，，，，

1. 北京控制工程研究所，北京 100190 2. 北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)研究中心，北京 100190 3. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024

微陰極電弧推力器(Micro-Cathode Arc Thruster，簡(jiǎn)稱μCAT)[1]是由美國(guó)喬治華盛頓大學(xué)近年來(lái)研制的一種新型推力器，其利用真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產(chǎn)生較高電離度的高速等離子體，并利用外加磁場(chǎng)聚焦等離子體以產(chǎn)生推力[2]。

典型的環(huán)型μCAT推力器如圖 1所示，主要包括陽(yáng)極、陰極、電極間的陶瓷絕緣層和同軸的外磁線圈等[3-4]。為了便于研究，可以人為地將整個(gè)工作過(guò)程分為兩個(gè)階段：首先，脈沖放電的真空電弧在陰極表面收縮成電流密度很高、且在磁場(chǎng)作用下不斷運(yùn)動(dòng)的陰極斑點(diǎn)，燒蝕陰極材料形成較高電離度的高速等離子體；隨后，高度電離的等離子體在多物理場(chǎng)耦合作用下加速噴出，產(chǎn)生推力[5-8]。前期研究表明，外加磁場(chǎng)對(duì)推力器的工作特性及可靠性具有很大影響，是整體推力器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9-13]。

1 磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的

磁路系統(tǒng)主要作用在于提高推力器工作穩(wěn)定性、延長(zhǎng)工作壽命、提高推力器比沖等推力器性能指標(biāo)。經(jīng)過(guò)對(duì)真空電弧的研究，陰極表面電弧激發(fā)處即陰極斑點(diǎn)做無(wú)規(guī)則隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有外加磁場(chǎng)存在時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度能分解為橫向和縱向分量，陰極斑點(diǎn)在磁感應(yīng)強(qiáng)度橫向分量的作用下做均勻的圓周運(yùn)動(dòng)，配合彈簧提供軸向力，使陰極能夠均勻進(jìn)給，從而使推力器陰極燒蝕更加穩(wěn)定，延長(zhǎng)推力器工作壽命。相關(guān)研究[2,4,14]表明外加磁場(chǎng)的存在對(duì)推力器離子起到軸向加速的作用，推力器產(chǎn)生的電子被外加磁場(chǎng)捕獲約束在磁力線附近，低速的離子由于雙極擴(kuò)散電場(chǎng)的作用，聚集于電子聚集區(qū)附近并加速噴出，將方向各異的離子速度轉(zhuǎn)化為軸線上的離子速度，從而可提高推力器的比沖，此外對(duì)推力器羽流等離子體具有橫向束流的作用，減小羽流的發(fā)散角。

圖1 微陰極電弧推力器示意Fig.1 Schematic diagram of micro-cathode arc thruster

1.2 磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

推力器磁路系統(tǒng)主要由通電多匝線圈和磁芯部分組成，其中磁芯的作用是增強(qiáng)多匝線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此在進(jìn)行推力器磁路系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)時(shí)可以參考多匝通電螺線管磁場(chǎng)計(jì)算公式，結(jié)合推力器的設(shè)計(jì)尺寸對(duì)推力器磁路系統(tǒng)尺寸進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)，再利用二維磁場(chǎng)仿真軟件及三維有限元分析軟件進(jìn)行磁場(chǎng)的模擬仿真，來(lái)確定最終磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。為了研究方便，本文中磁路設(shè)計(jì)為磁場(chǎng)位置可調(diào)、磁場(chǎng)大小可通過(guò)安匝數(shù)調(diào)整的可調(diào)節(jié)磁路，放電通道軸線處最大磁場(chǎng)可達(dá)到0.3 T。

1.2.1 線管靜磁場(chǎng)求解的一般方法與模型

通電螺旋管的靜磁場(chǎng)計(jì)算較為復(fù)雜，主要由畢奧-薩伐爾定律描述[15]。一般情況下多層螺線管產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)計(jì)算方法如下:共有N匝線圈，螺線管內(nèi)徑α1，外徑為α2，螺線管長(zhǎng)為L(zhǎng)，通有電流I，在z方向有mz根導(dǎo)線，在r方向有mr層導(dǎo)線。圖2為螺線管離散示意。

