10 cm ECR中和器性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

孟海波，楊 涓，黃文斌，夏 旭，付瑜亮，胡 展

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072)

0 引 言

隨著人類對太空的不斷探索，新的空間飛行任務(wù)對空間推進(jìn)技術(shù)的要求不斷提高，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)將不再滿足任務(wù)需求。相比之下，電推進(jìn)裝置具有高比沖、長壽命、高控制精度等優(yōu)勢，能夠滿足未來飛行成本低、運(yùn)行壽命長、飛行距離遠(yuǎn)等任務(wù)要求。在眾多的電推力器中，電子回旋共振(Electron cyclotron resonance, ECR)離子推力器[1-2]因其具有結(jié)構(gòu)簡單、無燒蝕陰極以及易于小型化等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到航天工作者的關(guān)注。目前，日本的ECR離子推進(jìn)技術(shù)研究最為成熟，其分別于2003年和2014年將10 cm ECR離子推進(jìn)系統(tǒng)成功應(yīng)用在隼鳥號(hào)和隼鳥2號(hào)探測器上[3-6]。西北工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)最先開展ECR離子推力器研究的單位，也取得了一定的成果，現(xiàn)已成功研制出了放電室直徑分別為2 cm和10 cm的ECR離子推力器樣機(jī)[7-11]。就10 cm ECR離子推力器樣機(jī)而言，其離子源的束流引出大小均能達(dá)到百毫安量級(jí)，而ECR中和器的束流引出性能仍需要進(jìn)一步研究。

本文將在現(xiàn)有ECR中和器的基礎(chǔ)上，采用束流引出實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的手段，對中和器結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)，分析中和器結(jié)構(gòu)對放電室內(nèi)電磁場分布規(guī)律的影響以及中和器結(jié)構(gòu)與束流引出性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，達(dá)到顯著提高ECR中和器束流引出性能的效果，為后續(xù)ECR離子推力器的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 ECR中和器結(jié)構(gòu)與分析

現(xiàn)有ECR中和器采用的微波頻率為4.2 GHz，其放電室結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由微波接頭、L型天線、前磁軛、后磁軛、磁塊以及電子引出板組成。微波接頭與天線用于饋入微波并在放電室內(nèi)形成一定的微波電場分布；前、后磁軛與磁塊共同構(gòu)成磁路，并在放電室內(nèi)形成一定的靜磁場分布；電子引出板用于限制中性氣體的流出，維持放電室內(nèi)氣壓并引出電子。

圖1 現(xiàn)有ECR中和器放電室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of existing ECR neutralizer discharge chamber

結(jié)合前期計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]發(fā)現(xiàn)中和器的靜磁場與高頻微波電場分布規(guī)律以及電子引出板結(jié)構(gòu)不是十分合理。為此對現(xiàn)有ECR中和器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)ECR中和器放電室結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如下所述。

圖2 改進(jìn)ECR中和器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of optimized ECR neutralizer discharge chamber

減少后磁軛厚度及后磁軛內(nèi)徑以控制ECR區(qū)在合理的位置，從而間接控制等離子體高密度區(qū)向軸線靠近，減小磁場對電子的束縛，更有利于電子引出。改進(jìn)后的后磁軛厚度h1為h11，內(nèi)徑d1選取為d11，d12，d13，d14。

采用兩種不同放電位置的天線結(jié)構(gòu)，并調(diào)整天線軸向與徑向長度以獲得合理的放電間隙以及微波電場分布。具體結(jié)構(gòu)為徑向間隙放電天線軸向長度L1為L11，L12，徑向長度L2為L21；軸向間隙放電天線軸向長度L1為L13，徑向長度為L2為L22，L23。

通過調(diào)控電子引出板的結(jié)構(gòu)尺寸，從而實(shí)現(xiàn)電子引出距離的調(diào)控，減少了電子在引出過程中的損失。改進(jìn)后引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2為d21，d22，d23，d24，臺(tái)階厚度h2為h21，h22，h23，h24，引出孔直徑d3為d31，d32，d33，d34，d35。

