微空心阴极放电推力器性能研究

微空心阴极放电推力器是一种新颖的电热式微推力器,利用纳卫星提供的1-10 W的功率可提高微推进装置的性能。为了预示该推力器的性能,结合实验中测量的气体温度值和火箭发动机原理,初步计算得出微放电推力器的推力范围为几十至上千μN,以氩气为工质比冲量级为600-1 000 N·s/kg,以氦气为工质比冲量级为3 000 N·s/kg。研究结果表明,微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在电热式微放电推进中,作为微小卫星,尤其是纳卫星和皮卫星的动力系统。

微空心阴极放电时空特性

为了揭示微空心阴极放电的放电机理，利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1．3×10Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明，整个放电过程分为四个阶段，即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应，阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量，而负辉区径向电场很弱，电子平均能量较低，电子和离子密度峰值出现在负辉区，二者数值基本相等，而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。

微空心阴极放电机理及其在电热式推力器中的应用

近年来,微空心阴极放电(MHCD)技术的发展为研制适用于小卫星的先进新型微推力器提供了可能。MHCD是微放电领域中一种新颖的非平衡高气压辉光放电,其优点是可以在高气压下稳定放电,并且只需要非常低的电压(几百伏特)或者输入功率(百毫瓦数量级)。本文针对MHCD,实验研究了微放电的电流-电压特性,并利用光学发射光谱的方法测量了微等离子体中电子数密度和中性气体温度。结果表明,在稳定的辉光放电下,MHCD孔内的电子数密度和中性气体温度随着压强和放电电流的增加而增大,电子数密度可达1014cm-3,中性气体温度可达1000K。由此可以推断,微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,完全可以开发应用在新型的电热式等离子体推进上,研制成微空心阴极放电等离子体推力器。由于在微放电等离子体中加热了工质气体,因此其性能可大大高于冷气推进。

微空心阴极放电与准分子光源

微空心阴极放电是一种新颖的、非平衡、高气压辉光放电。综述了微空心阴极放电的基本原理;详细论述了微空心阴极放电中的准分子辐射,以及微空心阴极放电的放电方式(直流放电、脉冲放电、射频放电) 对准分子辐射强度和效率的影响;最后论述了微空心阴极放电的运行方式(串联运行、并联运行)对准分子辐射的影响。

微空心阴极放电的初始放电过程研究

运用权重粒子和电荷分配等方法将系综蒙特卡罗模型改进为自洽蒙特卡罗模型,方便地实现粒子系统与电场的自洽作用,既能完整地记录所有带电粒子在某一时刻的具体位置、运动方向和能量,又能获得自洽电场随时间的演变过程。使用该模型对矩形微空心阴极放电进行仿真,仿真结果表明高气压下的初始放电是阴阳极间电场和空间电荷电场共同作用的结果,由于阴阳极间电场的驱动作用,空间电荷构成的虚阳极首先在阳极表面形成,然后向对阴极内部扩展。因此高气压微空心阴极放电的初始放电过程也符合虚阳极移动理论,空心阴极鞘层结构的形成是虚阳极移动和扩展的结果。

一种新颖的微空心阴极放电等离子体推力器

微小卫星的发展和成功应用迫切需要新型微推力器的研制。微放电技术是等离子体放电中重要的一类,近几十年来成为各国的研究热点。其中,微空心阴极放电(MHCD)是一种新颖的非平衡高气压辉光放电,其优点是可以在高气压下稳定放电,并且只需要非常低的电压(几百伏特)或者输入功率(百毫瓦数量级)。MHCD建立在2个几百微米厚度的金属平面电极上,材料可以是钼、铝等,由电介质(云母或氧化铝)隔开。"三明治"的布局结构上从一个电极到另一个电极钻有直径为几十微米到几百微米的孔,气体压强可以很高,甚至超过大气压。微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在新型的电热式微等离子体推进上。由于微空心阴极放电等离子体推力器在微放电等离子体中加热了工质气体,随后通过微喷管喷出产生推力,因此与传统的冷气微推力器相比,可大大提高推力器的比冲和推力。

N_2空心阴极放电向微空心阴极放电转变的PIC/MC模拟

开发了氮空心阴极放电PIC/MC二维自洽模型。研究了N2传统空心阴极向微空心阴极放电转变过程中电势和电场的变化。结果表明,不同尺寸的空心阴极放电的电势及电场分布规律几乎类似,但空心阴极孔径减小且气压增加时,电场近似线性增加;典型微空心阴极电场比传统空心阴极放电电场约大3个量级;微空心阴极放电产生的电子,氮分子离子和氮原子离子的密度比传统空心阴极放电约大3个量级,且微空心阴极放电中,N2+密度比N+密度大8倍以上。

