ECR中和器改進試驗研究

羅立濤,楊涓,*,金逸舟,孫俊,韓飛

1.西北工業大學航天學院,西安710072 2.上海空間智能控制技術重點實驗室,上海201109

ECR中和器改進試驗研究

羅立濤1,楊涓1,*,金逸舟1,孫俊2,韓飛2

1.西北工業大學航天學院,西安710072 2.上海空間智能控制技術重點實驗室,上海201109

目前國內電子回旋共振(ECR)中和器的研究存在電子束流不能連續引出的問題,為此通過改進中和器天線結構及優化電子引出孔徑來改善中和器的性能。試驗結果表明:中和器結構改進及優化后其電子束流可以隨著接觸電壓的升高而連續變化,同時提高了中和器的推進劑利用效率、降低了電子產生損耗。推進劑利用效率和電子產生損耗在中和器結構改進前后分別為1.278 9和194.573 W/A,1.659 8和126.3 W/A。試驗還通過靜電探針診斷出中和器耦合天線附近等離子體密度分布在1.72×1017～12.1×1017m-3范圍內。

電子回旋共振;等離子體;中和器;推進劑利用效率;電子能量損耗

電子回旋共振離子推力器(Electron Cyclotron Resonance Ion Thruster,ECRIT)屬于靜電型離子推力器,具有結構簡單、比沖高和壽命長的特點,適用于長時間工作的空間飛行器[1]。ECRIT由電子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)離子源、ECR中和器、柵極系統電源和推進劑單元組成,其工作過程是離子源在微波能量作用下擊穿氣體形成ECR等離子體[2],其中的離子在加速柵極作用下被高速噴出產生推力;ECR中和器同樣產生ECR等離子體并在離子束的作用下引出電子束流,因而離子束流得到中和、推力器系統得到電位平衡。

日本宇宙科學研究所從20世紀80年代開始研究ECRIT,2003年他們把10 cm的ECRIT應用到了返回式深空探測器上,2010年6月探測器成功返回地面,長達7年的空間飛行歷程證明了ECRIT及其ECR中和器是壽命比較長的電推力器和中和器[3-4]。國內,西北工業大學開展ECRIT研究,試驗研究了10 cm ECRIT不同磁路結構的ECR離子源內的等離子體分布和束流引出特性[5]。對ECR中和器,采用有限元分析軟件計算了中和器內磁路和微波電磁場的分布規律,分析了電子的獲能規律;以氬氣為工質,試驗研究了中和器的電子束流引出規律[6]。在中和器的試驗研究中,發現電子引出需要一個比較高的引出電壓臨界值。就此問題,本文對ECR中和器的天線進行改進,同時優化電子引出孔板直徑,開展電子束流引出試驗,在不同磁路結構條件下研究引出束流的變化規律,確定中和器的最優結構,使改進后的中和器可以隨著引出電壓的調節連續引出電子束流[7]。

1 工作原理和束流引出試驗系統

1.1 ECR中和器的工作原理

如圖1所示,ECR中和器由L型天線、永磁體條、前后磁軛、氣管和不銹鋼襯組成[8-9]。其工作過程是微波以橫電磁波模式(Transverse Electromagnetic Mode,TEM)通過L型天線輸入到中和器,氣體通入后,在微波能和磁場共同作用下,少量初始電子以頻率ω=eB/me(其中e為電子電量,B為磁感應強度,me為電子質量)做回旋運動,電子回旋頻率與微波頻率相等時的空間表面為ECR面。ECR面上,電子與微波共振,電子最大限度耦合微波能量使氣體放電,從而產生ECR等離子體,其中的電子在電位差作用下被引出。

圖1 ECR中和器結構Fig.1 Structure of ECR neutralizer

衡量ECR中和器性能的參數主要有推進劑利用效率和電子產生損耗:

式中:Ie、˙mp、M分別為引出電子電流、氣體質量流量和所用氣體原子量;P和UB分別為微波功率和引出電壓。研究中和器所追求的目標是最高的推進劑利用效率和最低的電子產生損耗,但是最高的推進劑利用效率意味著需要更多的能量去擊穿氣體和引出電子束流,所以這2個參數往往是一對矛盾,應折中處理[4]。

