CN111219306A - 一种双磁屏的霍尔推力器 - Google Patents

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Abstract

一种双磁屏的霍尔推力器，属于霍尔推力器技术领域。本发明解决现有霍尔推力器通道内部，电子与壁面相互作用频繁导致的壁面能量沉积，从而引起的热失稳和能量损失问题。本发明的在传统的霍尔推力器增设一个附加磁屏形成双磁屏结构，利用双磁屏对近壁面的磁场进行二次短路，从而引导磁力线不再穿越通道和阳极，进而减小电子对壁面的能量沉积问题并控制电子电流。利用双磁屏解决了通道内电子对壁面的能量沉积，也避免了推力器的放电热失稳，以及能量损失导致的性能损失问题。同时，本发明抑制了电子电流，增加了电流利用率。此外，通过保证附加磁屏的厚度和内磁屏与阳极的绝缘，保证了附加磁屏的鲁棒性和寿命，使得该发明可以长时间有效工作。

Description

一种双磁屏的霍尔推力器
技术领域
本发明涉及一种双磁屏的霍尔推力器，属于霍尔推力器技术领域。
背景技术
随着航天事业的不断发展，对霍尔推力器的寿命和性能均提出了更高的要求。而影响霍尔推力器放电寿命和性能的重要因素之一就是壁面能量沉积，能量沉积越高意味着越容易将热量传递给磁路，从而引发热失稳，也意味着能量损失越大；另一个影响性能的因素是电流利用率，电流利用率直接影响着推力器放电效率，对于霍尔推力器来说，电流利用率追求的是更高的离子电流和更低的电子电流。壁面能量沉积是由于等离子体与放电通道的相互作用导致的，通常是通过改变磁场来解决等离子体与壁面的相互作用问题。通过磁场外推技术将最大磁场外推，将电离区外推至通道出口，从而使高能粒子更加远离放电通道，进而减小高能粒子与壁面的作用，可以说，目前的磁场位型很好的限制了高能粒子对壁面的能量沉积。而对于向通道内运动的低能电子，根据等离子体物理可知，电子沿磁力线运动时能耗最小，因此电子更容易沿磁力线运动，而在现有的霍尔推力器内部，有一些磁力线是穿过通道和阳极的，这就导致了部分电子会沿着这些磁力线与壁面相互作用，从而增加壁面的能量沉积；也导致了电子沿磁力线更容易到达阳极，从而增加电子电流，减小电流利用率。因此，需要改变近壁面的磁场来控制电子对壁面的能量沉积。
霍尔推力器通的整体磁场对于放电有着重要的影响，现有的磁场位型已经经过优化，具有磁聚焦特征，对放电十分有利，因此我们追求的是在不改变整体磁场的前提下，改变通道内局部磁场。这就限制了改变磁场的自由度，无法采用以往的改变整体励磁磁路的方式，因此，我们提出了一种具有双磁屏的霍尔推力器结构。
发明内容
本发明为了解决在现有霍尔推力器通道内部，电子与壁面相互作用频繁导致的壁面能量沉积，从而引起的热失稳和能量损失问题，提供了一种双磁屏的霍尔推力器，利用双磁屏对近壁面的磁场进行二次短路，从而引导磁力线不再穿越通道和阳极，进而减小电子对壁面的能量沉积问题并控制电子电流。
本发明的技术方案：
一种双磁屏的霍尔推力器，包括内磁极1、内励磁线圈2、内磁屏3、附加线圈4、底板5、陶瓷通道6、附加磁屏7、气体分配器8、固定螺母9、陶瓷垫片10、阳极11、外磁屏12、外励磁线圈13和外磁极14，底板5为圆形板状，该圆形板状的中心设有立柱，并且底板5的圆周上均匀分布四个圆柱；圆环状的附加线圈4套装在底板5的立柱底部，内磁屏3套装在底板5的立柱上并位于附加线圈4的上方，内励磁线圈2缠绕在底板5的立柱上并位于内磁屏3的内部，内磁极1固定安装在底板5的立柱上方；圆环状的外磁极14安装在底板5的四个圆柱的上方，外励磁线圈13缠绕在底板5的四个圆柱上；陶瓷通道6为圆环状，并且环壁上开有环状凹槽，在凹槽槽底开有通孔；所述的陶瓷通道6套装在内磁屏3与外励磁线圈13之间；圆环状的外磁屏12套装在陶瓷通道6与外励磁线圈13之间；附加磁屏7、陶瓷通道6和阳极11的结构相同，附加磁屏7套装在陶瓷通道6的环状凹槽内；陶瓷垫片10安装在附加磁屏7的环状凹槽内，阳极11位于陶瓷垫片10的上方安装在附加磁屏7的环状凹槽内；气体分配器8依次穿过阳极11、陶瓷垫片10、附加磁屏7和陶瓷通道6通孔后使用固定螺母9与底板5固定安装。
优选的：所述的陶瓷通道6与内磁屏3之间的缝隙为2.5cm，陶瓷通道6与外磁屏12之间的缝隙为3cm。
