Open Access
Issue
JNWPU
Volume 37, Number 6, December 2019
Page(s) 1095 - 1101
DOI https://doi.org/10.1051/jnwpu/20193761095
Published online 11 February 2020

© 2019 Journal of Northwestern Polytechnical University. All rights reserved.

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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。

1 10 cm ECR离子源结构与实验系统

1.1 离子源结构和不同磁路结构下的磁场特征

图 1所示ECR离子源由圆波导、放电室腔体、磁环、耦合探针、栅极组件组成。其中磁环产生合理的磁场形成ECR谐振面。微波从圆柱型波导以线偏振电磁波输入, 通过喇叭型波导进入等离子体之后,线偏振电磁波分解为2个旋转方向相反的圆偏振波, 其中右旋圆偏振波的电场矢量以右手法则绕着磁场旋转。而电子在均匀磁场内也按照右手法则旋转。当电子的回旋频率与波频率相等时, 在右旋波作用电场力沿着电子的圆形轨道加速电子[12], 使电子在横向(即垂直磁场方向)不停地通过无碰撞加热机制从高频电场获得能量。若电子所获得的能量比中性气体粒子的电离能高, 那么粒子受电子碰撞被电离, 从而实现气体击穿放电,产生电子回旋共振等离子体。

ECR离子源的电离主要发生在放电室部分, 故主要分析该段的磁场特征。放电室为回转对称结构, 建立二维轴对称模型进行不同磁体长度的静磁场分布模拟。图 2给出了通过有限元方法计算得到的磁体长度分别为h1, h2, h3, h4(h1 < h2 < h3 < h4)条件下的静磁场分布结果, 由图可知当内外磁环的磁体长度增加时, 永磁铁附近的磁感应强度增大, ECR区范围增加, ECR区的分布更靠近向轴线。同时可以发现在磁块长度为h1的情况下, 放电室内出现了内外磁环生成的ECR区没有相交的情况。

thumbnail 图1

10 cm ECR离子源结构图

thumbnail 图2

离子源不同磁体长度的静磁场计算结果

1.2 实验系统

引出实验装置如图 3所示, 包括真空舱、抽气机组、离子源、栅极电源、隔直器、气体供应装置、微波源、环行器和功率计。微波源输出频率4.2 GHz, 相应的离子源内ECR谐振面磁感应强度为0.15 T。微波源输出功率通过环形器、隔直器输入到离子源, 反射微波功率通过环形器传输到功率计以测量从离子源反射出的功率。离子源屏栅和加速栅分别由独立电源供电。

实验条件为:离子源入射微波功率分别为20 W和32 W; 以氩气为工质时, 流量1~5.5 mL/min; 束流引出时维持真空度在5×10-3 Pa以下; 屏栅施加电压1 300 V, 加速栅施加电压-300 V。

thumbnail 图3

实验装置系统图

2 实验结果与分析

2.1 磁路结构对氩气工质离子源放电和束流引出的影响

图 4给出了在32 W微波输入功率条件下4个放电室腔体的引出束流随气体流量变化的规律。由图可知, 随着气体流量增加, 离子源引出束流也随之增加, 虽然对于不同结构的离子源对应的增加趋势略有不同。但从图可以看出1, 2, 3号放电室腔体离子源引出束流都有3个阶段:①1~2.5 mL/min气体流量下, 引出束流出于快速爬升阶段; ②2.5~5 mL/min气体流量下, 引出束流随着流量增长缓慢; ③5 mL/min以后, 引出束流再次随着气体流量的增长快速爬升。0号放电室腔体的离子源只有引出离子束流快速爬升和缓慢2种工作状态, 在高气体流量的情况下并未出现引出束流再次快速增加的阶段。

离子源因为放电室腔体磁路结构的不同对引出束流的变化规律产生不同的影响。对比磁体长度不同的0, 1, 2号放电室腔体可以发现随着磁体长度的增加离子源的最大引出束流也随之增加。3号放电室腔体的引出束流反常的原因是束流引出实验过程中栅极系统出现了欠聚焦现象导致束流下降。由实验结果可知放电室腔体磁体长度的增加有利于提高离子源在高气体流量条件下的引出束流。对比4个腔体在低流量条件下的引出束流变化可以发现:0号放电室腔体的引出束流依旧低于其他3个腔体; 气体流量低于3.5 mL/min条件下, 1, 2, 3号腔体引出束流的变化规律与高气体流量下的规律相反, 具有较短磁体长度的放电室腔体反而具有更大的引出束流。

