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.     

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.     

20 cm氙离子推力器放电室性能优化

束流离子生产成本和推进剂利用率是表征离子推力器放电室性能的重要参数。在考虑不改变放电室几何结构、磁场分布并保持离子推力器比冲和效率的前提下,利用一维经验分析模型对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推力器放电室性能进行了优化分析,以实现推力器的推力从40 mN提高到60 mN的目标要求。分析结果表明,提高放电室推进剂流率至2.06 mg/s,放电室内放电电流维持在6.9 A,放电室内平均氙离子密度达到2.1671017 m-3时,可以保证引出1.2 A的束流,推力器达到60 mN的推力。与之对应的推进剂利用率为92%,束流离子生产成本约为188.515 W/A,相比推力40 mN时,推进剂利用率为88%、束流离子生产成本为188.29 W/A的情况,放电室性能有所提高。另外,放电室性能优化过程中其鞘层电位始终保持在3.80~6.65 eV范围内。     

离子推力器栅极透过率径向分布特性研究

栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-CellMonte Carlo Collision数值仿真方法对束流引出过程进行了模拟.分析了屏栅、加速栅以及栅极系统的透过率随栅孔引出束流离子数量的变化关系,结合放电室出口离子密度分布,进而分别得到屏栅透过率、加速栅透过率和栅极系统透过率的径向分布特性,最后进行实验验证.研究结果表明:屏栅透过率径向分布具有中心对称性,在推力器中心有最小值,从中心沿着径向逐渐增大;加速栅透过率径向分布与屏栅透过率变化趋势相反;栅极系统透过率受加速栅透过率的影响很小,其径向分布与屏栅透过率径向分布相近;离子推力器栅极总透过率随着束流增大而缓慢减小.研究结果可为离子推力器栅极优化提供参考.     

30cm口径离子推力器磁场设计

为了对30cm口径离子推力器的磁场设计提出合理建议,研究了四极磁场结构下,不同尺寸的磁极宽度和磁极间距对磁极表面磁场强度和放电室电子约束长度的影响,并利用Maxwell-3D磁场分析软件得到柱段和锥段永磁体分别呈30°,60°和90°夹角时的放电室磁场强度分布,根据不同磁场强度计算了电子温度、离子密度以及电离率等推力器放电参数。结果表明,当推力器放电电压为30V时,磁极长度设计为0.008m且磁极间距取为0.12m,电子约束路径大约为50m;柱段和锥段永磁体分别呈30°,60°和90°夹角时,放电室磁场等势线基本在0.002~0.005T之间;永磁体夹角为60°时磁场分布和磁空区相比30°和90°夹角更为合理,此时的电子温度约在2~6eV,等离子体密度约在4×1017~8×1017 m-3,电子碰撞频率比率约在0.2~1.8范围内。     

栅极热变形对离子推力器工作过程影响分析

栅极热变形是影响离子推力器性能和寿命的重要因素. 采用三维粒子方法对栅极系统等离子体输运过程进行模拟, 对比、分析栅极热变形前后栅极系统的电子返流限制、导流系数限制、离子通过率和发散角损失. 结果表明: 栅极热变形增大了屏栅离子通过率和推力器推力值, 并由于加速栅截止电流阈值的提高拓展了推力器工作电流区间, 但电子返流阈值的明显降低对栅极系统可靠工作造成了不利影响.     

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.     

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%.     

壁面二次电子发射对霍尔推力器放电通道绝缘壁面双鞘特性的影响

为进一步揭示霍尔推力器放电通道绝缘壁面鞘层的特性, 利用考虑了壁面二次电子分布函数的一维稳态流体鞘层模型, 研究了壁面二次电子发射对近壁双鞘特性的影响. 分析结果表明, 由于壁面发射的二次电子对近壁鞘层中的电子密度有增加作用, 存在一个临界二次电子发射系数σ_dc使得: 当σ≤σ_dc时, 鞘层为单层的正离子鞘结构; 当σ>σ_dc时, 鞘层表现为双层的正离子鞘和电子鞘相连结构, 连接点对应于垂直于壁面方向上电势分布的拐点. 然而, 当σ进一步增大到0.999时, 鞘层转变为三层的正离子鞘-电子鞘-正离子鞘交替结构. 数值结果表明: 随着σ的增加, 电子鞘与离子鞘的连接点向远离壁面的方向移动, 电子鞘的厚度逐渐增加; 随着壁面出射电子能量系数a的增加, 近壁区鞘层的厚度也逐渐增加. 关键词： 霍尔推力器 双鞘 壁面二次电子发射     

