微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

微波离子推力器中磁场发散区电子加热模式研究

在微波离子推力器的磁场结构设计中,一般认为增大磁镜区的面积能够约束更多电子,有利于提高能量利用率;减小发散区面积能够减少电子在壁面的损失,有利于降低放电损耗.随着一体化仿真研究深入,发现利用Child-Langmuir鞘层的特性可约束电子,使其在鞘层与磁镜间往复运动获能.对此,本文设计了适用于1 cm磁阵列微波离子推力器的磁场结构,并对其初始放电和束流引出过程进行了一体化仿真,对比阐明了电子在磁场发散区受Child-Langmuir鞘层、天线表面鞘层和磁镜共同约束下的获能模式.该获能模式可提升磁场发散区的电子温度,促进电离,提升栅极前等离子体密度,进而提升束流密度.仿真结果表明,在氙气流量0.3 sccm (1 sccm=1 mL/min),微波功率为1 W,栅极电压φ_sc/φ_ac=300 V/-50 V条件下,磁阵列微波离子推力器的电流密度较2 cm微波离子推力器提升57.9%.本文从理论上对磁场发散区电子加热模式进行了验证,研究结果将为微波离子推力器优化设计提供理论依据,促进微波离子推力器性能提升.     

高频感应等离子体流动模型与微型电推进器流场特性分析

微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一.射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关.为此,文章建立了低气压、小尺寸微型射频离子推力器电离室内感性耦合等离子体流体模型,开展了电磁场、流场、化学反应浓度场的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数随推进剂工质气压、放电吸收功率、射频频率以及线圈匝数等因素的变化规律.结果表明,推进剂工质气压、放电吸收功率是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好的基础.      

不同磁路电子回旋共振离子源引出实验

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点. 本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场, 有效减小了体积, 该离子源利用微波在磁场中加热电子, 电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体. 磁场在微波加热电子的过程中起关键作用, 同时影响离子源内等离子体的约束和输运. 通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响. 实验发现: 在使用氩气的条件下, 特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流, 最高推进剂利用率达60%, 最小放电损耗为120 W·A^-1; 所有离子源均存在多个工作状态, 工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变. 离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关. 通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异, 归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律, 分析了其中的机理. 实验结果表明: 保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时, 增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离, 离子源能引出更大的离子电流; 减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量, 提高气体利用率, 但会导致放电损耗增大. 研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识, 为其设计和性能优化提供参考.     

氮气工质10厘米ECRIT中和器实验研究

10厘米电子回旋共振离子推力器(ECRIT)可以多类型气体工作,应用于吸气式电推进系统具有可行性,研究氮气工质ECRIT的ECR中和器是研究氮氧工质ECRIT的基础.当传统氙气工质10厘米ECRIT的ECR中和器以氮气为工质工作时,由于氮气分子量较低,离子容易漂移出中和器,引出电子电流减小,已不适合以氮气为工质工作.本文基于10厘米传统ECR中和器,以抑制离子漂移出中和器、提升电子引出性能为目的,实验研究适用于氮气工质工作的双极ECR中和器.结果表明,在气体质量流率0.04 mg/s、输入功率10W的条件下,以氮气为工质工作,引出电子电流134 mA时,传统ECR中和器所需的阳极电压为150 V,而双极ECR中和器仅需50 V的阳极电压,下降了约67%;阳极电压40 V时,传统ECR中和器的功率损耗为1204.82 W/A,而双极ECR中和器的功率损耗为95.23 W/A,约为前者的8.3%.氮气工质双极ECR中和器的离子屏蔽效果显著,电子引出性能得到改善.     

2.45GHz ECR 强流等离子体源核心部件设计与实验研究

电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体源能产生高电荷态离子、高流强的单电荷态离子,提供稳定的束流和良好的重复性.核心部件的设计对ECR等离子体源是至关重要的,磁场对等离子体的生成和分布有直接影响,良好的磁场可以提高等离子体的性能和效率.采用有限元分析方法对ECR等离子体源磁场进行分析与设计,得到了满足设计需求与目标的磁场位形,通过高斯计对设计的永磁环轴向磁场精确测量,发现磁场仿真结果与实验结果吻合比较好,只是轴向磁场最大值及对应位置上有点偏差.通过集成实验,研究核心部件对离子源引出束流强度的影响,引出束流稳定且强度达到7 m A.     

