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离子源电离室放电特性研究

孟圣峰  
【摘要】:离子源是一种在电离室内部放电产生等离子体并利用栅极加速喷出离子束流的装置,在航天等领域有广泛的应用。其最关键的电离室内部放电特性研究是其性能提升的先导基础。本文分别对离子源电离室的电磁场、等离子体参数诊断和等离子体分布等放电特性开展了研究。本文利用会切场在微波离子源电离室中构成了较合适的共振面,在考夫曼电离室中形成两个磁尖端。发散磁场磁力线包覆整个阳极壁面。近磁铁壁面强度高而随距离变化衰减剧烈。无磁场条件下放电室内部等离子体中电子在电场作用下迅速损失,其发光强度迅速减弱。在会切磁场条件下,光谱辐射强度的变化表现出一致的双峰分布。发散磁场条件下,磁力线包覆整个阳极导致电子运动受阻,放电电压高于其他磁场条件的两倍,光强分布则在轴向上呈现出递减趋势。磁场对等离子体的影响表现为约束电子的运动,增加电离室内部电子密度。基于不同天线构型和输入功率,本文研究了电离室中的对应电场分布。环形天线电场强度分布相比于四角星形和八角星形有较好的对称性。微波功率与电场强度之间呈现正相关关系。光强随功率增大增强,原子谱线发光剧烈,离子谱线发光较弱。环形天线高亮发光区集中在放电室中心部位,边缘区域发光较弱,光强梯度较大。四角星形天线,高亮区范围更广,光强均匀性好。光强特性与电场的分布结构之间存在一致性。本文对等离子体诊断方法做了系统性的研究。针对单探针诊断的电子能量非麦氏分布,探索出放电室内部的x=1.7双参数电子能量分布函数。基于原子9线的电子密度敏感性和离子4线的电子温度敏感性发展了Xe等离子体光谱诊断方法。将光谱和单探针诊断结果对比,一致性效果较好。基于上述诊断方法对考夫曼型放电室内部等离子体电子参数进行了监测,发现气流和放电电流对等离子体空间分布有显著的影响。其随着气流量的增大,放电室内部等离子体密度升高,温度降低。随着电流的增大,电子密度升高,而电子温度的大梯度爬升区后移。微小型微波离子放电室内部等离子体密度在1x10~(11)cm~(-3)左右,其电离率约只有1%,其性能还需进一步优化。在最后本文对电离室内部的等离子体参数分布做了研究。在考夫曼离子源电离室中,径向的电子温度受磁场影响其增加幅度。磁场分布影响电子密度的降幅,无磁场衰减超过一个数量级,而会切场和发散场衰减在一个数量级以内。对于微波离子源研究了利用光强基本信息表征其电离分布的诊断方法。通过该方法研究表明,环形天线的电离分布较集中而星型天线的均匀性更好。微波离子源的点火过程时间延续在1.25ms左右。等离子体最先在凸星角点和星边棱附近以近似电晕放电的形式产生,后从膜状电晕发展为刷状电晕。等离子体密度增加逐步扩散,最后点亮整个放电室并得以稳定维持。


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