磁路和天線位置對(duì)2cm電子回旋共振離子推力器性能影響的實(shí)驗(yàn)研究*

夏旭 楊涓? 金逸舟 杭觀榮 付瑜亮 胡展

1) (西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,西安 710072)

2) (上海空間推進(jìn)研究所,上海 201112)

磁路和天線位置對(duì)電子回旋共振離子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)的電子加熱、等離子體約束和輸運(yùn)過(guò)程都有很大的影響,進(jìn)而影響離子束流引出和中和器耦合電壓.本文開(kāi)展不同磁路和天線位置下2 cm ECRIT離子束流和耦合電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究.通過(guò)比較不同磁路的離子源和中和器的束流引出特性,選出合理的磁路結(jié)構(gòu),再比較不同天線位置對(duì)束流引出的影響.歸納了磁路和天線位置對(duì)ECRIT的性能影響規(guī)律,得到合理的推力器結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：功率和流量的增加有助于提高離子引出束流和降低電子引出壓；保持天線空間位置不變,合理的磁路結(jié)構(gòu)能增大電子獲能并減小粒子損失,從而提高引出離子束流并降低耦合電壓；在合理磁路結(jié)構(gòu)條件下,離子源和中和器存在有利于離子引出和降低耦合電壓的合理天線位置.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇出結(jié)構(gòu)較優(yōu)的中和器和離子源進(jìn)行中和實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明：有無(wú)中和器工作時(shí)對(duì)離子源束流引出的影響較?。还β屎土髁繛? W,0.1 sccm (1 sccm = 1 mL/min)的中和器與功率和流量為2 W,0.3 sccm的離子源能良好匹配工作,性能指標(biāo)為離子束流5.3 mA、放電損耗337.5 W/A、推進(jìn)劑利用率24.7%、推力368.6 μN(yùn)、比沖1277.6 s、中和器耦合電壓17.4 V.研究結(jié)果有助于理解推力器工作機(jī)理,并為設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考.

1 引 言

近年來(lái)隨著微型航天器技術(shù)的發(fā)展,微型電推力器也獲得蓬勃發(fā)展.這些微型電推力器有脈沖式等離子體推力器[1]、場(chǎng)效應(yīng)發(fā)射離子推力器[2]以及微型離子推力器等.微型離子推力器分為直流放電離子推力器[3-5]、射頻放電離子推力器[6,7]和ECRIT[8-10].其中微型電子回旋共振離子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、比沖高、無(wú)陰極燒蝕的特點(diǎn),是未來(lái)值得發(fā)展的一種微型電推力器.微型ECR離子源除了應(yīng)用在航天領(lǐng)域,還能用于材料處理等方面[11,12].

2 cm ECRIT屬于微型離子推力器,目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)這類推力器開(kāi)展了大量研究,并于2014年把氙工質(zhì)穩(wěn)態(tài)工作的ECRIT分別應(yīng)用到HODOYOSHI-4與PROCYON兩顆小衛(wèi)星上[13,14].目前針對(duì)ECRIT進(jìn)行了放電引出實(shí)驗(yàn)、離子源內(nèi)等離子體參數(shù)診斷和數(shù)值模擬等研究工作[15-23].其中,引出實(shí)驗(yàn)方面的工作主要是文獻(xiàn)[24]實(shí)驗(yàn)研究了不同氙氣流量、功率下天線構(gòu)型對(duì)2 cm-μ1型ECRIT離子束流引出的影響,結(jié)果表明環(huán)形天線更有利于束流引出,而且引出的離子束流隨功率和流量的增加而增加.文獻(xiàn)[25]實(shí)驗(yàn)研究了功率和氙氣流量對(duì)雙模式2 cm-μ1型 ECRIT離子束流引出和耦合電壓的影響,結(jié)果表明兩種模式下離子和電子束流與功率和流量成正相關(guān)、中和器耦合電壓隨流量減小而增大.文獻(xiàn)[26]實(shí)驗(yàn)研究了不同腔體長(zhǎng)度對(duì)氬工質(zhì)的2 cm ECRIT離子源束流引出的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明腔體長(zhǎng)度過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致離子束流引出的減小.文獻(xiàn)[27]實(shí)驗(yàn)研究了氙工質(zhì)2 cm 電子回旋共振(ECR)中和器的環(huán)形天線尺寸大小、電子引出板、流量和功率對(duì)電子束流引出的影響,得到了合理的天線和電子引出板結(jié)構(gòu)及引出電子束流隨功率和流量增加而增加的變化規(guī)律.

