罗立涛,杨涓,*,金逸舟,孙俊,韩飞

1.西北工业大学航天学院,西安710072 2.上海空间智能控制技术重点实验室,上海201109

ECR中和器改进试验研究

罗立涛1,杨涓1,*,金逸舟1,孙俊2,韩飞2

1.西北工业大学航天学院,西安710072 2.上海空间智能控制技术重点实验室,上海201109

目前国内电子回旋共振(ECR)中和器的研究存在电子束流不能连续引出的问题,为此通过改进中和器天线结构及优化电子引出孔径来改善中和器的性能。试验结果表明:中和器结构改进及优化后其电子束流可以随着接触电压的升高而连续变化,同时提高了中和器的推进剂利用效率、降低了电子产生损耗。推进剂利用效率和电子产生损耗在中和器结构改进前后分别为1.278 9和194.573 W/A,1.659 8和126.3 W/A。试验还通过静电探针诊断出中和器耦合天线附近等离子体密度分布在1.72×1017～12.1×1017m-3范围内。

电子回旋共振;等离子体;中和器;推进剂利用效率;电子能量损耗

电子回旋共振离子推力器(Electron Cyclotron Resonance Ion Thruster,ECRIT)属于静电型离子推力器,具有结构简单、比冲高和寿命长的特点,适用于长时间工作的空间飞行器[1]。ECRIT由电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)离子源、ECR中和器、栅极系统电源和推进剂单元组成,其工作过程是离子源在微波能量作用下击穿气体形成ECR等离子体[2],其中的离子在加速栅极作用下被高速喷出产生推力;ECR中和器同样产生ECR等离子体并在离子束的作用下引出电子束流,因而离子束流得到中和、推力器系统得到电位平衡。

日本宇宙科学研究所从20世纪80年代开始研究ECRIT,2003年他们把10 cm的ECRIT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了ECRIT及其ECR中和器是寿命比较长的电推力器和中和器[3-4]。国内,西北工业大学开展ECRIT研究,试验研究了10 cm ECRIT不同磁路结构的ECR离子源内的等离子体分布和束流引出特性[5]。对ECR中和器,采用有限元分析软件计算了中和器内磁路和微波电磁场的分布规律,分析了电子的获能规律;以氩气为工质,试验研究了中和器的电子束流引出规律[6]。在中和器的试验研究中,发现电子引出需要一个比较高的引出电压临界值。就此问题,本文对ECR中和器的天线进行改进,同时优化电子引出孔板直径,开展电子束流引出试验,在不同磁路结构条件下研究引出束流的变化规律,确定中和器的最优结构,使改进后的中和器可以随着引出电压的调节连续引出电子束流[7]。

1 工作原理和束流引出试验系统

1.1 ECR中和器的工作原理

如图1所示,ECR中和器由L型天线、永磁体条、前后磁轭、气管和不锈钢衬组成[8-9]。其工作过程是微波以横电磁波模式(Transverse Electromagnetic Mode,TEM)通过L型天线输入到中和器,气体通入后,在微波能和磁场共同作用下,少量初始电子以频率ω=eB/me(其中e为电子电量,B为磁感应强度,me为电子质量)做回旋运动,电子回旋频率与微波频率相等时的空间表面为ECR面。ECR面上,电子与微波共振,电子最大限度耦合微波能量使气体放电,从而产生ECR等离子体,其中的电子在电位差作用下被引出。

图1 ECR中和器结构Fig.1 Structure of ECR neutralizer

衡量ECR中和器性能的参数主要有推进剂利用效率和电子产生损耗:

式中:Ie、˙mp、M分别为引出电子电流、气体质量流量和所用气体原子量;P和UB分别为微波功率和引出电压。研究中和器所追求的目标是最高的推进剂利用效率和最低的电子产生损耗,但是最高的推进剂利用效率意味着需要更多的能量去击穿气体和引出电子束流,所以这2个参数往往是一对矛盾,应折中处理[4]。

1.2 ECR中和器束流引出试验系统

如图2所示,试验系统由ECR中和器、微波源、隔直器、功率计、气体供应子系统、电子束流收集板、二维坐标架、可调电源、真空舱和真空泵机组组成。微波源输出功为率为5～20 W、频率为4.2 GHz。气体供应子系统输出0～10 mL/ min范围的氩气。二维坐标架在计算机控制下沿X和Y方向移动以控制电子束流收集板和中和器之间距离s。1 mL/min氩气流量下,真空舱工作真空度为3.1×10-3～3.5×10-3Pa。

图2 ECR中和器束流引出试验装置Fig.2 Experiment system of electron beam extraction from ECR neutralizer