优选的：所述的陶瓷通道6与外励磁线圈13之间的缝隙为10cm。
优选的：所述的陶瓷通道6与内励磁线圈2之间的缝隙为6cm。
优选的：所述的附加磁屏7为纯铁制作，壁厚为大于1mm。
优选的：所述的陶瓷垫片10的厚度不小于0.5mm。
优选的：所述的阳极11与附加磁屏7之间的缝隙不小于0.5mm。
本发明具有以下有益效果：本发明涉及一种双磁屏的霍尔推力器，利用双磁屏结构对推力器内部磁场进行二次短路，从而在不改变整体磁场的情况下，引导近壁面磁力线的走向，进而消除了穿过壁面的磁力线。双磁屏结构和磁场位型使得电子无法沿能量最小路径运动穿过壁面，最终解决了现有霍尔推力器的通道内电子对壁面的能量沉积的问题，从而避免了推力器的放电热失稳，以及能量损失导致的性能损失问题。同时，本发明也使得没有磁力线从阳极穿过，电子无法沿磁力线直接到达阳极，而是经过复杂的电子跨场运动到达阳极，因此抑制了电子电流，增加了电流利用率。通过保证附加磁屏的厚度和内磁屏与阳极的绝缘，保证了附加磁屏的鲁棒性和寿命，使得该结构的霍尔推力器可以长时间有效工作。此外，双磁屏结构也使得没有磁力线从阳极穿过，电子无法沿磁力线到达阳极，从而抑制了电子电流，增加了电流利用率。
附图说明
图1是具有双磁屏结构的霍尔推力器内部结构示意图；
图2是附加磁屏结构的结构示意图；
图中1-内磁极，2-内励磁线圈，3-内磁屏，4-附加线圈，5-底板，6-陶瓷通道，7-附加磁屏，8-气体分配器，9-固定螺母，10-陶瓷垫片，11-阳极，12-外磁屏，13-外励磁线圈，14-外磁极。
具体实施方式
结合附图1至图2说明本发明具体实施方式：本发明一种双磁屏的霍尔推力器，如图1所示，包括内磁极1、内励磁线圈2、内磁屏3、附加线圈4、底板5、陶瓷通道6、附加磁屏7、气体分配器8、固定螺母9、陶瓷垫片10、阳极11、外磁屏12、外励磁线圈13和外磁极14，底板5为圆形板状，该圆形板状的中心设有立柱，并且底板5的圆周上均匀分布四个圆柱；圆环状的附加线圈4套装在底板5的立柱底部，内磁屏3套装在底板5的立柱上并位于附加线圈4的上方，内励磁线圈2缠绕在底板5的立柱上并位于内磁屏3的内部，内磁极1固定安装在底板5的立柱上方；圆环状的外磁极14安装在底板5的四个圆柱的上方，外励磁线圈13缠绕在底板5的四个圆柱上；陶瓷通道6为圆环状，并且环壁上开有环状凹槽，在凹槽槽底开有通孔；所述的陶瓷通道6套装在内磁屏3与外励磁线圈13之间；圆环状的外磁屏12套装在陶瓷通道6与外励磁线圈13之间；附加磁屏7、陶瓷通道6和阳极11的结构相同，附加磁屏7套装在陶瓷通道6的环状凹槽内；陶瓷垫片10安装在附加磁屏7的环状凹槽内，阳极11位于陶瓷垫片10的上方安装在附加磁屏7的环状凹槽内；气体分配器8依次穿过阳极11、陶瓷垫片10、附加磁屏7和陶瓷通道6通孔后使用固定螺母9与底板5固定安装。如此设置，通过采用双磁屏的结构，对推力器内部磁场进行二次短路，从而在不改变整体磁场的情况下，引导近壁面磁力线的走向，进而消除了穿过壁面的磁力线，这样的结构和磁场位型使得电子无法沿能量最小路径运动穿过壁面，最终解决了电子对壁面的能量沉积问题，同时也使得没有磁力线从阳极穿过，电子无法沿磁力线直接到达阳极，而是经过复杂的电子跨场运动到达阳极，从而抑制了电子电流，增加了电流利用率。本发明是应用基于磁场外推技术，这是由于磁场外推技术将电离区外推至通道出口，将加速区外推至羽流区，因此高能离子和电子均在通道出口和羽流区，通道内仅存在低能电子，可以降低粒子与壁面的相互作用程度，从而等离子体对壁面的能量沉积能够明显减小。与此同时，内部磁屏属于金属元件，金属对电子的二次发射系数基本为0，也就是说，电子如果穿过附加磁屏就会被吸收，从而将能量传递给磁屏引发能量沉积，而本发明刚好可以解决这一问题，保证电子对附加磁屏的能量沉积。值得注意的是，附加磁屏属于导磁元件，其导磁性能受温度影响，如果温度过高，会导致其磁屏蔽效果减弱，因此附加磁屏要有一定厚度来保证磁性能的鲁棒性，防止由于温度变化发生磁饱和，并且要与阳极绝缘，避免附加磁屏像阳极一样具有很高的温度。
所述的陶瓷通道6与内磁屏3之间的缝隙为2.5cm，陶瓷通道6与外磁屏12之间的缝隙为3cm。
