一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法

摘要

一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，涉及航天电推进空心阴极领域，为了解决现有对触持极孔径的优化缺乏理论指导，只能采取不同尺寸的样本逐一进行实验，工作量大、可靠性差的问题。该方法为测量触持极小孔附近的磁场强度；计算电子回旋拉莫尔直径，得到触持极孔径最小值；测得触持极孔径与气压的节流升压曲线，根据电离稳定性的判据条件，得到最小气压，最小气压所对应的触持极孔径为触持极孔径最大值，在触持极孔径最小值和最大值之间选取数值，制备触持极孔径样本，并测试放电性能，放电性能最优时的触持极孔径即为最优触持极孔径。本发明适用于优化设计触持极孔径。

权利要求

1.一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、确定空心阴极安装位置，测量触持极小孔附近的磁场强度；

步骤二、根据步骤一得到的磁场强度计算电子回旋拉莫尔直径，根据电子回旋拉莫尔直径得到触持极孔径最小值；

步骤三、空心阴极的供气流量保持不变，测量不同触持极孔径时的气压，得到触持极孔径与气压的节流升压曲线；

步骤四、电离稳定性的判据条件为：其中，<σea>为电离碰撞截面，n0为气体密度，根据电离稳定性的判据条件，得到气体密度的最小值，该最小气体密度对应的气压为最小气压；

步骤五、在步骤三的节流升压曲线中找到步骤四的最小气压所对应的触持极孔径，该触持极孔径为触持极孔径最大值；

步骤六、在触持极孔径最小值和最大值之间选取数值，制备触持极孔径样本，并测试放电性能，放电性能最优时的触持极孔径即为最优触持极孔径。

2.根据权利要求1所述的一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，其特征在于，步骤四具体为：根据离子温度和离子数密度，计算离子德拜长度；

其中，ni为离子数密度，e为电子电荷量，K为玻尔兹曼常量，Ti为离子温度，λD,i为离子德拜长度；

然后根据电离稳定性的判据条件，得到气体密度的最小值。

3.根据权利要求2所述的一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，其特征在于，根据电子温度通过查找原子碰撞截面数据库得到电离碰撞截面<σea>。

4.根据权利要求1所述的一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，其特征在于，步骤六中，放电电压最低且电子电流振荡幅值最小时的触持极孔径即为最优触持极孔径。

说明书

一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航天电推进空心阴极领域。

背景技术

[0002] 霍尔推力器是一种依靠低温等离子体放电实现粒子加速的航天推进装置。如各种各样其他行业的低温等离子体放电一样，霍尔推力器的放电特性对元部件的几何尺寸十分
敏感。确定这些尺寸需要事先掌握庞杂的等离子体效应，依靠物理准数进行设计。由于霍尔
推力器内部强电场建立机制对传统理论有一定颠覆性，自问世半个世纪以来，主要研究精
力都投入到了主体放电通道上，对外围辅助结构投入相对较少。

[0003] 作为等离子体放电的负极，空心阴极被称为“霍尔推力器的心脏”。然而，部分由于历史上的主观原因，部分由于其结构过于紧凑狭小、难以做精细实验等原因，空心阴极内的
物理效应至今仍有大量的盲区。作为空心阴极最重要的尺寸之一，触持极的孔径，目前还没
有理论指导设计。国际上通用的做法是“试凑”，即制备多个尺寸的样本互为对照，以最终放
电性能最优者代入下一设计环节。与主体放电通道多达10个准数的严密设计逻辑相比，这
种“黑箱”对策无疑是简陋的、不可靠的。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有对触持极孔径的优化缺乏理论指导，只能采取不同尺寸的样本逐一进行实验，工作量大、可靠性差的问题，从而提供一种空心阴极触持极孔径
的优化设计方法。

[0005] 本发明所述的一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤一、确定空心阴极安装位置，测量触持极小孔附近的磁场强度；

[0007] 步骤二、根据步骤一得到的磁场强度计算电子回旋拉莫尔直径，根据电子回旋拉莫尔直径得到触持极孔径最小值；

[0008] 步骤三、空心阴极的供气流量保持不变，测量不同触持极孔径时的气压，得到触持极孔径与气压的节流升压曲线；

[0009] 步骤四、根据电离稳定性的判据条件，得到气体密度的最小值，该最小气体密度对应的气压为最小气压；

[0010] 步骤五、在步骤三的节流升压曲线中找到步骤四的最小气压所对应的触持极孔径，该触持极孔径为触持极孔径最大值；

[0011] 步骤六、在触持极孔径最小值和最大值之间选取数值，制备触持极孔径样本，并测试放电性能，放电性能最优时的触持极孔径即为最优触持极孔径。

[0012] 优选的是，步骤四具体为：根据离子温度和离子数密度，计算离子德拜长度；

[0013]

[0014] 其中，ni为离子数密度，e为电子电荷量，K为玻尔兹曼常量，Ti为离子温度，λD,i为离子德拜长度；

[0015] 然后根据电离稳定性的判据条件，得到气体密度的最小值；

[0016] 电离稳定性的判据条件为：

[0017]

