Kaufman放電室二次電子溫度的計(jì)算方法研究
二次電子溫度計(jì)算是研究Kaufman放電室的核心內(nèi)容之一。針對(duì)Kaufman放電室建立穩(wěn)態(tài)平板非均勻放電模型對(duì)二次電子溫度進(jìn)行求解。穩(wěn)態(tài)平板非均勻放電模型從擴(kuò)散方程出發(fā)，重點(diǎn)考慮離子漂移造成的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和雙極性電場(chǎng)對(duì)放電室徑向密度梯度造成的影響，進(jìn)一步結(jié)合粒子數(shù)守恒方程，給出用于求解二次電子溫度的方程的解析表達(dá)式。代入典型的Kaufman放電室結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果表明，用穩(wěn)態(tài)平板非均勻放電模型計(jì)算出來的二次電子溫度符合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的范圍，同時(shí)說明在中低壓放電條件下，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和雙極性電場(chǎng)是影響放電性能的關(guān)鍵參數(shù)。
引言
離子推力器作為當(dāng)今宇航推進(jìn)領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種動(dòng)力裝置，其主要特點(diǎn)是小推力、高比沖、推力可精確調(diào)節(jié)，已經(jīng)在中高軌道衛(wèi)星位置保持和軌道轉(zhuǎn)移、深空探測(cè)等宇航任務(wù)中得到應(yīng)用。發(fā)展小衛(wèi)星進(jìn)行阻尼補(bǔ)償、軌道升降、位置保持、姿態(tài)控制、編隊(duì)飛行等任務(wù)所需要的微小電推進(jìn)技術(shù)，意義十分重大。離子推力器主要由放電室、空心陰極、離子光學(xué)系統(tǒng)以及中和器四個(gè)部分組成，其中放電室作為離子推力器的核心組件，其性能的優(yōu)劣直接影響著離子推力器的性能，研究離子推力器放電室放電機(jī)理，對(duì)于改善放電室性能，進(jìn)一步提升離子推力器的性能有重要意義。
目前的離子推力器主要采用Kaufman離子源放電室。Kaufman離子源通過空心陰極發(fā)射原初電子轟擊注入放電室內(nèi)的中性氣體工質(zhì)，通過電離產(chǎn)生等離子體，原初電子和電離過程產(chǎn)生的二次電子一起近似服從Maxwell分布，等離子體中的離子通過離子光學(xué)系統(tǒng)的聚焦作用，被加速引出進(jìn)而產(chǎn)生推力。在Kaufman放電室中，作為等離子體組分的電子和離子的輸運(yùn)機(jī)制，是影響放電室性能的重要因素。為了有效約束放電室內(nèi)電子的平均自由程，進(jìn)一步提升電離率，通常采用磁場(chǎng)進(jìn)行約束。因此研究磁場(chǎng)作用下的電子、離子輸運(yùn)過程顯得極為關(guān)鍵。
目前對(duì)Kaufman放電室內(nèi)的等離子體放電機(jī)制的研究主要手段有兩種：數(shù)值模擬和理論分析。其中，理論分析對(duì)于解釋放電室內(nèi)放電機(jī)理和損耗機(jī)制更為有效。國(guó)內(nèi)外開展Kaufman放電室理論模型的研究已經(jīng)有40余年，期間比較具有代表性的模型有Brophy等在1984年提出的離子推力器放電室簡(jiǎn)化靜態(tài)模型;Goebel等在此基礎(chǔ)上豐富了模型的內(nèi)容，Goebel[6]的模型分析了磁場(chǎng)對(duì)離子、原初電子的約束效果，引入了陽(yáng)極鞘層的物理性質(zhì)，Goebel的模型構(gòu)建了一組完備的描述Kaufman放電室性能的方程組，適合于計(jì)算機(jī)求解。
在研究放電室放電性能時(shí)，近似服從Maxwell分布的二次電子溫度是一個(gè)非常核心的參數(shù)，作為關(guān)鍵的等離子體參數(shù)，承前啟后地連接著Kaufman放電室輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。因此，為了更好的理解Kaufman 放電室放電機(jī)制，為更進(jìn)一步研究Kaufman放電室放電性能提供理論基礎(chǔ)，尋找一種理論上求解電子溫度的方法是非常有意義的。文章從等離子體基本物理原理出發(fā)，根據(jù)Kaufman放電室的幾何結(jié)構(gòu)和放電條件，建立合適的放電模型，通過研究Kaufman放電室徑向帶電粒子密度梯度分布，同時(shí)結(jié)合粒子數(shù)守恒方程求解二次電子溫度的平均值。由于放電損耗是二次電子溫度的函數(shù)，研究成果可以為深入研究Kaufman放電室的放電損耗提供理論依據(jù)。
3、結(jié)論
在Kaufman放電室放電條件下，離子輸運(yùn)過程主要由擴(kuò)散過程和雙極性電場(chǎng)決定。通過建立穩(wěn)態(tài)平板非均勻放電模型，從擴(kuò)散方程出發(fā)，描述帶電粒子在磁場(chǎng)中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程，并進(jìn)一步利用粒子數(shù)守恒方程可以求出放電室中的二次電子溫度。將Kaufman放電室假設(shè)為穩(wěn)態(tài)平板非均勻放電模型，重點(diǎn)考察離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和雙極性電場(chǎng)導(dǎo)致的徑向等離子體密度梯度，進(jìn)一步求解二次電子溫度。計(jì)算結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)平板非均勻等離子體模型計(jì)算結(jié)果在通常試驗(yàn)測(cè)得的二次電子溫度1～10 eV范圍內(nèi)。同時(shí)也在理論上說明了在中低氣壓放電條件下，離子漂移速度遠(yuǎn)高于熱速度，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和雙極性電場(chǎng)對(duì)放電室等離子體性質(zhì)有著重要的影響。
