氮气工质10 厘米ECRIT 中和器实验研究

谈人玮 杨涓† 耿海 吴先明 牟浩

1) (西北工业大学航天学院,西安 710072)

2) (兰州空间技术物理研究所,真空技术与物理重点实验室,兰州 730000)

10 厘米电子回旋共振离子推力器(ECRIT)可以多类型气体工作,应用于吸气式电推进系统具有可行性,研究氮气工质ECRIT 的ECR 中和器是研究氮氧工质ECRIT 的基础.当传统氙气工质10 厘米ECRIT 的ECR 中和器以氮气为工质工作时,由于氮气分子量较低,离子容易漂移出中和器,引出电子电流减小,已不适合以氮气为工质工作.本文基于10 厘米传统ECR 中和器,以抑制离子漂移出中和器、提升电子引出性能为目的,实验研究适用于氮气工质工作的双极ECR 中和器.结果表明,在气体质量流率0.04 mg/s、输入功率10 W 的条件下,以氮气为工质工作,引出电子电流134 mA 时,传统ECR 中和器所需的阳极电压为150 V,而双极ECR 中和器仅需50 V 的阳极电压,下降了约67%;阳极电压40 V 时,传统ECR 中和器的功率损耗为1204.82 W/A,而双极ECR 中和器的功率损耗为95.23 W/A,约为前者的8.3%.氮气工质双极ECR 中和器的离子屏蔽效果显著,电子引出性能得到改善.

1 引言

吸气式电推力器以稀薄大气为工质工作[1],无需储备推进剂,可配备于低轨道(150—300 km)飞行器以补偿大气阻尼[2],降低飞行器结构质量的同时,解决了由推进剂储备限制带来的寿命问题.目前各国正在开展不同类型电推力器的相关研究,如霍尔推力器[3]、射频离子推力器[4]、会切磁场等离子体推力器[5]、感应加热等离子体推进器[6]、电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)[7,8]等.

吸气式电推力器工作的低轨道环境大气主要由氮气分子和氧原子组成[9],轨道阻尼随轨道高度和太阳活动实时变化[4].由于ECRIT 可以多种工质工作、无热阴极、推力连续可调等特点[10],具有应用于吸气式电推进系统的可行性.为了规避氧原子腐蚀性对推力器的影响,先开展氮气工质电推力器的研究可以为后续研究工作奠定基础.

ECRIT 由电子回旋共振(ECR)离子源和中和器组成,其中ECR 中和器用于发射电子,保持推进系统的电中性,是推力器的重要组成部分.截至目前,有关氮气工质10 cm ECRIT 中和器的研究几乎空缺,而氙气工质10 cm ECRIT 中和器已经在2003 年和2014 年应用于日本隼鸟号和隼鸟2 号深空探测器[11,12],并开展了许多基础研究.文献[13]通过在中和器外添加磁场屏蔽板,使得中和器在输入功率8 W,氙气质量流率0.069 mg/s,阳极电压37 V 的条件下,引出电子束流由176 mA 增至206 mA,功率损耗由45.5 W/A 降至38.8 W/A.国内对此类型中和器也开展过研究,文献[14,15]分析了氙气10 cm ECRIT 中和器的电子引出双通道现象.文献[16,17]通过优化中和器磁路、天线与电子引出板结构,提升了中和器的电子引出性能,使得中和器在输入功率10 W,氙气质量流率0.049 mg/s,阳极电压100 V 条件下可以引出219 mA 的电子束流,功率损耗为45.7 W/A.尽管国内近期针对ECRIT 中和器的研究均使用的氙气工质,但是这些结论仍可以为氮气工质10cm ECRIT 中和器的研究提供参考.本文定义上述国内外研究的针对氙气工质的10 cm ECRIT 中和器结构为传统ECR 中和器.

