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     

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     

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     

PSII技术中考虑靶表面二次电子发射的等离子体鞘层演变

本文建立了ＰＳＩＩ技术中靶表面有二次电子发射的等离子体鞘层演变平板模型。在某些简化下，对随时间变化的鞘层边界位置和速度作了计算。计算表明，靶表面二次电子发射对鞘层演变影响很小，可忽略不计，这跟实验是相符的。     

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。     

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。     

PSⅡ技术中考虑靶表面二次电子发射的等离子体鞘层演变

本文建立了ＰＳⅡ技术中靶表面有二次电子发射的等离子体鞘层演变平板模型。在某些简化下，对随时间变化的鞘层边界位置和速度作了计算。计算表明，靶表面二次电子发射对鞘层演变影响很小，可忽略不计，这跟是相符的。     

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.     

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     

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.     

A 200-W permanent magnet Hall thruster discharge with graphite channel wall

A 200-W Hall thruster was designed using permanent magnets placing the axial maximum magnetic field outside of the channel, and the anode/gas distributor as an integrated U-shaped structure. A split structure is adopted for the discharge channel to conveniently change the wall material. With the initial conditions that the anode mass flow is maintained at 0.8 mg/s, 1.0 mg/s and 1.2 mg/s over a voltage range of 150–400 V (at 50 V intervals), the discharge properties were determined for the two thruster models with the channel walls composed of graphite and boron nitride (BN). The results demonstrate that under identical operating parameters, the properties of the thruster with the graphite channel walls are similar to the properties of the thruster with the BN channel walls. The maximum difference of the discharge current between the two wall materials is 6.2%; the maximum difference of the thrust and the specific impulse is 3.3%, and that of the anode efficiency is 1.7% (absolute value). These differences are smaller than the corresponding parameter differences observed from changing wall materials in other common Hall thrusters.     

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.