电负性气体等离子体推力器研究进展

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大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室, 大连 116024

在传统栅极离子推力器中，正离子在放电腔内由稀有气体放电产生，随后通过栅极产生的电场加速喷出获得推力。在正离子喷出后，为了保持推力器整体呈电中性，需要额外增设电子发射源，即中和器，对喷出的正离子进行中和，中和器的寿命在一定程度上制约了传统等离子体推力器的应用。巴黎综合理工大学经过实验，提出了一种使用稀有气体(氩气)与电负性气体(SF6)的混合气体作为推进工质来产生和加速正、负离子的电负性气体等离子体推力器(PEGASES)[1]，之后针对具有相似物理、化学性质的气体工质(如氯气Cl2、氧气O2等)展开了诸多研究。该推力器无需在推力器出口增设中和器，与传统栅极离子推力器明显不同。

无需使用中和器给电推进系统带来了诸多优势，最明显的是延长了其使用寿命，减少了结构部组件降低了系统复杂度和成本。传统栅极离子推力器需要外加电源为栅极供电，而电负性气体等离子体推力器可使用射频供电系统中的电源，通过设定不同占空比对正、负离子进行交替加速，无需另外增设电源，这将进一步简化推力器系统组成。此外，相比传统带有中和器的电推力器，该推力器在羽流区正、负离子复合速率更快，意味着达到电中性的时间更短，能够大幅降低推力器溅射时的带电粒子数，从而减缓推力器的腐蚀效应。如图1所示，电负性气体等离子推力器的工作过程为：将射频功率加载到放电腔，同时注入工质气体，工质气体在射频功率馈入的能量作用下发生电离产生正、负离子和电子，高温电子有利于工质气体电离产生正离子，低温电子通过与中性粒子有效结合产生负离子。获得正离子较容易，而负离子形成较复杂，使用磁过滤装置对电子约束使其降温并与中性气体结合可以有效得到负离子，这样就形成了含有极少电子的正、负离子等离子体，再通过栅极对正、负离子进行加速，喷出后自行复合呈电中性，无需加设中和器。

鉴于以上优势，对该种新型推力器的研究十分必要。

图1 电负性气体等离子体推力器工作原理Fig.1 The PEGASES concept

1 推力器发展现状

电负性气体等离子体推力器的提出是为了改善空间电推进系统的经济性和寿命。其无中和器的优势吸引了诸多国家的重点关注。美国乔治亚理工学院设计出了马歇尔推力器(MINT)，将电负性气体作为工质气体，交替加速正、负离子产生推力，实验结果较为理想[1]。法国巴黎综合理工学院最初于2009年设计研制了离子-离子推力器第一代原理样机[2]，在2014年又通过实验对以往结论进行验证总结，实现了该推力器成功点火，将等离子体中的电子数密度降到离子数密度千分之一以下[3- 4]。美国海军研究实验室通过试验证实了加载偏置电压可以从电负性气体等离子体中引出正、负离子[5]。

2 电负性气体等离子体推力器工作原理及过程

图2为电负性气体等离子体推力器三维模型示意图，使用电负性气体等离子体在于交替加速正、负离子以获得推力，该理念是电推进研发的全新方向。主要方法是通过建立分层高数密度的正、负离子等离子体，以便引出和加速等离子体，所喷出的正、负离子自行复合呈电中性，因此在推力器下游无需中和器，由于磁过滤装置对电子的束缚作用，在引出过程中羽流区电子极少，降低了羽流污染。该推力器工作主要分为三个阶段：1)电负性工质离子化；2)正、负离子等离子体形成；3)正、负离子加速。

图2 电负性气体等离子体推力器三维模型Fig.2 3D model of PEGASES

(1)电负性工质离子化

工质离子化是最初的工作过程，在该过程中由射频功率源通过匹配器将能量传递给激发电离工质气体的天线[6-7]。确定射频耦合模式、推进工质注入方案、天线结构是工质离子化的重要内容，其中射频耦合模式决定了该过程效率的高低。

射频耦合主要用来传递能量[8-9]，主要方式有：容性耦合(CCP)、感应耦合(ICP)和波耦合[1]。容性耦合是由于鞘层在射频电压变化下导致电容变化使得电子获得能量激发放电。在感应耦合中，天线在射频功率源作用下产生了感应电场，电子在电场中获取能量激发放电。在波耦合模式中，射频功率源产生具有较高能量的电磁波，通过朗道阻尼作用将能量传递给电子激发放电。

