इलेक्ट्रोडायनामिक टीथर

मध्यम निकट दृश्य, जिसे 70 मिमी कैमरे से प्रग्रहण किया गया है, टेथर्ड उपग्रह प्रणाली परिनियोजन दिखाता है।

विद्युत्-गतिक टीथर (ईडीटी) लंबे समय तक चलने वाले तार होते हैं, जैसे कि एक टीथर (तार) उपग्रह से परिनियोजन किया जाता है, जो विद्युत जनित्र के रूप में विद्युत चुंबकत्व सिद्धांतों पर कार्य कर सकता है, अपनी गतिज ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करके, या विद्युत मोटर के रूप में, विद्युत ऊर्जा को गतिज ऊर्जा में परिवर्तित कर सकता है। एक ग्रह के चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से इसकी गति से एक प्रवाहकीय तार पर विद्युत सामर्थ्य उत्पन्न होती है।

कई मिशनों ने अंतरिक्ष में विद्युत्-गतिक टीथर का प्रदर्शन किया है, विशेष रूप से टीएसएस-1, टीएसएस-1आर, और प्लाज्मा मोटर जनित्र (पीएमजी) प्रयोग किया जाता है।

तार प्रणोदन

एक टीथर प्रणोदन प्रणाली के भाग के रूप में, अंतरिक्ष यान की कक्षाओं को बदलने के लिए यान लंबे, मजबूत परिचालक (हालांकि सभी टीथर प्रवाहकीय नहीं हैं) का उपयोग कर सकते हैं। इसमें अंतरिक्ष परिभ्रमण को सार्थक रूप से सुलभ करने की सामर्थ्य है। जब दिष्ट धारा को तार पर लागू किया जाता है, तो यह चुंबकीय क्षेत्र के विरुद्ध एक लोरेंत्ज़ बल लगाता है, और तार वाहन पर एक बल लगाता है। इसका उपयोग या तो परिक्रमा करने वाले अंतरिक्ष यान को गति देने या गतिरोधक करने के लिए किया जा सकता है।

2012 में तारक प्रौद्योगिकी और अनुसंधान को कक्षीय अवशेष को हटाने के लिए एक टीथर प्रणोदन प्रणाली को अर्हता प्राप्त करने के लिए $1.9 मिलियन का अनुबंध दिया गया था।

विद्युत्-गतिक टेथर के लिए उपयोग

वर्षों से, उद्योग, सरकार और वैज्ञानिक अन्वेषण में विभव उपयोग के लिए विद्युत्-गतिक टेथर के लिए कई अनुप्रयोगों की पहचान की गई है। नीचे दी गई तालिका अब तक प्रस्तावित कुछ विभव अनुप्रयोगों का सारांश है। इन अनुप्रयोगों में से कुछ सामान्य अवधारणाएं हैं, जबकि अन्य अच्छी तरह से परिभाषित प्रणालियां हैं। इनमें से कई अवधारणाएँ अन्य क्षेत्रों में अतिव्यापन करती हैं; हालाँकि, उन्हें इस तालिका के प्रयोजनों के लिए सबसे उपयुक्त शीर्षक के अंतर्गत रखा गया है। तालिका में उल्लिखित सभी अनुप्रयोगों को टीथर्स विवरण पुस्तिका में विस्तार से बताया गया है। तीन मौलिक अवधारणाएँ जो टीथर के पास होती हैं, गुरुत्वाकर्षण प्रवणता, संवेग विनिमय और विद्युत-गतिकी हैं। विभव टीथर अनुप्रयोगों को नीचे देखा जा सकता है:

विद्युत्-गतिकी
विद्युत्-गतिकी विद्युत उत्पादन	विद्युत्-गतिकी प्रणोद उत्पादन
यूएलएफ/ईएलएफ/वीएलएफसंचार एंटीना	विकिरण क्षेत्र संशोधन
अंतरिक्ष केन्द्र
सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण प्रयोगशाला	अंतरिक्ष केन्द्र से शटल डी-कक्षा
टेथर अंतरिक्ष स्थानांतरण संवाहक (एसटीवी) का प्रक्षेपण	परिवर्तनीय/कम गुरुत्वाकर्षण प्रयोगशाला
मनोवृत्ति स्थिरीकरण और नियंत्रण	अन्तर्राष्ट्रीय अन्तरिक्ष केंद्र पुनः स्थापन
निर्वासन
सामान्यीकृत अपमार्जन अपक्षीण चरण	कक्षीय संशोधन के लिए आंतरिक बल
कृत्रिम उपग्रह से उपग्रह को बढ़ावा	टेथर सहाय प्रदत्त परिवहन प्रणाली (टीएटीएस)
क्षय उपग्रहों को पुनः स्थापित करना	कृत्रिम उपग्रह से ऊपरी स्तर को बढ़ावा

अन्तर्राष्ट्रीय अन्तरिक्ष केंद्र पुनः स्थापन

विद्युत्-गतिक टीथर को अन्तर्राष्ट्रीय अन्तरिक्ष केंद्र कक्षा को बनाए रखने और रासायनिक प्रणोदक पुनः स्थापन के खर्च को बचाने के लिए प्रस्तावित किया गया है। यह सूक्ष्म-गुरुत्वाकर्षण स्थितियों की गुणवत्ता और अवधि में संशोधन कर सकता है।

विद्युत्-गतिक टीथर स्थापना

विद्युत्-गतिकी टीथर अवधारणा का चित्रण

विद्युत्-गतिक टीथर में उपयोग किए जाने वाले धातु के विद्युत परिचालक का चुनाव विभिन्न कारकों द्वारा निर्धारित किया जाता है। प्राथमिक कारकों में सामान्य रूप से उच्च विद्युत चालकता और कम घनत्व सम्मिलित होते हैं। अनुप्रयोग के आधार पर द्वितीयक कारकों में कीमत, सामर्थ्य और गलनांक सम्मिलित हैं।

एक विद्युत-वाहक बल (ईएमएफ) एक टेदर तत्व में उत्पन्न होता है क्योंकि यह एक चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष चलता है। बल फैराडे के प्रेरण के नियम द्वारा दिया गया है:

$V_{\mathrm {emf} }=\int _{0}^{L}\left({\vec {v}}_{\mathrm {orb} }\times {\vec {B}}\right)d{\vec {L}}.$

सामान्यता की हानि के बिना, यह माना जाता है कि तार प्रणाली पृथ्वी की कक्षा में है और यह पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष चलती है। इसी तरह, यदि टीथर तत्व में धारा प्रवाहित होता है, तो लोरेंत्ज़ बल समीकरण के अनुसार एक बल उत्पन्न किया जा सकता है

${\vec {F}}=\int _{0}^{L}I(L)\,d{\vec {L}}\times {\vec {B}}.$

स्व-संचालित प्रणाली (बाहरी-कक्षा प्रणाली) में, इस विद्युत-वाहक बल का उपयोग टीथर प्रणाली द्वारा टीथर और अन्य विद्युत भार (जैसे प्रतिरोधक, बैटरी) के माध्यम से धारा को बाध्य करने के लिए किया जा सकता है, उत्सर्जक सिरे पर इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन, या विपरीत पर इलेक्ट्रॉनों को एकत्र करना। अभिवर्ध प्रणाली में, ऑन-बोर्ड विद्युत की आपूर्ति को विपरीत दिशा में धारा बाध्य करने के लिए इस गतिमान विद्युत-वाहक बल को प्रतिबद्ध करना होगा, इस प्रकार विपरीत दिशा में एक बल बनाना होगा, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में देखा गया है, और प्रणाली को बढ़ावा देना है।

उदाहरण के लिए, जैसा कि ऊपर दिए गए चित्र में देखा गया है, नासा प्रणोदक लघु उत्सर्जनीय परिनियोजन प्रणाली (प्रोएसईडीएस) प्रेरण। 300 किमी की ऊँचाई पर, पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र, उत्तर-दक्षिण दिशा में, लगभग 0.18–0.32 गॉस ~40° झुकाव तक है, और स्थानीय प्लाज्मा के संबंध में कक्षीय वेग लगभग 7500 मी/से है। इसका परिणाम टीथर की 5 किमी लंबाई के साथ 35-250 वोल्ट/किमी की एक V_emf सीमा में होता है। यह विद्युत-वाहक बल अनावृत टीथर में विभावन्तर को निर्धारित करता है जो नियंत्रित करता है कि इलेक्ट्रॉनों को कहाँ एकत्र किया जाता है और / या पीछे हटा दिया जाता है। यहां, प्रणोदक लघु उत्सर्जनीय परिनियोजन प्रणाली डी-अभिवर्धन टीथर प्रणाली को अनावृत टीथर के धनात्मक अभिनत उच्च ऊंचाई वाले भाग में इलेक्ट्रॉन संग्रह को सक्षम करने के लिए समनुरूप किया गया है, और निचले ऊंचाई के अंत में आयनमंडल में वापस आ गया है। पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में टीथर की लंबाई के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का यह प्रवाह एक बल बनाता है जो एक अवरोध प्रणोदन उत्पन्न करता है जो प्रणाली को डी-कक्षा में सहायता करता है, जैसा कि उपरोक्त समीकरण द्वारा दिया गया है। अभिवर्धन प्रणाली डी-कक्षा प्रणाली के समान है, इस तथ्य को छोड़कर कि टीथर और उच्च धनात्मक विभव अंत के बीच टीथर प्रणाली के साथ श्रृंखला में एक उच्च विद्युत-दाब विद्युत आपूर्ति (एचवीपीएस) भी डाली जाती है। विद्युत आपूर्ति विद्युत-दाब विद्युत-वाहक बल और ध्रुवीय विपरीत से अधिक होना चाहिए। यह धारा को विपरीत दिशा में चलाता है, जिसके कारण उच्च ऊंचाई का अंत ऋणात्मक रूप से आवेशित होता है, जबकि कम ऊंचाई का अंत धनात्मक रूप से (पृथ्वी के चारों ओर एक मानक पूर्व से पश्चिम की कक्षा मानते हुए) आवेशित होता है ।

डी-अभिवर्धित घटना पर और बल देने के लिए, नीचे दिए गए चित्र में बिना तापावरोधन (सभी अनावृत) के अनावृत तार प्रणाली का एक योजनाबद्ध रेखा-चित्र देखा जा सकता है।

