氮氣工質10 厘米ECRIT 中和器實驗研究

談人瑋 楊涓? 耿海 吳先明 牟浩

1) (西北工業大學航天學院,西安 710072)

2) (蘭州空間技術物理研究所,真空技術與物理重點實驗室,蘭州 730000)

10 厘米電子回旋共振離子推力器(ECRIT)可以多類型氣體工作,應用于吸氣式電推進系統具有可行性,研究氮氣工質ECRIT 的ECR 中和器是研究氮氧工質ECRIT 的基礎.當傳統氙氣工質10 厘米ECRIT 的ECR 中和器以氮氣為工質工作時,由于氮氣分子量較低,離子容易漂移出中和器,引出電子電流減小,已不適合以氮氣為工質工作.本文基于10 厘米傳統ECR 中和器,以抑制離子漂移出中和器、提升電子引出性能為目的,實驗研究適用于氮氣工質工作的雙極ECR 中和器.結果表明,在氣體質量流率0.04 mg/s、輸入功率10 W 的條件下,以氮氣為工質工作,引出電子電流134 mA 時,傳統ECR 中和器所需的陽極電壓為150 V,而雙極ECR 中和器僅需50 V 的陽極電壓,下降了約67%;陽極電壓40 V 時,傳統ECR 中和器的功率損耗為1204.82 W/A,而雙極ECR 中和器的功率損耗為95.23 W/A,約為前者的8.3%.氮氣工質雙極ECR 中和器的離子屏蔽效果顯著,電子引出性能得到改善.

1 引言

吸氣式電推力器以稀薄大氣為工質工作[1],無需儲備推進劑,可配備于低軌道(150—300 km)飛行器以補償大氣阻尼[2],降低飛行器結構質量的同時,解決了由推進劑儲備限制帶來的壽命問題.目前各國正在開展不同類型電推力器的相關研究,如霍爾推力器[3]、射頻離子推力器[4]、會切磁場等離子體推力器[5]、感應加熱等離子體推進器[6]、電子回旋共振離子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)[7,8]等.

吸氣式電推力器工作的低軌道環境大氣主要由氮氣分子和氧原子組成[9],軌道阻尼隨軌道高度和太陽活動實時變化[4].由于ECRIT 可以多種工質工作、無熱陰極、推力連續可調等特點[10],具有應用于吸氣式電推進系統的可行性.為了規避氧原子腐蝕性對推力器的影響,先開展氮氣工質電推力器的研究可以為后續研究工作奠定基礎.

ECRIT 由電子回旋共振(ECR)離子源和中和器組成,其中ECR 中和器用于發射電子,保持推進系統的電中性,是推力器的重要組成部分.截至目前,有關氮氣工質10 cm ECRIT 中和器的研究幾乎空缺,而氙氣工質10 cm ECRIT 中和器已經在2003 年和2014 年應用于日本隼鳥號和隼鳥2 號深空探測器[11,12],并開展了許多基礎研究.文獻[13]通過在中和器外添加磁場屏蔽板,使得中和器在輸入功率8 W,氙氣質量流率0.069 mg/s,陽極電壓37 V 的條件下,引出電子束流由176 mA 增至206 mA,功率損耗由45.5 W/A 降至38.8 W/A.國內對此類型中和器也開展過研究,文獻[14,15]分析了氙氣10 cm ECRIT 中和器的電子引出雙通道現象.文獻[16,17]通過優化中和器磁路、天線與電子引出板結構,提升了中和器的電子引出性能,使得中和器在輸入功率10 W,氙氣質量流率0.049 mg/s,陽極電壓100 V 條件下可以引出219 mA 的電子束流,功率損耗為45.7 W/A.盡管國內近期針對ECRIT 中和器的研究均使用的氙氣工質,但是這些結論仍可以為氮氣工質10cm ECRIT 中和器的研究提供參考.本文定義上述國內外研究的針對氙氣工質的10 cm ECRIT 中和器結構為傳統ECR 中和器.

