孟海波，楊 涓，黃文斌，夏 旭，付瑜亮，胡 展

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072)

0 引 言

隨著人類(lèi)對(duì)太空的不斷探索，新的空間飛行任務(wù)對(duì)空間推進(jìn)技術(shù)的要求不斷提高，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)將不再滿(mǎn)足任務(wù)需求。相比之下，電推進(jìn)裝置具有高比沖、長(zhǎng)壽命、高控制精度等優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足未來(lái)飛行成本低、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、飛行距離遠(yuǎn)等任務(wù)要求。在眾多的電推力器中，電子回旋共振(Electron cyclotron resonance, ECR)離子推力器[1-2]因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)燒蝕陰極以及易于小型化等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到航天工作者的關(guān)注。目前，日本的ECR離子推進(jìn)技術(shù)研究最為成熟，其分別于2003年和2014年將10 cm ECR離子推進(jìn)系統(tǒng)成功應(yīng)用在隼鳥(niǎo)號(hào)和隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器上[3-6]。西北工業(yè)大學(xué)是國(guó)內(nèi)最先開(kāi)展ECR離子推力器研究的單位，也取得了一定的成果，現(xiàn)已成功研制出了放電室直徑分別為2 cm和10 cm的ECR離子推力器樣機(jī)[7-11]。就10 cm ECR離子推力器樣機(jī)而言，其離子源的束流引出大小均能達(dá)到百毫安量級(jí)，而ECR中和器的束流引出性能仍需要進(jìn)一步研究。

本文將在現(xiàn)有ECR中和器的基礎(chǔ)上，采用束流引出實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的手段，對(duì)中和器結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)，分析中和器結(jié)構(gòu)對(duì)放電室內(nèi)電磁場(chǎng)分布規(guī)律的影響以及中和器結(jié)構(gòu)與束流引出性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，達(dá)到顯著提高ECR中和器束流引出性能的效果，為后續(xù)ECR離子推力器的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 ECR中和器結(jié)構(gòu)與分析

現(xiàn)有ECR中和器采用的微波頻率為4.2 GHz，其放電室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由微波接頭、L型天線(xiàn)、前磁軛、后磁軛、磁塊以及電子引出板組成。微波接頭與天線(xiàn)用于饋入微波并在放電室內(nèi)形成一定的微波電場(chǎng)分布；前、后磁軛與磁塊共同構(gòu)成磁路，并在放電室內(nèi)形成一定的靜磁場(chǎng)分布；電子引出板用于限制中性氣體的流出，維持放電室內(nèi)氣壓并引出電子。

圖1 現(xiàn)有ECR中和器放電室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of existing ECR neutralizer discharge chamber

結(jié)合前期計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]發(fā)現(xiàn)中和器的靜磁場(chǎng)與高頻微波電場(chǎng)分布規(guī)律以及電子引出板結(jié)構(gòu)不是十分合理。為此對(duì)現(xiàn)有ECR中和器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)ECR中和器放電室結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如下所述。

圖2 改進(jìn)ECR中和器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of optimized ECR neutralizer discharge chamber

減少后磁軛厚度及后磁軛內(nèi)徑以控制ECR區(qū)在合理的位置，從而間接控制等離子體高密度區(qū)向軸線(xiàn)靠近，減小磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛，更有利于電子引出。改進(jìn)后的后磁軛厚度h1為h11，內(nèi)徑d1選取為d11，d12，d13，d14。

采用兩種不同放電位置的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，并調(diào)整天線(xiàn)軸向與徑向長(zhǎng)度以獲得合理的放電間隙以及微波電場(chǎng)分布。具體結(jié)構(gòu)為徑向間隙放電天線(xiàn)軸向長(zhǎng)度L1為L(zhǎng)11，L12，徑向長(zhǎng)度L2為L(zhǎng)21；軸向間隙放電天線(xiàn)軸向長(zhǎng)度L1為L(zhǎng)13，徑向長(zhǎng)度為L(zhǎng)2為L(zhǎng)22，L23。

