CN111306024B - 一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，包括放电室、侧壁会切磁场单元、微波输入单元和气体供给单元，放电室包括放电腔体、底壁和栅极加速单元，底壁上布置气体供给单元及微波输入单元，侧壁会切磁场单元至少包括两个侧壁磁铁环，所有侧壁磁铁环均与放电腔体同轴布置，所有侧壁磁铁环采用同极相对方式布置在放电腔体的内壁面上，多个侧壁磁铁环布满放电腔体的内壁面，侧壁会切磁场单元在放电室内形成电子回旋共振面，微波输入单元伸入放电室的底壁中央为镂空锥笼型天线输入微波，镂空锥笼型天线位于电子回旋共振面上游的强磁场区，气体供给单元向放电腔体内通入工质气体。本发明可以维持更低的等离子体密度和更低的推力下限。

Description

一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置

技术领域

本发明属于等离子体微推进领域，尤其是涉及一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置。

背景技术

随着近年来天基引力波探测任务的需求，卫星编队的卫星间距精度要求达到10-21，其无拖曳控制对推进装置提出了低推力下限(1μN)，宽推力调节范围(50-100倍)，高精度、高稳定度和高分辨率(0.1μN)的推力要求，进而要求推进装置小型化。

电子回旋共振离子推力器(ECRIT)是利用微波频率与电子绕磁力线回旋频率共振，进而加热电子产生工质电离，再利用栅极电场高速喷出的离子束流产生反作用力的推力器。其具备电离率高、比冲高、结构简单等特点。日本的隼鸟号和隼鸟2号探测器均采用该类型推力器作为其深空探测任务的主推进装置。同时，离子推力器的栅极电流与推力之间具有直接的数值关系，这为推力测量和无拖曳反馈控制提供了极大的便利。更重要的是ECR共振加热的方式，决定其可工作气压范围宽，具备低推力和推力宽范围调节的基本条件。

目前微小型ECRIT以日本μ-1推力器为其发展的最高水平。μ-1微小型ECR离子推力器采用了底壁会切磁场构型，推力器典型直径20mm，典型推力值300μN。针对上述天基引力波探测对推力器提出的低推力宽范围需求，目前的ECRIT这种结构存在以下两个方面的问题：(1)受到磁场条件制约，电离室通道底壁会切磁环直径不能太小，导致推力器直径20mm居高不下，推力与推力器通道截面成正相关，导致该型推力器所能达到的推力下限远不能满足其推力下限的需求；(2)该磁场构型策略，仅能在推力器通道底壁形成磁镜效应，而侧壁基本不受限制，导致整个放电室内侧壁面电离损失剧烈，不能在等离子体极端稀薄状态维持工作，进一步限制推力下限。此外还有其他两个方面有待提升的不足之处：(1)底壁双磁环只能构建两个磁镜区，从而导致电子在磁镜区之间的运动路径单一，电子运动距离受限，电离充分性和推力器效率提升受限；(2)共振面只能在磁环外侧电离室内部设计一层，设计构型单一，可调节裕度小。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，改变原有的底壁磁铁布置方法，去掉底壁外层磁环(也可以进一步将内外磁环都去掉)，减小底壁磁环尺寸对推力器内直径不能减小的制约；同时侧壁采用若干个磁环对接而成，侧壁磁采用同极相对的布置方式，在磁环之间形成侧壁多级会切磁场的磁尖端，构成电离室内部磁镜场。侧壁会切磁场约束等离子体在壁面的损失，可以维持更低的等离子体密度和更低的推力下限。同时，磁环级数可以调整，共振面设计维度增大，电子路经从原来的径向改为轴向，运动距离增加，推力器效率和电离度均可提升。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，包括放电室、侧壁会切磁场单元、微波输入单元和气体供给单元，所述放电室包括放电腔体、固接在放电腔体前端的底壁和固接在放电腔体后端的栅极加速单元，所述的放电腔体为筒体结构，所述的底壁上布置气体供给单元及微波输入单元，所述的侧壁会切磁场单元至少包括两个侧壁磁铁环，所有侧壁磁铁环均与放电腔体同轴布置，所有侧壁磁铁环采用同极相对方式布置在放电腔体的内壁面上，多个侧壁磁铁环布满放电腔体的内壁面，侧壁会切磁场单元在放电室内形成强磁场区与弱磁场区，且强磁场区和弱磁场区之间形成电子回旋共振面，微波输入单元伸入放电室的底壁中央为设置在放电腔体内的镂空锥笼型天线输入微波，所述的镂空锥笼型天线位于电子回旋共振面上游的强磁场区，气体供给单元向放电腔体内通入工质气体。

