电子回旋共振离子推力器研究与应用综述

电子回旋共振离子推力器(ECRIT)以电子的无碰撞加热机制产生等离子体,具有推力范围宽、下限低、可精确控制的特点。本文从原理和工作过程出发,分析了ECRIT对当今空间飞行任务的适用性。围绕这些适用范围,综述了当前原理可行的10cm低推力、2cm微推力ECRIT在不同工质驱动下的研究和应用现状,总结了这些推力器性能的重要特征,分析了制约推力器进一步发展的关键问题。结果表明,ECRIT因为独特的原理和物理过程以及成功的飞行实例,被证明适用于当今深空与近地小行星及引力波探测、微小卫星控制以及地球极低轨道飞行器的阻力补偿。

放电室长度对电子回旋共振离子推力器性能的影响机理

在电子回旋共振离子推力器的结构优化中,放电室长度调节的是栅极与主等离子体区的相对位置,以此影响栅极上游等离子体密度,进而改变推力器离子束流大小及聚焦状态,达到性能优化目的.然而,在一体化仿真研究中发现,施加栅极电压后,Child-Langmuir鞘层前存在高能电子分布,这与传统的放电室仿真存在明显差异.本文认为施加栅极电压后,Child-Langmuir鞘层会排斥电子,使流向栅极的电子返回磁镜区参与加热,最终在磁镜和Child-Langmuir鞘层之间形成了高能电子分布区域.这意味着放电室长度对推力器性能的影响不再局限于相对位置的调节,还能通过调控Child-Langmuir鞘层前的高能电子分布影响等离子体生成.因此,本文采用一体化仿真方法,系统研究了放电室长度对推力器放电和引出性能的影响机理,并讨论了Child-Langmuir鞘层前高能电子分布对电离体系的影响.本文研究将为电子回旋共振离子推力器的结构优化设计提供新思路.

电子回旋共振离子推力器栅极光学系统的PIC/MCC模拟

为了寻求日益昂贵的电推力器工质氙气的替代品,探讨氩气作为电子回旋共振离子推力器工质的适用性,采用混合PIC方法模拟了氩等离子体在栅极光学系统中输运过程,分析了氩离子束流的聚焦效果、氩等离子体的空间分布和流动特性。结果表明:氩离子束流在已有栅极系统中具有良好的聚焦效果;束流中CEX离子仅占离子总数的万分之一,影响较小;氩气作为工质时,离子喷射速度为75km/s,加速栅极后回流速度为38km/s,与电动力学理论预估值一致。

电子回旋共振离子推力器放电室低信号调试

微波输入技术是电子回旋共振离子推力器的关键技术之一,输入微波在推力器放电室内产生谐振的时候,微波功率才能高效地被吸收,从而电离气体,提高电子的能量,增加等离子体的电离度。电子回旋共振离子推力器放电室是一个不规则的微波谐振腔,很难从理论上确定其谐振状态下的结构。本文利用网络分析仪,采用微波无源器件回波损耗的测试方法对放电室进行精确调谐,分析微波谐振频率及带宽,目的在于详细研究放电室的结构尺寸、微波耦合探针形状和尺寸在谐振状态下的匹配性。调试结果表明放电室增加14 mm圆柱段,选择圆柱段长度22 mm和球形直径9 mm的组合探针,可以得到较好的谐振状态,此时腔体的回波损耗为-23 dB,谐振频率4.195 GHz,谐振带宽为0.025 0 GHz,品质因素为167.848。

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.

磁路和天线位置对2 cm电子回旋共振离子推力器性能影响的实验研究

磁路和天线位置对电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster, ECRIT)的电子加热、等离子体约束和输运过程都有很大的影响,进而影响离子束流引出和中和器耦合电压.本文开展不同磁路和天线位置下2 cm ECRIT离子束流和耦合电压变化规律的实验研究.通过比较不同磁路的离子源和中和器的束流引出特性,选出合理的磁路结构,再比较不同天线位置对束流引出的影响.归纳了磁路和天线位置对ECRIT的性能影响规律,得到合理的推力器结构.实验结果表明:功率和流量的增加有助于提高离子引出束流和降低电子引出压;保持天线空间位置不变,合理的磁路结构能增大电子获能并减小粒子损失,从而提高引出离子束流并降低耦合电压;在合理磁路结构条件下,离子源和中和器存在有利于离子引出和降低耦合电压的合理天线位置.根据实验结果选择出结构较优的中和器和离子源进行中和实验.结果表明:有无中和器工作时对离子源束流引出的影响较小;功率和流量为1 W, 0.1 sccm (1 sccm=1 mL/min)的中和器与功率和流量为2 W, 0.3 sccm的离子源能良好匹配工作,性能指标为离子束流5.3 mA、放电损耗337.5 W/A、推进剂利用率24.7%、推力368.6μN、比冲1277.6 s、中和器耦合电压17.4 V.研究结果有助于理解推力器工作机理,并为设计和性能优化提供参考.