通過(guò)調(diào)控電子引出板的結(jié)構(gòu)尺寸，從而實(shí)現(xiàn)電子引出距離的調(diào)控，減少了電子在引出過(guò)程中的損失。改進(jìn)后引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2為d21，d22，d23，d24，臺(tái)階厚度h2為h21，h22，h23，h24，引出孔直徑d3為d31，d32，d33，d34，d35。

2 中和器結(jié)構(gòu)對(duì)束流引出性能的影響實(shí)驗(yàn)

采用ECR中和器束流引出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[12]，對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)中和器開(kāi)展束流引出性能實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證改進(jìn)思路的正確性?？紤]ECR中和器的工作穩(wěn)定性以及方便與現(xiàn)有數(shù)據(jù)做對(duì)比，選取實(shí)驗(yàn)工作參數(shù)為微波功率P=8 W，氙氣氣體流量q=1 sccm。收集板與引出板間距為5 mm，間距過(guò)小容易引起板間放電異常，間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致外加電場(chǎng)效果不明顯，不利于電子引出。

2.1 后磁軛結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

圖3 不同后磁軛結(jié)構(gòu)中和器束流引出對(duì)比圖Fig.3 Comparison diagram of beam extraction in different back yoke structures

實(shí)驗(yàn)引出板結(jié)構(gòu)為d2=d1，h2=h22，d3=d33，采用徑向間隙放電天線(xiàn)且L1=L11，進(jìn)行不同磁軛結(jié)構(gòu)的中和器放電及束流引出實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，當(dāng)后磁軛內(nèi)徑d1≥d13時(shí)，隨著后磁軛內(nèi)徑d1的減小，相同引出電壓條件下中和器引出的電子束流增加。這是由于當(dāng)后磁軛內(nèi)徑d1減小時(shí)，前后磁軛形成的ECR區(qū)越大且ECR區(qū)越靠近軸線(xiàn)，使得等離子體高密度區(qū)位置向軸線(xiàn)靠近，電子引出過(guò)程中受磁場(chǎng)束縛小，更容易從引出孔引出。當(dāng)后磁軛內(nèi)徑d1=d14時(shí)，中和器引出的電子束流反而減小，并且突變電壓明顯高于其他三種情況。分析認(rèn)為，當(dāng)d1=d14時(shí)，中和器放電室內(nèi)形成的等離子體密度低，導(dǎo)致突變性能較差。此外，由于后磁軛內(nèi)徑過(guò)于小，大量的電子在引出過(guò)程中打到后磁軛內(nèi)壁面上，導(dǎo)致電子損失加劇，因而在相同引出電壓下，中和器引出的電子束流隨之下降。

以上實(shí)驗(yàn)規(guī)律驗(yàn)證了中和器放電室內(nèi)ECR區(qū)位置改進(jìn)思路的正確性，表明了調(diào)控ECR區(qū)的位置能夠間接控制等離子體高密度區(qū)位置。實(shí)驗(yàn)得到d1=d13時(shí)，中和器束流引出性能更好。

2.2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

以后磁軛內(nèi)徑d1=d13，引出板結(jié)構(gòu)為d2=d23，h2=h22，d3=d33為固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中和器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，分析發(fā)現(xiàn)，采用徑向間隙放電的天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)軸向長(zhǎng)度L1越短，中和器在高引出電壓下引出的電子束流更高。原因在于軸向長(zhǎng)度L1越短，天線(xiàn)離ECR區(qū)越近，電子更易吸收微波能量，所以該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)下中和器引出的電子束流更高。采用軸向間隙放電的天線(xiàn)，天線(xiàn)徑向長(zhǎng)度越長(zhǎng)，中和器在相同引出電壓下引出的電子束流更低。原因在于徑向長(zhǎng)度L2越短，電子獲能越高且在天線(xiàn)表面的碰撞損失越小，所以相同引出電壓條件下中和器引出的電子束流更高。比較兩種放電方式條件下的中和器束流引出特征，可以看出在引出電壓低于60 V時(shí)，采用徑向間隙放電天線(xiàn)的中和器電子束流引出性能更好。而在高引出電壓條件下，采用軸向間隙放電天線(xiàn)的中和器引出的電子束流更高。

圖4 不同天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中和器束流引出對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagram of beam extraction in different antenna structures