0号离子源在束流引出实验过程中表现规律与其他3个源差别明显, 引出束流明显小于其他3个腔体。根据静磁场模拟结果图 2可以发现, 0号放电室腔体由于磁体长度较短形成的ECR区出现了不连续的情况。这种静磁场分布使有效ECR区减小, 影响了自由电子的获能。远离轴线位置的ECR区分布造成电子向轴线区域的移动受到了限制, 从而影响了电子加热机制从ECR加热机制向高混杂加热机制的转变, 最终造成0号放电室腔体引出束流较低。对比1, 2, 3号放电室腔体静磁场分布可以发现磁体长度较长的腔体内磁场强度更强, ECR区的分布更靠近轴线。在低气体流量条件下离子源内的等离子体密度较小, 较强的磁场强度对等离子体的约束更强, 限制了电子在腔体内的运动, 从而影响了等离子体的生成。因此低流量条件下磁体长度越长反而会使引出束流下降。在高流量条件下, 等离子体更容易挣脱磁场的约束。所以较长的磁体不仅使ECR区靠近轴线, 同时也使等离子体向轴线附近聚集, 有利于等离子体向栅极扩散后在栅极表面的分布更均匀, 有利于引出的离子束流提高。所以在高流量情况下, 较长的磁体长度有利于提高离子源的引出束流。

thumbnail 图4

不同磁路结构离子源引出束流随氩气流量变化(微波功率32 W)

2.2 栅极安装环长度对氩气工质离子源束流引出的影响

图 5给出了4个离子源在32 W不同栅极安装环长度(Lcase1>Lcase2>Lcase3>Lcase4)对离子源引出束的影响。低流量(气体流量小于2.5 mL/min)条件下, 0, 2, 3号放电室腔体都表现出相似的规律, 引出束流束流随着栅极安装环长度的增加而增加, 1号腔体存在不同的现象, 其case2安装环的引出束流大于case1安装环。在高流量(气体流量大于2.5 mL/min)条件下, 栅极安装环长度对引出束流的影响因为放电室腔体磁路结构的不同存在着差异。由图 5a)可知, 0号离子源使用较短的栅极安装环case3, case4时引出束流明显大于使用较长的case1, case2安装环。安装环case3具有最高的引出束流。分析图 5b)~5d)可以发现对于1, 2, 3号放电室腔体引出束流随着栅极安装环长度改变的变化趋势是一致的, 栅极安装环长度从case4增加到case1的过程中, 引出束流具有明显上升的趋势。

改变栅极安装环长度对离子迁移距离有明显的影响, 栅极安装环长度越长则离子迁移距离就越大。0号离子源由于磁路结构的原因其ECR区的范围较小, 所以0号放电室腔体内的等离子生成效率低于另外3个腔体。在低流量条件下, 短栅极安装环造成栅极的离子抽取速度远大于离子生成速度, 所以0号腔体会出现引出束流下降为0的现象。在高流量条件下, 离子源内的等离子体密度增加, 栅极安装环的抽取能力小于该功率和流量下的离子生成速率, 栅极的引出不会破坏等离子体的平衡状态, 迁移过程中离子的损失和生成成为影响引出的主要因素。0号离子源受磁路结构限制, 磁体长度过短造成ECR区分布不连续, 不连续的ECR区分布使离子生成效率降低限制了等离子体生成, 导致离子迁移过程中碰撞复合反应占主导。迁移距离愈大, 离子损失愈多, 因此引出束流随着栅极安装环长度的增加而下降。2, 3号腔体在低流量条件下离子的产生效率低于栅极的抽取效率, 所以引出束流随着栅极安装环长度的增加而增加。1号腔体在低流量条件下表现出不同的现象, 原因可能是1号腔体由于磁路结构不同, 其离子生成效率更高。case4, case3栅极安装环较短, 栅极抽取能力大于离子生成能力, 引出束流随着栅极安装环长度的减小而下降。case2, case1栅极安装环较长, 栅极抽取能力较弱不足以破坏等离子体状态的平衡性, 在这种流量下碰撞复合反应占主导, 因此引出束流随着栅极安装环长度的增加而下降。在高流量条件下, 1、2、3号腔体表现出相同的规律, 引出束流随着栅极安装环长度的增加而增加, 原因是高流量情况下离子源内的离子迁移过程中激发电离反应的效率大于碰撞复合反应, 对于长的栅极安装环, 气体的激发电离概率随着离子迁移距离的增加而增加, 使得长栅极安装环可以引出比较高的离子束流。