本文针对传统ECR 中和器工质由氙气转变为氮气后离子漂移出中和器的现象,通过引入屏蔽离子的双极板,构成适用于氮气工质的双极ECR 中和器.本文首先介绍传统和双极ECR 中和器结构、原理和电子引出机制,并通过离子密度诊断分析传统ECR 中和器以氮气为工质工作时存在的问题;然后介绍实验系统和静电场仿真模型,通过计算和实验验证双极板结构屏蔽离子的有效性,并对比传统和双极ECR 中和器分别以氮气和氙气为工质工作时的电子引出性能.

2 传统ECR 中和器与双极ECR 中和器

2.1 传统ECR 中和器及其电子引出机制

传统ECR 中和器结构如图1 所示,主要由永磁体、前后磁轭、L 型天线和电子引出板组成.其中永磁体和前后磁轭在中和器内部形成封闭的磁镜场和开放的磁场,在中和器引出小孔下游形成磁通密度较低的磁阱[14].4.2 GHz 的微波能量通过L 型天线馈入放电室,电子在磁镜场中做往返运动,并沿着磁力线做回旋运动.当电子运动到ECR区(B=0.15 T)时,电子回旋频率与微波频率相等,电子与微波右旋圆极化波发生等相位共振,大量吸收微波能量,形成高能电子并碰撞电离中性气体,产生等离子体,其中的电子在外界离子源离子束流或阳极板的高电势作用下被引出形成电子束流[15].

图1 10 厘米ECR 中和器结构Fig.1.10 cm ECR neutralizer structure.

2.2 氙气和氮气工质传统ECR 中和器诊断

当传统ECR 中和器以氮气为工质工作时,相同工作参数下的引出电子电流将远低于以氙气为工质工作时的中和器.从过往针对氙气工质的研究[14,15]来看,中和器的引出机制和结构设计是正确可行的.为了探究其中的原因,在气体质量流率为0.04 mg/s,输入功率10 W 的条件下,对氮气工质传统ECR 中和器内部用Langmuir 探针进行诊断,使用弯曲探针以减小磁场对诊断数据的影响[18].氙气的探针诊断不再赘述,可以参考之前的工作[15].对于氮气,由于二价电离和离解反应所需的能量高[19],认为在该功率下发生的可能性很小.所以在诊断中,将收集到的正电荷均视为.

图2 所示为距离传统ECR 中和器轴线3 mm处诊断的离子密度分布,其中可以观察到Xe+密度梯度的变化,孔口附近的Xe+密度低于放电室内部,而孔口附近的密度却远高于放电室内部.

图2 氙气和氮气工质传统ECR 中和器离子密度分布诊断Fig.2.Ion density distribution diagnosis of typical ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

在ECR 中和器内,电子被磁场磁化,因此被约束在磁镜中持续获得能量,而离子的拉莫尔运动半径大于ECR 中和器的特征长度,没有被磁化,其运动主要受静电场控制.由文献[15]可知离子在ECR 中和器电子引出板小孔附近的运动受静电场影响是一个先加速后减速的过程.的相对分子量约为28,Xe+的相对分子量约为131,由受力方程v2=2aS=2(qE/m)·S可知,在相同的静电场作用下,的运动速度约为Xe+的两倍,即在ECR 中和器加速段获得的最大速度约为Xe+的两倍.由于Xe+速度较慢,从而容易被减速电场限制,不能离开中和器,而由于速度较快,减速电场不再能限制其离开中和器,导致内部等离子体密度、电子引出束流降低.可见传统ECR 中和器以氮气为工质工作,性能将有所下降.

2.3 双极ECR 中和器及其离子屏蔽

为了抑制ECR 中和器氮气离子漂移出中和器,在图1 的电子引出板下游增加离子屏蔽板,构成双极板结构如图3 所示.

图3 双极板结构Fig.3.Bipolar plate structure.

定义电子引出板和离子屏蔽板间隙为双极板间隙L,相应的ECR 中和器成为双极ECR 中和器,其磁阱空间位置与传统ECR 中和器相同.为节省电能消耗,用一台电源满足双极ECR 中和器的工作需要,电子引出板接电源负极,离子屏蔽板接地.受双极板小孔处局部电场影响,磁阱内聚集的等离子体将产生电荷分离,离子返回中和器,电子被加速引出.和传统ECR 中和器相比,对氮气离子将产生更强的屏蔽作用以降低氮气离子逃逸率、避免氮气等离子体密度和引出电子电流的降低.

