CN110500250B - 一种螺旋波电磁加速等离子体源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋波电磁加速等离子体源，整体成圆柱形，沿径向方向由外向内依次主要包括外磁屏、外磁线圈组、内磁屏、天线、环形陶瓷放电腔和内磁线圈组。本发明一方面使用螺旋波源作为等离子体发生装置，具有电离率高、无电极设计、可控性强等特点，是性能优良的新型等离子体源；另一方面使用霍尔电磁加速机理，在螺旋波源产生的高密度等离子体的基础上，将等离子体进行二阶加速，提高离子的喷出速度，提高推力器的比冲。

Description

一种螺旋波电磁加速等离子体源

技术领域

本发明属于等离子体源技术领域，特别涉及一种放电腔内外壁面磁场位形可调、使用螺旋波等离子体源作为电离源、使用霍尔电磁加速效应作为离子加速阶段的螺旋波电磁加速等离子体源。

背景技术

螺旋波等离子体源是一种不通过电极接触就能够将射频波能量通过天线系统高效转化成高密度等离子体的装置。它具有推进剂多样(富氧气体或空气)、无电极(寿命长)、电离率高(中心区接近100％)、密度高(1017-1020m-3)、磁场约束低(<0.1T)、可控性高(多模式工作)等显著优点，非常适合用于空间推进领域作为直接推进器或者作为离子源结合其他离子加速装置成为二阶加速的螺旋波推力器，同时可以进行大功率和小功率双向优化设计，以匹配空间推进领域不同的任务需求。

螺旋波推力器是一种利用螺旋波源来产生和加速高密度等离子体，从而产生推进力的装置。目前，螺旋波推力器主要分为两大类：一阶加速推力器和二阶加速推力器。在一阶加速推力器中，离子的产生和加速过程都是在放电腔内完成的，例如，螺旋波双层推力器(Helicon Double Layer Thruster)是直接利用螺旋波源放电腔内产生无电流双层结构来加速离子，从而获得推进力。该推力器的主要优势是无电极设计，不产生腐蚀，所以大大提高了推力器的寿命。但是，研究结果表明该推力器的推力较低(几mN)、效率较低(<3％)、离子束较为发散(束散半角约80°)，并不适合直接作为推力器应用。由于螺旋波源产生离子的效率较高，导致螺旋波双层推力器推力效率低下的原因很大可能是对离子的加速作用不足。

为了对一阶螺旋波源中的高密度离子进行进一步加速，获得更高的推力和推力效率，发展出了二阶加速螺旋波推力器，即，利用拉瓦尔喷管、磁喷管、离子回旋共振、静电栅极加速、电磁加速等技术对螺旋波源产生的高密度离子进行进一步的加速，例如，可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)综合利用了离子回旋共振和磁喷管效应对离子的加速作用，大大提高了推力器的推力(～N级)、比冲(>5000s)和推力效率(>50％)，为螺旋波源推力器的推广应用打通了道路。

北京理工大学的张尊等人提出了一种多模式螺旋波离子推力器，涉及一种附加磁场位型可调、具有阴极中和器、阳极、三栅极静电加速系统的螺旋波离子推力器，属于一种二阶静电加速螺旋波推力器。该螺旋波离子推力器是利用的静电栅极加速方式对离子进行加速，其加速效率较低，所需加速区域较大，多层栅网对准难度大、间距小，容易造成栅极间的短路，容易造成栅极的腐蚀，从而制约推力器寿命。

发明内容

为了提高推力器推进剂的电离率、提高等离子体浓度、提高等离子体的喷出速度、提高推力器可控性、提高推力器推进剂多样性、提高推力器比冲和推力，进而提高推力器的性能和寿命，本发明提供了一种螺旋波电磁加速等离子体源，主要包括射频功率源、天线、内/外磁线圈组、陶瓷放电腔、阳极、阴极中和器。其中，天线、内/外磁线圈组和环形陶瓷放电腔构成螺旋波放电装置，其将推进剂气体电离，形成高电离率、高密度的螺旋波等离子体；内/外磁线圈组、阳极、阴极中和器、环形陶瓷放电腔构成霍尔电磁加速结构，对前期产生的高密度螺旋波等离子体进行二阶加速，提高推力器的比冲和推力。因此，本发明的螺旋波电磁加速等离子体源是利用电磁霍尔效应对一阶螺旋波源电离出来的离子进行二阶加速，其加速效率高、加速区域集中、集成推力器体积较小、不存在栅极腐蚀问题、寿命较长、腔内外壁面磁场可调，是一种高效率的二阶螺旋波推力器。