进一步的，靠近放电室的底壁的侧壁磁铁环的高度大于其余侧壁磁铁环的高度。

进一步的，所述侧壁会切磁场单元包括三个侧壁磁铁环，且充磁方向均为轴向，按照极性方向为NS-SN-NS或SN-NS-SN排布方式安装。

进一步的，所述栅极加速单元包括屏栅和加速栅，所述屏栅设置在放电腔体和加速栅之间，所述屏栅为正电位，加速栅为负电位，所述栅极加速单元还包括同轴设置在屏栅和加速栅之间的环形陶瓷垫片。

进一步的，屏栅上开设的若干第一引出孔的半径大于加速栅上开设的若干第二引出孔的半径。

进一步，在底壁的中部设有底壁磁铁环，所述底壁磁铁环套设在微波输入单元的伸入放电室的底壁的部分。

进一步的，所述气体供给单元包括外部气管和均化腔，所述均化腔开设在底壁的中部，所述的均化腔通过开设在底壁上的气道与外部气管连通，在底壁上均匀开设多个连通均化腔与放电腔体的小孔。

进一步的，所述放电腔体的材质为不锈钢或铝合金。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，微波输入单元输入微波经镂空锥笼形微波天线进入放电室，此时侧壁会切磁场产生均匀波浪形的磁力线，其中达到某强度的磁力线与特定频率的微波配合，形成特定分布的微波电磁场，向其中聩入稀有气体，残留的种子电子在永磁体产生的磁场中以一定频率进行回旋运动，发生共振现象，当微波频率和电子回旋频率相等时，电子能够大程度吸收微波能量生成高能电子，电离气体形成高密度等离子体，屏栅-加速栅组合共同作用将离子引出，阻止电子通过束流路径被加速出去。

本发明所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，具有以下优势：

1、微波离子推力器的性能指标与其磁镜效应对电子的约束能力有着重要的关系，采用侧壁会切型磁场是对其约束能力的最大化，放电区内形成波浪形均匀磁力线构型，将电子束缚在每个磁力线波峰处，当磁镜中心的电子向两侧运动时，被磁镜力约束反射回中心，运动区域就被限制住，实现能量传递。侧壁会切磁场的优势在于，首先，多级磁环产生的磁尖端形成了更强的磁镜效应，可以更好地将电子约束在放电室内部而使电子不容易与金属壁面碰撞造成损失；其次，磁力线沿着放电室轴向发展，包裹了整个放电室的内壁面，在被磁场约束的电子在磁力线的引导下，电子的运动路径更长，进而更有效地延长电子的滞留时间；最后，侧壁磁环形成的共振面更大，使得电子更大概率获得能量，对能量吸收效率更高。在这些因素的共同影响下则大幅度提高了磁场对电子的约束能力，减小电子与壁面碰撞，进一步减小损失。

2、本专利的微波输入采用一根镂空锥笼型天线伸入放电区，直接暴露在共振腔中，该镂空锥笼型天线的锥底部环形与放电区中部磁力线平行，围绕该天线，微波与电磁场相互配合对电子进行加速，更加节省空间，相同体积下实际放电区域更大，沿着天线向放电区出口处进行多次加速过程，气体反复电离，被限制的电子越来越多，电离效率更高，对工质流量微小变化更敏感，推力响应更快，能够实现在低气压微流量工况下的推力调节功能。同时，锥笼型天线布置于共振磁场强度的上游，即镂空锥笼型天线位于电子回旋共振面上游的强磁场区，其所处空间磁场强度更强进而对天线的保护作用更好，可有效减小带电粒子与天线壁面的碰撞损失，工质利用率更高。

3、本专利采取侧壁会切磁场的设计方式，放电区底部截面无需考虑永磁体摆放，截面面积倍数缩小，调整放电腔长度，整个放电腔体积倍数缩小，而其电子回旋共振面更大，电子获能更充分，与气体碰撞更充分，放电尺度明显增加，有效提高工质利用率。

