基于Kr工质的离子推力器栅极PIC仿真

Kr是新型低成本离子推力器的优选工质之一。采用三维PIC粒子模拟方法对Kr等离子体在栅极系统中的输运过程进行仿真,并与Xe工质仿真结果进行对比,分析工质类型对束流分布、离子通过率、发散角损失和推力等参数特性和分布的影响。结果表明:相比于Xe工质,Kr工质条件下,屏栅上游鞘层区域更大,屏栅离子通过率略有上升;Kr+在加速栅孔轴向速度较大,径向位移小,撞击加速栅几率小,加速栅电流相对较小;Kr工质和Xe工质的发散角损失相当,但Kr工质工作电流区域更高;相比于Xe工质,相同功率条件下Kr工质的推力值约降低20%。     

应用于电推进的碘工质电子回旋共振等离子体源

电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)源具有无需内电极、低气压电离、等离子体密度较高和结构紧凑等优点,适用于小功率电推进.因此,研究小功率碘工质ECR等离子体源具有重要意义.本文首先设计了一套耐腐蚀且可以均衡稳定输出碘蒸汽的储供系统;然后完成了耐碘腐蚀ECR推力器设计,利用耐腐蚀的同轴谐振腔结构将微波馈送到推力器,并将通道磁场变为会切型磁场以产生更多ECR层;最终联合点火实验成功,成为国际上首个可以用于电推进的ECR电离碘工质等离子体源.分析实验和静磁场、微波电场分布发现,小功率、低流量下的不稳定等离子体羽流闪烁由寻常波电子等离子体共振加热和非寻常波ECR加热模式之间的转化引起.高流量下电离率下降是由电子损失、壁面损失和碘工质电负性导致.并依据此原理提出了改进方案.放电后等离子体源没有明显损伤,说明具备长寿命潜力.此项工作初步证实了小功率碘工质ECR电推进方案可行.     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

径向磁场对霍尔推力器性能影响的数值模拟研究

霍尔推力器由于推力密度大、结构简单等特点,在商业航天领域具有广泛的应用前景.为了进一步提升小功率霍尔推力器的性能,克服低轨卫星用小功率霍尔推力器性能受限于输入功率和最大磁场强度的问题,本文利用数值模拟和理论分析方法研究了霍尔推力器放电通道中径向磁场分布对推力器性能的影响.在轴向磁场分布和最大径向磁场强度一定的情况下,通过改变径向磁场梯度实现径向磁场对推力器性能影响的研究.结果表明,在放电参数、推进剂流率以及轴向磁场不变的情况下,加速区的电势随着径向距离的增加而减小.因此,靠近推力器放电通道内壁侧的径向磁场梯度越大,离子沿着轴向漂移到达推力器出口的动能越大,推力器的推力越大.本文的研究结果为霍尔推力器的磁场设计,性能优化提供了理论支撑.     

基于双向偏振态激光诱导荧光方法的离子速度分布函数测量

为了评估利用发散磁场构型双电层效应的紧凑式螺旋波等离子体推力器的离子加速效果,探索了一种双向偏振态激光诱导荧光测量方法来对螺旋波等离子体源近出口端的离子速度分布函数进行测量。实验中采用Ar作为螺旋波等离子体源工质,中心波长为611.662 nm的激光以轴向方式注入等离子体,以激励一价Ar离子获得波长为461.086 nm的诱导荧光光谱。为了消除磁化等离子体中逆塞曼效应对激光诱导荧光光谱带来的分裂影响,通过四分之一波片将入射激光分别调制为左旋和右旋圆偏振态,并对其诱导光谱进行了分别测量,结果发现不同磁场强度下两次测量结果的偏移值与理论高度吻合,证明了双向偏振态激光诱导荧光测量方法的理论可行性。进一步,采用高斯型滤波器反卷积算法从测量光谱中去除自然展宽和能量饱和效应,再通过对两次相反偏振态测量结果进行平移处理消除逆塞曼效应,从而分离得到实际的多普勒效应。测量了射频能量600 W,不同轴向位置、磁场大小以及气体压力下的螺旋波Ar等离子体激光诱导荧光光谱,结果表明在该实验条件下离子并没有因双电层效应而达到期望值的加速效果,离子速度的形成可能只是一种磁约束作用下的双极电场所导致,并不能产生好的推力性能。     

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.     