[0018] 其中，<σeα>为电离碰撞截面，n0为气体密度。

[0019] 优选的是，根据电子温度通过查找原子碰撞截面数据库得到电离碰撞截面<σeα>。

[0020] 优选的是，步骤六中，放电电压最低且电子电流振荡幅值最小时的触持极孔径即为最优触持极孔径。

[0021] 本发明通过计算得到优化区间，在优化区间内制备样本，找到最优的数值孔径，根据优化区间的理论指导，可以大大减少试凑的区间，减少了工作量，还能保证得到的最优触
持极孔径的可靠性。

附图说明

[0022] 图1是本发明的一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法流程图；

[0023] 图2是等离子体电子温度轴向分布图；

[0024] 图3是不同触持极孔径对应的电子回旋拉莫尔直径；

[0025] 图4是触持极电位与电子电流振荡波形图；

[0026] 图5是平行磁场强度与电子电流相对振荡幅值的关系曲线图；

[0027] 图6是平行磁场强度与阳极放电电压的关系曲线图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

[0031] 空心阴极是一个依靠电源反馈调节的恒流放电装置。当局部电流因某种原因而损失后，必然引起电源电压升高，局部电场增强，放电失稳。申请人对该不稳定性物理机制进
行了理论推导，得到电离稳定性的判据条件，

[0032]

[0033] 可以看出，当中性气体密度n0较低、电离碰撞截面<σeα>较小时，电离平均自由程较大，这时离子德拜屏蔽不足以屏蔽掉延展的电离区，从而导致电场会持续增强，电离会逐渐
强化，振幅逐渐增长。当触持极劫流一部分电子电流时，使得局部电场增强，从而开启该过
程。劫流量越大，启动初值越大，最终振幅越大，越不稳定。反之，没有劫流时，启动初值很
小，甚至可能是稳定的。于是湍流消失，放电电压减小。可以想象，当磁场强度使得电子束的
直径小于触持极孔径时，可以消除该劫流激振现象。

[0034] 上式还说明，提高中性气体密度可以有效抑制电离不稳定性。提高中性气体密度，使得电离长度重新回到离子德拜长度以内。这符合以往实验观察。通常振荡能量最大的区
域位于触持极下游，而不是位于气体密度最高的小孔出口。当供气流量超过某一临界时，振
荡会突然减小，放电电压会突然降低，即由所谓的“羽流模式”转入“点模式”。

[0035] 为了验证该理论，发明人进行了实验验证。首先确认了“磁场强度-放电电压”曲线中的极小值拐点确实和触持极孔径成相关性。测量触持极小孔附近电子温度后(如图2所
示)，将极小值对应的电子回旋拉莫尔直径与触持极孔径进行对比(如图3所示)，二者吻合
地非常好。然后发明人确认了无磁场(触持极劫流电子电流)时，当地的振荡是电离振荡。图
4中触持极电位与当地的电子电流呈反相位振荡，这是一种典型的电离振荡的标志。最后，
发明人确认了消除劫流激振前后，振荡明显减小(如图5所示)，放电电压明显降低(如图6所
示)。

[0036] 综上，发明人发现了劫流激振对空心阴极放电的不利影响。消除劫流激振主要思路目前有两个：一是努力减小电子束直径，将其与其他元部件隔离；二是努力提高敏感点气
压，让电荷分离能够被有效屏蔽住。前者要求触持极孔径尽量大，后者要求触持极孔径尽量
小。根据阴极安装位置(磁场强度)，能够确定最小值。根据供气流量，能够确定最大值，从而
确定优化区间。

[0037] 一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，包括以下步骤：

[0038] 步骤一、确定空心阴极安装位置，测量触持极小孔附近的磁场强度；

[0039] 步骤二、根据步骤一得到的磁场强度计算电子回旋拉莫尔直径，根据电子回旋拉莫尔直径得到触持极孔径最小值；

[0040] 电子回旋拉莫尔直径即为触持极孔径最小值，触持极孔径大于等于电子回旋拉莫尔直径时，可保证消除劫流激振。

[0041] 步骤三、空心阴极的供气流量保持不变，测量不同触持极孔径时的气压，得到触持极孔径与气压的节流升压曲线；

[0042] 步骤四、根据电离稳定性的判据条件，得到气体密度的最小值，该最小气体密度对应的气压为最小气压；

[0043] 具体为：根据离子温度和离子数密度，计算离子德拜长度；

[0044]

[0045] 其中，ni为离子数密度，e为电子电荷量，K为玻尔兹曼常量，Ti为离子温度，λD,i为离子德拜长度；

[0046] 然后根据电离稳定性的判据条件，得到气体密度的最小值；

[0047] 电离稳定性的判据条件为：

[0048]

[0049] 其中，<σeα>为电离碰撞截面，n0为气体密度。

[0050] 根据电子温度通过查找原子碰撞截面数据库得到电离碰撞截面<σeα>。

[0051] 步骤五、在步骤三的节流升压曲线中找到步骤四的最小气压所对应的触持极孔径，该触持极孔径为触持极孔径最大值；

[0052] 步骤六、在触持极孔径最小值和最大值之间选取数值，制备触持极孔径样本，并测试放电性能，放电电压最低且电子电流振荡幅值最小时的触持极孔径即为最优触持极孔
径。