將每個(gè)導(dǎo)線處理為離散的源點(diǎn)，每個(gè)源點(diǎn)為單個(gè)環(huán)形線圈的作用，最終空間的磁場(chǎng)分布為各個(gè)離散源所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的疊加，對(duì)空間點(diǎn)P(rp,zp)的磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算式為：

圖2 螺線管離散示意Fig.2 Discretization of solenoid

式中：rij和zij為第i、j個(gè)離散源中心坐標(biāo)；rp和zp為計(jì)算的空間點(diǎn)的坐標(biāo);K、E分別為第一類完全橢圓積分和第二類完全橢圓積分，可展開為級(jí)數(shù)式如下：

其中k有：

計(jì)算式K、E級(jí)數(shù)后面的項(xiàng)隨次數(shù)增高急劇衰減，可用前面的有限項(xiàng)數(shù)計(jì)算結(jié)果代替E、K的值。因而可用上面的計(jì)算式，逐個(gè)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)上的r、z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

1.2.2 螺線管靜磁場(chǎng)求解的簡(jiǎn)化模型

參考國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，有一種更簡(jiǎn)便的螺線管靜磁場(chǎng)求解方法，具體模型如下：

式中：r、z為相對(duì)于螺旋管中軸線中點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下的坐標(biāo);B0=μ0nI;φ為極角，范圍為[0,2π]。

M1=R2+L2/4+r2-Lz+z2-2Rrcosφ

M2=R2+L2/4+r2+Lz+z2-2Rrcosφ

上式可使用復(fù)合辛普森數(shù)值積分公式：

式中：f(x)為被積函數(shù)，a,b分別為積分區(qū)間端點(diǎn)值；xi對(duì)應(yīng)積分區(qū)間的等分點(diǎn)，將區(qū)間劃分為M個(gè)區(qū)間xi～(x0，x1，…，xM)；h為區(qū)間長(zhǎng)度，有：

1.2.3 軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算模型

放電通道中心線處磁感應(yīng)強(qiáng)度需要不大于0.3 T，這一要求主要針對(duì)磁路系統(tǒng)的軸線磁場(chǎng)分布，根據(jù)已有研究，多匝多層螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算如下：

取線圈原點(diǎn)(Z=0)處磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.3 T，結(jié)合推力器外徑尺寸取線圈內(nèi)外半徑a1=10 mm,a2=25 mm，線圈1/2長(zhǎng)度b=10 mm，線徑為0.5 mm，真空磁導(dǎo)率u0=4π×10-7N·A-2，根據(jù)公式求出線圈電流密度J，當(dāng)取線圈匝數(shù)N=600匝時(shí)，電流大小I=15.9 A。

2 磁路系統(tǒng)仿真模擬

2.1 磁路系統(tǒng)仿真目的

根據(jù)磁路系統(tǒng)初步的尺寸設(shè)計(jì)，使用二維/三維有限元分析軟件進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)的結(jié)果。在模型中添加磁芯模型，改變磁芯尺寸、材料，獲得不同磁場(chǎng)分布，根據(jù)推力器工作要求確定磁芯設(shè)計(jì)方案。驗(yàn)證同時(shí)通過(guò)改變電流大小、電磁線圈匝數(shù)得到不同磁路系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布，根據(jù)推力器磁路系統(tǒng)的工作原理驗(yàn)證其是否滿足推力器工作要求指標(biāo)。

2.2 磁路系統(tǒng)二維仿真

磁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用二維有限元分析軟件FEMM進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果確定模型尺寸，改變磁路系統(tǒng)的電流大小和線圈匝數(shù)仿真得到不同的磁場(chǎng)分布，同時(shí)可以得到磁路系統(tǒng)在軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線，再通過(guò)對(duì)分布曲線進(jìn)行整理，可以得到線圈電流大小和線圈匝數(shù)對(duì)電磁線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。

圖3為根據(jù)磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸及初步計(jì)算結(jié)果建模，確定線圈匝數(shù)為600匝時(shí)，改變電流大小得到的線圈電流同線圈軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值關(guān)系曲線。圖4為確定線圈電流為15 A時(shí)，改變線圈匝數(shù)得到線圈匝數(shù)同線圈軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的關(guān)系曲線。通過(guò)曲線圖可以看出線圈電流大小和線圈匝數(shù)同軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值成正比的關(guān)系，電流越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大;線圈匝數(shù)越多，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。

