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     

霍尔推进器中磁化二次电子对鞘层特性的影响

为进一步研究霍尔推进器壁面二次电子发射对推进器性能的影响,采用流体模型数值模拟了二次电子磁化效应的等离子体鞘层特性.得到二次电子磁化鞘层的玻姆判据.讨论了不同的磁场强度和方向、二次电子发射系数以及不同种类等离子体推进器的鞘层结构.结果表明:随器壁二次电子发射系数的增大,鞘层中粒子密度增加,器壁电势升高,鞘层厚度减小;鞘层电势及粒子密度随着磁场强度和方位角的增加而增加;而对于不同种类的等离子体,壁面电势和鞘层厚度也不同.这为霍尔推进器的磁安特性实验提供了理论解释. 关键词： 霍尔推进器 磁鞘 二次电子     

电子温度对霍尔推进器等离子体鞘层特性的影响

采用二维粒子模拟方法研究了霍尔推进器通道中电子温度对等离子体鞘层特性的影响, 讨论了不同电子温度下电子数密度、鞘层电势、电场及二次电子发射系数的变化规律. 结果表明: 当电子温度较低时, 鞘层中电子数密度沿径向方向呈指数下降, 在近壁处达到最小值, 鞘层电势降和电场径向分量变化均较大, 壁面电势维持一稳定值不变, 鞘层稳定性好; 当电子温度较高时, 鞘层区内与鞘层边界处电子数密度基本相等, 而在近壁面窄区域内迅速增加, 壁面处达到最大值, 鞘层电势变化缓慢, 电势降和电场径向分量变化均较小, 壁面电势近似维持等幅振荡, 鞘层稳定性降低; 电子温度对电场轴向分量影响较小; 随电子温度的增大, 壁面二次电子发射系数先增大后减少. 关键词： 霍尔推进器 等离子体鞘层 电子温度 粒子模拟     

霍尔推进器中振荡鞘层对电子与壁面碰撞频率的影响研究

利用二维粒子模拟方法研究振荡鞘层对近壁电导的影响.研究结果表明,当二次电子发射系数大于1时,鞘层处于振荡状态.在振荡鞘层状态下,电子与壁面的碰撞通量沿平行与壁面方向剧烈的周期性振荡,振荡的波长为电子静电波波长量级,电子与壁面的碰撞频率高出经典鞘层状态下电子与壁面碰撞频率1—2个数量级,此时的碰撞频率对通道中电流的贡献不可忽略.振荡鞘层相对与经典鞘层增大了电子与壁面的碰撞频率,但是振荡鞘层的存在,仍然会使一部分慢电子无法穿越鞘层的势垒而打到壁面. 关键词： 霍尔推进器 振荡鞘层 二次电子     

二次电子分布函数对绝缘壁面稳态鞘层特性的影响

由于缺乏详细的理论计算和实验结果,在研究绝缘壁面稳态流体鞘层特性时,通常假设壁面出射的总二次电子服从单能分布(0)、半Maxwellian分布等.在单能电子轰击壁面的详细二次电子发射模型基础上,采用Monte Carlo方法统计发现:当入射电子服从Maxwellian分布时,绝缘壁面发射的总二次电子服从三温Maxwellian分布.进而,采用一维稳态流体鞘层模型进行对比研究,结果表明:二次电子分布函数对鞘边离子能量、壁面电势、电势及电子/离子密度分布等均具有明显影响;总二次电子服从三温Maxwellian分布时,临界空间电荷饱和鞘层无解,表明随着壁面总二次电子发射系数的增加,鞘层直接从经典鞘层结构过渡到反鞘层结构.     