屏栅边缘小孔孔径对离子推力器性能的影响

提出并实验验证了一种通过减小屏栅边缘小孔孔径消除双模式离子推力器中束流离子对三栅极系统减速栅边缘小孔溅射刻蚀的方法.基于30 cm双模式离子推力器,在小推力高比冲和大推力高功率两种工作模式下实验对比研究了屏栅边缘小孔孔径对推力器放电损耗、束流平直度和减速栅边缘小孔刻蚀速率和刻蚀范围的影响.当束流半径95%外的屏栅小孔孔径缩小26%后, 30 cm双模式离子推力器在小推力高比冲模式和大推力高功率模式下放电损耗分别减小10%和21%;束流平直度分别下降3%和10%;减速栅边缘小孔存在离子溅射刻蚀的小孔排数由边缘5排减小到最边缘1排,刻蚀速率明显减小,并且当工作900 h后最边缘小孔刻蚀现象也消失.实验结果表明:减小屏栅边缘小孔孔径是一种解决双模式离子推力器小推力高比冲模式下束流离子对三栅极系统减速栅边缘小孔溅射刻蚀的有效方法,而且不会降低推力器效率,但是会造成束流均匀性变差.     

稀有气体在电离区压缩特性研究

采用Saha方程加Debye-Hückel修正简单近似模型,给出了稀有气体He, Ne, Ar, Kr, Xe在电离区的物态方程以及离化度.计算结果与已有实验和理论计算进行比较,验证了模型的可靠性.通过对稀有气体等温和冲击压缩特性理论分析,讨论了其压缩和电离的规律性.论证了在稀有气体He, Ne, Ar, Kr, Xe中,气体Xe具有较好的抗压缩性.     

加速电压和阳极流率对离子推力器性能的影响

为了研究离子推力器输入参数对工作性能的影响,采用试验研究和理论分析的方法研究了离子推力器加速电压和阳极流率对离子推力器性能的影响.研究结果表明:一定范围内离子束流随着加速电压绝对值的减小不断减小,然后突然增大,大、小推力模式下的电子返流极限电压分别为–140 V和–115 V,放电电压、放电损耗随阳极流率减小单调增大,减速电流单调减小,通过调节阳极电流、栅间电压、工质气体流量,功率为300—4850 W下,推力为11—188 m N,比冲为1800—3567 s,效率为34%—67%,在3000 W时推力器最高效率达到67%,该转折点对推力器设计和应用有关键意义,应用要结合在轨任务剖面选择合理的工作参数区间.     

Characteristics of wall sheath and secondary electron emission under different electron temperatures in a Hall thruster

In this paper, a two-dimensional physical model is established in a Hall thruster sheath region to investigate the influences of the electron temperature and the propellant on the sheath potential drop and the secondary electron emission in the Hall thruster, by the particle-in-cell(PIC) method. The numerical results show that when the electron temperature is relatively low, the change of sheath potential drop is relatively large, the surface potential maintains a stable value and the stability of the sheath is good. When the electron temperature is relatively high, the surface potential maintains a persistent oscillation, and the stability of the sheath reduces. As the electron temperature increases, the secondary electron emission coefficient on the wall increases. For three kinds of propellants(Ar, Kr, and Xe), as the ion mass increases the sheath potentials and the secondary electron emission coefficients reduce in sequence.     

基于HIRFL-CSR的高速高电荷态重离子与原子碰撞X射线谱学实验设计与研究

依据非相对论偶极近似、相对论程函近似、ECPSSR理论及平面波玻恩近似方法,计算了30~500 MeV/u的Ar18+、Kr36+和Xe54+离子与Ar、Kr和Xe原子碰撞过程中辐射电子俘获、非辐射电子俘获及内壳电离截面。在此基础上,结合光子探测器的能量分辨以及炮弹离子跃迁谱线的多普勒效应等因素,针对HIRFL-CSR实验环内靶装置上的X射线谱学实验,生成了各碰撞体系、能量和若干观测角度上的预期X射线谱。这些预期谱可以帮助我们筛选和优化碰撞体系、离子能量、观测角度、探测器类型、X射线窗及吸收片等实验条件,避免较弱的目标反应道被其他强反应道乃至其逃逸峰所掩盖或干扰,保证实验精度,提高束流利用效率。     

产生惰性气体高价离子的新方法

此文介绍了一种产生惰性气体高价离子的新方法。在飞行时间质谱仪（ＴＯＦ－ＭＳ）上，把聚焦后的３０８ｎｍ激光掠射到不锈钢栅网上，产生超短脉冲的电子束，利用这种电子束来轰击惰性气体（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ），产生高价离子，并给出了这些离子的飞行时间质谱。这些高价离子可能是电子逐次电离气体原子产生的。这种方法可作为飞行时间质谱的一种理想的“软电离”的“点”离子源     

