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高周波プラズマ電子源を用いたホールスラスタの作動特性

机译：高频等离子体电子源霍尔推力器的工作特性

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摘要

Radio frequency (RF) plasma cathodes have been researched and developed as an electron source to remove the drawbacks with dispenser hollow cathodes from ion and Hall thrusters. In this paper, we evaluate the electron-emission performance of a RF plasma cathode and the operating characteristics of the combination of a 1-kW class anode-layer-type Hall thruster and the RF plasma cathode. For the RF plasma cathode, an anode current of 3.5 A is obtained at an RF power of 140 W, a xenon mass flow rate of 0.2 mg/s. The anode current is sufficiently high to operate the Hall thruster. Normal ion beam extraction and neutralization for the combination were experimentally confirmed. The anode efficiency of the RF plasma cathode is comparable to that of a hollow cathode. Based on this result, the feasibility of the RF plasma cathode for the Hall thrusters in ground tests was confirmed. However, because of the high RF power consumption, the total efficiency of the RF plasma cathode is lower than that of the hollow cathode at anode mass flow rates of 2.0 mg/s and 2.9 mg/s. This result indicated that for space-related applications, it is important to reduce the power consumption of RF plasma cathodes.%本研究では，高周波ブラズマ電子源のホールスラスタへの適用性を確認するために，1-kW級ホールスラスタに適用可能な高周波プラズマ電子源を新規に設計•製作し，その電子放出性能を評価，1-kW級アノードレイヤ型ホールスラスタと組み合わせた場合の作動特性を取得した.加えて，同一作動条件でホローカソードとホールスラスタを組み合わせた場合の作動特性も取得し，比較評価を実施した.その結果，以下の事実が明らかになった.(1)製作した高周波プラズマ電子源の放出可能な電子電流は3.5Aであり，その際の高周波電力は140W,カソード流量は0.2mg/s，陽極電圧は63Vであった.この電子源からの放出電子電流の値は，玫電電圧300V程度の一般的な1-kW級ホールスラスタを作動させるのに十分な値である.(2)組み合わせ作動時の電流収支の結果より，陽極と電子源(陰極)の間で閉じた放電電流経路を形成していることを確認し，高周波ブラズマ電子源によるホールスラスタの正常なイオン加速および中和を確認した.(3)磁場に対する放電電流と放電振動の実験結果より，一定作動条件でのホローカソードが広範囲の放電電流に対応できるのに対して，高周波プラズマ電子源は放電電流の範囲に合わせて，高周波電力を調整する必要がある.(4)放電電流とその振動の比較より，ホローカソード，高周波ブラズマ電子源のどちらを用いた場合でも，ホールスラスタで生成されるプラズマの特性は変化しない.一方，接地電位に対する電子源電位の差異により，推力には電子源の違いによる影響が存在し，スラスタ単体の性能を示すアノード効率は電子源の違いにより2%程度変化する.この結果より，高周波プラズマ電子源は地上におけるホールスラスタの放電特性の評価，効率で2%程度の誤差を許容できれば，性能評価にも適用可能である.(5)推進効率の比較より，放電電流1A以下の低電力のホールスラスタであれば，推進効率の低下を招くことなく，ホローカソードの代替として高周波プラズマ電子源を適用可能である.一方，より大電力のホールスラスタへの適用のためには，投入高周波電力と電子の引き出しに必要な電位差の低減が必要となる.本研究は独立行政法人日本学術振興会科学研究費補助金若手研究(B)No.25820415の補助を受けて行った.ここに記して謝意を表する.
机译：射频（RF）等离子体阴极已经被研究和开发为电子源，以消除离子和霍尔推力器中分配器空心阴极的弊端。在本文中，我们评估了RF等离子体阴极的电子发射性能以及1kW级阳极层型霍尔推力器和RF等离子体阴极的组合工作特性。对于RF等离子阴极，在140 W的RF功率，0.2 mg / s的氙质量流率下获得3.5 A的阳极电流。阳极电流足够高，可以操作霍尔推力器。实验证实了该组合的正常离子束提取和中和作用。 RF等离子体阴极的阳极效率与空心阴极的阳极效率相当。基于此结果，证实了RF等离子阴极在霍尔测试中用于地面测试的可行性。然而，由于高的RF功耗，在阳极质量流量为2.0mg / s和2.9mg / s的情况下，RF等离子体阴极的总效率低于空心阴极的总效率。此结果表明，对于与空间有关的应用，降低RF等离子阴极的功耗非常重要。％本研究では，高周波ブラズマズマ电子源のホールスラスタへの适用性を确认するために，1-kW级ホールスラスタに适用可能な高周波プラズマ电子源を新规に设计•制作し，その电子放出性能を评価，1-kW级アノードレイヤ型ホールスラスタと组み合わせた场合の作动特性を取得した。 （1）制作した高周波プラズマ电子源の放出可能な电子电流であり3.5Aであり，その际の高周波电力は140W，カソード流量は0.2mg / s，阳极电圧は63Vであった。この电子源からの放出电子电流の値は，玫电电圧300V程度の一般的（2）组み合わせ作动时の电流收支の结果より，电容器と电子源（阴极）の间で闭じた放电电流経路を形成してい）とを确认し，高周波ブラズマズマ电子源によるホールスラスタスタの正常オイオン加速および中和を确认した。（3）磁场に対する放电电流と放电振动実験実験放电电流に対応できるのに対して，高周波プラズマ电子源は放电电流の范囲に合わせて，高周波电力を调整する必要がある。（4）放电电流とその振动の比较より，ホローカソード，高周波ブラズマ电子源のどちらを用いた偶然でも，ホールスラスタで生成されるプラズマの特性は変化しない。一方，接地电位に対する电子源电位の差异により，推力には电子源の违いによる影响が存在し，スラスタ単体の性能を示すアノード效率ド电子源の违いにより2％程度変化する。この结果より，高周波プラズマズマ电子源は地上におけるホールスラスタの放电特性の评価，效率で2％程度の误差を（5）推进效率の比较より，放电电流1A以下の低电力のホールスラスタであれば，推进效率の低下を招くことなく，ホローカソードの代替として高周波プラズマ电子源を适用可能一方。一方，より大电力のホールスラスタへの适用のためには，投入高周波电力と电子の引き出しに必要な电位差の低减が必要となる。本研究は独立行政法人日本学术振兴会科学研究费补助金若手研究（B）No.25820415の赠を受けて行った。ここに记して谢意を表する。

著录项

  • 来源
    《日本航空宇宙学会論文集》 |2016年第3期|171-181|共11页
  • 作者

    渡邊裕樹; 市村正範; 竹ケ原　春貴;

  • 作者单位

    首都大学東京大学院システムデザイン研究科;

    首都大学東京大学院システムデザイン研究科;

    首都大学東京大学院システムデザイン研究科;

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