CN111852802B - 一种霍尔效应环型离子推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔效应环型离子推力器，属于离子推力器技术领域。所述的环型离子推力器包括底部阳极、环形栅极、环形永磁体、绝缘套筒、工质分配器组、偏置放电阴极和中和器。工质气体从底部工质分配器进入到放电室内。工质分配器喷口延壁面法向，以使气体在腔体内更加均匀。阳极与阴极以及栅极之间形成轴向电场，内外环形永磁体形成径向磁场，并与轴向电场形成E×B正交场。从阴极喷出的电子在正交场作用下进行霍尔漂移，并电离工质气体产生等离子体。然后，等离子体被环形栅极引出、加速，并被中和器发射的电子中和产生推力。本发明所设计的推力拥有远高于传统离子推力器的电离率和输入功率，可大幅提升离子推力器的性能。

Description

一种霍尔效应环型离子推力器

技术领域

本发明属于离子推力器技术领域，更具体地说是一种霍尔效应环型离子推力器。

背景技术

离子推力器的工作过程大致分为三个阶段：1)推进工质在放电室内被电离产生离子；2)离子被栅极系统加速形成束流；3)束流被中和器中和形成羽流。其中，离子被栅极系统加速的阶段是获得推力及输出功率的主要阶段。这使得离子推力器的推力和功率水平与栅极的尺寸密切相关，增大栅极的尺寸是大幅提高离子推力器推力和功率水平的关键。环型离子推力器的放电室由两个阳极套筒组成，整体呈环形，但由于阴极偏置于放电室一侧，又使得放电室为非轴对称结构。放电室几何结构的变化使得环型离子推力器相比于传统考夫曼型离子推力器具备大幅提升离子推力器的推力、功率水平的优势。因此，为了突破传统离子推力器的输入功率和栅极尺寸限制，具有不同构造的新型大功率离子推力器——环型离子推力器被提出。因此，环型离子推力器不仅是未来深空探测任务的重要技术储备，也是离子推力器的一个重要发展方向

然而，现有的环型离子推力器尚存在放电困难、放电室内粒子分布不均等问题。2020年，我国将启动火星探测计划，高功率乃至超高功率的电推力器是执行该任务的关键技术，而环型离子推力器正是未来大功率电推力器中极具潜力的发展方向之一。所以，迫切需要研发性能更好的新型环型离子推力器。

发明内容

为了提升环型离子推力器的放电性能，提高放电稳定性，改善粒子分布均匀性，增大等离子体密度和输入功率，本发明借鉴霍尔推力器放电模式，提出了一种霍尔效应环型离子推力器。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种霍尔效应环型离子推力器，包括底部阳极101、环形栅极、环形永磁体、绝缘套筒、工质分配器组、偏置放电阴极301和中和器；

所述的底部阳极101为圆板形结构安装在绝缘套筒之间，底部阳极101的内外圆边处安装有工质分配器组；

所述的环形栅极包括屏栅极201、加速栅极202、第一绝缘体a201、第二绝缘体b202、第三绝缘体c203和第四绝缘体d204；所述的第一绝缘体a201为厚壁圆筒形，第一绝缘体a201与底部阳极101同轴；所述的第二绝缘体b202为厚壁圆筒形，第二绝缘体b202与底部阳极101同轴；所述的第三绝缘体c203为厚壁圆筒形，第三绝缘体c203内外径与第二绝缘体b202相同，第三绝缘体c203与底部阳极101同轴；所述的第四绝缘体d204为圆板形，第四绝缘体d204与底部阳极101同轴；所述的屏栅极201为环形板结构，屏栅极201上分布多个直径相同的圆形通孔，屏栅极201的内径与第二绝缘套筒502的内径相同，屏栅极201的外径与底部阳极101的外径相同，屏栅极201安装在第一绝缘体a201和第三绝缘体c203所在的上游端面上，屏栅极201与第一绝缘体a201同轴；第二绝缘体b202安装在第三绝缘体c203上，第二绝缘体b202与屏栅极201同轴；所述的加速栅极202为环形板结构，加速栅极202的结构和尺寸均与屏栅极201的相同；所述的加速栅极202上开有多个直径相同的圆形通孔，通孔的位置与屏栅极201通孔的位置相同，加速栅极202上通孔的直径小于屏栅极201上通孔的直径；所述的加速栅极202安装在第一绝缘体a201和第三绝缘体c203的下游端面上，加速栅极202与屏栅极201同轴；安装后屏栅极201和加速栅极202相对应的通孔轴线重合；

