Study on influence of propellant flow rate on ECR ion source beam current

Hao MOU; Hai GENG; Xianming WU; Yanxu PU; Renwei TAN; Juan YANG

doi:10.1051/jnwpu/20244250793

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Volume 42 / No 5 (October 2024)

JNWPU, 42 5 (2024) 793-800

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Issue		JNWPU Volume 42, Number 5, October 2024


Page(s)		793 - 800
DOI		https://doi.org/10.1051/jnwpu/20244250793
Published online		06 December 2024

JNWPU 2024, 42(5): 793–800

Study on influence of propellant flow rate on ECR ion source beam current

工质流量对ECR离子源束流影响研究

Hao MOU (牟浩)¹, Hai GENG (耿海)², Xianming WU (吴先明)², Yanxu PU (蒲彦旭)², Renwei TAN (谈人玮)¹ and Juan YANG (杨涓)¹

¹ School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
² Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China

Received: 25 August 2023

Abstract

The electron cyclotron resonance (ECR) ion source with grid inlet has the characteristics of low propellant supply pressure and no cathode required for operation, so it has the potential for application in atmosphere breathing electric propulsion. The flow rate has a significant impact on the beam current of the ion source. When the flow rate exceeds the critical flow rate, the increase of the ion beam is suppressed. To clarify the determining factors that limit the increase of ion beam flow, this paper conducted Langmuir probe diagnostic experiments on ECR ion sources with grid inlet driven by nitrogen gas at different flow rates, and calculated the distribution of ordinary (O) wave cutoff region and electron energy acquisition indicators based on the diagnostic results. The research results indicate that when the flow rate is below the critical flow rate, the ion density rapidly increases with the increase of flow rate, and the main factor limiting the increase of ion beam is the neutral gas density. When the flow rate exceeds the critical flow rate, the O wave cutoff zone almost covers the entire main plasma production aera, which leads to a decrease of one order of magnitude in the efficiency of electron energy acquisition. At this moment, the main factor limiting the increase of ion beams shifts to electron temperature.

摘要

栅格进气道电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)离子源推进剂供给压强低、无阴极, 有应用于吸气式电推进系统的潜力。流量对离子源的束流影响显著, 当流量超过临界流量时, 离子束流的增长受到抑制。为明晰限制离子束流增长的根本原因, 开展不同流量下氮工质栅格进气道ECR离子源的Langmuir探针诊断实验, 并基于诊断结果计算了寻常(ordinary, O)波截止区和电子获能指标的分布。研究结果表明, 当流量低于临界流量时, 随着流量增加, 离子密度快速增加, 限制离子束流增长的主要因素是中性气体密度。当流量超出临界流量时, O波截止区几乎覆盖整个等离子体产生区域, 这导致电子能量获取效率下降了一个数量级。此时, 限制离子束流增长的主要因素转变为电子温度。

Key words: electron cyclotron resonance ion source / plasma diagnosis / flow rate / atmosphere breathing electric propulsion

关键字 : 电子回旋共振离子源 / 等离子体诊断 / 流量 / 吸气式电推进

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卫星运行于超低地球轨道(very low Earth orbit, VLEO, < 250 km)具有发射成本低、通信损耗小和对地观测精度高等优势[1–3]。然而, VLEO面临着较大的大气阻力, 维持轨道需要不断地消耗推进剂。这限制了卫星在该轨道的长期驻留[4]。为解决这一问题, 使用轨道稀薄大气作推进剂的吸气式电推进(atmosphere breathing electric propulsion, ABEP)技术被提出。VLEO大气主要由氮分子和氧原子组成, 氧对阴极的腐蚀是ABEP研究的一个关键挑战[5]。电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)离子源采用无碰撞的ECR机制产生等离子体, 无需热阴极, 有应用于ABEP的潜力[6]。在前期研究中, 为降低推进剂供给压强, 本课题组提出了一种栅格进气道ECR离子源[7]。研究表明, 该进气道的推进剂供给压强仅为传统小孔进气道的0.26。

流量对ECR离子源的离子束流影响显著。国内外ECR离子源的研究经验表明存在临界流量[8–10], 当流量低于临界流量(简称“临界流量前”)时, 离子束流随流量的增加而快速增加; 当流量高于临界流量时(简称“临界流量后”), 随流量增加, 离子束流会趋于饱和或快速下降。Tani等[9]通过磁路优化提高了临界流量, 进而将离子源的束流提高了16%。Tsukizaki等[11–12]通过光学探针诊断了不同流量下离子源轴线处的电场和激发态氙密度的分布。研究表明, 临界流量后, 圆波导内电场和激发态氙密度高于临界流量前; 等离子体对微波的衰减可能是限制离子束流增长的主要因素。

