電負性氣體等離子體推力器研究進展

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大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室, 大連 116024

在傳統柵極離子推力器中，正離子在放電腔內由稀有氣體放電產生，隨后通過柵極產生的電場加速噴出獲得推力。在正離子噴出后，為了保持推力器整體呈電中性，需要額外增設電子發射源，即中和器，對噴出的正離子進行中和，中和器的壽命在一定程度上制約了傳統等離子體推力器的應用。巴黎綜合理工大學經過實驗，提出了一種使用稀有氣體(氬氣)與電負性氣體(SF6)的混合氣體作為推進工質來產生和加速正、負離子的電負性氣體等離子體推力器(PEGASES)[1]，之后針對具有相似物理、化學性質的氣體工質(如氯氣Cl2、氧氣O2等)展開了諸多研究。該推力器無需在推力器出口增設中和器，與傳統柵極離子推力器明顯不同。

無需使用中和器給電推進系統帶來了諸多優勢，最明顯的是延長了其使用壽命，減少了結構部組件降低了系統復雜度和成本。傳統柵極離子推力器需要外加電源為柵極供電，而電負性氣體等離子體推力器可使用射頻供電系統中的電源，通過設定不同占空比對正、負離子進行交替加速，無需另外增設電源，這將進一步簡化推力器系統組成。此外，相比傳統帶有中和器的電推力器，該推力器在羽流區正、負離子復合速率更快，意味著達到電中性的時間更短，能夠大幅降低推力器濺射時的帶電粒子數，從而減緩推力器的腐蝕效應。如圖1所示，電負性氣體等離子推力器的工作過程為：將射頻功率加載到放電腔，同時注入工質氣體，工質氣體在射頻功率饋入的能量作用下發生電離產生正、負離子和電子，高溫電子有利于工質氣體電離產生正離子，低溫電子通過與中性粒子有效結合產生負離子。獲得正離子較容易，而負離子形成較復雜，使用磁過濾裝置對電子約束使其降溫并與中性氣體結合可以有效得到負離子，這樣就形成了含有極少電子的正、負離子等離子體，再通過柵極對正、負離子進行加速，噴出后自行復合呈電中性，無需加設中和器。

鑒于以上優勢，對該種新型推力器的研究十分必要。

圖1 電負性氣體等離子體推力器工作原理Fig.1 The PEGASES concept

1 推力器發展現狀

電負性氣體等離子體推力器的提出是為了改善空間電推進系統的經濟性和壽命。其無中和器的優勢吸引了諸多國家的重點關注。美國喬治亞理工學院設計出了馬歇爾推力器(MINT)，將電負性氣體作為工質氣體，交替加速正、負離子產生推力，實驗結果較為理想[1]。法國巴黎綜合理工學院最初于2009年設計研制了離子-離子推力器第一代原理樣機[2]，在2014年又通過實驗對以往結論進行驗證總結，實現了該推力器成功點火，將等離子體中的電子數密度降到離子數密度千分之一以下[3- 4]。美國海軍研究實驗室通過試驗證實了加載偏置電壓可以從電負性氣體等離子體中引出正、負離子[5]。

2 電負性氣體等離子體推力器工作原理及過程

圖2為電負性氣體等離子體推力器三維模型示意圖，使用電負性氣體等離子體在于交替加速正、負離子以獲得推力，該理念是電推進研發的全新方向。主要方法是通過建立分層高數密度的正、負離子等離子體，以便引出和加速等離子體，所噴出的正、負離子自行復合呈電中性，因此在推力器下游無需中和器，由于磁過濾裝置對電子的束縛作用，在引出過程中羽流區電子極少，降低了羽流污染。該推力器工作主要分為三個階段：1)電負性工質離子化；2)正、負離子等離子體形成；3)正、負離子加速。

圖2 電負性氣體等離子體推力器三維模型Fig.2 3D model of PEGASES

(1)電負性工質離子化

工質離子化是最初的工作過程，在該過程中由射頻功率源通過匹配器將能量傳遞給激發電離工質氣體的天線[6-7]。確定射頻耦合模式、推進工質注入方案、天線結構是工質離子化的重要內容，其中射頻耦合模式決定了該過程效率的高低。

射頻耦合主要用來傳遞能量[8-9]，主要方式有：容性耦合(CCP)、感應耦合(ICP)和波耦合[1]。容性耦合是由于鞘層在射頻電壓變化下導致電容變化使得電子獲得能量激發放電。在感應耦合中，天線在射頻功率源作用下產生了感應電場，電子在電場中獲取能量激發放電。在波耦合模式中，射頻功率源產生具有較高能量的電磁波，通過朗道阻尼作用將能量傳遞給電子激發放電。

