離子推力器電子反流的理論預測與試驗測量

　　對離子推力器來說，加速柵的作用是提供一個負的電勢壁壘，阻止下游的電子反流到放電室內(nèi)部。反流電子流不僅會導致推力器能量損失，嚴重的甚至會導致推力器無法工作。電子反流閾值是由加速柵孔內(nèi)的鞍點電勢所決定的，而決定鞍點電勢的因素有屏柵和加速柵的電勢，屏柵和加速柵的幾何結構，子離子束流的大小。推導了鞍點電熱公式，采用監(jiān)測屏柵電流的變化的方法，測量出反流閾值，并與理論計算值相比較。

1、引言

　　離子電推進系統(tǒng)是一個先進的空間電推進系統(tǒng)，它具有高比沖，高效率，推力小的特點。在推力器運行的時候，為了維持航天器的電中性，離子推力器在運行時，中和器會發(fā)射和柵極引出束流離子相反的電子流，將束流離子中和。加速柵的負電壓的作用是阻止電子反流到放電室內(nèi)部。加速柵外面的電子符合麥克斯韋分布，如果加速柵電壓不夠，某些速度非常高的電子就能穿過加速柵，進入到放電室內(nèi)部，形成電子反流現(xiàn)象。電子反流現(xiàn)象發(fā)生后，由于電子流不會貢獻推力，會造成不必要的功率損耗，引起離子推力器性能下降，壽命降低，而且電子轟擊到放電室內(nèi)部產(chǎn)生的能量沉積會造成放電室局部溫度過高，損害放電室組件。當電子反流嚴重時，甚至會導致離子推力器無法正常而壽命結。

2、理論預測

　　2.1、加速柵孔電勢

　　在離子推力器中，屏柵和加速柵上面有很多對齊的小孔，用來引出束流。而從每一對小孔中引出的束流，稱之為子離子束流。所有的子離子束流結合在一起，就形成整個離子束流。離子推力器的加速柵下游等離子體是由帶正電的束流離子，尚未被電離的中性粒子，和由中和器發(fā)射出的帶負電的電子所組成的。對于帶負電的電子來說，電勢為負的加速柵，就是一個負的電勢壁壘，只有具有一定能量的電子才能穿過這個電勢壁壘。加速柵外面的電子，符合麥克斯韋分布，處于分布曲線尾部的高能電子就有可能穿過加速柵電勢壁壘。所以加速柵負的電勢越高，能穿過這個壁壘的電子就越少，電子反流就越小。但是加速柵電勢太高，又會導致其它的負面影響( 比如說，電荷交換離子對加速柵的腐蝕作用) 。所以要在加速柵上設置一個合適的電勢，使得反流的電子足夠小。在加速柵附近的空間電勢分布如圖1 所示：

圖1 加速柵附近電勢分布

　　其中虛線為子離子束流軸線上的電勢分布; 實線為兩個子離子束流之間，即柵邊界上的電勢分布。子離子束流軸線上的電勢最低點比加速柵上的電勢要高，稱這個電勢最低點為“鞍點”。產(chǎn)生這個電勢差的主要原因是束流內(nèi)部的正空間電荷。這個鞍點電勢即為電子反流到放電室內(nèi)部所需要克服的電勢壁壘。進一步的研究表明，鞍點電勢和三個因素有關:

　　(1) 柵極間的靜態(tài)電勢分布

　　(2) 屏柵與加速柵之間的幾何結構( 包括柵間距，柵孔徑，加速柵腐蝕程度[5]等)

　　(3) 加速柵孔內(nèi)部的子離子束流空間電荷分布。

試驗結果分析

　　從上面的試驗結果可以看出，當加速柵電壓降低到-175 V 時，就可以開始出現(xiàn)電子反流。隨著加速柵電壓的繼續(xù)下降，反流電流迅速增大。在-172 V 附近，達到我們設定的反流閾值：febs = 1% 。將試驗和理論計算的結果相對比，發(fā)現(xiàn)反流閾值函數(shù)的理論曲線和試驗曲線形狀上是一樣的，都是隨著加速柵電壓的減小而迅速增大。然而試驗測量得到的閾值比理論計算出的閾值大18.6%。分析原因，主要為理論推導過程中的假設和近似處理。

　　(1) 在推導(5)式的時候，假設ne = ni，但是在加速柵出口平面附近，離子密度比電子密度大得多。這大量的離子，在加速柵出口平面附近形成一個正離子鞘層，使得鞍點電勢偏高。

　　(2) 考慮加速柵孔內(nèi)，空間電荷的影響的時候，假設子離子束流內(nèi)部的空間電荷是均勻分布的，然而屏柵和加速柵對離子的聚焦作用，使得在加速柵孔內(nèi)，軸線附近的電荷密度最大，越靠近加速柵邊界，電荷密度越小。在加速柵內(nèi)部，空間電荷的這種分布，使得鞍點電勢比理論值要偏高。

4、結論

　　在考慮柵極間的靜態(tài)電勢分布，柵極的幾何結構，以及加速柵孔內(nèi)的空間電荷分布的情況下，推導了一種鞍點電勢的表達式，并且針對具體的推力器進行了試驗驗證。通過理論計算的到的反流函數(shù)與加速柵電壓的圖形，與試驗測量數(shù)據(jù)擬合出的圖形相一致，驗證了理論計算結的正確性。同時通過分析理論與試驗所得具體數(shù)值的差異，得出了理論推導過程中近似處理所產(chǎn)生的誤差。