所述的环形永磁体包括第一环形永磁体401和第二环形永磁体402；

所述的绝缘套筒包括第一绝缘套筒501和第二绝缘套筒502；所述的第一绝缘套筒501外侧面装有第一环形永磁体401；所述的第二绝缘套筒502内侧装有第二环形永磁体402；所述的第一绝缘套筒501和第二绝缘套筒502上游端面与底部阳极101结合；所述的第一绝缘套筒501下游端面与第一绝缘体a201结合；所述的第二绝缘套筒502下游端面与第三绝缘体c203结合；

所述的工质分配器组包括外环分配器601、内环分配器602以及进气孔603；所述的外环分配器601安装在底部阳极101上并位于第二绝缘套筒502外侧；所述的内环分配器602安装在底部阳极101上并位于第一绝缘套筒501内侧；所述的进气孔603均匀分布于外环分配器601及内环分配器602，各进气孔间隔10°，在外环分配器601上进气孔方向为向外，在内环分配器602上进气孔方向为向内；推进工质从进气孔603向环型离子推力器内部发射工质气体；

所述的偏置放电阴极301为圆柱体，其安装在分段底部阳极101上并位于第一绝缘套筒501与第二绝缘套筒502中间，且与底部阳极101相互绝缘，高度为绝缘套筒高度的2/3，偏置放电阴极301用于向环型离子推力器内部发射电子；

所述的中和器302为圆柱体，安装在第四绝缘体d204上，中和器302用于向环型离子推力器外部发射电子。

所述的底部阳极101和屏栅极201接电源正极；所述的偏置放电阴极301和加速栅极202接电源负极；所述的底部阳极101电势大于偏置放电阴极301和屏栅极201的电势，偏置放电阴极301和屏栅极201的电势相等。

一种霍尔效应环型离子推力器的工作原理如下：

首先，中性推进工质气体从进气孔603进入放电室，在放电室内形成分布比较均匀的背景气体。在屏栅极201的限流作用下，仅有较少的中性推进工质可以流出放电室。

其次，底部阳极101与偏置放电阴极301和屏栅极201之间形成以轴向分量为主的轴向电场。第一环形永磁体401与第二环形永磁体402之间形成径向磁场，轴向电场与径向磁场形成E×B正交场。

再次，偏置放电阴极在底部阳极101的高电势差作用下发射出高能电子进入放电室内，这些高能电子E×B正交场中进行霍尔漂移，同时电离中性推进工质气体，产生等离子体。产生的等离子体中的二次电子在E×B正交场中继续进行霍尔漂移，并进一步电离中性推进工质气体，产生雪崩电离过程。

随后，由于屏栅极201的电压远小于底部阳极101的电压，所以放电室内流向屏栅极201的电子将在屏栅极负电压的作用下被反弹回放电室内。而放电室内的离子则被屏栅极201的负电位吸引并逐渐流向屏栅极。然后，流向屏栅极的离子被屏栅极201聚焦引出，继而在屏栅极201和加速栅极202间的高电势差作用下加速喷出，从而形成束流并产生推力。由于屏栅极201和加速栅极202可以聚焦离子，所以离子在栅极上的损耗很低。同时，由于加速栅极202与中和器电位相等，所以离子在中和器上的损失也很低。因此，绝大多数离子可以从栅极喷出并产生推力。