經研究發現，鐵磁強化后的感應耦合(FMICP)在能量傳輸效率上優于單純的感應耦合(ICP)模式[10]。鐵磁強化后的感應耦合能夠在更寬的射頻功率范圍和氣壓條件下有效工作，且便于對離子數密度進行調控。馬歇爾推力器采用了適當磁導率的鐵氧體環狀磁芯，與一定射頻功率源頻率相匹配，可有效減小影響等離子體均勻性的容性耦合放電以及較低利用率的傳輸線效應。

為了獲得理想推力、增大射頻功率耦合效率、提高工質利用率，推進工質注入時采用多處均勻注入方式[4, 10]。適當增加天線寬度以確保推進工質獲得足夠的射頻能量，提高離子化效率[1]。

電負性等離子體是一種除了離子化、復合之外，振動狀態分解及改變也消耗能量的等離子體。因此，產生正、負離子比僅產生正離子消耗的電能更多。負離子會主動與正離子結合，兩者間存在庫侖力作用，提高了正、負離子結合效率，因此使用電負性氣體等離子體最大的挑戰是如何得到高數密度的正、負離子[2]。

(2)正、負離子等離子體形成[11]

正、負離子等離子體是除了中性粒子外幾乎僅含有正、負兩種離子和極少電子的等離子體。即帶負電粒子的運動狀態主要是由較重且難以運動的負離子決定而不是由輕小的自由電子決定。帶有該種負離子的等離子體與一般電正性和弱電負性等離子體明顯不同。負離子主要通過自由電子與中性粒子結合形成，但是在射頻放電過程中電子溫度較高而不易完成兩者的結合過程，所以需要對電子進行冷卻[5]。根據該原理，正、負離子等離子體形成主要有三種方式：在脈沖電負性等離子體的余輝中形成；在電子束產生的等離子體中形成；在磁場約束的電負性等離子體邊緣形成[12]。

圖3為Midha和Economou在氯氣脈沖放電條件下得到的離子密度、電子溫度隨時間變化的一維流體仿真結果。當中斷射頻能量輸入時，電子溫度迅速降低，之后電子數密度隨著負離子數密度的提高而降低，這是由于該部分電子與中性粒子結合形成了負離子所致，正、負離子等離子體在經過幾十微秒之后有效形成[2]。

圖3 離子數密度、電子溫度在氯氣脈沖放電中的變化規律Fig.3 Ion densities and electron temperature in a high density pulsed chlorine plasma

從圖3中可以看出，正、負離子數密度下降十分明顯，這對于等離子體推進系統而言，脈沖方式獲得的正、負離子效率較低。且等離子體施加脈沖需要增設相關設備，從而使得系統體積和質量增加。因此，對于電負性氣體等離子體推力器而言，持續工作方式更為合理。

Walton等人在實驗中發現，在持續電子束中可獲得很高的負離子數密度，此時該等離子體中電子溫度均很低(Te<1.0 eV)，因此電子結合率很高并且能夠和電離率相比。如圖4、圖5所示，在電子溫度低于1～2 eV時，電子結合率與電離率相當。大部分產生的電子轉化為負離子，因此有效形成了正、負離子等離子體。研究表明，采用電子束來產生正、負離子等離子體非常有效，但是該方式增加了系統復雜度，尤其選用空心陰極作為電子源時，限制了使用壽命[2]。

圖4 SF6中離子化和結合率隨電子溫度變化曲線Fig.4 Ionization and attachment rate coefficients as a function of electron temperature in SF6

圖5 Cl2中離子化和結合率隨電子溫度變化曲線Fig.5 Ionization and attachment rate coefficients as a function of electron temperature in Cl2

另一種產生正、負離子等離子體的有效方法是：使用適當的磁場將電子束縛在沿著磁場線的方向上，而允許離子在垂直于磁場線方向上運動，即電子過濾，該方式在約束電子的同時降低了電子溫度，促成正、負離子等離子體的產生并且提高了電子利用率，圖6為電子過濾裝置示意圖，磁場可使用電磁螺線管或者永磁體。如Walton等人使用100～200 Gs的磁場來約束電子束[5, 13-14]，而Kawai等人使用2 000 Gs的磁場[15]。兩者均在Ar/SF6混合工質和離子數密度為109cm-3的電區域獲得正、負離子等離子體。Amemiya等人利用一系列永磁體獲得了近乎不含電子的區域[2]，產生的氧離子數密度為109～1010cm-3。