3 实验系统及仿真模型的建立

3.1 中和器电子引出实验系统

图4 所示为传统ECR 中和器的电子引出实验系统,由气路、微波线路和电路组成.气路主要部件为气瓶、质量流率控制器.微波线路主要部件为微波源、环形器、功率计和隔直器.电路中中和器和真空舱壁面接地,电子引出板和中和器壁面相互导通,金属阳极板接电源正极,中和器电子引出板和金属阳极板的间距为5 mm.设和Pi为气体质量流率和输入功率;VA为阳极板与地电势差,简称阳极电压;Ie为中和器的引出电子电流,也为阳极板收集的电子电流,通过串联的电流表测得.

图4 传统ECR 中和器的电子引出实验系统Fig.4.Experiment system for the electron extraction of typical ECR neutralizer.

图5 所示为双极ECR 中和器的电子引出实验系统,其中气路和微波线路与图3 所示实验系统相同.图5 电路中,中和器壁面和电子引出板接电源负极,离子屏蔽板接地,阳极板收集电子电流.并设VW为电子引出板与地电势差,简称双极板电压;Is为离子屏蔽板截获电子电流,通过串联的电流表测量.双极ECR 中和器电子引出总电压Vt=VA-VW,引出总电子电流It=Ie+Is.对于传统ECR中和器,电子引出总电压Vt=VA,引出总电子电流It=Ie.为了避免离子通过壁面鞘层产生的溅射现象,设置VW≥49 V[20].

图5 双极ECR 中和器的电子引出实验系统Fig.5.Experiment system for the electron extraction of bipolar ECR neutralizer.

3.2 电子引出实验中双极ECR 中和器的静电场仿真模型

通过COMSOL 软件中的静电场模块建立电子引出实验中双极ECR 中和器的静电场仿真模型,如图6 所示,各结构的材料和相对介电常数εr已于图中标出.计算静电场时,天线设置为初始电势为0 V 的悬浮电位,其余结构按实验需求,设置对应的电势.由于本研究内容主要为电子引出孔处的离子屏蔽,仅需截取电子引出孔附近的局部电场进行分析,分析截面已于图6 中标出.

图6 双极ECR 中和器的静电场仿真模型Fig.6.Electrostatic field simulation model of bipolar ECR neutralizer.

4 实验结果与讨论

4.1 氮气和氙气工质对传统ECR 中和器电子引出性能的影响

氮气和氙气工质传统ECR 中和器的电子引出实验结果如图7 所示.

图7 氮气和氙气工质传统ECR 中和器的引出电子电流随阳极电压的变化曲线Fig.7.Extracted electron current vs.anode voltage of typical ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

以氙气为工质时,在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的条件下,引出电子电流在阳极电压VA=20 V时快速增长,VA=40 V 时达到200 mA,VA=50 V 时趋近饱和,Ie=237 mA.以氮气为工质时,在相同质量流率和输入功率的条件下,引出电子电流在VA=50—70 V 时有小幅的突增,其余阶段均缓慢增长,VA=150 V 时趋近饱和,Ie=134 mA.相比于氙气工质传统ECR 中和器,氮气工质传统ECR 中和器的引出电子电流达到饱和电子电流时需要的阳极电压更高,但是引出电子电流更低.传统ECR 中和器以氮气为工质工作时的电子引出性能较差.

4.2 双极板间隙和电压对氮气工质双极ECR 中和器电子引出性能的影响

4.2.1 双极板间隙对电子引出性能的影响

在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的条件下,双 极板电压VW=—40 V 时,不同双极板间隙L的中和器总电子电流与引出和截获电子电流随阳极电压的变化曲线如图8 所示.当不同L的总电子电流和引出电子电流发生突变时,阳极电压VA≥30 V 故,即为中和器正常工作时的阳极电压范围.为了对比中和器正常工作时的性能,默认VA≥30 V.由图8(a)可知,3 条总电子电流曲线在相同阳极电压下的大小关系为It,L=1mm≥It,L=1.5mm≥It,L=0.5mm.由图8(b)可知,3 条引出电子电流曲线在相同阳极电压下的大小关系为Ie,L=1mm≥Ie,L=1.5mm≥Ie,L=0.5mm,且当L=1 mm 时,引出电子电流曲线有明显的饱和段;截获电子电流在相同的阳极电压下随着L的增大而增大.