本文針對傳統ECR 中和器工質由氙氣轉變為氮氣后離子漂移出中和器的現象,通過引入屏蔽離子的雙極板,構成適用于氮氣工質的雙極ECR 中和器.本文首先介紹傳統和雙極ECR 中和器結構、原理和電子引出機制,并通過離子密度診斷分析傳統ECR 中和器以氮氣為工質工作時存在的問題;然后介紹實驗系統和靜電場仿真模型,通過計算和實驗驗證雙極板結構屏蔽離子的有效性,并對比傳統和雙極ECR 中和器分別以氮氣和氙氣為工質工作時的電子引出性能.

2 傳統ECR 中和器與雙極ECR 中和器

2.1 傳統ECR 中和器及其電子引出機制

傳統ECR 中和器結構如圖1 所示,主要由永磁體、前后磁軛、L 型天線和電子引出板組成.其中永磁體和前后磁軛在中和器內部形成封閉的磁鏡場和開放的磁場,在中和器引出小孔下游形成磁通密度較低的磁阱[14].4.2 GHz 的微波能量通過L 型天線饋入放電室,電子在磁鏡場中做往返運動,并沿著磁力線做回旋運動.當電子運動到ECR區(B=0.15 T)時,電子回旋頻率與微波頻率相等,電子與微波右旋圓極化波發生等相位共振,大量吸收微波能量,形成高能電子并碰撞電離中性氣體,產生等離子體,其中的電子在外界離子源離子束流或陽極板的高電勢作用下被引出形成電子束流[15].

圖1 10 厘米ECR 中和器結構Fig.1.10 cm ECR neutralizer structure.

2.2 氙氣和氮氣工質傳統ECR 中和器診斷

當傳統ECR 中和器以氮氣為工質工作時,相同工作參數下的引出電子電流將遠低于以氙氣為工質工作時的中和器.從過往針對氙氣工質的研究[14,15]來看,中和器的引出機制和結構設計是正確可行的.為了探究其中的原因,在氣體質量流率為0.04 mg/s,輸入功率10 W 的條件下,對氮氣工質傳統ECR 中和器內部用Langmuir 探針進行診斷,使用彎曲探針以減小磁場對診斷數據的影響[18].氙氣的探針診斷不再贅述,可以參考之前的工作[15].對于氮氣,由于二價電離和離解反應所需的能量高[19],認為在該功率下發生的可能性很小.所以在診斷中,將收集到的正電荷均視為.

圖2 所示為距離傳統ECR 中和器軸線3 mm處診斷的離子密度分布,其中可以觀察到Xe+密度梯度的變化,孔口附近的Xe+密度低于放電室內部,而孔口附近的密度卻遠高于放電室內部.

圖2 氙氣和氮氣工質傳統ECR 中和器離子密度分布診斷Fig.2.Ion density distribution diagnosis of typical ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

在ECR 中和器內,電子被磁場磁化,因此被約束在磁鏡中持續獲得能量,而離子的拉莫爾運動半徑大于ECR 中和器的特征長度,沒有被磁化,其運動主要受靜電場控制.由文獻[15]可知離子在ECR 中和器電子引出板小孔附近的運動受靜電場影響是一個先加速后減速的過程.的相對分子量約為28,Xe+的相對分子量約為131,由受力方程v2=2aS=2(qE/m)·S可知,在相同的靜電場作用下,的運動速度約為Xe+的兩倍,即在ECR 中和器加速段獲得的最大速度約為Xe+的兩倍.由于Xe+速度較慢,從而容易被減速電場限制,不能離開中和器,而由于速度較快,減速電場不再能限制其離開中和器,導致內部等離子體密度、電子引出束流降低.可見傳統ECR 中和器以氮氣為工質工作,性能將有所下降.

2.3 雙極ECR 中和器及其離子屏蔽

為了抑制ECR 中和器氮氣離子漂移出中和器,在圖1 的電子引出板下游增加離子屏蔽板,構成雙極板結構如圖3 所示.

圖3 雙極板結構Fig.3.Bipolar plate structure.

定義電子引出板和離子屏蔽板間隙為雙極板間隙L,相應的ECR 中和器成為雙極ECR 中和器,其磁阱空間位置與傳統ECR 中和器相同.為節省電能消耗,用一臺電源滿足雙極ECR 中和器的工作需要,電子引出板接電源負極,離子屏蔽板接地.受雙極板小孔處局部電場影響,磁阱內聚集的等離子體將產生電荷分離,離子返回中和器,電子被加速引出.和傳統ECR 中和器相比,對氮氣離子將產生更強的屏蔽作用以降低氮氣離子逃逸率、避免氮氣等離子體密度和引出電子電流的降低.

