10 cm ECR中和器性能优化实验研究

孟海波，杨 涓，黄文斌，夏 旭，付瑜亮，胡 展

(西北工业大学航天学院，西安 710072)

0 引 言

随着人类对太空的不断探索，新的空间飞行任务对空间推进技术的要求不断提高，传统的化学推进将不再满足任务需求。相比之下，电推进装置具有高比冲、长寿命、高控制精度等优势，能够满足未来飞行成本低、运行寿命长、飞行距离远等任务要求。在众多的电推力器中，电子回旋共振(Electron cyclotron resonance, ECR)离子推力器[1-2]因其具有结构简单、无烧蚀阴极以及易于小型化等优点逐渐受到航天工作者的关注。目前，日本的ECR离子推进技术研究最为成熟，其分别于2003年和2014年将10 cm ECR离子推进系统成功应用在隼鸟号和隼鸟2号探测器上[3-6]。西北工业大学是国内最先开展ECR离子推力器研究的单位，也取得了一定的成果，现已成功研制出了放电室直径分别为2 cm和10 cm的ECR离子推力器样机[7-11]。就10 cm ECR离子推力器样机而言，其离子源的束流引出大小均能达到百毫安量级，而ECR中和器的束流引出性能仍需要进一步研究。

本文将在现有ECR中和器的基础上，采用束流引出实验优化的手段，对中和器结构进行合理改进，分析中和器结构对放电室内电磁场分布规律的影响以及中和器结构与束流引出性能之间的内在联系，达到显著提高ECR中和器束流引出性能的效果，为后续ECR离子推力器的应用奠定基础。

1 ECR中和器结构与分析

现有ECR中和器采用的微波频率为4.2 GHz，其放电室结构简图如图1所示，主要由微波接头、L型天线、前磁轭、后磁轭、磁块以及电子引出板组成。微波接头与天线用于馈入微波并在放电室内形成一定的微波电场分布；前、后磁轭与磁块共同构成磁路，并在放电室内形成一定的静磁场分布；电子引出板用于限制中性气体的流出，维持放电室内气压并引出电子。

图1 现有ECR中和器放电室结构示意图Fig.1 Schematic diagram of existing ECR neutralizer discharge chamber

结合前期计算与实验结果[11]发现中和器的静磁场与高频微波电场分布规律以及电子引出板结构不是十分合理。为此对现有ECR中和器结构进行改进，改进ECR中和器放电室结构如图2所示，具体结构改进方案如下所述。

图2 改进ECR中和器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of optimized ECR neutralizer discharge chamber

减少后磁轭厚度及后磁轭内径以控制ECR区在合理的位置，从而间接控制等离子体高密度区向轴线靠近，减小磁场对电子的束缚，更有利于电子引出。改进后的后磁轭厚度h1为h11，内径d1选取为d11，d12，d13，d14。

采用两种不同放电位置的天线结构，并调整天线轴向与径向长度以获得合理的放电间隙以及微波电场分布。具体结构为径向间隙放电天线轴向长度L1为L11，L12，径向长度L2为L21；轴向间隙放电天线轴向长度L1为L13，径向长度为L2为L22，L23。

通过调控电子引出板的结构尺寸，从而实现电子引出距离的调控，减少了电子在引出过程中的损失。改进后引出板台阶内径d2为d21，d22，d23，d24，台阶厚度h2为h21，h22，h23，h24，引出孔直径d3为d31，d32，d33，d34，d35。

2 中和器结构对束流引出性能的影响实验

采用ECR中和器束流引出实验系统[12]，对改进结构中和器开展束流引出性能实验研究，以验证改进思路的正确性。考虑ECR中和器的工作稳定性以及方便与现有数据做对比，选取实验工作参数为微波功率P=8 W，氙气气体流量q=1 sccm。收集板与引出板间距为5 mm，间距过小容易引起板间放电异常，间距过大会导致外加电场效果不明显，不利于电子引出。