图8 不同双极板间隙的双极ECR 中和器电流随阳极电压的变化曲线 (a) 总电子电流;(b) 引出与截获电子电流Fig.8.Current vs.anode voltage at different bipolar plate gaps of bipolar ECR neutralizer: (a) Total electron current;(b) extracted and intercepted electron current.

针对VA=40 V,VW=-40 V 的情况,计算了不同L的双极ECR 中和器电子引出孔附近的电场强度,如图9 所示.随着L的增大,电子引出板与离子屏蔽板间的电场强度逐渐减小,而离子屏蔽板与阳极板间的电场强度逐渐增大,两区域的离子屏蔽效果随L的变化规律相反,需通过实验确定最优的L值,由引出电子电流的变化曲线可知L=1 mm 为此最优值.由图9 中的电场线方向反应的受力方向可知,随着L的增大,离子屏蔽板逐渐呈现出切割电场线的趋势,使得电子更容易被离子屏蔽板截获,造成截获电子电流的增大,这与实验中的现象一致.根据总电子电流的变化曲线,本文认为L=1 mm 时,双极板的离子屏蔽效果最佳,中和器的电子引出性能最好.

图9 不同双极板间隙的双极ECR 中和器电子引出孔附近的电场强度分布Fig.9.Electric field intensity distribution near electron extraction hole of bipolar ECR neutralizer with different bipolar plate gaps.

4.2.2 双极板电压对电子引出性能的影响

图10 不同双极板电压的双极ECR 中和器电流随阳极电压的变化曲线 (a) 总电子电流;(b) 引出与截获电子电流Fig.10.Current vs.anode voltage at different bipolar plate potentials of bipolar ECR neutralizer: (a) Total electron current;(b) extracted and intercepted electron current.

针对VA=40 V,L=1 mm 的情况,计算了不同VW的双极ECR 中和器电子引出孔附近的电场强度,如图11 所示.随着VW的减小,电子引出孔附近的电场强度增大,双极板的离子屏蔽效果增强,使得VW=—40 V 时的总电子电流和引出电子电流最大.这与上述实验现象一致.由图11 中的电场线方向反应的受力方向可知,随着VW的增大,离子屏蔽板逐渐呈现出切割电场线的趋势,使得电子更容易被离子屏蔽板截获,造成截获电子电流的增大,这也验证了实验中VW=—20 V 时截获电子电流偏大的现象,但是由于VW=—40 V 时,电子引出板和离子屏蔽板间的电势差较大,电子向离子屏蔽板运动的趋势更强,也有可能造成截获电子电流的增大,这也是实验中VW=—40 V 时截获电子电流偏大的原因.综上所述,本文认为VW=—40 V 时,双极板的离子屏蔽效果最佳,中和器的电子引出性能最好.

图11 不同双极板电压的双极ECR 中和器电子引出孔附近的电场强度分布Fig.11.Electric field intensity distribution near electron extraction hole of bipolar ECR neutralizer with different bipolar plate potentials.

4.3 氮气和氙气工质传统和双极ECR 中和器的电子引出性能对比

为了对比传统和双极ECR 中和器的电子引出性能,将传统ECR 中和器和4.2 节实验中离子屏蔽效果最佳的双极ECR 中和器分别以氮气和氙气为工质工作,其中双极板参数为双极板间隙L=1 mm、双极板电压VW=—40 V.在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的条件下,氮气工质传统和双极ECR 中和器的引出电子电流特性如图12 所示.

图12 传统和双极ECR 中和器以氮气为工质时的引出电子电流特性Fig.12.Characteristic of the extracted electron current of typical and bipolar ECR neutralizer running on nitrogen gas.

