螺旋波等离子体推力器地面实验原理样机设计

摘要

螺旋波等离子体是一种高密度，高离子化率的低温等离子体，其数密度可以达到1018-1020每立方米的量级。在半导体工业中，应用螺旋波等离子体对材料进行沉积和刻蚀处理。同样，螺旋波等离子体也用于废弃物治理系统中，用来分解复杂污染物。在空间推进领域，螺旋波等离子体推力器(HPT)是一种新型的电磁式推力器，其基于螺旋波等离子体在发散磁场中存在的无电流双层效应，加速离子形成高速离子束喷流，从而产生推力。螺旋波等离子体推力器作为一种无电极，高密度，高比冲（比冲可以达到4000s）的推力器，正逐渐得到各航天强国的重视。
　　作为螺旋波等离子体推力器研究及应用的重要环节——地面实验原理样机的设计至关重要。作者从现有文献入手，分析总结了国外的先进技术，自行设计了一套螺旋波等离子体推力器地面试验系统。主要研究内容如下:
　　(1)作者对比了化学推进和电推进各自的优缺点，介绍了一种新型电推进系统——螺旋波等离子体推力器。HPT的无电极结构可以使其具有更长的使用寿命。作者总结了各研究机构的研究方向，指导作者接下来的工作。
　　(2)作者对螺旋波等离子体的基本理论进行了分析，介绍了螺旋波等离子体源的几项关键技术（包括射频天线、放电室等）。对螺旋波等离子体形成过程开展机理分析，提出了几种与螺旋波等离子体源相结合的加速方案，为之后的数值仿真做准备。
　　(3)作者使用PIC方法，对不同长度的放电区进行模拟，得出了电势和电子数密度的变化曲线，从而印证了双层效应的存在。数值仿真的结果对于原理样机天线的设计具有重要的指导作用。
　　(4)作者根据实验室现有条件，设计了射频馈入机构，磁场系统，RF天线等部件，以上述各部件为基础搭建螺旋波等离子体推力器地面实验原理样机。通过初步实验结果对磁场系统进行优化改进，并添加法拉第电磁屏蔽套筒装置。优化后的实验方案获得业内多位专家的认可。
　　(5)最后，作者总结了实验过程中出现的问题，对原理样机设计提出几点改进方案:①设计探针系统用于等离子体参数的诊断;②设计出一种新的磁场系统，该系统能提供更均匀的磁场，可消除磁镜效应。上述几点作者只给出了设计方案，在今后的研究工作中将具体实施。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 空间推进系统

1．1．1 化学推进系统

1．1．2 电推进系统

1．1．3 典型电推进系统介绍

1．2 新型电推进系统

1．3 主要研究机构实验成果

1．4 螺旋波等离子体源的应用

1．4．1 在传统工业上的应用

1．4．2 在空间推进上的应用构想

1．5 论文主要工作

1．6 小结

2 螺旋波等离子体推进器关键技术

2．1 螺旋波等离子体起源及发展历程

2．2 螺旋波等离子体源基本知识

2．2．1 螺旋波的定义

2．2．2 螺旋波等离子体源

2．2．3 螺旋波传播

2．3 能量吸收方式

2．3．1 波耦合模式概论

2．3．2 耦合模式转换

2．4 HPT推进原理分析

2．4．1 朗道阻尼作用

2．4．2 双层加速效应

2．5 离子加速方式

2．5．1 橱极加速器

2．5．2 磁喷管加速器

2．5．3 回旋共振加速器

2．5．4 旋转电场加速器

2．5．5 旋转磁场加速器

2．6 小结

3 螺旋波等离子体数值仿真

3．1 基本概念

3．2 电磁场模型

3．3 一维PIC方法数值仿真

3．4 小结

4 实验原理样机设计

4．1 真空舱设计

4．2 馈入系统设计

4．3 磁场设计

4．4 天线设计

4．5 气体供应系统

4．6 射频系统

4．7 实验结果及分析

4．7．1 实验结果分析

4．7．2 实验方案优化

4．8 小结

5 展望与总结

5．1 下一步工作展望

5．2 本文内容总结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