2 中和器結(jié)構(gòu)對束流引出性能的影響實(shí)驗(yàn)

采用ECR中和器束流引出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[12]，對改進(jìn)結(jié)構(gòu)中和器開展束流引出性能實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證改進(jìn)思路的正確性?？紤]ECR中和器的工作穩(wěn)定性以及方便與現(xiàn)有數(shù)據(jù)做對比，選取實(shí)驗(yàn)工作參數(shù)為微波功率P=8 W，氙氣氣體流量q=1 sccm。收集板與引出板間距為5 mm，間距過小容易引起板間放電異常，間距過大會(huì)導(dǎo)致外加電場效果不明顯，不利于電子引出。

2.1 后磁軛結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

圖3 不同后磁軛結(jié)構(gòu)中和器束流引出對比圖Fig.3 Comparison diagram of beam extraction in different back yoke structures

實(shí)驗(yàn)引出板結(jié)構(gòu)為d2=d1，h2=h22，d3=d33，采用徑向間隙放電天線且L1=L11，進(jìn)行不同磁軛結(jié)構(gòu)的中和器放電及束流引出實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，當(dāng)后磁軛內(nèi)徑d1≥d13時(shí)，隨著后磁軛內(nèi)徑d1的減小，相同引出電壓條件下中和器引出的電子束流增加。這是由于當(dāng)后磁軛內(nèi)徑d1減小時(shí)，前后磁軛形成的ECR區(qū)越大且ECR區(qū)越靠近軸線，使得等離子體高密度區(qū)位置向軸線靠近，電子引出過程中受磁場束縛小，更容易從引出孔引出。當(dāng)后磁軛內(nèi)徑d1=d14時(shí)，中和器引出的電子束流反而減小，并且突變電壓明顯高于其他三種情況。分析認(rèn)為，當(dāng)d1=d14時(shí)，中和器放電室內(nèi)形成的等離子體密度低，導(dǎo)致突變性能較差。此外，由于后磁軛內(nèi)徑過于小，大量的電子在引出過程中打到后磁軛內(nèi)壁面上，導(dǎo)致電子損失加劇，因而在相同引出電壓下，中和器引出的電子束流隨之下降。

以上實(shí)驗(yàn)規(guī)律驗(yàn)證了中和器放電室內(nèi)ECR區(qū)位置改進(jìn)思路的正確性，表明了調(diào)控ECR區(qū)的位置能夠間接控制等離子體高密度區(qū)位置。實(shí)驗(yàn)得到d1=d13時(shí)，中和器束流引出性能更好。

2.2 天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

以后磁軛內(nèi)徑d1=d13，引出板結(jié)構(gòu)為d2=d23，h2=h22，d3=d33為固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同天線結(jié)構(gòu)中和器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，分析發(fā)現(xiàn)，采用徑向間隙放電的天線時(shí)，天線軸向長度L1越短，中和器在高引出電壓下引出的電子束流更高。原因在于軸向長度L1越短，天線離ECR區(qū)越近，電子更易吸收微波能量，所以該天線結(jié)構(gòu)下中和器引出的電子束流更高。采用軸向間隙放電的天線，天線徑向長度越長，中和器在相同引出電壓下引出的電子束流更低。原因在于徑向長度L2越短，電子獲能越高且在天線表面的碰撞損失越小，所以相同引出電壓條件下中和器引出的電子束流更高。比較兩種放電方式條件下的中和器束流引出特征，可以看出在引出電壓低于60 V時(shí)，采用徑向間隙放電天線的中和器電子束流引出性能更好。而在高引出電壓條件下，采用軸向間隙放電天線的中和器引出的電子束流更高。

圖4 不同天線結(jié)構(gòu)中和器束流引出對比圖Fig.4 Comparison diagram of beam extraction in different antenna structures