上述研究仅限于氙工质ECR离子源, 且激发态氙的密度分布与等离子体的密度分布并不完全等同, 但其为揭示限制离子束流增长的内在机理指明了方向——等离子体诊断。Langmuir探针可应用于低气压、非平衡等离子体的诊断, 能够在宽泛的实验条件下获得局部等离子体的参数分布。Funaki等[13]使用Langmuir探针诊断了氙工质ECR离子源内的等离子体。但是, 受限于磁场对诊断结果的影响, 仅得到了离子饱和电流和悬浮/空间电势。保持探针轴线与磁力线垂直, 可将磁场对诊断结果的影响降到最低[14–16]。基于这一理论, 文献[17–18]采用弯曲的Langmuir探针研究了磁路对2 cm和10 cm ECR离子源内等离子体分布的影响。

针对VLEO大气的主要成分氮气, 基于前述栅格进气道ECR离子源, 本文开展其在临界流量前后的弯曲Langmuir探针诊断实验, 并进一步探究了临界流量前后限制ECR离子源离子束流增长的主要原因。

1 ECR离子源的结构和Langmuir探针诊断实验

1.1 ECR离子源的结构

如图 1所示, 栅格进气道ECR离子源主要由进气道、进气栅格、圆波导、球形天线、放电室、内外磁环和栅极系统组成。进气栅格安装于进气道和圆波导之间, 兼顾进气和防止微波能量泄漏的功能[7]。球形天线安装于圆波导内部, 微波从此处注入离子源。内、外磁环嵌入放电室内壁, 它们在离子源内产生一定的磁场, 形成ECR区。实验使用的微波频率为4.2 GHz, 对应ECR区的磁通密度为0.15 T。栅极系统由屏栅和加速栅组成, 具体可见文献[7]。

图1

栅格进气道ECR离子源

1.2 Langmuir探针诊断实验

1.2.1 诊断实验系统

如图 2a)所示, 诊断实验系统主要由固态微波源、环形器、衰减器、功率计、ECR离子源、Langmuir探针、2D坐标架和扫描电源组成。实验前对离子源的入射微波功率进行校准, 反射功率通过功率计测量[8]。将探针插入带有高电压的栅极系统来诊断离子源内的等离子体是困难的[13]。因此, 实验在不引出离子束流(栅极接地)的条件下进行, 并采用如图 2b)所示的开槽栅极代替栅极系统以便探针通过和移动。开槽栅极的结构参数如表 1所示。如图 2b)所示, Langmuir探针由陶瓷管和钨丝组成, 电流收集段钨丝的直径和长度分别为0.2和7 mm; 2D坐标架控制探针在x, z方向逐步移动。诊断点位于如图 2c)所示网格的格点处, x, z方向相邻诊断点的间距均为5 mm。图中的红色线和带箭头的黑色线分别代表ECR区、磁力线, 其分布通过COMSOL Multiphysics软件计算获得。

图 3为典型的Langmuir探针I-V曲线。该曲线可被探针悬浮电势V_f、等离子体电势V_p分为三段。其中, V_f为收集电流为0的点; V_p为电子电流段曲线的拐点, 可通过计算Ⅰ-Ⅴ曲线的二阶导数确定[19]。根据轨道运动限制方法, 离子密度和电子温度可分别通过(1)~(2)式获得[20–22]。

式中, A_p, e, k, M, I_i和I_t分别为探针表面积、电子电荷量、玻尔兹曼常数、离子质量、离子饱和区的收集电流、过渡区域的收集电流。

图2

诊断实验系统

表1

开槽栅极的结构参数

图3

Langmuir探针的I-V曲线

1.2.2 诊断实验工作参数设置

屏栅电压1 350 V、加速栅电压-350 V时, 不同微波功率下, 离子束流随流量的变化如图 4所示。

令P_i, q分别为微波功率和推进剂流量。当P_i=25 W, q=3 mL/min时, 离子源可以正常启动, 但无法维持设定电压下的离子引出, 因而离子束流和推进剂利用率记为0。不同微波功率下, 离子束流和推进剂利用率随流量的变化趋势相近。当q≤4 mL/min时, 离子束流和推进剂利用率随着流量的增加而增加; 当q>4 mL/min时, 随着流量增加, 离子束流缓慢增加、趋于饱和, 而推进剂利用率则快速下降。综上所述, 氮工质栅格进气道ECR离子源的临界流量在4 mL/min附近。