2.1 后磁轭结构优化实验

图3 不同后磁轭结构中和器束流引出对比图Fig.3 Comparison diagram of beam extraction in different back yoke structures

实验引出板结构为d2=d1，h2=h22，d3=d33，采用径向间隙放电天线且L1=L11，进行不同磁轭结构的中和器放电及束流引出实验。实验结果如图3所示，从图3可以看出，当后磁轭内径d1≥d13时，随着后磁轭内径d1的减小，相同引出电压条件下中和器引出的电子束流增加。这是由于当后磁轭内径d1减小时，前后磁轭形成的ECR区越大且ECR区越靠近轴线，使得等离子体高密度区位置向轴线靠近，电子引出过程中受磁场束缚小，更容易从引出孔引出。当后磁轭内径d1=d14时，中和器引出的电子束流反而减小，并且突变电压明显高于其他三种情况。分析认为，当d1=d14时，中和器放电室内形成的等离子体密度低，导致突变性能较差。此外，由于后磁轭内径过于小，大量的电子在引出过程中打到后磁轭内壁面上，导致电子损失加剧，因而在相同引出电压下，中和器引出的电子束流随之下降。

以上实验规律验证了中和器放电室内ECR区位置改进思路的正确性，表明了调控ECR区的位置能够间接控制等离子体高密度区位置。实验得到d1=d13时，中和器束流引出性能更好。

2.2 天线结构优化实验

以后磁轭内径d1=d13，引出板结构为d2=d23，h2=h22，d3=d33为固定结构进行不同天线结构中和器实验。实验结果如图4所示，分析发现，采用径向间隙放电的天线时，天线轴向长度L1越短，中和器在高引出电压下引出的电子束流更高。原因在于轴向长度L1越短，天线离ECR区越近，电子更易吸收微波能量，所以该天线结构下中和器引出的电子束流更高。采用轴向间隙放电的天线，天线径向长度越长，中和器在相同引出电压下引出的电子束流更低。原因在于径向长度L2越短，电子获能越高且在天线表面的碰撞损失越小，所以相同引出电压条件下中和器引出的电子束流更高。比较两种放电方式条件下的中和器束流引出特征，可以看出在引出电压低于60 V时，采用径向间隙放电天线的中和器电子束流引出性能更好。而在高引出电压条件下，采用轴向间隙放电天线的中和器引出的电子束流更高。

图4 不同天线结构中和器束流引出对比图Fig.4 Comparison diagram of beam extraction in different antenna structures

实验中还发现，天线结构为L1=L13，L2=L22时，中和器虽然引出电子束流最高，但是其启动重复性较差，甚至在大概率情况下无法实现重复启动。综合考虑，采用径向间隙放电天线，且天线结构为L1=L12，L2=L21时，中和器束流引出性能更优。

2.3 引出板结构优化实验

以后磁轭内径d1=d13，天线尺寸L1=L12，L2=L21为固定结构进行不同引出板结构中和器实验。实验中采用的电子引出板可优化参数为引出板台阶内径d2、台阶厚度h2和引出孔直径d3。

2.3.1不同台阶内径的中和器对比实验

固定引出板台阶厚度h2=h22，引出孔直径d3=d33，开展不同台阶内径的中和器放电及束流实验。由图5可知，当引出板台阶内径d2与后磁轭内径d1相同时，中和器在低引出电压条件下，引出的电子束流更高。而在高引出电压下，d2=d24与d2=d23两种引出板结构下的中和器束流引出性能差异不大。原因在于低引出电压条件下，台阶内径越小，越多的电子在向引出孔迁移过程中损失在引出板台阶内表面上。综合考虑，引出板台阶内径保持与后磁轭内径一致，中和器整体性能更好。

图5 不同台阶内径中和器束流引出对比图Fig.5 Comparison diagram of beam extraction in different step inner diameters

图6 不同台阶厚度中和器束流引出对比图Fig.6 Comparison diagram of beam extraction in different step thickness

