离子推力器电子反流的理论预测与试验测量

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:曹康

  对离子推力器来说,加速栅的作用是提供一个负的电势壁垒,阻止下游的电子反流到放电室内部。反流电子流不仅会导致推力器能量损失,严重的甚至会导致推力器无法工作。电子反流阈值是由加速栅孔内的鞍点电势所决定的,而决定鞍点电势的因素有屏栅和加速栅的电势,屏栅和加速栅的几何结构,子离子束流的大小。推导了鞍点电热公式,采用监测屏栅电流的变化的方法,测量出反流阈值,并与理论计算值相比较。

1、引言

  离子电推进系统是一个先进的空间电推进系统,它具有高比冲,高效率,推力小的特点。在推力器运行的时候,为了维持航天器的电中性,离子推力器在运行时,中和器会发射和栅极引出束流离子相反的电子流,将束流离子中和。加速栅的负电压的作用是阻止电子反流到放电室内部。加速栅外面的电子符合麦克斯韦分布,如果加速栅电压不够,某些速度非常高的电子就能穿过加速栅,进入到放电室内部,形成电子反流现象。电子反流现象发生后,由于电子流不会贡献推力,会造成不必要的功率损耗,引起离子推力器性能下降,寿命降低,而且电子轰击到放电室内部产生的能量沉积会造成放电室局部温度过高,损害放电室组件。当电子反流严重时,甚至会导致离子推力器无法正常而寿命结。

2、理论预测

  2.1、加速栅孔电势

  在离子推力器中,屏栅和加速栅上面有很多对齐的小孔,用来引出束流。而从每一对小孔中引出的束流,称之为子离子束流。所有的子离子束流结合在一起,就形成整个离子束流。离子推力器的加速栅下游等离子体是由带正电的束流离子,尚未被电离的中性粒子,和由中和器发射出的带负电的电子所组成的。对于带负电的电子来说,电势为负的加速栅,就是一个负的电势壁垒,只有具有一定能量的电子才能穿过这个电势壁垒。加速栅外面的电子,符合麦克斯韦分布,处于分布曲线尾部的高能电子就有可能穿过加速栅电势壁垒。所以加速栅负的电势越高,能穿过这个壁垒的电子就越少,电子反流就越小。但是加速栅电势太高,又会导致其它的负面影响( 比如说,电荷交换离子对加速栅的腐蚀作用) 。所以要在加速栅上设置一个合适的电势,使得反流的电子足够小。在加速栅附近的空间电势分布如图1 所示:

加速栅附近电势分布

图1 加速栅附近电势分布

  其中虚线为子离子束流轴线上的电势分布; 实线为两个子离子束流之间,即栅边界上的电势分布。子离子束流轴线上的电势最低点比加速栅上的电势要高,称这个电势最低点为“鞍点”。产生这个电势差的主要原因是束流内部的正空间电荷。这个鞍点电势即为电子反流到放电室内部所需要克服的电势壁垒。进一步的研究表明,鞍点电势和三个因素有关:

  (1) 栅极间的静态电势分布

  (2) 屏栅与加速栅之间的几何结构( 包括栅间距,栅孔径,加速栅腐蚀程度[5]等)

  (3) 加速栅孔内部的子离子束流空间电荷分布。

试验结果分析

  从上面的试验结果可以看出,当加速栅电压降低到-175 V 时,就可以开始出现电子反流。随着加速栅电压的继续下降,反流电流迅速增大。在-172 V 附近,达到我们设定的反流阈值:febs = 1% 。将试验和理论计算的结果相对比,发现反流阈值函数的理论曲线和试验曲线形状上是一样的,都是随着加速栅电压的减小而迅速增大。然而试验测量得到的阈值比理论计算出的阈值大18.6%。分析原因,主要为理论推导过程中的假设和近似处理。

  (1) 在推导(5)式的时候,假设ne = ni,但是在加速栅出口平面附近,离子密度比电子密度大得多。这大量的离子,在加速栅出口平面附近形成一个正离子鞘层,使得鞍点电势偏高。

  (2) 考虑加速栅孔内,空间电荷的影响的时候,假设子离子束流内部的空间电荷是均匀分布的,然而屏栅和加速栅对离子的聚焦作用,使得在加速栅孔内,轴线附近的电荷密度最大,越靠近加速栅边界,电荷密度越小。在加速栅内部,空间电荷的这种分布,使得鞍点电势比理论值要偏高。

4、结论

  在考虑栅极间的静态电势分布,栅极的几何结构,以及加速栅孔内的空间电荷分布的情况下,推导了一种鞍点电势的表达式,并且针对具体的推力器进行了试验验证。通过理论计算的到的反流函数与加速栅电压的图形,与试验测量数据拟合出的图形相一致,验证了理论计算结的正确性。同时通过分析理论与试验所得具体数值的差异,得出了理论推导过程中近似处理所产生的误差。

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