诊断实验工作参数如表 2所示。

实验在不引出离子束流的条件下进行, 并使用开槽栅极代替栅极系统。因此, 相同流量下诊断实验和引出实验所对应的离子源内氮气分子数密度n_n并不相等。为了验证诊断实验设置的流量是否落在预期区间, 即3, 6和9 mL/min分列临界流量工况两侧, (3)~(4)式被联立以求得不同流量对应的n_n[23], 计算结果如图 5所示。

式中, N_in, v_n, I_b, A_g, C, L, H, A分别为单位时间进入离子源的分子数、分子热运动速度、离子束流、栅格开孔面积、栅格流导、栅孔周长、栅孔厚度、栅孔面积。

图 5中2条蓝色虚线从上到下依次为图 4中P_i=25 W, P_i=35 W时临界流量4 mL/min所对应的n_n。从图中可以看出, 诊断实验使用3 mL/min流量时, 其n_n始终处于2条蓝色虚线的下方, 离子源处于临界流量前的状态; 使用6, 9 mL/min流量时, 其n_n始终处于2条蓝色虚线的上方, 离子源处于临界流量后的状态。综上所述, 诊断实验的流量设置与表 2中的预期相符。

图4

离子束流和推进剂利用率随推进剂流量的变化

表2

诊断实验工作参数

图5

离子源内氮气分子数密度随推进剂流量的变化

2 结果与讨论

2.1 诊断实验结果

P_i=35 W时, 离子源的诊断结果如图 6所示。图中酒红色线所包围的区域为寻常(ordinary, O)波截止区, 其截止条件为。其中, ω, ε₀, m_e分别为微波频率、真空介电常数和电子质量。受磁场影响, 从Langmuir探针的I-V曲线获得准确的电子数密度是困难的[14]。因此, 在计算中使用准中性假设, 以离子数密度代替电子数密度。由于诊断区域远离壁面, 这一假设是合理的, 并不会给截止区的计算带来显著差异。对于右手螺旋偏振波和异常波的截止区, 计算发现这两者随流量变化并不显著, 因此图中并未给出。

从图 6可以发现, 不同流量下, 离子和热电子主要分布于与ECR区相交且磁力线闭合的磁场区域, 这个区域可定义为“主等离子体产生区(main plasma production aera, MPPA)”。在MPPA中, 电子受磁镜约束, 可以多次穿越ECR区获得能量[18, 24]。同时, ECR离子源中的电离主要由热电子引发[25], 所以离子和热电子的分布合理。从图 6中还可以发现, 电子温度随流量增加呈现逐渐下降的趋势, 其中MPPA电子温度的下降速度远高于其他区域。O波截止区以及离子密度随流量增加的变化趋势是非单调的。当流量由3 mL/min增加至6 mL/min, O波截止区由栅极一侧几乎扩展至整个MPPA; 离子密度呈现爆发性增长, 密度峰值由3.38×10¹⁷ m^-3增长至5.35×10¹⁷ m^-3。当流量进一步增加至9 mL/min, O波截止区向内磁环一侧收缩; 离子密度小幅下降, 峰值降至4.70×10¹⁷ m^-3。

P_i=25 W时, 离子源的诊断结果如图 7所示。当q=3 mL/min时, 离子源内离子密度峰值仅为1.62×10¹⁷ m^-3, 不足以截止O波; 蓝色线包围区域电子温度超出氮气电离能(15.58 eV), 这表明当前流量下氮气密度是限制等离子体产生的主要因素。随流量增加, 离子源内等离子体参数分布和O波截止区的变化规律与P_i=35 W的工况基本一致。结合图 6和图 7, 可以发现, 对于MPPA以外的区域, 高、低功率离子源电子温度无明显差异; 在MPPA中, 低功率离子源电子温度明显更高, 且更高的区域主要分布在两者O波截止区覆盖存在差异的区域。

图6

P_i=35 W时离子源诊断实验结果

图7

P_i=25 W时离子源诊断实验结果

2.2 讨论

离子束流取决于离子源的引出能力和等离子体产生能力。其中, 引出能力由推力器头部尺寸和栅极电压共同决定, 流量对其影响可以忽略不计。因此, 流量对离子束流的影响等同于其对等离子体产生能力的影响。等离子产生能力可通过电离反应速率来评估。电离反应速率定义为

式中: N_e, σ_ion, c_ref分别为电子数目、电子和氮气分子的电离碰撞截面、电子和氮气分子的相对运动速度; σ_ion, c_ref仅为电子温度T_e的函数。流量对等离子产生能力的影响可分解为其对N_e, n_n, T_e 3个参数的影响。