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，天線結(jié)構(gòu)為L1=L13，L2=L22時(shí)，中和器雖然引出電子束流最高，但是其啟動(dòng)重復(fù)性較差，甚至在大概率情況下無法實(shí)現(xiàn)重復(fù)啟動(dòng)。綜合考慮，采用徑向間隙放電天線，且天線結(jié)構(gòu)為L1=L12，L2=L21時(shí)，中和器束流引出性能更優(yōu)。

2.3 引出板結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

以后磁軛內(nèi)徑d1=d13，天線尺寸L1=L12，L2=L21為固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同引出板結(jié)構(gòu)中和器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用的電子引出板可優(yōu)化參數(shù)為引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2、臺(tái)階厚度h2和引出孔直徑d3。

2.3.1不同臺(tái)階內(nèi)徑的中和器對比實(shí)驗(yàn)

固定引出板臺(tái)階厚度h2=h22，引出孔直徑d3=d33，開展不同臺(tái)階內(nèi)徑的中和器放電及束流實(shí)驗(yàn)。由圖5可知，當(dāng)引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2與后磁軛內(nèi)徑d1相同時(shí)，中和器在低引出電壓條件下，引出的電子束流更高。而在高引出電壓下，d2=d24與d2=d23兩種引出板結(jié)構(gòu)下的中和器束流引出性能差異不大。原因在于低引出電壓條件下，臺(tái)階內(nèi)徑越小，越多的電子在向引出孔遷移過程中損失在引出板臺(tái)階內(nèi)表面上。綜合考慮，引出板臺(tái)階內(nèi)徑保持與后磁軛內(nèi)徑一致，中和器整體性能更好。

圖5 不同臺(tái)階內(nèi)徑中和器束流引出對比圖Fig.5 Comparison diagram of beam extraction in different step inner diameters

圖6 不同臺(tái)階厚度中和器束流引出對比圖Fig.6 Comparison diagram of beam extraction in different step thickness

2.3.2不同臺(tái)階厚度的中和器對比實(shí)驗(yàn)

固定引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2=d23，引出孔直徑d3=d33，開展不同臺(tái)階厚度的中和器放電及束流引出實(shí)驗(yàn)。從圖6可以看出，當(dāng)h2=h21時(shí)，中和器引出電子束流均處于較低水平。當(dāng)h2>h21時(shí)，在高引出電壓條件下，中和器電子束流引出性能相當(dāng)，但是在低引出電壓條件下，h2=h22時(shí)的中和器引出的電子束流最大。這是因?yàn)楫?dāng)臺(tái)階厚度低于一定值時(shí)，等離子體高密度區(qū)到引出孔間的距離就過小，電子還未運(yùn)動(dòng)至軸線附近就已經(jīng)損失在引出孔周圍的內(nèi)表面上。綜上，當(dāng)引出板臺(tái)階厚度h2=h22時(shí)，中和器性能更好。

2.3.3不同引出孔徑的中和器對比實(shí)驗(yàn)

固定引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2=d23，臺(tái)階厚度h2=h22，開展不同引出孔直徑的中和器放電及束流實(shí)驗(yàn)。由圖7可知，當(dāng)d3=d33時(shí)，無論多大的引出電壓，中和器引出的電子束流均最大。當(dāng)d3d33時(shí)，中和器引出的電子束流略高于小孔徑中和器引出的電子束流，但還是處于較低水平?？讖竭^大，雖然有利于電子的引出，同時(shí)也會(huì)引起大量中性氣體的流失，導(dǎo)致中和器放電室內(nèi)形成的等離子體密度不高，從而不利于中和器引出較高的電子束流。因此，當(dāng)引出孔直徑d3=d33時(shí)，中和器的整體性能更好。

圖7 不同引出孔直徑中和器束流引出對比圖Fig.7 Comparison diagram of beam extraction in different diameters of the extraction hole

3 最優(yōu)結(jié)構(gòu)中和器性能實(shí)驗(yàn)

得到中和器最佳結(jié)構(gòu)后，還需對其開展不同工作參數(shù)下的性能實(shí)驗(yàn)，以獲得該結(jié)構(gòu)中和器的電子束流引出規(guī)律以及最佳的工作和性能參數(shù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中收集板與引出板間距仍為5 mm。