最后，由栅极系统加速喷出的离子被中和器302喷出的电子中和形成羽流。

本发明的有益效果：其一栅极跨度成倍减小，大大降低了大尺寸栅极的制造难度，因此可大幅提高推力器的设计尺寸；其二阳极面积增大近一倍(即放电面积增大一倍)，显著增大了推力器的输入功率及等离子体密度上限；其三节省了安装空间；其四环型离子推力器内环为中空结构，具备制造多环环型离子推力器和混合环型推力器的潜力。除此之外，本发明还具有其他优点：其一偏置阴极发射的电子在E×B正交场作用下进行霍尔漂移，可以改善电子在圆周方向的均匀度，进而改善电离过程在圆周方向的均匀度，最终提高放电室内带电粒子的轴向均匀性，同时改善栅极工况，增大栅极的使用寿命；其二由于采用了霍尔漂移的放电模式，放电过程更加稳定；其三由于霍尔漂移放电模式可以产生雪崩电离过程，因而可以大大提高电离率，从而提高等离子体的密度，并提高环型离子推力器的输入功率和推力器密度。

附图说明

图1本发明霍尔效应环型离子推力器二分之一剖体图；

图2本发明霍尔效应环型离子推力器过轴线截面图；

图中：101底部阳极；201屏栅极；202加速栅极；a201第一绝缘体；b202第二绝缘体；c203第三绝缘体；d204第四绝缘体；301偏置放电阴极；302中和器；401第一环形永磁体；402第二环形永磁体；501第一绝缘套筒；502绝缘套筒b；601外环分配器；602内环分配器；603进气孔；1径向磁场；2轴向电场。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示的一种霍尔效应环型离子推力器，包括底部阳极101、环形栅极、环形永磁体、绝缘套筒、工质分配器组、偏置放电阴极301和中和器；

所述的底部阳极101为圆板形结构安装在绝缘套筒之间，底部阳极101的内外圆边处安装有工质分配器组；

所述的环形栅极包括屏栅极201、加速栅极202、第一绝缘体a201、第二绝缘体b202、第三绝缘体c203和第四绝缘体d204；所述的第一绝缘体a201为厚壁圆筒形，第一绝缘体a201与底部阳极101同轴；所述的第二绝缘体b202为厚壁圆筒形，第二绝缘体b202与底部阳极101同轴；所述的第三绝缘体c203为厚壁圆筒形，第三绝缘体c203内外径与第二绝缘体b202相同，第三绝缘体c203与底部阳极101同轴；所述的第四绝缘体d204为圆板形，第四绝缘体d204与底部阳极101同轴；所述的屏栅极201为环形板结构，屏栅极201上分布多个直径相同的圆形通孔，屏栅极201的内径与第二绝缘套筒502的内径相同，屏栅极201的外径与底部阳极101的外径相同，屏栅极201安装在第一绝缘体a201和第三绝缘体c203所在的上游端面上，屏栅极201与第一绝缘体a201同轴；第二绝缘体b202安装在第三绝缘体c203上，第二绝缘体b202与屏栅极201同轴；所述的加速栅极202为环形板结构，加速栅极202的结构和尺寸均与屏栅极201的相同；所述的加速栅极202上开有多个直径相同的圆形通孔，通孔的位置与屏栅极201通孔的位置相同，加速栅极202上通孔的直径小于屏栅极201上通孔的直径；所述的加速栅极202安装在第一绝缘体a201和第三绝缘体c203的下游端面上，加速栅极202与屏栅极201同轴；安装后屏栅极201和加速栅极202相对应的通孔轴线重合；

所述的环形永磁体包括第一环形永磁体401和第二环形永磁体402；

所述的绝缘套筒包括第一绝缘套筒501和第二绝缘套筒502；所述的第一绝缘套筒501外侧面装有第一环形永磁体401；所述的第二绝缘套筒502内侧装有第二环形永磁体402；所述的第一绝缘套筒501和第二绝缘套筒502上游端面与底部阳极101结合；所述的第一绝缘套筒501下游端面与第一绝缘体a201结合；所述的第二绝缘套筒502下游端面与第三绝缘体c203结合；

所述的工质分配器组包括外环分配器601、内环分配器602以及进气孔603；所述的外环分配器601安装在底部阳极101上并位于第二绝缘套筒502外侧；所述的内环分配器602安装在底部阳极101上并位于第一绝缘套筒501内侧；所述的进气孔603均匀分布于外环分配器601及内环分配器602，各进气孔间隔10°，在外环分配器601上进气孔方向为向外，在内环分配器602上进气孔方向为向内；推进工质从进气孔603向环型离子推力器内部发射工质气体；