传统ECR 中和器在阳极电压VA=150 V 时,引出电子电流趋近饱和Ie=134 mA.双极ECR中和器在阳极电压VA=50 V 时,引出电子电流趋近饱和Ie=133 mA.两者电流仅相差1 mA,但是相对传统中和器,双极ECR 中和器达到该电流时的阳极电压下降了67%,总电压下降了40%.双极板结构的离子屏蔽效果显著,提升了中和器的电子引出性能.

在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的条件下,氙气工质传统和双极ECR 中和器的引出电子电流特性如图13 所示.

图13 传统和双极ECR 中和器以氙气为工质时的引出电子电流特性Fig.13.Characteristic of the extracted electron current of typical and bipolar ECR neutralizer running on xenon gas.

传统ECR 中和器在阳极电压VA=40 V 时,引出电子电流发生突变,Ie=200.8 mA.双极ECR中和器在阳极电压VA=40 V 时,引出电子电流发生突变,Ie=176.3 mA,此时的截获电子电流Is=32.6 mA,总电子电流It=208.9 mA.可见,双极板屏蔽离子并加速电子引出的作用是存在的,但是由图2 可知电子引出孔处Xe+的密度较小,双极板屏蔽的离子不能明显提高中和器的性能.相反,离子屏蔽板截获的大量电子电流直接导致中和器引出电子电流的降低.可见,氙气工质暂不适用于双极ECR 中和器.

中和器的性能可以通过产生单位引出电子电流需要的功耗来评估[21],即εe=Pi/Ie.氮气工质双极ECR 中和器正常工作时的阳极电压VA≥30 V,氙气工质传统和双极ECR 中和器正常工作时的阳极电压VA≥40 V.在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的条件下,对比上述中和器以氮气和氙气为工质正常工作(VA=40 V)时的功率损耗如图14 所示.以氮气为工质工作时,双极ECR 中和器的功率损耗仅为传统ECR 中和器的8.3%,性能提升明显.虽然氙气工质双极ECR 中和器的功率损耗高于氙气工质传统ECR 中和器,但是其仍然低于氮气工质双极ECR 中和器.由于氮气为双原子分子,其电离过程远比氙气复杂,因此需要的功耗更高.

图14 氮气和氙气工质双极ECR 中和器的功率损耗Fig.14.Power loss of bipolar ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

5 结论

本文在10 厘米传统ECR 中和器的基础上,利用双极板结构构成适用于氮气工作的双极ECR 中和器,产生了良好的电子引出性能.通过实验研究,得到结论如下:

1)由于氮气的相对分子量远低于氙气,传统ECR 中和器以氮气为工质工作时,氮气离子容易漂移出中和器,造成电子引出性能的降低.

2)双极ECR 中和器可以通过双极板在电子引出板小孔附近产生的局部静电场抑制离子漂移出中和器,提高中和器的电子引出性能.实验得出离子屏蔽效果最佳的双极板参数为: 双极板间隙1 mm 和双极板电压—40 V,双极板电压的降低可以进一步提升双极板的离子屏蔽效果,但是需要注意双极板电压的绝对值不能大于中和器壁面材料的溅射阈值.分别使用传统和离子屏蔽效果最佳的双极ECR 中和器以氮气为工质、在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的条件下工作,引出等量电子电流134 mA时,双极ECR 中和器所需的阳极电压仅为传统ECR 中和器的33.3%;阳极电压40 V 时,双极ECR 中和器的功率损耗为95.23 W/A,仅为传统ECR 中和器的8.3%.

3)根据目前的实验情况,双极ECR 中和器的电子引出性能优化仅针对氮气工质,其以氙气为工质工作时,虽然总电子电流相较于传统ECR 中和器小幅增大,但是由于大量电子损失在离子屏蔽板上,导致同工况下的引出电子电流低于传统ECR中和器.后续若想将双极ECR 中和器应用于氙气工质,仍需对其结构进行优化,增加其电子束流的聚焦效果,以减少电子在离子屏蔽板上的损失.