微空心阴极放电试验用软开关电源的研究

微空心阴极放电(MHCD)是在普通空心阴极放电的基础上提出的一种高气压下亚毫米级微放电技术。将MHCD作为大体积辉光放电的外部电离源(即等离子体源),可以解决高气压下大体积辉光放电不稳定的问题。在MHCD实验的基础上,研制出可对MHCD气体放电模式(连续/脉冲)和输出功率进行调控的开关电源。这种开关电源可以与单片机、微机等其他外部控制设备相连。该电源采用全桥软开关技术,串联谐振并联输出,4个MOSFET管为主控制元件,实现了高频工作,响应快速。脉冲模式工作时避免了开关管的硬开关,减小了高次谐波对电网干扰;无需镇流电阻也可实现气体稳定放电。

微空心阴极放电自持的辉光放电的理论及实验

利用蒙特卡洛方法模拟了微空心阴极放电(MHCD)出射电子的空间以及能量分布,并在此基础上模拟了微空心阴极放电自持的辉光放电中电子的空间分布.模拟表明减小MHCD绝缘层厚度,能有效地改变从微空心阴极放电中出射电子的能量分布,从而提高电子发射效率.对于给定的微空心阴极放电电压,电子的发射存在一个轴向电压阈值;轴向电压的进一步增加,出射的电子数会达到饱和.实验表明以MHCD作为辉光放电电子源是可行的,并且微空心阴极放电自持的辉光放电特性的实验结果和理论模拟是一致的.

光学发射光谱法测量氩气微空心阴极放电中特性参数

针对微空心阴极放电(MHCD)装置,通过在氩气中添加少量氮气,分析氮分子第一正带系N2(B3ΠgA3u+)发射光谱的方法测量了MHCD中的气体温度,通过氩气中混有的少量氢气,分析Hβ谱线Stark加宽得到电子数密度。研究表明,MHCD在极小的体积和很高的功率密度下维持放电,致使发生了明显的气体加热现象,气体温度可高于700 K,并且随着放电室压强和放电电流呈有规律的变化,具有较好的可控性,电子数密度的量级为1014～1015cm-3。通过对不同条件下等离子体特性参数的诊断和分析,得到了其量级和变化规律,对MHCD的广泛研究和应用提供了重要的实验数据和技术支持。

N_2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟

采用Monte Carlo方法模拟N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射过程,其中,氮离子(N2+,N+)轰击阴极表面采用PIC/MC模型模拟.计算溅射钛原子的热化过程、钛原子的密度及其平均能量分布.结果表明,沿各方向溅射出的90%金属Ti原子所带的初始能量小于30 eV,其散射角主要分布在30°和60°之间;溅射Ti原子在离微空心阴极壁约0.04 mm处出现热化极大值.

微空心阴极放电的仿真研究进展

微空心阴极放电是一种典型的非平衡高压微放电,可以在较低的放电电压下产生高浓度的稠密等离子体,研究潜力巨大。分析比较了目前主要的仿真模型:蒙特卡罗模型、流体模型、动力学模型(以粒子-蒙特卡罗模型为主)、混合模型和等效电路模型。这些模型均可以用于探索放电系统内部的发展规律:微空心阴极放电经历反常辉光放电、自脉冲和正常辉光放电三个阶段,最终达到放电稳态。其中自脉冲阶段等离子体密度达到峰值,是当前研究的热点。

外加磁场对微空心阴极放电的影响

采用C语言编程实现的三维系综蒙特卡罗模型研究了外加磁场对微空心阴极放电的影响。研究结果显示,当气体压强和外加电压保持不变时,在微空心阴极放电系统中加入外部磁场后,阴极方向电子密度分布变化不大,轴向和侧向电子漂移范围减小,电子能量向低能方向移动,但是外加磁场对高气压微空心阴极放电的影响整体上不如对低气压放电的影响明显。研究结果对于理解微空心阴极放电等离子体的机理具有一定的指导意义.