3.1 不同氣體流量實(shí)驗(yàn)

不同流量下中和器束流引出結(jié)果如圖8所示，可以看出氣體流量越小，中和器引出的電子束流更高，推進(jìn)劑利用率明顯上升，放電損耗也有所下降。分析認(rèn)為氣體流量增加，中和器放電室內(nèi)的中性氣體增加，電子還未獲得足夠使中性氣體電離的微波能時(shí)就與中性氣體碰撞，使得能量損失掉而未能使中性氣體電離，最終導(dǎo)致中性氣體的實(shí)際電離率較小，從而引起上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)q=0.5 sccm時(shí)，中和器的最高氣體利用率高達(dá)4.3，在50～100 V的引出電壓條件下放電損耗維持在130～150 W·A-1之間。此外，氣體流量升高，中和器突變電壓有所降低，但是突變電流不大。當(dāng)q=0.5 sccm時(shí)，中和器在50 V的突變電壓下的突變電流高達(dá)96 mA，且在100 V引出電壓條件下引出155 mA的電子束流，明顯優(yōu)于其他兩種流量下的中和器束流引出情況。

圖8 不同流量下中和器性能對比圖Fig.8 Performance comparison diagram of neutralizer under different flow rates

實(shí)驗(yàn)中還嘗試將氣體流量繼續(xù)減小，但是中和器工作狀態(tài)并不理想。當(dāng)q<0.5 sccm時(shí)，在束流引出狀態(tài)下中和器工作狀態(tài)極不穩(wěn)定，并且隨著引出電壓的上升，中和器還經(jīng)常出現(xiàn)突然停止工作的現(xiàn)象。因此，通過該部分實(shí)驗(yàn)得到，同等條件下中和器引出的電子束流大小與氣體流量并不成正比，而是有一個(gè)合理流量值。

3.2 不同微波功率實(shí)驗(yàn)

不同微波功率下中和器束流引出結(jié)果如圖9所示，可以看出輸入的微波功率越高，在相同引出電壓下中和器引出的電子束流更高，相應(yīng)的推進(jìn)劑利用率更高，放電損耗更低。這一規(guī)律符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期，微波功率越高，意味著中和器放電室內(nèi)的電子可獲得的微波能量越高，更多的高能電子大大提高了中性氣體電離率，產(chǎn)生了高密度的等離子體，所以中和器的電子束流引出性能明顯隨微波功率的增加而得到改善。此外，當(dāng)微波功率變化時(shí)，中和器突變電壓不變，而突變電流隨功率的增加而升高。當(dāng)P=6 W時(shí)，中和器在100 V引出電壓下只能引出92 mA的電子束流，已經(jīng)不能滿足離子源性能的需求；當(dāng)P=10 W時(shí)，中和器在50 V突變電壓下突變電流已達(dá)到127 mA，此時(shí)的中和器束流引出性能已基本滿足離子源的需求。

圖9 不同微波功率下中和器性能對比圖Fig.9 Performance comparison diagram of neutralizer under different microwave power

實(shí)驗(yàn)中還嘗試將微波功率繼續(xù)減小或增加，當(dāng)功率減小時(shí)，中和器也會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定甚至突然熄滅的情況。分析認(rèn)為氣體流量低于0.5 sccm時(shí)，放電室內(nèi)中性氣體密度較低，高能電子與中性氣體的碰撞不劇烈，導(dǎo)致生成的等離子體密度低，無法維持中和器持續(xù)處于電子引出工作狀態(tài)。當(dāng)功率繼續(xù)增加時(shí)，中和器引出的電子束流還能提升，但是高微波功率容易損壞微波接頭及線纜的連接段，因此沒有做過高功率條件下的性能測試。