根据本发明的一方面，提供了一种螺旋波电磁加速等离子体源，整体成圆柱形，沿径向方向由外向内依次包括外磁屏、外磁线圈组、内磁屏、天线、环形陶瓷放电腔和内磁线圈组，

所述外磁屏为具有底部的圆筒结构，其开口端具有向内延伸的肩部，底部具有外环形供气口；

所述环形陶瓷放电腔包括向外延伸的边缘肩部、环形凹腔部分和中心凸起部分，所述边缘肩部与所述外磁屏的肩部配合安装，所述环形凹腔部分包括小径环形段、大径环形段以及连接两者的环形扩张段，所述小径环形段具有底部且所述底部设置有与所述外环形供气口相对应的内环形供气口，所述大径环形段的一端连接所述环形扩张段，另一端用作等离子体的出口；

所述外磁线圈组以所述大径环形段的外周面为基准，布置于所述环形陶瓷放电腔的环形凹腔部分外周，用以调节所述环形陶瓷放电腔的外壁面的磁场结构；

所述天线缠绕于所述小径环形段的外周面，射频功率源将射频功率通过所述天线馈入所述环形陶瓷放电腔内，引起推进剂放电以产生等离子体；

所述内磁屏布置于所述天线的外周，所述内磁屏的外径等于所述大径环形段的外径，所述内磁屏与所述天线的轴向长度一致；

所述内磁线圈组布置于所述环形陶瓷放电腔的中心凸起部分内，用以调节所述环形陶瓷放电腔内壁面的磁场结构；

其中，阳极通过所述外环形供气口和所述内环形供气口内嵌于所述小内径环形段的底部同时用作推进剂的供给管路；采用阴极中和器作为阴极，和所述阳极一起形成加速等离子体的静电场，同时所述阴极中和器发射热电子，中和通过静电场加速出来的离子，使喷出的等离子体整体为电中性。

在一些实施例中，所述中心凸起部分内可以设置有位于所述内线圈组的内周的T型支撑磁结构以及位于所述内线圈组的外周的圆筒支撑磁结构，所述T型支撑磁结构的头部与所述中心凸起部分配合，所述圆筒支撑磁结构和所述内磁屏、所述天线的轴向长度一致。

在一些实施例中，所述外磁线圈组和所述内磁线圈组可以各包括多个并联磁线圈且各磁线圈具有单独的开关。

在一些实施例中，所述多个并联磁线圈可以包括2～10个并联磁线圈。

在一些实施例中，所述环形扩张段的斜面与所述环形陶瓷放电腔的中心轴线可以成10-30°。

在一些实施例中，所述推进剂可以包括水蒸气、富氧气体、惰性气体、混合气体等中性气体。

在一些实施例中，所述天线内部可以通有冷却水。

在一些实施例中，所述阴极中和器可以包括内部具有加热丝的空心阴极发射体。

在一些实施例中，所述外磁屏、所述内磁屏、所述T型支撑磁结构以及所述圆筒支撑磁结构可以由软铁磁芯制成。

本发明的有益效果：

1)本发明的螺旋波电磁加速等离子体源使用霍尔电磁加速机理，在螺旋波源产生的高密度等离子体的基础上，将等离子体进行二阶加速，提高离子的喷出速度，从而提高了推力器的比冲。

2)本发明的螺旋波电磁加速等离子体源使用多个并列且单独可控的内/外磁线圈组进行附加磁场的控制，可以控制螺旋波等离子源的离子产生速率，也可以控制霍尔电磁加速的效率，从而实现推力器的推力可控性。此外，通过改变射频源的输入功率、推进剂的流量，也可以调节推力器的推力大小，实现推力器的推力可控。

3)本发明的螺旋波电磁加速等离子体源的环形陶瓷放电腔采用不同的内径设计，在螺旋波电离阶段采用小直径，霍尔电磁加速阶段采用大直径，两段过渡阶段采用扩张喷管结构，可以对第一阶段电离出来的等离子体进行气动加速，提高推力器的比冲。

4)本发明的螺旋波电磁加速等离子体源使用螺旋波源作为等离子体发生装置，螺旋波放电装置不需要放电电极，从而消除了电极腐蚀，延长了推力器的寿命。

5)本发明因为主放电是无电极结构，可以使用水蒸气、富氧气体、混合气体等多组分气体进行放电，大大提高了推力器推进剂的多样性。

附图说明

图1为本发明的一实施例的螺旋波电磁加速等离子体源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本发明的螺旋波电磁加速等离子体源整体成圆柱形，沿径向方向由外向内依次包括外磁屏1、外磁线圈组2、内磁屏3、天线4、环形陶瓷放电腔5和内磁线圈组6。