新颖的微空心阴极放电及其性质研究

介绍了微空心阴极放电(microhollow cathode discharge,简称MHCD)的特点,根据MHCD的基本结构设计了—种新的放电结构:它由一个电源和一个可变电阻器构成“微空心阴极维持的辉光放电”,MHCD作为放电的阴极,金属针作为放电的阳极。利用该放电结构进行了空气的放电实验,产生了高气压大体积高电流密度的辉光放电等离子体,用于工业上的多种等离子体加工中;如果用稀有气体放电则能够用来作为微型准分子激光器的增益介质。在200Torr气压下,获得了稳定的空气直流放电,等离子体中电子密度估计在1011到1012cm-3之间,测得放电电流范围;8mA-30mA。测得放电V-I特性曲线,它有典型的微空心阴极维持的辉光放电的特点.估计的气体放电温度为2000K左右。

微空心阴极放电的边界主导放电现象研究

微空心阴极放电是一种新型的放电形式,在材料表面改性、薄膜沉积、杀菌消毒、等离子体显示、微型直流准分子激光器和电热式微推力器等领域应用广泛。本文选用OOPIC Pro粒子模拟软件研究了微空心阴极放电的扩展放电过程,然后再现等离子体区在微薄空心阴极外部的扩展过程,说明放电产生的等离子体可能扩散到阴极外部空间,微空心阴极放电的边界主导效应比空心阴极放电更明显。该研究结果对微空心阴极放电等离子体的机理研究具有一定的指导意义。

微空心阴极放电构成的紫外准分子灯

根据微空心阴极放电(m icrohollow cathode d ischarge,简称MHCD)的基本结构,设计了一种新颖的放电结构,它利用MHCD与第三电极(金属针)之间构成新的放电方式,产生大体积高电流密度的辉光放电等离子体,利用等离子体中强烈的准分子辐射制作紫外准分子灯。利用该放电结构进行了Xe气的放电实验,实验测到了波长为172nm的强烈准分子辐射;在400Torr气压下放电,大约有15%的内部效率;当21个这样的放电并联运行时,获得了功率密度为15mW/cm2的真空紫外光输出。实验结果表明:利用这种结构能够制作出高功率的紫外准分子灯。

微空心阴极放电的Monte Carlo模拟研究

基于MATLAB与VC + +混合语言 ,采用MonteCarlo模拟对高气压下亚毫米级微空心阴极放电 (MHCD)中电子的运动过程进行了研究 ,计算出不同气压下的稳态时场向电子密度分布 ,电子能量分布以及对各种碰撞的统计等 .分析表明 :高气压下微空心阴极放电更能反映空心阴极效应———“来回振荡”的本质 .通过模拟得到 ,电子在阴极间来回振荡的过程中 ,仍以前向散射为主 .随着气压的升高 。

N_2微空心阴极放电特性及其阴极溅射的PIC/MC模拟

采用两维PIC/MCC模型模拟了氮气微空心阴极放电以及轰击离子(N+2,N+)的钛阴极溅射.主要计算了氮气微空心阴极放电离子(N+2,N+)及溅射原子Ti的行为分布,并研究了溅射Ti原子的热化过程.结果表明:在模拟条件下,空心阴极效应是负辉区叠加的电子震荡;在对应条件下,微空心较传统空心放电两种离子(N+2,N+)密度均大两个量级,两种离子的平均能量的分布及大小几乎相同;在放电空间N+的密度约为N+2的1/6,最大能量约大2倍;在不同参数(P,T,V)下,轰击阴极内表面的氮离子(N+2,N+)的密度近似均匀,其平均能量几乎相等;从阴极溅射出的Ti原子的初始平均能量约6.8eV,离开阴极约0.15mm处几乎完全被热化.模拟结果为N2微空心阴极放电等离子体特性的认识提供了参考依据.

微空心阴极放电及其应用

微空心阴极放电(MHCD)是指阴极孔径为亚毫米量级时的高气压辉光放电。本文介绍了微空心阴极放 电的研究进展,分析了其光谱特性,最后讨论了它的应用前景。

微空心阴极维持辉光放电的时空特性

利用流体模型在氩气环境下模拟得到了微空心阴极维持辉光放电的电势、电子密度、离子密度和电场等放电参数的时空分布特性.模拟结果表明,微空心阴极维持辉光放电在不同的时刻表现出不同的放电模式.放电的初始阶段为汤生放电模式;第二阶段为汤生放电模式向空心阴极效应放电模式过渡阶段,微空心阴极维持辉光放电得到初步发展;第三阶段为空心阴极效应放电模式,微空心阴极维持辉光放电区逐渐形成;第四阶段为放电的稳态阶段.在稳态放电状态下,空心阴极腔内的电子和离子密度峰值达到10^(15)cm^(-3),位于空心阴极腔的中心位置,维持辉光放电区电子密度可以达到10^(13)cm^(-3).研究结果同时表明,微空心阴极放电促进了微空心阴极维持辉光放电的形成;同时微空心阴极维持辉光放电也促进了微空心阴极放电的发展.另外,实验研究表明,第二阳极对微空心阴极腔内外的电势、电场和带电粒子密度的分布均有重要影响,并且对维持辉光放电区域的影响更加明显.第二阳极是形成维持辉光放电的必要条件.