जनित्र (डी-अभिवर्धन) प्रणाली में कार्य कर रहे अनावृत तार की धारा और विद्युत-दाब क्षेत्र बनाम दूरी।

आरेख का शीर्ष, बिंदु A, इलेक्ट्रॉन संग्रह अंत का प्रतिनिधित्व करता है। टीथर के नीचे, बिंदु C, इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन अंत है। इसी प्रकार, $V_{\mathrm {anode} }$ और $V_{\mathrm {cathode} }$ उनके संबंधित टीथर सिरों से प्लाज्मा तक विभावन्तर का प्रतिनिधित्व करते हैं, और $V-V_{p}$ प्लाज्मा के संबंध में टीथर के साथ कहीं भी विभव है। अंत में, बिंदु B वह बिंदु है जिस पर तार की सामर्थ्य प्लाज्मा के बराबर होती है। बिंदु B का स्थान तार की संतुलन स्थिति के आधार पर अलग-अलग होगा, जो कि किरचॉफ के विद्युत-दाब नियम (केवीएल) के समाधान द्वारा निर्धारित किया जाता है।

$V_{\mathrm {anode} }+\int _{A}^{C}I(y)\,dR_{t}+R_{\mathrm {load} }I_{C}+V_{\mathrm {emit} }+V_{\mathrm {cathode} }=V_{\mathrm {emf} }$

और किरचॉफ का धारा नियम (केसीएल)

$I_{AB}=I_{BC}+I_{C}$

तार के साथ यहां $I_{AB}$, $I_{BC}$, और $I_{C}$ बिंदु A से B तक धारा लाभ का वर्णन करें, धारा बिंदु B से C तक समाप्त हो जाता है, और बिंदु C पर क्रमशः समाप्त हो जाता है।

चूँकि तार की अनावृत लंबाई के साथ धारा निरंतर परिवर्तित कर रही है, तार की प्रतिरोधक प्रकृति के कारण विभव हानि को इस रूप में दर्शाया गया है $\textstyle \int _{A}^{C}I(y)\,dR_{t}$ तार के एक अतिसूक्ष्म भाग के साथ, प्रतिरोध $dR_{t}$ धारा से गुणा $I(y)$ उस भाग में परिभ्रमण करना प्रतिरोधी विभव हानि है।

प्रणाली के लिए केवीएल और केसीएल का मूल्यांकन करने के बाद, परिणाम टीथर के साथ एक धारा और विभव प्रोफाइल प्राप्त करेंगे, जैसा कि उपरोक्त चित्र में देखा गया है। यह चित्र दिखाता है कि, टीथर के बिंदु A से नीचे बिंदु B तक, एक धनात्मक विभव पूर्वाग्रह है, जो एकत्रित धारा को बढ़ाता है। उस बिंदु के नीचे, $V-V_{p}$ ऋणात्मक हो जाता है और आयन धारा का संग्रह प्रारंभ हो जाता है। चूंकि आयन धारा (किसी दिए गए क्षेत्र के लिए) के समतुल्य मात्रा को एकत्र करने के लिए बहुत अधिक विभावन्तर की आवश्यकता होती है, इसलिए टीथर में कुल धारा एक छोटी राशि से कम हो जाता है। फिर, बिंदु C पर, प्रणाली में शेष धारा प्रतिरोधक भार के माध्यम से रेखांकित की जाती है ($R_{\mathrm {load} }$), और एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक उपकरण से उत्सर्जित ($V_{\mathrm {emit} }$), और अंत में प्लाज्मा कोश के प्रतिबद्ध ($V_{\mathrm {cathode} }$) किरचॉफ के विद्युत-दाब नियम विद्युत-दाब लूप तब आयनमंडल में बंद हो जाता है जहां विभावन्तर प्रभावी रूप से शून्य होता है।

अनावृत विद्युत्-गतिक टीथर की प्रकृति के कारण, प्रायः पूरे टीथर को खुला रखना वैकल्पिक नहीं होता है। प्रणाली की प्रणोदन सामर्थ्य को अधिकतम करने के लिए अनावृत तार का एक महत्वपूर्ण हिस्सा अनावृत होना चाहिए। यह विद्युतरोधन राशि कई प्रभावों पर निर्भर करती है, जिनमें से कुछ प्लाज्मा घनत्व, तार की लंबाई और चौड़ाई, परिक्रमा वेग और पृथ्वी के चुंबकीय प्रवाह घनत्व हैं।

जनित्र के रूप में टीथर

Main article: विद्युत-जनित्र

एक अंतरिक्ष वस्तु, अर्थात पृथ्वी की कक्षा में एक उपग्रह, या प्राकृतिक या मानव निर्मित कोई अन्य अंतरिक्ष वस्तु, भौतिक रूप से टीथर प्रणाली से जुड़ी होती है। टीथर प्रणाली में एक परिनियोजन सम्मिलित होता है जिसमें से एक प्रवाहकीय टीथर एक रिक्त भाग होता है जो अंतरिक्ष वस्तु से ऊपर की ओर प्रसारित होता है। टीथर का धनात्मक रूप से समर्थक एनोड अंत आयनमंडल से इलेक्ट्रॉनों को एकत्र करता है क्योंकि अंतरिक्ष वस्तु पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र में दिशा में चलती है। ये इलेक्ट्रॉन टीथर की प्रवाहकीय संरचना के माध्यम से विद्युत प्रणाली अन्तराफलक में प्रवाहित होते हैं, जहां यह संबंधित भार को विद्युत की आपूर्ति करता है, दिखाया नहीं गया है। इलेक्ट्रॉन तब ऋणात्मक समर्थक कैथोड में प्रवाहित होते हैं जहां इलेक्ट्रॉनों को अंतरिक्ष प्लाज्मा में निकाल दिया जाता है, इस प्रकार विद्युत परिपथ को पूरा किया जाता है। (स्रोत: यू.एस. पेटेंट 6,116,544, विद्युत्-गतिक टीथर और उपयोग की विधि।)

एक विद्युत-गतिक तार एक वस्तु से जुड़ा होता है, तार वस्तु और एक चुंबकीय क्षेत्र वाले ग्रह के बीच स्थानीय ऊर्ध्वाधर के कोण पर उन्मुख होता है। तार के दूर के छोर को आयनमंडल के साथ विद्युत संपर्क बनाते हुए खुला छोड़ा जा सकता है। जब तार चुंबकीय क्षेत्र ग्रह के चुंबकीय क्षेत्र को काटता है, तो यह एक धारा उत्पन्न करता है, और इस तरह परिक्रमा करने वाले पिंड की कुछ गतिज ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। कार्यात्मक रूप से, इलेक्ट्रॉन अंतरिक्ष प्लाज्मा से प्रवाहकीय टीथर में प्रवाहित होते हैं, एक नियंत्रण इकाई में एक प्रतिरोधक भार के माध्यम से पारित होते हैं और एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक द्वारा मुक्त इलेक्ट्रॉनों के रूप में अंतरिक्ष प्लाज्मा में उत्सर्जित होते हैं। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप, एक विद्युतीय बल तार और संलग्न वस्तु पर कार्य करता है, जिससे उनकी कक्षीय गति धीमी हो जाती है। अस्पष्ट अर्थों में, इस प्रक्रिया की तुलना एक पारंपरिक पवनचक्की से की जा सकती है- एक प्रतिरोधक माध्यम (वायु या, इस स्थिति में, चुंबकीय क्षेत्र) के अवरोध बल का उपयोग सापेक्ष गति (हवा, या उपग्रह की गति) की गतिज ऊर्जा को विद्युत में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। सिद्धांत रूप में, सघन उच्च-धारा टीथर विद्युत जनित्र संभव हैं और, सामान्य धात्विक उपकरण के साथ, दसियों, सैकड़ों, और हजारों किलोवाट प्राप्य प्रतीत होते हैं।

Further information: डायनेमो

विद्युत-दाब और धारा

नासा ने अंतरिक्ष में प्लाज्मा मोटर जनित्र (पीएमजी) टेथर के साथ कई प्रयोग किए हैं। एक प्रारम्भिक प्रयोग में 500 मीटर के संवहन टेदर का उपयोग किया गया था। 1996 में, नासा ने 20,000 मीटर संवहन टीथर के साथ एक प्रयोग किया। जब इस परीक्षण के समय तार को पूरी तरह से खोल दिया गया, तो परिक्रमा करने वाले तार ने 3,500 वोल्ट की सामर्थ्य उत्पन्न की। इस संवहन एकल रेखा टेदर को पांच घंटे की परिनियोजन के बाद तोड़ दिया गया था। ऐसा माना जाता है कि विफलता पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से प्रवाहकीय तार के गति द्वारा उत्पन्न विद्युत चाप के कारण हुई थी।

जब एक तार को पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र ('B') के समकोण पर वेग (v) पर ले जाया जाता है, तो तार के संदर्भ के फ्रेम में एक विद्युत क्षेत्र देखा जाता है। इसे इस प्रकार कहा जा सकता है:

E = v * B = vB

विद्युत क्षेत्र ('E') की दिशा तार के वेग (v) और चुंबकीय क्षेत्र ('B') दोनों के समकोण पर है। यदि तार एक चालक है, तो विद्युत क्षेत्र तार के साथ आवेशों के विस्थापन की ओर ले जाता है। ध्यान दें कि इस समीकरण में प्रयुक्त वेग टीथर का कक्षीय वेग है। पृथ्वी, या इसके कोर के घूमने की दर प्रासंगिक नहीं है। इस संबंध में, एकध्रुवीय जनित्र भी देखें।

Further information: फैराडे का प्रेरण का नियम

परिचालक भर में विद्युत-दाब

लम्बाई L के लंबे चालक तार से तार में विद्युत क्षेत्र E उत्पन्न होता है। यह तार के विपरीत सिरों के बीच एक विद्युत-दाब 'v' उत्पन्न करता है। इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

$V=\mathbf {E} \cdot \mathbf {L} =EL\cos \tau =vBL\cos \tau$

जहां कोण τ टीथर की लंबाई वेक्टर (L) और विद्युत क्षेत्र वेक्टर (E) के बीच है, वेग वेक्टर (v) के समकोण पर लंबवत दिशा में माना जाता है। विमान में और चुंबकीय क्षेत्र वेक्टर (B) विमान से बाहर है।

