CN105072792A - 一种柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场，所述磁场由分布在放电室外的柱形永磁铁产生，永磁铁和导磁环紧密接触将磁场导入放电室内部，导磁环共4个，将永磁铁分成长度不同的3组，每组都包含若干柱形磁铁并沿放电室周向均布。磁环在放电室内部形成4个环形磁极，相比传统的3级环尖场，该磁极结构在阳极表面易于实现表面磁场特性，有利于放电效率的提升；同时，四个磁极更好的实现了磁场在阳极表面的约束，降低磁场强度要求，在放电室其他部位形成最大化的无磁场区域，可增强引出束流的分布均匀性。

Description

一种柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场

技术领域

本发明涉及属于航天技术和等离子体推进技术领域，具体涉及一种柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场。

背景技术

离子推力器磁场在等离子体产生过程中起到约束原初电子，优化电离区域的作用，是离子推力器的核心设计内容，其设计原则是提高放电效率和等离子体约束能力。高的放电效率具体指高工质利用率和低放电损耗，好的等离子体约束能力指高束流平直度。实现上述目标的物理基础就是磁极布局和磁场强度的分布。

好的磁场设计要求：1)放电室内部磁力线尽量平行于放电室壁面，将原初电子尽量约束在阳极壁面附近；2)阴极出口处要求具有较强的磁场，磁力线超出阴极出口处后，即向放电室壁面方向延伸；3)栅极出口区域磁场要最弱，并使磁空区尽量大。

目前，离子推力器磁场设计多为单阳极筒的3磁极环尖磁场形式，图1是现有磁极布局及磁场分布示意图。该布局结构的主要不足在于不能很好的兼顾阴极和栅极附近的磁场分布，使之都达到较优的状态。并且，随着离子推力器体积的增加，上述不足会更加突出。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种放电效率高、束流密度分布均匀的磁极结构及磁场分布。本发明的磁场由沿放电室均布的3组柱形磁铁提供，通过4个导磁环导入放电室内，相比传统的3磁极结构，主要在锥段中部增加一路磁极，形成四级环尖磁场。通过调节四个磁极上的磁场强度，更易于实现上述所描述的好的磁场构型，而且多的一路磁极，也使磁场调节更加灵活，并且不受推力器体积增大的影响，在大体积下，同样可以实现较优的磁场分布。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场，包括4个导磁环、阳极筒、放电室壁面、柱形永磁铁、阴极和栅极；

放电室壁面包括锥段和柱段，阴极位于锥段开口处，栅极位于柱段开口处；

4个导磁环均部分伸入放电室内部，形成四个磁极，分别是上磁极、锥段磁极、中间磁极和下磁极；上磁极位于放电室锥段靠近阴极一端，锥段磁极位于放电室锥段中部，中间磁极位于放电室锥段和柱段的交界处，下磁极位于放电室柱段靠近栅极一端；相邻磁极极性相反；

柱形永磁铁分布在放电室壁面外侧，被4个导磁环分为3组，每组12根并沿放电室周向均布，并与导磁环紧密接触；

阳极筒分为第一锥段阳极筒、第二锥段阳极筒和柱段阳极筒，均位于放电室壁面内侧；第一锥段阳极筒位于上磁极和锥段磁极之间，第二锥段阳极筒位于锥段磁极和中间磁极之间，柱段阳极筒位于中间磁极和下磁极之间；

各导磁环伸入放电室内部的长度超出各阳极筒内表面，将由柱形永磁铁提供的磁场导入放电室内部，形成四级环尖磁场。

优选地，各阳极筒与放电室壁面通过陶瓷绝缘子隔离。

优选地，锥段磁极伸入放电室的方向与放电室轴线成45°角，与第一锥段阳极筒和第二锥段阳极筒壁面垂直。

优选地，设上磁极与锥段磁极间距为A₁，锥段磁极与中间磁极间距为A₂，A₁和A₂取值范围为70mm～80mm之间，中间磁极与下磁极间距B的取值范围为100mm～110mm之间；其中，A₁和A₂是指磁极伸入放电室最内端的直线距离；B是指中间磁极和下磁极沿放电室轴向的距离。

优选地，第一锥段阳极筒、第二锥段阳极筒和柱段阳极筒高度均取对应放电室壁面高度的80％。

优选地，上磁极为双环磁极，两个磁极的厚度均为2mm；锥段磁极的磁极厚度为2.5mm；中间磁的极磁极厚度为4mm；下磁极的磁极厚度为2mm。

有益效果：

(1)放电室内部磁力线和阳极壁面平行，原初电子在该磁场构型的约束下，加上磁镜作用的影响，将会在两磁极之间做往复螺旋运动。这样电子只有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，实现了放电等离子体的低气压化、高密度化和均匀化。