2 试验与分析

2.1 试验中改进的结构

在原有中和器基础上,主要做的结构改进有:改变L型天线和微波接头的连接方式以提高中和器的性能;拓宽电子引出孔直径系列以研究电子束流随孔直径的变化规律。

2.2 试验方案

利用改进的L型天线,调整氩工质中和器结构,研究引出电子束流和中和器性能的变化规律。中和器结构依靠改变磁路结构、L型天线结构和电子引出孔直径的变化进行调整。

试验选取工作参数为氩气流量1 m L/ min-1、微波功率7.9 W、引出电压21～150 V, 6、8、10、12块磁体的4种磁路结构,标幺化孔径为5、4、3、2、1的5种电子引出孔板, 9种天线结构进行试验研究。天线尺寸如表1所示,其中a和b分别为L型天线到后磁轭端面和腔体内壁面之间的距离。

表1 天线结构及编号Table 1 Structure and number of antenna

2.3 试验结果与分析

(1)磁路结构和引出电压的影响

采用孔径4的电子引出孔板、4号天线,在氩气流量1 m L/min、微波功率7.9 W的条件下更换不同磁块数量改变磁路结构,进行电子束流引出试验,其中12块磁路结构中和器不能引出电子束流,其余3种磁路结构引出电子束流如图3所示。

图3 不同磁路下引出电子束流Fig.3 Electron beam current at different magnetic field conditions

3种磁路结构引出电子束流随电压变化趋势相同,随电压的增加引出电子束流先增加,达到最大值后再逐渐减小。其中10块磁路结构引出电子束流最大,在引出电压为80 V时,电流为154.8 m A;最大引出电流可在电压120 V时达到315.4 m A。根据文献[6],10块磁路结构磁感应强度ECR区面积最大且位置恰好与天线重合,因此有利于气体放电,产生的等离子体密度更高,故可以引出更大的电子束流。12块磁路结构由于磁感应过强,超过了ECR区所需值,致使电子做回旋运动的频率大于输入的微波频率,而无法达到共振,因此多次尝试无法使气体放电。

此外,由图3还可以看出,各磁路结构引出电子束流均可以分为两个模式。以10磁块为例,第一模式为低电流模式,引出电压小于60 V时,只能引出很小的电子束流,在该模式下引出电流最大可以达到26.4 m A。第二模式为大电流模式,当引出电压大于60 V时,随着电压的增加,引出电子束流大幅增加,引出电子束流可以达到300 m A以上。考虑到工作稳定性,取工作电压高于电流突变电压。对于10磁块中和器,工作电压为80 V。对于6磁块和8磁块有相同的结论,它们的电流突变电压分别为70 V和80 V。

引出电流突变现象可以通过图4来解释,假设中和器内壁面电势为Φw,放电室内等离子体电势为Φ,电子束流收集板电势为Φa。刚开始引出电子束流时有,Φw＜Φ＜Φa,Φw和Φ相差不大,壁面发射电子较困难。不断增大电子束流收集板电压时,Φa逐渐增大,Φ也逐渐增大,但Φw保持不变,因此Φw和Φ之间差值增大,中和器内等离子体中的离子以更高的能量通过鞘层溅射壁面,使壁面更容易发射电子,因此引出电子束流增加。

图4 中和器壁面和等离子体以及收集板的电势Fig.4 Potential distribution of the neutralizer surface, the plasma and the collection plate

(2)电子引出孔径的影响

采用10磁块磁路结构、4号天线,在氩气流量1 m L/min、微波功率为7.9 W条件下更换不同孔径电子引出孔板进行试验,通过试验观察到孔径为1和2时不能引出电子束流,其余3种磁路结构引出电子束流如图5所示。从图5中可以看出,电压小于110 V时,3种电子引出孔直径引出电子束流均随电压的增大而增加,且孔径4和5电子束流大小接近;引出电压增大到110 V后,孔径4电子束流随电压增大而逐渐减小。从图5中可知孔径3电子束流最小,孔径5引出电子束流最大。再根据孔径1和2的电子束流引出情况,得出孔径越小越难引出电子束流的结论。但考虑到孔径5电子引出孔径中和器放电室内压力过低,导致放电困难且不稳定,认为孔径4为最佳结构。在引出电压80 V时,引出电流为154.8 m A;最大引出电流可在电压120 V时达到315.4 m A。3种孔板结构引出的电子束流均出现了电流突变点,其中孔径3电流突变点为70 V,孔径4和5电流突变点为60 V。

