Hovedoppgave. Ny plasmakilde for simulering av ionosfæreplasma i plasmasimuleringskammer

Transkript

1 Hovedoppgave Ny plasmakilde for simulering av ionosfæreplasma i plasmasimuleringskammer

2 Ny plasmakilde for simulering av ionosfæreplasma i plasmasimuleringskammer Forfatter Jan-Roald Garden Huru Stud.techn.siv.ing.Romteknologi.HIN Ing.Data-Elektronikk.HIN Utdanningsinstitusjon Høgskolen I Narvik (HIN) Sivilingeniørutdanningen Romteknologi Hovedveileder ved HIN Dr. Dag Lorentzen Oppdragsgiver Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) Veileder ved FFI Dr. Knut Svenes

3 Innledning Ved ionosfæregruppen på Forsvarets forskningsinstitutt, på Kjeller, er det et sylinderformet plasmasimuleringskammer med fysiske mål 0,9 m i diameter og 2.0 m i lengde.

4

5 Innledning Plasmasimuleringskammeret brukes til å teste ut elektron- og ione- prober i et termisk plasma.

6 Innledning Plasmakilden ble designet for ca. 15 år siden og der var et ønske om å fornye kilden. I denne forbindelse ble hovedoppgaven til som et prosjekt i samarbeide mellom Sivilingeniørutdanningen ved Høgskolen i Narvik og Forsvarets forskningsinstitutt.

7 Problemformulering Problemene ved den gamle kilden er at den produserer høyenergetiske elektroner som slipper ut i plasmasimuleringskammeret sammen med plasmaet og at plasmaet vanskelig lar seg reprodusere fra gang til gang.

8 Hovedoppgavens mål Hovedoppgavens mål er en ny plasmakilde til plasmasimuleringskammeret på Kjeller, og rapporten er et resultat av dette arbeidet. Rapporten er en utredning av forskjellige plasmakilde metoder og hvilken metode som egner seg best, og gir et forslag til design av den nye plasmakilden.

9 Kaufman Kilde Den gamle kilden ved plasmasimuleringskammeret på Kjeller er en typisk Kaufman kilde. Gasspåslipp Gassdiffusor Spoleviklinger Gitter Plasma Glødefilament Bakplate Nøytraliseringsfilament Teoretisk skisse av Kaufman kilden.

10 Kaufman Kilde Bilde av den gamle plasmakilden.

11 Valgte Plasmakildeløsning Valgte løsning består av ionekildeenhet, separatorenhet, og nøytralisator som til sammen utgjør hele plasmakildeløsning.

12 Valgte Plasmakildeløsning Plasmasimuleringskammer Ionekildeenhet Separatorenhet Nøytralisator Tankdør Gulv Tankfot Skisse av hele valgte plasmakildeløsning.

13 Ionekildeenhet I rapporten har jeg utledet fem forskjellige plasmakilde metoder. Kaufmankilden Halleffektkilden Metode 1 Metode 2 Valgte ionekilde Metode 3 3 metoder som minner litt om halleffektkilden.

14 Ionekildeenhet Metode 2 -Magnetisk kjernematriale. -Stål (ledende matriale). -Katode (glødefillament). -Spolevikling og leder. -Magnetiske feltlinjer. -Elektrisk felt.

15 Ionekildeenhet Metode 2 En elektronsky vil bli frigjort rundt glødefilamentet og argongassen som slippes inn vil blande seg med denne skyen. De påtrykte feltene vil føre til gyrering og partikkelkollisjoner slik at gassen blir ionisert og plasma blir dannet. -Magnetisk kjernematriale. -Stål (ledende matriale). -Katode (glødefillament). -Spolevikling og leder. -Magnetiske feltlinjer. -Elektrisk felt.

16 Ionekildeenhet Metode 2 B-felt bidraget fra spolen og B-felt bidraget fra lederen har begge gradient B inn mot midten av kilden. I tillegg kan man benytte en utvendig spole for å justere denne gradienten. -Magnetisk kjernematriale. -Stål (ledende matriale). -Katode (glødefillament). -Spolevikling og leder. -Magnetiske feltlinjer. -Elektrisk felt.

17 Ionekildeenhet Metode 2 De tre feltene B-feltet, B-feltet og E-feltet vil til sammen føre til et BxB-driftsbidrag og et ExB-driftsbidrag. Disse driftsbidragene fører til at ionene og elektronene gyrerer. -Magnetisk kjernematriale. -Stål (ledende matriale). -Katode (glødefillament). -Spolevikling og leder. -Magnetiske feltlinjer. -Elektrisk felt.

18 Ionekildeenhet Metode 2 Styrken på B-feltet, B-feltet og E-feltet skal være slik at ionene og elektronene gyrerer i samme retning. Dette er mulig på grunn av at ionemassen og elektronmassen har et størrelsesforhold på 10 5 og fordi der er flere krefter som påvirker ionene og elektronene hvor massen ikke inngår. -Magnetisk kjernematriale. -Stål (ledende matriale). -Katode (glødefillament). -Spolevikling og leder. -Magnetiske feltlinjer. -Elektrisk felt.