(2)在锥段增加一个磁极，形成四级环尖磁场，将锥段的磁极距离减小，有利于将磁场限制在阳极附近区域，使放电室内部，特别是栅极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，尤其对束流口径大于30cm的离子推力器效果更明显。

附图说明

图1为现有技术离子推力器磁极结构、磁场分布示意图。

图2为本发明的柱形磁铁四级环尖磁场示意图。

图3为四级环尖磁场磁场强度分布图。

其中，1-上磁极；2-锥段磁极；3-中间磁极；4-下磁极；5-第一锥段阳极筒；6-第二锥段阳极筒；7-柱段阳极筒；8-陶瓷绝缘子；9-放电室壁面；10-柱形永磁铁；11-阴极；12-栅极；A₁-上磁极与锥段磁极间距；A₂-锥段磁极与中间磁极间距；B-中间磁极与下磁极间距。

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。

本发明提供了一种柱形磁铁四级环尖磁场结构，如图2所示，包括4个导磁环、阳极筒、放电室壁面9、柱形永磁铁10、阴极11和栅极12。

放电室壁面9包括锥段和柱段，阴极11位于锥段开口处，栅极12位于柱段开口处。

4个导磁环均部分伸入放电室内部，形成四个磁极，分别是上磁极1、锥段磁极2、中间磁极3和下磁极4。上磁极1位于锥段靠近阴极11一端，锥段磁极2位于锥段中部，中间磁极3位于放电室锥段和柱段的交界处，下磁极4位于柱段靠近栅极12一端。

其中，上磁极1为双环磁极，两个磁极的厚度均为2mm；锥段磁极2磁极厚度为2.5mm；中间磁极3磁极厚度为4mm；下磁极4磁极厚度为2mm。上述尺寸的确定可以通过磁场仿真优化得到，仿真时使磁极内部磁场强度低于饱和磁场强度前提下，尽可能的薄。

柱形永磁铁10提供磁场，其分布在放电室壁面9外侧。多根柱形永磁铁10被4个导磁环分为长度不同的3组，每组12根并沿放电室周向均布，并通过螺接的方式与导磁环紧密接触，从而使得3组永磁铁通过4个导磁环连接在一起。

阳极筒分为第一锥段阳极筒5、第二锥段阳极筒6和柱段阳极筒7，均位于放电室壁面9内侧；第一锥段阳极筒5位于上磁极1、锥段磁极2之间，第二锥段阳极筒6位于锥段磁极2、中间磁极3之间，柱段阳极筒7位于中间磁极3和下磁极4之间。各阳极筒与放电室壁面9通过陶瓷绝缘子8隔离。

优选地，三部分阳极筒的高度均取对应放电室壁面9高度的80％。这是因为，阳极表面积越大，收集原初电子的能力越强，也就是说更大的阳极，可以匹配更强的磁场，在提高工质利用率的同时，放电损耗任能保持在较低的水平。因此，理论上阳极表面积越大越好，但在工程上受限于阳极热变形的影响，离子推力器中阳极是仅次于阴极的高温部件，温度接近500℃，太大的阳极在推力器工作时，容易造成与屏栅筒之间的短路，根据实验工程经验，阳极筒高度取屏栅筒高度的80％，是一个兼顾性能和工程实现性的较优的取值。

各导磁环伸入放电室内部的长度超出各阳极筒内表面，将由柱形永磁铁10提供的磁场导入放电室内部，形成4个环形磁极。

通过上述结构设计，磁场通过磁极导入放电室后，将在磁极之间形成磁力线回路，阴极提供的原初电子将被磁场束缚，沿磁力线运动并被束缚在阳极附近区域，同时磁极在阳极内表面区域形成的磁场具有表面磁场特性，也就是说在距离阳极内表面相同距离的界面上，磁场强度相同；该构型保证电子只有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；典型闭合磁势线强度Bcc＝50Gs。

同时，相邻的磁极极性相反，把磁场限制在较小的范围，整个放电室大部分区域为近无场区，原初电子被束缚在阳极壁面附近，大部分工质气体在该区域电离后，扩散至整个放电室，最终实现等离子均匀分布和提高束流均匀性的目的。

其中，锥段磁极2伸入放电室的方向与放电室轴线成45°，与第一锥段阳极筒5和第二锥段阳极筒6壁面垂直。该角度可以在最大程度上使两段锥段磁场均能形成较好的表面磁场特性。

