离子束行为的评价在50 W类射频离子推进器

文摘

现象学的行为离子束加速通过网格系统在50 W类射频离子推进器已经被实验研究使用PIC模拟和评估测试使用法拉第调查。束轨迹为各种电网电压显示,金属离子推进器的发动机罩需要密封射频线圈在放电室影响光束发散角。仿真结果表明,发散角增加10.52%,主要是因为更大的径向电场的存在金属发动机罩。发散角的增加随着加速器栅极电压的增加。法拉第电流密度分布测量的调查显示了一个更大的发散角与发动机罩安装。测试用例的质量流率从3 sccm 4 sccm约50 W的功率,电流密度分布展品第二高峰在径向位置从中心线约4厘米。

1。介绍

电力推进是广泛应用于卫星推进系统由于连续霍尔推进器的发展,离子推进器。希托夫在1884年首次引入射频离子推进器(RIT)的离子是由一个电磁场1- - - - - -4]。它有几个优点,如更高的效率和更高的排气速度,因此,更高的比冲量相比其他类似类微型等离子体推进器(5- - - - - -7]。设计和开发的离子推进器,网格系统必须设计和优化各个推进器的离子束的发散角和形态是很重要的,因为它直接影响到特定的冲动和推力。据报道在前面的实验和理论研究,单产生的离子光束的发散特性和多孔的加速器系统是影响网格的几何参数和操作条件8- - - - - -12]。然而,这些研究没有分析金属盖封闭的影响发动机的离子光束的发散角。发动机盖安装尽量减少任何不必要的火花从网格和保护周围的射频线圈引擎。射频离子推进器的感应磁场是非常小的,因此洛伦兹力主要取决于电场,在粒子的运动过程中发挥作用,通过网格孔。通过网格系统电位分布影响离子导流系数和羽毛的形状。为了评估这种效果,我们采用PIC模拟(13,14)被广泛用于理解离子束的行为通过射频离子推进器的网格系统的目的确定离子光束的发散角。模型解决电场和离子动力学在整个域2 d轴对称,包括网格。为了证实仿真结果,离子电流密度在径向方向上由法拉第探针测量系统。

2。工作原理的无线电频率(RF)离子推进器

网格示意图的无线电频率(RF)离子推进器在这项研究中的应用是图所示1。离子产生在一个圆锥形的放电室的振荡电场由13.56 MHz兴奋射频功率和加热电子电离气体推进剂(Xe) [15]。产生离子加速电场在two-grid系统(屏幕网格和加速器网格)。加速度产生的离子通过网格系统强烈取决于附近的电位分布,Child-Langmuir鞘形成网格孔和影响离子的浓度和并行性。离子束的电流密度( )通过鞘可以计算 在哪里总加速电压之间的网格,孔直径屏幕网格,有效加速度是长度,介电常数是免费的空间,然后呢离子质(12]。然后,每孔成为离子导流系数 从中选择最优网格几何形状和电压达到最佳导流系数。然而,这个导流系数不占网格系统外的光束发散度的电荷分布可以修改通过加速器外的电场形成的网格。

3所示。PIC模拟离子束

离子的加速过程的发散现象离子束通过网格系统进行了PIC模拟在OverViz等离子体仿真套件(16]。数值模拟有助于可视化离子束轨迹并提供的离子密度分布可以确定离子光束的发散角(17,18]。图2显示了两个不同的计算域和相应的边界条件。图2(一)只包含两个网格,而图2(b)包括发动机罩放置调查发动机罩的效果差异的离子束。使用泊松方程自洽的静电势解决指控物种。

在屏幕的网格设置恒定电压1500 V,和加速器电网电压变化从-350 V到-250 V调查总加速电压的影响光束发散度。金属发动机罩接地。单电离氙的发射均匀密度在图上标记灰色区域2通过网格系统,加速。离子运动使用PIC方法解决了计算电场下的离子动力学计算了牛顿定律(19]。计算出的发散角是(12]。 在哪里加速器网格的距离是正确的出口平面,离子束的半径在加速器网格,然后呢是离子密度分布的径向伸长在正确的出口平面的推进剂气体使计算域如图2。网格参数表中列出的模拟中使用1。