Hall推力器内饱和鞘层下电子与壁面碰撞频率特性

利用二维粒子模拟方法研究Hall推力器内电子与壁面的碰撞频率.研究发现,饱和鞘层状态下的电子与壁面的碰撞频率较经典鞘层下大大增加,甚至高出经典鞘层状态下电子与壁面碰撞频率两个数量级,这样饱和鞘层状态下电子与壁面的碰撞频率对近壁电流的贡献将不容忽略.进一步分析造成饱和鞘层状态下电子与壁面碰撞频率增加的原因后认为,饱和鞘层状态下电子与壁面碰撞频率的增加是鞘层电势降过低和壁面发射的二次电子回流造成的. 关键词： 饱和 鞘层 碰撞 频率     

霍尔推进器壁面材料二次电子发射及鞘层特性

霍尔推进器放电通道等离子体与壁面相互作用形成鞘层,不同壁面材料的二次电子发射对推进器鞘层特性具有重要影响,本文针对推进器壁面鞘层区域建立二维物理模型,研究了氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)和三氧化二铝(Al_2O_3)三种不同壁面材料的二次电子发射特性,在改进SiC材料二次电子发射模型的基础上,采用粒子模拟方法,讨论了壁面二次电子发射系数与电子温度和磁场强度的关系,研究了三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的鞘层特性,结果表明:修正的二次电子发射模型拟合曲线与实验曲线几乎一致;在相同电子温度下,三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的二次电子发射系数和壁面电子数密度依次增大,而鞘层电场和鞘层电势降依次减小,BN材料具有合适的二次电子发生射系数,使得霍尔推进器能在低电流下稳态工作。     

二次电子发射和负离子存在时的鞘层结构特性

 建立了包括电子、离子、器壁发射二次电子以及负离子多种成分的等离子体无碰撞鞘层的基本模型,讨论了二次电子发射和负离子对1维稳态等离子体鞘层结构的影响,并且分析了多种成分等离子体鞘层内的二次电子和负离子的相互作用。结果表明：二次电子发射系数的增加和负离子含量的增加,都将导致鞘层的厚度有所减小;二次电子发射系数超过临界发射系数之后,鞘层不再是离子鞘。随着器壁材料二次电子发射系数的增加,鞘层中的负离子密度分布也逐渐增加;负离子的增加,导致二次电子临界发射系数有所增加。另外,在等离子体鞘层中二次电子发射和负离子的存在,也影响着鞘层中电子的放电特性与器壁材料的腐蚀。     

电子的非广延分布对等离子体鞘层中二次电子发射的影响

采用一维流体模型研究了非广延分布电子对等离子体鞘层中二次电子发射的影响.通过数值模拟,研究了非广延分布电子对考虑二次电子发射的等离子体鞘层玻姆判据、器壁电势、器壁二次电子临界发射系数以及等离子体鞘层中二次电子密度分布的影响.研究结果发现,当电子分布偏离麦克斯韦分布(q=1,广延分布)时,非广延参量q的改变对器壁二次电子发射有着重要的影响.不论电子分布处于超广延(q 1),还是处于亚广延状态(q 1),随着非广延参量q的增加,都会出现鞘边临界马赫数跟着减小,同时对于随着二次电子发射系数的增加,临界马赫数跟着增加.器壁电势随着参量q的增加而增加.器壁二次电子临界发射系数则随着非广延参量的增加而减小,并且等离子体中所含的离子种类质量数越大,非广延参量的变化对器壁二次电子临界发射系数的值影响越小.此外,随着非广延参量的增加,鞘层厚度减小,鞘层中二次电子数密度增加.通过对数值模拟结果分析,发现电子分布处于超广延分布状态对等离子体鞘层中二次电子发射特性的影响要比电子处于亚广延分布状态要更明显.     

电子温度各向异性对霍尔推力器中等离子体与壁面相互作用的影响

为进一步揭示霍尔推力器放电通道饱和电子温度高达50—60 eV的原因,利用二维粒子模拟方法研究了霍尔推力器中电子温度各向异性对等离子体与壁面相互作用的影响,统计了等离子体与壁面相互作用的重要物理量,如电子与壁面的碰撞频率、通道电子在壁面的能量沉积及二次电子对通道电子的冷却.结果表明,当电子温度较低时,电子温度各向异性对等离子体与壁面相互作用的影响较小;当电子温度大于24 eV时,等离子体与壁面相互作用明显增强,并且电子温度各向异性会显著地降低电子与壁面的碰撞频率,减小电子在壁面的能量沉积,减弱鞘层对通道电子的冷却效应.电子温度的各向异性通过减弱通道电子与壁面的相互作用,有利于提高霍尔推力器放电通道的饱和电子温度.     