19 Ionekildeenhet Metode 2 Siden B-feltbidragene fra spolen og lederen til sammen danner et spiralformet felt, vil de ladde partiklene få en spiralformet bevegelse ut av ionekildeenheten. -Magnetisk kjernematriale. -Stål (ledende matriale). -Katode (glødefillament). -Spolevikling og leder. -Magnetiske feltlinjer. -Elektrisk felt.

20 Valgte Plasmakildeløsning Plasmasimuleringskammer Ionekildeenhet Separatorenhet Nøytralisator Tankdør Gulv Tankfot Skisse av hele valgte plasmakildeløsning.

21 Separatorenheten Separatorenheten er unik som den er enkel, og den er trolig også å se på som nytenkning på området. Med denne enheten kan man filtrere ut alle elektroner, både lavenergetiske og høyenergetiske. Det er de høyenergetiske elektronene vi er interessert i å få fjernet, fordi de er å anse som forurensning av plasmaet. Ionekildeenhetene som er beskrevet tidligere i rapporten er tilpasset separatorenheten og jeg fraråder derfor å droppe denne enheten hvis brukbart plasma for vårt formål skal oppnås.

22 Separatorenheten Anodeplate Hjelpeavbøyere - Metalloverflate utvendig. - Metalloverflate innvendig. - Elektrisk forspente hjelpeavbøyere. - Ionebane. - Elektronbane. Gitter

23 Separatorenheten Denne enheten fungerer slik at det råe plasmaet fra kilden blir sluppet normalt inn i et E-felt, slik at ionenes og elektronenes bevegelsesretning blir avbøyet ut til hver sin retning. For å hjelpe på denne avbøyningen har jeg satt inn hjelpeavbøyere. - Metalloverflate utvendig. - Metalloverflate innvendig. Anodeplate Hjelpeavbøyere - Ionebane. - Elektronbane. Gitter

24 Separatorenheten Etter at ionenes og elektronenes bevegelses retning er avbøyet i hver sin retning, vil de bli akselerert opp i hastighet av E-feltet mellom anodeplaten og gitteret. Elektronene vil bli tatt opp av anodeplaten. - Metalloverflate utvendig. - Metalloverflate innvendig. Anodeplate Hjelpeavbøyere - Ionebane. - Elektronbane. Gitter

25 Separatorenheten Ionene som akselereres i retning av gitteret vil på grunn av den oppnådde hastigheten passere gitteret og fortsette ut i tanken forbi nøytralisatoren. - Metalloverflate utvendig. - Metalloverflate innvendig. Anodeplate Hjelpeavbøyere - Ionebane. - Elektronbane. Gitter

26 Valgte Plasmakildeløsning Plasmasimuleringskammer Ionekildeenhet Separatorenhet Nøytralisator Tankdør Gulv Tankfot Skisse av hele valgte plasmakildeløsning.

27 Nøytralisator Når ionene slippers ut av separatorenheten og inn i plasmasimuleringskammeret skal det tilføres lavenergetiske elektroner slik at det resulterende plasmaet blir nøytralt. For å gjøre dette bruker man en nøytralisator. En nøytralisator kan konstrueres etter to forskjellige metoder. Hollow Cathode. (en metode som benyttes på dagens ioneraketter for satellitter) Nøytraliseringsfilament.

28 Nøytraliseringsfilament Nøytraliseringsfilament et er et standard direkteglødet trådfilament. Det består av en tantaltråd som glødes av strøm gjennom tråden selv. Separatorenhet - Metalloverflate. - Glødefilament. - Ionebane. - Elektronbane. Tilkoblingsklemme Tilkoblingsklemme

29 Nøytraliseringsfilament Nøytaliseringsfilamentet danner en sky av lavenergetiske elektroner. Når ionene strømmer ut fra separatorenheten og gjennom denne skyen vil de ta med seg elektroner fra skyen. Slik får ionene tilført nye lavenergetiske elektroner fra nøytraliseringsfilamentet slik at vi får et homogent og nøytralt plasma som strømmer ut i tanken. Separatorenhet - Metalloverflate. - Glødefilament. - Ionebane. - Elektronbane. Tilkoblingsklemme Tilkoblingsklemme

30 Oppsummering Plasmasimuleringskammer Ionekildeenhet Separatorenhet Nøytralisator Tankdør Gulv Tankfot Skisse av hele valgte plasmakildeløsning.

31 Oppsummering Rapporten inneholder også: Et vedlegg med forslag til konstruksjon i form av Autocad tegninger. Flere vedlegg med utledninger av formler for magnetiske felt og dets gradienter. Spesielt vil jeg nevne utledningen for formelene for utvendig magnetfelt og dens gradient ut fra siden av en spole ved hjelp av Biot Savarts Lov. (se figuren) p