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，天線(xiàn)結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)1=L13，L2=L22時(shí)，中和器雖然引出電子束流最高，但是其啟動(dòng)重復(fù)性較差，甚至在大概率情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)重復(fù)啟動(dòng)。綜合考慮，采用徑向間隙放電天線(xiàn)，且天線(xiàn)結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)1=L12，L2=L21時(shí)，中和器束流引出性能更優(yōu)。

2.3 引出板結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

以后磁軛內(nèi)徑d1=d13，天線(xiàn)尺寸L1=L12，L2=L21為固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同引出板結(jié)構(gòu)中和器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用的電子引出板可優(yōu)化參數(shù)為引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2、臺(tái)階厚度h2和引出孔直徑d3。

2.3.1不同臺(tái)階內(nèi)徑的中和器對(duì)比實(shí)驗(yàn)

固定引出板臺(tái)階厚度h2=h22，引出孔直徑d3=d33，開(kāi)展不同臺(tái)階內(nèi)徑的中和器放電及束流實(shí)驗(yàn)。由圖5可知，當(dāng)引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2與后磁軛內(nèi)徑d1相同時(shí)，中和器在低引出電壓條件下，引出的電子束流更高。而在高引出電壓下，d2=d24與d2=d23兩種引出板結(jié)構(gòu)下的中和器束流引出性能差異不大。原因在于低引出電壓條件下，臺(tái)階內(nèi)徑越小，越多的電子在向引出孔遷移過(guò)程中損失在引出板臺(tái)階內(nèi)表面上。綜合考慮，引出板臺(tái)階內(nèi)徑保持與后磁軛內(nèi)徑一致，中和器整體性能更好。

圖5 不同臺(tái)階內(nèi)徑中和器束流引出對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of beam extraction in different step inner diameters

圖6 不同臺(tái)階厚度中和器束流引出對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of beam extraction in different step thickness

2.3.2不同臺(tái)階厚度的中和器對(duì)比實(shí)驗(yàn)

固定引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2=d23，引出孔直徑d3=d33，開(kāi)展不同臺(tái)階厚度的中和器放電及束流引出實(shí)驗(yàn)。從圖6可以看出，當(dāng)h2=h21時(shí)，中和器引出電子束流均處于較低水平。當(dāng)h2>h21時(shí)，在高引出電壓條件下，中和器電子束流引出性能相當(dāng)，但是在低引出電壓條件下，h2=h22時(shí)的中和器引出的電子束流最大。這是因?yàn)楫?dāng)臺(tái)階厚度低于一定值時(shí)，等離子體高密度區(qū)到引出孔間的距離就過(guò)小，電子還未運(yùn)動(dòng)至軸線(xiàn)附近就已經(jīng)損失在引出孔周?chē)膬?nèi)表面上。綜上，當(dāng)引出板臺(tái)階厚度h2=h22時(shí)，中和器性能更好。

2.3.3不同引出孔徑的中和器對(duì)比實(shí)驗(yàn)

固定引出板臺(tái)階內(nèi)徑d2=d23，臺(tái)階厚度h2=h22，開(kāi)展不同引出孔直徑的中和器放電及束流實(shí)驗(yàn)。由圖7可知，當(dāng)d3=d33時(shí)，無(wú)論多大的引出電壓，中和器引出的電子束流均最大。當(dāng)d3d33時(shí)，中和器引出的電子束流略高于小孔徑中和器引出的電子束流，但還是處于較低水平?？讖竭^(guò)大，雖然有利于電子的引出，同時(shí)也會(huì)引起大量中性氣體的流失，導(dǎo)致中和器放電室內(nèi)形成的等離子體密度不高，從而不利于中和器引出較高的電子束流。因此，當(dāng)引出孔直徑d3=d33時(shí)，中和器的整體性能更好。

圖7 不同引出孔直徑中和器束流引出對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of beam extraction in different diameters of the extraction hole

3 最優(yōu)結(jié)構(gòu)中和器性能實(shí)驗(yàn)

得到中和器最佳結(jié)構(gòu)后，還需對(duì)其開(kāi)展不同工作參數(shù)下的性能實(shí)驗(yàn)，以獲得該結(jié)構(gòu)中和器的電子束流引出規(guī)律以及最佳的工作和性能參數(shù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中收集板與引出板間距仍為5 mm。

