CN103037609A - 射流等离子体电子能量调节器 - Google Patents

Abstract

射流等离子体电子能量调节器，涉及一种电子能量调节器。它是为了实现对等离子束中的电子能量进行调制/控制，进而满足飞行器地面模拟实验环境所需的电子能量的需求。它将绝缘圆筒的外壁按从左至右的方向分为三个相等的区段，即：第I区段、第II区段和第III区段；一号线圈缠绕在第I区段上，且一号线圈的缠绕层数为N层；二号线圈缠绕在第II区段上，且二号线圈的缠绕层数为一层；三号线圈缠绕在第III区段上，且三号线圈的缠绕层数为M层；一号线圈中通入电流的方向与三号线圈中通入电流的方向相反；N和M均为正整数。本发明适用于射流等离子体电子能量调节/控制。

Description

射流等离子体电子能量调节器

技术领域

本发明涉及一种电子能量调节器。

背景技术

近空间(又称临近空间)高动态再入飞行器是跨大气层飞行的高超声速武器/运载器，具有重要的应用价值，如何适应近空间高动态平台的应用是飞行器测控技术发展的重要课题。然而由于目前的技术手段还不完善，飞行器各项性能指标还有待确认，因此需要进行地面模拟来取得飞行器所需参数值。而地面模拟所需等离子体环境与电子束密度息息相关，因此调节/控制模拟环境中的电子密度是确保实验真实性与可行性的关键因素。

发明内容

本发明是为了实现对等离子束中的电子能量进行调制/控制，进而满足飞行器地在模拟实验环境所需的电子能量的需求，从而提供一种射流等离子体电子能量调节器。

射流等离子体电子能量调节器，它包括绝缘圆筒1和一号线圈2、二号线圈2和三号线圈3；将绝缘圆筒1的外壁按从左至右的方向分为三个相等的区段，即：第I区段、第II区段和第III区段；

一号线圈2缠绕在第I区段上，且一号线圈2的缠绕层数为N层；二号线圈2缠绕在第II区段上，且二号线圈2的缠绕层数为一层；三号线圈2缠绕在第III区段上，且三号线圈3的缠绕层数为M层；一号线圈2中通入电流的方向与三号线圈2中通入电流的方向相反；N和M均为正整数。

它还包括绝缘防漏磁环5，所述防漏磁环5与绝缘圆筒1同轴，且位于所述绝缘圆筒1的一端，所述防漏磁环5与绝缘圆筒1的内壁之间。

绝缘防漏磁环5由6个防漏磁片组成，每个防漏磁片是由一个圆弧形主体、一号圆弧形侧翼和二号圆弧形侧翼组成的一体件，所述一号圆弧形侧翼固定在圆弧形主体的左侧下部，二号圆弧形侧翼固定在圆弧形主体的右侧上部；6个防漏磁片呈圆形分布，相邻两个防漏磁片搭接为无逢结构。

它还包括圆形电介质移动板6和连接件7，所述绝缘圆筒1另一端的内壁开有滑道，连接件7的一端与该滑道滑动连接；所述连接件7的另一端固定在圆形电介质移动板6上；电介质移动板6的纵向截面为圆形，所述电介质移动板6位于绝缘圆筒1中且与绝缘圆筒1同轴。

本发明的利用磁约束原理，实现了对等离子束中的电子能量进行调制/控制，充分满足了飞行器地面模拟实验环境所需的电子能量的需求。

附图说明

图1是本发明的结构及磁场分布示意图；图2是当有等离子体进入绝缘圆筒后，I、III区外层线圈工作时结构磁场分布示意图；图3是第I区段和第III区段的外层线圈所通电流反相示意图；图4是具体实施方式三的结构示意图；图5是具体实施方式四的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，射流等离子体电子能量调节器，它包括绝缘圆筒1和一号线圈2、二号线圈2和三号线圈3；将绝缘圆筒1的外壁按从左至右的方向分为三个相等的区段，即：第I区段、第II区段和第III区段；

一号线圈2缠绕在第I区段上，且一号线圈2的缠绕层数为N层；二号线圈2缠绕在第II区段上，且二号线圈2的缠绕层数为一层；三号线圈2缠绕在第III区段上，且三号线圈3的缠绕层数为M层；一号线圈2中通入电流的方向与三号线圈2中通入电流的方向相反；N和M均为正整数。

工作原理：通常被加速的电子动量p与电场强度ε有以下关系：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{e\ϵ}$

其中：e为电子带电量。令Φ(R，t)表示电子回旋轨道所包含的磁通量，其值为轨道半径R与时间t的函数。将

代入到上式中可得：

$p=\frac{e}{2\mathrm{\πR}}\mathrm{\Φ}(R,t)+C$

由于所注入电子的初始动量和初始轨道内磁通量是相同的，因此式中的C＝0。当电子速度接近光速运动时，电子能量E和p间有如下关系：E＝cp，其中c为光速。利用该表达式可将上式改写为：