目前對(duì)于氙氣或氬氣以及穩(wěn)態(tài)或雙模式工作的2 cm ECRIT研究主要集中在天線構(gòu)型和腔體結(jié)構(gòu)對(duì)束流引出、耦合電壓的影響.天線構(gòu)型的研究目的主要是匹配磁場(chǎng)與微波電場(chǎng),未考慮磁場(chǎng)會(huì)影響共振區(qū)與天線位置的關(guān)系.然而,由于共振區(qū)位置與磁路結(jié)構(gòu)有關(guān),而且?guī)щ娏Ｗ拥膿p失與天線位置有關(guān),所以磁路與天線位置是影響等離子體的加熱、壁面損失以及輸運(yùn)過(guò)程的重要因素,也是影響離子束流引出和耦合電壓以及推力器性能的重要因素.為此本文開(kāi)展磁路和天線位置對(duì)2 cm ECRIT離子束流和耦合電壓影響的實(shí)驗(yàn)研究,以獲得合理的離子源和中和器結(jié)構(gòu)參數(shù).研究結(jié)果有助于理解2 cm ECRIT的工作過(guò)程,為提升其性能提供參考.

2 2 cm ECRIT結(jié)構(gòu)及電子獲能的影響因素分析

2.1 2 cm ECRIT結(jié)構(gòu)

2 cm ECRIT由離子源和中和器組成,二者均利用ECR原理加熱電子,產(chǎn)生的高能電子與中性氣體電離并維持等離子體.二者采用相同的放電室結(jié)構(gòu),放電室都主要由磁路、環(huán)形天線和圓柱腔體組成,其中磁路由內(nèi)外環(huán)形永磁體及背部磁軛構(gòu)成,在磁軛位于內(nèi)外磁環(huán)間環(huán)向均布進(jìn)氣孔,如圖1中虛線包圍的區(qū)域.微波能量通過(guò)環(huán)形天線饋入放電室以產(chǎn)生ECR等離子體[28].其中離子源通過(guò)雙柵極引出離子束形成推力,雙柵極由屏柵和加速柵組成,屏柵電位為正,加速柵電位為負(fù),柵極尺寸如表1所列.中和器在外界離子束流正電位作用下引出電子中和離子束,以保證推進(jìn)系統(tǒng)處于電平衡狀態(tài).中和器的電子引出板均布6個(gè)小孔,孔徑為2 mm,分布半徑為5 mm.

圖1 2 cm ECRIT離子源放電室示意圖Fig.1.Schematic diagram of configuration for discharge chamber of 2 cm ECRIT ion source.

表1 柵極結(jié)構(gòu)Table 1.Grid geometry.

天線位置參數(shù)由L1和L2定義,其中L1為天線環(huán)形段上表面與屏柵下表面之間的距離,L2為內(nèi)磁環(huán)上表面與天線環(huán)形段下表面之間的距離,H1表示外磁環(huán)高度,W1表示外磁環(huán)寬度,H2表示內(nèi)磁環(huán)高度,W2表示內(nèi)磁環(huán)寬度.

