CN112329247A - 一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法 - Google Patents

一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；S6：配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。

Description

一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法
技术领域
本发明涉及霍尔离子源技术领域，具体为一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法。
背景技术
随着空间探测的广度和深度地不断提升，对电推力器的需求越来越多，其中，霍尔推力器是电推进技术中常见的一种类型。尽管，当今关于霍尔推力器放电等离子体和自溅射的研究很多，但这些都是把放电等离子体和自溅射单独分离仿真研究，并没有把包括等离子体鞘层、准中性等离子体、羽流以及自溅仿真统一研究。但是由于所有仿真计算的初始条件和边界条件都对其结果和收敛过程有很大的影响，分开计算时这些条件的给定存在一定的任意性。
由于“自溅射”是发生在电推力器运行过程中，其内部一些部件受到能量较高的离子轰击，造成部件表面的粒子发生溅射的一种现象，是制约霍尔推力器应用发展的一个主要问题。这种自溅射伴随着整个推力器的运行，若存在长期高强度的自溅射，势必会影响推力器的稳定运行和自身的寿命，并且，这种自溅射都是要经过成千上百小时的运行才能测得其形貌的变化，实验花费高，且实验效率比较低。电推力器都是工作在真空环境中，实验研究对环境要求较高。所以，对电推力器的自溅射的研究中大量使用了仿真研究方法，在电推力器的数值仿真方法中，粒子模拟被认为是最接近实际的一种仿真方法。然而，要详细掌握放电等离子体工作特性和器壁自溅射情况，网格长度必须在德拜长度以内，并且时间步长非常的小。此外，追踪的电子、离子数目必须足够多，才能真实反映推力器的运行情况，具有计算量更大的问题。
综上所述，现有的电推力器的仿真方法存在：离子体鞘层、准中性等离子体、羽流以及自溅仿真方法彼此割裂；电推力器自溅射实验研究计算量太大导致的所需时间长、耗资较大等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有技术中存在的缺陷，从仿真方法入手，通过缩放技术来降低仿真工作量，加速仿真进程，并且在等离子体仿真过程中内嵌自溅射模块，同时得到推力器内放电等离子体特性和自溅射情况。
为解决以上问题，本发明的技术方案为采用一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；S6：配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。
可选地，所述S1包括：S11：获取霍尔推力器参数，建立基于圆柱坐标系的霍尔推力器的模拟区域大小、网格大小和网格数量；S12：对所述霍尔推力器参数的物理参数进行缩放处理生成基于圆柱坐标系的推力器参数。
可选地，所述S12包括：对模拟区域做α(α＞1)倍的缩小处理，在保证等离子体动力学特性和无量纲化参数不变的条件下，基于缩小、放大、不变三种处理方式生成整体仿真变量，其中，缩放后的物理量为：磁场强度B′＝αB、电势
Figure BDA0002772593580000021
气体流量m&’＝m&、放电电流
Figure BDA0002772593580000022
电场E′＝αE、粒子数密度n′＝αn、温度T′＝T、推力
Figure BDA0002772593580000031
比冲I′s＝Is和效率η′＝η进行逐个进行缩放处理。
可选地，所述S5包括：配置仿真区域内的所述粒子参数，并基于所述粒子参数中的入射粒子类型参数、入射粒子的入射位置参数、入射粒子引起的二次电子发射参数配置所述入射模块；基于所述粒子参数中的溅射类型参数、溅射维度参数、引起溅射的粒子参数、溅射的位置参数、溅射的方向参数、溅射粒子的类型参数配置所述自溅射模块；基于所述入射模块和所述自溅射模块生成所述自溅射模型。