经研究发现，铁磁强化后的感应耦合(FMICP)在能量传输效率上优于单纯的感应耦合(ICP)模式[10]。铁磁强化后的感应耦合能够在更宽的射频功率范围和气压条件下有效工作，且便于对离子数密度进行调控。马歇尔推力器采用了适当磁导率的铁氧体环状磁芯，与一定射频功率源频率相匹配，可有效减小影响等离子体均匀性的容性耦合放电以及较低利用率的传输线效应。

为了获得理想推力、增大射频功率耦合效率、提高工质利用率，推进工质注入时采用多处均匀注入方式[4, 10]。适当增加天线宽度以确保推进工质获得足够的射频能量，提高离子化效率[1]。

电负性等离子体是一种除了离子化、复合之外，振动状态分解及改变也消耗能量的等离子体。因此，产生正、负离子比仅产生正离子消耗的电能更多。负离子会主动与正离子结合，两者间存在库仑力作用，提高了正、负离子结合效率，因此使用电负性气体等离子体最大的挑战是如何得到高数密度的正、负离子[2]。

(2)正、负离子等离子体形成[11]

正、负离子等离子体是除了中性粒子外几乎仅含有正、负两种离子和极少电子的等离子体。即带负电粒子的运动状态主要是由较重且难以运动的负离子决定而不是由轻小的自由电子决定。带有该种负离子的等离子体与一般电正性和弱电负性等离子体明显不同。负离子主要通过自由电子与中性粒子结合形成，但是在射频放电过程中电子温度较高而不易完成两者的结合过程，所以需要对电子进行冷却[5]。根据该原理，正、负离子等离子体形成主要有三种方式：在脉冲电负性等离子体的余辉中形成；在电子束产生的等离子体中形成；在磁场约束的电负性等离子体边缘形成[12]。

图3为Midha和Economou在氯气脉冲放电条件下得到的离子密度、电子温度随时间变化的一维流体仿真结果。当中断射频能量输入时，电子温度迅速降低，之后电子数密度随着负离子数密度的提高而降低，这是由于该部分电子与中性粒子结合形成了负离子所致，正、负离子等离子体在经过几十微秒之后有效形成[2]。

图3 离子数密度、电子温度在氯气脉冲放电中的变化规律Fig.3 Ion densities and electron temperature in a high density pulsed chlorine plasma

从图3中可以看出，正、负离子数密度下降十分明显，这对于等离子体推进系统而言，脉冲方式获得的正、负离子效率较低。且等离子体施加脉冲需要增设相关设备，从而使得系统体积和质量增加。因此，对于电负性气体等离子体推力器而言，持续工作方式更为合理。

Walton等人在实验中发现，在持续电子束中可获得很高的负离子数密度，此时该等离子体中电子温度均很低(Te<1.0 eV)，因此电子结合率很高并且能够和电离率相比。如图4、图5所示，在电子温度低于1～2 eV时，电子结合率与电离率相当。大部分产生的电子转化为负离子，因此有效形成了正、负离子等离子体。研究表明，采用电子束来产生正、负离子等离子体非常有效，但是该方式增加了系统复杂度，尤其选用空心阴极作为电子源时，限制了使用寿命[2]。

图4 SF6中离子化和结合率随电子温度变化曲线Fig.4 Ionization and attachment rate coefficients as a function of electron temperature in SF6

图5 Cl2中离子化和结合率随电子温度变化曲线Fig.5 Ionization and attachment rate coefficients as a function of electron temperature in Cl2

另一种产生正、负离子等离子体的有效方法是：使用适当的磁场将电子束缚在沿着磁场线的方向上，而允许离子在垂直于磁场线方向上运动，即电子过滤，该方式在约束电子的同时降低了电子温度，促成正、负离子等离子体的产生并且提高了电子利用率，图6为电子过滤装置示意图，磁场可使用电磁螺线管或者永磁体。如Walton等人使用100～200 Gs的磁场来约束电子束[5, 13-14]，而Kawai等人使用2 000 Gs的磁场[15]。两者均在Ar/SF6混合工质和离子数密度为109cm-3的电区域获得正、负离子等离子体。Amemiya等人利用一系列永磁体获得了近乎不含电子的区域[2]，产生的氧离子数密度为109～1010cm-3。

