंबकीय क्षेत्र लाइनों का प्रतिनिधित्व करते हैं । बिंदीदार रेखाओं के भीतर चुंबकीय क्षेत्र अंतरिक्ष में एक पतला चुंबकीय नोजल फार्म कर सकते हैं । नोजल का व्यास लक्ष्य विमान में ७०४ mm है, जो प्रयोग में जबरदस् त से ५५० mm है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 13
चित्र 13 . वापस प्रवाह कण गतिशीलता की योजनाबद्ध 
लक्ष्य से विकीर्ण तीर लक्ष्य के केंद्र से रिबाउंड कणों का प्रतिनिधित्व करते हैं । यहां हम मानते है कि सभी कणों लक्ष्य के केंद्रीय बिंदु से खुशहाली लौटने लगी । इस धारणा पुनर्प्रवेश कणों के अनुपात की गणना का अनुमान लगाना होगा । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 14
चित्र 14 . निर्वहन कक्ष में backflow फेंकने का प्रतिशत
वर्गों के प्रतीकों के साथ लाइन represent कणों के अनुपात धारणा है कि backflow कणों एक कोज्या वितरण का पालन के आधार पर प्रतिनिधित्व करता है । हीरे प्रतीकों के साथ लाइन है कि एक समान वितरण से प्रतिनिधित्व करता है । abscissa लक्ष्य और anode निकास के बीच की दूरी है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

इस प्रोटोकॉल एक १०० किलोवाट वर्ग लागू क्षेत्र MPD के जोर से प्रज्वलन, आपरेशन, और जोर माप की प्रक्रियाओं का वर्णन । इष्टतम प्रदर्शन के लिए एक MPD जोर डिजाइनिंग में महत्वपूर्ण बिंदु विशिष्ट उद्देश्य के अनुसार उचित विंयास का चयन है । MPD अभिसरण-अलग anode के साथ एक बड़े ऑपरेशन रेंज में संभल-राज्य समारोह कर सकते हैं । हालांकि, प्रदर्शन अलग anode के साथ जोर से कम हो सकता है । खोखले कैथोड, विशेष रूप से मल्टीचैनल खोखले कैथोड, सबसे पहलुओं में एक पारंपरिक रॉड कैथोड से बेहतर है । खोखले कैथोड के आवेदन जोर प्रदर्शन में सुधार के लिए फायदेमंद है, और यह फेंकने योग्य आपूर्ति मोड के लिए विकल्प प्रदान करता है । एक खोखले कैथोड के विनिर्माण लागत अपेक्षाकृत उच्च एक ठोस कैथोड के साथ तुलना में है ।

अगर यह 10 से अधिक मिनट के लिए काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है एक द्रव सर्किट शीतलक संरचना जोर के ऑपरेशन के लिए आवश्यक है । वैकल्पिक रूप से, विकिरण शीतलक एक और विकल्प26है, जो जटिल शीतलक पाइपिंग से बचने कर सकते हैं । हालांकि, इस जोर का एक बड़ा रेडियल आकार का कारण हो सकता है । इसके अलावा, एक गर्मी पाइप एक और विकल्प है जब वास्तविक अंतरिक्ष मिशन में कार्यरत हो सकता है ।

एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र वायुसेना MPD जोर के लिए अपरिहार्य है । क्षेत्र एक पारंपरिक solenoid कुंडल द्वारा प्रदान किया जा सकता है, के रूप में प्रोटोकॉल, या एक स्थाई चुंबक में वर्णित है । इसके अलावा, अतिचालकता एक संभावित उंमीदवार है, जो पारंपरिक कुंडल से अधिक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र प्रदान कर सकते है और जो की बड़े पैमाने पर भी पारंपरिक solenoid कुंडल से कम है ।

जोर माप प्रयोग पकड़ करने के लिए, पृष्ठभूमि दबाव 0.013-0.13 पीए1की तुलना में कम होना चाहिए । अन्यथा, जोर का संचालन प्रभावित हो सकता है । इसके अलावा,27अनुसंधान के अनुसार, वहां MPD के प्लम में बहिर्वाह धाराओं रहे है और दूर वर्तमान के अक्षीय दिशा में जोर से स्थिति ९० सेमी तक पहुंच सकते हैं । इस प्रकार, चैंबर के आकार को बढ़ाने के लिए जोर पर सुविधा के प्रभाव को कम करने के लिए फायदेमंद है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस कार्य को मौलिक अनुसंधान कार्यक्रम (सं. JCKY2017601C) । हम ओहियो राज्य विश्वविद्यालय में थॉमस एम. यॉर्क, एमेरिटस प्रोफेसर की मदद की सराहना करते हैं ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cryogenic Pumps Brooks Automation Pumping speed: 10000L/s
Displacement Sensor Panasonic HG-C1030 Repetition precision: 10μm
Linearity: ±0.1% F.S.
Mass Flow Rate Controller Brooks Automation Range: 0-120mg/s
Molecular Pump Oerlikon Pumping speed: 2100L/s
Moveable Plantform Beijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd. Range:0-2000mm
Plsatic Water Pipes Xingye Xingye fluoroplastics (Jiaxing) Co., Ltd. Ultimate pressure: 4.5MPa
Propellant Argon Beijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd. Purity:99.999%
Refrigerator Beijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd. Refrigeration power:45kW
Water Pumps Liaocheng vanguard Motor Co., Ltd.;
Shanghai people pump industry group Manufacturing Co., Ltd.;
Nanfang Pump Limited company		 Maximum Output pressure:
Centrifugal pump:1MPa
Plunger pump:10MPa

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References

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