2 cm 电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟*

夏旭 杨涓† 付瑜亮 吴先明 耿海 胡展

1) (西北工业大学 航天学院 西安 710072)

2) (兰州空间技术物理研究所 兰州 730000)

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster, ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出, 而磁场结构决定的ECR 区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下, 等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射, 形成壁面离子或电子电流, 造成壁面磨损和等离子体损失, 因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT 的粒子PIC/MCC (particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型, 数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明, 当ECR 区位于天线上游时, 等离子体集中在天线上游和内外磁环间, 栅极前离子密度最低, 故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR 区位于天线下游时, 天线和栅极上游附近的等离子体密度较高, 故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.

1 引 言

ECRIT 具有无阴极烧蚀特点, 除了用于空间飞行器控制[1,2], 还能用于材料处理等方面[3,4].目前国外研究出10 cm 和2 cm ECRIT, 并分别应用于HAYABUSA[2,5]和50 与70 kg 微小卫星[6,7].目前国内外热衷于微小卫星推进装置的研究, 因此开展2 cm ECRIT 研究具有重要意义.离子源是2 cm ECRIT 重要的部件, 其内部物理过程包括电离、碰撞以及鞘层加速带电粒子对壁面轰击, 这些过程决定了等离子体和壁面电流特征.等离子体特征影响推力器引出束流大小, 同时推力器内……