图6 电子过滤装置Fig.6 Electronic filter device

(3)正、负离子加速

在有界等离子体边缘存在约束带电粒子的电势，可使达到器壁的正电流和负电流平衡。在通常情况下，等离子体是由数量相等的正离子和电子组成，其中电子比离子更易移动，因而等离子体相对器壁呈正电性。在等离子体和器壁之间的非电中性区域称作鞘层。为了维持离子流的连续，在电中性的等离子体和非电中性的鞘层之间一定存在一个过渡层或称预鞘层[16-18]，如图7所示。图中ne为电子数密度；ni为离子数密度；n0为中性粒子密度；x为器壁；Φp为等离子体电势；Φw为器壁电势。

图7 鞘层和预鞘层Fig.7 Sheath andpresheath

鞘层和预鞘层及其形成在引出离子束的栅极设计中是必须考虑的基础特征。由于较电子而言，负离子具有更低的温度和更大的质量，正、负离子等离子体中鞘层结构与传统电子、正离子等离子体有很大不同。一般情况下有两种引出和加速方式：一是使用两个独立相邻的栅极系统，一个接负偏压引出正离子束，一个接正偏压引出负离子束；二是正、负偏压交替施加在一个栅极系统上引出正、负离子。

Kanakasabapathy和Walton等人已经证明了相当的正、负离子流可以通过使用低频正弦偏置电压来获得[2]。研究表明在偏置电压频率发生变化时鞘层区域表现出明显的改变，该变化取决于等离子体碰撞的规模和离子等离子体频率。为了用单偏置电压栅极有效地引出高速的正、负离子，需要射频源具有最优化的频率和波形。通过PIC粒子模拟对鞘层大小和预鞘层的存在进行研究发现，在直流偏置电压影响下，正、负离子等离子体中形成了查尔德定律类型鞘层，但是该鞘层大小由反射离子种类而不是电子决定。实验还证明尽管正、负离子在质量方面差别极小(5%)，也会产生极大的电势不对称，对等离子引出和加速具有一定影响。因此对形成不同质量的正、负离子的电负性工质气体如O2、SF6而言，清楚认知正、负离子的产生过程尤为必要。

对基于栅极交替加速模式而言，通常至少需要两个栅极。第一个栅极直接与等离子体连接并且通有波形交替变换的偏置电压，第二个栅极接地，这样在一个偏置周期内就能够获得不同方向的电场，正、负离子由于两个栅极之间加速电场方向改变而加速或者减速。

一般情况下，在电正性、电负性等离子体中自由电子对于鞘层的形成至关重要，而且等离子体的电势相对于施加在栅极上的电势而言偏正。在正、负离子等离子体中电子数密度极低，空间鞘层可以忽略。PIC粒子模拟和流体仿真表明当等离子体暴露在偏置栅极处时，空间鞘层的带电类型取决于所加电压。这样当正、负离子穿过第一个栅极时，其在两栅极电场作用下加速或者减速。

两栅极之间的电压变化频率在离子的引出、加速以及中和过程中具有至关重要的作用。对于射频放电的高频而言，变化频率应低于等离子体频率，以保证正、负离子加速和复合。

(1)

式中：ωpi为等离子体频率；e0为电子带电量；ni为离子数密度；ε0为真空介电常数；Mi为离子质量[4]。对于SF6而言，其离子数密度上限约为1011cm-3，电压变化频率约为5 MHz。

3 关键技术

相比于传统栅极离子推力器而言，电负性气体等离子体推力器关键在于：选用适当的电负性气体工质、高效的电子过滤装置、加载合理的栅极偏置电压、选择合适的诊断方式。

3.1 电负性气体工质选用

在电负性等离子体推力器中，选用适当的电负性气体作为推进工质以达到同时加速正、负离子来获得所需推力的目的。电负性气体是一种极易与自由电子结合形成负离子并保持稳定状态能力的气体[19]，通常为非金属元素组成的单质或者化合物，非金属性较强。其中由卤族元素组成的单质，如氯气、碘蒸气等，或者是由卤族元素组成的化合物分子气体，比如SF6、CF4等较为常见。除此之外还有O2和H2等非卤族元素气体。研究表明，在压强0.13 Pa、射频功率100 W的条件下，采用SF6作为工质产生的正、负离子速率相当，具有较高的复合率[20]。