4、本专利采用的栅极组合包括一块屏栅及一块负责抽取离子束流的加速栅，屏栅-加速栅的共同作用将离子引出，阻止电子通过束流路径被加速出去。放电腔体直径较小，栅极孔位更加集中，引出束流更加集中，收集离子更容易。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置的结构示意图；

图2为本发明中镂空锥笼型天线的结构示意图。

附图标记说明：

1-镂空锥笼型天线，2-电子回旋共振面，3-栅极加速单元，4-侧壁磁铁环，5-底壁，6-底壁磁铁环，7-微波输入单元，8-外部气管，9-放电腔体，10-均化腔，11-气道，12-小孔。

具体实施方式

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。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图2所示，一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，包括放电室、侧壁会切磁场单元、微波输入单元7和气体供给单元，所述放电室包括放电腔体9、固接在放电腔体前端的底壁5和固接在放电腔体后端的栅极加速单元3，所述的放电腔体9为筒体结构，所述的底壁5上布置气体供给单元及微波输入单元7，所述的侧壁会切磁场单元至少包括两个侧壁磁铁环4，所有侧壁磁铁环4均与放电腔体9同轴布置，所有侧壁磁铁环4采用同极相对方式布置在放电腔体9的内壁面上，多个侧壁磁铁环4布满放电腔体9的内壁面，侧壁会切磁场单元在放电室内形成强磁场区与弱磁场区，且强磁场区和弱磁场区之间形成电子回旋共振面2，微波输入单元7伸入放电室的底壁5中央为设置在放电腔体9内的镂空锥笼型天线1输入微波，所述的镂空锥笼型天线1位于电子回旋共振面2上游的强磁场区，气体供给单元向放电腔体9内通入工质气体。

靠近放电室的底壁5的侧壁磁铁环的高度大于其余侧壁磁铁环的高度。所述侧壁会切磁场单元包括三个侧壁磁铁环4，形成三级磁环，且充磁方向均为轴向，按照极性方向为NS-SN-NS或SN-NS-SN排布方式安装。

所述栅极加速单元3包括屏栅和加速栅，所述屏栅设置在放电腔体9和加速栅之间，所述屏栅为正电位，加速栅为负电位，所述栅极加速单元3还包括同轴设置在屏栅和加速栅之间的环形陶瓷垫片。环形陶瓷垫片使为了绝缘。

屏栅上开设的若干第一引出孔的半径大于加速栅上开设的若干第二引出孔的半径。

在底壁5的中部设有底壁磁铁环6，所述底壁磁铁环6套设在微波输入单元7的伸入放电室的底壁5的部分。

气体供给单元包括外部气管8和均化腔10，所述均化腔10开设在底壁5的中部，所述的均化腔10通过开设在底壁5上的气道11与外部气管8连通，在底壁5上均匀开设多个连通均化腔10与放电腔体9的小孔12，通过外部气管8将气体输入均化腔10后用八个小孔12将气体均匀输入放电腔体9的放电区。

放电腔体9的材质为不锈钢或铝合金，其上部开口对接于栅极加速单元开孔处，便于离子束流引出，放电腔体9的直径为16mm，高度不超过30mm。

本发明通过由不同高度的侧壁磁环4和无磁不锈钢放电腔体9构成的电离室，侧壁磁环4和底壁磁铁环6产生恒定不变的磁场。通过微波输入单元7馈入一定频率的微波，微波频率在2-5GHz之间均可选，在这里选择2.45GHz为例，微波输入单元7伸入放电室中央输入微波，镂空锥笼型天线1放入放电区，与输入微波频率达到共同作用时的磁感应强度稳定地围绕在天线周围呈规律性的圆环形区域；2.45GHz微波与静磁场875G强度面共同作用形成电子回旋共振，此时聩入稀有气体，微波频率和电子回旋频率相等，加热电子吸收能量，屏栅-加速栅单元3共同作用将离子引出，阻止电子通过束流路径被加速出去。