3.3 ECR中和器束流引出性能對比

結(jié)合文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，ECR中和器改進(jìn)前后束流引出性能對比如圖10所示。從圖10可以看出，改進(jìn)ECR中和器工作狀態(tài)發(fā)生突變后，相同條件下引出的電子束流明顯高于改進(jìn)前。當(dāng)引出電壓為100 V時(shí)，改進(jìn)中和器能引出129 mA電子束流，相比于改進(jìn)前提升了近50%，對比結(jié)果說明了控制ECR區(qū)靠近軸線、優(yōu)化天線尺寸以及調(diào)控電子引出距離有利于改善ECR中和器的束流引出性能。

參考文獻(xiàn)[13]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)后ECR中和器與國外中和器束流引出性能對比如圖11所示。圖中可得國外中和器突變性能更好，在更低的突變電壓下引出的電子束流更高，表明本文研究的ECR中和器性能還有一定的上升空間。分析認(rèn)為性能差異產(chǎn)生的原因主要與放電室內(nèi)等離子體密度有關(guān)，改進(jìn)中和器放電室中等離子密度低于國外中和器，導(dǎo)致離子與壁面電子的復(fù)合以及二次電子的產(chǎn)生不劇烈，使得補(bǔ)充電子不足，導(dǎo)致改進(jìn)中和器最終引出的電子束流較小。

圖10 改進(jìn)前后中和器性能對比圖Fig.10 Performance comparison diagram of neutralizer before and after improvement

圖11 改進(jìn)后中和器與國外中和器性能對比圖Fig.11 Performance comparison diagram of improved neutralizer and foreign neutralizer

3.4 最佳工作參數(shù)和性能

就ECR中和器而言，其束流引出性能好壞由工作參數(shù)和性能參數(shù)共同決定。氣體流量以及微波功率越低，相同引出電壓條件下中和器引出的電子束流越高，中和器束流引出性能越好，此時(shí)中和器推進(jìn)劑利用率越高，放電損耗越低。

通過上述不同流量及微波功率的性能實(shí)驗(yàn)，得到中和器的合理氣體流量值為0.5 sccm。對于微波功率，雖然希望其越低越好，但中和器在低微波功率下性能表現(xiàn)不理想，適度增加微波功率可以使得中和器引出的電子束流大幅提高，極大降低放電損耗。因此，綜合考慮，最終確定中和器的最佳工作與性能參數(shù)點(diǎn)為：當(dāng)微波功率P=10 W，氙氣流量q=0.5 sccm，收集板間距為5 mm時(shí)，中和器突變電壓為50 V，突變電流127 mA，在100 V引出電壓下能引出電子束流219 mA，氣體利用率為6.1，放電損耗為145.6 W·A-1。

4 結(jié) 論

本文開展了ECR中和器束流引出對比實(shí)驗(yàn)，對中和器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了中和器的電子束流引出性能。主要結(jié)論如下：

1)后磁軛內(nèi)徑越小，ECR區(qū)向軸線偏移，等離子體高密度區(qū)也越向軸向靠近；后磁軛內(nèi)徑過大電子引出困難，內(nèi)徑過小，電子在后磁軛內(nèi)表面損失加劇。

2)徑向間隙放電天線的軸向長度越長或軸向間隙放電天線的徑向長度越長，中和器啟動(dòng)越容易，但引出束流越低。兩種天線比較而言，徑向間隙放電天線更有利于中和器啟動(dòng)，軸向間隙放電天線更有利于電子引出。

3)引出板臺(tái)階內(nèi)徑與后磁軛內(nèi)徑一致時(shí)電子引出更順利，存在合理的臺(tái)階厚度以及引出孔直徑，使得中和器束流引出性能最佳。

4)改進(jìn)后中和器性能實(shí)驗(yàn)表明：中和器引出的電子束流不隨工質(zhì)氣體流量的升高而升高，而是存在合理的流量值使得中和器引出束流最大；微波功率越高，相同條件下中和器引出的電子束流更高，推進(jìn)劑利用率也更高，放電損耗越??；相比于改進(jìn)前，改進(jìn)后ECR中和器在相同工作條件下電子束流引出性能得到大幅提高。