氙气离子推力器束流等离子体特征参数的Langmuir单探针诊断

离子推力器和航天器的成功整合,需要对羽流-航天器之间可能的相互作用进行全面的评估。为了给二者的整合提供实验依据,设计使用了Langmuir单探针测试系统,对氙气离子推力器束流等离子体参数的空间分布进行了诊断研究。实验中使用栅极表面向外凸出的双栅极Kaufman型离子推力器,真空舱的背景压强为3mPa。与传统静态等离子体不同的是:离子推力器束流等离子体具有很大的定向速度,致使探针电流大幅增加,所以传统静态等离子体条件下的I-V(电流-电位)曲线的解释需要重新考虑并进行适当修正。为了尽量减少定向流对离子饱和电流的影响,实验中选择将Langmuir探针与推力器轴线平行放置。实验结果表明:离子推力器的束流等离子体的悬浮电位、空间电位、离子浓度的变化趋势相似,不同径向位置处的各参数都随着轴向距离的增加而减小。分布图中存在一些参数值较低的特殊点,是因为这些测点并没有位于等离子体束流区域内。通过这些特殊点的轴向和径向坐标,可估计出推力器的束流发散角(16.014°)、栅极半径(在71.3～111.3mm范围之内)、束流形状。

基于磁质谱原理的新型同位素质量分离器的数值研究

基于磁质谱原理设计了新型同位素质量分离器。不同质量的离子在轴对称电场和磁场中聚焦于不同位置并进入各自收集器,从而实现质量分离。由哈密顿原理推导出离子在分离器中运动轨迹的解析方程,结合电子恒温磁流体力学方程构建等离子体束流轨迹的混合数学模型。基于该混合数学模型,应用matlab模拟等离子体束流的聚焦和质量分离。从仿真结果可以看出,当忽略鞘层屏蔽效应时,束流在电场力作用下绕着对称轴做螺旋运动;当考虑鞘层屏蔽效应时,电子在弱磁场中受束缚作用较小,在鞘层中迅速积累,外电场很大程度上被鞘层屏蔽,束流运动半径迅速增加,尚未聚焦就到达外电极。随着轴向磁场的增强,鞘层屏蔽效应减弱。通过选取适当的磁场强度,可使不同质量的离子按荷质比的顺序分离,聚焦点的距离取决于离子质量。本研究对等离子体束流电磁控制进行了探索,该结果可为高纯度物质质量分离器的研制奠定理论基础。