Heat flow through a plasma sheath in the presence of secondary electron emission from plasma‐wall interaction

The formation of a plasma sheath in front of a negative wall emitting secondary electron is studied by a one‐dimensional fluid model. The model takes into account the effect of the ion temperature. With the secondary electron emission (SEE ) coefficient obtained by integrating over the Maxwellian electron velocity distribution for various materials such as Be, C, Mo, and W, it is found that the wall potential depends strongly on the ion temperature and the wall material. Before the occurrence of the space‐charge‐limited (SCL ) emission, the wall potential decreases with increasing ion temperature. The variation of the sheath potential caused by SEE affects the sheath energy transmission and impurity sputtering yield. If SEE is below SCL emission , the energy transmission coefficient always varies with the wall materials as a result of the effect of SEE , and it increases as the ion temperature is increased. By comparison of with and without SEE , it is found that sputtering yields have pronounced differences for low ion temperatures but are almost the same for high ion temperatures.     

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建立了包含两种正离子的碰撞等离子体鞘层的流体模型,通过四阶龙格-库塔法模拟了碰撞对含有两种正离子的等离子体鞘层中的离子密度和速度分布产生的影响。结果表明,对于两种正离子的等离子体来说,鞘层中无论哪种离子与中性粒子碰撞频率的增加,该种离子的密度和速度分布都将呈现波动变化,密度是先增加后降低,速度是先降低后增加;而另一种离子的密度和速度呈单调变化。鞘边正离子的含量越少,受自身与中性粒子的碰撞频率增加,鞘层中该种离子密度先增加后降低的变化位置就越远离等离子体的鞘层边界。同时发现该种离子密度分布受自身碰撞频率增加,降低的幅度变化非常小。另外发现电子碰撞器壁产生的二次电子发射系数对质量较轻的离子影响要大一些。     

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.     

On characteristics of sheath damping near a dielectric wall with secondary electron emission

A preliminary investigation is conducted to study the characteristics of sheath damping near a dielectric wall with secondary electron emission (SEE). Making use of the linear analysis of the sheath stability, we have found two major contributions to the sheath damping, one similar to the Landau damping in uniform plasmas and another determined by local electric field and electron density of the steady-state sheath. It indicates that in a classical sheath regime the damping in the sheath region monotonically increases towards the wall and decreases with the enhancement of SEE effect. In order to verify the theoretical analysis, sheath oscillation processes induced by an initial disturbance are simulated with a time-dependent one-dimensional (1D) sheath model. Numerical results obtained are consistent with the theoretical analysis qualitatively.     

Sheath structure in plasma with two species of positive ions and secondary electrons

The properties of a collisionless plasma sheath are investigated by using a fluid model in which two species of positive ions and secondary electrons are taken into account. It is shown that the positive ion speeds at the sheath edge increase with secondary electron emission(SEE) coefficient, and the sheath structure is affected by the interplay between the two species of positive ions and secondary electrons. The critical SEE coefficients and the sheath widths depend strongly on the positive ion charge number, mass and concentration in the cases with and without SEE. In addition, ion kinetic energy flux to the wall and the impact of positive ion species on secondary electron density at the sheath edge are also discussed.     

Mechanism of electron beam poled SHG in 0.95GeS2·0.05In2S3 chalcogenide glasses

Utilizing the Maker fringe method, SHG was observed in the 0.95GeS₂·0.05In₂S₃ chalcogenide glass irradiated by the electron beam and the intensity of SH increases with the enhancement of beam current from 15 to 25 nA. According to Raman spectra of the as-prepared and the irradiated one, no distinct micro-structural transformation was found. In this work, the built-in charge model was founded to interpret the poling mechanism of electron beam irradiation, the emission of the secondary electrons and Auger electrons results in the formation of positive region and the absorbed electrons form negative region. The positive region was situated near the poling surface, and the negative region was much deeper than the positive region. Between the two opposite charged regions, a strong space-charge electrostatic field, E_dc, is created, which leads to the nonzero χ⁽²⁾ in the 0.95GeS₂·0.05In₂S₃ glass. The emission of backscattered electrons does no contribution to the formation of E_dc.