परिचालक में धारा

एक विद्युत्-गतिक टीथर को विद्युत-गतिक रूप से ओपन प्रणाली (प्रणाली सिद्धांत) के एक प्रकार के रूप में वर्णित किया जा सकता है खुली प्रणाली । विद्युत-गतिक तार परिपथों को केवल दूसरे तार का उपयोग करके पूरा नहीं किया जा सकता है, क्योंकि दूसरा तार समान विद्युत-दाब विकसित करेगा। संयोग से, पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र रिक्त नहीं है, और, निकट-पृथ्वी क्षेत्रों (विशेष रूप से पृथ्वी के वायुमंडल के पास) में अत्यधिक विद्युत प्रवाहकीय प्लाज्मा (भौतिकी) सम्मिलित हैं जो सौर विकिरण या अन्य दीप्तिमान ऊर्जा द्वारा आंशिक रूप से आयनित होते हैं। इलेक्ट्रॉन और आयन घनत्व विभिन्न कारकों के अनुसार भिन्न होता है, जैसे स्थान, ऊंचाई, मौसम, सूर्य कलंक आवर्तकाल और संदूषण स्तर। यह ज्ञात है कि एक धनात्मक रूप से आवेशित किया गया अनावृत परिचालक (सामग्री) प्लाज्मा से मुक्त इलेक्ट्रॉनों को आसानी से हटा सकता है। इस प्रकार, विद्युत परिपथ को पूरा करने के लिए, तार के ऊपरी, धनात्मक रूप से आवेशित सिरे पर बिना विद्युत-रोधित परिचालक के एक पर्याप्त बड़े क्षेत्र की आवश्यकता होती है, जिससे धारा को तार के माध्यम से प्रवाहित करने की स्वीकृति मिलती है।

हालांकि, तार के विपरीत (ऋणात्मक) सिरे के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालना या प्लाज्मा से धनात्मक आयनों को एकत्र करना अधिक कठिन होता है। यह प्रशंसनीय है कि, तार के एक सिरे पर एक बहुत बड़े संग्रह क्षेत्र का उपयोग करके, प्लाज्मा के माध्यम से महत्वपूर्ण प्रवाह की स्वीकृति देने के लिए पर्याप्त आयन एकत्र किए जा सकते हैं। यह शटल कृत्रिम उपग्रह के टीएसएस-1आर प्रेरण के समय प्रदर्शित किया गया था, जब शटल को एक बड़े प्लाज्मा संपर्कित्र के रूप में उपयोग किया गया था ताकि धारा में एक एम्पेयर प्रदान किया जा सके। अपेक्षाकृत अधिक अच्छे तरीकों में एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक बनाना सम्मिलित है, जैसे ऊष्मीय कैथोड, प्लाज्मा कैथोड, प्लाज्मा संपर्कित्र, क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन उत्सर्जन उपकरण। चूंकि तार के दोनों सिरे आसपास के प्लाज्मा के लिए खुले हैं, इलेक्ट्रॉन तार के एक सिरे से बाहर निकल सकते हैं जबकि इलेक्ट्रॉनों का एक प्रवाह दूसरे सिरे में प्रवेश करता है। इस आकृति में, टीथर के अंदर विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित विद्युत-दाब आस-पास के अंतरिक्ष वातावरण के माध्यम से प्रवाहित हो सकता है। एक विद्युत परिपथ को पूरा करता है, जो पहली नज़र में, एक खुला परिपथ प्रतीत होता है।

टीथर धारा

एक टीथर के माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा (I) की मात्रा विभिन्न कारकों पर निर्भर करती है। इनमें से एक परिपथ का कुल प्रतिरोध (R) है। परिपथ के प्रतिरोध में तीन घटक होते हैं:

1. प्लाज्मा का प्रभावी प्रतिरोध,
2. टीथर का प्रतिरोध, और
3. एक नियंत्रण चर अवरोधक।

इसके अतिरिक्त, एक परप्रेरित भार की आवश्यकता है। धारा पर भार एक आवेशन उपकरण का रूप ले सकता है, जो प्रतिगमन में, बैटरी जैसे प्रतिबंध विद्युत स्रोतों को आवेशित करता है। परावर्तन में बैटरी का उपयोग विद्युत और संचार परिपथ को नियंत्रित करने के साथ-साथ टीथर के ऋणात्मक सिरे पर इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक उपकरणों को बाध्य करने के लिए किया जाएगा। इस तरह परिनियोजन और आरंभन प्रक्रिया के लिए विद्युत शक्ति प्रदान करने के लिए बैटरी में प्रारंभिक आवेश के अतिरिक्त, टीथर पूरी तरह से स्व-संचालित हो सकता है।

आवेशन बैटरी भार को एक अवरोधक के रूप में देखा जा सकता है जो शक्ति को अवशोषित करता है, लेकिन (तुरंत ऊष्मा को खत्म करने के अतिरिक्त) इसे बाद में उपयोग के लिए संग्रहीत करता है। इसे नियंत्रण अवरोधक के भाग के रूप में सम्मिलित किया गया है। आवेशन बैटरी भार को आधार प्रतिरोध के रूप में नहीं माना जाता है, क्योंकि आवेशन परिपथ को किसी भी समय बंद किया जा सकता है। बंद होने पर, बैटरी में संग्रहीत शक्ति का उपयोग करके संचालन बिना किसी अवरोध के निरंतर रखा जा सकता है।

Further information: वितरित-तत्व मॉडल

एक विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली के लिए धारा संग्रह/उत्सर्जन: सिद्धांत और प्रौद्योगिकी

अधिकांश विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली के लिए आसपास के व्यापक प्लाज्मा से इलेक्ट्रॉन और आयन धारा संग्रह को समझना महत्वपूर्ण है। विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली का कोई भी खुला संचालन अनुभाग निष्क्रिय रूप से ('निष्क्रिय' और 'सक्रिय' उत्सर्जन वांछित प्रभाव को प्राप्त करने के लिए पूर्व-संग्रहीत ऊर्जा के उपयोग को संदर्भित करता है) इलेक्ट्रॉन या आयन वर्तमान एकत्र कर सकता है, व्यापक प्लाज्मा के संबंध में अंतरिक्ष यान निकाय की विद्युत क्षमता पर निर्भर करता है। इसके अतिरिक्त, संवहन पिंड की ज्यामिति परिरक्षक के आकार और इस प्रकार कुल संग्रह सामर्थ्य में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। परिणामस्वरूप, अलग-अलग संग्रह तकनीकों के लिए कई सिद्धांत हैं।

विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली पर इलेक्ट्रॉन और आयन संग्रह को नियंत्रित करने वाली प्राथमिक निष्क्रिय प्रक्रियाएं तापीय धारा संग्रह, आयन रैम संग्रह प्रभाव, इलेक्ट्रॉन प्रकाश उत्सर्जन, और संभवतः द्वितीयक इलेक्ट्रॉन और आयन उत्सर्जन हैं। इसके अतिरिक्त, प्लाज्मा डिबाई दैर्घ्य के संबंध में भौतिक आकार के आधार पर इस मॉडल से कक्षीय गति सीमित (ओएमएल) सिद्धांत के साथ-साथ सैद्धांतिक व्युत्पन्नों का उपयोग करके एक पतली अनावृत तार के साथ संग्रह का वर्णन किया गया है। ये प्रक्रियाएं पूरे प्रणाली की अनाश्रित संचालन सामग्री के साथ होती हैं। पर्यावरण और कक्षीय पैरामीटर एकत्रित धारा राशि को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकते हैं। कुछ महत्वपूर्ण मापदंडों में प्लाज्मा घनत्व, इलेक्ट्रॉन और आयन तापमान, आयन आणविक भार, चुंबकीय क्षेत्र की सामर्थ्य और आसपास के प्लाज्मा के सापेक्ष कक्षीय वेग सम्मिलित हैं।

फिर विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली में सक्रिय संग्रह और उत्सर्जन तकनीकें सम्मिलित हैं। यह निरर्थक कैथोड प्लाज्मा संपर्कित्र, ऊष्मीय कैथोड और क्षेत्र उत्सर्जक सरणियों जैसे उपकरणों के माध्यम से होता है। इनमें से प्रत्येक संरचना के भौतिक डिजाइन के साथ-साथ धारा उत्सर्जन क्षमताओं पर गहन चर्चा की गई है।

अनावृत प्रवाहकीय तार

एक अनावृत संवहन टीथर के लिए धारा संग्रह की अवधारणा को पहली बार सैनमार्टिन और मार्टिनेज-सांचेज़ द्वारा औपचारिक रूप दिया गया था। वे ध्यान देते हैं कि सबसे अधिक क्षेत्र कुशल धारा एकत्रित बेलनाकार सतह वह है जिसकी प्रभावी त्रिज्या ~ 1 डिबाई दैर्घ्य से कम है जहां धारा संग्रह भौतिकी को एक संघट्ट रहित प्लाज्मा में कक्षीय गति सीमित (ओएमएल) के रूप में जाना जाता है। जैसे ही अनावृत प्रवाहकीय टीथर का प्रभावी त्रिज्या इस बिंदु से आगे बढ़ता है, तब कक्षीय-गति-सीमित सिद्धांत की तुलना में संग्रह दक्षता में अनुमानित कमी होती है। इस सिद्धांत के अतिरिक्त (जो एक गैर-प्रवाहित प्लाज्मा के लिए व्युत्पन्न किया गया है), अंतरिक्ष में धारा संग्रह एक बहने वाले प्लाज्मा में होता है, जो एक अन्य संग्रह प्रभाव का परिचय देता है। इन स्थितियों की नीचे और अधिक विस्तार से अन्वेषण किया गया है।

कक्षीय-गति-सीमित (ओएमएल) सिद्धांत

इलेक्ट्रॉन डिबाई दैर्घ्य प्लाज्मा में विशेषता परिरक्षण दूरी के रूप में परिभाषित किया गया है, और समीकरण द्वारा वर्णित है

