圆柱形霍尔推力器轮辐效应试验研究

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1.成都理工大学工程技术学院，乐山 614000 2.核工业西南物理研究院，成都 610041 3.重庆文理学院，重庆 402160

圆柱形霍尔推力器轮辐效应试验研究

桂兵仪1，唐德礼2，*，金凡亚2，田希3

1.成都理工大学工程技术学院，乐山 614000 2.核工业西南物理研究院，成都 610041 3.重庆文理学院，重庆 402160

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器运行过程中的轮辐效应(rotating spoke)旋转频率在相关工作参数影响下的变化规律，找出抑制轮辐效应的方法，采用了将环形阳极分成独立两段的设计方案，通过观测两个独立阳极段之间的信号随放电电压、工质输送速率等参数的变化来定性定量开展试验研究。试验观测结果表明，该推力器在运行过程中，随着放电电压和气压的增加，轮辐效应旋转频率相应地获得提高；在近阳极区域的轮辐效应是普遍存在的，即使是在高电压的条件下；轮辐效应旋转频率主要在10～45 kHz;轴向电流振荡在独立阳极段总电流中约占50%。减小工质流量，降低放电电压有利于抑制轮辐效应。

霍尔推力器；轮辐效应；近阳极区域；阳极段；振荡

霍尔推力器的研究始于20世纪60年代，该推力器具有无栅加速特性,因其结构简单、可靠性高且不存在空间电荷效应等优势,已经越来越受到航天、航空推力器以及工业离子源等领域的广泛关注[1]。为了更好地了解和使用霍尔推力器，需要对交叉电磁场作用下等离子体放电过程中通道内的电子传导进行探究，因为电子传导会直接影响推力器的电机效率。在霍尔推力器运行的过程中，垂直于交叉电磁场方向的电子传导水平有时不能用经典的碰撞机制来解释，一些反常电子输运被陆续发现和研究，其中轮辐效应受到了越来越多的关注[2]。电子在进行角向漂移时并不是各处均匀的，在方位角上会出现密度振荡起伏变化，即轮辐效应(rotating spoke)。Chesta等将轮辐效应的形成归结于电热过程，如电离，但人们对具体的形成机制依旧不是很清楚[3]。

轮辐效应已经在大量的霍尔推力器以及交叉电磁场设备中被观测到，Janes于1966年首次对轮辐效应不稳定进行了试验研究[4]。自此以后，人们已经从不同的方面对该现象进行了初步的试验探究和数值模拟，其中主要包括存在条件、由其引起的电子轴向漂移以及部分工作参数对其影响等试验研究。McDonald等以6 kW H6型号的霍尔推力器为试验设备，记录了运行过程中近阳极区域轮辐的数目m、振幅以及传播速度与内部磁感应强度和放电电压的关系，研究发现磁感应强度对轮辐效应的特性具有很大的影响，且在高电压和磁感应强度下，轮辐效应依旧存在[5]。Ellison等利用高速相机和静电探针对具有4段阳极的圆柱形霍尔推力器通道内轮辐效应引起的电流进行了直接测量，发现阳极段上电流主要是由轮辐效应引起的，这个轮辐效应对电子传导具有促进作用[6]。在数值模拟方面，唐德礼等采用三维particle-in-cell数值模拟的方法，研究了增加磁场和压强对圆柱形阳极层霍尔推力器正常运行过程中的轮辐效应现象的影响，模拟结果显示轮辐效应在垂直于交叉电磁场方向的传播速度只有电子漂移的37%，而且在高磁场的情况下轮辐效应更加明显[2]。经过几十年的研究，人们对轮辐效应已经有了初步的认识，但是依旧没有形成统一的理论机制，需要更多可量化指标为该机制的建立提供依据。

本试验所采用的是阳极层霍尔推力器，该推力器在结构和工作特性等方面已经得到了较为细致的研究[7-9]。本文定量分析轮辐效应的旋转频率与霍尔推力器工作参数的关系，为抑制这种轮辐效应、提高推力器的稳定性找出合适的方案。

1 试验装置及测量方法

1.1试验装置介绍

本试验所采用的是圆柱形阳极层霍尔推力器，该霍尔推力器的阳极经过分段处理，成为段口间距为3 mm的两段，其二维结构示意与实物如图1所示。此霍尔推力器的磁场由永恒磁铁提供，并且对阳极以及外磁极都进行了倒角的处理，这种倒角结构有助于阳极表面附近的电场和磁场近似垂直，带电粒子受到较大的电磁场共同作用力[10],同时增大了电子与阳极的接触面积，改善了阳极尖端易被烧红的缺陷[11]。

调试平台由罗茨泵、机械泵和分子泵对真空室进行抽真空操作，真空度可达10-3Pa量级。试验中采用可处于恒压模式和恒流模式两种工作状态的12 kW Pinnacle AE直流电源为圆柱形阳极层霍尔推力器供电，所用电阻为两个3 Ω的等值电阻。

图1 圆柱形分段阳极霍尔推力器二维示意和实物Fig.1 Two dimensional structure and material object of the cylindrical

