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.     

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%.     

ECR离子源束流发射度的实验研究

利用最新自行研制的电扫描发射度探测系统, 在ECR离子源上进行了一系列关于ECR离子源引出束流发射度的研究. 这套电扫描发射度探测系统安装在中国科学院近代物理研究所(兰州)的LECR3试验平台的束运线上. 试验中, 通过测量相关参数, 研究了磁场、微波、掺气效应及负偏压效应等对引出束流发射度的影响. 利用实验所得的结果与关于ECR等离子体和离子源束流发射度的半经验理论, 分析推导了离子源各可调参数与ECR等离子体的直接关系, 这为分析探索ECR离子源的工作机制提供了一定的参考依据.     

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.     

ECR离子源束流引出与传输的研究

针对ECR离子源的束流引出及传输研究，在中国科学院近代物理研究所的LECR3离子源实验平台上开展了大量的实验. 实验中研究了等离子体电极引出孔径、反射电极(抑制电极)偏压以及Glaser透镜等因素对束流引出与传输的影响. 研究的重点是试图通过系列实验与分析来研究如何能更有效地引出强流离子束流并减小其在传输空间的损失. 给出了实验的主要结果，结合这些数据对ECR离子源的束流引出与传输进行了较全面的分析，并综合这些实验结果与分析结果得出了该物理过程的一般物理图像.     

低气压条件下氢气潘宁放电的模拟分析

为更好地理解低气压、弱电离条件下潘宁离子源放电过程中离子和电子的动力学行为, 通过建立二维轴对称模型, 采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法, 考虑了电子与氢气之间的弹性碰撞、激发、电离以及氢原子、离子之间的弹性碰撞和电荷交换等过程, 对微型氢气潘宁离子源放电和引出过程进行了数值研究. 考察了磁场位形、壁面二次电子发射系数、引出电压和充气压力对放电过程的影响, 得到了实验中难以诊断得到的放电腔内电子与离子数密度分布, 阳极电流、引出极离子电流、单原子氢离子比例和双原子氢离子比例等宏观参数与实验结果相一致. 通过仿真使得对氢气潘宁放电机制的研究从定性过渡到定量, 这对于潘宁离子源的设计和改进具有重要意义. 关键词： 潘宁放电 氢气 粒子模拟 蒙特卡罗     

大面积离子源的研制

本文报道的大面积离子源是为Tokamak装置中性加热注入用,主要是为了提高等离子体的离子温度T1值. 目前源的指标如下: 离子源发射电极的面积为7cm×7cm,在引出能量为20keV下,引出电流Iaxt为15A,引出束流的脉冲宽度为20ms,见图1.根据这些参数引出的功率达到了300kw.离子光学系统的透明度为60%,所以引出束流密度i4为500mA/cm2 离子光学系统采用了三电极系统,这个系统的准直度很重要,必须三个电极固定在一起加工,然后进行适当的倒角,以尽量满足皮尔士所指出的67.5°的要求. 栅极是由0.8mm厚的钼板作成,在7cm×7cm的面积上开有22条槽,槽的尺寸…     

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.     

6.4 GHz ECR ion source at VECC

The 6.4 GHz ECR ion source that was indigenously developed a few years ago has been operating continuously for injecting oxygen and neon beams to the cyclotron since 1997. VEC-ECR is a single stage high magnetic field ion source provided with a negatively biased electron repeller placed on the axis, near the injection mirror point. The supply of cold electrons and use of low mass mixing gas improve the stability of ECR plasma. Very recently, the effect of aluminum oxide coating on the copper plasma chamber wall has been studied. The plasma chamber wall was coated with aluminum by vacuum evaporation method and then exposed to oxygen gas to form aluminum oxide. It was noticed that the process substantially shifts the charge state distribution to the higher charge state with an enhancement of ion current by an order of magnitude. With the aluminized plasma chamber, the VEC-ECR can now produce 12 μA of O⁷⁺, 6.5 μA of Ar¹²⁺, 1.5 μA of Kr²⁰⁺ and 1.0 μA of Xe³¹⁺.     

Interaction between plasma and electromagnetic field in ion source of 10 cm ECR ion thruster

Through diagnosing the plasma density and calculating the intensity of microwave electric field, four 10 cm electron cyclotron resonance (ECR) ion sources with different magnetic field structures are studied to reveal the inside interaction between the plasma, magnetic field and microwave electric field. From the diagnosing result it can be found that the plasma density distribution is controlled by the plasma generation and electron loss volumes associated with the magnetic field and microwave power level. Based on the cold plasma hypothesis and diagnosing result, the microwave electric field intensity distribution in the plasma is calculated. The result shows that the plasma will significantly change the distribution of the microwave electric field intensity to form a bow shape. From the boundary region of the shape to the center, the electric field intensity varies from higher to lower and the diagnosed density inversely changes. If the bow and its inside lower electric field intensity region are close to the screen grid, the performance of ion beam extracting will be better. The study can provide useful information for the creating of 10 cm ECR ion source and understanding its mechanism.     

磁场调控型离子源的设计与实验

磁场调控型离子源在离子源等离子体扩散空间中引入轴向强脉冲磁场,磁场起两方面的作用,一是形成潘宁放电效应,使原子、气体分子碰撞电离效率增加;二是在脉冲强磁场的作用下,强轴向磁场将质量较轻的离子约束在轴线上,对质量较重的金属离子约束能力较弱,导致其在等离子体膨胀引出通道中碰壁损失,能够提升引出轻离子的比例。开展了磁场调控的离子源放电结构、强脉冲螺线管磁场以及引出束流光学结构的设计;测量分析了引出离子流强和离子打靶束斑形貌。研究结果表明,强轴向磁场通过等离子体对混合离子成分的筛选作用,可有效提高引出离子流强中的轻离子成分比例。     

Experimental study of the dependence of beam current on injection magnetic field in 6.4 GHz ECR ion source

The ion current from an electron cyclotron resonance (ECR) heavy ion source depends on the confining axial and radial magnetic fields. Some efforts were made by earlier workers to investigate magnetic field scaling on the performance of the ECR source. In order to study the dependence of the ion current on the injection magnetic field in the 6.4 GHz ECR source, we have measured the current by varying the peak injection field and have inferred that the variation of the current is exponential up to our maximum design injection field of 7.5 kG. An attempt has been made to understand this exponential nature on the basis of ion confinement time.     

Simulation of electron behavior in PIG ion source for 9 MeV cyclotron

In this paper, we focus on a PIG source for producing intense H-ions inside a 9 MeV cyclotron. The properties of the PIG ion source were simulated for a variety of electric field distributions and magnetic field strengths using a CST particle studio. After analyzing the secondary electron emission (SEE) as a function of both magnetic and electric field strengths, we found that for the modeled PIG geometry, a magnetic field strength of 0.2 T provided the best results in terms of the number of secondary electrons. Furthermore, at 0.2 T, the number of secondary electrons proved to be greatest regardless of the cathode potential. Also, the modified PIG ion source with quartz insulation tubes was tested in a KIRAMS-13 cyclotron by varying the gas flow rate and arc current, respectively. The capacity of the designed ion source was also demonstrated by producing plasma inside the constructed 9 MeV cyclotron. As a result, the ion source is verified as being capable of producing an intense H^- beam and high ion beam current for the desired 9 MeV cyclotron. The simulation results provide experimental constraints for optimizing the strength of the plasma and final ion beam current at a target inside a cyclotron.