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%。     

电子温度各向异性对霍尔推力器BN绝缘壁面鞘层特性的影响

建立多价态多组分等离子体一维流体鞘层模型,引入电子温度各向异性系数并考虑出射电子速度分布,研究了电子温度各向异性对霍尔推力器中的BN绝缘壁面鞘层特性和近壁电子流的影响.分析结果表明,相比于纯一价氙等离子体鞘层参数,推力器中的多价态氙等离子体鞘层电势降略有降低,电子壁面损失增加,临界二次电子发射系数减小.推力器中的电子温度各向异性现象可以显著地加大出射电子能量系数,进而降低鞘层电势降,增强电子壁面相互作用.数值结果表明,空间电荷饱和机制下电子温度各向异性对鞘层空间电势分布影响显著. 关键词： 霍尔推力器 电子温度各向异性 空间电荷饱和鞘层     

圆柱模型下电子回旋共振微波等离子体离子输运过程的数值研究

在圆柱模型下，采用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法模拟了电子回旋共振（ＥＣＲ）微波等离子体源中离子离开放电室后历经中性区、鞘层区以及工件表面二次电子发射形成的虚拟阴极“屏蔽区”，最后被加负偏压的工件表面吸收的全过程．研究了鞘层边界处的衔接问题，得到了光滑自洽的电势分布曲线及工件表面离子的能量分布和角分布，同时讨论了磁场、气压以及二次电子发射对鞘势的影响． 关键词：     

磁场强度对霍尔推力器放电特性影响的实验研究

为探索霍尔推力器通道内优化磁场的标准,本文研究了磁场强度对其放电特性的影响规律.通过在保持磁场形貌不变（“聚焦”形）下改变磁场强度的大小,使用朗缪尔探针、光谱仪等测量手段分析了工作于不同磁安特性曲线段的推力器放电特性.研究表明：当磁场强度小于优化值时,电子横越磁场的传导以近壁传导机制为主;反之,当磁场强度大于优化值时,放电电流反常变化,而现有的电子输运传导机制不能解释这种现象. 关键词： 霍尔推力器 磁场强度 放电特性     

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.     

磁镜场对射频等离子体中离子能量分布的影响

运用阻碍栅极型能量分析器,在不同磁镜场参数下测量了低温等离子体中离子的能量分布. 结果表明,在放电管中心处离子能量分布,随磁镜场强度的增加而向低能方向偏移,但离子能量分布宽度却没有明显的变化;而随着磁镜比的增加离子能量分布却向高能方向偏移,并且离子能量分布宽度也将变宽.由此可见,磁镜场参数对离子能量分布有很大影响. 关键词： 磁镜场 辉光放电 低温等离子体 离子能量分布     

非平衡磁控溅射系统离子束流磁镜效应模型

为了研究非平衡磁控溅射沉积系统的等离子体特性，采用常规磁控溅射靶和同轴约束磁场构成非平衡磁控溅射沉积系统.在放电空间不同的轴向位置，Ar放电，02Pa和150V偏压条件下，采用圆形平面离子收集电极，测量不同约束磁场条件下的饱和离子束流密度.研究结果表明，在同轴磁场作用下，收集电极的离子束流密度能达到饱和值9mA/cm2左右，有利于在沉积薄膜的过程中产生离子轰击效应.根据磁流体理论分析了同轴约束磁场形成的磁镜效应和对放电过程的影响机理.实验与模型计算结果的比较表明，模型从理论上表达了同轴磁场约束对非平衡磁控溅射等离子体特性的影响规律. 关键词： 等离子体 金属薄膜/非磁性 磁控溅射 磁镜     

衬底偏压对ECR等离子体鞘层和离子行为的影响

介绍了电子回旋共振微波放电等离子体中离子向衬底输运的蒙特卡罗模型,该模型考虑了精确依赖于离子能量的电荷交换和动量转移截面以及中性区与鞘层的衔接。     

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.     

CSR电子冷却段磁场造成闭轨畸变及校正

电子冷却的应用提高了重离子储存环的束流品质, 也为重离子储存环的运行带来了新的课题. 电子冷却段的横向磁场在引导约束强流电子束的同时也不可避免影响了多次经过的离子轨道. 为了保证束流的安全运行, 必须将离子轨道的畸变部分限制在局部范围, 并保证轨道畸变量对储存环接收度的影响可以容忍. 讨论在建的兰州重离子储存环HIRFL-CSR电子冷却段磁场及其造成闭轨畸变和校正方案.