2.3.2不同台阶厚度的中和器对比实验

固定引出板台阶内径d2=d23，引出孔直径d3=d33，开展不同台阶厚度的中和器放电及束流引出实验。从图6可以看出，当h2=h21时，中和器引出电子束流均处于较低水平。当h2>h21时，在高引出电压条件下，中和器电子束流引出性能相当，但是在低引出电压条件下，h2=h22时的中和器引出的电子束流最大。这是因为当台阶厚度低于一定值时，等离子体高密度区到引出孔间的距离就过小，电子还未运动至轴线附近就已经损失在引出孔周围的内表面上。综上，当引出板台阶厚度h2=h22时，中和器性能更好。

2.3.3不同引出孔径的中和器对比实验

固定引出板台阶内径d2=d23，台阶厚度h2=h22，开展不同引出孔直径的中和器放电及束流实验。由图7可知，当d3=d33时，无论多大的引出电压，中和器引出的电子束流均最大。当d3d33时，中和器引出的电子束流略高于小孔径中和器引出的电子束流，但还是处于较低水平。孔径过大，虽然有利于电子的引出，同时也会引起大量中性气体的流失，导致中和器放电室内形成的等离子体密度不高，从而不利于中和器引出较高的电子束流。因此，当引出孔直径d3=d33时，中和器的整体性能更好。

图7 不同引出孔直径中和器束流引出对比图Fig.7 Comparison diagram of beam extraction in different diameters of the extraction hole

3 最优结构中和器性能实验

得到中和器最佳结构后，还需对其开展不同工作参数下的性能实验，以获得该结构中和器的电子束流引出规律以及最佳的工作和性能参数点。实验中收集板与引出板间距仍为5 mm。

3.1 不同气体流量实验

不同流量下中和器束流引出结果如图8所示，可以看出气体流量越小，中和器引出的电子束流更高，推进剂利用率明显上升，放电损耗也有所下降。分析认为气体流量增加，中和器放电室内的中性气体增加，电子还未获得足够使中性气体电离的微波能时就与中性气体碰撞，使得能量损失掉而未能使中性气体电离，最终导致中性气体的实际电离率较小，从而引起上述实验现象。当q=0.5 sccm时，中和器的最高气体利用率高达4.3，在50～100 V的引出电压条件下放电损耗维持在130～150 W·A-1之间。此外，气体流量升高，中和器突变电压有所降低，但是突变电流不大。当q=0.5 sccm时，中和器在50 V的突变电压下的突变电流高达96 mA，且在100 V引出电压条件下引出155 mA的电子束流，明显优于其他两种流量下的中和器束流引出情况。

图8 不同流量下中和器性能对比图Fig.8 Performance comparison diagram of neutralizer under different flow rates

实验中还尝试将气体流量继续减小，但是中和器工作状态并不理想。当q<0.5 sccm时，在束流引出状态下中和器工作状态极不稳定，并且随着引出电压的上升，中和器还经常出现突然停止工作的现象。因此，通过该部分实验得到，同等条件下中和器引出的电子束流大小与气体流量并不成正比，而是有一个合理流量值。

3.2 不同微波功率实验

不同微波功率下中和器束流引出结果如图9所示，可以看出输入的微波功率越高，在相同引出电压下中和器引出的电子束流更高，相应的推进剂利用率更高，放电损耗更低。这一规律符合实验预期，微波功率越高，意味着中和器放电室内的电子可获得的微波能量越高，更多的高能电子大大提高了中性气体电离率，产生了高密度的等离子体，所以中和器的电子束流引出性能明显随微波功率的增加而得到改善。此外，当微波功率变化时，中和器突变电压不变，而突变电流随功率的增加而升高。当P=6 W时，中和器在100 V引出电压下只能引出92 mA的电子束流，已经不能满足离子源性能的需求；当P=10 W时，中和器在50 V突变电压下突变电流已达到127 mA，此时的中和器束流引出性能已基本满足离子源的需求。

