圆柱形阳极层霍尔推进器中的自溅射仿真与实验研究

The hall plasma thruster has been used in satellites for position keeping and orbital transfer in Europe and United States because of its advantages of high efficiency, high specific impulse and long life, etc. In this program the self-sputtering of inner and outer magnetic pole in cylindrical anode layer hall thruster will be studied by the numerical simulation and experiment.The self-sputtering of the thruster not only affects the life of the thruster, but also affects the stability of the discharge plasma.In this program, the physical mechanism of the magnetic pole etching of the cylindrical anode layer Hall thruster is obtained by establishing a software simulation platform with sputtering module.And the influence of the working parameters of the cylindrical anode layer Hall thruster on the sputtering was analyzed and the measures to reduce the sputtering were proposed.Finally, the experiments will be performed to verified the feasibility.

霍尔推进器具有高比冲、高效能、长寿命、低污染等优点，目前在欧美国家已经用于人造卫星的位置保持和变轨等控制。本项目主要对圆柱形阳极层霍尔推进器中内外磁极存在的离子自溅射问题进行数值仿真和实验研究；由于推进器的自溅射一方面影响推进器的寿命，另一方面还影响放电等离子体的稳定性等不利因素，本项目通过建立具有溅射模块的软件仿真平台，获得圆柱形阳极层霍尔推进器磁极刻蚀的物理机制，并仿真分析圆柱形阳极层霍尔推进器的工作参数对溅射的影响，提出降低磁极溅射的措施； 最后通过实验测试与验证其合理性。

在电推进系统现有的各种工程和物理问题中，器壁刻蚀是制约电推力器使用寿命的关键因素之一。针对项目申报书，主要开展如下几个方面的研究工作：.首先，在三维模型中引入了器壁二次电子发射、内部压强变化等。自溅射模型中考虑了一价和二价入射离子的能量、入射角、材料的核阻止本领、能量阈值等多种影响因素。.其次，在放电等离子体与入射离子的特性分析方面，使用建立的三维模型对电推力器的等离子体开展了模拟工作，在模拟结果中得到一价氩离子、二价氩离子和电子的空间分布，以及轰击内外磁极的离子和电子的数量、能量和入射角分布特征。在降低网格尺寸和高磁场强度的前提下，发现阳极层霍尔推力器内存在兆赫兹的高频小幅值和千赫兹的低频大幅值两种轮辐效应。.再次，根据三维自溅射模型的结果发现内磁极上表面的刻蚀速率由外到内沿径向先降低后大幅增加，内磁极内表面刻蚀速率从低端到顶端是逐渐增加的。外磁极内表面底部的刻蚀速率基本上是随着磁场和气压的增加而增加，随着放电电压的增加是先增加而后降低。外磁极内表面斜面处的刻蚀速率随着电压和气压的升高而增大。通过强弱轮辐效应下的刻蚀速率分布对比可知，强弱轮辐效应下内磁极的刻蚀速率最大相差5.6倍，外磁极的刻蚀速率最大相差1.7倍。.最后在对电推力器自溅射的实验研究中，利用了内外磁极镀膜贴片来测量其刻蚀速率的分布，使推力器在750W的功率下运行5个小时，得到内外磁极六个面上的刻蚀深度分布，在内磁极上表面和内表面的交界处，以及外磁极的内侧面和下表面的交界处达到最大值14um。且与仿真结果的变化趋势以及数量级都存在较好的一致性，也说明了建立的自溅射仿真模型的合理性。为推力器的优化设计、降低磁极刻蚀提供了重要的参考依据。.