改变栅极安装环结构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。低流量情况下, 离子源内的等离子生成效率低, 短的栅极安装环会使栅极抽取效率大于等离子生成效率, 从而导致引出束流下降。在高流量情况下栅极的引出不会破坏等离子体的平衡状态, 对于ECR区连续等离子生成效率高的离子源, 电子加热模式从单纯的ECR加热转变为ECR加热和高混杂加热共同作用。高混杂共振的条件是, 高混杂共振面随等离子体密度增长向弱磁场区扩展。长栅极安装环带来更大的源内空间有利于提高电子加热的范围, 从而提高栅极表面等离子体密度和引出束流。对于ECR区不连续等离子生成效率较低的离子源, 电子加热方式依然以ECR加热为主。短的栅极安装环带来更短的离子迁移距离有利于降低复合反应的碰撞频率, 从而提高栅极表面等离子体密度和引出束流。因此离子源栅极安装环长度选取应该综合考虑离子源的磁路结构和工作情况。

thumbnail 图5

不同栅极安装环长度下离子源引出束流变化规律(微波功率32 W)

2.3 氙和氩工质下离子源束流引出的影响

根据氩气工质条件下实验结果, 从启动性能、放电特性等方面综合考虑, 选取1号放电室腔体进行氙气工质条件下的引出束流实验。不同工质下, 1号放电室腔体结合不同栅极安装环的引出束流变化如图 6所示。从图中可看出, 氙工质条件下1号放电室腔体在4种栅极安装环条件下引出束流随气体流量变化呈现出相同的规律:随着气体流量增加, 引出束流会先经历一个爬升段(0.5~2 mL/min), 在2 mL/min情况下达到引出束流的最大值, 随后引出束流反而随着气体流量的增加而下降。

当气体流量小于2 mL/min不管是从引出束流的大小还是束流引出的稳定性来看, 采用氙气工质的离子源性能明显优于氩气工质。因为氙气的相对分子质量大且电离能量小, 相同流量情况下, 氙气更易电离, 所以在低流量下氙气工质离子源内的等离子密度要高于氩气工质离子源, 最终导致引出束流的增加。当气体流量高于2 mL/min后, 氙气工质的引出束流随气体流量增加开始出现下降, 而氩气工质的引出束流则继续随流量的增加而增加。造成这一现象的原因可能是随着气体流量增加, 源内中性粒子的密度增加, 氙气分子由于本身相对分子量较大扩散能力不强, 受进气位置的影响大量氙气分子聚集在ECR共振区附近。过高的中性粒子密度和更大分子体积加大了电子与中性粒子之间的碰撞频率, 大量自由电子与中性粒子发生激发碰撞而不是电离碰撞, 所以ECR共振区的中性粒子电离受到了抑制, 最终影响等离子体的产生降低了引出束流, 同时提高氙气的流量也会使栅极间的中性粒子密度上升, 加剧了离子在栅极间的损失。氩气分子具有更好的扩散性和较小的体积并没有出现碰撞频率过大的问题, 所以引出束流继续随着气体流量增加而增加。

thumbnail 图6

不同工质下离子源引出束流对比

3 结论

本文研究了不同磁体长度和栅极安装环长度对离子源引出性能的影响。得出以下结论:

1) 增加磁体长度有利于ECR区向离子源轴线方向扩展但同时会使磁场强度增强, 对等离子体的约束也随之增加。从具有不同磁体长度4个离子源的束流引出实验可以发现:ECR离子源引出束流随流量变化的曲线中存在不同的阶段。不同阶段下, 束流大小随气体流量变化的速率存在明显不同。磁体长度的改变会影响离子源的ECR区分布造成离子生成效率的改变最终影响离子源引出束流随流量变化的曲线形态。磁体长度过短时会引起ECR区的不连续分布从而造成离子源性能大幅度下降。在保证ECR区连续的情况下, 在高流量情况下较长的磁体长度使ECR区更靠近轴线有利于等离子体向栅极扩散从而提高栅极引出束流, 在低流量情况下, 较长的磁体长度对等离子体的约束更强, 限制了电子的运动, 从而影响了等离子体的生成, 最终导致引出束流下降。