Particle-in-cell simulation for different magnetic mirror effects on the plasma distribution in a cusped field thruster

Magnetic mirror used as an efficient tool to confine plasma has been widely adopted in many different areas especially in recent cusped field thrusters. In order to check the influence of magnetic mirror effect on the plasma distribution in a cusped field thruster, three different radii of the discharge channel(6 mm, 4 mm, and 2 mm) in a cusped field thruster are investigated by using Particle-in-Cell Plus Monte Carlo(PIC-MCC) simulated method, under the condition of a fixed axial length of the discharge channel and the same operating parameters. It is found that magnetic cusps inside the small radius discharge channel cannot confine electrons very well. Thus, the electric field is hard to establish. With the reduction of the discharge channel's diameter, more electrons will escape from cusps to the centerline area near the anode due to a lower magnetic mirror ratio. Meanwhile, the leak width of the cusped magnetic field will increase at the cusp. By increasing the magnetic field strength in a small radius model of a cusped field thruster, the negative effect caused by the weak magnetic mirror effect can be partially compensated. Therefore, according to engineering design, the increase of magnetic field strength can contribute to obtaining a good performance, when the radial distance between the magnets and the inner surface of the discharge channel is relatively big.     

Ar and Kr adsorption on Ag(111)

Precise structural and thermodynamic studies of Kr and of Ar adsorbed on Ag(111) are made using low energy electron diffraction. The phase diagram, lattice constants of the unconstrained monolayer and of the monolayer in equilibrium with the bilayer, latent heats of adsorption and isosteric heats are measured. The results are similar to those of an earlier study of Xe adsorbed on Ag(111). The results are compared to model calculations using effective lateral interactions which are similar to those for Xe/Ag(111). Comparison of the results for Xe, Kr, and Ar on Ag(111) is made using corresponding states scalings. A comparison is also made with properties of the non-registry phases of Xe, Kr, and Ar on basal plane graphite.     

Calculation of Absolute Outer-Shell Electron Impact Ionization Cross Sections

The recently developed semiempirical DM-approach for the calculation of electron impact single ionization cross sections is applied here to the ionization of the rare gases (Ne, Ar, Kr and Xe) via ejection of an outer s-shell electron. The results obtained are compared with previous experimental and theoretical s-shell ionization cross section functions.     

Calculations of total ionization cross sections of Ne,Ar, Kr,and Xe atoms in the born approximation allowing for electron perturbations in the continuous spectrum

Electron impact ionization cross sections of Ne, Ar, Kr, and Xe atoms are numerically calculated. The electron perturbation in the continuous spectrum in the target field is taken into account. The matrix elements are calculated in many-electron, nonrelativistic approximation with allowance for the superposition of configurations and relaxation effect. The radial part of the electron wave function in the continuum is calculated by solving the single-configuration Hartree-Fock equation. The wave functions of electrons in the continuum are orthogonalized with respect to the core orbital functions. The calculated cross sections are compared to the experimental data and calculations made using the plane-wave Born approximation and that involving generalized oscillator strengths.     

Current characteristics of barrier discharges in inert gases (Ar,Kr, Xe)

The current characteristics of barrier discharges in inert gases (Xe, Kr, and Ar) are compared. It is shown that the shape of the current curve (the number of peaks and their amplitudes) depends on the kind of gas (breakdown voltage) and the frequency of the sinusoidal supply voltage; as the frequency of the voltage decreases, the number of breakdowns tends to increase. It is found that, under the experimental conditions (P = 300 Torr, d = 4 mm), the amplitude of the discharge current in Xe is two to three times higher, its time is tenfold shorter, and the diameter of the discharge channel is five to ten times smaller compared to other inert gases. These differences can be explained by a considerable difference of the transfer coefficients in Xe from those in Ar and Kr.     

真空背压对霍尔推力器放电特性影响的实验研究

真空背压的变化会改变进入霍尔推力器放电通道内的背景气体量,对工质的电离、电子的传导等物理过程产生影响,从而进一步影响到推力器的宏观放电特性.为分析真空背压对推力器放电的影响规律,通过向真空罐输入流量可控的氪气改变真空背压,在不同真空背压下测量通道内原子、离子的发光特性以及出口处离子流的伏安特性.分析结果表明:背景气体返流对通道内工质放电过程具有全局性的影响,提高背压会使通道内的电子温度降低、电离效率降低,并会在通道内形成一个新的电离区,且背压越高,该电离区距推力器阳极越近.