CN104269336A - 一种离子推力器放电室磁极结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子推力器放电室磁极结构，包括下磁极(1)、中间磁极(2)、上磁极(3)以及对应连接的下极靴(4)、中间极靴(5)和上极靴(6)，还包括永磁体(9,10)，磁极之间通过极靴(4,5,6)和永磁体(9,10)构成磁力线回路，在放电室内部形成环尖会切磁场；其特征在于，放电室的阳极筒(7,8)置于会切场内部；各磁极均伸入阳极筒(7,8)内表面，且相对于阳极筒(7,8)带负电；安装于下极靴(4)上的放电室阴极(11)在前方没有阳极筒的情况下直接伸入放电室内部。本发明还公开了一种上述离子推力器放电室磁极结构的设计方法。使用本发明能够提高原初电子利用率，提高放电效率和束流均匀性。

Description

一种离子推力器放电室磁极结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种离子推力器放电室磁极结构及其设计方法，属于航天技术和低温等离子体技术领域。

背景技术

离子推力器作为一种先进的空间推进技术，具备比冲高、寿命长、结构紧凑、推力精确可控等优点，成为国内外应用最为广泛的空间电推进装置之一。离子推力器综合性能的高低集中体现在效率指标的实现和等离子体约束能力方面，包括高工质利用率、低放电损耗和高束流平直度。实现上述目标的物理基础就是放电室磁极的尺寸、布局设计，由优化的磁极结构产生优化的磁场形位构型，来达到提高放电效率和提高等离子体约束能力的目的。

目前，磁极布局多采用环尖会切磁场形式，图1(a)和图1(b)是现有技术的磁极布局结构示意图，其中图1(a)主要示出磁场分布，图1(b)示出磁极在放电室中的布局和阳极筒的位置关系。如图1(b)所示，传统环尖会切磁场采用环形磁铁(图中示出的是环形磁铁的截面)作为磁极，包括上磁极、中间磁极和下磁极。下磁极与中间磁极之间为放电室锥段，中间磁极与上磁极之间为放电室柱段。磁极均布于阳极筒外侧，该磁极布局下的磁场构型如图1(a)所示。

电子从阴极出射后，在磁力线的约束下，绕磁力线在磁极之间进行往复运动，当与放电室内的推进剂工质碰撞后，其穿越磁力线与阳极筒碰撞而消失。

在与推进剂工质碰撞之前，不希望电子与阳极筒碰撞，造成无谓的电子损失，降低电子利用率。然而，按照图1的磁极布局，磁极位于阳极筒外侧，形成的磁力线与放电室锥段中部的阳极筒内壁存在少量交叉，这就会导致电子沿磁力线运动到交叉处时，触碰阳极筒而消失。

当电子运动到磁极附近时，由于磁极在阳极筒外侧，磁场对电子的约束能力减弱，电子在电场的作用下，被磁极附近的阳极吸引，碰撞到该区域而消失，也造成了电子的损失。

而且，目前的磁场构型中，不能完全兼顾阳极筒表面和阴极出口处磁场强度同时达到最大值，即不能最大限度的将阴极发射的原初电子约束在阳极壁面附近。同时，推力器出口处磁场强度衰减不够，即无场区不够大，过多的原初电子在栅极中轴线附近聚集。这与放电室的设计初衷不符，设计初衷是所有原初电子从阴极发出后被磁场约束至阳极筒表面附近，在该区域通过碰撞电离工质气体，电离后的正离子通过自由扩散均匀分布在无场区的空间中。栅极上表面区域离子分布越均匀，引出的束流平直度越好。否则，栅极中轴线附近离子密度将比边缘密度大，中轴线附近的栅孔聚焦性能变差，最终造成栅极稳定性变差。现有的磁场构型就是要尽可能的符合设计初衷，达到一个最优化的磁场构型，有效提高原初电子利用率和束流均匀性。

发明内容

有鉴于此，本发明提了一种离子推力器放电室磁极结构及其设计方法，能够提高原初电子利用率，提高放电效率和束流均匀性。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种离子推力器放电室磁极结构，包括下磁极、中间磁极、上磁极以及对应连接的下极靴、中间极靴和上极靴，还包括永磁体，磁极之间通过极靴和永磁体构成磁力线回路，在放电室内部形成环尖会切磁场；本发明的特点是：放电室的阳极筒置于会切场内部；各磁极均伸入阳极筒内表面，且相对于阳极筒带负电；安装于下极靴上的放电室阴极在前方没有阳极筒的情况下直接伸入放电室内部。