所述的偏置放电阴极301为圆柱体，其安装在分段底部阳极101上并位于第一绝缘套筒501与第二绝缘套筒502中间，且与底部阳极101相互绝缘，高度为绝缘套筒高度的2/3，偏置放电阴极301用于向环型离子推力器内部发射电子；

所述的中和器302为圆柱体，安装在第四绝缘体d204上，中和器302用于向环型离子推力器外部发射电子。

所述的底部阳极101和屏栅极201接电源正极；所述的偏置放电阴极301和加速栅极202接电源负极；所述的底部阳极101电势大于偏置放电阴极301和屏栅极201的电势，偏置放电阴极301和屏栅极201的电势相等。

所述的加速栅极202和中和器302接电源负极，且二者的电势相同。

所述的第一环形永磁体401和第二环形永磁体402均为径向充磁的环形永磁体；所述的第一环形永磁体401内表面磁极与第二环形永磁体402的外表面磁极极性相反；所述的第一环形永磁体401的直径大于第二环形永磁体402的直径。

所述的偏置放电阴极301和中和器302的发射体由六硼化镧制成，外壳由金属钼制成；

所述的第一绝缘体a201、第二绝缘体b202、第三绝缘体c203、第四绝缘体d204、第一绝缘套筒501和第二绝缘套筒502由绝缘材料制成。

所述的屏栅极201和加速栅极202安装后相对应的通孔轴线重合，加速栅极202上通孔的直径小于屏栅极201通孔的直径。

一种霍尔效应环型离子推力器的工作原理如下：

首先，中性推进工质气体从进气孔603进入放电室，在放电室内形成分布比较均匀的背景气体。在屏栅极201的限流作用下，仅有较少的中性推进工质可以流出放电室。

其次，如图2所示，底部阳极101与偏置放电阴极301和屏栅极201之间形成以轴向分量为主的轴向电场2。如图2所示，第一环形永磁体401与第二环形永磁体402之间形成径向磁场1，轴向电场与径向磁场形成E×B正交场。

再次，偏置放电阴极在底部阳极101的高电势差作用下发射出高能电子进入放电室内，这些高能电子E×B正交场中进行霍尔漂移，同时电离中性推进工质气体，产生等离子体。产生的等离子体中的二次电子在E×B正交场中继续进行霍尔漂移，并进一步电离中性推进工质气体，产生雪崩电离过程。

随后，由于屏栅极201的电压远小于底部阳极101的电压，所以放电室内流向屏栅极201的电子将在屏栅极负电压的作用下被反弹回放电室内。而放电室内的离子则被屏栅极201的负电位吸引并逐渐流向屏栅极。然后，流向屏栅极的离子被屏栅极201聚焦引出，继而在屏栅极201和加速栅极202间的高电势差作用下加速喷出，从而形成束流并产生推力。由于屏栅极201和加速栅极202可以聚焦离子，所以离子在栅极上的损耗很低。同时，由于加速栅极202与中和器电位相等，所以离子在中和器上的损失也很低。因此，绝大多数离子可以从栅极喷出并产生推力。

最后，由栅极系统加速喷出的离子被中和器302喷出的电子中和形成羽流。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种霍尔效应环型离子推力器，其特征在于，所述的霍尔效应环型离子推力器包括底部阳极(101)、环形栅极、环形永磁体、绝缘套筒、工质分配器组、偏置放电阴极(301)和中和器；