圖3 線圈電流同線圈軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值關(guān)系Fig.3 Relationship between coil current and maximum magnetic induction intensity of coil axis

圖4 線圈匝數(shù)同線圈軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值關(guān)系Fig.4 Relationship between number of coil turns and maximum magnetic induction intensity of coil axis

通過(guò)FEMM軟件計(jì)算，放電通道中心線上磁感應(yīng)強(qiáng)度≤0.3 T，當(dāng)線圈電流為15 A、線圈匝數(shù)為600匝時(shí)，軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足要求，其磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖5所示，軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖6所示。

經(jīng)過(guò)上述二維模擬仿真，在確定并驗(yàn)證磁路系統(tǒng)電流大小及匝數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變磁芯的尺寸及材料，可以得到不同磁芯對(duì)磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響，根據(jù)仿真結(jié)果選擇合適的磁路系統(tǒng)磁芯。

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.5 Magnetic induction intensity distribution

圖6 軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線Fig.6 Axis magnetic induction intensity curve

針對(duì)不同厚度的磁芯對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，選用磁芯材料為純鐵，厚度分別為1 mm、2 mm、5 mm、10 mm，其分布規(guī)律相似，其中厚度為2 mm的仿真結(jié)果如圖7所示，不同磁芯厚度情況下軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線分布如圖8所示。

圖7 厚度2 mm磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及軸線磁場(chǎng)分布Fig.7 Magnetic induction intensity distribution and distribution on the axis of a magnetic core with the thickness of 2 mm

圖8 不同磁芯厚度軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線Fig.8 Axis magnetic induction intensity curve with different magnetic core thickness

對(duì)存在磁芯的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)磁路系統(tǒng)中沒(méi)有磁芯存在時(shí)，磁場(chǎng)分布比較均勻，同時(shí)軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度以軸線上Z=0為分界線呈軸對(duì)稱分布；當(dāng)磁路系統(tǒng)中加入磁芯后，磁場(chǎng)分布明顯變化，磁場(chǎng)分布出現(xiàn)不均勻，磁芯受到線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化后在磁芯內(nèi)部及附近尤其是靠近線圈的一端形成很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度不再以Z=0呈軸對(duì)稱分布，同時(shí)軸線上的最大值較之前增加；未加磁芯的磁路系統(tǒng)磁感線與線圈靠近軸線的表面呈一個(gè)銳角從線圈出去，而加入磁芯的磁路系統(tǒng)，在加入磁芯一端，磁感線近似垂直于線圈內(nèi)徑表面。

不同磁芯厚度對(duì)磁場(chǎng)分布的影響不同。針對(duì)磁芯選擇了1 mm、2 mm、5 mm、10 mm厚度，材料為軟鐵的磁芯模型進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)仿真結(jié)果可以分析出磁芯對(duì)磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響：磁芯厚度越小，磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度越大；磁芯厚度越大，軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值越大，軸線上以Z=0為分界點(diǎn)有磁芯的一端磁感應(yīng)強(qiáng)度變化越快。

此外，還針對(duì)磁芯不同材料對(duì)磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響，選擇了FEMM軟件中4種導(dǎo)磁材料進(jìn)行仿真對(duì)比，分別是軟鐵、低碳鋼、430鐵素體不銹鋼、硅鋼。通過(guò)仿真結(jié)果比較各種導(dǎo)磁材料對(duì)于磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響，發(fā)現(xiàn)這幾種導(dǎo)磁材料對(duì)于磁場(chǎng)分布的影響近似相同，對(duì)于磁路系統(tǒng)材料的選擇影響不大。

2.3 磁路系統(tǒng)三維仿真

磁路系統(tǒng)的三維仿真使用多物理場(chǎng)耦合有限元分析軟件COMSOL進(jìn)行建模計(jì)算，同二維仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。利用COMSOL建立磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的尺寸模型，分別改變線圈電流和線圈匝數(shù)仿真不同電流大小和線圈匝數(shù)的磁場(chǎng)分布，可以得出與用FEMM軟件仿真相同的結(jié)果，即線圈電流大小和線圈匝數(shù)同軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值呈正比關(guān)系，電流越大、線圈匝數(shù)越多得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也越大。

