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不同微波注入方式10厘米ECR离子源放电特性研究

王与权  
【摘要】:电子回旋共振离子推力器(ECRIT)属于静电式离子推力器,具有无热阴极、寿命长、可靠性高的特点,可应用于航天器姿态控制、轨道转移、位置保持和星际航行等方面。论文以10cm ECRIT的离子源为研究对象,以提高ECR离子源的性能为研究目标,对离子源内部等离子体的放电束流引出特性、微波能量注入方式、电子加热机制三个方面进行了研究。结果表明高电子密度区的微波注入方式以及朗道阻尼电子加热机制的出现可以提高ECR离子源放电性能。论文主要研究工作如下:一、论述了ECR离子源放电过程涉及的相关理论,明晰了微波在高密度等离子体与高磁场强度区域注入时,波的传输方式及静电波与电子进行无碰撞共振的产生条件。在此基础上,创建了线极化波高密度区注入离子源模型,实现了微波从离子源高密度、高磁场区域注入的方案,该方案能够降低微波在等离子传输过程中的能量损耗;创建了螺旋波注入离子源模型,分别实现了电子与圆极化波回旋共振和纵向静电波无碰撞共振的加热模式。二、根据ECR离子源中的各项能量分布,建立了10厘米ECR离子源放电过程的数学模型。在给定ECR离子源输入功率、结构尺寸、栅极有效透明度、推进剂流量条件下,该数学模型能够准确描述ECR离子源放电过程中的放电损耗和推进剂利用率之间的关系,并计算等离子体空间电势、密度、电子温度。三、根据网络分析仪低信号调试原理,建立了ECR离子源的网络分析仪低信号调试系统。对四种不同微波注入方式10厘米ECR离子源进行低信号回波损耗调试和品质因数计算,分别优化线极化波高密度注入和螺旋波注入离子源模型,实现离子源对微波功率吸收效率的最大化。同时采用高斯仪,实验测量出四种不同微波注入方式离子源的磁场分布,确定离子源ECR区位置。四、利用Langmuir探针诊断方法和原理,分别对线极化波高密度注入和螺旋波注入离子源模型进行低放电状态和高放电状态下的Langmuir探针诊断实验,给出了离子源内等离子体空间电势、电子温度、电子密度、离子密度和电子能量分布函数的分布规律,分析了这两种离子源内等离子体的特性。五、开展线极化波高密度注入和螺旋波注入离子源的束流引出能力实验研究,分析了推进剂流量、微波输入功率和栅极电压对不同微波注入方式离子源束流引出能力的影响。根据束流引出实验结果,计算了离子源的放电损耗、推进剂利用率、推力、比冲等参数。在20W~30W微波功率输入条件下,通过对比不同微波注入方式离子源的束流引出能力,实验验证出线极化波高密度注入离子源以及螺旋波注入离子源的束流引出、放电损耗、推进剂利用率、推力及比冲等参数优于现有波导式微波注入离子源。


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