圖6 電子過濾裝置Fig.6 Electronic filter device

(3)正、負離子加速

在有界等離子體邊緣存在約束帶電粒子的電勢，可使達到器壁的正電流和負電流平衡。在通常情況下，等離子體是由數量相等的正離子和電子組成，其中電子比離子更易移動，因而等離子體相對器壁呈正電性。在等離子體和器壁之間的非電中性區域稱作鞘層。為了維持離子流的連續，在電中性的等離子體和非電中性的鞘層之間一定存在一個過渡層或稱預鞘層[16-18]，如圖7所示。圖中ne為電子數密度；ni為離子數密度；n0為中性粒子密度；x為器壁；Φp為等離子體電勢；Φw為器壁電勢。

圖7 鞘層和預鞘層Fig.7 Sheath andpresheath

鞘層和預鞘層及其形成在引出離子束的柵極設計中是必須考慮的基礎特征。由于較電子而言，負離子具有更低的溫度和更大的質量，正、負離子等離子體中鞘層結構與傳統電子、正離子等離子體有很大不同。一般情況下有兩種引出和加速方式：一是使用兩個獨立相鄰的柵極系統，一個接負偏壓引出正離子束，一個接正偏壓引出負離子束；二是正、負偏壓交替施加在一個柵極系統上引出正、負離子。

Kanakasabapathy和Walton等人已經證明了相當的正、負離子流可以通過使用低頻正弦偏置電壓來獲得[2]。研究表明在偏置電壓頻率發生變化時鞘層區域表現出明顯的改變，該變化取決于等離子體碰撞的規模和離子等離子體頻率。為了用單偏置電壓柵極有效地引出高速的正、負離子，需要射頻源具有最優化的頻率和波形。通過PIC粒子模擬對鞘層大小和預鞘層的存在進行研究發現，在直流偏置電壓影響下，正、負離子等離子體中形成了查爾德定律類型鞘層，但是該鞘層大小由反射離子種類而不是電子決定。實驗還證明盡管正、負離子在質量方面差別極小(5%)，也會產生極大的電勢不對稱，對等離子引出和加速具有一定影響。因此對形成不同質量的正、負離子的電負性工質氣體如O2、SF6而言，清楚認知正、負離子的產生過程尤為必要。

對基于柵極交替加速模式而言，通常至少需要兩個柵極。第一個柵極直接與等離子體連接并且通有波形交替變換的偏置電壓，第二個柵極接地，這樣在一個偏置周期內就能夠獲得不同方向的電場，正、負離子由于兩個柵極之間加速電場方向改變而加速或者減速。

一般情況下，在電正性、電負性等離子體中自由電子對于鞘層的形成至關重要，而且等離子體的電勢相對于施加在柵極上的電勢而言偏正。在正、負離子等離子體中電子數密度極低，空間鞘層可以忽略。PIC粒子模擬和流體仿真表明當等離子體暴露在偏置柵極處時，空間鞘層的帶電類型取決于所加電壓。這樣當正、負離子穿過第一個柵極時，其在兩柵極電場作用下加速或者減速。

兩柵極之間的電壓變化頻率在離子的引出、加速以及中和過程中具有至關重要的作用。對于射頻放電的高頻而言，變化頻率應低于等離子體頻率，以保證正、負離子加速和復合。

(1)

式中：ωpi為等離子體頻率；e0為電子帶電量；ni為離子數密度；ε0為真空介電常數；Mi為離子質量[4]。對于SF6而言，其離子數密度上限約為1011cm-3，電壓變化頻率約為5 MHz。

3 關鍵技術

相比于傳統柵極離子推力器而言，電負性氣體等離子體推力器關鍵在于：選用適當的電負性氣體工質、高效的電子過濾裝置、加載合理的柵極偏置電壓、選擇合適的診斷方式。

3.1 電負性氣體工質選用

在電負性等離子體推力器中，選用適當的電負性氣體作為推進工質以達到同時加速正、負離子來獲得所需推力的目的。電負性氣體是一種極易與自由電子結合形成負離子并保持穩定狀態能力的氣體[19]，通常為非金屬元素組成的單質或者化合物，非金屬性較強。其中由鹵族元素組成的單質，如氯氣、碘蒸氣等，或者是由鹵族元素組成的化合物分子氣體，比如SF6、CF4等較為常見。除此之外還有O2和H2等非鹵族元素氣體。研究表明，在壓強0.13 Pa、射頻功率100 W的條件下，采用SF6作為工質產生的正、負離子速率相當，具有較高的復合率[20]。