2.2 2 cm ECRIT磁路與天線位置對(duì)電子獲能的影響分析

放電室內(nèi)電子獲得的微波能量主要發(fā)生在ECR區(qū),獲能公式[29]為

其中 ?B/?s 為磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿磁力線的梯度,E⊥為垂直于磁力線方向的微波電場(chǎng)強(qiáng)度,v//為電子平行磁場(chǎng)的速度,e 為電子電量.由此可見(jiàn)影響電子獲能的主要因素為靜磁場(chǎng)和微波電場(chǎng),為此設(shè)計(jì)四種不同的放電室磁路結(jié)構(gòu)如表2所列.它們與電子引出板可以構(gòu)成四種具有不同磁場(chǎng)分布規(guī)律的中和器,與屏柵和加速柵也構(gòu)成四種具有不同磁場(chǎng)分布規(guī)律的離子源.天線的位置是會(huì)影響微波電場(chǎng)分布,通過(guò)調(diào)節(jié)天線參數(shù)L1和L2來(lái)產(chǎn)生不同的微波電場(chǎng)分布規(guī)律.因而實(shí)驗(yàn)將用具有不同天線位置和磁路結(jié)構(gòu)的離子源和中和器開(kāi)展離子束流和耦合電壓的變化規(guī)律研究.

表2 四種放電室的磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2.The magnetic circuit structure parameters of four discharge chambers.

當(dāng)L1= 2.5 mm與L2= 0.7 mm時(shí),采用COMSOL軟件計(jì)算四種放電室內(nèi)靜磁場(chǎng)和空間分布,計(jì)算結(jié)果如圖2所示.靜磁場(chǎng)和微波電場(chǎng)計(jì)算時(shí)假設(shè)放電室工作環(huán)境為空載條件,即為大氣環(huán)境,不存在等離子體.計(jì)算靜磁場(chǎng)時(shí),參數(shù)設(shè)置：永磁體(釤鈷合金)的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.36；磁軛(軟鐵)的相對(duì)磁導(dǎo)率為4000；空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.靜磁場(chǎng)的求解域?yàn)槲锢砟Ｐ偷乃袇^(qū)域,邊界條件僅需設(shè)置外邊界為零磁標(biāo)量勢(shì)邊界.從圖2中可以看出1號(hào)放電室ECR區(qū)位于天線環(huán)形段下表面,2號(hào)放電室ECR區(qū)與天線環(huán)形段相交,3,4號(hào)放電室ECR區(qū)與天線環(huán)形段上表面的距離逐漸增大.

針對(duì)4號(hào)放電室,固定L2= 0.7 mm,取L1分別為2.1,2.5,2.9 mm,采用COMSOL軟件計(jì)算出微波電場(chǎng)分布規(guī)律,如圖3所示.計(jì)算微波電場(chǎng)時(shí),參數(shù)設(shè)置：壁面(不銹鋼)的相對(duì)介電常數(shù)為1,電導(dǎo)率為4×106；天線(銅)的相對(duì)介電常數(shù)為1,電導(dǎo)率為6×107；空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1,電導(dǎo)率為0 S/m.微波電場(chǎng)的求解域?yàn)榉烹娛覅^(qū)域,邊界條件僅需設(shè)置微波輸入端口邊界,輸入端口類型設(shè)置為同軸,輸入功率設(shè)為2 W.從圖3中可以發(fā)現(xiàn)L1的細(xì)微變化對(duì)微波電場(chǎng)強(qiáng)度E的影響較小,并根據(jù) (1) 式可知L1的增加對(duì)電子獲能影響較小.但是從磁力線分布可以發(fā)現(xiàn)隨著L1增加,更多磁力線與腔體壁面相交從而造成更多的粒子損失.

基于COMSOL計(jì)算得到的靜磁場(chǎng)與微波電場(chǎng)分布,采用Matlab軟件編程計(jì)算不同磁路下電子獲能參數(shù).由于只有E⊥和 ?B/?s 影響電子獲能,所以這里定義電子獲能指標(biāo)為其分布如圖4所示.從圖4中可以看出獲能主要集中在天線的環(huán)形段附近.雖然1,2,3號(hào)放電室內(nèi)存在極小區(qū)域的獲能指標(biāo)最大值超過(guò)了5×106V2/(T·m),但4號(hào)放電室的電子獲能整體分布更均勻.雖然3號(hào)放電室ECR區(qū)更靠近天線環(huán)形段,其獲能指標(biāo)高于4號(hào)放電室.但由于高能電子沿磁力線遷移,根據(jù)ECR區(qū)與天線位置關(guān)系可估計(jì)損失大小為1號(hào)放電室 ＞ 2號(hào)放電室 ＞ 3號(hào)放電室 ＞ 4號(hào)放電室.所以可推測(cè)4號(hào)放電室對(duì)電子加熱效果最佳.