优选地，下磁极为两同心环组成的双磁极结构，其中一极靠近放电室阴极侧面，另一极靠近阳极筒。

优选地，上磁极与上极靴为分体结构，并设置多个长度规格的上磁极作为备选。

优选地，以磁极伸入阳极筒的方向定义为长度方向，则下磁极和上磁极的长度方向平行于放电室轴线方向，中间磁极的长度方向垂直于放电室轴线方向。

优选地，所述阳极筒为两段式结构包括锥段阳极筒和柱段阳极筒。

优选地，下磁极伸入阳极筒内的一端与锥段阳极筒上端面的距离a1＝8mm，下磁极的环厚b1＝2mm；靠近下磁极的一端面为锥段阳极筒上端面；中间磁极伸入阳极筒内的一端与柱段阳极筒内壁的距离a2＝7mm，中间磁极的环宽b2＝4mm；各种长度规格的上磁极(3)，环厚均为b3＝2mm，伸入阳极筒内的一端与上极靴安装面的距离a3分别为6mm、8mm、10mm、12mm。

优选地，所述永磁体包括锥段磁钢和柱段磁钢；锥段磁钢均布于放电室壁锥段外圆周上，连接下极靴与中间极靴；柱段磁钢均布于放电室壁柱段外圆周上，连接中间极靴与上极靴；柱段磁钢和锥段磁钢在中间极靴处的极性相同。

优选地，锥段磁钢轴向与下磁极轴向和中间磁极轴向均成45度角。

优选地，磁极和极靴均选用电工纯铁DT4C制作，永磁体均选用高温稀土钴Sm2Co17材料制作；阳极筒均选用铝合金制作。

本发明还提供了一种离子推力器放电室磁极结构的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、以上述放电室磁极结构作为初始结构，其中永磁体采用电磁铁代替；利用电磁场软件仿真得到放电室内磁场构型，在电磁铁加载设定激励电流的基础上，通过调整磁极尺寸和伸入阳极筒的长度，对磁场构型进行优化，优化目标是：

a)磁极在阳极筒内表面区域形成的磁场，磁力线不与阳极筒内表面相交，并尽量与阳极筒内表面平行；

b)磁场限制在阳极筒附近区域，使放电室内部栅极附近的大部分区域接近为无场区；

c)调整轴向上的最大磁场强度刚好位于阴极出口处；

步骤2、根据步骤1确定的磁极仿真数据，构造实际磁极结构，仍以电磁铁代替永磁体，通过改变电磁铁的励磁电流，并在上磁极仿真数据的基础上，在设定小范围内更换不同尺寸的上磁极，进行放电室轴线方向的实际磁场优化；优化目标为：固定束电流和束电压条件下的放电损耗最小和工质利用率最高，以及通过测量束流密度分布计算得到的束流平直度最高；

步骤3、完成上述两步优化工作后，在当前磁极结构和电磁铁的励磁电流的设计下，测量锥段和柱段的总磁通量，按照总磁通量相等的原则，完成永磁铁设计加工。

有益效果：

本发明的磁极结构使阳极附近磁力线与阳极表面平行，同时兼顾阴极出口磁场强度最大化，提高原初电子利用率；并通过对上磁极长度的优化，将推力器出口区域设计接近于无场区，提高束流平直度。设计方法方便实现最优化设计并降低试验成本。具体来说：

(1)本发明令磁极伸入放电室内部，超出阳极筒内表面，使得磁力线尽量远离阳极筒，从而尽量与阳极筒不相交。由于不相交就不会导致电子沿磁力线运动时在交叉处或在磁极附近触碰到阳极筒。而且，本发明令磁极相对于阳极筒带负电，因此，当电子沿磁力线运动到达磁极附近时，不会因电场作用打到磁极上。那么，原初电子只能通过碰撞或者湍流输运扩散才能够穿越磁力线和阳极碰撞而消失，提高电子利用率。

