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自持空心阴极双鞘层数值模拟及热分析

王颖  
【摘要】: 空心阴极作为电子源和离子束中和器广泛应用于霍尔推力器和离子推力器等电推力器中。自持空心阴极内发射体发射的热电子与通道中的等离子体相互作用,在发射体表面附近形成双鞘层。在自持空心阴极中,工作电流、发射体温度、鞘层电压和电场、等离子体密度之间,通过鞘层这个桥梁,达到一个自洽的平衡。自持空心阴极内发生的一系列物理现象,都和这样的一个自洽平衡过程相关联。由于自持空心阴极的热源和热损失决定了发射体的温度,并影响了双鞘层的物理特性,因此,对双鞘层特性的分析和对自持空心阴极的热分析十分重要,能够更加深入的了解自持空心阴极的性能和特性。 本文首先描述了自持空心阴极的结构以及自持空心阴极双鞘层的结构,介绍了双鞘层的基本概念、基本特性及研究意义,并分析了自持空心阴极的结构特点。根据自持空心阴极的自洽平衡关系,考虑主要的能量损失为热电子发射带走的能量和辐射散热,主要的能量来源有离子轰击壁面后沉积到壁面上的能量及等离子体中的电子带给壁面的能量。利用连续性方程、粒子通量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程,结合合理的初始条件和边界条件,建立自持空心阴极双鞘层热平衡模型。并且,根据自持空心阴极结构,建立阴极自持工作时定量壁面热流密度模型和内热源生热结构模型。 通过对双鞘层进行模拟,分析了等离子体电势和等离子体密度对不同发射体的自持空心阴极双鞘层的热平衡温度,鞘层电势和电场的影响等一系列自洽平衡关系。随着等离子体电势绝对值的增大和等离子体密度的增大,发射体温度是升高的,鞘层的电势是不断增大的,电场强度先减小后增大。 最后,本文使用ANSYS软件对自持空心阴极进行了热分析,施加前面计算出的热流密度载荷,比较了不同的陶瓷材料的阴极温度场分布、不同厚度的钽皮以及分隔开放置的钽皮对阴极温度场分布的影响。不同厚度的钽皮所起的隔热效果只能提高几度,而分隔开放置的钽皮能使发射体的温度升高200度左右。同时,分析了加载内热源时,不同陶瓷的自持空心阴极需要加载的能够使阴极达到自持工作状态的内热源的温度,比较了不同厚度的陶瓷需要加载的温度。


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