CN109681399A - 一种小直径高效微波ecr中和器 - Google Patents

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于学文
朱康武
李云涛
黄天坤
王金海
孙俊
韩飞
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    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
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Abstract

本发明提供了一种小直径高效微波ECR中和器，由永磁体磁场和微波天线两个相互耦合的部分组成。永磁体磁场采用轴向磁场，由两圈轴向磁环产生，较大面积的电子回旋共振区明显增加微波的吸收利用，大幅度减少电离损失。微波天线采用轴向环形天线，与轴向磁场相匹配，通过天线将微波精准馈送至轴向磁环电子回旋共振区，可以有效减少微波在等离子体中传输的损失，增加微波与磁场的耦合作用，从而有效提高微波利用率，提高中和器效率。该中和器整体设计精巧，结构简单紧凑，启动时间快，工作寿命长，易于调节引出电流，可很好地用于小功率微波ECR离子推进系统的羽流中和。

Description

一种小直径高效微波ECR中和器
·技术领域
本发明涉及一种小直径高效微波ECR中和器，属于空间电推进技术领域。
·背景技术
微波ECR离子推进系统具有结构简单、工作可靠、成本低、比冲高等优点，在微小卫星、深空探测等领域是一种极具优势的微推力推进形式。微波ECR离子推力器喷射正离子羽流产生推力，需要匹配的中和器产生相应的电子束流对其进行完全中和。
传统用作中和器的热阴极采用六硼化镧或钡钨发射体，通过高温加热器将加热到足够高的温度(通常超过1500K)，使发射体发射电子。这种空心阴极启动时间长，工作温度高，技术难度大，工艺复杂，可靠性低，且对电源系统要求高，尤其不适用于小功率离子推力器。
本发明提供的微波ECR中和器技术利用轴向磁场与微波耦合作用，通过电子回旋共振(ECR)使工质气体电离产生所需电子，解决了传统径向磁场微波中和器电离效率较低的问题，可以明显减小电离损失。其结构简单、体积小、效率高，无发射体损耗，使用寿命长，且易于调节引出电流，可以有效解决微波ECR离子推力器羽流中和的问题，提高微小推力离子推进系统的效率。
·发明内容
本发明的目的是解决现有热阴极存在的问题，提供出了一种小型化高效微波ECR中和器，满足微小推力离子推进系统的使用要求。
本发明的技术方案为：一种小直径高效微波ECR中和器，放电室由永磁场和微波天线两个主要部分组成。永磁体在推力室内产生需要的磁场强度与分布，提供必需的微波电子回旋共振区。设计成特定形状与尺寸的天线将微波功率直接馈送至电子回旋共振区附近，提供高效的电离能量。
永磁体由两圈轴向永磁体组成，形成较大面积的轴向电子回旋共振区。天线采用与轴向磁场相匹配的轴向环形天线，将微波功率较精准地馈送至轴向电子回旋共振区。
·附图说明
图1是本发明的整体结构装配示意图。
图中1.孔用弹性挡圈，2.前腔体，3.密封垫片，4.后腔体，5.轴用弹性挡圈，6.安装绝缘法兰，7.定位销钉，8.微波接头安装螺钉，9.微波接头，10.微波天线，11.微波接头密封垫片，12.轴向内磁环，13.轴向磁环隔圈，14.轴向外磁环，15.电子引出板。
图2为轴向内/外磁环构造图。
图3为微波天线构造图。
图4为安装绝缘法兰构造图。
·具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在图1中，前腔体2、与后腔体4通过螺纹连接，压紧铜密封垫片3，构成放电室，作为中和器整体支撑结构，也为电离工质气体产生等离子体进而引出所需电子束流提供场所。
中和器通过安装绝缘法兰6与推进系统转接总装。后腔体4外圆设有沟槽安装轴用弹性挡圈5；其后部设有台阶，台阶上有定位销钉孔。安装绝缘法兰6套在后腔体上，通过台阶与轴用弹性挡圈5实现轴向定位，以定位销钉7进行周向定位。
微波接头9通过微波接头安装螺钉8安装在后腔体4后端面，铜质微波接头密封垫片11用于密封。微波天线10安装在微波接头9上，组成微波馈送组件，用于将外部微波源产生的微波输送到放电室内相应部位，为工质电离提供必需的能量。
后腔体4后端面焊接输送气管，输送气管通过卡套与推进工质贮供系统连接，为放电室提供气体工质(通常为氙气)。后腔体内圆设有环形槽，通入放电室的工质气体经环形槽缓冲后，均匀地弥散到电子回旋共振区。放电室通过密封垫片3和微波接头密封垫片11实现可靠的密封，确保工质气体被送至子回旋共振区被电离成为等离子体，而不是作为中性气体在其它部位直接泄露出去。
前腔体2内依次装入轴向内磁环12、轴向磁环隔圈13和轴向外磁环14，即永磁体组合，以及电子引出板15。永磁体组合用于提供工质放电所必需的永磁场，一端靠在前腔体2内圆台阶上，另一端由电子引出板15压住，再通过安装在前腔体2环形槽内的孔用弹性挡圈1卡位固定。
在图2中，轴向内磁环(12)的充磁方向为径向充磁，磁场方向为外S内N；轴向外磁环14的充磁方向为径向充磁，磁场方向为外N内S。在轴向内磁环12与轴向外磁环14之间的磁场形成一个轴向的电子回旋共振区。相比之下，同等规格的中和器，此种轴向磁场方案比径向磁场方案能提供更大的电子回旋共振区面积，可以对入射的微波进行充分吸收，明显提高微波利用率。
微波天线10为圆环状轴向天线，布置在轴向内磁环12与轴向外磁环14中间，其直径与轴向电子回旋共振区域重合。微波通过微波接头9馈送至放电室内，再通过轴向微波天线10直接馈送至轴向内磁环12与轴向外磁环14之间的电子回旋共振区，提供电子回旋共振的能量，在放电室中间电离工质气体，产生高密度的等离子体。
工作时，通过气管通入工质气体，通过微波接头与微波天线导入微波，初始电子在电场与磁场的耦合作用下回旋共振，通过无碰撞加热机制不断获得能量，进而撞击工质气体使其电离产生所需的大量电子，最终通过电子引出板1将电子引出。通过改变工质气体流量、微波输入功率与加在电子引出板1上的电压实现引出对电流的精确调节。

Claims (3)

1.一种小直径高效微波ECR中和器，其特征是：由永磁体磁场和微波天线两个相互耦合的部分组成；所述永磁体磁场采用轴向磁场，由两圈轴向磁环产生，较大面积的电子回旋共振区明显增加微波的吸收利用，大幅度减少电离损失；所述微波天线采用轴向环形天线，与轴向磁场相匹配，通过天线将微波精准馈送至轴向磁环电子回旋共振区。
2.如权利要求1所述的一种小直径高效微波ECR中和器，其特征是：永磁体组件由轴向内磁环、轴向外磁环两圈轴向永磁体组成，以轴向磁环隔圈隔开，用以提供适当强度与分布的永磁场，形成较大面积的轴向电子回旋共振区，从而显著增加微波的利用率。
3.如权利要求1所述的一种小直径高效微波ECR中和器，其特征是：放电室前腔体与后腔体直接通过螺纹连接，缩小了中和器直径。
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