设上磁极1与锥段磁极2间距为A₁，锥段磁极2与中间磁极3间距为A₂，中间磁极3与下磁极4间距为B。其中，A₁和A₂是指磁极伸入放电室最内端的直线距离；B是指中间磁极3和下磁极4沿放电室轴向的距离。磁极间距越小，在放电室内部所形成的磁场越靠近阳极壁面，并且阳极壁面磁场强度越强，但磁极间阳极表面积就会越小，这将导致原初电子被更强烈的限制在靠近阳极磁场最强的区域内，该状态对于离子推力器而言，有优势也有劣势。优势是电子的利用率大幅提高，高能电子只有通过碰撞工质原子，甚至是多次碰撞后，才会被阳极吸收，有利于工质利用率的提高；劣势是原初电子达到阳极需要的能量将增加，阳极电压增加，导致放电损耗的增加。因此磁极间距的确定需要在工质利用率和放电损耗之间找到一个折中点。目前，推力器工质气体从上磁极1端进入放电室，工质气体在放电室锥段的密度要大于柱段密度，因此，锥段磁极间距(A₁、A₂)的选择略倾向于高的工质利用率，而柱段磁极间距(B)的选择略倾向于低的放电损耗。最终通过实验来确定最优的磁极间距。总的来说，磁极间距的选择和放电室尺寸，进气位置存在较大的关系，对于现有30cm口径的离子推力器优化后的磁极间距为A₁和A₂控制在70mm～80mm之间，B控制在100mm～110mm之间。A₁和A₂不需要一定相等。

优选地，导磁环均选用电工纯铁DT4C制作。阳极筒均优选铝合金制作。柱形永磁铁均选用Sm₂Co₁₇材料制作。

放电室内的磁场分布优劣，由50Gs磁等势线的位置和形状进行判断，好的磁场分布要求放电室内部50Gs磁等势线与阳极壁面尽可能平行，距阳极内表面间距≤6mm，上述的磁等势线可以通过仿真和实测的方法获得，如图3所示。

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 (6)

1.一种柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场，其特征在于，包括4个导磁环(1,2,3,4)、阳极筒(5,6,7)、放电室壁面(9)、柱形永磁铁(10)、阴极(11)和栅极(12)；

放电室壁面(9)包括锥段和柱段，阴极(11)位于锥段开口处，栅极(12)位于柱段开口处；

4个导磁环(1,2,3,4)均部分伸入放电室内部，形成四个磁极，分别是上磁极(1)、锥段磁极(2)、中间磁极(3)和下磁极(4)；上磁极(1)位于放电室锥段靠近阴极(11)一端，锥段磁极(2)位于放电室锥段中部，中间磁极(3)位于放电室锥段和柱段的交界处，下磁极(4)位于放电室柱段靠近栅极(12)一端；相邻磁极极性相反；

柱形永磁铁(10)分布在放电室壁面(9)外侧，被4个导磁环(1,2,3,4)分为3组，每组12根并沿放电室周向均布，并与导磁环紧密接触；

阳极筒分为第一锥段阳极筒(5)、第二锥段阳极筒(6)和柱段阳极筒(7)，均位于放电室壁面(9)内侧；第一锥段阳极筒(5)位于上磁极(1)和锥段磁极(2)之间，第二锥段阳极筒(6)位于锥段磁极(2)和中间磁极(3)之间，柱段阳极筒(7)位于中间磁极(3)和下磁极(4)之间；

各导磁环(1,2,3,4)伸入放电室内部的长度超出各阳极筒(5,6,7)内表面，将由柱形永磁铁(10)提供的磁场导入放电室内部，形成四级环尖磁场。

2.如权利要求1所述的柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场，其特征在于，各阳极筒(5,6,7)与放电室壁面(9)通过陶瓷绝缘子(8)隔离。

3.如权利要求1所述的柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场，其特征在于，锥段磁极(2)伸入放电室的方向与放电室轴线成45°角，与第一锥段阳极筒(5)和第二锥段阳极筒(6)壁面垂直。

4.如权利要求1所述的柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场，其特征在于，设上磁极(1)与锥段磁极(2)间距为A₁，锥段磁极(2)与中间磁极(3)间距为A₂，A₁和A₂取值范围为70mm～80mm之间，中间磁极(3)与下磁极(4)间距B的取值范围为100mm～110mm之间；其中，A₁和A₂是指磁极伸入放电室最内端的直线距离；B是指中间磁极(3)和下磁极(4)沿放电室轴向的距离。

5.如权利要求1所述的柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场，其特征在于，第一锥段阳极筒(5)、第二锥段阳极筒(6)和柱段阳极筒(7)高度均取对应放电室壁面(9)高度的80％。

6.如权利要求1所述的柱形磁铁四级环尖离子推力器磁场，其特征在于，上磁极(1)为双环磁极，两个磁极的厚度均为2mm；锥段磁极(2)磁极厚度为2.5mm；中间磁极(3)磁极厚度为4mm；下磁极(4)磁极厚度为2mm。