磁场强度对霍尔推力器放电特性影响的实验研究

第%’卷第C期"&&(年C月

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物理学报

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磁场强度对霍尔推力器放电特性影响的实验研究!

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鄂鹏!）于达仁"）武志文$）韩轲!）

（哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨!）

（北京科技大学机械工程学院，北京$）

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（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨"）

（"&&’年!&月!&日收到；"&&(年"月!&日收到修改稿）

为探索霍尔推力器通道内优化磁场的标准，本文研究了磁场强度对其放电特性的影响规律)通过在保持磁场形貌不变（“聚焦”形）下改变磁场强度的大小，使用朗缪尔探针、光谱仪等测量手段分析了工作于不同磁安特性曲线段的推力器放电特性)研究表明：当磁场强度小于优化值时，电子横越磁场的传导以近壁传导机制为主；反之，当磁场强度大于优化值时，放电电流反常变化，而现有的电子输运传导机制不能解释这种现象)

关键词：霍尔推力器，磁场强度，放电特性

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磁场对霍尔推力器的性能和物理过程具有决定

!A引言

［"］

性的影响，许多文献从不同角度进行了研究)在电

子传导方面，目前普遍接受的电子传导机制除了电

霍尔推力器是具有同轴几何结构的等离子体电磁式加速器（如图!所示），电子在通道内的!B"

场作用下作周向的闭环漂移运动，同时横越磁场向阳极方向传导以维持等离子体放电)通过选择适当的磁场强度使等离子体处于霍尔效应区，此时等离子体中的电子被磁化而离子未磁化，这样电子的轴向传导受到磁场的抑制，因而能够在强磁场区建立

［!］

起强电场，从而对离子实现加速)

子与重粒子碰撞形成的经典传导机制外，还有近壁

［$］

传导和玻姆传导这两种非经典传导机制)这三种

传导机制分别通过磁场来影响电子的平均自由程、鞘层电场、扰动电场，从而控制电子的轴向传

［C—-］导，尽管这三种机制的传导机理互不相同，但是它们形成的电子传导电流分布主要都是受到当地磁

场的影响)在等离子体振荡方面，磁场能显著影响轮辐模式等离子体波在周向的传播速度!!，!!""D#EF$（常数"DG&AC—&A’，#E、$:分别为当地轴向电场:

［+］强度和径向磁场强度）；H5?D4I等研究发现轴向磁

［’］

；J8K:LD4发现在推力器场梯度能引起周向不稳定

出口附近的负磁场轴向梯度区，存在!—!&&MNE的

［(］

高频周向波)在工质电离方面，NLO;:等提出弯曲的磁力线能够增加电子的约束路径，提高电离效

［!&］率)在离子束聚焦方面，ML:LELD提出凸向阳极并

具有正梯度的“聚焦形”磁场构型能减小推力器的羽

［!!］流发散角和离子对通道壁面溅射损失；P4::5K8;Q

等人通过优化磁力线曲率、径向磁场轴向梯度等磁场位形特征参数减小推力器的离子束发散角；并基

图!

霍尔推力器工作原理示意图

于“聚焦形”磁场构型，通过!&&&小时寿命实验研究发现设计“零磁场区”位形，并使其轴向位置更接近

（批准号：和长江学者和创新团队发展计划（批准号：资助的课题)-&’+!&$%，%&’++&!’）./0&%"&）!国家自然科学基金

#通讯联系人)123456：7894:;<=>5?);98)@<

"*?.物理学报*1卷

［!"］

通道出口，能减小壁面溅蚀带长度和溅蚀深度#

质量流量&的工况下，在通道内磁场位(H)>L9K<4）

可以看出，推力器的工作状态很大程度上取决于磁场的位形和强度，由于磁场比较容易人为设计和控制，所以常常被研究者作为推力器性能优化过程中最重要的调节手段#在调节磁场位形方面，正梯度”和”聚焦型”这两条磁场位$%&%’%(提出了”

形定性设计指导原则，在此基础上，美国、法国的相关研究机构从定量化设计的角度在不同磁镜比、轴向磁场梯度、磁力线曲率中心径向位置等磁场位形形（聚焦形）不变的前提下改变磁场强度大小，通过使用朗缪尔单探针、光谱诊断等手段对处于磁安特性曲线不同区域下的推力器工作状态进行实验研究，从而分析和研究了电子的传导、原子电离、离子加速等物理过程的变化规律#

"#实验装置

下研究了推力器的工作状态，得出了一些很有意义

的结论，进一步完善了磁场位形设计体系［!)，!"—!*］#

然而在磁场强度的选择方面，通常是根据推力器工作在霍尔效应区的物理要求，使磁场强度大小满足!+,!"!!（其中+-!+,、"和!+-分别为电子回旋半径、

通道特征长度和离子回旋半径）［!.］

#由于这一范围

过宽，使得这一不等式对推力器性能优化过程中选择磁场强度的指导作用并不明显#在实际的推力器性能优化过程中，通常是基于效率的考虑，根据磁安

特性曲线［!!（即放电电流］#/随磁场强度$的变化

曲线———放电电流随着磁场强度的增加先逐渐减小后逐渐增大），在给定工质的质量流量（包括阳极流量和阴极流量）和放电电压下调节磁场强度大小，使

#［"，!0—!1］

/最小，

同时兼顾#/的振荡水平和羽流发散情况#另外，234-5+67+8等测量了$（&9:;）<$"&（9:;）=!>?*（$（&9:;）、$"&（9:;）分别为通道出口处的径向磁场强度和放电电流#/最小时通道出口处的径向磁场强度，为叙述方便，称$（&9:;）、$"&（9:;）分别为出口处磁场强度和特征磁场强度）时不同磁场

强度下放电电流的振荡［!@—"!］

，A6%7,-&-对这些振荡的频谱分布和相对强度进行了统计

［!0］

，得出了当$（&9:;）B$"&（9:;）时低频振荡显著加剧的结论#这对磁场强度的选择有一定的意义#总之，

对于磁场强度的选择，目前很大程度上要依赖于观察推力器的工作状态，还没有形成一套可行的指导原则和评价标准#这一方面固然与推力器工作的不稳定有关；但更重要的是，不同磁场强度下电子的传导、工质的电离和加速等物理过程的图象还不是很清楚，以致不能将磁场强度与推力器的工作状态建立起直接的联系#

为了探索磁场强度大小对推力器放电特性的影

响规律，本文基于磁安特性曲线［!!］

，采用哈尔滨工

业大学C0)（DEFG）型霍尔推力器，在放电电压%/H?))I、

工质（J,气）质量流量 &’H"9K<4（阴极供气!"#$推力器和真空系统

C0)型霍尔推力器的环形陶瓷通道外半径?*>*

99、

宽!*99、长?.99，阴极安装在距出口截面")99、

几何轴线.)99的位置，如下图"所示

#图"C0)型实验样机结构图其中!气体分配器，"阳极，?阴

极，L励磁线圈（其中!外线圈、"内线圈、#附加线圈），*工质气体缓冲腔

为实验方便，将三个励磁线 …… 此处隐藏：10258字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……