2) 栅极安装环长度对引出束流的影响受到磁路结构和工作状态的共同作用。低流量情况下, 离子源内的等离子生成效率低, 短的栅极安装环会使栅极抽取效率大于等离子生成效率, 从而导致引出束流下降。高流量情况下栅极的引出不会破坏等离子体的平衡状态, 对于ECR区连续等离子生成效率高的离子源, 长栅极安装环带来更大的离子迁移距离有利于提高电子与中性粒子的碰撞频率, 从而提高栅极表面等离子体密度和引出束流。对于ECR区不连续等离子生成效率较低的离子源, 短的栅极安装环带来更短的离子迁移距离有利于降低复合反应的碰撞频率, 从而提高栅极表面等离子体密度和引出束流。因此离子源栅极安装环长度选取应该综合考虑离子源的磁路结构和工作情况。

3) 工质改变对离子源性能的影响较大。氙气分子的质量大且更容易电离, 因此使用氙气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。但是氙气扩散能力不强, 受进气位置影响气体流量较大时会出现中性分子过于聚集, 导致中性粒子与自由电子的碰撞过于频繁影响了电子能量的积累, 最终影响了电离效率使离子源的引出束流下降。

References

  1. Izumi Takehiro, Koizumi Hiroyuki, Yamagiwa Yoshiki, et al. Performance of Miniature Microwave Discharge Ion Thruster for Drag-Free Control[R]. AIAA-2012-4022 [Article] [Google Scholar]
  2. Nishiyama I, Tsukizaki R, Nishiyama K, et al. Experimental Study for Enhancement Thrust Force of the ECR Ion Thruster μ10[R]. AIAA-2014-3913 [Article] [Google Scholar]
  3. Nishiyama Kazutaka, Kuninaka Hitoshi, Nakai Tatsuya. Two-Dimensional Characterization of Microwave E-Fields and Beam Profiles of the ECR Ion Thruster μ20[R]. IEPC-2007-25 [Google Scholar]
  4. Kawahara Hiroki, Asakawa Jun, Yaginuma Kazuya, et al. Ground Experiment for the Small Unified Propulsion System: I-COUPS Installed on the Small Space Probe: PROCYON[R]. IEPC-2015-460p [Google Scholar]
  5. Yang Juan, Shi Feng, Jin Yizhou, et al. Experiment Study of an Electron Cyclotron Resonant Ion Source Based on a Tapered Resonance Cavity[J]. Physics of Plasmas, 2013, 20(12): 123505–123507 [Article] [NASA ADS] [CrossRef] [Google Scholar]
  6. Yang Juan, Shigeru Yokota, Ryotaro Kaneko, et al. Diagnosing on Plasma Plume from Xenon Hall Thruster with Collisional-Radiative Model[J]. Physics of Plasmas, 2010, 17(10): 103504–103508 [Article] [NASA ADS] [CrossRef] [Google Scholar]
  7. Yang Juan, Xu Yingqiao, Meng Zhiqiang, et al. Effect of Applied Magnetic Field on a Microwave Plasma Thruster[J]. Physics of Plasmas, 2008, 15(2): 023503–023507 [Article] [NASA ADS] [CrossRef] [Google Scholar]
  8. Yang Juan, Xu Yingqiao, Zhu Bing, et al. Experimental Study on the Characteristics of Low Power Microwave Plasma Jet within Local Vacuum Environment[J]. Physics of Plasmas, 2007, 14(9): 093508–093510 [Article] [NASA ADS] [CrossRef] [Google Scholar]
  9. Tang Mingjie. Electromagnetic Calculation Analysis and Ion Extraction Experiment of Micro Electron Cyclotron Resonance Ion Thruster[D]. Xi'an, Northwestern Polytechnical University, 2016 (in Chinese) [Google Scholar]
  10. Tang Mingjie, Yang Juan, Jin Yizhou, et al. Experimental Optimization in Ion Source Configuration of a Miniature Electron Cyclotron Resonance Ion Thruster[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(21): 215202–215207 [Article] (in Chinese) [Google Scholar]
  11. Jin Yizhou, Yang Juan, Feng Bingbing et al. Ion Extraction Experiment for Electron Cyclotron Resonance Ion Source with Different Magnetic Topology[J]. Acta Physica Sinica, 2016, 65(4):045201–045209 [Article] (in Chinese) [Google Scholar]
  12. Lieberman Michael A. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing[M]. PU Yikang, Translator, Beijing, Science Press, 2011 (in Chinese) [Google Scholar]

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10 cm ECR离子源结构图

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离子源不同磁体长度的静磁场计算结果

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