霍尔推力器通道中工质电离参数的多谱线诊断方法

论文摘要

霍尔推力器是一种广泛用于各种太空飞行任务的电磁等离子体推进装置,具有高效率、高比冲和长寿命的工作特点,特别适用于各类航天器的位姿保持、轨道修正、动力补偿和深空探测等任务。其内部的物理机理非常复杂,通道中的电离过程是霍尔推力器进行性能改进的需要考虑的重要过程,工质是否充分电离,离子是否平行于出口轴向喷出,都严重影响着霍尔推力器的效率。通道中有着狭小的电离空间和复杂的磁场位形,目前只有使用辐射光谱法才能有效地对各种等离子体参数进行诊断,而这种诊断方法也有着一些其他的优势,如实时诊断,便携带等。本文从基础的惰性气体内部能级出发,详细论述了光谱辐射强度模型的建立过程,从理论和实验两方面研究了通道中光辐射陷阱效应的影响,对比与双谱线法诊断,提出了多谱线诊断的方法,最后对多谱线诊断方法进行了不确定分析。霍尔推力器通道中的光谱辐射模型主要是基于通道中的各种碰撞过程提出来的。惰性气体原子内部能级的耦合过程区别于一般的原子,它是通过jK耦合形成的,耦合过程确定了其不同能级的代表能级性质的各种量子数。根据跃迁准则,只有符合条件的能级之间才能够进行跃迁,产生激发、电离、自发辐射等过程。通道中光子、电子、原子、离子等进行着非常复杂的碰撞能量交换过程,经过适当的假设讨论之后,原子的碰撞过程主要取决于电子对基态和亚稳态原子的碰撞。电子与原子碰撞使其激发或者电离是有一定概率的,这主要体现在碰撞截面随着电子温度的分布上面。再假设激发态的原子全部都通过自发辐射进行退激之后,根据这些基础能级激发过程,光谱辐射模型便可以完整的得到了。通道中的能量物质交换除了上面的碰撞辐射模型中的主要过程外,原子对光子能量的吸收也有着深刻的影响,体现为光辐射陷阱效应。在等离子体中由于原子群体的存在,一个原子自发辐射出的光子会被相同原子的特定能级吸收,这使得等离子体总体表现上,激发态能级的原子布居数发生变化。以光子的平均自由程对通道中的光辐射陷阱效应进行估计后,发现通道中（尤其是近阳极区）的光辐射陷阱效应是不能忽略的。光辐射陷阱效应主要体现在原子的总的电子碰撞激发截面的增加和同一个上能级向不同下能级跃迁的概率变化上。前者在各类文献中已经提到很多,主要归结到等离子体压强对总截面的影响上,后者我们通过实验测量发现不同的能级向下跃迁的分支系数比随着压强变化会偏离理论值,并且偏离的趋势各不相同。根据这些讨论,对于我们的多谱线诊断法,消除光辐射陷阱效应的方法在于取通道压强下的截面数据和将谱线强度归结到同一上能级的布居数。根据前面的这些讨论,自然可以提出多谱线法。对于不同的能级建立布居数平衡方程之后,根据能级的性质,方程中包含着不同的参数。将方程分类求解,先使用2p610能级的布居数方程计算得到电子温度,原子密度乘电子密度,1s5亚稳态密度比基态密度,再用2p3,4的方程计算得出1s3亚稳态密度比基态密度。同时可以用2p1,2,5的方程进行计算验证。这些参数可以计算得出沿着通道产生离子的速率,再根据等离子体的输运方程计算得到霍尔推力器的工质利用率。最后比较了光谱法与法拉弟探针法的工质利用率计算结果。最后,对光谱计算方法中的不确定度来源进行了分析。对于光谱的绝对辐射强度进行测量是是一个精密的过程,连接线路、实验仪器等都会对结果造成影响。通过对实验系统进行定标,可以得到光谱仪接收到光谱的绝对强度,并且我们实验测量了谱线绝对强度随时间变化的不确定度与谱线强度的关系。通道中等离子体的电子温度分布函数的选择也会对结果造成影响,我们比较了麦克斯韦分布和Bugrova两种分布函数得到的激发速率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 霍尔推力器通道中的电离环境
• 1.1.3 霍尔推力器通道中的光谱诊断
• 1.1.4 多谱线光谱诊断方法的提出
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 霍尔推力器光谱诊断的研究现状分析
• 1.2.2 霍尔推力器电离机理的研究现状分析
• 1.3 论文的主要内容及章节安排
• 第2章 霍尔推力器通道内的碰撞过程及光辐射模型
• 2.1 惰性气体能级的形成及能级之间的跃迁
• 2.1.1 Kr 的能级耦合过程
• 2.1.2 Kr 的能级跃迁机制
• 2.2 亚稳态原子在电离和激发过程中的作用
• 2.3 碰撞激发、电离的截面
• 2.3.1 碰撞截面的概念及分类
• 2.3.2 碰撞截面的获得
• 2.4 通道等离子体的光谱辐射模型
• 2.4.1 等离子体中的各种碰撞过程
• 2.4.2 建立光谱辐射模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 通道中的光辐射陷阱效应
• 3.1 通道中光辐射陷阱效应的估计
• 3.1.1 光辐射陷阱效应的形成原理
• 3.1.2 通道中光辐射陷阱效应影响的估计
• 3.2 光辐射陷阱效应对碰撞截面的影响
• 3.3 光辐射陷阱效应对2p→1s 跃迁中分支系数的影响
• 3.3.1 阳极工质流量变化引起分支系数比值的变化
• 3.3.2 阳极工质流量变化引起亚稳态吸收光子比例的变化
• 3.4 消除光辐射陷阱效应影响的方法
• 3.4.1 通道中等离子体的压强
• 3.4.2 截面数据的选取和能级布居数的应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 通道内等离子体参数的多谱线计算方法
• 4.1 通道电离参数的多谱线诊断方法
• 4.1.1 双谱线诊断方法及其缺陷
• 4.1.2 多谱线诊断方法的提出
• 4.2 电子温度的计算方法
• 4.3 利用探针结果对光谱法定标
• 4.3.1 多谱线法定标的原理
• 4.3.2 多谱线法实验定标过程
• 4.4 本章小结
• 第5章 多谱线法的不确定度分析
• 5.1 光学测量系统的定标与不确定度分析
• 5.1.1 谱线测量系统对强度测量值的影响
• 5.1.2 光学测量系统的定标
• 5.1.3 测量强度受积分参数的影响
• 5.1.4 测量时间不确定度
• 5.2 电子温度分布函数的影响分析
• 5.2.1 常用的电子温度分布函数
• 5.2.2 电子温度分布函数对电子激发速率的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历