图5 不同电子引出孔引出电子束流Fig.5 Electron beam current at differentorifice plate conditions

(3)天线结构的影响

采用10磁块磁路结构、孔径为4的电子引出孔,在氩气流量1 m L/min、微波功率为7.9 W条件下更换不同天线进行试验,电子束流引出试验结果如图6所示。

图6 不同天线结构引出电子束流Fig.6 Electron beam current at different antenna conditions

由图6可知,电压小于110 V时,各天线引出电子束流随电压变化趋势基本相似,随电压的增大引出电子束流增大,且基本都在引出电压60 V左右时发生电流突变。在引出电压80 V时,这9种天线最大引出电流为154.8 m A,最小值为92 m A,均可以满足离子源的中和要求。其中4号天线在相同电压下引出电子束流最大,说明其与ECR区重合度较好,故选4号天线作为中和器的最佳天线结构。9种天线在60～70 V时都出现了电流突变点。

(4)最优中和器结构的性能

经过以上试验可得出中和器最优结构为10磁块磁路结构、孔径4的电子引出孔、4号天线的中和器结构组合。在功率7.9 W时,不同流量下调节引出电压,进行最佳结构中和器电子束流引出试验,计算推进剂利用效率和电子产生损耗如图7所示。在相同引出电压下,流量从0.6 m L/min到1.2 m L/min,引出电子束流呈增大趋势。由于功率不变,流量过小时,微波功率没有被完全利用,导致中和器内部等离子体密度较小。图7表明,当流量增大为1.2 m L/min时,输入功率完全被利用,但是该功率下能电离的中性气体量有限,此时气体没有被完全电离,被电离的中性气体量和流量为1 m L/min时相等,因此等离子体密度不会继续升高,引出电子束流以及电子产生损耗和流量为1 m L/min时基本相等,而且推进剂利用效率要略低于流量为1 m L/min时,选择1 m L/min氩气流量为中和器工作流量。

可以看到图7(a)中的4种氩气流量下,除了0.6 m L/min以外,其他3种流量参数都出现了电流突变点,对于0.8 m L/min流量,电流突变点出现在90 V左右;而对于1 m L/min和1.2 m L/min,此突变点为60 V,考虑到工作的稳定性,不能取临界点作为长时间工作所用电压,工作电压应比此突变点稍大,且应能够满足离子源离子束流中和的条件,因此选择工作电压为80 V。综上,中和器最佳工作参数为氩气流量1 m L/min,引出电压80 V。

图7 最优中和器结构性能曲线Fig.7 Performance optimal structure of the neutralizer

(5)中和器内等离子体诊断

如图8所示,对最优结构中和器进行等离子体诊断时,调节功率和流量,将朗缪尔探针从中和器的电子引出孔伸入到x分别取0 mm、2 mm和4 mm的位置,分析这些位置等离子体密度与温度的变化规律。根据文献[5]和文献[10]的分析和试验研究,可以通过朗缪尔探针伏安特性曲离子饱和电流求得等离子体密度。

图8 探针诊断位置示意Fig.8 Position of the probe in diagnose experiment

图9为不同功率、不同位置x处的等离子体密度随氩气流量的变化规律,诊断所得等离子体密度分布在1.72×1017～12.1×1017m-3范围。可见,随着功率的增加,中和器内等离子体密度逐渐增加;探针越靠近L型天线,等离子体密度逐渐增加。对这些变化规律的分析如下:保持功率、位置不变,流量从0.8 m L/min增大到1.0 m L/min时,等离子体密度均增大,中性气体流量过小,限制了等离子体密度。当流量从1.0 m L/min增大到1.2 m L/min,功率为7.8 W、x=0,2,4 mm时,功率为9.8 W、x=0,2mm时,等离子体密度随流量增加而下降,说明微波功率愈低、离天线愈远,空间功率密度愈低,流量增加,气体电离度反而下降。功率为9.8 W、x=4 mm时,功率为11.2 W、x=0,2,4 mm时,等离子体密度随流量增加而增加,说明微波功率愈高、离天线愈近,空间功率密度愈高,流量增加,气体电离度增加,验证了中性气体电离主要发生在天线附近的ECR区,然后再向周围扩散的推断。

图9 中和器内等离子体密度诊断结果Fig.9 Diagnosed plasma density within neutrolizer

3 中和器结构改进前后性能对比

表2给出结构改进前后以及国外ECR中和器的性能对比[6,10-11],与改进前相比可以连续引出电子束流,而且在工作电压下引出电子束流也从103.8 m A提高到了154.8 m A;但与国外中和器相比依然存在很多差距,突变电压和工作电压均高于国外,但引出电流却小于国外。

表2 各中和器性能对比[6,10-11]Table 2 Performance of different neutralizer[6,10-11]