可选地，生成所述自溅射模型包括：根据所述入射模块配置的放电等离子体中入射到器壁上的离子能量Ei、角度θi以及器壁材料的表面结合能Ub和所述自溅射模块配置的溅射能量阈值Ed，并基于Sigmund溅射产额公式生成所述自溅射模型：
Figure BDA0002772593580000032
可选地，所述S3包括：基于所述磁场导入模块并通过python语言设置所述仿真区域；对所述仿真区域进行网格划分；基于所述磁场导入模块配置的磁场数据定义至所述网格的节点；对所述仿真区域的金属体部分进行属性设置以完成所述仿真区域的配置。
可选地，所述蒙特卡洛碰撞模块包括电子与中性气体弹性碰撞类型、碰撞激发类型、碰撞电离类型；离子与中性气体碰撞类型、电荷交换碰撞类型。
本发明的有益效果是：
1)本发明通过建立霍尔推力器仿真区域，对其网格大小、网格数以及物理参数进行缩放处理，使得仿真计算量减小，仿真进程加快；
2)本发明在整体电磁场仿真模型中设置自溅射模型，可同时得到推力器内放电等离子体特性和自溅射情况；
3)本发明通过自溅射模型和溅射产额的定义得到自溅射产额的表达式，以此来评估放电等离子体工作特性和器壁自溅射情况；
4)本发明所提供的仿真方法，可通过自溅射粒子的数量和溅射位置，进行推力器寿命评估；还可以通过宏观放电参数的变化来研究微观放电等离子体的放电特性。
附图说明
图1为本发明的霍尔推力器放电等离子体和自溅射的仿真计算方法的简化流程图；
图2为本发明的阳极层的网格划分示意图；
图3为本发明的放电等离子体入射离子引起器壁自溅射的简化原理图；
图4为本发明的入射离子与器壁材料相互作用的三种简化原理图；
图5为本发明的电子和离子空间的分布仿真图；
图6为本发明的溅射粒子的分布仿真图；
图7为本发明的不同径向位置的电势-轴向关系的仿真图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；S6：配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。其中，获取的霍尔推力器参数种类包括磁场强度、工作电压、工作电流、网格大小和网格数量；配置的仿真边界条件数据为吸收边界条件数据；配置的器壁边界条件数据为金属器壁边界条件数据，包括给定电导率数据及加载电压数据。
具体的，所述S2包括：利用磁场计算软件magnet获得圆柱坐标系下电推力器的磁场数据，并对于整体数据按照坐标逐次排列，并利用python语言编写具体的磁场导入模块；所述S3包括：利用python语言设置仿真区域，并对仿真区域进行网格划分，并将所述磁场导入模块包含的磁场数据定义到网格的节点上，生成仿真区域；所述S4包括：首先设置整体电磁场仿真模型的电势值为网格节点值，再令二维柱坐标下的电场为边界线上的数值，接着设置磁场为网格节点值，且磁场数值不进行更新，即仍与建立仿真区域时的初始磁场值相同，从而生成仿真区域内的用于配置仿真区域内的初始电场分布及初始磁场分布的整体电磁场仿真模型。
进一步的，如图2所示，所述S1包括：S11：获取霍尔推力器参数，建立基于圆柱坐标系的霍尔推力器的模拟区域大小、网格大小和网格数量；S12：对所述霍尔推力器参数的物理参数进行缩放处理生成基于圆柱坐标系的推力器参数。
更进一步的，所述S12包括：对模拟区域做α(α＞1)倍的缩小处理，在保证等离子体动力学特性和无量纲化参数不变的条件下，基于缩小、放大、不变三种处理方式生成整体仿真变量，其中，缩放后的物理量为：磁场强度B′＝αB、电势
Figure BDA0002772593580000051
气体流量m&’＝m&、放电电流
Figure BDA0002772593580000052
电场E′＝αE、粒子数密度n′＝αn、温度T′＝T、推力
Figure BDA0002772593580000053
比冲I′s＝Is和效率η′＝η进行逐个进行缩放处理。
本发明通过首先在圆柱坐标系中确定电推力器的整个仿真区域、网格大小和数量，再依据网格大小来确定仿真区域的缩放系数，在保证放电等离子体动力学特性不变的基础上对所有涉及到的物理参数进行缩放；接着利用有限元方法进行磁场仿真，得到圆柱坐标系下的磁场数据，有效地降低仿真计算量，加快了仿真进程。
本发明基于VORPAL求解器，使用等离子体粒子模拟和流体模拟以及蒙特卡洛碰撞法相结合的混合模拟方法，利用缩放技术降低仿真中的网格数和跟踪粒子数量，根据霍尔推力器自溅射特点建立新的自溅射模型，据此编写Python仿真程序。实现了霍尔推力器放电等离子体和自溅射统一仿真计算方法，由缩放技术降低了网格数量，进而降低了模拟工作的计算量、缩短了仿真时间，避免花费高、周期长的自溅射实验研究。其中，VORPAL求解器可以使用由美国Tech-X公司开发的VORPAL求解器。