微波等离子推力器真空中工作的电微波系统及其实验

为了解决微波等离子推力器全系统在真空中进行实验的关键问题，减少实验中不必要的能量损失，研制出可在大气与真空环境中工作的微波等离子推力器电微波系统.该系统利用了开关电源、衰减器和检波器一体化设计技术、液体冷却技术，解决了微波电子器件在真空中的放电问题.实验表明：系统输出的微波功率稳定，能可靠地工作在地面和真空环境中. 关键词： 等离子体源 等离子体设备及应用 微波技术     

电子回旋共振等离子体源的数值模拟

采用自洽微波功率吸收的二维混合模型,对电子回旋共振等离子体源中的各种物理参量(电离速率、等离子体密度、位势、电子温度)进行数值模拟.结果表明:等离子体参数随运行条件(中性气压和微波功率)变化呈现出区域特征、饱和现象和振荡行为等非线性现象 关键词：     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.     

电子回旋共振等离子体密度均匀性的数值研究

基于漂移扩散近似,在轴对称假设下,对电子回旋共振等离子体源腔室内的等离子体建立了二维流体模型.采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽数值模拟,得到了等离子体密度均匀性随时间演化的数值结果.通过对数值结果的分析,研究了背景气体压强、微波功率和磁场线圈电流对等离子体密度均匀性的影响.研究表明,在电离初期,电子密度的均匀性好于离子密度的均匀性.在电离后期,离子密度的均匀性好于电子密度的均匀性.随着背景气体压强的增大,电子密度和离子密度的均匀性都在增加,且离子密度的均匀性增加的更快.随着微波功率的增大,电子密度和 关键词： 等离子体密度均匀性 背景气体压强 微波功率 磁场线圈电流     

等离子体化学气相沉积氮化镓薄膜中的N2/TMG等离子体发射光谱分析

对电子回旋共振低温等离子体化学气相沉积工艺(ECR-PECVD)沉积GaN薄膜过程中的氮气和三甲基镓有机金属气体(TMG)混合气体等离子体发射光谱进行分析。结果表明TMG 在等离子体自加热条件下就发生离解,N₂/TMG混合气体ECR等离子体主要以Ga气体粒子和亚稳态氮分子为主。发射光谱特征谱线随微波功率变化分析表明：当微波功率高于400 W时,亚稳态氮分子浓度随着微波功率的增加而增加,而高激发态氮分子以及氮分子离子浓度却随着减少。     

电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(Ⅱ)——数值模拟与结果讨论

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法，应用电磁模型，编写了准三维的电子回旋共振(ECR)放电电离过程的模拟程序，得到了ECR放电过程中电子与离子的相空间分布、电磁场分布.通过对这些分布随时间演化的分析，得出ECR加热发生在ω≈ω_c0且垂直于轴向的区域；ECR区域，微波能量几乎全部耦合给电子，获得能量的电子通过与中性粒子的电离碰撞产生了大量的带电粒子；随着放电的进行，大量带电粒子通过频繁的碰撞，分布由各向异性逐渐趋于各向同性. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗 电离     

电子回旋共振微波等离子体及其在材料科学中的应用

 低气压、低温放电方面的一个重要的最新进展是电子回旋共振(ECR)放电。这种技术首先是在核聚变研究中发展起来的。最初,它被用于磁镜实验装置产生和加热等离子体,后来,又被发展成为托卡马克、串级磁镜等聚变装置实验中进行等离子体加热的主要手段之一,即电子回旋共振加热(ECRH)。目前,这一高技术已被移植到各种低温等离子体应用之中,显示了蓬勃的生命力。电子回旋共振微波等离子体是指:当输入的微波频率ω等于电子回旋共振频率ωce时,微波能量可以共振耦合给电子,获得能量的电子电离中性气体,产生放电。电子回旋频率为ωce=eB/m,e和m为电子电荷及其质量,B是磁场强度。     

