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ECR微波离子推进器离子加速部件的研究

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ECR微波离子推进器离子加速部件的研究

RESEARCH OF ACCELERATING PARTS OF ECR ION THRUSTER

摘要

Abstract

目录

第1章 绪论

1.1 论文来源、目的及意义

1.2 离子推进技术的发展及现状

1.3 ECR等离子体简介

1.4 论文主要研究内容

第2章 离子加速部件的理论分析

2.1 等离子体源及离子束理论概述

2.2 静电加速部件的设计及性能研究

2.3 加速部件的离子束光学特性研究

2.4 本章小结

第3章 离子加速部件的仿真及光学特性修正

3.1 时域有限差分法概述

3.2 Particle-in-Cell算法概述

3.3 静电加速部件的离子加速性能参数设计修正

3.4 静电加速部件电场位形参数修正

3.5 离子碰撞及二次电子发射仿真

3.6 仿真结果分析

3.7 本章小结

第4章 离子加速部件性能参数研究

4.1 ECR等离子体参数研究

4.2 不同特性参数ECR等离子体对加速部件性能的影响

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢

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摘要

微波电子回旋共振(electroncyclotronresonance-ECR)等离子体源技术是一种先进的低温等离子体发生技术,具有体积小、无热阴极、起动时间快、工质电离度高、工作寿命长等优点,非常适用于空间推进领域。以ECR等离子体为工质的离子推进器,是当前离子发动机的主流方向,对推进技术的发展而言具有重要意义。本文研究的内容为:对目前工业上成功应用的2.45GHz小型高电荷态ECR微波离子源进行参数分析,并以其参数为基础,以磁流体理论为依据设计出适合该离子源的静电式离子加速部件,使该离子加速部件在ECR离子源尺寸限制条件内具有最大的推力和比冲。
  离子束在电场中的运动是一个极其复杂的过程,本文在设计过程中采用PIC算法,通过对静电场泊松方程进行求解,模拟出粒子的运动特性。而离子加速部件栅极间静电场场强分布,则利用时域有限差分法对其相应的Maxwell方程进行数值求解得到。
  静电式离子加速部件的设计工作分为部件加速性能设计、离子光学性能修正及工况适应性分析。文章从高电荷态ECR等离子体入手,通过对等离子体电荷态、氩离子温度等重要参数的计算,进一步确定了单孔离子引出束的束流强度、加速部件的离子导流系数和栅极电位分布等基本参数,从而确定了离子加速部件的加速性能和对二次电子影响的消除能力。在确定了加速部件栅极的基本参数后,通过对三栅极系统各个极板结构进行几何修正,从而对加速电场位形进行优化处理,增强了加速系统对变导流系数的适应性,改善了离子束光学特性,使该三栅极系统参数可适用于多孔离子加速系统。最后,文章对该设计参数的离子加速部件进行性能计算,确定了该部件应用于离子推进系统后的推力和比冲指标,并对部件在正常工作状态下进行了寿命评估。经仿真计算,该设计参数的离子加速部件基本达到了当前的空间应用水平。

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