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     

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.     

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     

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     

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。     

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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。     

偏滤器靶板磁预鞘层边界的离子流

利用流体力学模型研究了偏滤器等离子体条件下磁预鞘层边界离子流和预鞘层宽度之间的关系，并分析了粒子碰撞对预鞘层边界离子流的影响。由于粒子碰撞对离子的驱动效益，预鞘层边界离子流速度随着预鞘层宽度的增加而减少；只有当预鞘层宽度趋于零时，边界离子流沿磁力线的速度才趋近于离子声速。在固定预鞘层宽度的条件下，计算了预鞘层边界离子流速度与碰撞频率之间的函数关系。     

Compton散射下离子初始速度对等离子体鞘层厚度的影响

应用相对论理论、Compton散射等离子体离子源和龙格-库塔方法,研究了Compton散射对等离子体鞘层厚度的影响,提出了Compton散射等离子体离子源概念,并将入射光和Compton散射光作为形成等离子体离子初始速度的新机制,给出了Compton散射下鞘层空间内电位梯度随等离子体离子初始速度变化的修正方程,并进行了数值模拟.结果表明,与Compton散射前相比,Compton散射使等离子体鞘层厚度随加速电压增大而明显的非线性增大,这主要是由于Compton散射使离子与电子碰撞频率增大,电子温度升高,使离子初始速度和能量增大的缘故.     

直流空心阴极放电中鞘层区电子的输运过程

采用蒙特－卡洛方法对空心阴极放电中鞘层区电子的输运过程进行了研究，电子在鞘层区被非均匀电场加速，两次碰撞之间的步长是由电子与中性粒子的碰撞频率确定。模型中三种碰撞截面积是由实验和理论数据拟合而来。研究了电子平均能量、电子密度和电离系数在径向的分布。电子能量的空间分布结果与实验很好地符合。 关键词：     

Numerical study on the electron-wall interaction in a Hall thruster with segmented electrodes placed at the channel exit

Electron-wall interaction is always recognized as an important physical problem because of its remarkable influences on thruster discharge and performance. Based on existing theories, an electrode is predicted to weaken electron-wall interaction due to its low secondary electron emission characteristic. In this paper, the electron-wall interaction in an Aton-type Hall thruster with low-emissive electrodes placed near the exit of discharge channel is studied by a fully kinetic particle-in cell method. The results show that the electron-wall interaction in the region of segmented electrode is indeed weakened, but it is significantly enhanced in the remaining region of discharge channel. It is mainly caused by electrode conductive property which makes equipotential lines convex toward channel exit and even parallel to wall surface in near-wall re- gion; this convex equipotential configuration results in significant physical effects such as repelling electrons, which causes the electrons to move toward the channel center, and the electrons emitted from electrodes to be remarkably accelerated, thereby increasing electron temperature in the discharge channel, etc. Furthermore, the results also indicate that the discharge current in the segmented electrode case is larger than in the non-segmented electrode case, which is qualitatively in accordance with previous experimental results.     

碰撞对尘埃等离子体鞘层中尘埃颗粒影响

在一维平板鞘层中应用流体模型研究了尘埃等离子体鞘层中碰撞对尘埃颗粒密度和带电量的影响。 研究所涉及的碰撞主要有电离碰撞,电子、离子分别与中性粒子的碰撞,以及电子、离子分别与尘埃颗粒的碰撞。通过采用四阶龙格库塔法,得到了数值解。结果表明,随着电离碰撞或者电子、离子分别与中性粒子碰撞的频率 增加,都将导致鞘层中尘埃颗粒的数密度增大,数密度的极值位置向鞘边位置靠近,尘埃颗粒带电量增多。电子、离子与尘埃颗粒的碰撞,使得尘埃带电量减小。此外,从研究的结果来看,由离子产生的碰撞要比电子产生的碰 撞对尘埃颗粒的影响明显得多。     

Near-wall conductivity effect under a space-charge-saturated sheath in the Hall thruster

In this paper, we adopt the modified Morozov secondary electron emission model to investigate the influence of the characteristic of a space-charge-saturated sheath near the insulated wall of the Hall thruster on the near-wall conductivity, by the method of two-dimensional (2D) particle simulation (2D+3V). The results show that due to the sharp increase of collision frequency between the electrons and the wall under the space-charge-saturated sheath, the near-wall transport current under this sheath is remarkably higher than that under a classical sheath, and equals the near-wall transport current under a spatially oscillating sheath in order of magnitude. However, the transport currents under a space-charge-saturated sheath and a spatially oscillating sheath are different in mechanism, causing different current density distributions under the above two sheaths, and a great influence of channel width on the near-wall transport current under a space-charge-saturated sheath.     

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The fluid dynamics model was used to study the influence of the existence of the collisions on the dust particles in a dusty plasma sheath. The main collisions in this study consist of the ionization collision, the collision between electron and neutral particle, the collision between ion and neutral particle, the collision between electron and dust particle, the collision between ion and dust particle. Numerical calculation results are obtained by the fourth-order-Rung-Kutta method. It is shown that both the dust particles’ density and corresponding electricity quantity increase as the following collisions’ frequency enhances, such as ionization collision, the collision between electron and neutral particle, the collision between ion and neutral particle. The charge reduces due to the collisions concluding electron-dust particle and ion-dust particle. In addition, the effect produced by ions’ collision is much more obviously compared with electrons’ collision.     

The effects of ion-neutral collision frequency on the plasma sheath dynamics for oblique entrance of ions into the sheath

Recently it has been shown that the magnetic field has significant effects on the characteristics of ions which enter the collisionless plasma sheath with an oblique incidence angle. Here, we have investigated these effects in collisional plasma sheath. Considering the ion-neutral collision, the basic equations of fluid model in a plasma sheath have been numerically solved in the presence of an external magnetic field where the ion collision frequency has a power law dependency to the ion flow velocity. The results show that the effects of magnetic field on the plasma sheath dynamics strongly depend on the ion-neutral collision frequency and its dependency to ion flow velocity.     

The Bohm criterion and boundary conditions for a multicomponentsystem

In the asymptotic limit λ_D→O (small Debye length) the boundary layer problem of a plasma is split up into the separate problems of a: quasineutral presheath and a collision free planar sheath. The formation of a stationary sheath requires that the ions fulfil a sheath condition (“Bohm criterion”). In this paper, the boundary layer problem of a multicomponent system is investigated. Both in the frames of a hydrodynamic and of a kinetic theory, a generalized sheath condition is derived accounting for various ion components and arbitrary electron- and ion distributions. It is shown that the sheath condition is usually fulfilled marginally (in the equality form) and provides a boundary condition for the plasma analysis