3 實驗系統及仿真模型的建立

3.1 中和器電子引出實驗系統

圖4 所示為傳統ECR 中和器的電子引出實驗系統,由氣路、微波線路和電路組成.氣路主要部件為氣瓶、質量流率控制器.微波線路主要部件為微波源、環形器、功率計和隔直器.電路中中和器和真空艙壁面接地,電子引出板和中和器壁面相互導通,金屬陽極板接電源正極,中和器電子引出板和金屬陽極板的間距為5 mm.設和Pi為氣體質量流率和輸入功率;VA為陽極板與地電勢差,簡稱陽極電壓;Ie為中和器的引出電子電流,也為陽極板收集的電子電流,通過串聯的電流表測得.

圖4 傳統ECR 中和器的電子引出實驗系統Fig.4.Experiment system for the electron extraction of typical ECR neutralizer.

圖5 所示為雙極ECR 中和器的電子引出實驗系統,其中氣路和微波線路與圖3 所示實驗系統相同.圖5 電路中,中和器壁面和電子引出板接電源負極,離子屏蔽板接地,陽極板收集電子電流.并設VW為電子引出板與地電勢差,簡稱雙極板電壓;Is為離子屏蔽板截獲電子電流,通過串聯的電流表測量.雙極ECR 中和器電子引出總電壓Vt=VA-VW,引出總電子電流It=Ie+Is.對于傳統ECR中和器,電子引出總電壓Vt=VA,引出總電子電流It=Ie.為了避免離子通過壁面鞘層產生的濺射現象,設置VW≥49 V[20].

圖5 雙極ECR 中和器的電子引出實驗系統Fig.5.Experiment system for the electron extraction of bipolar ECR neutralizer.

3.2 電子引出實驗中雙極ECR 中和器的靜電場仿真模型

通過COMSOL 軟件中的靜電場模塊建立電子引出實驗中雙極ECR 中和器的靜電場仿真模型,如圖6 所示,各結構的材料和相對介電常數εr已于圖中標出.計算靜電場時,天線設置為初始電勢為0 V 的懸浮電位,其余結構按實驗需求,設置對應的電勢.由于本研究內容主要為電子引出孔處的離子屏蔽,僅需截取電子引出孔附近的局部電場進行分析,分析截面已于圖6 中標出.

圖6 雙極ECR 中和器的靜電場仿真模型Fig.6.Electrostatic field simulation model of bipolar ECR neutralizer.

4 實驗結果與討論

4.1 氮氣和氙氣工質對傳統ECR 中和器電子引出性能的影響

氮氣和氙氣工質傳統ECR 中和器的電子引出實驗結果如圖7 所示.

圖7 氮氣和氙氣工質傳統ECR 中和器的引出電子電流隨陽極電壓的變化曲線Fig.7.Extracted electron current vs.anode voltage of typical ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

以氙氣為工質時,在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,引出電子電流在陽極電壓VA=20 V時快速增長,VA=40 V 時達到200 mA,VA=50 V 時趨近飽和,Ie=237 mA.以氮氣為工質時,在相同質量流率和輸入功率的條件下,引出電子電流在VA=50—70 V 時有小幅的突增,其余階段均緩慢增長,VA=150 V 時趨近飽和,Ie=134 mA.相比于氙氣工質傳統ECR 中和器,氮氣工質傳統ECR 中和器的引出電子電流達到飽和電子電流時需要的陽極電壓更高,但是引出電子電流更低.傳統ECR 中和器以氮氣為工質工作時的電子引出性能較差.