$\lambda _{\mathrm {De} }\cong {\sqrt {\frac {\varepsilon _{0}T_{e}}{qn_{0}}}}.$

यह दूरी, जहां प्रवाहकीय निकाय से उत्पन्न प्लाज्मा में सभी विद्युत क्षेत्र 1/e से अलग हो गए हैं, की गणना की जा सकती है। कक्षीय-गति-सीमित सिद्धांत इस धारणा के साथ परिभाषित किया गया है कि इलेक्ट्रॉन डेबी की लंबाई वस्तु के आकार के बराबर या उससे बड़ी है और प्लाज्मा प्रवाहित नहीं हो रहा है। कक्षीय-गति-सीमित प्रणाली तब होती है जब परिरक्षक पर्याप्त रूप से स्थूल हो जाता है जैसे कण संग्रह में कक्षीय प्रभाव महत्वपूर्ण हो जाते हैं। यह सिद्धांत कण ऊर्जा और कोणीय संवेग के अधीन है और उसका संरक्षण करता है। परिणामस्वरूप, स्थूल परिरक्षक की सतह पर आपतित सभी कण एकत्र नहीं होते हैं। व्यापक प्लाज्मा, साथ ही व्यापक प्लाज्मा घनत्व और तापमान के संबंध में एकत्रित संरचना का विद्युत-दाब, परिरक्षक के आकार को निर्धारित करता है। नवनिर्वाचित कणों की ऊर्जा और गति के साथ संयुक्त यह त्वरित (या कम) विद्युत-दाब प्लाज्मा कोश में एकत्रित धारा की मात्रा निर्धारित करता है।

कक्षीय-गति-सीमित प्रणाली तब प्राप्त होती है जब वेलनाकार त्रिज्या काफी छोटा होता है जैसे कि आने वाले सभी कण प्रक्षेपवक्र जो वेलनाकार की सतह पर समाप्त हो जाते हैं, उनकी प्रारंभिक कोणीय गति की परवाह किए बिना, पृष्ठभूमि प्लाज्मा से जुड़े होते हैं। (अर्थात, कोई भी जुड़ा नहीं हो)। चूंकि, अर्ध-उदासीन संघट्ट रहित प्लाज्मा में, वितरण फलन को कण कक्षाओं के साथ संरक्षित किया जाता है, जिसमें सभी "प्रेरण की दिशाएं" होती हैं, जो प्रति इकाई क्षेत्र (कुल धारा नहीं) पर एकत्रित धारा पर ऊपरी सीमा से समनुरूप हैं।

विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली में, किसी दिए गए टीथर द्रव्यमान के लिए सबसे अच्छा प्रदर्शन विशिष्ट आयनमंडलीय व्यापक स्थितियों के लिए एक इलेक्ट्रॉन डिबाई दैर्घ्य से छोटा चयन किया गया एक टीथर व्यास के लिए होता है (200 से 2000 किमी ऊंचाई सीमा में विशिष्ट आयनमंडलीय स्थिति, एक T_e सीमा तक होती है, और 0.1 eV से 0.35 eV तक, और n_e 10^10 m^-3 से 10^12 m^-3 तक होती हैं), इसलिए यह कक्षीय-गति-सीमित प्रणाली के अंदर है। इस आयाम के बाहर टेदर ज्यामिति को संबोधित किया गया है। विभिन्न नमूना टेदर ज्यामिति और आकारों के लिए धारा संग्रह परिणामों की तुलना करते समय कक्षीय-गति-सीमित संग्रह का उपयोग आधार रेखा के रूप में किया जाएगा।

1962 में जेराल्ड एच. रोसेन ने उस समीकरण को व्युत्पन्न किया जिसे अब धूल आवेशित करने के कक्षीय-गति-सीमित सिद्धांत के रूप में जाना जाता है। आयोवा विश्वविद्यालय के रॉबर्ट मेरलिनो के अनुसार,ऐसा लगता है कि रोसेन किसी और से 30 साल पहले समीकरण पर पहुंच गए हैं।

एक गैर-प्रवाह वाले प्लाज्मा में कक्षीय-गति-सीमित सिद्धांत से विचलन

विभिन्न प्रकार के व्यावहारिक कारणों से, केवल विद्युत्-गतिकी टीथर के लिए धारा संग्रह सदैव कक्षीय-गति-सीमित संग्रह सिद्धांत की धारणा को संतुष्ट नहीं करता है। इन स्थितियों के लिए यह समझना महत्वपूर्ण है कि अनुमानित प्रदर्शन सिद्धांत से कैसे विचलित होता है। विद्युत्-गतिक टीथर के लिए सामान्य रूप से प्रस्तावित दो ज्यामिति में एक बेलनाकार तार और एक समतल टेप का उपयोग सम्मिलित है। जब तक बेलनाकार तार त्रिज्या में एक डिबाई दैर्घ्य से कम है, तब तक यह कक्षीय-गति-सीमित सिद्धांत के अनुसार एकत्रित होगा। हालाँकि, एक बार जब चौड़ाई इस दूरी से अधिक हो जाती है, तो संग्रह तीव्रता से इस सिद्धांत से विचलित हो जाता है। यदि टेदर ज्यामिति एक समतल टेप है, तो सामान्यीकृत टेप की चौड़ाई को समकक्ष वेलनाकार त्रिज्या में परिवर्तित करने के लिए एक सन्निकटन का उपयोग किया जा सकता है। यह पहली बार सनमार्टिन और एस्टेस द्वारा किया गया था और हाल ही में चोइनिएरे एट अल द्वारा 2-विमीय गतिक प्लाज्मा समाधानकर्ता (किप्स 2-डी) का उपयोग किया गया था।

बहती प्लाज्मा प्रभाव

धारा में, अनावृत तार के सापेक्ष प्लाज्मा प्रवाह के प्रभावों के लिए कोई संवृत रूप समाधान नहीं है। हालाँकि, संख्यात्मक अनुकरण हाल ही में चोइनिएरे एट अल द्वारा विकसित किया गया है। किप्स 2-डी का उपयोग करना जो उच्च पूर्वाग्रह सामर्थ्य पर सरल ज्यामिति के लिए बहने वाले स्थितियो का अनुकरण कर सकता है। विद्युत्-गतिक टीथर पर लागू होने वाले इस प्रवाहित प्लाज्मा विश्लेषण पर चर्चा की गई है। इस घटना की धारा में हाल के कार्य के माध्यम से जांच की जा रही है, और इसे पूरी तरह से समझा नहीं गया है।

एंडबॉडी संग्रह

यह भाग प्लाज्मा भौतिकी सिद्धांत पर चर्चा करता है जो एक बड़े प्रवाहकीय निकाय के लिए निष्क्रिय धारा संग्रह की व्याख्या करता है जिसे विद्युत्-गतिक टीथर के अंत में लागू किया जाएगा। जब परिरक्षक का आकार एकत्रित निकाय के त्रिज्या से बहुत छोटा होता है, तो टीथर की सामर्थ्य और व्यापक प्लाज्मा (V -Vp) के बीच अंतर की ध्रुवीयता के आधार पर, यह माना जाता है कि सभी प्लाज्मा परिरक्षक में प्रवेश करने वाले आने वाले इलेक्ट्रॉनों या आयनों को प्रवाहकीय निकाय द्वारा एकत्र किया जाता है। गैर-प्रवाहित प्लास्मा से संबंधित 'पतली आच्छद' सिद्धांत पर चर्चा की जाती है, और फिर प्रवाहित प्लाज्मा के लिए इस सिद्धांत में संशोधन प्रस्तुत किया जाता है। अन्य सम्मिलित संग्रह तंत्रों पर फिर चर्चा की जाएगी। विद्युत्-गतिक टीथर प्रेरण के समय सामने आने वाली सभी स्थितियों को ध्यान में रखते हुए प्रस्तुत किए गए सभी सिद्धांतों का उपयोग धारा संग्रह मॉडल को विकसित करने के लिए किया जाता है।

निष्क्रिय संग्रह सिद्धांत

बिना चुंबकीय क्षेत्र वाले गैर-प्रवाहित अर्ध-उदासीन प्लाज्मा में, यह माना जा सकता है कि एक गोलाकार संवाहक वस्तु सभी दिशाओं में समान रूप से एकत्रित होगी। अंत-निकाय पर इलेक्ट्रॉन और आयन संग्रह तापीय संग्रह प्रक्रिया द्वारा नियंत्रित होता है, जो इथे और इथी द्वारा दिया जाता है।

सुप्रवाही प्लाज्मा इलेक्ट्रॉन संग्रह प्रणाली

धारा संग्रह के लिए अधिक यथार्थवादी मॉडल विकसित करने में अगला कदम चुंबकीय क्षेत्र प्रभाव और प्लाज्मा प्रवाह प्रभाव सम्मिलित करना है। एक संघट्ट-रहित प्लाज्मा की कल्पना करते हुए, इलेक्ट्रॉन और आयन चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के चारों ओर चक्कर लगाते हैं क्योंकि वे चुंबकीय प्रतिबिंब बलों और प्रवणता-वक्रता बहाव के कारण पृथ्वी के चारों ओर ध्रुवों के बीच परिभ्रमण करते हैं। वे अपने द्रव्यमान, चुंबकीय क्षेत्र की सामर्थ्य और ऊर्जा पर एक विशेष त्रिज्या और आवृत्ति निर्भरता पर चक्कर लगाते हैं। धारा संग्रह मॉडल में इन कारकों पर विचार किया जाना चाहिए।

File:Fig28 plasma collection.PNG

टीएसएस उपग्रह के निकट वातावरण में देखे गए भौतिक प्रभावों और विशेषताओं के जटिल सरणी का एक समग्र योजनाबद्ध।

सुप्रवाही प्लाज्मा आयन संग्रह मॉडल

जब संवाहक निकाय प्लाज्मा के संबंध में ऋणात्मक रूप से समर्थक होता है और आयन तापीय वेग से ऊपर परिभ्रमण करता है, तो कार्य पर अतिरिक्त संग्रह तंत्र होते हैं। सामान्य निम्न पृथ्वी कक्षाओं (एलईओ) के लिए, 200 किमी और 2000 किमी के बीच, एक गोलाकार कक्षा के लिए एक जड़त्वीय संदर्भ फ्रेम में वेग 7.8 किमी/सेकेंड से 6.9 किमी/सेकेंड तक होता है और वायुमंडलीय आणविक भार क्रमशः 25.0 amu (O+, O2+, और NO+) से 1.2 amu (अधिकतम H+) तक होता है। यह मानते हुए कि इलेक्ट्रॉन और आयन का तापमान ~0.1 eV से 0.35 eV तक होता है, परिणामी आयन का वेग क्रमशः 200 किमी से 2000 किमी की ऊंचाई तक 875मी/सेक से 4.0किमी/सेकेंड होता है। पूरे पृथ्वी की निम्न कक्षाएँ में इलेक्ट्रॉन लगभग 188 किमी/सेकेंड की गति से परिभ्रमण कर रहे हैं। इसका तात्पर्य यह है कि परिक्रमा करने वाला पिंड आयनों की तुलना में तीव्रता से और इलेक्ट्रॉनों की तुलना में मंद गति से या मेसोसोनिक गति से परिभ्रमण कर रहा है। इसका परिणाम एक विशिष्ट घटना में होता है जिससे परिक्रमा करने वाला पिंड प्लाज्मा में आसपास के आयनों के माध्यम से परिक्रमा करने वाले पिंड के संदर्भ फ्रेम में एक किरण जैसा प्रभाव उत्पन्न करता है।