圖2 放電室內(nèi)磁場(chǎng)分布 (a) 1號(hào)放電室；(b) 2號(hào)放電室；(c) 3號(hào)放電室；(d) 4號(hào)放電室Fig.2.Distribution of magnetic flux density inside of the discharge chambers：(a) Chamber 1；(b) chamber 2；(c) chamber 3；(d) chamber 4.

圖3 不同天線位置下4號(hào)放電室內(nèi)微波電場(chǎng)分布 (a) L1= 2.1 mm,L2= 0.7 mm；(b) L1= 2.5 mm,L2= 0.7 mm；(c) L1=2.9 mm,L2= 0.7 mmFig.3.Distribution of microwave electric field intensity inside of discharge chamber 4：(a) L1= 2.1 mm,L2= 0.7 mm；(b) L1=2.5 mm,L2= 0.7 mm；(c) L1= 2.9 mm,L2= 0.7 mm.

圖4 不同放電室在ECR區(qū)的電子獲能指標(biāo)分布 (a) 1號(hào)；(b) 2號(hào)；(c) 3號(hào)；(d) 4號(hào)Fig.4.Distribution of electron heating index in ECR layer of different discharge chambers：(a) Chamber 1；(b) chamber 2；(c) chamber 3；(d) chamber 4.

2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

推力器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示,由真空艙、柵極電源、中和器電源、氣體傳輸線路、微波源和微波傳輸線路組成.兩套微波源分別輸出4.2 GHz的微波能并通過(guò)環(huán)形器、同軸線纜、微波隔直器輸入到離子源和中和器,環(huán)形器反射波出口處的功率計(jì)用于測(cè)量反射微波功率.微波隔直器用于隔離直流電,氣路隔直器用于推力器與外界的電絕緣.離子源在中和器協(xié)同工作下進(jìn)行束流引出時(shí),中和器引出的電子電流應(yīng)該等于離子源引出的離子電流,離子羽流才被完全中和,此時(shí)施加在中和器殼體上的電勢(shì)為負(fù),地與中和器電勢(shì)之差為耦合電壓Up1.實(shí)驗(yàn)時(shí)屏柵電壓為1500 V,加速柵電壓為—350 V,引出的離子束流Ib為屏柵電流Is減去加速柵電流Ia.離子源束流單獨(dú)引出的實(shí)驗(yàn)連接線路同圖5,此時(shí)中和器不工作.但是離子源正前方5 cm處安裝接地的金屬板,金屬板在高速離子束作用下發(fā)射二次電子從而中和離子束流.中和器束流單獨(dú)引出實(shí)驗(yàn)的連接線路同圖5,此時(shí)離子源不工作.但中和器正前方5 mm處安放金屬板與中和器電源正極連接,中和器殼體接地,金屬板與中和器之間的電勢(shì)差為電子引出電壓Up2.實(shí)驗(yàn)時(shí),金屬板收集到的電流為引出的電子束流.所有實(shí)驗(yàn)都采用氙工質(zhì).實(shí)驗(yàn)中易存在的測(cè)量誤差以及減小誤差的措施如下.

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.5.Schematic of the experimental system.