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求.为此,本文开展直径20mm的微型ECR离子源结构优化实验研究.根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点,研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响,结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时,微波与等离子体实现无损耦合,电子共振加热效果显著,引出离子束流较大.根据放电室电磁截止特性,结合微波电场计算,研究放电容积对离子源性能的影响,实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭.经优化后离子源性能测试表明,在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9μg/s下,可引出离子束流5.4 mA,气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.

电子回旋共振离子推力器的研究进展

电子回旋共振离子推力器是一种静电式离子推力器,具有无电极烧蚀、比冲高、寿命长等优点,在未来的深空探测上具有广泛的应用前景。概述了电子回旋共振离子推力器的系统组成、结构、工作原理、性能和寿命实验状况。介绍了国内外该推力器的研究进展及发展现状,并根据实际情况,指出了国内该推力器的研究思路和发展方向。

微波离子推力器中磁场发散区电子加热模式研究

在微波离子推力器的磁场结构设计中,一般认为增大磁镜区的面积能够约束更多电子,有利于提高能量利用率;减小发散区面积能够减少电子在壁面的损失,有利于降低放电损耗.随着一体化仿真研究深入,发现利用Child-Langmuir鞘层的特性可约束电子,使其在鞘层与磁镜间往复运动获能.对此,本文设计了适用于1 cm磁阵列微波离子推力器的磁场结构,并对其初始放电和束流引出过程进行了一体化仿真,对比阐明了电子在磁场发散区受Child-Langmuir鞘层、天线表面鞘层和磁镜共同约束下的获能模式.该获能模式可提升磁场发散区的电子温度,促进电离,提升栅极前等离子体密度,进而提升束流密度.仿真结果表明,在氙气流量0.3 sccm(1 sccm=1 mL/min),微波功率为1 W,栅极电压φ_(sc)/φ_(ac)=300 V/–50 V条件下,磁阵列微波离子推力器的电流密度较2 cm微波离子推力器提升57.9%.本文从理论上对磁场发散区电子加热模式进行了验证,研究结果将为微波离子推力器优化设计提供理论依据,促进微波离子推力器性能提升.

宽进气道电子回旋共振离子源电磁场和中性粒子计算研究

传统10cm电子回旋共振离子推力器(ECRIT)离子源的进气道进气面积小、压强损失大,无法直接应用于吸气式电推进系统(ABEP)。针对该问题,本文提出了抗流槽和栅格两种宽面积进气道方案,基于多物理场仿真软件COMSOL、直接蒙特卡洛模拟(DSMC)方法,研究了不同进气道离子源内的微波电磁场分布、中性粒子分布,并通过实验验证了方案的可行性。研究结果表明:抗流槽和栅格进气道的最优结构分别为抗流槽中段长度4mm、栅格厚度2mm,最优结构下,两者离子源放电室微波能量均不低于传统离子源;传统离子源和栅格进气道离子源的推进剂供给压强均随流量线性增加,传统离子源所需供给压强约为栅格进气道离子源的3.86倍;当推进剂流量为2cm^(3)/min时,栅格进气道离子源可正常工作,所需的推进剂供给压强为0.14Pa;对比相近工况下传统氮工质10cm ECR离子源,栅格进气道离子源工作性能未见明显衰减。

应用于电推进的碘工质电子回旋共振等离子体源

电子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)源具有无需内电极、低气压电离、等离子体密度较高和结构紧凑等优点,适用于小功率电推进.因此,研究小功率碘工质ECR等离子体源具有重要意义.本文首先设计了一套耐腐蚀且可以均衡稳定输出碘蒸汽的储供系统;然后完成了耐碘腐蚀ECR推力器设计,利用耐腐蚀的同轴谐振腔结构将微波馈送到推力器,并将通道磁场变为会切型磁场以产生更多ECR层;最终联合点火实验成功,成为国际上首个可以用于电推进的ECR电离碘工质等离子体源.分析实验和静磁场、微波电场分布发现,小功率、低流量下的不稳定等离子体羽流闪烁由寻常波电子等离子体共振加热和非寻常波ECR加热模式之间的转化引起.高流量下电离率下降是由电子损失、壁面损失和碘工质电负性导致.并依据此原理提出了改进方案.放电后等离子体源没有明显损伤,说明具备长寿命潜力.此项工作初步证实了小功率碘工质ECR电推进方案可行.

电子回旋共振推力器C/C复合材料栅极的力学性能

为了研究电子回旋共振推力器在搭载火箭升空过程中，过载和振动环境对栅极带来的影响，采用有限元分析软件建立了10cmC／C复合材料栅极的有限元分析模型，计算分析了不同C／C复合材料栅极的力学性能、频率响应和振动模态。结果表明：20g过载下，栅极的最大变形量为6．12×10^-4mm；在5—800Hz激振下，栅极频率响应的最大位移为2．3×10^-6mm；过载对栅极的影响要大于振动对它的影响，但是这两个值都在安全门限内；综合分析栅极频响和模态分析的计算结果，栅极仅在其第一阶模态处于外界激振发生共振。