工作原理：

微波输入单元7通过一根镂空锥笼型天线1将微波功率传入放电区，围绕在放电区筒壁的三块大小不一同级相邻的侧壁磁铁环4(三块侧壁磁铁环4按照极性方向为NS-SN-NS或SN-NS-SN排布方式排布)在放电区内产生波形均匀磁力线分布，充入的处于运动的种子电子受到洛伦兹力，形成电子回旋，侧壁会切磁场形成的磁镜效应，将电子束缚在放电区，在磁力线的波峰和波谷之间进行反复交替加速。微波天线与处于放电区中部的磁力线平行，围绕整根没入放电区的天线形成共振面，将电子加速成高能电子，共振面大小的倍数增长对电子获能有极大的改善。气体供给单元向放电区充入微小流量的工质气体，电子将能量传递给气体，电子碰撞中性气体，发生电离产生大量离子和电子，从放电区底端一直到顶端区域内反复加速电子与电离气体，重复利用小体积放电区，电子与气体充分碰撞，提高工质利用率。最后通过屏栅-加速栅单元的共同作用，将离子从栅极孔引出，电子留在放电区继续进行工作，小直径的栅极***引出的离子束流更集中。

本发明解决了单一磁场位型无法实现的更低推力下限问题，微流量低气压的工况下推力响应不敏感问题，以及小体积放电区内粒子损失问题。利用侧壁会切磁场对等离子体的束缚作用，将电子约束在放电腔内，随着磁力线反复工作，同时对放电腔的形状优化，放电腔体积倍数减小，两者同时作用下，放电区域更大，电子获能区域更大，电离效率更高，更加有效地利用工质，壁面损失更少，推力器放电更稳定，可以满足更高的推力器性能要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，其特征在于：包括放电室、侧壁会切磁场单元、微波输入单元(7)和气体供给单元，所述放电室包括放电腔体(9)、固接在放电腔体前端的底壁(5)和固接在放电腔体后端的栅极加速单元(3)，所述的放电腔体(9)为筒体结构，所述的底壁(5)上布置气体供给单元及微波输入单元(7)，所述的侧壁会切磁场单元至少包括两个侧壁磁铁环(4)，所有侧壁磁铁环(4)均与放电腔体(9)同轴布置，所有侧壁磁铁环(4)采用同极相对方式布置在放电腔体(9)的内壁面上，多个侧壁磁铁环(4)布满放电腔体(9)的内壁面，侧壁会切磁场单元在放电室内形成强磁场区与弱磁场区，且强磁场区和弱磁场区之间形成电子回旋共振面(2)，微波输入单元(7)伸入放电室的底壁(5)中央为设置在放电腔体(9)内的镂空锥笼型天线(1)输入微波，所述的镂空锥笼型天线(1)位于电子回旋共振面(2)上游的强磁场区，气体供给单元向放电腔体(9)内通入工质气体。

2.根据权利要求1所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，其特征在于：靠近放电室的底壁(5)的侧壁磁铁环的高度大于其余侧壁磁铁环的高度。

3.根据权利要求2所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，其特征在于：所述侧壁会切磁场单元包括三个侧壁磁铁环(4)，且充磁方向均为轴向，按照极性方向为NS-SN-NS或SN-NS-SN排布方式安装。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，其特征在于：所述栅极加速单元(3)包括屏栅和加速栅，所述屏栅设置在放电腔体(9)和加速栅之间，所述屏栅为正电位，加速栅为负电位，所述栅极加速单元(3)还包括同轴设置在屏栅和加速栅之间的环形陶瓷垫片。

5.根据权利要求4所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，其特征在于：屏栅上开设的若干第一引出孔的半径大于加速栅上开设的若干第二引出孔的半径。

6.根据权利要求1所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，其特征在于：在底壁(5)的中部设有底壁磁铁环(6)，所述底壁磁铁环(6)套设在微波输入单元(7)的伸入放电室的底壁(5)的部分。

7.根据权利要求6所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，其特征在于：所述气体供给单元包括外部气管(8)和均化腔(10)，所述均化腔(10)开设在底壁(5)的中部，所述的均化腔(10)通过开设在底壁(5)上的气道(11)与外部气管(8)连通，在底壁(5)上均匀开设多个连通均化腔(10)与放电腔体(9)的小孔(12)。

8.根据权利要求1、2、3、6或7所述的一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，其特征在于：所述放电腔体(9)的材质为不锈钢或铝合金。

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