सरंध्र एंडबॉडी

आदर्श रूप से एक समान धारा संग्रह को बनाए रखते हुए सरंध्र एंडबॉडी को एक एकत्रित एंडबॉडी के अवरोध को कम करने के तरीके के रूप में प्रस्तावित किया गया है। वे प्रायः ठोस एंडबॉडी के रूप में प्रतिरूपित होते हैं, सिवाय इसके कि वे ठोस गोले के सतह क्षेत्र का एक छोटा प्रतिशत होते हैं। हालाँकि, यह अवधारणा का अत्यधिक सरलीकरण है। परिरक्षक संरचना, जाल की ज्यामिति, एंडबॉडी के आकार और धारा संग्रह से इसके संबंध के बीच की परस्पर क्रिया के बारे में बहुत कुछ सीखना है। इस तकनीक में विद्युत्-गतिक टीथर से संबंधित कई स्थितियों को संशोधन करने की भी सामर्थ्य है। संग्रहण धारा और अवरोध क्षेत्र के साथ ह्रासमान परावर्तन ने एक सीमा निर्धारित की है जिसे सरंध्र तार दूर करने में सक्षम हो सकता है। स्टोन एट अल और खज़ानोव एट अल द्वारा द्वारा सरंध्र क्षेत्रों का उपयोग करके धारा संग्रह पर कार्य पूरा किया गया है।

यह दिखाया गया है कि द्रव्यमान और अवरोध कमी की तुलना में ग्रिड क्षेत्र द्वारा एकत्रित अधिकतम धारा का अनुमान लगाया जा सकता है। 80 से 90% की पारदर्शिता के साथ एक ग्रिड क्षेत्र के लिए एकत्रित धारा की प्रति यूनिट अवरोध उसी त्रिज्या के ठोस क्षेत्र की तुलना में लगभग 1.2 - 1.4 गुना छोटा है। इसी तुलना के लिए द्रव्यमान प्रति इकाई आयतन में कमी 2.4 - 2.8 गुना है।

अन्य सम्मिलित संग्रह के तरीके

इलेक्ट्रॉन तापीय संग्रह के अतिरिक्त, अन्य प्रक्रियाएं जो विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली में धारा संग्रह को प्रभावित कर सकती हैं, वे फोटो उत्सर्जन, द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन और द्वितीयक आयन उत्सर्जन है। ये प्रभाव विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली पर सभी संवाहक सतहों न कि केवल अंत-निकाय से संबंधित हैं।

प्लाज़्मा कोश में अंतरिक्ष आवेश की सीमा

कोई भी अनुप्रयोग जहां निर्वात अंतराल में इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन होता है, वहां इलेक्ट्रॉन किरण पुंज के स्वप्रतिकर्षण के कारण किसी दिए गए पूर्वाग्रह के लिए अधिकतम स्वीकार्य धारा होती है। यह उत्कृष्ट 1-डी अंतरिक्ष आवेश सीमा (एससीएल) शून्य प्रारंभिक ऊर्जा के आवेशित कणों के लिए ली गई है, और इसे चाइल्ड-लैंगमुइर नियम कहा जाता है। यह सीमा उत्सर्जन सतह क्षेत्र, प्लाज्मा गैप में विभावन्तर और उस अंतर की दूरी पर निर्भर करती है। इस विषय की आगे की चर्चा मिल सकती है।

इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक

सामान्य रूप से विद्युत्-गतिकी टीथर अनुप्रयोगों के लिए तीन सक्रिय इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन तकनीकों पर विचार किया जाता है: खोखले कैथोड प्लाज्मा संपर्ककर्ता (एचसीपीसी), ऊष्मीय कैथोड्स (टीसीएस), और क्षेत्र उत्सर्जक कैथोड्स (एफईसी), जो प्रायः क्षेत्र उत्सर्जक सरणी (एफईए) के रूप में होते हैं। प्रत्येक उपकरण के साथ-साथ सापेक्ष कीमत, लाभ और सत्यापन के लिए प्रणाली स्तर के विन्यास प्रस्तुत किए जाएंगे।

ऊष्मीय कैथोड (टीसी)

Main article: ऊष्मीय कैथोड

ऊष्मीय उत्सर्जन एक ऊष्मीय आवेशित धातु या धातु ऑक्साइड सतह से इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह है, जो तापीय कंपन ऊर्जा के कारण कार्य फलन (इलेक्ट्रॉनों को सतह पर रखने वाले विद्युत-स्थैतिक बलों) पर नियंत्रण पाने के कारण होता है। ऊष्मीय उत्सर्जन धारा घनत्व, J, बढ़ते तापमान के साथ तीव्रता से बढ़ता है, सतह के पास निर्वात में इलेक्ट्रॉनों की एक महत्वपूर्ण संख्या प्रकाशन करता है। समीकरण में मात्रात्मक संबंध दिया गया है

$J_{the}=A_{R}T^{2}e^{-\phi /(kt)}.$

इस समीकरण को रिचर्डसन-डैशमन या रिचर्डसन समीकरण कहा जाता है। (f लगभग 4.54 eV और AR ~120 A/cm2 टंगस्टन के लिए है)।

एक बार इलेक्ट्रॉनों को ऊष्मीय कैथोड सतह से तापीय रूप से उत्सर्जित कर दिया जाता है, या इस स्थिति में, प्लाज्मा कोश तो उन्हें अंतराल को प्रतिबद्ध करने के लिए त्वरण सामर्थ्य की आवश्यकता होती है। यदि एक त्वरित ग्रिड, या इलैक्ट्रॉन-प्रक्षेपी का उपयोग किया जाता है, तो प्लाज्मा परिरक्षक के एससीएल से बचने के लिए इलेक्ट्रॉन इस आवश्यक ऊर्जा को प्राप्त कर सकते हैं। समीकरण

$\Delta V_{tc}=\left[{\frac {\eta \cdot I_{t}}{\rho }}\right]^{2/3}$

दिखाता है कि उपकरण में प्रवेश करने वाले एक निश्चित धारा को उत्सर्जित करने के लिए पूरे ग्रिड में किस सामर्थ्य की आवश्यकता है।

यहाँ, η इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपी उपसमन्वायोजन (ईजीए) दक्षता है (~टीएसएस-1 में ~ 0.97), ρ ईजीए की व्यापकता है (टीएसएस-1 में 7.2 माइक्रोपर्व), ΔV_tc ईजीए के त्वरित ग्रिड में विद्युत-दाब है, और I_t उत्सर्जित धारा है। व्यापकता अंतरिक्ष आवेश सीमित धारा को परिभाषित करती है जिसे उपकरण से उत्सर्जित किया जा सकता है। नीचे दिया गया चित्र ऊष्मीय-तरंग प्रयोगशाला इंक में उत्पादित ऊष्मीय उत्सर्जकों और इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपी के व्यावसायिक उदाहरण प्रदर्शित करता है।

File:Fig213 Electron Gun.PNG

एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक का उदाहरण a) ऊष्मीय उत्सर्जक और एक इलेक्ट्रॉन त्वरण b) इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपी उपसमन्वायोजन।

टीसी इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन दो अलग-अलग शासनों में से एक में होगा: तापमान या अंतरिक्ष प्रभार सीमित धारा प्रवाह उत्सर्जित करता है। तापमान सीमित प्रवाह के लिए प्रत्येक इलेक्ट्रॉन जो कैथोड सतह से बचने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करता है, यह मानते हुए कि इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपी की त्वरण सामर्थ्य बहुत पर्याप्त है। इस स्थिति में, रिचर्डसन डैशमन समीकरण द्वारा दी गई ऊष्मीय उत्सर्जन प्रक्रिया द्वारा उत्सर्जन धारा को नियंत्रित किया जाता है। एससीएल इलेक्ट्रॉन धारा प्रवाह में कैथोड से इतने अधिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं कि उनमें से सभी को इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपी द्वारा अंतरिक्ष आवेश से बचने के लिए पर्याप्त त्वरित नहीं किया जाता है। इस स्थिति में, इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपी त्वरण सामर्थ्य उत्सर्जन धारा को सीमित करती है। नीचे दी गई सारणी तापमान को सीमित करने वाली धाराओं और एससीएल प्रभावों को प्रदर्शित करता है। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनों की किरण पुंज ऊर्जा बढ़ती है, कुल मुक्त इलेक्ट्रॉनों में वृद्धि देखी जा सकती है। वक्र जो क्षैतिज हो जाते हैं वे तापमान सीमित व्यवस्था हैं।

File:Fig214 EGA Curve.PNG

विशिष्ट इलेक्ट्रॉन जनित्र उपसमन्वायोजन (ईजीए) धारा विद्युत-दाब विशेषताओं को एक निर्वात कक्ष में मापा जाता है।

क्षेत्र उत्सर्जन कैथोड (एफईसी)