4所示。结果与讨论

4.1。径向电场和发散角

图3显示Xe的速度分布⁺离子从PIC模拟获得这解释了离子束的包络轨迹。上面的图像对应的情况下没有金属发动机罩,和较低的图像对应的情况下发动机盖安装。图中可以看出,网格几何图形都是精心设计的,离子束展品非常定向轨迹没有触及的加速器网格推断一个好的离子导流系数。离子速度达到最大 m / s,因为它通过加速器网格。可以计算通过测量光束发散角宽度在出口处平面。黄条放在正确的退出飞机有相同的高度表明,发散角较大时,发动机罩安装。

不同离子的运动,在网格系统是线性依赖于径向电场。图4显示了在径向电场分布 mm远离加速器的外表面网格。可以看出,径向电场时更强的发动机罩安装。较大的径向电场提高离子运动的径向远离中心线,从而带来更多的不同离子轨迹如图3(b)。径向电场强度的增加在中心线的范围从15%到19% mm远离中心线。

加速器栅极电压修改不仅离子释放的速度通过网格系统也修改径向电场。图5显示了不同的离子束发散角的加速器电网电压。随着加速器网格上的负电位增加,整个网格系统的总压降增加。然而,同时电子束电流增加,因此,导流系数增加。当导流系数值小于最优值,光束发散角成反比导流系数(12]。如图5,发散角增加随着加速器栅极电压的增加由于电子束电流减少。然而,发动机罩的效果变得弱由于径向电场。有趣的是注意到从计算结果发散角略有下降在-325 V发动机罩安装时,这并不是观察到当发动机罩移除。

4.2。离子束分布从法拉第调查

发动机罩的效果由法拉第探针测量实验研究。图6显示了法拉第探针测量系统的示意图。离子引擎在我们实验室开发的是50 W类射频离子推进器与加速器网格上光束直径45毫米。表面积的收集器的法拉第探测电子束电流测量是10毫米。离子引擎被放置在一个特定位置探测的探测和翻译的 - - - - - -方向如图所示。分布的离子束电流通知的发散角(20.]。束电流密度( )通过计算 在哪里测量电子束电流,是收集器探头表面的面积,是一个收集器面积校正,会计是一个校正因子的二次发射收集器(21]。和计算了 和 在哪里收集器的半径,收集器的高度,保护环的半径,保护环的高度, 离子电流分数、负载量和二次发射率。最大的不确定性水平电流测量系统,获得了5点sccm 55 W是0.5 mA /厘米²95%的置信区间假设计算,统计误差遵循学生的分配时使用样本的数量并不大(22]。

图7显示的电流密度分布的离子束测量 远离加速器网格表面。射频输入功率是50 W, 3 sccm质量流率。点对应的发动机罩,象征,中空圆形符号对应发动机罩。可以看出,这两种情况下的电流密度径向方向的单调下降。考虑到不确定性水平,是边际状态的发散角离子束时更大的发动机罩安装和PIC模拟结果是一致的。

图8显示了电流密度分布的离子束对各种射频权力当发动机罩安装。在4 sccm质量流率是常数,和探针放置在10厘米远离加速器网格表面。正如所料,电子束电流密度最高沿中心线和滴法拉第探针在径向方向上移动。随着功率的增加,梁的电流密度增加整个径向位置。然而,再次观察到电流密度增加的调查从3厘米为每个输入功率4厘米。图9显示当前离子束的密度分布不同的质量流率。射频输入功率是50 W,探测器放置在远离加速器网格表面10厘米。随着质量流量的增加,梁的电流密度增加整个径向位置。然而,也观察到电流密度在4厘米,观察图再次上升8。推测,电场主要负责下的粒子运动非常微弱的感应磁场径向方向不会改变单调。另一个原因可能是一个非均匀密度分布在放电室由于锥形形状的离子推进器。流量减少,第二高峰变得相对较弱。完整的描述一个射频离子推进器需要推力测量目前不可用。

5。结论

PIC模拟结果表明,径向电场时增加19%金属安装发动机罩。这就解释了离子光束的发散角的增加10.52%,由于发动机罩。的发散角成反比离子增加导流系数随着加速器栅极电压的增加,因为较低的电子束电流导致较低的离子导流系数。法拉第探针测量显示了类似的行为,其中电流密度下降在径向方向上早些时候发动机盖安装。束电流密度随输入功率的增加和质量流率增加。然而,观察到存在第二峰值电流密度 反复观察到在测试操作条件为50 W类射频离子推进器。

数据可用性

这项研究的结果的数据与50 W类射频离子推进器的发展。要求,部分数据可以获得相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文支持的2018韩国蔚山大学的研究基金。

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