ECR微波离子推进器离子加速部件的研究

论文摘要

微波电子回旋共振（electron cyclotron resonance-ECR）等离子体源技术是一种先进的低温等离子体发生技术,具有体积小、无热阴极、起动时间快、工质电离度高、工作寿命长等优点,非常适用于空间推进领域。以ECR等离子体为工质的离子推进器,是当前离子发动机的主流方向,对推进技术的发展而言具有重要意义。本文研究的内容为:对目前工业上成功应用的2.45GHz小型高电荷态ECR微波离子源进行参数分析,并以其参数为基础,以磁流体理论为依据设计出适合该离子源的静电式离子加速部件,使该离子加速部件在ECR离子源尺寸限制条件内具有最大的推力和比冲。离子束在电场中的运动是一个极其复杂的过程,本文在设计过程中采用PIC算法,通过对静电场泊松方程进行求解,模拟出粒子的运动特性。而离子加速部件栅极间静电场场强分布,则利用时域有限差分法对其相应的Maxwell方程进行数值求解得到。静电式离子加速部件的设计工作分为部件加速性能设计、离子光学性能修正及工况适应性分析。文章从高电荷态ECR等离子体入手,通过对等离子体电荷态、氩离子温度等重要参数的计算,进一步确定了单孔离子引出束的束流强度、加速部件的离子导流系数和栅极电位分布等基本参数,从而确定了离子加速部件的加速性能和对二次电子影响的消除能力。在确定了加速部件栅极的基本参数后,通过对三栅极系统各个极板结构进行几何修正,从而对加速电场位形进行优化处理,增强了加速系统对变导流系数的适应性,改善了离子束光学特性,使该三栅极系统参数可适用于多孔离子加速系统。最后,文章对该设计参数的离子加速部件进行性能计算,确定了该部件应用于离子推进系统后的推力和比冲指标,并对部件在正常工作状态下进行了寿命评估。经仿真计算,该设计参数的离子加速部件基本达到了当前的空间应用水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文来源、目的及意义
• 1.2 离子推进技术的发展及现状
• 1.2.1 离子推进器
• 1.2.2 静电式加速系统的发展
• 1.3 ECR等离子体简介
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.4.1 ECR离子推进器加速部件的工作原理建模与仿真
• 1.4.2 设计并修正推进器加速部件的离子光学特性
• 1.4.3 分析加速栅极在不同参数的ECR等离子体下的工作状态
• 1.4.4 论文成果
• 第2章 离子加速部件的理论分析
• 2.1 等离子体源及离子束理论概述
• 2.1.1 离子束理论
• 2.1.2 ECR等离子体源概述
• 2.2 静电加速部件的设计及性能研究
• 2.2.1 单孔加减速式静电加速部件
• 2.2.2 加速部件的离子引出能力
• 2.2.3 加速部件的离子加速能力
• 2.2.4 大面积多孔引出系统
• 2.2.5 引出系统的工艺问题
• 2.3 加速部件的离子束光学特性研究
• 2.3.1 离子碰撞及二次电子发射
• 2.3.2 加速部件电场位形的理论分析
• 2.3.3 离子刻蚀对加速部件的影响研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 离子加速部件的仿真及光学特性修正
• 3.1 时域有限差分法概述
• 3.2 Particle-in-Cell算法概述
• 3.3 静电加速部件的离子加速性能参数设计修正
• 3.3.1 离子抽取及加速工作仿真模型
• 3.3.2 离子抽取及加速工作仿真
• 3.4 静电加速部件电场位形参数修正
• 3.4.1 加速部件电场位形修正仿真模型
• 3.4.2 加速部件电场位形修正仿真
• 3.5 离子碰撞及二次电子发射仿真
• 3.6 仿真结果分析
• 3.6.1 场强利用率分析
• 3.6.2 电场位形及离子光学特性分析
• 3.6.3 离子电荷交换及碰撞分析
• 3.6.4 二次电子发射分析
• 3.6.5 加速部件工作寿命评估
• 3.7 本章小结
• 第4章 离子加速部件性能参数研究
• 4.1 ECR等离子体参数研究
• 4.2 不同特性参数ECR等离子体对加速部件性能的影响
• 4.2.1 大面积多孔模型
• 4.2.2 离子抽取及加速工作仿真
• 4.2.3 离子推进器性能计算
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