达到临界流量前, 限制离子源等离子体产生的主要因素为n_n。如图 4所示, 临界流量前, 推进剂利用率随流量增加而增加。如图 6~7所示, 临界流量前, P_i=35 W和P_i=25 W的工况中, MPPA内大部分区域的电子温度在12~14 eV、12~16 eV范围内。假设电子温度服从麦克斯韦分布, 则这些区域能量超出氮分子电离能的电子占比分别为0.27~0.34, 0.27~0.40。这两者表明, 临界流量前的等离子体产生中, 氮气分子密度过低。

达到临界流量后, 限制离子源等离子体产生的主要因素为T_e。如图 4所示, 临界流量后, 推进剂利用率随流量增加而下降。如图 6~7所示, 临界流量后, MPPA中离子密度骤升, 电子温度骤降。这两者表明, 临界流量后的等离子体产生中, 氮气分子和电子充足, 但电子温度过低。

流量对电子温度的影响主要体现在电子能量的损失与获得。一方面, 随着流量增加, 电子和氮气分子的各类碰撞加剧, 电子能量损失频率升高。另一方面, 随着流量增加, 达到临界流量前等离子体产生的限制被解除, 离子密度快速增加, 并在离子源内形成截止区阻碍电子能量的获得。这也解释了MPPA(O波截止区主要存在区域)中更大的电子温度下降幅度, 以及低功率离子源在高低功率离子源O波截止区覆盖存在差异区域更高的电子温度。

令人困惑的是, O波是一种微波电场与静磁场方向平行的波, 并不直接参与电子的加热。为验证O波截止区对电子温度的影响是否有效, 有必要计算不同工况下的电子获能。电子单次穿越ECR区获得的平均能量可通过计算, E_⊥, v_‖, 分别为电场垂直磁力线方向的分量、电子速度平行磁力线方向的分量、ECR区磁场关于磁力线的梯度。仅与离子源结构和工作参数有关, 常用作衡量电子获能的指标。其中, E_⊥可基于冷等离子体假设采用文献[18]的计算方法得到。

电子获能指标计算结果如图 8所示。临界流量前, 低功率工况, 不存在O波截止区, 内外磁环中间区域电子获能指标最高; 高功率工况, 不存在O波截止区的内磁环区域电子获能指标最高。当流量增加至6 mL/min时, 高、低功率离子源中, O波截止区大幅扩张, 电子获能指标平均值大幅下降, 分别由1.53×10⁸, 1.92×10⁸降至2.75×10⁷, 3.32×10⁷。当流量进一步增加至9 mL/min时, 高、低功率离子源中, O波截止区小幅缩小, 电子获能指标平均值小幅上升, 分别升至4.06×10⁷, 8.97×10⁷。上述结果表明, O波截止区对电子获能指标的影响显著, 区域的扩张和收缩分别对应电子获能指标平均值的下降和升高。电子获能指标决定了电子的能量获取效率, 对T_e的影响重大。因此O波截止区对T_e的影响是切实有效的。

图8

不同流量下的电子获得指标对比

3 结论

本文采用弯曲的Langmuir探针, 测量了临界流量前后氮气工质栅格进气道ECR离子源离子密度和电子温度的分布, 并分析了限制离子束流增长的主要因素。结论如下:

1) 离子和热电子主要分布于MPPA, 电子温度随着流量的增加而逐渐下降, MPPA中电子温度的下降幅度远高于其他区域。达到临界流量前, 随着流量增加, 离子密度爆发性增长, O波截止区大幅扩张; 临界流量后, 随着流量增加, 离子密度下降, O波截止区小幅收缩。

2) 临界流量前后限制离子束流增长的主要因素分别为中性气体密度和电子温度。限制因素的不同是造成离子束流随流量变化趋势改变的根本原因。O波截止区通过阻碍电子能量获得影响电子温度, 这一机制主要作用于临界流量后。此时, 对应O波截止区的扩张, 代表电子能量获取效率的电子获能指标相比临界流量前下降了一个数量级。

References

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All Tables

开槽栅极的结构参数

诊断实验工作参数

All Figures

	图1 栅格进气道ECR离子源
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	图2 诊断实验系统
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	图3 Langmuir探针的I-V曲线
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	图4 离子束流和推进剂利用率随推进剂流量的变化
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	图5 离子源内氮气分子数密度随推进剂流量的变化
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	图6 P_i=35 W时离子源诊断实验结果
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	图7 P_i=25 W时离子源诊断实验结果
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	图8 不同流量下的电子获得指标对比
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