File:Fig217 Field Emission.PNG

क्षेत्र उत्सर्जन

क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन में, ऊष्मीय उत्सर्जन या प्रकाश उत्सर्जन के रूप में इससे बचने के अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन एक विभव बाधा के माध्यम से टनल बनाते हैं। कम तापमान पर एक धातु के लिए, प्रक्रिया को नीचे दिए गए चित्र के रूप में समझा जा सकता है। धातु को एक विभव बॉक्स माना जा सकता है, जो फर्मी स्तर तक इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है (जो कई इलेक्ट्रॉन वोल्ट द्वारा निर्वात स्तर से नीचे होता है)। निर्वात स्तर बाहरी क्षेत्र की अनुपस्थिति में धातु के बाहर आराम पर एक इलेक्ट्रॉन की विभव ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है। एक मजबूत विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में, धातु के बाहर की सामर्थ्य AB रेखा के साथ विकृत हो जाएगी, जिससे एक त्रिकोणीय अवरोध बनता है, जिसके माध्यम से इलेक्ट्रॉन टनल बना सकते हैं। फाउलर-नॉर्डहेम समीकरण द्वारा दिए गए धारा घनत्व के साथ संवाहन बंधन से इलेक्ट्रॉनों को निकाला जाता है

$J_{the}=A_{FN}\cdot E_{FN}^{2}\cdot e^{-B_{FN}/E_{FN}}.$

File:Fig216 Field Emission.PNG

पूर्ण शून्य तापमान पर धातु से क्षेत्र उत्सर्जन के लिए ऊर्जा स्तर योजना।

एएफएन और बीएफएन क्रमशः A/V2 और V/m की इकाइयों के साथ एफईए के मापन द्वारा निर्धारित स्थिरांक हैं। ईएफएन विद्युत क्षेत्र है जो इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक अग्र और इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करने वाली धनात्मक समर्थक संरचना के बीच सम्मिलित है। स्पिंद प्ररूप कैथोड के लिए विशिष्ट स्थिरांक में सम्मिलित हैं: एएफएन = 3.14 x 10-8 A/V2 और बीएफएन = 771 V/m। (स्टैनफोर्ड अनुसंधान संस्थान आंकडा पत्र)। एक त्वरित संरचना सामान्य रूप से नीचे की आकृति के अनुसार उत्सर्जक सामग्री के साथ निकटता में रखी जाती है। उत्सर्जक और गेट के बीच समीप ( माइक्रोमीटर पैमाना) निकटता, प्राकृतिक या कृत्रिम किरण बिन्दु संरचनाओं के साथ मिलकर, अपेक्षाकृत कम लागू विद्युत-दाब और शक्ति के साथ उत्सर्जन के लिए आवश्यक उच्च क्षेत्र की सामर्थ्य कुशलतापूर्वक प्रदान करती है।

एक कार्बन नैनोट्यूब क्षेत्र-उत्सर्जन कैथोड का जापानी H-II ट्रांसफर व्हीकल पर काइट विद्युत्-गतिक टीथर प्रयोग पर सफलतापूर्वक परीक्षण किया गया।

क्षेत्र उत्सर्जन कैथोड प्रायः क्षेत्र उत्सर्जक शृंखला (एफईए) के रूप में होते हैं, जैसे कि स्पिंड्ट एट अल द्वारा कैथोड डिज़ाइन। नीचे दिया गया चित्र एक स्पिंडट उत्सर्जक के समीप दृश्य चित्रों को प्रदर्शित करता है।

File:Fig218 Field Emitter Array.PNG

एक क्षेत्र उत्सर्जक सरणी के आवर्धित चित्र (एआरपीए/एनआरएल/नासा निर्वात माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक पहल के लिए कैप स्पिंड्ट द्वारा विकसित एक एसआरआई वलय कैथोड की एसईएम तस्वीर)

क्षेत्र उत्सर्जक सरणियों के लिए विभिन्न प्रकार की सामग्री विकसित की गई है, जिसमें सिलिकॉन से अर्ध-चालक निर्मित मोलिब्डेनम युक्तियों को एकीकृत गेट्स के साथ यादृच्छिक रूप से वितरित कार्बन नैनोट्यूब की एक प्लेट के ऊपर एक अलग गेट संरचना के साथ निलंबित किया गया है। वैकल्पिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन विधियों की तुलना में क्षेत्र उत्सर्जन प्रौद्योगिकियों के लाभ हैं:

1. एक उपभोज्य (गैस) के लिए कोई आवश्यकता नहीं है और दबाव वाले वाहिका को संभालने के लिए कोई परिणामी सुरक्षा विचार नहीं है
2. एक कम विद्युत की सामर्थ्य
3. आस-पास के प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन में स्थान-प्रभारी सीमा के कारण मध्यम शक्ति प्रभाव होना।

क्षेत्र उत्सर्जकों के लिए विचार करने के लिए एक प्रमुख स्थिति संदूषण का प्रभाव है। कम विद्युत-दाब पर इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन को प्राप्त करने के लिए, क्षेत्र उत्सर्जक सरणी टिप को माइक्रोमीटर-स्तर के पैमाने के आकार पर बनाया गया है। उनका प्रदर्शन इन छोटी संरचनाओं के यथावत निर्माण पर निर्भर करता है। वे कम कार्य-फलन वाली सामग्री के साथ निर्मित होने पर भी निर्भर हैं। ये कारक उपकरण को विशेष रूप से हाइड्रोकार्बन और अन्य बड़े आसानी से बहुलक अणुओं से संदूषण के प्रति अधिक संवेदनशील बना सकते हैं। क्षेत्र परीक्षण और आयनमंडलीय (जैसे अंतरिक्ष यान गैस निष्क्रमण) वातावरण में संदूषण की उपस्थिति से बचने, समाप्त करने या संचालन के लिए तकनीकें महत्वपूर्ण हैं। मिशिगन विश्वविद्यालय और अन्य जगहों पर शोध ने इस बहिर्गमन स्थितियों पर ध्यान केंद्रित किया है। सुरक्षात्मक बाड़ों, इलेक्ट्रॉन शोधन, मजबूत विलेपन और अन्य डिजाइन सुविधाओं को विभव समाधान के रूप में विकसित किया जा रहा है। अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जाने वाले एफईए को अभी भी अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त द्वार सामर्थ्य पर दीर्घकालिक स्थिरता, दोहराव और संचालन की विश्वसनीयता के प्रदर्शन की आवश्यकता होती है।

खोखला कैथोड

खोखला कैथोड प्रभाव किसी गैस को पहले आयनित करके प्लाज्मा के सघन बादल का उत्सर्जन करता है। यह एक उच्च घनत्व वाला प्लाज़्मा प्लम बनाता है जो आसपास के प्लाज़्मा के साथ संपर्क बनाता है। उच्च घनत्व वाले प्लम और आसपास के प्लाज्मा के बीच के क्षेत्र को दोहरी कोश या दोहरी परत कहा जाता है। यह दोहरी परत अनिवार्य रूप से आवेश की दो आसन्न परतें हैं। पहली परत उच्च सामर्थ्य वाले प्लाज्मा (संपर्कित्र प्लाज्मा समूह) के किनारे पर एक धनात्मक परत है। दूसरी परत कम विभव प्लाज्मा (व्यापक प्लाज्मा) के किनारे पर एक ऋणात्मक परत है। दोहरी परत घटना की आगे की जांच कई लोगों द्वारा की गई है। एक प्रकार के निरर्थक कैथोड में एक धातु की नलिका होती है, जो सिंटरित बेरियम ऑक्साइड संसेचित टंगस्टन अंतःस्थापित से विलेपित होती है, जो एक छोटे छिद्र वाली प्लेट द्वारा एक सिरे पर छाया हुआ होता है, जैसा कि नीचे दी गई आकृति में दिखाया गया है। ऊष्मीय उत्सर्जन द्वारा बेरियम ऑक्साइड संसेचित डालने से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन होता है। एक उत्कृष्ट गैस एचसी के सम्मिलत क्षेत्र में बहती है और उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों द्वारा आंशिक रूप से आयनित होती है जो छिद्र के पास एक विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित होती है (क्सीनन एचसी के लिए उपयोग की जाने वाली एक सामान्य गैस है क्योंकि इसमें कम विशिष्ट आयनीकरण ऊर्जा (प्रति आयनीकरण सामर्थ्य) होती है। इकाई द्रव्यमान)। विद्युत्-गतिक टीथर उद्देश्यों के लिए, एक कम द्रव्यमान अधिक लाभदायक होगा क्योंकि कुल प्रणाली द्रव्यमान कम होगा। यह गैस केवल आवेश विनिमय के लिए उपयोग की जाती है और प्रणोदन नहीं)। कई आयनित क्सीनन परमाणु दीवारों में त्वरित होते हैं जहां उनकी ऊर्जा ऊष्मीय उत्सर्जन तापमान को बनाए रखती है। आयनित क्सीनन भी छिद्र से बाहर निकलता है। इलेक्ट्रॉनों को सम्मिलित क्षेत्र से, छिद्र के माध्यम से कीपर तक त्वरित किया जाता है, जो सदैव अधिक धनात्मक पूर्वाग्रह में होता है।

File:Fig221 Hollow Cathode.PNG

एक निरर्थक कैथोड प्रणाली की योजनाबद्ध।

इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन प्रणाली में, कीपर के संबंध में व्यापक प्लाज्मा धनात्मक रूप से समर्थक है। संपर्कित्र प्लाज्मा में, इलेक्ट्रॉन घनत्व लगभग आयन घनत्व के बराबर होता है। उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन धीरे-धीरे विस्तार करने वाले आयन समूह के माध्यम से प्रवाहित होते हैं, जबकि निम्न ऊर्जा इलेक्ट्रॉन कीपर सामर्थ्य द्वारा समूह के अंदर फंस जाते हैं। उच्च इलेक्ट्रॉन वेग क्सीनन आयन धाराओं की तुलना में बहुत अधिक इलेक्ट्रॉन धाराओं की ओर ले जाते हैं। इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन संतृप्ति सीमा के नीचे संपर्कित्र द्विध्रुवी उत्सर्जक जांच के रूप में कार्य करता है। एक इलेक्ट्रॉन द्वारा उत्पन्न प्रत्येक निवर्तमान आयन कई इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करने की स्वीकृति देता है। यह संख्या लगभग आयन द्रव्यमान के इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान के अनुपात के वर्गमूल के बराबर है।

यह नीचे दिए गए सारणी में देखा जा सकता है कि इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन प्रणाली में एक निरर्थक कैथोड के लिए एक विशिष्ट I-V वक्र कैसा दिखता है। एक निश्चित कीपर ज्यामिति (ऊपर की आकृति में वलय जिसमें से इलेक्ट्रॉन बाहर निकलते हैं), आयन प्रवाह दर और Vp, I-V प्रोफ़ाइल निर्धारित की जा सकती है। [111-113]