1.2 ECR中和器束流引出試驗系統

如圖2所示,試驗系統由ECR中和器、微波源、隔直器、功率計、氣體供應子系統、電子束流收集板、二維坐標架、可調電源、真空艙和真空泵機組組成。微波源輸出功為率為5～20 W、頻率為4.2 GHz。氣體供應子系統輸出0～10 mL/ min范圍的氬氣。二維坐標架在計算機控制下沿X和Y方向移動以控制電子束流收集板和中和器之間距離s。1 mL/min氬氣流量下,真空艙工作真空度為3.1×10-3～3.5×10-3Pa。

圖2 ECR中和器束流引出試驗裝置Fig.2 Experiment system of electron beam extraction from ECR neutralizer

2 試驗與分析

2.1 試驗中改進的結構

在原有中和器基礎上,主要做的結構改進有:改變L型天線和微波接頭的連接方式以提高中和器的性能;拓寬電子引出孔直徑系列以研究電子束流隨孔直徑的變化規律。

2.2 試驗方案

利用改進的L型天線,調整氬工質中和器結構,研究引出電子束流和中和器性能的變化規律。中和器結構依靠改變磁路結構、L型天線結構和電子引出孔直徑的變化進行調整。

試驗選取工作參數為氬氣流量1 m L/ min-1、微波功率7.9 W、引出電壓21～150 V, 6、8、10、12塊磁體的4種磁路結構,標幺化孔徑為5、4、3、2、1的5種電子引出孔板, 9種天線結構進行試驗研究。天線尺寸如表1所示,其中a和b分別為L型天線到后磁軛端面和腔體內壁面之間的距離。

表1 天線結構及編號Table 1 Structure and number of antenna

2.3 試驗結果與分析

(1)磁路結構和引出電壓的影響

采用孔徑4的電子引出孔板、4號天線,在氬氣流量1 m L/min、微波功率7.9 W的條件下更換不同磁塊數量改變磁路結構,進行電子束流引出試驗,其中12塊磁路結構中和器不能引出電子束流,其余3種磁路結構引出電子束流如圖3所示。

圖3 不同磁路下引出電子束流Fig.3 Electron beam current at different magnetic field conditions

3種磁路結構引出電子束流隨電壓變化趨勢相同,隨電壓的增加引出電子束流先增加,達到最大值后再逐漸減小。其中10塊磁路結構引出電子束流最大,在引出電壓為80 V時,電流為154.8 m A;最大引出電流可在電壓120 V時達到315.4 m A。根據文獻[6],10塊磁路結構磁感應強度ECR區面積最大且位置恰好與天線重合,因此有利于氣體放電,產生的等離子體密度更高,故可以引出更大的電子束流。12塊磁路結構由于磁感應過強,超過了ECR區所需值,致使電子做回旋運動的頻率大于輸入的微波頻率,而無法達到共振,因此多次嘗試無法使氣體放電。

此外,由圖3還可以看出,各磁路結構引出電子束流均可以分為兩個模式。以10磁塊為例,第一模式為低電流模式,引出電壓小于60 V時,只能引出很小的電子束流,在該模式下引出電流最大可以達到26.4 m A。第二模式為大電流模式,當引出電壓大于60 V時,隨著電壓的增加,引出電子束流大幅增加,引出電子束流可以達到300 m A以上。考慮到工作穩定性,取工作電壓高于電流突變電壓。對于10磁塊中和器,工作電壓為80 V。對于6磁塊和8磁塊有相同的結論,它們的電流突變電壓分別為70 V和80 V。

引出電流突變現象可以通過圖4來解釋,假設中和器內壁面電勢為Φw,放電室內等離子體電勢為Φ,電子束流收集板電勢為Φa。剛開始引出電子束流時有,Φw＜Φ＜Φa,Φw和Φ相差不大,壁面發射電子較困難。不斷增大電子束流收集板電壓時,Φa逐漸增大,Φ也逐漸增大,但Φw保持不變,因此Φw和Φ之間差值增大,中和器內等離子體中的離子以更高的能量通過鞘層濺射壁面,使壁面更容易發射電子,因此引出電子束流增加。

圖4 中和器壁面和等離子體以及收集板的電勢Fig.4 Potential distribution of the neutralizer surface, the plasma and the collection plate

