磁场对电子回旋共振中和器等离子体与电子引出影响的数值模拟

10 cm电子回旋共振离子推力器(ECRIT)的ECR中和器是关键部件,其内部磁场是影响中和器性能的重要因素.磁场的均匀性和磁阱位置是磁场特征的重要表现,制约等离子体与电势的分布规律、电子引出过程及中和器性能.本文分别建立磁场均匀性低、磁阱位于电子引出孔上游和磁场均匀性高、磁阱位于电子引出孔下游的ECR中和器PIC/MCC模型,在给定参数条件下,开展等离子体和电势分布规律及电子引出过程的数值模拟研究并分析其对中和器性能的影响.结果表明,磁场均匀性高、磁阱位于电子引出孔下游时,中和器内整体电势分布较均匀,电子容易朝磁阱区迁移,低引出电势引出高电子束流,其性能高于磁场均匀性低、磁阱内置的中和器.研究工作将为发展高性能的ECR中和器奠定重要基础.

使用电子回旋波共振等离子体源辅助中频磁控溅射沉积氧化铌薄膜

中频磁控溅射虽相较于电子束蒸发成膜质量更好,但不可避免仍然存在一部分颗粒物,将严重影响光学薄膜的质量和光学特性。研究了使用电子回旋波共振(ECWR)等离子体源作为辅助设备与中频磁控溅射相配合沉积的氧化铌薄膜,进行了等离子体诊断和薄膜表征。结果表明:在相同条件下,ECWR等离子体放电的氧化效果明显优于传统的感应耦合等离子体放电。ECWR等离子体源能够在较低压强的纯氧环境下稳定产生高密度等离子体,无须通过氩气作“引子”来激发维持氧气的稳定放电,展示了电子回旋波共振放电结构的优越性。沉积得到的非晶氧化铌薄膜光滑均匀且透射率达91%,能有效消除中频磁控溅射产生的颗粒物问题。通过透射率波峰位置对比发现纯氧ECWR放电样片出现红移,原因是其放电得到的薄膜均匀而致密,使光学禁带宽度向低能方向漂移出现带隙窄化。研究结果还揭示了离子源高密度、低能量特性与薄膜表面和光学特性之间的关系,为精密光学薄膜应用提供了新的解决方案。

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。

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。

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(ECR)等离子体的研究和应用

近年来,在低气压、低温等离子体研究和应用中的一个重要发展是微波电子回旋共振放电。由于它是一种无极放电,能够在低气压下产生高密度、高电离度、大体积均匀的等离子体,所以在等离子体物理研究,表面处理和薄膜制备等应用中,成为一个十分引人注目的新领域。本文综述了ECR放电的基本物理过程和实验研究概况,介绍了ECR等离子体在表面处理、镀膜和离子源等方面应用的最新结果。

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.

HL-2A装置上电子回旋共振加热沉积位置影响鱼骨模主动控制效果的实验研究

近期,在中国环流器2号A(HL-2A)装置上利用电子回旋共振加热(electron cyclotron resonance heating,ECRH)开展了鱼骨模主动控制的实验研究.结果发现,鱼骨模的主动控制效果与射频波功率沉积位置密切相关.在相同的注入功率条件下,ECRH离轴加热的效果比在轴的效果更好,甚至可以实现对鱼骨模的完全抑制.分析表明,大功率离轴射频波通过提升电子温度进而使得等离子体压强梯度和等离子体电流密度变化,随后导致安全因子改变并使得最小安全因子q_(min)>1.M3D-K程序模拟表明,鱼骨模的增长率随着q_(min)增大而减小,这意味着ECRH通过提高安全因子导致q=1有理面的缺失并使得鱼骨模被完全抑制.