图9 不同微波功率下中和器性能对比图Fig.9 Performance comparison diagram of neutralizer under different microwave power

实验中还尝试将微波功率继续减小或增加，当功率减小时，中和器也会出现工作不稳定甚至突然熄灭的情况。分析认为气体流量低于0.5 sccm时，放电室内中性气体密度较低，高能电子与中性气体的碰撞不剧烈，导致生成的等离子体密度低，无法维持中和器持续处于电子引出工作状态。当功率继续增加时，中和器引出的电子束流还能提升，但是高微波功率容易损坏微波接头及线缆的连接段，因此没有做过高功率条件下的性能测试。

3.3 ECR中和器束流引出性能对比

结合文献[11]中的实验数据，ECR中和器改进前后束流引出性能对比如图10所示。从图10可以看出，改进ECR中和器工作状态发生突变后，相同条件下引出的电子束流明显高于改进前。当引出电压为100 V时，改进中和器能引出129 mA电子束流，相比于改进前提升了近50%，对比结果说明了控制ECR区靠近轴线、优化天线尺寸以及调控电子引出距离有利于改善ECR中和器的束流引出性能。

参考文献[13]中的实验数据，改进后ECR中和器与国外中和器束流引出性能对比如图11所示。图中可得国外中和器突变性能更好，在更低的突变电压下引出的电子束流更高，表明本文研究的ECR中和器性能还有一定的上升空间。分析认为性能差异产生的原因主要与放电室内等离子体密度有关，改进中和器放电室中等离子密度低于国外中和器，导致离子与壁面电子的复合以及二次电子的产生不剧烈，使得补充电子不足，导致改进中和器最终引出的电子束流较小。

图10 改进前后中和器性能对比图Fig.10 Performance comparison diagram of neutralizer before and after improvement

图11 改进后中和器与国外中和器性能对比图Fig.11 Performance comparison diagram of improved neutralizer and foreign neutralizer

3.4 最佳工作参数和性能

就ECR中和器而言，其束流引出性能好坏由工作参数和性能参数共同决定。气体流量以及微波功率越低，相同引出电压条件下中和器引出的电子束流越高，中和器束流引出性能越好，此时中和器推进剂利用率越高，放电损耗越低。

通过上述不同流量及微波功率的性能实验，得到中和器的合理气体流量值为0.5 sccm。对于微波功率，虽然希望其越低越好，但中和器在低微波功率下性能表现不理想，适度增加微波功率可以使得中和器引出的电子束流大幅提高，极大降低放电损耗。因此，综合考虑，最终确定中和器的最佳工作与性能参数点为：当微波功率P=10 W，氙气流量q=0.5 sccm，收集板间距为5 mm时，中和器突变电压为50 V，突变电流127 mA，在100 V引出电压下能引出电子束流219 mA，气体利用率为6.1，放电损耗为145.6 W·A-1。

4 结 论

本文开展了ECR中和器束流引出对比实验，对中和器结构进行了优化，提高了中和器的电子束流引出性能。主要结论如下：

1)后磁轭内径越小，ECR区向轴线偏移，等离子体高密度区也越向轴向靠近；后磁轭内径过大电子引出困难，内径过小，电子在后磁轭内表面损失加剧。

2)径向间隙放电天线的轴向长度越长或轴向间隙放电天线的径向长度越长，中和器启动越容易，但引出束流越低。两种天线比较而言，径向间隙放电天线更有利于中和器启动，轴向间隙放电天线更有利于电子引出。

3)引出板台阶内径与后磁轭内径一致时电子引出更顺利，存在合理的台阶厚度以及引出孔直径，使得中和器束流引出性能最佳。

4)改进后中和器性能实验表明：中和器引出的电子束流不随工质气体流量的升高而升高，而是存在合理的流量值使得中和器引出束流最大；微波功率越高，相同条件下中和器引出的电子束流更高，推进剂利用率也更高，放电损耗越小；相比于改进前，改进后ECR中和器在相同工作条件下电子束流引出性能得到大幅提高。