所述的陶瓷通道6与外励磁线圈13之间的缝隙为10cm。
所述的陶瓷通道6与内励磁线圈2之间的缝隙为6cm。
所述的附加磁屏7为纯铁制作，壁厚为大于1mm。如此设置，附加磁屏7采用纯铁制作，其作用是吸收穿过陶瓷壁面6的磁力线，并进行重新分配，根据电磁学原理，这些磁力线会集中于附加磁屏的端口位置，如图1所示，这就使得通道内部电子无法沿磁力线运动，进而减小了电子对通道的能量沉积。附加磁屏7作为导磁装置，要求能够在放电过程中长时间稳定保持磁性能，因此，附加磁屏的厚度要大于1mm，以保证不会磁饱和。
所述的陶瓷垫片10的厚度不小于0.5mm。如此设置，为了避免吸引电子，附加磁屏7不能与阳极11电气连通而具有高电位，因此选择陶瓷垫片10将两者电气隔离。作为导磁元件，附加磁屏7导磁性能受温度影响，如果温度过高，会导致其磁屏蔽效果减弱，因此要防止由于温度过高发生磁饱和，而阳极由于自身接受电子，通常其工作温度很高，所以陶瓷垫片10也起到隔热的作用，因此，陶瓷垫片10的厚度不能小于0.5mm。
所述的阳极11与附加磁屏7之间的缝隙不小于0.5mm。如此设置，为了绝缘和隔热，阳极11两侧也要与附加磁屏7保持空隙，并且要求空隙不能小于0.5mm。
附加磁屏7放置于陶瓷通道6内，与固定陶瓷通道6和阳极11的方式相同，利用三个通孔定位，如图2所示，通过固定螺母9和带有螺纹气管的气体分配器8将阳极11、陶瓷垫片10、附加磁屏7和陶瓷通道6固定在底板5上。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双磁屏的霍尔推力器，其特征在于：包括内磁极(1)、内励磁线圈(2)、内磁屏(3)、附加线圈(4)、底板(5)、陶瓷通道(6)、附加磁屏(7)、气体分配器(8)、固定螺母(9)、陶瓷垫片(10)、阳极(11)、外磁屏(12)、外励磁线圈(13)和外磁极(14)，底板(5)为圆形板状，该圆形板状的中心设有立柱，并且底板(5)的圆周上均匀分布四个圆柱；圆环状的附加线圈(4)套装在底板(5)的立柱底部，内磁屏(3)套装在底板(5)的立柱上并位于附加线圈(4)的上方，内励磁线圈(2)缠绕在底板(5)的立柱上并位于内磁屏(3)的内部，内磁极(1)固定安装在底板(5)的立柱上方；圆环状的外磁极(14)安装在底板(5)的四个圆柱的上方，外励磁线圈(13)缠绕在底板(5)的四个圆柱上；陶瓷通道(6)为圆环状，并且环壁上开有环状凹槽，在凹槽槽底开有通孔；所述的陶瓷通道(6)套装在内磁屏(3)与外励磁线圈(13)之间；圆环状的外磁屏(12)套装在陶瓷通道(6)与外励磁线圈(13)之间；附加磁屏(7)、陶瓷通道(6)和阳极(11)的结构相同，附加磁屏(7)套装在陶瓷通道(6)的环状凹槽内；陶瓷垫片(10)安装在附加磁屏(7)的环状凹槽内，阳极(11)位于陶瓷垫片(10)的上方安装在附加磁屏(7)的环状凹槽内；气体分配器(8)依次穿过阳极(11)、陶瓷垫片(10)、附加磁屏(7)和陶瓷通道(6)通孔后使用固定螺母(9)与底板(5)固定安装。
2.根据权利要求1所述的一种双磁屏的霍尔推力器，其特征在于：所述的陶瓷通道(6)与内磁屏(3)之间的缝隙为2.5cm，陶瓷通道(6)与外磁屏(12)之间的缝隙为3cm。
3.根据权利要求1所述的一种双磁屏的霍尔推力器，其特征在于：所述的陶瓷通道(6)与外励磁线圈(13)之间的缝隙为10cm。
4.根据权利要求1所述的一种双磁屏的霍尔推力器，其特征在于：所述的陶瓷通道(6)与内励磁线圈(2)之间的缝隙为6cm。
5.根据权利要求1所述的一种双磁屏的霍尔推力器，其特征在于：所述的附加磁屏(7)为纯铁制作，壁厚为大于1mm。
6.根据权利要求1所述的一种双磁屏的霍尔推力器，其特征在于：所述的陶瓷垫片(10)的厚度不小于0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种双磁屏的霍尔推力器，其特征在于：所述的阳极(11)与附加磁屏(7)之间的缝隙不小于0.5mm。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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