4.2 雙極板間隙和電壓對氮氣工質雙極ECR 中和器電子引出性能的影響

4.2.1 雙極板間隙對電子引出性能的影響

在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,雙 極板電壓VW=—40 V 時,不同雙極板間隙L的中和器總電子電流與引出和截獲電子電流隨陽極電壓的變化曲線如圖8 所示.當不同L的總電子電流和引出電子電流發生突變時,陽極電壓VA≥30 V 故,即為中和器正常工作時的陽極電壓范圍.為了對比中和器正常工作時的性能,默認VA≥30 V.由圖8(a)可知,3 條總電子電流曲線在相同陽極電壓下的大小關系為It,L=1mm≥It,L=1.5mm≥It,L=0.5mm.由圖8(b)可知,3 條引出電子電流曲線在相同陽極電壓下的大小關系為Ie,L=1mm≥Ie,L=1.5mm≥Ie,L=0.5mm,且當L=1 mm 時,引出電子電流曲線有明顯的飽和段;截獲電子電流在相同的陽極電壓下隨著L的增大而增大.

圖8 不同雙極板間隙的雙極ECR 中和器電流隨陽極電壓的變化曲線 (a) 總電子電流;(b) 引出與截獲電子電流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.

針對VA=40 V,VW=-40 V 的情況,計算了不同L的雙極ECR 中和器電子引出孔附近的電場強度,如圖9 所示.隨著L的增大,電子引出板與離子屏蔽板間的電場強度逐漸減小,而離子屏蔽板與陽極板間的電場強度逐漸增大,兩區域的離子屏蔽效果隨L的變化規律相反,需通過實驗確定最優的L值,由引出電子電流的變化曲線可知L=1 mm 為此最優值.由圖9 中的電場線方向反應的受力方向可知,隨著L的增大,離子屏蔽板逐漸呈現出切割電場線的趨勢,使得電子更容易被離子屏蔽板截獲,造成截獲電子電流的增大,這與實驗中的現象一致.根據總電子電流的變化曲線,本文認為L=1 mm 時,雙極板的離子屏蔽效果最佳,中和器的電子引出性能最好.

圖9 不同雙極板間隙的雙極ECR 中和器電子引出孔附近的電場強度分布Fig.9.Electric field intensity distribution near electron extraction hole of bipolar ECR neutralizer with different bipolar plate gaps.

4.2.2 雙極板電壓對電子引出性能的影響

圖10 不同雙極板電壓的雙極ECR 中和器電流隨陽極電壓的變化曲線 (a) 總電子電流;(b) 引出與截獲電子電流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.

針對VA=40 V,L=1 mm 的情況,計算了不同VW的雙極ECR 中和器電子引出孔附近的電場強度,如圖11 所示.隨著VW的減小,電子引出孔附近的電場強度增大,雙極板的離子屏蔽效果增強,使得VW=—40 V 時的總電子電流和引出電子電流最大.這與上述實驗現象一致.由圖11 中的電場線方向反應的受力方向可知,隨著VW的增大,離子屏蔽板逐漸呈現出切割電場線的趨勢,使得電子更容易被離子屏蔽板截獲,造成截獲電子電流的增大,這也驗證了實驗中VW=—20 V 時截獲電子電流偏大的現象,但是由于VW=—40 V 時,電子引出板和離子屏蔽板間的電勢差較大,電子向離子屏蔽板運動的趨勢更強,也有可能造成截獲電子電流的增大,這也是實驗中VW=—40 V 時截獲電子電流偏大的原因.綜上所述,本文認為VW=—40 V 時,雙極板的離子屏蔽效果最佳,中和器的電子引出性能最好.

圖11 不同雙極板電壓的雙極ECR 中和器電子引出孔附近的電場強度分布Fig.11.Electric field intensity distribution near electron extraction hole of bipolar ECR neutralizer with different bipolar plate potentials.

4.3 氮氣和氙氣工質傳統和雙極ECR 中和器的電子引出性能對比

為了對比傳統和雙極ECR 中和器的電子引出性能,將傳統ECR 中和器和4.2 節實驗中離子屏蔽效果最佳的雙極ECR 中和器分別以氮氣和氙氣為工質工作,其中雙極板參數為雙極板間隙L=1 mm、雙極板電壓VW=—40 V.在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,氮氣工質傳統和雙極ECR 中和器的引出電子電流特性如圖12 所示.

圖12 傳統和雙極ECR 中和器以氮氣為工質時的引出電子電流特性Fig.12.Characteristic of the extracted electron current of typical and bipolar ECR neutralizer running on nitrogen gas.