(2)由于下磁极向放电室内部伸入，使得阴极出口处的磁场更强，所有电子从阴极出来，将更多的沿着磁力线往边缘运动，设计磁场被限制在阳极附近区域，大部分工质气体在该区域被原初电子碰撞电离，电离的离子通过自由扩散作用均匀分布在无磁场区域内。通过优化上磁极长度，使栅极附近的大部分区域接近为无场区，更有利于离子的均匀扩散，提高引出束流的均匀性，避免栅极中轴线附近离子密度过大引起的栅孔聚焦能力的恶化，造成栅极稳定性变差，栅极面积利用不充分等问题，从而提高放电效率和束流平直度。

(3)该磁场结构，锥段磁感应强度要强于柱段磁感应强度，放电室轴线上的磁场强度在阴极触持极顶附近达到最大值，到达柱段区域，磁场强度迅速衰减，达到了兼顾电离效率和束流均匀性的目的。

(4)下磁极采用双磁极结构，使得阳极筒表面和阴极出口处同时达到较强的磁场强度。

附图说明

图1(a)和图1(b)为现有技术的离子推力器磁极结构的示意图。

图2为本发明的离子推力器磁极结构示意图。

图3为中间磁极参数示意图。

其中，1-下磁极；2-中间磁极；3-上磁极；4-下极靴；5-中间极靴；6-上极靴；7-锥段阳极筒；8-柱段阳极筒；9-锥段磁钢；10-柱段磁钢；11-阴极；12-栅极。A-放电室锥段；B-放电室柱段。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种离子推力器放电室的磁极结构，放电室包括放电室壁、阳极筒，磁极结构包括磁极、极靴、永磁铁。具体来说，如图2所示，磁极包括下磁极1、中间磁极2和上磁极3，均为环形结构，图中是出的是其截面，中间磁极2将放电室分为锥段和柱段两部分。极靴与磁极相对应，包括下极靴4、中间极靴5和上极靴6。磁极之间通过极靴和永磁体构成磁力线回路，在放电室内部形成环尖会切磁场。本发明的特点是：放电室的阳极筒置于会切场内部；各磁极均伸入阳极筒内表面，且相对于阳极筒带负电；安装于下极靴上的放电室阴极在前方没有阳极筒的情况下直接伸入放电室内部。

可见，本发明令磁极伸入放电室内部，超出阳极筒内表面，使得磁力线尽量远离阳极筒，从而尽量与阳极筒不相交。由于不相交就不会导致电子沿磁力线运动时在交叉处或在磁极附近触碰到阳极筒。而且，本发明令磁极相对于阳极筒带负电，因此，当电子沿磁力线运动到达磁极附近时，不会因电场作用打到磁极上。那么，原初电子只能通过碰撞或者湍流输运扩散才能够穿越磁力线和阳极碰撞而消失，提高电子利用率。

而且，由于下磁极向放电室内部伸入，使得阴极出口处的磁场更强，所有电子从阴极出来，将更多的沿着磁力线往边缘运动，设计磁场被限制在阳极附近区域，大部分工质气体在该区域被原初电子碰撞电离，电离的离子通过自由扩散作用均匀分布在无磁场区域内。通过优化上磁极长度，使栅极附近的大部分区域接近为无场区，更有利于离子的均匀扩散，提高引出束流的均匀性，避免栅极中轴线附近离子密度过大引起的栅孔聚焦能力的恶化，造成栅极稳定性变差，栅极面积利用不充分等问题，从而提高放电效率和束流平直度。

下面结合图2对本发明的实现细节进行详细描述。

图2示出的结构中，由于磁极伸入阳极筒内部，因此较佳地，将阳极筒设计为两段式结构，包括锥段阳极筒7和柱段阳极筒8。

永磁体也包括锥段磁钢9和柱段磁钢10。锥段磁钢9均布于放电室壁锥段外圆周上，连接下极靴4与中间极靴5。柱段磁钢10均布于放电室壁柱段外圆周上，连接中间极靴5与上极靴6；柱段磁钢10和锥段磁钢9在中间极靴6处的极性相同，同为S或同为N。均布的好处在于使放电室内磁场尽可能均匀，避免不均布造成的磁通路磁阻差异，进而影响放电室内等离子体分布的均匀性。

下磁极1与下极靴4为一体结构(也可以为分开结构)，位于放电室后端。以磁极伸入阳极筒的方向定义为长度方向，则下磁极1的长度方向平行于放电室轴线方向。在放电室的轴线方向上，锥段磁钢9轴向(一般来说永磁铁都是柱状的)与下磁极1的轴向成一定角度α安装，α优先选择45度。锥段磁钢9共n根，n选择范围为8到16根，均布于放电室壁锥段外圆周上。