外磁屏1为具有底部的圆筒结构，其开口端具有向内延伸的肩部，底部具有外环形供气口。在一些实施例中，外磁屏1可以由一定厚度的软铁磁芯制成，不仅可以屏蔽射频天线的散失功率，还可以用作环形陶瓷放电腔5的外部支撑结构。

环形陶瓷放电腔5的横截面为“W”结构，包括向外延伸的边缘肩部、环形凹腔部分和中心凸起部分，边缘肩部与外磁屏的肩部配合安装，环形凹腔部分包括小径环形段、大径环形段以及连接两者的环形扩张段。小径环形段具有底部且底部设置有与外磁屏1的底部的外环形供气口相对应的内环形供气口，金属阳极通过外环形供气口和内环形供气口内嵌于小内径环形段的底部同时用作推进剂的供给管路。大径环形段的一端连接环形扩张段，另一端为开口，用作等离子体的出口。在一些实施例中，环形扩张段的斜面与环形陶瓷放电腔5的中心轴线可以成10-30°，优选地为30°。

外磁线圈组2以大径环形段的外周面为基准，布置于环形凹腔部分的外周，用以调节环形陶瓷放电腔5的外壁面的磁场结构。在本实施例中，外磁线圈组2包括8个并联的磁线圈M1～M8，每个磁线圈都配置单独的开关S1～S8，可以单独开启或者关闭，能够变化出不同的磁场位形，为后续推力器性能与磁场位形的关系做准备。

内磁屏3布置于天线4的外周，所述内磁屏的外径等于所述大径环形段的外径并且与所述天线的轴向长度一致。天线4缠绕于小径环形段的外周面，射频功率源15将射频功率通过天线4馈入环形陶瓷放电腔5内，引起推进剂放电以产生等离子体。在一些实施例中，天线4可以包括1～6圈天线。应该理解，天线4可以是单圈或者多圈，主要是受功率和空间限制。

特别地，由于射频波与等离子体的能量耦合是通过天线传输的，天线4上会产生一定的热量损失，导致天线4的温度升高、传输射频功率的能力下降，所以使用冷却水16对天线4进行降温，以降低天线4的工作温度和降低射频功率的能量损耗。

内磁屏3在此起到了Faraday屏蔽的作用，以将天线向外辐射的射频波反射回去，从而降低射频功率源15的功率损失，同时可以让外磁线圈组2的磁场渗透到环形陶瓷放电腔5的内部。在一些实施例中，内磁屏3可以由一定厚度的软铁磁芯制成。软铁磁芯一方面因为其导磁性能佳，能使磁场结构的变化能够深入到放电腔内部，即可以增强附加磁场的强度和穿透力，增强附加磁场的作用，从而和等离子体的带电粒子产生作用。另一方面软铁磁芯是良导体，起到Faraday屏蔽的作用，能够有效屏蔽天线4处射频功率的散失。

内磁线圈组6布置于环形陶瓷放电腔5的中心凸起部分内，用以调节环形陶瓷放电腔5的内壁面的磁场结构。特别地，电磁加速等离子体源内外壁面的磁场强度和方向不太一样，本发明通过内/外磁线圈组来分开调节更容易实现磁场位型的调节和验证。

在本实施例中，中心凸起部分内设置有位于内磁线圈组6的内周的T型支撑磁结构7以及位于所述内线圈组的外周的圆筒支撑磁结构8，其中，T型支撑磁结构的头部与中心凸起部分配合，圆筒支撑磁结构8和内磁屏3、天线4的轴向长度一致，由此可以支撑环形陶瓷放电腔5和内磁线圈组6，同时还可以让内磁线圈组6的磁场渗透到环形陶瓷放电腔5的内部。在一些实施例中，T型支撑磁结构7和圆筒支撑磁结构8同样可以由一定厚度的软铁磁芯制成。

金属阳极9通过外环形供气口和内环形供气口内嵌于小内径环形段的底部同时用作推进剂的供给管路。采用阴极中和器10作为阴极，阳极电源14给阳极9一定的电位差，使其与阴极中和器10产生加速等离子体的静电场。在一些实施例中，阴极中和器10为内部带有加热丝的空心阴极发射体结构，能够发射足够数量热电子，一方面充当阴极，和阳极一起形成加速等离子体的静电场；另一方面发射热电子，中和通过静电场加速出来的离子，使喷出的等离子体整体为电中性。

下面通过本发明的螺旋波电磁加速等离子体源的工作过程来进一步说明本发明，具体包括如下步骤：

1)通过内外环形进气口给BN环形陶瓷放电腔5和阴极中和器10供给一定流量的推进剂，打开阴极中和器加热电源11对阴极中和器10的加热丝进行加热，给触持电源12加电压，保证阴极中和器10的正常工作；