1)微波功率的測(cè)量.由于調(diào)節(jié)微波增大或減小時(shí),個(gè)人習(xí)慣會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)偏高或偏低,實(shí)驗(yàn)前需對(duì)微波源進(jìn)行多次標(biāo)定,取算術(shù)平均值來(lái)減小誤差.實(shí)驗(yàn)時(shí),由于測(cè)量束流引出時(shí),等離子體內(nèi)部存在波動(dòng)性,這會(huì)導(dǎo)致反射功率出現(xiàn)0.5%的波動(dòng),雖然波動(dòng)很小,但仍需要會(huì)記錄多組數(shù)據(jù),并取算術(shù)平均值來(lái)減小誤差.同時(shí),為了防止微波源長(zhǎng)時(shí)間工作后微波傳輸發(fā)生變化,第二天實(shí)驗(yàn)前仍會(huì)進(jìn)行重新標(biāo)定.

2)引出離子束流的測(cè)量.同上可知,引出束流時(shí)內(nèi)部等離子體存在波動(dòng),引出束流的測(cè)量值會(huì)出現(xiàn)1%左右的波動(dòng),采取記錄多組數(shù)據(jù)后取算術(shù)平均值來(lái)減小誤差.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同磁路和天線位置的離子源束流引出實(shí)驗(yàn)

保持天線位置參數(shù)不變,取L1= 2.5 mm,L2=0.7 mm,采用同樣結(jié)構(gòu)的柵極結(jié)構(gòu),利用表2給出的四種放電室結(jié)構(gòu)形成四種離子源用于實(shí)驗(yàn)研究磁路結(jié)構(gòu)對(duì)離子源性能的影響.離子源獨(dú)立工作時(shí),入射功率Pi為2—3 W、氣體流量q 為0.1—0.3 sccm(1 sccm = 1 mL/min),不同磁路下離子源離子束流引出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.可知不同功率下,引出的離子束流與推進(jìn)劑流量呈正相關(guān),1號(hào)離子源的束流明顯低于其他三種離子源.功率2 W、流量增加時(shí),4號(hào)離子源束流逐漸大于其他三種離子源,2,3號(hào)離子源的離子束流逐漸大于1號(hào)離子源.功率3 W時(shí),流量增加,1號(hào)離子源的離子束流最低,3,4號(hào)離子源的離子束流都高于2號(hào)離子源,3號(hào)離子源的離子束流逐漸大于4號(hào)離子源.

圖6 固定天線位置下四種離子源引出的離子束流Fig.6.Ion beam current of four ion sources at fixed antenna position.

在2.2節(jié)中可知4號(hào)源的電子獲能較優(yōu),而且?guī)щ娏Ｗ訐p失最小,故4號(hào)源引出效果優(yōu)于1,2,3號(hào)源.但也存在意外情況：當(dāng)功率為3 W,流量大于0.2 sccm時(shí),3號(hào)源引出束流卻高于4號(hào)源.雖然與4號(hào)源相比,3號(hào)源ECR區(qū)整體電子獲能分布較差,帶電粒子損失較大,但3號(hào)源在天線環(huán)形段附近的ECR區(qū)電子獲能高于4號(hào)源,相同流量下且ECR區(qū)附近中性原子密度高于4號(hào)源.故功率為3 W,流量大于0.2 sccm時(shí),3號(hào)源電離產(chǎn)生的離子遠(yuǎn)多于損失的離子,從而其引出束流高于4號(hào)源.

圖7 不同的天線位置下4號(hào)離子源的離子束流引出實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a) L1= 2.1 mm,L2= 0.7 mm；(b) L1= 2.5 mm,L2=0.7 mm；(c) L1= 2.9 mm,L2= 0.7 mmFig.7.Ion beam current of ion source 4 at different antenna position：(a) L1= 2.1 mm,L2= 0.7 mm；(b) L1=2.5 mm,L2= 0.7 mm；(c) L1= 2.9 mm,L2= 0.7 mm.