$E=\frac{\mathrm{ec}}{2\mathrm{\πR}}\mathrm{\Φ}(R,t)$

由此可见，只要能控制好Φ(R，t)，便可很好的控制被加速的电子能量。

本发明对“磁瓶”装置中的磁场进行控制，来达到对电子能量控制/调节的目的。首先将“磁瓶”装置划分三个区域(如图1所示)，其中第I区段和第III区段所加线圈匝数增加，且其线圈所通电流反向，如图3所示。当有一束等离子体射入“磁瓶”时，第I区段与第III区段外层线圈通电产生磁场。由于第I区段与第III区段所通电流反向，因此在第I区段(III区)处磁力线密集时，第III区段(I区)处的磁力线舒张。当带有一定能量的等离子体进入第I区段时，由于电子质量轻，速度大，因此首先被加速并获得能量进入第II区段。由于通过第I区段时，等离子体中电子能量被增加，而离子由于质量大因此加速缓慢，所得能量较小，从而使等离子体中电子与离子分离。由于第II区段为一平稳磁场区，因此电子在该区域并不加速，等离子体中电子与离子在该区域重新混合并进入III区。由于第III区段所通电流与第I区段反向，因此此时第III区段处的“瓶颈”趋于平缓，使等离子体中的电子再次被缓慢加速。同时由于“瓶颈”的扩张，使得进入该区的带电粒子达到一定能量时即可射出装置，而能量较小达不到要求的电子即被磁镜效应反射回来，如图2所示。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的射流等离子体电子能量调节器的区别在于，它还包括绝缘防漏磁环5，所述防漏磁环5与绝缘圆筒1同轴，且位于所述绝缘圆筒1的一端，所述防漏磁环5与绝缘圆筒1的内壁之间。

具体实施方式三、结合图4说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式二所述的射流等离子体电子能量调节器的区别在于，绝缘防漏磁环5由6个防漏磁片组成，每个防漏磁片是由一个圆弧形主体、一号圆弧形侧翼和二号圆弧形侧翼组成的一体件，所述一号圆弧形侧翼固定在圆弧形主体的左侧下部，二号圆弧形侧翼固定在圆弧形主体的右侧上部；6个防漏磁片呈圆形分布，相邻两个防漏磁片搭接为无逢结构。

本实施方式中在圆周方向上不存在缝隙部分，从而使本发明的漏磁大大减小，从而减小能量的损耗。

具体实施方式四、结合图5说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式三所述的射流等离子体电子能量调节器的区别在于，它还包括圆形电介质移动板6和连接件7，所述绝缘圆筒1另一端的内壁开有滑道，连接件7的一端与该滑道滑动连接；所述连接件7的另一端固定在圆形电介质移动板6上；电介质移动板6的纵向截面为圆形，所述电介质移动板6位于绝缘圆筒1中且与绝缘圆筒1同轴。

本实施方式装置的另一端由电介质构成，呈圆环状。并且本实施方式还可以在其同侧嵌入由具有滑动性的树脂构成的滑动部件，在滑动部件中设置有与芯块移动轴螺合的螺纹孔和插入芯块移动的通孔，从而可根据所需控制的电子能量大小进行距离上的调节。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的射流等离子体电子能量调节器的区别在于，绝缘圆筒1的外径为15mm，内径为10mm；长度为35mm。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的射流等离子体电子能量调节器的区别在于，N的取值为3、4或5；M＝N-1。

本实施方式是在实验中，选用具体的数值，并应用在霍尔推力器中，获得了难以预料的电子能量效果。

Claims (6)

1.射流等离子体电子能量调节器，其特征是：它包括绝缘圆筒(1)和一号线圈(2)、二号线圈(2)和三号线圈(3)；将绝缘圆筒(1)的外壁按从左至右的方向分为三个相等的区段，即：第I区段、第II区段和第III区段；

一号线圈(2)缠绕在第I区段上，且一号线圈(2)的缠绕层数为N层；二号线圈(2)缠绕在第II区段上，且二号线圈(2)的缠绕层数为一层；三号线圈(2)缠绕在第III区段上，且三号线圈(3)的缠绕层数为M层；一号线圈(2)中通入电流的方向与三号线圈(2)中通入电流的方向相反；N和M均为正整数。

2.根据权利要求1所述的射流等离子体电子能量调节器，其特征在于它还包括绝缘防漏磁环(5)，所述防漏磁环(5)与绝缘圆筒(1)同轴，且位于所述绝缘圆筒(1)的一端，所述防漏磁环(5)与绝缘圆筒(1)的内壁之间。

3.根据权利要求2所述的射流等离子体电子能量调节器，其特征在于绝缘防漏磁环(5)由6个防漏磁片组成，每个防漏磁片是由一个圆弧形主体、一号圆弧形侧翼和二号圆弧形侧翼组成的一体件，所述一号圆弧形侧翼固定在圆弧形主体的左侧下部，二号圆弧形侧翼固定在圆弧形主体的右侧上部；6个防漏磁片呈圆形分布，相邻两个防漏磁片搭接为无逢结构。

4.根据权利要求3所述的射流等离子体电子能量调节器，其特征在于它还包括圆形电介质移动板(6)和连接件(7)，所述绝缘圆筒(1)另一端的内壁开有滑道，连接件(7)的一端与该滑道滑动连接；所述连接件(7)的另一端固定在圆形电介质移动板(6)上；电介质移动板(6)的纵向截面为圆形，所述电介质移动板(6)位于绝缘圆筒(1)中且与绝缘圆筒(1)同轴。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的射流等离子体电子能量调节器，其特征在于绝缘圆筒(1)的外径为15mm，内径为10mm；长度为35mm。

6.根据权利要求5所述的射流等离子体电子能量调节器，其特征在于N的取值为3、4或5；M＝N-1。

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