【摘 要】
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电子回旋共振离子推力器(ECRIT)利用静磁场产生电子-微波共振条件,将微波能量转换为电子能量,使电子在离子源与中和器中电离中性气体产生等离子体,并分别从离子源与中和器内引出等量离子、电子,产生推力。磁场是影响ECRIT性能的关键因素,磁场对微波在源内磁化等离子体中的传输过程、微波对等离子体的加热过程、离子源内等离子体的约束和输运过程均有影响,从而影响推力器性能。源内磁场特征决定于磁路结构,故磁路
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电子回旋共振离子推力器(ECRIT)利用静磁场产生电子-微波共振条件,将微波能量转换为电子能量,使电子在离子源与中和器中电离中性气体产生等离子体,并分别从离子源与中和器内引出等量离子、电子,产生推力。磁场是影响ECRIT性能的关键因素,磁场对微波在源内磁化等离子体中的传输过程、微波对等离子体的加热过程、离子源内等离子体的约束和输运过程均有影响,从而影响推力器性能。源内磁场特征决定于磁路结构,故磁路结构对推力器性能有重要影响。磁路结构对离子源性能影响的复杂性在于,上述三类过程通过磁场彼此联系,任意一个子过程受到的影响均可能被传递到其他过程中,导致磁路改变引起复杂的离子源性能变化。本文研究磁路结构对ECRIT性能的影响规律和影响机理,通过实验研究,确立离子源性能评估方法,分析磁路结构对离子源性能的影响规律,建立磁路结构-磁场-离子源特性之间的对应关系;通过理论分析对源内物理过程解耦,分析磁路结构对上述过程的影响机理;通过数值模拟,分析磁路结构对离子源内磁化等离子体输运特点的影响。主要工作和结论如下:(1)基于离子源磁路结构特点,对源内磁场进行了测量和计算。实测结果和数值计算结果的对比表明:离子源内的磁体紧密排列安装,磁体产生的磁场会影响磁性材料的磁化强度。利用局部磁场测量结果修正磁场计算中的磁体的矫顽力值,可以得到较准确的磁场计算结果。(2)从碰撞的角度分析了离子源内磁化等离子体特征,基于分析结果和源内等离子体特征,确定了降低磁场干扰的探针诊断方法。分析表明:选取通过离子源轴线的平面作为诊断平面,使用轴线与诊断平面垂直的柱状探针诊断源内等离子体,可以降低磁场对诊断的干扰,同时提高诊断的空间分辨率。(3)通过实验,从电离特性、内部等离子体分布、离子束电流引出特性三个角度研究了四种磁路结构离子源的特性。实验表明:离子源存在不同工作状态,磁路结构变化导致离子源发生状态转变时的输入参数不同;离子源磁路结构在两个磁体环之间形成一个弯曲的磁镜区,源内等离子体主要集中在磁镜区,磁镜区与非磁镜区之间的等离子体密度、电子温度的梯度很大;磁路结构的变化能够提高离子源推力、气体利用率,降低放电损耗。(4)对磁路结构在源内电子加热、带电粒子迁移以及微波传输过程中的影响进行分析,分析结果表明:离子源内的状态转变是电子加热与等离子体分布因离子源磁路结构形成正反馈关系导致的。轴线区等离子体密度是影响离子源状态的关键因素。磁体环间距主要影响电子加热过程和电离过程。磁体环轴向位置则通过影响源内等离子体的空间分布的影响离子源效率。(5)设计了一种并行化的PIC/MCC程序结构,基于共享内存并行模型实现了这种并行化PIC/MCC程序。程序显著提高了计算效率,在粒子运动推进,碰撞处理上实现了高效的并行计算加速。使用该程序模拟了不同磁路结构离子源内的等离子体流动,模拟程序能够追踪到磁路结构对源内等离子体参数分布的影响,变化趋势与实验和理论分析一致。
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