为了既保证阴极出口处磁场强度最优，又保证阳极表面磁场强度满足要求，下磁极1为两同心环组成的双磁极结构，其中一极靠近放电室阴极11侧面，另一极靠近锥段阳极筒7。磁场设计准则要求，阳极筒表面和阴极出口处都要达到较强的磁场强度，单磁极不能很好的兼顾上述需求，因此采用双磁极，同时使阳极筒表面和阴极出口处达到理想的磁场强度值。

中间磁极2与中间极靴5为一体结构(也可以为分开结构)，位于放电室中段，中间磁极2的长度方向垂直于放电室轴线方向。中间磁极2轴向与锥段磁钢轴向成β度角安装，β优先选择45度。为了方便安装，两两锥段磁钢中间，沿放电室轴向安装柱段磁钢，柱段磁钢共m根，m选择范围为8到16根，均布于放电室壁柱段外圆周上。

上磁极3与上极靴6为分体结构，位于放电室前端，上磁极3的长度方向平行于放电室轴线方向。上极靴3外侧沿放电室轴向安装相应柱段磁钢。上磁极3伸入阳极筒的长度对束流平直度敏感，因此将上磁极与上极靴设计为分体结构，方便磁极长度的更换。那么应该设置多个长度规格的上磁极3作为备选。

在材料方面，磁极和极靴均优选磁导率高的电工纯铁DT4C制作；锥段磁钢和柱段磁钢均优选高温稀土钴Sm2Co17材料制作，其工作温度高，高温稳定性好；锥段阳极筒和柱段阳极筒均优选铝合金制作，其不导磁，质量轻，比刚度大。

基于上述磁极结构，本发明还提供了一种离子推力器放电室磁极结构的设计方法，其包括如下步骤：

步骤1、以上述放电室磁极结构作为初始结构，其中永磁体采用电磁铁代替，以便进行仿真。利用电磁场软件仿真得到放电室内磁场构型，在电磁铁加载设定激励电流的基础上，通过调整磁极尺寸和伸入阳极筒的长度，对磁场构型进行优化，优化目标是：

a)磁极在阳极筒内表面区域形成的磁场，磁力线不与阳极筒内表面相交，并尽量与阳极筒内表面平行，这可以实现放电等离子体的低气压化、高密度化和均匀化；

b)磁场限制在阳极筒附近区域，使放电室中栅极12附近的大部分区域接近为无场区，可增强引出束流的分布均匀性；

c)锥段磁感应强度要强于柱段磁感应强度，且令轴向上的最大磁场强度刚好位于阴极11出口处，从而使得到达柱段区域的磁场强度迅速衰减，以达到兼顾电离效率和束流均匀性的目的。

步骤2、根据步骤1确定的磁极仿真数据，构造实际磁极结构，仍以电磁铁代替永磁体，通过改变电磁铁的励磁电流，并在上磁极仿真数据的基础上在小范围更换不同尺寸的上磁极，进行放电室轴线方向的实际磁场优化；优化目标为：固定束电流和束电压(也是屏栅电压)条件下的放电损耗最小和工质利用率最高，以及通过测量束流密度分布计算得到的束流平直度最高；。

步骤3、完成上述两步优化工作后，在当前磁极结构和电磁铁的励磁电流的设计下，测量锥段和柱段的总磁通量，按照总磁通量相等的原则，完成永磁铁设计加工。

结合上述设计方法和多方因素考虑，最后确定下磁极1伸入阳极筒内的一端与锥段阳极筒7上端面(靠近下磁极的一端面为锥段阳极筒7上端面)的距离为a1＝8mm，下磁极1的环厚b1＝2mm；