(2)電子引出孔徑的影響

采用10磁塊磁路結構、4號天線,在氬氣流量1 m L/min、微波功率為7.9 W條件下更換不同孔徑電子引出孔板進行試驗,通過試驗觀察到孔徑為1和2時不能引出電子束流,其余3種磁路結構引出電子束流如圖5所示。從圖5中可以看出,電壓小于110 V時,3種電子引出孔直徑引出電子束流均隨電壓的增大而增加,且孔徑4和5電子束流大小接近;引出電壓增大到110 V后,孔徑4電子束流隨電壓增大而逐漸減小。從圖5中可知孔徑3電子束流最小,孔徑5引出電子束流最大。再根據孔徑1和2的電子束流引出情況,得出孔徑越小越難引出電子束流的結論。但考慮到孔徑5電子引出孔徑中和器放電室內壓力過低,導致放電困難且不穩定,認為孔徑4為最佳結構。在引出電壓80 V時,引出電流為154.8 m A;最大引出電流可在電壓120 V時達到315.4 m A。3種孔板結構引出的電子束流均出現了電流突變點,其中孔徑3電流突變點為70 V,孔徑4和5電流突變點為60 V。

圖5 不同電子引出孔引出電子束流Fig.5 Electron beam current at differentorifice plate conditions

(3)天線結構的影響

采用10磁塊磁路結構、孔徑為4的電子引出孔,在氬氣流量1 m L/min、微波功率為7.9 W條件下更換不同天線進行試驗,電子束流引出試驗結果如圖6所示。

圖6 不同天線結構引出電子束流Fig.6 Electron beam current at different antenna conditions

由圖6可知,電壓小于110 V時,各天線引出電子束流隨電壓變化趨勢基本相似,隨電壓的增大引出電子束流增大,且基本都在引出電壓60 V左右時發生電流突變。在引出電壓80 V時,這9種天線最大引出電流為154.8 m A,最小值為92 m A,均可以滿足離子源的中和要求。其中4號天線在相同電壓下引出電子束流最大,說明其與ECR區重合度較好,故選4號天線作為中和器的最佳天線結構。9種天線在60～70 V時都出現了電流突變點。

(4)最優中和器結構的性能

經過以上試驗可得出中和器最優結構為10磁塊磁路結構、孔徑4的電子引出孔、4號天線的中和器結構組合。在功率7.9 W時,不同流量下調節引出電壓,進行最佳結構中和器電子束流引出試驗,計算推進劑利用效率和電子產生損耗如圖7所示。在相同引出電壓下,流量從0.6 m L/min到1.2 m L/min,引出電子束流呈增大趨勢。由于功率不變,流量過小時,微波功率沒有被完全利用,導致中和器內部等離子體密度較小。圖7表明,當流量增大為1.2 m L/min時,輸入功率完全被利用,但是該功率下能電離的中性氣體量有限,此時氣體沒有被完全電離,被電離的中性氣體量和流量為1 m L/min時相等,因此等離子體密度不會繼續升高,引出電子束流以及電子產生損耗和流量為1 m L/min時基本相等,而且推進劑利用效率要略低于流量為1 m L/min時,選擇1 m L/min氬氣流量為中和器工作流量。

可以看到圖7(a)中的4種氬氣流量下,除了0.6 m L/min以外,其他3種流量參數都出現了電流突變點,對于0.8 m L/min流量,電流突變點出現在90 V左右;而對于1 m L/min和1.2 m L/min,此突變點為60 V,考慮到工作的穩定性,不能取臨界點作為長時間工作所用電壓,工作電壓應比此突變點稍大,且應能夠滿足離子源離子束流中和的條件,因此選擇工作電壓為80 V。綜上,中和器最佳工作參數為氬氣流量1 m L/min,引出電壓80 V。

圖7 最優中和器結構性能曲線Fig.7 Performance optimal structure of the neutralizer

(5)中和器內等離子體診斷

如圖8所示,對最優結構中和器進行等離子體診斷時,調節功率和流量,將朗繆爾探針從中和器的電子引出孔伸入到x分別取0 mm、2 mm和4 mm的位置,分析這些位置等離子體密度與溫度的變化規律。根據文獻[5]和文獻[10]的分析和試驗研究,可以通過朗繆爾探針伏安特性曲離子飽和電流求得等離子體密度。