1.2 试验测量方法

在放电通道内，轮辐效应通常出现在近阳极区域，因此在近阳极区域除了轴向电场E和径向磁场B之外，还会产生一个由轮辐效应引起的方位角电场Eθ。由此可知，电子在通道内传导的过程中除了受交叉电磁场E和B作用而产生角向漂移，还会受交叉电磁场Eθ和B作用而产生轴向漂移，最终这些轴向漂移的电子会在阳极沉积。打到阳极的总体电流的大部分是由轮辐效应引起的，且在阳极不同位置上由轮辐效应引起的电流振荡是占主导地位的振荡，电流振荡的频率与轮辐旋转频率相对应[12-13]。

轮辐的旋转速度与电子垂直于交叉电磁场方向的角向漂移的速度并不是一致的，而是要远远小于角向漂移速度[14]。考虑到如果将朗缪尔探针安置于放电通道内对轮辐频率进行直接测量，那么这种静电探针会对旋转的轮辐的结构产生破坏，尤其是在探针邻近区域[15]，会对测量结果产生影响。因此本试验采用间接测量轮辐旋转频率的试验测量方法，具体的试验方案如图2所示。

如之前所述，轮辐效应将使电子产生轴向漂移，这些轴向漂移的电子最终会打到阳极上，因此可以通过观测阳极段上的电流信号的变化来间接测量出轮辐旋转的频率。在具体的试验操作中，用示波器来探测A、C两处电信号差的周期性变化，记录这两处信号差的频率随工作参数如放电电压、气体输入速率等的变化，这个频率与轮辐旋转的频率是同步的。同时还可以用示波器探测A、B之间以及C、D之间的信号，记录阳极段上轴向电流的振荡情况。

图2 试验电路Fig.2 Experimental measurement circuit diagram

2 试验结果与分析

在本试验中，圆柱形阳极层霍尔推力器运行过程中所使用的工作气体为氩气，12 kW Pinnacle AE直流电源工作于恒压模式状态。图3为气压为0.034 Pa,放电电压为350 V，放电电流为3.1 A的工作条件下，用示波器探测到的圆柱形阳极层霍尔推力器A、C两处电信号差的变化，即两个阳极段之间的电信号差。其中横坐标表示各个时刻，每格为20 μs，纵坐标表示每个时刻所测电压大小，每格10 V。从图3可以看出，电信号近似呈周期性变化，频率大小为25 kHz。

图3 A和C之间的电信号Fig.3 Fluctuation of electrical signal between anode section A and C

2.1 放电电压对轮辐旋转频率的影响

图4记录了圆柱形阳极层霍尔推力器两个阳极段之间的电信号在不同气压条件下放电电压对信号频率的影响。可以看到在恒压模式运行条件下，当气压保持不变时，轮辐旋转的频率随着放电电压的增大而有所提高，但从总体上来看，轮辐旋转频率的大小始终处于10 kHz这个数量级。从图4中曲线的上升趋势可以看出，气压越高轮辐旋转频率升高得就越快。由Janes,Esipchuk,Chest等的试验和理论研究可知[3-4,16]，轮辐的产生与中性气体的离子化相关。霍尔推力器中，认为电子漂移的速度和电子能量与E/B成正比，在相同的气压条件下，当放电电压增大时，近阳极段区域的电势梯度变大，电子将以更高的速度和能量去漂移，电子团的旋转频率也相应变快。

图4 放电电压对轮辐旋转频率的影响Fig.4 Effect of discharge voltage on the rotation spoke frequency

图5 高电压运行条件下放电电压对轮辐旋转频率的影响Fig.5 The influence of discharge voltage on the rotation frequency of spokes under high voltage operating conditions

在上述试验中，圆柱形阳极层霍尔推力器都处于低电压放电的运行条件下。现考虑轮辐效应在高电压的条件下是否存在，如果存在则进一步探查其与放电电压之间的关系。根据该霍尔推力器低气压、低电流、高电压的放电特性[17],将真空室气压设定在0.025 Pa进行试验研究。试验所得数据如图5所示，轮辐在高放电电压条件下依旧存在,并且随着放电电压增大而加速。由此可见，无论是在高电压条件下还是在低电压条件下，轮辐在霍尔推力器运行过程中普遍存在，轮辐效应可能是霍尔推力器的固有属性，与运行条件无关。由前面的试验可得，轮辐旋转的频率主要在10～45 kHz。由试验还发现，放电电压越高，轮辐效应越明显，如图6所示，振幅大小从3.8 V变为20 V。

图6 推力器处于0.034 Pa，电势差的振荡情况Fig.6 Oscillation of potential difference under 0.034 Pa

2.2 气压对轮辐旋转频率的影响

试验过程中，通过提高氩气的进气流速来提高真空腔内的气压，气压越大，霍尔推力器放电通道内的氩粒子浓度则越大。图7记录了圆柱形阳极层霍尔推力器在恒压模式的运行过程中，改变真空室内的气压条件对轮辐旋转频率的影响，此时霍尔推力器的放电电压保持320 V不变。由图7可以看出，当放电电压保持不变时，随着气压的升高，轮辐旋转频率也会相应得到提高。在试验过程中发现最佳气压范围是0.03～0.05 Pa，在这个气压范围内可以得到较为稳定的周期性信号。试验中还发现气压越大，周期信号振幅越大，即轮辐效应越明显，如图8所示，振幅大小从9.6 V变为21.2 V。