針對(duì)磁芯對(duì)磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響，主要通過(guò)對(duì)比磁路系統(tǒng)中有無(wú)磁芯、不同厚度的磁芯對(duì)磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響。無(wú)磁芯磁路系統(tǒng)和典型工況(磁芯厚度為2 mm磁路系統(tǒng))的磁場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖10 厚度2 mm磁芯磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)分布Fig.10 Magnetic induction intensity distribution of a magnetic circuit system with magnetic core thickness of 2 mm

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)磁路系統(tǒng)未加入磁芯時(shí)，磁場(chǎng)均勻分布；加入磁芯后，磁場(chǎng)在磁芯附近明顯向磁芯偏移，磁芯內(nèi)部及上表面附近的磁感線近似垂直軸線分布，磁芯靠近軸線端面附近的磁場(chǎng)也是近似垂直軸線，同時(shí)磁芯厚度越小，磁感線方向由軸向變?yōu)閺较虻乃俣仍娇臁２煌穸却判緦?duì)軸線上磁場(chǎng)分布的影響仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 磁路系統(tǒng)不同磁芯厚度軸線上磁場(chǎng)分布Fig.11 Magnetic induction intensity distribution on the axis of a magnetic circuit system with different magnetic core thickness

根據(jù)仿真結(jié)果可以分析得出，在磁路系統(tǒng)無(wú)磁芯時(shí)，軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度以Z=0為對(duì)稱軸呈軸對(duì)稱分布；系統(tǒng)加入磁芯后，軸線磁場(chǎng)分布不再呈對(duì)稱分布，軸向上靠近磁芯的一端磁感應(yīng)強(qiáng)度變化斜率更大；加入磁芯以后，軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值變大，同時(shí)，隨著磁芯厚度變大,最大值也在變大，但是增大的差值不大。

2.4 磁路系統(tǒng)仿真結(jié)果總結(jié)分析

通過(guò)分別改變線圈電流大小及線圈匝數(shù)獲得不同的磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)分布，根據(jù)仿真結(jié)果可知磁路系統(tǒng)軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值與線圈電流大小及線圈匝數(shù)近似成正比，電流越大線圈匝數(shù)越多，軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。若需放電通道中心線磁感應(yīng)強(qiáng)度≤0.3 T，當(dāng)線圈電流≤15 A，線圈匝數(shù)為600匝時(shí)可滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)磁路系統(tǒng)中加入磁芯時(shí)，磁場(chǎng)分布受磁芯影響，磁感線在磁芯內(nèi)部及磁芯上表面附近近似垂直軸線；軸線上的磁場(chǎng)分布不再以中線呈對(duì)稱分布，有磁芯的一端磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化速度快于沒(méi)有加磁芯的一端；磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著磁芯厚度變大而變大，但變化并非很大。根據(jù)前面對(duì)磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)作用的描述可知,其中一個(gè)作用是在陰極與絕緣材料的交界處提供一個(gè)徑向的磁場(chǎng)使陰極斑點(diǎn)能做均勻的圓周運(yùn)動(dòng)，因此磁芯的主要作用就是改變線圈的磁場(chǎng)分布,提供一個(gè)徑向磁場(chǎng)。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出這個(gè)磁場(chǎng)區(qū)域大概就是磁芯的厚度，陰極和陽(yáng)極間的間隙是1 mm，所以選擇2 mm厚的磁芯可滿足磁路系統(tǒng)的工作要求。

線圈匝數(shù)600匝，通電調(diào)節(jié)電流大小0～15 A，可以獲得0～0.3 T的軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3 磁路系統(tǒng)磁場(chǎng)測(cè)量

采用HSB-A型數(shù)字特斯拉計(jì)對(duì)磁路系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量。

磁路系統(tǒng)軸線磁場(chǎng)分布測(cè)量，以磁路系統(tǒng)軸線作為Z軸，改變線圈通電電流大小，分別測(cè)量線圈通電電流大小為0.5 A、1 A、3 A、5 A、10 A、15 A時(shí)軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，測(cè)量位置分別為Z=0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm。軸線上磁場(chǎng)分布測(cè)量結(jié)果如圖12所示。將測(cè)量結(jié)果與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果用實(shí)線表示，測(cè)量結(jié)果用虛線表示，可以看出仿真測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本吻合。