圖8 探針診斷位置示意Fig.8 Position of the probe in diagnose experiment

圖9為不同功率、不同位置x處的等離子體密度隨氬氣流量的變化規律,診斷所得等離子體密度分布在1.72×1017～12.1×1017m-3范圍。可見,隨著功率的增加,中和器內等離子體密度逐漸增加;探針越靠近L型天線,等離子體密度逐漸增加。對這些變化規律的分析如下:保持功率、位置不變,流量從0.8 m L/min增大到1.0 m L/min時,等離子體密度均增大,中性氣體流量過小,限制了等離子體密度。當流量從1.0 m L/min增大到1.2 m L/min,功率為7.8 W、x=0,2,4 mm時,功率為9.8 W、x=0,2mm時,等離子體密度隨流量增加而下降,說明微波功率愈低、離天線愈遠,空間功率密度愈低,流量增加,氣體電離度反而下降。功率為9.8 W、x=4 mm時,功率為11.2 W、x=0,2,4 mm時,等離子體密度隨流量增加而增加,說明微波功率愈高、離天線愈近,空間功率密度愈高,流量增加,氣體電離度增加,驗證了中性氣體電離主要發生在天線附近的ECR區,然后再向周圍擴散的推斷。

圖9 中和器內等離子體密度診斷結果Fig.9 Diagnosed plasma density within neutrolizer

3 中和器結構改進前后性能對比

表2給出結構改進前后以及國外ECR中和器的性能對比[6,10-11],與改進前相比可以連續引出電子束流,而且在工作電壓下引出電子束流也從103.8 m A提高到了154.8 m A;但與國外中和器相比依然存在很多差距,突變電壓和工作電壓均高于國外,但引出電流卻小于國外。

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

下面分析表2中中和器性能的差異。

3.1 結構改進后中和器可以連續引出電子束流

改進前采用孔徑3的電子引出孔板,電子束流不能連續引出。改進后,采用孔徑4的電子引出孔板,引出電壓從21 V逐漸增大,引出電子束流也會逐漸增大。

此現象由不同孔徑電子引出孔處的不同鞘層特征引起。如圖10所示,d為電子引出孔直徑,r為鞘層厚度,當d≤r時,中和器等離子體中的電子要穿過鞘層并克服鞘層電勢才能被引出,所以電子引出困難。當d＞r時,在電子引出孔處存在等離子體橋,電子不需要克服鞘層電勢而能被容易引出。

圖10 等離子體鞘層與電子引出孔徑關系Fig.10 Relationship between plasma sheath and orifice diameter

3.2 改進后中和器和國外中和器突變電壓的差異

(1)國內外中和器工質不同

國內外中和器分別采用氬氣和氙氣為工質。內壁面相對于等離子體電勢為Φw=-Te·其中M為離子質量,m為電子質量。經計算可得對于氬氣,壁面電勢Φw≈-4.7Te,而氙氣為Φw≈-5.3Te,因此,氙氣等離子體壁面電勢低于氬氣等離子體壁面電勢,所以氙氣等離子體和中和器壁面之間具有更大的電勢差,氙離子轟擊壁面時的能量更高,使壁面更容易發射電子,這使得氬氣中和器的突變電壓高于氙氣[12]。

(2)國內外腔體壁面材料不同

國內外中和器內壁殼體材料分別為不銹鋼和鉬,而金屬鉬材料表面電子的逸出功低于不銹鋼,這使得國外中和器內壁面更容易逸出電子,從而進一步降低了突變電壓。

上述兩點差異,都促使改進后的中和器突變電壓高于國外,為了保證中和器能夠穩定工作,工作電壓應略高于突變電壓[13],因此該中和器的工作電壓也高于國外。工作電壓過高不僅使中和器消耗的功率過大,而且會加劇中和器內壁面的離子濺射造成內壁面污染,致使中和器的使用壽命縮短[14-15],因此下一步還需繼續改善。

4 結束語

本文試驗研究結構改進后ECR中和器引出電子束流、推進劑利用效率和電子產生損耗的變化規律,試驗診斷中和器內部等離子體密度隨流量、微波功率和位置的變化規律,得到的結論如下:

1)試驗確定的中和器最佳結構為10磁塊磁路結構、孔徑4的電子引出孔、4號天線的中和器結構組合,在此結構下中和器在引出電壓80 V,氣體流量1 mL/min時,可以引出的電子束流為154.8 m A,此時推進劑利用效率和電子產生損耗分別為1.6598和126.3 W/A。

2)通過診斷得出中和器內等離子體密度約為1.72×1017～12.1×1017m-3,隨著流量和功率的增大,等離子體密度都會提高,而且位置越靠近L型天線,等離子體密度也會越高。