下面分析表2中中和器性能的差异。

3.1 结构改进后中和器可以连续引出电子束流

改进前采用孔径3的电子引出孔板,电子束流不能连续引出。改进后,采用孔径4的电子引出孔板,引出电压从21 V逐渐增大,引出电子束流也会逐渐增大。

此现象由不同孔径电子引出孔处的不同鞘层特征引起。如图10所示,d为电子引出孔直径,r为鞘层厚度,当d≤r时,中和器等离子体中的电子要穿过鞘层并克服鞘层电势才能被引出,所以电子引出困难。当d＞r时,在电子引出孔处存在等离子体桥,电子不需要克服鞘层电势而能被容易引出。

图10 等离子体鞘层与电子引出孔径关系Fig.10 Relationship between plasma sheath and orifice diameter

3.2 改进后中和器和国外中和器突变电压的差异

(1)国内外中和器工质不同

国内外中和器分别采用氩气和氙气为工质。内壁面相对于等离子体电势为Φw=-Te·其中M为离子质量,m为电子质量。经计算可得对于氩气,壁面电势Φw≈-4.7Te,而氙气为Φw≈-5.3Te,因此,氙气等离子体壁面电势低于氩气等离子体壁面电势,所以氙气等离子体和中和器壁面之间具有更大的电势差,氙离子轰击壁面时的能量更高,使壁面更容易发射电子,这使得氩气中和器的突变电压高于氙气[12]。

(2)国内外腔体壁面材料不同

国内外中和器内壁壳体材料分别为不锈钢和钼,而金属钼材料表面电子的逸出功低于不锈钢,这使得国外中和器内壁面更容易逸出电子,从而进一步降低了突变电压。

上述两点差异,都促使改进后的中和器突变电压高于国外,为了保证中和器能够稳定工作,工作电压应略高于突变电压[13],因此该中和器的工作电压也高于国外。工作电压过高不仅使中和器消耗的功率过大,而且会加剧中和器内壁面的离子溅射造成内壁面污染,致使中和器的使用寿命缩短[14-15],因此下一步还需继续改善。

4 结束语

本文试验研究结构改进后ECR中和器引出电子束流、推进剂利用效率和电子产生损耗的变化规律,试验诊断中和器内部等离子体密度随流量、微波功率和位置的变化规律,得到的结论如下:

1)试验确定的中和器最佳结构为10磁块磁路结构、孔径4的电子引出孔、4号天线的中和器结构组合,在此结构下中和器在引出电压80 V,气体流量1 mL/min时,可以引出的电子束流为154.8 m A,此时推进剂利用效率和电子产生损耗分别为1.6598和126.3 W/A。

2)通过诊断得出中和器内等离子体密度约为1.72×1017～12.1×1017m-3,随着流量和功率的增大,等离子体密度都会提高,而且位置越靠近L型天线,等离子体密度也会越高。

3)改进后的中和器和之前相比可以连续引出电子束流,而且在电压达到60 V时可以出现引出电流的突变,使电子束流突然增大,满足离子源离子束流中和的需求。

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(编辑:车晓玲)

Experiment to improve the performance of an ECR neutralizer

LUO Litao1,YANG Juan1,*,JIN Yizhou1,SUN Jun2,HAN Fei2
1.College of Astronautics,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China 2.Shanghai Key Laboratory of Space Intelligent Control,Shanghai 201109,China

The problem about domestic electron cyclotron resonance neutralizer is that electron beam can't be extracted continuously at the variation of bias voltage.To overcome this,an experiment of neutralizer electron beam extraction was carried out to improve the performance through changing the antenna structure and adjusting the size of the electron extraction aperture. The experimental results show that the electron beam can be extracted continuously with the increasing of the bias voltage.The propellant efficiency and electron energy loss for the improved neutralizer under the operation conditions are 1.6598 and 126.3 W/A respectively,while 1.278 9 and 194.573 W/A respectively before neutralizer improvement.The plasma density within the neutralizer diagnosed by the Langmuir probe is in the range of 1.72×1017～12.1×1017m-3.

electron cyclotron resonance(ECR);plasma;neutralizer;propellant efficiency; electron energy loss

V43

:A

10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0008

2015-11-12;

:2015-12-15;录用日期:2016-01-18;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-02-24 13:39:53

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1339.011.html

罗立涛(1990-),男,硕士研究生,lltlyj@163.com

*通讯作者:杨涓(1963-),女,教授,yangjuan@nwpu.edu.cn,主要研究方向为空间电推进

罗立涛,杨涓,金逸舟,等.ECR中和器改进试验研[J].中国空间科学技术,2016,36(1):35-42.LUO L T,YANG J,JIN Y Z,et al.Experiment to improve the performance of an ECR neutralizer[J].Chinese Space Science and Technology,2016,36(1):35-42(in Chinese).

http:∥zgkj.cast.cn