傳統ECR 中和器在陽極電壓VA=150 V 時,引出電子電流趨近飽和Ie=134 mA.雙極ECR中和器在陽極電壓VA=50 V 時,引出電子電流趨近飽和Ie=133 mA.兩者電流僅相差1 mA,但是相對傳統中和器,雙極ECR 中和器達到該電流時的陽極電壓下降了67%,總電壓下降了40%.雙極板結構的離子屏蔽效果顯著,提升了中和器的電子引出性能.

在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,氙氣工質傳統和雙極ECR 中和器的引出電子電流特性如圖13 所示.

圖13 傳統和雙極ECR 中和器以氙氣為工質時的引出電子電流特性Fig.13.Characteristic of the extracted electron current of typical and bipolar ECR neutralizer running on xenon gas.

傳統ECR 中和器在陽極電壓VA=40 V 時,引出電子電流發生突變,Ie=200.8 mA.雙極ECR中和器在陽極電壓VA=40 V 時,引出電子電流發生突變,Ie=176.3 mA,此時的截獲電子電流Is=32.6 mA,總電子電流It=208.9 mA.可見,雙極板屏蔽離子并加速電子引出的作用是存在的,但是由圖2 可知電子引出孔處Xe+的密度較小,雙極板屏蔽的離子不能明顯提高中和器的性能.相反,離子屏蔽板截獲的大量電子電流直接導致中和器引出電子電流的降低.可見,氙氣工質暫不適用于雙極ECR 中和器.

中和器的性能可以通過產生單位引出電子電流需要的功耗來評估[21],即εe=Pi/Ie.氮氣工質雙極ECR 中和器正常工作時的陽極電壓VA≥30 V,氙氣工質傳統和雙極ECR 中和器正常工作時的陽極電壓VA≥40 V.在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,對比上述中和器以氮氣和氙氣為工質正常工作(VA=40 V)時的功率損耗如圖14 所示.以氮氣為工質工作時,雙極ECR 中和器的功率損耗僅為傳統ECR 中和器的8.3%,性能提升明顯.雖然氙氣工質雙極ECR 中和器的功率損耗高于氙氣工質傳統ECR 中和器,但是其仍然低于氮氣工質雙極ECR 中和器.由于氮氣為雙原子分子,其電離過程遠比氙氣復雜,因此需要的功耗更高.

圖14 氮氣和氙氣工質雙極ECR 中和器的功率損耗Fig.14.Power loss of bipolar ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

5 結論

本文在10 厘米傳統ECR 中和器的基礎上,利用雙極板結構構成適用于氮氣工作的雙極ECR 中和器,產生了良好的電子引出性能.通過實驗研究,得到結論如下:

1)由于氮氣的相對分子量遠低于氙氣,傳統ECR 中和器以氮氣為工質工作時,氮氣離子容易漂移出中和器,造成電子引出性能的降低.

2)雙極ECR 中和器可以通過雙極板在電子引出板小孔附近產生的局部靜電場抑制離子漂移出中和器,提高中和器的電子引出性能.實驗得出離子屏蔽效果最佳的雙極板參數為: 雙極板間隙1 mm 和雙極板電壓—40 V,雙極板電壓的降低可以進一步提升雙極板的離子屏蔽效果,但是需要注意雙極板電壓的絕對值不能大于中和器壁面材料的濺射閾值.分別使用傳統和離子屏蔽效果最佳的雙極ECR 中和器以氮氣為工質、在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下工作,引出等量電子電流134 mA時,雙極ECR 中和器所需的陽極電壓僅為傳統ECR 中和器的33.3%;陽極電壓40 V 時,雙極ECR 中和器的功率損耗為95.23 W/A,僅為傳統ECR 中和器的8.3%.

3)根據目前的實驗情況,雙極ECR 中和器的電子引出性能優化僅針對氮氣工質,其以氙氣為工質工作時,雖然總電子電流相較于傳統ECR 中和器小幅增大,但是由于大量電子損失在離子屏蔽板上,導致同工況下的引出電子電流低于傳統ECR中和器.后續若想將雙極ECR 中和器應用于氙氣工質,仍需對其結構進行優化,增加其電子束流的聚焦效果,以減少電子在離子屏蔽板上的損失.