在這些電負性氣體中，I2一直被認為是最有發展前景的工質，I2的電負性極強，電離閾值很低(I2：9.41 eV；I:10.5 eV)[2]，這使得碘在合適的射頻功率下可以充分電離，獲得比較理想的正、負離子等離子體。除了上述優點外，碘在空間的貯存特性也是其作為推進工質的重要優勢。描述電負性氣體電負性程度的主要指標有：負離子與電子數密度的比值：α=n＿/ne；電子溫度與負離子溫度的比值：γ=Te/T_。

3.2 電子過濾裝置

分子氣體的電離和復合受電子影響較大，其反應過程如下[12]：

(2)

(3)

(4)

式中:Bx、By、Bz分別為不同原子個數的B(如F5、F6、F3)。從式(2)～(4)可以看出，中性氣體分子先與高溫電子發生碰撞電離產生離子和電子，低溫電子被未電離的中性分子捕獲結合為負離子。在放電室上游同時存在正、負離子和電子，為保證反應持續進行，需要將電子約束在放電室中，從而使電子與中性分子持續結合以不斷提高負離子數密度，即提高電負性程度。產生電負性氣體等離子體關鍵在于控制電子分布，通過磁場過濾裝置使得高能電子主要集中在放電室上游區域不斷反應產生離子，下游的低溫電子能夠與中性粒子結合形成負離子。

3.3 柵極電壓加載

柵極采用一端施加正弦偏置電壓、另一端接地的方式用以對正、負離子進行加速，電場方向隨時間交替變化。由于在同一個周期中被加速的正、負離子數量不一定相同，因此需要選擇合理的偏置電壓占空比，調整離子相應的加速時間以保證獲得近似甚至數量相同且速度接近的正、負離子，使得噴出的離子能夠完全復合為中性粒子，進而使羽流呈電中性。近期實驗發現，以毫秒為上升沿的方波也能對正、負離子進行加速，而且柵極位置對等離子體的形成幾乎沒有影響，其最佳位置取決于磁過濾裝置后離子數密度最大位置。通過PIC模擬發現，從等離子體源中引出的正、負離子通量比例由氣體電負性決定，通常負離子數密度遠高于電子數密度。負離子從等離子體中引出時可以檢測到部分電子，在該情況下負離子的加速周期比正離子加速周期短才能補償電荷密度和電荷量的不均，使得正、負離子通量相等。為了獲得更加準確可靠的數據，可以聯立離子連續性方程、動量守恒方程及泊松方程進行計算。相關結果表明，離子鞘層結構與偏置電壓頻率以及離子與柵極的碰撞頻率密切相關，離子運動速度遠高于熱運動的平均速度，說明不同偏置電壓模式條件下形成的鞘層對離子運動具有一定影響[7]。

選擇SF6作為工質氣體時，當正偏置電壓達到穩定的時候，正、負離子等離子體電勢比柵極施加電壓大約低100 V。這是由于正、負離子等離子體在柵極上形成了介電薄膜，其由SFx在放電腔反應中產生的硫沉積而得[21]。該薄膜的形成與增長對于不同偏置電壓會有所變化。當偏置電壓為正時，薄膜容易沉積形成，而施加負偏置電壓則會出現薄膜自清理。如圖8所示，負偏置電壓減小至一定值(<-150 V)后，離子電勢無法繼續減小，在柵極孔附近形成了抑制高電壓對負離子的加速作用[4]。因此，應當選擇合適的負偏置電壓以減小介電薄膜對負離子加速效果的影響。研究發現在施加正偏置電壓時可以加入氬氣或者其他稀有氣體甚至是化學活性高的氣體(比如氧氣)，可有效抑制沉積而形成介電薄膜[4]。

圖8 等離子體電勢隨偏置電壓的變化Fig.8 Plasma potential as a function of the DC voltage applied to the grid

3.4 診斷方式選擇

電負性氣體等離子體的一個重要特征是鞘層電勢，而研究鞘層的基本方法是測量浸入等離子體中電極的懸浮電勢[22]。在電負性氣體等離子體中，懸浮電勢是電負性離子參數α、γ的函數。為了測量電負性參數，常用方法是使用光致分離技術輔助的朗繆爾探針診斷技術。

4 結束語

電負性氣體等離子體推力器采用對正、負離子交替加速的方式產生推力，因而無需中和器，不僅降低了推力器部組件設計和成本，還延長了推力器的使用壽命，因此具有一定的優越性。等離子體引出和加速目前已有較大改進，雖然離實際應用還需進一步深入研究，但是關鍵參數(電離度、離子數密度等)已可滿足推力器放電特性指標要求。相信在不久的將來該推力器會成為一類重要的推進方式。

綜合來看，電負性氣體等離子推力器的應用前景廣闊，其無需中和器、壽命較長等優點將使其在空間科學探測、星際航行等任務中發揮舉足輕重的作用。