3.1 不同氣體流量實(shí)驗(yàn)

不同流量下中和器束流引出結(jié)果如圖8所示，可以看出氣體流量越小，中和器引出的電子束流更高，推進(jìn)劑利用率明顯上升，放電損耗也有所下降。分析認(rèn)為氣體流量增加，中和器放電室內(nèi)的中性氣體增加，電子還未獲得足夠使中性氣體電離的微波能時(shí)就與中性氣體碰撞，使得能量損失掉而未能使中性氣體電離，最終導(dǎo)致中性氣體的實(shí)際電離率較小，從而引起上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)q=0.5 sccm時(shí)，中和器的最高氣體利用率高達(dá)4.3，在50～100 V的引出電壓條件下放電損耗維持在130～150 W·A-1之間。此外，氣體流量升高，中和器突變電壓有所降低，但是突變電流不大。當(dāng)q=0.5 sccm時(shí)，中和器在50 V的突變電壓下的突變電流高達(dá)96 mA，且在100 V引出電壓條件下引出155 mA的電子束流，明顯優(yōu)于其他兩種流量下的中和器束流引出情況。

圖8 不同流量下中和器性能對(duì)比圖Fig.8 Performance comparison diagram of neutralizer under different flow rates

實(shí)驗(yàn)中還嘗試將氣體流量繼續(xù)減小，但是中和器工作狀態(tài)并不理想。當(dāng)q<0.5 sccm時(shí)，在束流引出狀態(tài)下中和器工作狀態(tài)極不穩(wěn)定，并且隨著引出電壓的上升，中和器還經(jīng)常出現(xiàn)突然停止工作的現(xiàn)象。因此，通過(guò)該部分實(shí)驗(yàn)得到，同等條件下中和器引出的電子束流大小與氣體流量并不成正比，而是有一個(gè)合理流量值。

3.2 不同微波功率實(shí)驗(yàn)

不同微波功率下中和器束流引出結(jié)果如圖9所示，可以看出輸入的微波功率越高，在相同引出電壓下中和器引出的電子束流更高，相應(yīng)的推進(jìn)劑利用率更高，放電損耗更低。這一規(guī)律符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期，微波功率越高，意味著中和器放電室內(nèi)的電子可獲得的微波能量越高，更多的高能電子大大提高了中性氣體電離率，產(chǎn)生了高密度的等離子體，所以中和器的電子束流引出性能明顯隨微波功率的增加而得到改善。此外，當(dāng)微波功率變化時(shí)，中和器突變電壓不變，而突變電流隨功率的增加而升高。當(dāng)P=6 W時(shí)，中和器在100 V引出電壓下只能引出92 mA的電子束流，已經(jīng)不能滿(mǎn)足離子源性能的需求；當(dāng)P=10 W時(shí)，中和器在50 V突變電壓下突變電流已達(dá)到127 mA，此時(shí)的中和器束流引出性能已基本滿(mǎn)足離子源的需求。

圖9 不同微波功率下中和器性能對(duì)比圖Fig.9 Performance comparison diagram of neutralizer under different microwave power

實(shí)驗(yàn)中還嘗試將微波功率繼續(xù)減小或增加，當(dāng)功率減小時(shí)，中和器也會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定甚至突然熄滅的情況。分析認(rèn)為氣體流量低于0.5 sccm時(shí)，放電室內(nèi)中性氣體密度較低，高能電子與中性氣體的碰撞不劇烈，導(dǎo)致生成的等離子體密度低，無(wú)法維持中和器持續(xù)處于電子引出工作狀態(tài)。當(dāng)功率繼續(xù)增加時(shí)，中和器引出的電子束流還能提升，但是高微波功率容易損壞微波接頭及線(xiàn)纜的連接段，因此沒(méi)有做過(guò)高功率條件下的性能測(cè)試。