針對(duì)功率為2 W時(shí),束流引出性能較好的4號(hào)離子源,固定L2= 0.7 mm,實(shí)驗(yàn)研究L1對(duì)引出束流的影響.圖7為其實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出,引出離子束流與流量、微波輸入功率成正相關(guān).在功率和流量變化范圍內(nèi),4號(hào)離子源的離子束流隨L1先增加后減小,L1= 2.5 mm時(shí)束流最高.其原因是天線位置參數(shù)L1代表了離子源內(nèi)部放電容積,L1過(guò)短,狹小的放電空間使高能電子與內(nèi)壁面碰撞損失速率遠(yuǎn)大于與中性原子碰撞電離速率,造成大部分能量損失,導(dǎo)致束流降低；另外,根據(jù)前述分析,L1增加,電子在遷移擴(kuò)散到柵極的過(guò)程中損失更多,從而導(dǎo)致引出的離子束流減小.文獻(xiàn)[26]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了過(guò)大或過(guò)小的放電容積會(huì)影響束流引出.由此可見(jiàn),L1= 2.5 mm時(shí),引出的離子束流最大.

綜上可知,功率、流量、磁路和天線位置都會(huì)影響離子源的束流引出.引出束流隨功率、流量的增加而增加.磁路是影響源內(nèi)電子獲能高低和等離子體分布的重要因素,而在相同功率、流量和磁路下,天線位置是影響帶電粒子的損失的重要因素.故改進(jìn)磁路和天線位置是提高離子源性能最直接的方式.

3.2 中和器獨(dú)立工作時(shí)電子引出電壓的變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)

根據(jù)離子源實(shí)驗(yàn)情況,確定中和器給定的引出電子電流為4 mA.在此條件下以電子引出電壓Up2最低為目標(biāo),通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,確定出合理的放電室磁路結(jié)構(gòu)、天線位置以及工作參數(shù).確定此實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是因?yàn)橹泻推鳘?dú)立工作時(shí)Up2越低,則當(dāng)中和器與離子源協(xié)同工作時(shí),耦合電壓Up1越低,壁面鞘層電勢(shì)差越低,由此能緩解中和器壁面的離子濺射并提升其可靠性與壽命[28].

保持天線位置不變,取L1= 3.5 mm,L2=0.7 mm,采用同樣結(jié)構(gòu)的電子引出孔板,利用表2給出的四種放電室結(jié)構(gòu)形成四種中和器用于實(shí)驗(yàn)研究磁路結(jié)構(gòu)對(duì)中和器Up2的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.可以看出,中和器的Up2都隨Ie的增加而增加.在相同流量下,功率越高,中和器引出相同的Ie所需Up2越低,反映出功率較高產(chǎn)生的等離子體密度高,中和器Up2低.在相同功率下,流量增加,中和器引出相同Ie所需Up2略微降低.文獻(xiàn)[27]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了功率和流量與引出電壓呈負(fù)相關(guān).在微波輸入功率和流量的全部范圍內(nèi),2號(hào)中和器引出相同Ie的Up2均低于其他中和器.與1,2號(hào)中和器相比,3,4號(hào)中和器的ECR區(qū)距離電子引出板較近,當(dāng)?shù)入x子體向引出板擴(kuò)散時(shí),部分高能電子未發(fā)生電離碰撞便被引出,導(dǎo)致放電室內(nèi)等離子體密度較低；同時(shí)3,4號(hào)中和器距離進(jìn)氣孔較遠(yuǎn),在相同流量下ECR區(qū)附近的中性原子密度低,導(dǎo)致電離頻率和等離子體密度低,因而引出相同的Ie所需Up2高.而1號(hào)中和器獲能效果不如2號(hào)中和器,且粒子損失較大,故在相同功率、流量下,2號(hào)中和器內(nèi)能產(chǎn)生較高的等離子體密度,從而引出相同的電子束流所需的電子引出電壓低.

圖8 電子引出電壓隨電子束流的變化 (a) 1號(hào)中和器；(b) 2號(hào)中和器；(c) 3號(hào)中和器；(d) 4號(hào)中和器Fig.8.Voltage for electron extraction vs.electron beam current from different neutralizers：(a) No.1；(b) No.2；(c) No.3；(d) No.4.