File:Fig222 Hollow Cathode Curve.PNG

निरर्थक कैथोड के लिए विशिष्ट I-V विशेषता वक्र।

इलेक्ट्रॉन संग्रह प्रणाली में एचसी के संचालन को प्लाज्मा संपर्क (या प्रज्वलित) संचालन प्रणाली कहा जाता है। "प्रज्वलित प्रणाली" को इसलिए कहा जाता है क्योंकि यह इंगित करता है कि प्लाज्मा संपर्कित्र पर विद्युत-दाब ड्रॉप का उपयोग करके बहु-एम्पीयर धारा स्तर प्राप्त किया जा सकता है। यह अंतरिक्ष प्लाज्मा इलेक्ट्रॉनों को गति देता है जो संपर्कित्र से उदासीन निष्कासन प्रवाह को आयनित करता है। यदि इलेक्ट्रॉन संग्रह धाराएँ उच्च हैं और / या व्यापक इलेक्ट्रॉन घनत्व कम हैं, तो जिस आवरण पर इलेक्ट्रॉन धारा संग्रह बना रहता है, वह तब तक प्रसारित होता या सिकुड़ता है जब तक कि आवश्यक धारा एकत्र नहीं हो जाती।

इसके अतिरिक्त, ज्यामिति एचसी से प्लाज्मा के उत्सर्जन को प्रभावित करती है जैसा कि नीचे की आकृति में देखा गया है। यहां यह देखा जा सकता है कि कीपर के व्यास और सघनता और छिद्र के संबंध में इसकी दूरी के आधार पर, कुल उत्सर्जन प्रतिशत प्रभावित हो सकता है।

File:Fig223 Hollow Cathode Geometry.PNG

एचसी उत्सर्जन ज्यामिति का विवरण देने वाली विशिष्ट योजनाबद्ध।

प्लाज्मा संग्रह और उत्सर्जन सारांश

सभी इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन और संग्रह तकनीकों को निम्नलिखित तालिका में संक्षेपित किया जा सकता है। प्रत्येक विधि के लिए एक विवरण है कि क्या प्लाज्मा के संबंध में अंतरिक्ष यान की सामर्थ्य के आधार पर प्रणाली में इलेक्ट्रॉनों या आयनों में वृद्धि या कमी हुई है। इलेक्ट्रॉन (e-) और आयन (आयन+) इंगित करते हैं कि इलेक्ट्रॉनों या आयनों की संख्या बढ़ रही है (↑) या कम हो रही है (↓)। साथ ही, प्रत्येक विधि के लिए कुछ विशेष शर्तें लागू होती हैं (यह कब और कहां लागू होती है, इस बारे में अधिक स्पष्टीकरण के लिए इस आलेख में संबंधित अनुभाग देखें)।

निष्क्रिय e− और आयन उत्सर्जन/संग्रह	V − Vp < 0	V − Vp > 0
अनावृत टेदर: कक्षीय-गति-सीमित	आयन+ ↑	e− ↑
रेम संग्रह	आयन+ ↑	0
ऊष्मीय संग्रह	आयन+ ↑	e− ↑
प्रकाश युक्त उत्सर्जन	e− ↓	e− ↓,~0
द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन	e− ↓	e− ↓
द्वितीयक आयन उत्सर्जन	आयन+ ↓,~0	0
मंदता व्यवस्था	e− ↑	आयन+ ↑, ~0
सक्रिय e− और आयन उत्सर्जन	सामर्थ्य मायने नहीं रखती
उष्मापन सम्बन्धी उत्सर्जन	e− ↓
क्षेत्र उत्सर्जक सरणियाँ	e− ↓
निरर्थक कैथोड	e− ↓	e− ↑

विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली मॉडलिंग में उपयोग के लिए, प्रत्येक निष्क्रिय इलेक्ट्रॉन संग्रह और उत्सर्जन सिद्धांत मॉडल को पहले प्रकाशित समीकरणों और परिणामों को पुन: प्रस्तुत करके सत्यापित किया गया है। इन भूखंडों में: कक्षीय गति सीमित सिद्धांत,राम संग्रह, और तापीय संग्रह, प्रकाश उत्सर्जन, द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन, और द्वितीयक आयन उत्सर्जन सम्मिलित हैं।

विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली स्थापना

सभी नवीनतम इलेक्ट्रॉन उत्सर्जकों, संग्राहकों और सिद्धांत को एक मॉडल में एकीकृत करने के लिए, विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली को पहले परिभाषित और व्युत्पन्न किया जाना चाहिए। एक बार यह पूरा हो जाने के बाद इस सिद्धांत को प्रणाली विशेषताओं के अनुकूलन का निर्धारण करने के लिए लागू करना संभव होगा।

ऐसी कई व्युत्पत्तियाँ हैं जो विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली में सम्मिलित सामर्थ्य और धाराओं को संख्यात्मक रूप से संशोधन करती हैं। एक पूर्ण विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली की व्युत्पत्ति और संख्यात्मक कार्यप्रणाली जिसमें एक अनावृत टीथर अनुभाग सम्मिलित है, रोधक संवहन टीथर, इलेक्ट्रॉन (और आयन) एंडबॉडी उत्सर्जक, और निष्क्रिय इलेक्ट्रॉन संग्रह का वर्णन किया गया है। इसके बाद सरलीकृत, सभी विद्युत-रोधित टेदर मॉडल आता है। प्रायोगिक प्रेरण डेटा का उपयोग करते हुए विशेष विद्युत्-गतिकी टीथर घटना और विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली मॉडल के सत्यापन पर चर्चा की जाएगी।

अनावृत टीथर प्रणाली व्युत्पत्ति

एक विद्युत्-गतिक टीथर व्युत्पत्ति से संबंधित एक महत्वपूर्ण अवधान खगोलीय पिंड से संबंधित है जो कि टीथर प्रणाली की कक्षा में है। व्यावहारिकता के लिए, पृथ्वी की परिक्रमा करने वाले पिंड के रूप में उपयोग किया जाएगा; हालाँकि, यह सिद्धांत आयनमंडल और चुंबकीय क्षेत्र वाले किसी भी खगोलीय पिंड पर लागू होता है।

निर्देशांक पहला कार्य है जिसे पहचाना जाना चाहिए। इस व्युत्पत्ति के प्रयोजनों के लिए, x- और y-अक्ष को क्रमशः पृथ्वी की सतह के संबंध में पूर्व-पश्चिम और उत्तर-दक्षिण दिशाओं के रूप में परिभाषित किया गया है। z-अक्ष को पृथ्वी के केंद्र से ऊपर-नीचे के रूप में परिभाषित किया गया है, जैसा कि नीचे की आकृति में देखा गया है। पैरामीटर - चुंबकीय क्षेत्र B, तार की लंबाई एल, और कक्षीय वेग v_orb - वे सदिश हैं जिन्हें इस समन्वय प्रणाली के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है, जैसा कि निम्नलिखित समीकरणों में है:

$\mathbf {B} =B_{x}{\hat {x}}+B_{y}{\hat {y}}+B_{z}{\hat {z}}$ (चुंबकीय क्षेत्र वेक्टर),

$\mathbf {L} =L\cos \alpha _{\mathrm {out} }\sin \alpha _{\mathrm {in} }{\hat {x}}+L\sin \alpha _{\mathrm {out} }{\hat {y}}+L\cos \alpha _{\mathrm {out} }\cos \alpha _{\mathrm {in} }{\hat {z}}$ (टीथर स्थिति वेक्टर), और

$\mathbf {v} _{\mathrm {orb} }=v_{\mathrm {orb} }\cos \lambda _{\mathrm {out} }\sin \lambda _{\mathrm {in} }{\hat {x}}+v_{\mathrm {orb} }\sin \lambda _{\mathrm {out} }{\hat {y}}+v_{\mathrm {orb} }\cos \lambda _{\mathrm {out} }\cos \lambda _{\mathrm {in} }{\hat {z}}$ (कक्षीय वेग वेक्टर)।

चुंबकीय क्षेत्र के घटकों को सीधे अंतर्राष्ट्रीय भू-चुंबकीय संदर्भ क्षेत्र (IGRF) मॉडल से प्राप्त किया जा सकता है। यह मॉडल चुंबकीय क्षेत्र मॉडलर और विश्व के उपग्रहों और वेधशालाओं और सर्वेक्षणों से चुंबकीय क्षेत्र डेटा एकत्र करने और प्रसारित करने में सम्मिलित संस्थानों के बीच एक सहयोगी प्रयास से संकलित किया गया है। इस व्युत्पत्ति के लिए, यह माना जाता है कि चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ टेथर की पूरी लंबाई में समान कोण हैं, और यह कि टीथर कठोर है।

कक्षा वेग वेक्टर

वास्तविक रूप से, अनुप्रस्थ विद्युत्-गतिक बल टीथर को झुकने और स्थानीय ऊर्ध्वाधर से दूर दोलन का कारण बनते हैं। गुरुत्व प्रवणता बल फिर एक प्रत्यानयन बल उत्पन्न करती है जो टीथर को वापस स्थानीय लंबवत की ओर खींचती है; हालाँकि, इसका परिणाम एक पेंडुलम जैसी गति में होता है (गुरुत्वाकर्षण प्रवणता बल भी ईडी बलों के बिना पेंडुलम गतियों में परिणत होता है)। B दिशा बदलती है क्योंकि टीथर पृथ्वी की परिक्रमा करता है, और इस प्रकार विद्युत्-गतिक बलों की दिशा और परिमाण भी बदलते हैं। यह पेंडुलम गति विमान मे और विमान से बाहर दोनों दिशाओं में जटिल लाइब्रेशन में विकसित हो सकती है। फिर, विमान में गति और अनुदैर्ध्य लोचदार दोलनों के बीच युग्मन के साथ-साथ विमान मे और विमान से बाहर गतियों के बीच युग्मन के कारण, एक स्थिर धारा पर संचालित एक विद्युत्-गतिक टीथर निरंतर आभासी दोलन गतियों में ऊर्जा जोड़ सकता है। इस प्रभाव के बाद आभासी दोलन आयाम बढ़ने का मौका मिलता है और अंततः 'रस्सी कूद प्रभाव' जैसे एक सहित अनियंत्रित रूप से दोलनों का कारण बनता है। लेकिन वह इस व्युत्पत्ति के विस्तार से बाहर है। एक गैर-घूर्णन विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली (एक घूर्णन प्रणाली, जिसे संवेग विनिमय विद्युत्-गतिक पुनः बढ़ावा [एमएक्सईआर] कहा जाता है) में, पृथ्वी के साथ प्राकृतिक गुरुत्व प्रवणता संरेखण के कारण मुख्य रूप से z-दिशा में है।