所述的底部阳极(101)为圆板形结构安装在绝缘套筒之间，底部阳极(101)的内外圆边处安装有工质分配器组；

所述的环形栅极包括屏栅极(201)、加速栅极(202)、第一绝缘体(a201)、第二绝缘体(b202)、第三绝缘体(c203)和第四绝缘体(d204)；所述的第一绝缘体(a201)为厚壁圆筒形，第一绝缘体(a201)与底部阳极(101)同轴；所述的第二绝缘体(b202)为厚壁圆筒形，第二绝缘体(b202)与底部阳极(101)同轴；所述的第三绝缘体(c203)为厚壁圆筒形，第三绝缘体(c203)内外径与第二绝缘体(b202)相同，第三绝缘体(c203)与底部阳极(101)同轴；所述的第四绝缘体(d204)为圆板形，第四绝缘体(d204)与底部阳极(101)同轴；所述的屏栅极(201)为环形板结构，屏栅极(201)上分布多个直径相同的圆形通孔，屏栅极(201)的内径与第二绝缘套筒(502)的内径相同，屏栅极(201)的外径与底部阳极(101)的外径相同，屏栅极(201)安装在第一绝缘体(a201)和第三绝缘体(c203)所在的上游端面上，屏栅极(201)与第一绝缘体(a201)同轴；第二绝缘体(b202)安装在第三绝缘体(c203)上，第二绝缘体(b202)与屏栅极(201)同轴；所述的加速栅极(202)为环形板结构，加速栅极(202)的结构和尺寸均与屏栅极(201)的相同；所述的加速栅极(202)上开有多个直径相同的圆形通孔，通孔的位置与屏栅极(201)通孔的位置相同，加速栅极(202)上通孔的直径小于屏栅极(201)上通孔的直径；所述的加速栅极(202)安装在第一绝缘体(a201)和第三绝缘体(c203)的下游端面上，加速栅极(202)与屏栅极(201)同轴；安装后屏栅极(201)和加速栅极(202)相对应的通孔轴线重合；

所述的环形永磁体包括第一环形永磁体(401)和第二环形永磁体(402)；

所述的绝缘套筒包括第一绝缘套筒(501)和第二绝缘套筒(502)；所述的第一绝缘套筒(501)外侧面装有第一环形永磁体(401)；所述的第二绝缘套筒(502)内侧装有第二环形永磁体(402)；所述的第一绝缘套筒(501)和第二绝缘套筒(502)上游端面与底部阳极(101)结合；所述的第一绝缘套筒(501)下游端面与第一绝缘体(a201)结合；所述的第二绝缘套筒(502)下游端面与第三绝缘体(c203)结合；

所述的工质分配器组包括外环分配器(601)、内环分配器(602)以及进气孔(603)；所述的外环分配器(601)安装在底部阳极(101)上并位于第二绝缘套筒(502)外侧；所述的内环分配器(602)安装在底部阳极(101)上并位于第一绝缘套筒(501)内侧；所述的进气孔(603)均匀分布于外环分配器(601)及内环分配器(602)，各进气孔间隔10°，在外环分配器(601)上进气孔方向为向外，在内环分配器(602)上进气孔方向为向内；推进工质从进气孔(603)向环型离子推力器内部发射工质气体；

所述的偏置放电阴极(301)为圆柱体，其安装在分段底部阳极(101)上并位于第一绝缘套筒(501)与第二绝缘套筒(502)中间，且与底部阳极(101)相互绝缘，高度为绝缘套筒高度的2/3，偏置放电阴极(301)用于向环型离子推力器内部发射电子；

所述的中和器(302)为圆柱体，安装在第四绝缘体(d204)上，中和器(302)用于向环型离子推力器外部发射电子；

所述的底部阳极(101)和屏栅极(201)接电源正极；所述的偏置放电阴极(301)和加速栅极(202)接电源负极；所述的底部阳极(101)电势大于偏置放电阴极(301)和屏栅极(201)的电势，偏置放电阴极(301)和屏栅极(201)的电势相等；

所述的加速栅极(202)和中和器(302)接电源负极，且二者的电势相同；

所述的第一环形永磁体(401)和第二环形永磁体(402)均为径向充磁的环形永磁体；所述的第一环形永磁体(401)内表面磁极与第二环形永磁体(402)的外表面磁极极性相反；所述的第一环形永磁体(401)的直径大于第二环形永磁体(402)的直径。

2.根据权利要求1所述的霍尔效应环型离子推力器，其特征在于，

所述的偏置放电阴极(301)和中和器(302)的发射体由六硼化镧制成，外壳由金属钼制成；

所述的第一绝缘体(a201)、第二绝缘体(b202)、第三绝缘体(c203)、第四绝缘体(d204)、第一绝缘套筒(501)和第二绝缘套筒(502)由绝缘材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的一种霍尔效应环型离子推力器，其特征在于，所述的屏栅极(201)和加速栅极(202)安装后相对应的通孔轴线重合，加速栅极(202)上通孔的直径小于屏栅极(201)通孔的直径。

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