中间磁极2伸入阳极筒内的一端与柱段阳极筒8内壁的距离a2＝7mm，中间磁极2的环宽b2＝4mm；参见图3；

各种长度规格的上磁极3，环厚均为b3＝2mm，伸入阳极筒内的一端与上极靴3安装面的距离a3分别为6mm、8mm、10mm、12mm。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离子推力器放电室磁极结构，包括下磁极(1)、中间磁极(2)、上磁极(3)以及对应连接的下极靴(4)、中间极靴(5)和上极靴(6)，还包括永磁体(9,10)，磁极之间通过极靴(4,5,6)和永磁体(9,10)构成磁力线回路，在放电室内部形成环尖会切磁场；其特征在于，放电室的阳极筒(7,8)置于会切场内部；各磁极均伸入阳极筒(7,8)内表面，且相对于阳极筒(7,8)带负电；安装于下极靴(4)上的放电室阴极(11)在前方没有阳极筒的情况下直接伸入放电室内部。

2.如权利要求1所述的离子推力器放电室磁极结构，其特征在于，下磁极(1)为两同心环组成的双磁极结构，其中一极靠近放电室阴极(11)侧面，另一极靠近阳极筒。

3.如权利要求1或2所述的离子推力器放电室磁极结构，其特征在于，上磁极(3)与上极靴(6)为分体结构，并设置多个长度规格的上磁极(3)作为备选。

4.如权利要求1所述的离子推力器放电室磁极结构，其特征在于，以磁极伸入阳极筒的方向定义为长度方向，则下磁极(1)和上磁极(3)的长度方向平行于放电室轴线方向，中间磁极(2)的长度方向垂直于放电室轴线方向。

5.如权利要求1所述的离子推力器放电室磁极结构，其特征在于，所述阳极筒为两段式结构包括锥段阳极筒(7)和柱段阳极筒(8)。

6.如权利要求5所述的离子推力器放电室磁极结构，其特征在于，下磁极(1)伸入阳极筒内的一端与锥段阳极筒(7)上端面的距离a1＝8mm，下磁极(1)的环厚b1＝2mm；靠近下磁极的一端面为锥段阳极筒(7)上端面；

中间磁极(2)伸入阳极筒内的一端与柱段阳极筒(8)内壁的距离a2＝7mm，中间磁极(2)的环宽b2＝4mm；

各种长度规格的上磁极(3)，环厚均为b3＝2mm，伸入阳极筒内的一端与上极靴安装面的距离a3分别为6mm、8mm、10mm、12mm。

7.如权利要求1所述的离子推力器放电室磁极结构，其特征在于，所述永磁体包括锥段磁钢(9)和柱段磁钢(10)；锥段磁钢(9)均布于放电室壁锥段外圆周上，连接下极靴(4)与中间极靴(5)；柱段磁钢(10)均布于放电室壁柱段外圆周上，连接中间极靴(6)与上极靴(6)；柱段磁钢(10)和锥段磁钢(9)在中间极靴(6)处的极性相同。

8.如权利要求7所述的离子推力器放电室磁极结构，其特征在于，锥段磁钢(9)轴向与下磁极(1)轴向和中间磁极(2)轴向均成45度角。

9.如权利要求1所述的离子推力器放电室磁极结构，其特征在于，磁极和极靴均选用电工纯铁DT4C制作，永磁体均选用高温稀土钴Sm2Co17材料制作；阳极筒均选用铝合金制作。

10.一种离子推力器放电室磁极结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、以权利要求3所述的放电室磁极结构作为初始结构，其中永磁体采用电磁铁代替；利用电磁场软件仿真得到放电室内磁场构型，在电磁铁加载设定激励电流的基础上，通过调整磁极尺寸和伸入阳极筒的长度，对磁场构型进行优化，优化目标是：

a)磁极在阳极筒内表面区域形成的磁场，磁力线不与阳极筒内表面相交，并尽量与阳极筒内表面平行；

b)磁场限制在阳极筒附近区域，使放电室中栅极(12)附近的大部分区域接近为无场区；

c)调整轴向上的最大磁场强度刚好位于放电室阴极(11)出口处；

步骤2、根据步骤1确定的磁极仿真数据，构造实际磁极结构，仍以电磁铁代替永磁体，通过改变电磁铁的励磁电流，并在上磁极仿真数据的基础上，在设定小范围内更换不同尺寸的上磁极，进行放电室轴线方向的实际磁场优化；优化目标为：固定束电流和束电压条件下的放电损耗最小和工质利用率最高，以及通过测量束流密度分布计算得到的束流平直度最高；

步骤3、完成上述两步优化工作后，在当前磁极结构和电磁铁的励磁电流的设计下，测量锥段和柱段的总磁通量，按照总磁通量相等的原则，完成永磁铁设计加工。