根據(jù)圖8,在L2= 0.7 mm和微波輸入功率1 W條件下,選擇電子引出電壓Up2較低的2號(hào)中和器,進(jìn)行天線位置參數(shù)L1和流量工作參數(shù)對(duì)Up2影響的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.從圖9可以看出,L1相同時(shí)2號(hào)中和器引出相同Ie所需的Up2隨著流量增加而略微降低.原因是L1相同條件下,流量增加即放電室內(nèi)中性原子增多,從而電子與原子碰撞頻率增大,生成的等離子體密度增大,故引出相同Ie所需的Up2降低；但當(dāng)流量大于0.2 sccm時(shí),由于微波功率為1 W,ECR區(qū)加熱的高能電子與中性原子碰撞電離趨于飽和,故引出相同Ie所需的Up2變化不明顯.當(dāng)流量相同時(shí),隨著L1增大,引出相同Ie所需Up2降低.分析原因是L1減小時(shí),相同流量下,L1越小放電室內(nèi)氣體壓強(qiáng)越大,電子與原子之間發(fā)生的碰撞頻率更高,從而破壞了電子的ECR加熱過(guò)程,導(dǎo)致等離子體密度降低,引出的電子束流受限.但當(dāng)推進(jìn)劑流量為0.1 sccm和引出的電子束流為4 mA時(shí),Up2值分別為58,162.9和27.4 V,即隨L1先增加后減小.其原因是L1尺寸的增加會(huì)導(dǎo)致電子在壁面上的損失增加,但又有利于降低電子-原子碰撞頻率,使電子能獲得足夠的能量發(fā)生電離碰撞.故當(dāng)L1增加至4.3 mm時(shí),電子與原子的碰撞頻率合理,電子在ECR區(qū)能夠充分獲得微波能量,形成較高密度的等離子體從而降低電子引出電壓.

圖9 不同L1尺寸下2號(hào)中和器在Pi= 1 W時(shí)的電子引出結(jié)果Fig.9.Electron extraction results of neutralizer 2 with different L1 at Pi= 1 W.

綜上可知,功率、流量、磁路和天線位置都會(huì)影響中和器的電子引出電壓.引出壓隨功率、流量的增加而減小.磁路對(duì)中和器的影響與離子源不同,因?yàn)橹泻推鲀?nèi)部等離子體會(huì)受引出板電壓的影響,ECR區(qū)與引出板距離過(guò)近,會(huì)導(dǎo)致高能電子未電離就損耗,從而影響中和器的引出電壓.天線位置會(huì)影響帶電粒子的壁面損失和電離頻率,只有當(dāng)電子與原子的碰撞頻率和粒子損失都合理時(shí),中和器內(nèi)等離子體密度高,從而降低電子的引出電壓.

3.3 離子源和中和器協(xié)同工作性能實(shí)驗(yàn)

根據(jù)離子源和中和器的磁路和天線位置優(yōu)化結(jié)果,選擇L1= 2.5 mm,L2= 0.7 mm的4號(hào)離子源,L1= 4.3 mm,L2= 0.7 mm的2號(hào)中和器進(jìn)行中和實(shí)驗(yàn)研究.中和器工作參數(shù)固定為輸入功率1 W、流量0.1 sccm,圖10為離子源在2 W和3 W以及不同流量下完全中和時(shí)引出的束流實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖11為離子束完全中和時(shí)中和器耦合電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果.對(duì)比圖10和圖7 (b),可以發(fā)現(xiàn)離子束中和時(shí)的離子源引出束流有所提高,但低流量下差別不大.文獻(xiàn)[30]實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了有無(wú)中和器工作對(duì)離子源引出束流影響甚微.圖11表明離子束流完全中和時(shí),中和器所需的耦合電壓Up1為12.0—17.4 V,比單獨(dú)中和器引出相同電流所需的引出電壓Up2低,這是因?yàn)檎妱?shì)的離子束使電子容易引出,從而降低了中和器所需的耦合電壓.