电子回旋共振推力器中和器内磁场与微波电磁场计算分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,用于深空探测主推进具有很大的吸引力。中和器是电子回旋共振推力器的关键部件之一,其主要作用为产生电子,中和离子源发射的离子束流,它对保持电子回旋共振推力器的电位平衡有着重要作用。文中针对10 cm推力器的中和器,采用ANSYS有限元分析软件建立了磁路模型,计算了中和器内磁场分布,得出了方案中电子回旋共振面的位置。针对中和器的工作特点,设计了多种天线方案,利用ANSYS软件计算了其对应的电磁场分布。计算结果表明,设计磁场提供的电子回旋共振面位置合理,L型天线方案可实现放电击穿,产生等离子体。计算结果对电子回旋共振推力器的中和器设计与研制提供了帮助。

电子回旋共振推力器放电室内磁场与微波电磁场分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,适宜用作深空探测器主推进装置。放电室是电子回旋共振推力器的关键部件,其作用是产生电子回旋共振等离子体。放电室内的磁场和微波电磁场分布对于推力器的可靠启动、稳定工作有着重要的影响。为此针对10cm推力器,采用大型有限元分析软件ANSYS建立了三种磁路模型,计算了放电室内的磁场分布,得出三种方案中电子回旋共振面的位置,分析放电室材料不同时磁场分布的变化;最后采用ANSYS有限元分析软件计算了放电室内的电磁场分布。结果表明,在电子回旋共振面上微波能量满足放电所需能量。计算结果可以为电子回旋共振推力器放电室的设计提供帮助。

基于离子回旋共振有质动力加速的螺旋波推力器原理

基于离子回旋共振有质动力加速(ICR/PA)的螺旋波等离子体推力器为一种先进概念的无电极推力器,具有无电极烧蚀、比冲高、寿命长的优点,在未来的深空探测和卫星的动力系统中具有广泛的应用。分析了该推力器的结构组成、工作原理、发展现状,并利用准线性理论推导了基于ICR/PA加速方式的离子获得能量的过程,给出了推力计算公式。理论分析结果为后续推力器的设计提供指导。

用于质子直线加速器的强流电子回旋共振离子源

研制了一台用于加速器驱动次临界系统 (ADS)的强流电子回旋共振离子源。在 30keV能量下 ,引出的氢离子最大束流达到 1 0 0mA ,质子比好于 85 % ,引出束流密度最高可达 34 0mA/cm2 。初步测定的发射度约为 0 1 1πmm·mrad。已通过了 1 0 0h的连续运行考验。

电子回旋共振等离子体源的特性

简要描述了一台频率为２．４５ＧＨｚ的电子回旋共振（ＥＣＲ）等离子体源的特性测试，结果表明，放电室内的等离子体密度和电子温度与静态磁场、微波输入功率和真空度等参数均有着密切关系。当磁场达到共振条件８７．５ｍＴ时，等离子体很易产生，但等离子体密度的最大值却出现在９３ｍＴ处。ＥＣＲ源在真空度为０．１—ｌＰａ间均能运行。由石英、Ａｌ２Ｏ３陶瓷和ＢＮ构成的微波输入富有良好的阻抗匹配，在微波功率为２００—７００Ｗ间，反射系数仅为１％，等离子体密度达５．８×１０１１ｃｍ－３，电子温度为３－１２ｅＶ，该源的寿命超过３００ｈ。

电子回旋共振微波等离子体技术及应用

电子回旋共振微波等离子体技术 (ECR- MP)在表面处理、等离子体刻蚀和薄膜制备 ,尤其是高品质的激光惯性约束聚变薄膜靶的制备中有着重要的应用。综述了 ECR- MP的基本原理、反应装置、实验研究、理论研究和应用情况的发展现状 ,同时分析了其今后可能的发展趋势。

电子回旋共振微波等离子体刻蚀α：CH薄膜的工艺

为了刻蚀出图形完整、侧壁陡直、失真度小的α:CH薄膜微器件,研究了有铝和无铝掩膜、气体流量比、工作气压对刻蚀速率的影响,并对纯氧等离子体刻蚀稳定性进行了研究。研究结果表明:在相同条件下,刻蚀速率随刻蚀时间变化不大;α:CH薄膜上有铝和无铝掩膜时,刻蚀速率相同;流量一定时,刻蚀速率随氩气和氧气体积比的增大而降低,当用纯氩气时,几乎没刻蚀作用;刻蚀速率随工作气压的增大而降低。实验中,得到最佳刻蚀条件是:纯氧气,流量4 mL.s-1,工作气压9.9×10-2Pa,微波源电流80 mA,偏压-90 V。

电子回旋共振等离子体源的朗谬尔探针诊断

电子回旋共振 (ECR)等离子体以其密度高、工作气压低、均匀性好、参数易于控制等优点在超大规模集成电路工艺中获得了广泛的应用。利用朗谬尔探针对ECR等离子体进行了初步的诊断研究 ,测量了等离子体的单探针伏安特性并计算出电子温度 ,电子密度和等离子体电势等参量。实验证明 ,ECR等离子体源能够稳定地产生电子温度较低的高密度等离子体。