图7 气压对轮辐旋转频率的影响Fig.7 Influence of air pressure on rotating spoke frequency

图8 推力器处于320 V时电势差的振荡情况Fig.8 Oscillation of potential difference under 320 V

2.3 每个阳极段放电电流中交流振荡电流所占比率

在圆柱形阳极层霍尔推力器运行过程中，通过示波器同时测量在不同放电参数条件下A、B之间以及C、D之间的电信号，如图9所示，其中横坐标表示各个时刻，每格10 μs，纵坐标表示每个时刻所测电压大小，每格5 V。图9显示了每个阳极段电信号中轴向交流振荡的有效值在独立阳极段总电流中所占的比例。试验发现，两个阳极段上的交流振荡比率近似相等，表1为其中一段阳极在不同运行条件下的比率值。如表1所示，阳极段上电流振荡的比率高达50%左右，由Ellison 和McDonald等的工作结果可知，由轮辐效应引起的轴向电流振荡在近阳极段区域是占主导地位的电流振荡[6，12]。由此可见，抑制轮辐效应对提高霍尔推力器的稳定性具有重大作用，这将是今后工作中需要考虑的重点。

图9 两个独立阳极段上的电信号振荡情况Fig.9 Current oscillations in two independent anodes

表1 阳极段上轴向电流振荡在平均总电流中所占比例Table 1 Ratio of axial current oscillation in the anode segment to the average total current

3 结束语

本试验通过对圆柱形阳极层霍尔推力器环形阳极进行分段的方法，对轮辐旋转频率以及轴向电流振荡进行了试验探究，得到的主要结论如下：

1)在圆柱形阳极层霍尔推力器正常运行过程中，轮辐频率随着放电电压、工质输送速率的升高而逐渐增大，频率的范围主要在10～45 kHz之间，远小于呼吸震荡，属于低频震荡的范畴。考虑到所测放电信号的稳定性，最佳的气压范围是0.03～0.05 Pa，气压过高和过低都会对轮辐的稳定性产生影响。

2)轮辐效应在霍尔推力器运行过程中近阳极区域是十分常见的，即使在高电压或高功率条件下依旧存在。这可能是霍尔推力器的固有属性，与运行条件无关。

3)轴向电流振荡在独立阳极段总电流中占据主导地位。由此可知，轮辐效应对阳极段上电子的沉积具有很大的影响。抑制轮辐效应对提高霍尔推力器的稳定性具有重大作用。

4)装置保持正常放电状态，当减小工质流量来降低真空室气压时或者降低放电电压时，特征信号则越来越不明显。这说明减小工质流量，降低放电电压有利于抑制轮辐效应。

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(编辑：高珍)

ResearchonrotatingspokebyusingthecylindricalHallthrustersegmentedanode

GUI Bingyi1，TANG Deli2,*，JIN Fanya2，TIAN Xi3

1.TheEngineering&TechnicalCollegeofChengduUniversityofTechnology，Leshan614000，China2.SouthwesternInstituteofPhysics，Chengdu610041，China3.ChongqingUniversityofArtsandSciences，Chongqing402160，China

In order to study the variation of rotating spoke frequency of the cylindrical hall plasma thruster in related working parameters,and to find out the method to restrain the rotating spoke,the annular anode was divided into two independent segments.By measuring the electrical signal between the two independent anode sections with discharge voltage，discharge current and delivering rate of propellant and so on,the spoke phenomenon was qualitatively and quantitatively analyzed.The results indicate that the rotating spoke frequency observably increases with the increase of discharge voltage and pressure.And the spoke rotating phenomenon in the near anode region is generally present,even in high voltage conditions.The frequency of rotating spoke is mainly 10～45 kHz.The axial current oscillation accounts for about 50% of the total current in the isolated anode segment.Reducing the flow of working fluid and the discharge voltage is beneficial to suppress rotating spoke.

Hall thruster; rotating spoke; near anode region;anode segment;oscillation

http://zgkj.cast.cn

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0076

V439

A

2017-05-22；

2017-08-30；录用日期2017-09-12；< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-09-24 16:01:01

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170924.1601.005.html

四川省应用基础研究项目(2017JY0041)；四川省青年科技创新研究团队专项计划(2016TD0015)

桂兵仪(1991-)，男，硕士研究生，guibingyi@163.com,研究方向为低温等离子体应用

*通讯作者：唐德礼(1969-)，男，研究员，tangdeli@263.net,研究方向为离子源、低温等离子体及其应用

桂兵仪,唐德礼,金凡亚,等.圆柱形霍尔推力器轮辐效应试验研究[J].中国空间科学技术,2017,37(5)：54-59.GUIBY,TANGDL,JINFY,etal.ResearchonrotatingspokebyusingthecylindricalHallthrustersegmentedanode[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(5)：54-59 (inChinese).