圖10 中和時(shí)引出離子束流變化規(guī)律Fig.10.Ion beam current at the neutralization state.

圖11 中和時(shí)中和器耦合電壓變化規(guī)律Fig.11.The coupling voltage of neutralizer at the neutralization state.

3.4 推力器最優(yōu)結(jié)構(gòu)性能計(jì)算

假設(shè)氙原子只進(jìn)行一次電離,2 cm ECRIT的推力T、放電損耗εb、推進(jìn)劑利用率ηm和比沖Isp由下式計(jì)算[28]：

其中Ub,Pi,Pr,M,和g 分別是離子加速電壓、微波入射功率、反射功率、氙原子質(zhì)量、Xe氣質(zhì)量流量和重力加速度；為修正參數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.98(假離子束流發(fā)散半角為5度,含有5%的二價(jià)離子).根據(jù)3.3節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算最優(yōu)結(jié)構(gòu)的中和器和離子源協(xié)同工作下的性能參數(shù).即,在中和器Pi=1 W,q = 0.1 sccm時(shí),離子源在Pi= 2 W,q =0.2 sccm條件下,Ib= 4.53 mA,計(jì)算得到T=315.3 μN(yùn),εb= 407.1 W/A,ηm= 31.63%,Isp=1639.1 s；離子源在Pi= 2 W,q = 0.3 sccm條件下,Ib= 5.3 mA,計(jì)算得到T= 368.6 μN(yùn),εb=337.5 W/A,ηm= 24.7%,Isp= 1277.6 s.

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究了磁路結(jié)構(gòu)以及天線位置對(duì)2 cm ECRIT離子源引出束流和中和器耦合電壓的影響,并獲得了結(jié)構(gòu)最優(yōu)的離子源和中和器,實(shí)驗(yàn)分析了中和器協(xié)同工作條件下的離子源引出束流特征,獲得了結(jié)構(gòu)最優(yōu)2 cm ECRIT的性能,結(jié)論如下.

1) 離子源ECR區(qū)位置影響離子束流的引出.當(dāng)ECR區(qū)高于天線環(huán)形段上表面,電子獲能高并且?guī)щ娏Ｗ訐p失少,離子源能夠引出最大的離子束流.對(duì)于中和器,若ECR區(qū)低于天線環(huán)形段表面,高能電子在天線表面的損失過(guò)大,形成的等離子體密度低,從而使電子引出效果不佳；若ECR區(qū)高于天線環(huán)形段表面,ECR區(qū)附近的中性原子密度低以及部分高能電子未與中性原子發(fā)生電離碰撞便被引出,使得等離子體密度低從而使電子引出效果差.

2) 固定的磁路結(jié)構(gòu)與天線參數(shù)L2= 0.7 mm時(shí),離子源存在一個(gè)最佳天線位置參數(shù)L1=2.5 mm,使得離子束流引出效果最優(yōu).L1過(guò)短會(huì)導(dǎo)致引出的離子束流減小,L1過(guò)長(zhǎng)會(huì)使得離子損失增加從而減小引出的離子束流.同樣,中和器也存在一個(gè)最佳參數(shù)L1= 4.3 mm使得電子束流引出效果更好.

3) 隨功率增加,離子源引出束流增加、中和器電子引出電壓降低.在不同功率下,中和器以及離子源引出束流與流量呈正相關(guān).優(yōu)化的中和器與離子源協(xié)同工作實(shí)驗(yàn)表明離子源引出束流略高于無(wú)中和器情況,并且中和器引出相同的電子束流時(shí)所需的電壓降低.

4) 中和器輸入功率和流量為1 W,0.1 sccm,離子源輸入功率和流量為2 W,0.3 sccm時(shí),推力器引出離子束流5.3 mA,推力和比沖分別為368.6 μN(yùn)和1277.6 s,推進(jìn)劑放電損耗和利用率分別為337.5 W/A和24.7%,中和器所需的耦合電壓為17.4 V.