व्युत्पत्ति

निम्नलिखित व्युत्पत्ति में सम्मिलित सभी वेक्टर मात्राओं के लिए प्रणाली लेखांकन के यथावत समाधान का वर्णन किया जाएगा, और फिर नाममात्र की स्थिति के साथ एक दूसरा समाधान होगा जहां चुंबकीय क्षेत्र, कक्षीय वेग और टीथर अभिविन्यास सभी एक दूसरे के लंबवत हैं। नाममात्र स्थिति का अंतिम समाधान केवल इलेक्ट्रॉन घनत्व, n_e, प्रति इकाई लंबाई, R_t, और उच्च विद्युत-दाब विद्युत आपूर्ति की शक्ति, P_hvps की शक्ति के संदर्भ में संशोधन किया जाता है।

नीचे दिया गया चित्र एक विशिष्ट विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली का वर्णन करता है जिसमें एक श्रृंखला अभिनति भूसंपर्कित गेट विन्यास है (विश्लेषण किए गए विभिन्न प्रकार के विन्यास का और विवरण प्रस्तुत किया गया है) अनावृत तार के एक अतिसूक्ष्म भाग के विस्फोट के साथ यह चित्र सममित रूप से स्थापित है इसलिए किसी भी सिरे को एनोड के रूप में उपयोग किया जा सकता है। यह तार प्रणाली सममित है क्योंकि घूर्णन करने वाली तार प्रणालियों को इसके घूर्णन में किसी बिंदु पर दोनों सिरों को एनोड और कैथोड के रूप में उपयोग करने की आवश्यकता होगी। V_hvps का उपयोग केवल विद्युत्-गतिकी टीथर प्रणाली के कैथोड अंत में किया जाएगा, और अन्यथा इसे बंद कर दिया जाएगा।

(A) एक अनावृत टीथर भाग का एक परिपथ आरेख (B) एक समकक्ष विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली परिपथ मॉडल श्रृंखला अभिनति भूसंपर्कित गेट विन्यास दिखा रहा है।

विमान में और विमान से बाहर दिशा प्रणाली के कक्षीय वेग वेक्टर द्वारा निर्धारित की जाती है। परिभ्रमण की दिशा में एक विमान में बल है। यह कक्षा में ऊर्जा जोड़ेगा या हटाएगा, जिससे कक्षा को दीर्घवृत्त में परिवर्तित कर ऊंचाई में वृद्धि होगी। एक विमान से बाहर बल परिभ्रमण के विमान के लंबवत दिशा में है, जो झुकाव में बदलाव का कारण बनता है। इसे अगले भाग में समझाया जाएगा।

विमान में और विमान से बाहर दिशाओं की गणना करने के लिए, वेग और चुंबकीय क्षेत्र वैक्टर के घटकों को प्राप्त किया जाना चाहिए और बल मूल्यों की गणना की जानी चाहिए। परिभ्रमण की दिशा में बल का घटक कक्षा बढ़ाने की क्षमताओं को बढ़ाने के लिए कार्य करेगा, जबकि प्रणोदन के विमान से बाहर घटक झुकाव को परिवर्तित कर देगा। नीचे दिए गए चित्र में, चुंबकीय क्षेत्र वेक्टर पूरी तरह से उत्तर (या वाई-अक्ष) दिशा में है, और परिणामी बलों को कक्षा में कुछ झुकाव के साथ देखा जा सकता है। बिना किसी झुकाव वाली कक्षा में विमान में दिशा में सारा बल होगा।

Description of an in-plane and out-of-plane force.

File:Fig35 Orbit Drag.PNG Drag effects on an विद्युत्-गतिकी Tether system.

गुरुत्व प्रवणता के साथ टीथर के अपसंरेखण को रोकने के लिए टीथर प्रणाली के आभासी दोलन को स्थिर करने के लिए कार्य किया गया है। नीचे दिया गया चित्र एक विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली को एक विशिष्ट कक्षा के लिए मिलने वाले अवरोध प्रभावों को प्रदर्शित करता है। विमान में कोण, α_ip, और विमान से बाहर कोण, α_op, प्रणाली के अन्तः द्रव्यमान को बढ़ाकर या पुनर्निवेशन तकनीक को नियोजित करके कम किया जा सकता है। गुरुत्वाकर्षण संरेखण में किसी भी विचलन को समझना चाहिए, और प्रणाली डिज़ाइन में इसका स्पष्टीकरण देना चाहिए।

अंतरातारकीय परिभ्रमण

Main article: अंतरातारकीय संचारण

स्थानीय बबल के स्थानीय अंतरातारकीय माध्यम का उपयोग करके अंतरातारकीय परिभ्रमण के लिए विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली के एक अनुप्रयोग पर विचार किया गया है और शोध किया गया है। प्रति व्यक्ति 12 किलोवाट की आवश्यकता के साथ 50 के संवाहक समूह को युगपत् विद्युत की आपूर्ति करने के लिए विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली का उपयोग करना संभव पाया गया है। अंतरिक्ष यान की गतिज ऊर्जा की कीमत पर ऊर्जा उत्पादन प्राप्त किया जाता है। विपरीत में विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली का उपयोग त्वरण के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, यह अप्रभावी पाया गया है। विद्युत्-गतिक टीथर प्रणाली का उपयोग करके प्रणोदहीन परिवर्तन कार्यप्रणाली संशोधन और अंतरातारकीय अंतरिक्ष में पूर्वनिश्चित समय की स्वीकृति देना संभव है। हालांकि, यह 3.7*1013 किमी (~3.7 प्रकाश वर्ष) के अत्यधिक बड़े मोड त्रिज्या के कारण एक स्टारशिप को एक किरणपुंज शक्‍ति में पुनः प्रवेश करने या कई सौर पास बनाने की स्वीकृति देने के लिए तेजी से प्रणोदहीन चक्कर लगाने की स्वीकृति नहीं देगा।।

यह भी देखें

• सितारे-II
• एचटीवी-6
• टीथर प्रणोदन
• पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र
• टीथर उपग्रह
• वायुमंडलीय बिजली
• एसटीएस-75
• चुंबकीय सेल
• विद्युत सेल
• अंतरिक्ष यान प्रणोदन

संदर्भ

General information

• Cosmo, M.L., and Lorenzini, E.C., "Tethers in Space Handbook," NASA Marchall Space Flight Center, 1997, pp. 274–1-274.
• Mariani, F., Candidi, M., Orsini, S., "Current Flow Through High-Voltage Sheaths Observer by the TEMAG Experiment During टीएसएस-1आर," Geophysical Research Letters, Vol. 25, No. 4, 1998, pp. 425–428.

Citations

आगे की पढाई

• Dobrowolny, M. (1979). Wave and particle phenomena induced by an विद्युत्-गतिकी tether. SAO special report, 388. Cambridge, Mass: Smithsonian Institution Astrophysical Observatory.
• Williamson, P. R. (1986). High voltage characteristics of the विद्युत्-गतिकी tether and the generation of power and propulsion final report. [NASA contractor report], NASA CR-178949. Washington, DC: National Aeronautics and Space Administration.

बाहरी कड़ियाँ

Related patents

• U.S. Patent 3,174,705, "अंतरिक्ष केन्द्र and system for operating same".
• U.S. Patent 3,205,381, "Ionospheric battery".
• U.S. Patent 4,097,010, "Satellite connected by means of a long tether to a powered spacecraft ".
• U.S. Patent 6,116,544, " विद्युत्-गतिकी Tether And Method of Use".

Publications

• Samanta Roy, R.I.; Hastings, D.E.; Ahedo, E. (1992). "Systems analysis of electrodynamic tethers". J Spacecr Rockets. 29 (3): 415–424. Bibcode:1992JSpRo..29..415S. doi:10.2514/3.26366.
• Ahedo, E.; Sanmartin, J.R. (March–April 2002). "Analysis of bare-tethers systems for deorbiting Low-Earth-Orbit satellites". J Spacecr Rockets. 39 (2): 198–205. Bibcode:2002JSpRo..39..198A. doi:10.2514/2.3820.
• Peláez, J.; Sánchez-Arriaga, G.; Sanjurjo-Rivo, M. (2012). "Self balanced electrodynamic tethers for space debris mitigation". 57th International Astronautical Conference. doi:10.2514/6.IAC-06-B6.4.03. ISBN 978-1-62410-042-0. Retrieved November 6, 2022.
• Cosmo, M. L., and E. C. Lorenzini, "Tethers in Space Handbook" (3rd ed). Prepared for NASA/MSFC by Smithsonian Astrophysical Observatory, Cambridge, MA, December 1997. (PDF)
• Estes, R.D.; Lorenzini, E.C.; Sanmartín, J.R.; Martinez-Sanchez, M.; Savich, N.A. (December 1995). "New High-Current Tethers: A Viable Power Source for the Space Station? A White Paper" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2006-02-18.
• Savich, N.A.; Sanmartín, J.R. (1994). "Short, High Current Electrodynamic Tether". Proc. Int. Round Table on Tethers in Space. p. 417.
• McCoy, James E.; et al. (April 1995). "Plasma Motor-Generator (PMG) Flight Experiment Results". Proceedings of the 4th International conference on Tethers in Space. Washington DC. pp. 57–84.

Other articles

• " विद्युत्-गतिकी Tethers Archived 2011-05-17 at the Wayback Machine". Tethers.com.
• "Shuttle विद्युत्-गतिकी Tether System (SETS)".
• Enrico Lorenzini and Juan Sanmartín, " विद्युत्-गतिकी Tethers in Space; By exploiting fundamental physical laws, tethers may provide low-cost electrical power, drag, thrust, and artificial gravity for spaceflight". Scientific American, August 2004.
• "Tethers". Astronomy Study Guide, BookRags.
• David P. Stern, "The Space Tether Experiment". 25 November 2001.