进一步的，所述S5包括：配置仿真区域内的所述粒子参数，并基于所述粒子参数中的入射粒子类型参数、入射粒子的入射位置参数、入射粒子引起的二次电子发射参数配置所述入射模块；基于所述粒子参数中的溅射类型参数、溅射维度参数、引起溅射的粒子参数、溅射的位置参数、溅射的方向参数、溅射粒子的类型参数配置所述自溅射模块；基于所述入射模块和所述自溅射模块生成所述自溅射模型。其中，霍尔电推力器内等离子体的粒子类型主要有：电子、一价离子、二价离子和器壁溅射粒子，对每种粒子设置其电荷、质量及权重。设置每个仿真边界和器壁边界的边界条件，将整个仿真边界划分为金属边界、吸收边界，对金属边界、吸收边界分别设置纽曼边界条件，狄拉克边界条件，金属区为固定电势值。如图3所示，由于等离子体与器壁相互作用，离子入射到器壁引起了溅射粒子和二次电子发射这一物理现象，因此，器壁边界的设置，必须同时考虑二次电子发射、离子的入射和溅射粒子。
更进一步的，生成所述自溅射模型包括：根据所述入射模块配置的放电等离子体中入射到器壁上的离子能量Ei、角度θi以及器壁材料的表面结合能Ub和所述自溅射模块配置的溅射能量阈值Ed，并基于Sigmund溅射产额公式生成所述自溅射模型：
Figure BDA0002772593580000071
为便于理解所述自溅射模型的生成方法，具体的，工质气体电离产生的入射离子的质量为m1、速度v1，沿一定的角度θ轰击器壁，器壁材料的原子质量m2，初始时刻静止。两者之间发生一系列的弹性碰撞之后入射离子沉积在器壁上，参与碰撞的器壁材料原子获得的能量若大于材料的能量阈值就会溅射出来，否则不能发生自溅射。如图4所示，被溅射出来的材料原子的形式有三种，一是直接被入射离子轰击出来溅射粒子，二是通过单次反冲碰撞出器壁原子，三是级联反冲碰撞出器壁原子。
具体的，溅射过程可以用溅射产额这个物理量来描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶平面溅射出来的原子数，也可同样表述为溅射出来的总原子数与入射离子数之比，溅射产额依赖于靶材料的结构、成份以及表面形貌，同时还与入射离子的能量、电荷态以及种类有关。根据上述自溅射模型和溅射产额的定义可得自溅射产额的表达式：
Y(Ei,θi,Ed)＝ΛFD(E0,θ0,Ed)
式中，Λ为器壁材料因子，仅与器壁材料的性质有关。FD(E0,θ0,Ed)是能量沉积函数，与入射离子的能量损失和核阻止本领成正比，其中，
Figure BDA0002772593580000072
Figure BDA0002772593580000073
式中，N是器壁材料的原子密度；C0由低能原子间的Born-Mayer势来决定的。U0是器壁材料的表面结合能。
Figure BDA0002772593580000074
是修正函数，为质量比率和初始入射角θ0的函数，Sn(E0)为核阻止本领。
对于霍尔推力器内轰击器壁的入射离子一般处于低能入射。由溅射模型可知，当入射粒子与器壁原子发生一次碰撞，其能量损失为
T＝Tmaxsin2(θ0/2)
其中
Figure BDA0002772593580000081
为最大传传递能量，当在入射离子在固体中穿行距离为Δx时，其能量损失为：
Figure BDA0002772593580000082
式中，dσ(T)为散射截面，由于Δx一般很小，所以核阻止本领可表示为：
Figure BDA0002772593580000083
式中，Sn(E0)为核阻止截面。由约化变量
Figure BDA0002772593580000084
和散射截面公式可得
Figure BDA0002772593580000085
式中，a是屏蔽长度，ε是约化能量
Figure BDA0002772593580000086
Sn(ε)为约化核阻止本领，对于低能离子(无量纲能量ε≤30)：
Figure BDA0002772593580000087
得到自溅射产额表达式：
Figure BDA0002772593580000088