不同磁路下微型ECR中和器电子引出的模拟研究

电子回旋共振(ECR)中和器是微型ECR离子推力器的重要组成部分,其引出的电子用于中和ECR离子源的离子束流,避免了航天器表面电荷堆积,并且电子引出性能对推力器的整体性能起着重要作用.为了分析影响微型ECR中和器电子引出的因素,本文建立了二维轴对称PIC/MCC计算模型,通过数值模拟研究不同磁路结构对中和器的电子引出,及不同腔体长度对壁面电流损失的影响.计算结果表明, ECR区位置和引出孔附近磁场构型对中和器的电子引出性能至关重要.当ECR区位于天线上游,电子在迁移扩散中易损失,并且电子跨过引出孔前电势阱所需的能量更高.如果更多磁力线平行通过引出孔,中和器引出相同电子电流所需电压较小.当ECR区被天线切割或位于下游时,电子更易沿磁力线迁移到引出孔附近,从而降低了收集板电压.研究了同一磁路结构下不同腔体长度对电子引出的影响,发现增加腔体长度,使得更多平行轴线的磁力线通过引出孔从而避免电子损失在引出板表面,增加了引出电子电流.研究结果有助于设计合理的中和器磁路和腔体尺寸.     

无工质微波推力器推力测量实验

基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置-----无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、 微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射能被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 80---2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70---720 mN范围内, 测量总误差小于12%.     

栅网与偏压对CHF3电子回旋共振放电等离子体特性的影响

研究了电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积系统中栅网的增加和栅网上施加+60V和-60V偏压对CHF3放电等离子体特性的影响.发现在低微波功率下栅网与偏压对等离子体中基团分布的影响较大,而高微波功率下的影响逐渐减小.这是由于低微波功率下等离子体中电子温度较低,基团的分布同时受栅网鞘电场和电子碰撞分解的共同作用;而高微波功率下电子温度较高,栅网鞘电场的作用减弱,基团分布主要取决于电子碰撞分解作用.     

电子回旋共振（ECR）等离子体的研究和应用

近年来,在低气压、低温等离子体研究和应用中的一个重要发展是微波电子回旋共振放电。由于它是一种无极放电,能够在低气压下产生高密度、高电离度、大体积均匀的等离子体,所以在等离子体物理研究,表面处理和薄膜制备等应用中,成为一个十分引人注目的新领域。本文综述了ECR放电的基本物理过程和实验研究概况,介绍了ECR等离子体在表面处理、镀膜和离子源等方面应用的最新结果。     

电子回旋共振(ECR)等离子体的研究和应用

近年来,在低气压、低温等离子体研究和应用中的一个重要发展是微波电子回旋共振放电。由于它是一种无极放电,能够在低气压下产生高密度、高电离度、大体积均匀的等离子体,所以在等离子体物理研究,表面处理和薄膜制备等应用中,成为一个十分引人注目的新领域。本文综述了ECR放电的基本物理过程和实验研究概况,介绍了ECR等离子体在表面处理、镀膜和离子源等方面应用的最新结果。     

电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积

本文叙述了电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积（ＥＣＲＰＣＶＤ）的工作原理、特点及其应用．ＥＣＲＰＣＶ Ｄ由放电室、淀积室、微波系统、磁场线圈、气路与真空系统组成．处于放电室的等离子体在磁场中做回旋运动，使电子的回旋运动频率与微波频率相同；处于回旋共振条件下的电子有效地吸收微波功率而获得高的能量，从而产生高活性和高密度的等离子体．电离度大于１０％，电子密度为１０１３ｃｍ３．ＥＣＲＰＣＶＤ可在低的气体流量、衬底不加热的情况下高速淀积高质量薄膜．以该技术淀积的Ｓｉ，Ｎ４，ＳｉＯ２薄膜可分别与高温ＣＶＤ的Ｓｉ３Ｎ４高温热氧化的ＳｉＯ２相比拟．ＥＣＲＰＣＶＤ淀积ａ－Ｓｉ：Ｈ淀积速率为通常ＣＶＤ的２０倍，而性能与射频ＣＶＤ淀积的ａ－Ｓｉ：Ｈ相当．ＥＣＲＰＣＶＤ 已成功用于淀积多种薄膜。     

等离子体中电磁波的粒子模拟

本文介绍了1 2/2维相对论性、电磁模等离子体粒子模拟的方法和原理。系统地以计算机模拟了由电子气体组成的等离子体中的各种电磁波。在无外加静磁场、加外横磁场、加外纵向磁场等不同情况下,分别得到静电波、电磁波、寻常波、非寻常波、ω=nω_c的磁回旋共振、左旋波、右旋波等。其色散关系、截止频率、共振频率、极限相速度均与理论结果一致。