在这些电负性气体中，I2一直被认为是最有发展前景的工质，I2的电负性极强，电离阈值很低(I2：9.41 eV；I:10.5 eV)[2]，这使得碘在合适的射频功率下可以充分电离，获得比较理想的正、负离子等离子体。除了上述优点外，碘在空间的贮存特性也是其作为推进工质的重要优势。描述电负性气体电负性程度的主要指标有：负离子与电子数密度的比值：α=n＿/ne；电子温度与负离子温度的比值：γ=Te/T_。

3.2 电子过滤装置

分子气体的电离和复合受电子影响较大，其反应过程如下[12]：

(2)

(3)

(4)

式中:Bx、By、Bz分别为不同原子个数的B(如F5、F6、F3)。从式(2)～(4)可以看出，中性气体分子先与高温电子发生碰撞电离产生离子和电子，低温电子被未电离的中性分子捕获结合为负离子。在放电室上游同时存在正、负离子和电子，为保证反应持续进行，需要将电子约束在放电室中，从而使电子与中性分子持续结合以不断提高负离子数密度，即提高电负性程度。产生电负性气体等离子体关键在于控制电子分布，通过磁场过滤装置使得高能电子主要集中在放电室上游区域不断反应产生离子，下游的低温电子能够与中性粒子结合形成负离子。

3.3 栅极电压加载

栅极采用一端施加正弦偏置电压、另一端接地的方式用以对正、负离子进行加速，电场方向随时间交替变化。由于在同一个周期中被加速的正、负离子数量不一定相同，因此需要选择合理的偏置电压占空比，调整离子相应的加速时间以保证获得近似甚至数量相同且速度接近的正、负离子，使得喷出的离子能够完全复合为中性粒子，进而使羽流呈电中性。近期实验发现，以毫秒为上升沿的方波也能对正、负离子进行加速，而且栅极位置对等离子体的形成几乎没有影响，其最佳位置取决于磁过滤装置后离子数密度最大位置。通过PIC模拟发现，从等离子体源中引出的正、负离子通量比例由气体电负性决定，通常负离子数密度远高于电子数密度。负离子从等离子体中引出时可以检测到部分电子，在该情况下负离子的加速周期比正离子加速周期短才能补偿电荷密度和电荷量的不均，使得正、负离子通量相等。为了获得更加准确可靠的数据，可以联立离子连续性方程、动量守恒方程及泊松方程进行计算。相关结果表明，离子鞘层结构与偏置电压频率以及离子与栅极的碰撞频率密切相关，离子运动速度远高于热运动的平均速度，说明不同偏置电压模式条件下形成的鞘层对离子运动具有一定影响[7]。

选择SF6作为工质气体时，当正偏置电压达到稳定的时候，正、负离子等离子体电势比栅极施加电压大约低100 V。这是由于正、负离子等离子体在栅极上形成了介电薄膜，其由SFx在放电腔反应中产生的硫沉积而得[21]。该薄膜的形成与增长对于不同偏置电压会有所变化。当偏置电压为正时，薄膜容易沉积形成，而施加负偏置电压则会出现薄膜自清理。如图8所示，负偏置电压减小至一定值(<-150 V)后，离子电势无法继续减小，在栅极孔附近形成了抑制高电压对负离子的加速作用[4]。因此，应当选择合适的负偏置电压以减小介电薄膜对负离子加速效果的影响。研究发现在施加正偏置电压时可以加入氩气或者其他稀有气体甚至是化学活性高的气体(比如氧气)，可有效抑制沉积而形成介电薄膜[4]。

图8 等离子体电势随偏置电压的变化Fig.8 Plasma potential as a function of the DC voltage applied to the grid

3.4 诊断方式选择

电负性气体等离子体的一个重要特征是鞘层电势，而研究鞘层的基本方法是测量浸入等离子体中电极的悬浮电势[22]。在电负性气体等离子体中，悬浮电势是电负性离子参数α、γ的函数。为了测量电负性参数，常用方法是使用光致分离技术辅助的朗缪尔探针诊断技术。

4 结束语

电负性气体等离子体推力器采用对正、负离子交替加速的方式产生推力，因而无需中和器，不仅降低了推力器部组件设计和成本，还延长了推力器的使用寿命，因此具有一定的优越性。等离子体引出和加速目前已有较大改进，虽然离实际应用还需进一步深入研究，但是关键参数(电离度、离子数密度等)已可满足推力器放电特性指标要求。相信在不久的将来该推力器会成为一类重要的推进方式。

综合来看，电负性气体等离子推力器的应用前景广阔，其无需中和器、寿命较长等优点将使其在空间科学探测、星际航行等任务中发挥举足轻重的作用。