3)改進后的中和器和之前相比可以連續引出電子束流,而且在電壓達到60 V時可以出現引出電流的突變,使電子束流突然增大,滿足離子源離子束流中和的需求。

References)

[1] 楊涓,石峰,楊鐵鏈,等.電子回旋共振離子推力器放電室等離子體數值模擬[J].物理學報,2010,59(12): 8701-8706. YANG J,SHI F,YANG T L,et al.Numerical simulation on the plasma field within discharge chamber of electron cyclotron resonance ion thruster[J].Acta Physica Sinica,2010,59(12):8701-8706(in Chinese). [2] SINA J,MURAT C.Theoretical investigation and modeling of current extraction from a radio-Frequency cathode[C]∥50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.Reston:AIAA,2014-3402.

[3] RYUDO T,TOSHIYUKI I,HIROYUKI K,et al. Plasma diagnostics of theμ10 ECR ion thruster using optical fiber probes[C]∥Presented at the 33rd International Electric Propulsion Conference.Washington: IEPC,2013-270.

[4] KUBOTA K,WATANABE H,YAMAMOTO N, et al.Numerical simulation of microwave neutralizer including ion’s kinetic effects[C]∥50th AIAA/ASME/ SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.Reston:AIAA, 2014-3831.

[5] 楊涓,王陽,孟志強,等.電子回旋共振離子推力器放電室等離子體靜電探針診斷[J].機械科學與技術, 2013,32(2):203-208. YANG J,WANG Y,MENG Z Q,et al.Electrostatic probe diagnosis on the plasma in the discharge chamber of an electron cyclotron resonance ion thruster[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2013,32(2):203-208(in Chinese).

[6] 羅立濤,楊涓,金逸舟,等.ECR中和器束流引出實驗研究[J].西北工業大學學報,2015,33(3):395-400. LUO L T,YANG J,JIN Y Z,et al.Experimental study of electron beam extraction from ECR neutralizer[J].Journal of Northwestern Polytechnical University,2015,33(3):395-400(in Chinese).

[7] YOSHINORI T,KIROYUKI K,YUSUKE K,et al. Investigation of electron extraction from a microwave discharge neutralizer for a miniature ion propulsion system[C]∥Presented at the 34th International Electric Propulsion Conference.Kobe-Hyogo:IEPC, 2015-159.

[8] WATARU O,HITOSHI K.Ion current distribution of ECR microwave discharge neutralizer[C]∥48th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.Reston: AIAA,2012-4192.

[9] KUBOTA K,WATANABE T,FUNAKI I,et al. Three-dimensional hybrid-PIC simulation of microwave neutralizer[C]∥Presented at the 33rd InternationalElectric Propulsion Conference.Washington:IEPC, 2013-098.

[10] 金逸舟,楊涓,羅立濤,等.離子源內電子回旋共振等離子體診斷與分析[J].高電壓技術,2015,41(9): 2950-2957. JIN Y Z,YANG J,LUO L T,et al.Diagnosis of electron cyclotron resonance plasma inside ion source[J]. High Voltage Engineering,2015,41(9):2950-2957(in Chinese).

[11] FUNAKI I,KUNINAKA H.Overdense plasma production in a low-power microwave discharge electron source[J]. The Japan Society of Applied Physics,2001,40(4):2495-2500.

[12] 邁克爾A力伯曼,阿倫J里登伯格.等離子體放電原理與材料處理[M].北京:科學出版社,2007:127-128.

[13] OHMICHI W,KUNINAKA H.Insight into performance improvement of ECR neutralizer[C]∥Presented at the 33rd International Electric Propulsion Conference. Washington:IEPC,2013-315.

[14] WATARU O,HITOSHI K.Performance degradation of a spacecraft electron cyclotron resonance neutralizer and its mitigation[J].Journal of Propulsion and Power, 2014,30(5):1368-1372.

[15] OHMICHI W,KUNINAKA H.Degradation mechanism of ECR neutralizer and its countermeasure[C]∥Presented at the 32nd International Electric Propulsion Conference. Wiesbaden:IEPC,2011-314.

(編輯:車曉玲)

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;錄用日期:2016-01-18;< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2016-02-24 13:39:53

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

羅立濤(1990-),男,碩士研究生,lltlyj@163.com

*通訊作者:楊涓(1963-),女,教授,yangjuan@nwpu.edu.cn,主要研究方向為空間電推進

羅立濤,楊涓,金逸舟,等.ECR中和器改進試驗研[J].中國空間科學技術,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