3.3 ECR中和器束流引出性能對(duì)比

結(jié)合文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，ECR中和器改進(jìn)前后束流引出性能對(duì)比如圖10所示。從圖10可以看出，改進(jìn)ECR中和器工作狀態(tài)發(fā)生突變后，相同條件下引出的電子束流明顯高于改進(jìn)前。當(dāng)引出電壓為100 V時(shí)，改進(jìn)中和器能引出129 mA電子束流，相比于改進(jìn)前提升了近50%，對(duì)比結(jié)果說(shuō)明了控制ECR區(qū)靠近軸線(xiàn)、優(yōu)化天線(xiàn)尺寸以及調(diào)控電子引出距離有利于改善ECR中和器的束流引出性能。

參考文獻(xiàn)[13]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)后ECR中和器與國(guó)外中和器束流引出性能對(duì)比如圖11所示。圖中可得國(guó)外中和器突變性能更好，在更低的突變電壓下引出的電子束流更高，表明本文研究的ECR中和器性能還有一定的上升空間。分析認(rèn)為性能差異產(chǎn)生的原因主要與放電室內(nèi)等離子體密度有關(guān)，改進(jìn)中和器放電室中等離子密度低于國(guó)外中和器，導(dǎo)致離子與壁面電子的復(fù)合以及二次電子的產(chǎn)生不劇烈，使得補(bǔ)充電子不足，導(dǎo)致改進(jìn)中和器最終引出的電子束流較小。

圖10 改進(jìn)前后中和器性能對(duì)比圖Fig.10 Performance comparison diagram of neutralizer before and after improvement

圖11 改進(jìn)后中和器與國(guó)外中和器性能對(duì)比圖Fig.11 Performance comparison diagram of improved neutralizer and foreign neutralizer

3.4 最佳工作參數(shù)和性能

就ECR中和器而言，其束流引出性能好壞由工作參數(shù)和性能參數(shù)共同決定。氣體流量以及微波功率越低，相同引出電壓條件下中和器引出的電子束流越高，中和器束流引出性能越好，此時(shí)中和器推進(jìn)劑利用率越高，放電損耗越低。

通過(guò)上述不同流量及微波功率的性能實(shí)驗(yàn)，得到中和器的合理氣體流量值為0.5 sccm。對(duì)于微波功率，雖然希望其越低越好，但中和器在低微波功率下性能表現(xiàn)不理想，適度增加微波功率可以使得中和器引出的電子束流大幅提高，極大降低放電損耗。因此，綜合考慮，最終確定中和器的最佳工作與性能參數(shù)點(diǎn)為：當(dāng)微波功率P=10 W，氙氣流量q=0.5 sccm，收集板間距為5 mm時(shí)，中和器突變電壓為50 V，突變電流127 mA，在100 V引出電壓下能引出電子束流219 mA，氣體利用率為6.1，放電損耗為145.6 W·A-1。

4 結(jié) 論

本文開(kāi)展了ECR中和器束流引出對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)中和器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了中和器的電子束流引出性能。主要結(jié)論如下：

1)后磁軛內(nèi)徑越小，ECR區(qū)向軸線(xiàn)偏移，等離子體高密度區(qū)也越向軸向靠近；后磁軛內(nèi)徑過(guò)大電子引出困難，內(nèi)徑過(guò)小，電子在后磁軛內(nèi)表面損失加劇。

2)徑向間隙放電天線(xiàn)的軸向長(zhǎng)度越長(zhǎng)或軸向間隙放電天線(xiàn)的徑向長(zhǎng)度越長(zhǎng)，中和器啟動(dòng)越容易，但引出束流越低。兩種天線(xiàn)比較而言，徑向間隙放電天線(xiàn)更有利于中和器啟動(dòng)，軸向間隙放電天線(xiàn)更有利于電子引出。

3)引出板臺(tái)階內(nèi)徑與后磁軛內(nèi)徑一致時(shí)電子引出更順利，存在合理的臺(tái)階厚度以及引出孔直徑，使得中和器束流引出性能最佳。

4)改進(jìn)后中和器性能實(shí)驗(yàn)表明：中和器引出的電子束流不隨工質(zhì)氣體流量的升高而升高，而是存在合理的流量值使得中和器引出束流最大；微波功率越高，相同條件下中和器引出的電子束流更高，推進(jìn)劑利用率也更高，放電損耗越?。幌啾扔诟倪M(jìn)前，改進(jìn)后ECR中和器在相同工作條件下電子束流引出性能得到大幅提高。