2)打开磁线圈电源13，选择性打开磁线圈控制开关，给外磁线圈组2和内磁线圈组6供电，产生附加磁场位形；

3)打开天线4的冷却水16，避免天线的过热产生损坏；

4)打开射频功率源15，射频能量通过天线4传递给环形陶瓷放电腔5内的中性气体，在磁场和输入功率的双重作用下，放电腔内的中性气体产生电离，形成高密度的螺旋波等离子体；

5)打开阳极电源14，阳极9和阴极10两者形成轴向电场(电场方向为：从阳极开始，指向阴极)：第一阶段电离出来的等离子体在轴向电场的作用下进行静电加速；第二阶段，磁线圈组在环形陶瓷放电腔5的出口处为发散磁场，具有轴向和径向磁场分量，等离子体在环形陶瓷放电腔5的出口处的轴向电场和径向磁场的作用下产生霍尔电流，对等离子体进行进一步加速，喷出羽流，形成推力，喷出的羽流中大部分是经过加速的离子，需要阴极中和器对其进行中和，形成电中性的羽流，避免对航天器或者其他环境造成影响和破坏。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种螺旋波电磁加速等离子体源，其特征在于，整体成圆柱形，沿径向方向由外向内依次包括外磁屏、外磁线圈组、内磁屏、天线、环形陶瓷放电腔和内磁线圈组，

所述外磁屏为具有底部的圆筒结构，其开口端具有向内延伸的肩部，底部具有外环形供气口；

所述环形陶瓷放电腔包括向外延伸的边缘肩部、环形凹腔部分和中心凸起部分，所述边缘肩部与所述外磁屏的肩部配合安装，所述环形凹腔部分包括小径环形段、大径环形段以及连接两者的环形扩张段，所述小径环形段具有底部且所述底部设置有与所述外环形供气口相对应的内环形供气口，所述大径环形段的一端连接所述环形扩张段，另一端为等离子体的出口；

所述外磁线圈组以所述大径环形段的外周面为基准，布置于所述环形陶瓷放电腔的环形凹腔部分外周，用以调节所述环形陶瓷放电腔的外壁面的磁场结构；

所述天线缠绕于所述小径环形段的外周面，射频功率源将射频功率通过所述天线馈入所述环形陶瓷放电腔内，引起推进剂放电以产生等离子体；

所述内磁屏布置于所述天线的外周，所述内磁屏的外径等于所述大径环形段的外径，所述内磁屏与所述天线的轴向长度一致；

所述内磁线圈组布置于所述环形陶瓷放电腔的中心凸起部分内，用以调节所述环形陶瓷放电腔内壁面的磁场结构；所述外磁线圈组和所述内磁线圈组各包括多个并联磁线圈，且各磁线圈具有单独的开关；

其中，阳极通过所述外环形供气口和所述内环形供气口内嵌于所述小径环形段的底部同时用作推进剂的供给管路；采用阴极中和器作为阴极，和所述阳极一起形成加速等离子体的静电场，同时所述阴极中和器发射热电子，中和通过静电场加速出来的离子，使喷出的等离子体整体为电中性。

2.根据权利要求1所述的螺旋波电磁加速等离子体源，其特征在于，所述中心凸起部分内设置有位于所述内磁线圈组的内周的T型支撑磁结构以及位于所述内磁线圈组的外周的圆筒支撑磁结构，所述T型支撑磁结构的头部与所述中心凸起部分配合，所述圆筒支撑磁结构和所述内磁屏、所述天线的轴向长度一致。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋波电磁加速等离子体源，其特征在于，所述多个并联磁线圈包括2～10个并联磁线圈。

4.根据权利要求1或2所述的螺旋波电磁加速等离子体源，其特征在于，所述环形扩张段的斜面与所述环形陶瓷放电腔的中心轴线成10～30°。

5.根据权利要求1或2所述的螺旋波电磁加速等离子体源，其特征在于，所述推进剂包括水蒸气、富氧气体、惰性气体、混合气体。

6.根据权利要求1或2所述的螺旋波电磁加速等离子体源，其特征在于，所述天线内部通有冷却水。

7.根据权利要求1或2所述的螺旋波电磁加速等离子体源，其特征在于，所述阴极中和器包括内部具有加热丝的空心阴极发射体。

8.根据权利要求2所述的螺旋波电磁加速等离子体源，其特征在于，所述外磁屏、所述内磁屏、所述T型支撑磁结构以及所述圆筒支撑磁结构由软铁磁芯制成。

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