Study on Effect of Structure and Propellant on Beam of ECR Ion Source

Abstract

２０１９ 年 １２ 月 第 ３７ 卷第 ６ 期 西 北 工 业 大 学 学 报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｄｅｃ． Ｖｏｌ．３７ ２０１９ Ｎｏ．６ ｈｔｔｐｓ： ／ ／ ｄｏｉ．ｏｒｇ ／ １０．１０５１ ／ ｊｎｗｐｕ ／ ２０１９３７６１０９５ 收稿日期：２０１８•１１•２２ 基金项目：国家自然科学基金(１１４７５１３７) 资助 作者简介：黄文斌(１９９３-) ，西北工业大学硕士研究生，主要从事 ＥＣＲ 离子推力器研究。 通信作者：杨涓(１９６３-) ，女，西北工业大学教授，主要从事 ＥＣＲ 离子推力器研究。 ｅ•ｍａｉｌ： ｙａｎｇｊｕａｎ＠ ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 结构和工质对 ＥＣＲ 离子源引出束流的 影响规律研究 黄文斌， 杨涓， 孟海波， 夏旭， 付瑜亮， 胡展 ( 西北工业大学 航天学院， 陕西 西安 ７１００７２) 摘 要：提高离子源引出束流是提高电子回旋共振离子推力器(ＥＣＲＩＴ)性能的重要途径，而离子迁移 距离、磁路结构和气体工质等因素对引出束流有着密切的影响。 利用具有不同栅极安装位置和磁体 长度的离子源，通过实验研究，分析磁路、离子的迁移距离以及工质对引出束流的影响。 实验结果表 明：磁体长度过短会引起 ＥＣＲ 区的不连续分布从而造成离子源性能大幅度下降，增加磁体长度在高 流量下有利于提高栅极引出束流，低流量下会使束流降低；栅极安装环长度对引出束流的影响规律与 离子源的磁路结构和工作状态有关，在气体流量较低时，更长的安装环有利于提高引出束流，高气体 流量条件下，不同的磁路结构会使栅极安装环对引出束流产生不同的影响规律；氙工质可以明显提高 低流量条件下离子源的引出束流和放电稳定性，但在高流量下受进气位置影响，中性粒子过于聚集而 造成自由电子能量积累受到影响，从而会出现束流下降的现象。 关 键 词：电子回旋共振；束流引出；磁路结构；栅极安装环；多工质 中图分类号：Ｖ４３９ ＋ ．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００•２７５８(２０１９)０６•１０９５•０７ ＥＣＲＩＴ 是一种静电型推进装置，它利用微波能 量击穿气体形成 ＥＣＲ 等离子体 ［１•３］ ，其中的离子在 加速栅极作用下被高速引出产生推力，引出的离子 束流再被电子中和。 该推力器具有比冲高、无热电 极烧蚀、寿命长、电源系统简单等优点，非常适用于 长时间工作的空间飞行器。 国外 ２００３ 年把这种推 力器应用到了返回式深空探测器上，２０１０ 年 ６ 月 探测器成功返回地面。 长达 ７ 年的空间飞行历程 证明 ＥＣＲＩＴ 是寿命长的等离子体推力器 ［４•６］ 。 国内 西北工业大学在 ＥＣＲＩＴ 研究方面已取得进展，研究 出 ２ ｃｍ 和 １０ ｃｍ ＥＣＲＩＴ ［５•１０］ 。 对 １０ ｃｍ ＥＣＲ 离子源 进行了探针和光谱诊断；建立了等离子体的飘移扩 散模型，对 ＥＣＲ 等离子体特征进行了数值模拟，模 拟结果和实验结果相一致；分析了部分结构对离子 源性能的影响，分析了其中的机理。 ＥＣＲ 离子源性能是决定推力器总体性能的重 要因素。 微波注入方式、等离子迁移扩散空间、磁路 结构、气体供应方式以及工质种类都是影响离子源 性能的关键因素。 磁路结构 ［１１］ 决定了放电室内的 磁场分布进而影响了电子能量的获取与等离子体的 产生，改进磁路结构是提高离子源性能的重要手段； 等离子体迁移扩散过程对源内等离子体的损失有着 重要影响。 本文通过实验细致分析 １０ ｃｍ ＥＣＲ 离 子源磁路结构和等离子体迁移扩散空间以及工质对 离子源性能的影响规律。 出于经济性考虑，实验研 究离子源结构对其性能影响时采用氩气。 但是氩原 子电离能较高同时相对分子质量较低，造成离子源 的推进剂利用率较低，引出的束流性能并非最优。 氙气具有电离能小、分子量大的优点，国际上成熟应 用的推力器都使用氙气作为推进剂工质，因此在氩 气实验的基础上进一步开展氙气实验， 分析工质改 变对离子源性能的影响是必要的，将有助于深入理 解 ＥＣＲ 离 子 源 的 工 作 过 程， 为 提 高 其 性 能 提 供 参考。