HL-3装置电子回旋用大功率脉冲高压电源

阴极高压电源采用单相桥式整流电源模块串联的结构,通过优化的控制算法控制不可调电源模块的开通个数,实现高压输出的初步建立,再利用算法使其可调电源模块动态输出,实现快速跟踪设定值以达到高稳定度的电压波形输出。目前该80 kV/50 A/3s电源控制系统已完成输出电压、电流、电压纹波、过流保护时间等多次统计测试。测试结果表明,其在输出电压53 kV时,平顶电压纹波系数为0.57%,可满足电子回旋共振加热系统相关指标要求。

电子回旋共振（ECR）等离子体技术在材料科学中的应用

电子回旋共振（ＥＣＲ）微波放电等离子体是当今大规模和超大规模集成电路制作中的高新技术．它具有大面积均匀，高密度，低电位的等离子体，是沉积各种薄膜和刻蚀的重要工具．本文简要评述了ＥＣＲ等离子体在材料科学中进行沉积镀膜和刻蚀的情况，简介了ＥＣＲ等离子体发生器的装置工作原理．

分布式电子回旋共振(DECR)等离子体实验研究

本文介绍了一种新型高密度低温等离子体——分布式电子回旋共振（ＤＥＣＲ）等离子体。文中利用样品架作为探针对Ａｒ，Ｈ２，Ｏ２及Ｎ２Ｏ等气体的ＤＥＣＲ等离子体特性作了定性的实验研究和分析。

用电子回旋共振化学气相沉积(ECRCVD)方法制备非晶态氮化硅薄膜

探讨如何用电子回旋共振化学气相沉积(ECRCVD)设备制备非晶态氮化硅介质膜和光学膜。通过改变工艺条件中的微波功率、硅烷(S iH4)、氮气(N2)、氩气(Ar)流量、样品台温度等,控制和优化氮化硅(S iNx)折射率和生长速率,得到了各工艺条件对氮化硅(S iNx)折射率和生长速率影响曲线;通过测量用本方法制备的高反膜系的反射率,证实了镀光学膜时理论值与实际值符合的很好。

电子回旋共振(ECR)离子源的研制

介绍了一种电子回旋共振（ＥＣＲ）离子源的设计和结构．为了获得长寿命、高等离子密度以及高效传输微波功率，作者通过实验研究发现，利用合适的微波输入三层复合窗（石英、Ａｌ２Ｏ３陶瓷和ＢＮ）是很有效的，而且采用两个带有磁轭的螺线管线圈能够产生满足共振条件（８７．５ｍＴ）和约束等离子体的轴向磁场．利用该离子源制备了Ｃ∶Ｎ团簇纤维．当引出电压为－５００Ｖ时，在靶室中的φ４０ｍｍ样品上能获得９０ｍＡ的离子流，其源的寿命可超过３００ｈ．

HL-2A装置2MW电子回旋共振加热系统研制

HL-2A装置电子回旋共振加热系统的主要指标是2MW/1s/68GHz,系统由4个单元组成,每个单元包括一只回旋管,微波传输系统,控制保护测量和冷却等子系统。通过对ECRH系统和回旋管的调试,每只管子微波输出功率500kW,脉冲宽度1s,四管并联运行时总输出功率达到1.63MW,系统使用效率高于80%。

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。

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放电室等离子体静电探针诊断

电子回旋共振离子推力器是一种无阴极静电型推进装置,具有比冲高、无电极烧蚀和寿命长的优点,可用于深空探测和长寿命卫星。在其放电室内存在着复杂的、紧密耦合在一起含电子回旋共振区的静磁场、微波电磁场和等离子体流场,弄清放电室内复杂的场结构对于推力器的结构和性能优化有着重要的作用。为此认为放电室中的离子未被磁化,采用朗缪尔探针直接诊断放电室内的电子温度和离子密度,再根据等离子体的准中性原则,认为离子密度就反映了电子密度。根据诊断结果可以分析出放电室内的氩等离子体场结构。气体流量分别为3 sccm和8 sccm、微波功率分别为10 W和34 W时,实验诊断得到电子温度分布在1 eV～6.8 eV范围内、离子密度分布在2×1016/m3～2.8×1017/m3范围内。

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。