圖12 軸線磁場(chǎng)分布測(cè)量結(jié)果Fig.12 Measurement results of axis magnetic induction intensity distribution

磁感應(yīng)強(qiáng)度的周向不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致推力偏心，因此需要對(duì)推力器通道的環(huán)形磁場(chǎng)進(jìn)行周向均勻性的測(cè)量。選取外磁極端面為測(cè)試面，以距離壁面2 mm、半徑10 mm的圓為測(cè)量路徑，以一水平方向?yàn)槠鹗紲y(cè)量點(diǎn)，以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)榻嵌仍黾臃较颍?5°進(jìn)行一次采樣測(cè)量，對(duì)周向8個(gè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)改變線圈通電電流大小，分別測(cè)量0.5 A、1 A、3 A、5 A、10 A、15 A時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)量結(jié)果如圖13所示。根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果可以看出磁路系統(tǒng)在周向的磁場(chǎng)分布呈均勻分布。

圖13 周向磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.13 Measurement results of circumferential magnetic field

4 磁路系統(tǒng)對(duì)推力器性能影響測(cè)試

推力器性能測(cè)試主要是對(duì)推力器產(chǎn)生等離子體的速度進(jìn)行測(cè)試，再通過(guò)改變磁路系統(tǒng)的磁場(chǎng)，分析磁路系統(tǒng)對(duì)推力器性能的影響。

4.1 推力器在真空下放電

推力器在真空下的放電情況如圖14所示，真空艙內(nèi)氣壓為8.2×10-4Pa，典型放電的電流電壓參數(shù)如圖15所示。

圖14 推力器真空下放電Fig.14 Discharge of the thruster in vacuum

圖15 放電參數(shù)曲線Fig.15 Discharge characteristic curve

4.2 推力器等離子體速度測(cè)試

測(cè)量等離子速度可以采用飛行時(shí)間法(TOF)，即利用確定測(cè)量發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的飛行時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。被測(cè)距離可表示為：

s=v×t/2

式中：s為待測(cè)距離；v為信號(hào)飛行速度；t為飛行時(shí)間。

已知信號(hào)檢測(cè)裝置同信號(hào)發(fā)射裝置的距離，測(cè)出信號(hào)從發(fā)射裝置到信號(hào)接收裝置的飛行時(shí)間，再利用公式就能方便地測(cè)出信號(hào)的飛行速度。

采用雙法拉第筒測(cè)量離子速度，將法拉第筒放置距推力器不同距離的位置，檢測(cè)離子觸發(fā)信號(hào)，利用雙法拉第筒接收信號(hào)，再用雙法拉第筒間的距離除以相差的接收信號(hào)時(shí)間，獲得相應(yīng)離子速度。將法拉第筒分別置于距離推力器一定位置，使用示波器收集信號(hào)。

改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小獲得各磁感應(yīng)強(qiáng)度下等離子體的離子速度，測(cè)量結(jié)果如圖16所示。

綜上所述，根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以看出等離子體離子速度隨著磁場(chǎng)增加而逐漸增加。

圖16 不同磁場(chǎng)下離子速度測(cè)量結(jié)果Fig.16 Measurement results of ion velocity under different magnetic fields

5 結(jié)束語(yǔ)

磁場(chǎng)設(shè)計(jì)是微陰極電弧推力器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一。本文參考多匝通電螺線管計(jì)算公式完成磁路系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)，進(jìn)一步采用二維和三維數(shù)值仿真研究可知：線圈電流和線圈匝數(shù)(即安匝數(shù))直接決定磁場(chǎng)大小；磁芯可引導(dǎo)磁場(chǎng)的分布；4種不同導(dǎo)磁材料(軟鐵、低碳鋼、不銹鋼、硅鋼)對(duì)磁場(chǎng)分布影響不大。采用特斯拉計(jì)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后在真空條件下采用時(shí)間飛行法(TOF)測(cè)量不同磁場(chǎng)下的等離子速度可知，等離子體離子速度隨著磁場(chǎng)增加而逐漸增加。