进一步的，根据实际记录需求，生成的仿真结果可以包括记录放电等离子体中电子、离子、入射离子、入射电子、溅射粒子等时空分布。其中，如图5所示，为利用本仿真方法对圆柱形阳极层霍尔推力器进行仿真计算得到放电室内部电子和离子的空间分布情况。如图6所示，为利用本仿真方法对圆柱形阳极层霍尔推力器进行仿真计算得到的溅射粒子的分布。如图7所示，为利用本实施例的仿真方法获取的圆柱形阳极层霍尔推力器内部电势的分布。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，其特征在于，包括：
S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；
S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；
S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；
S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；
S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；
S6：配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。
2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述S1包括：
S11：获取霍尔推力器参数，建立基于圆柱坐标系的霍尔推力器的模拟区域大小、网格大小和网格数量；
S12：对所述霍尔推力器参数的物理参数进行缩放处理生成基于圆柱坐标系的推力器参数。
3.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述S12包括：
对模拟区域做α倍的缩小处理，在保证等离子体动力学特性和无量纲化参数不变的条件下，基于缩小、放大、不变三种处理方式生成整体仿真变量，其中，
对磁场强度B′＝αB、电势
Figure FDA0002772593570000011
气体流量m&’＝m&、放电电流
Figure FDA0002772593570000012
电场E′＝αE、粒子数密度n′＝αn、温度T′＝T、推力
Figure FDA0002772593570000013
比冲I′s＝Is和效率η′＝η进行逐个进行缩放处理生成基于圆柱坐标系的所述推力器参数。
4.根据权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，所述S5包括：
配置仿真区域内的所述粒子参数，并基于所述粒子参数中的入射粒子类型参数、入射粒子的入射位置参数、入射粒子引起的二次电子发射参数配置所述入射模块；
基于所述粒子参数中的溅射类型参数、溅射维度参数、引起溅射的粒子参数、溅射的位置参数、溅射的方向参数、溅射粒子的类型参数配置所述自溅射模块；
基于所述入射模块和所述自溅射模块生成所述自溅射模型。
5.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，生成所述自溅射模型包括：
根据所述入射模块配置的放电等离子体中入射到器壁上的离子能量Ei、角度θi以及器壁材料的表面结合能Ub和所述自溅射模块配置的溅射能量阈值Ed，并基于Sigmund溅射产额公式生成所述自溅射模型：
Figure FDA0002772593570000021
6.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述S2包括：
获得圆柱坐标系下电推力器的磁场数据；
将所述磁场数据按照坐标逐次排列，并利用python语言配置所述磁场导入模块。
7.根据权利要求6所述的仿真方法，其特征在于，所述S3包括：
通过python语言设置所述仿真区域；
对所述仿真区域进行网格划分；
基于所述磁场导入模块配置的磁场数据定义至所述网格的节点；
对所述仿真区域的金属体部分进行属性设置以完成所述仿真区域的配置。
8.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述蒙特卡洛碰撞模块包括电子与中性气体弹性碰撞类型、碰撞激发类型、碰撞电离类型；离子与中性气体碰撞类型、电荷交换碰撞类型。
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