微推力ECRIT多场与电子输运过程的相互耦合及其对性能影响的研究

Micro electron cyclotron resonance ion thruster (ECRIT) can satisfy the propulsion requirement of small satellite, which excites the proposal of this project. Based on the ECIRT research and application situation, through magneto plasma diagnosing experiments, calculation and analysis on high frequency electric intensity in anisotropic ECR plasma, charged particle beam extracting experiment and magneto plasma PIC/MCC simulation, the mechanisms influencing the performance of Micro-ECRIT will be revealed. The purpose is to clarify the complicated relations between the thruster structure, static magnetic topology, electron heating region and drifting, plasma field, high frequency electric intensity, charged particle beams and thruster performance. This work will provide the important information for Micro-ECRIT performance improving.

微推力电子回旋共振离子推力器（ECRIT）能满足当前微小卫星动力的需求。在此背景下，本项目在国内外现有研究和应用基础上开展2厘米微推力ECRIT离子源和中和器研究，通过磁等离子体诊断实验、气体放电后各向异性ECR等离子体中的微波电场数值计算、束流引出和磁等离子体的并行化全粒子PIC/MCC数值模拟，揭示影响2厘米微推力ECRIT性能的因素，明晰离子源和中和器空间结构、磁路结构、电子加热区、电子迁移过程、等离子体场、气体放电后微波电场、引出电荷束流以及推力器性能之间复杂的耦合关系，获得推力器性能的变化规律及影响因素，为提升微推力ECRIT研究水平提供科学和理论依据。

微推力ECR离子推力器（ECRIT)功率消耗低(<10 W)，能产生较高的等离子体密度，并且其无阴极放电的优势能够延长离子推力器寿命，简化推力器结构，同时产生合适的推力。ECRIT 的微型化使微波电磁场、等离子体场及其迁移过程、磁场和推力器得性能之间的耦合关系变的及其复杂，需要开展深入的研究。.在此背景下，针对2厘米微推力ECRIT离子源和中和器，开展了电磁特性、磁路结构对引出束流和等离子体分布影响的实验和PIC/MCC模拟，离子源内多物理场相互影响的理论分析等研究。完成的工作主要：1）通过有限元软件计算研究离子源和中和器空间结构、静磁场、微波电场和电子获能的相互耦合关系，为解决关键科学问题奠定基础。2）诊断了离子源放电室内的等离子体参数，并进行了不同条件下的束流引出实验，评估离子推力器的性能。3）采用PIC/MCC方法对离子源和中和器内部的等离子体进行模拟，进一步分析磁路结构对性能的影响。4）基于实验结果理论计算了微波电场，研究推力器空间结构、磁路结构、 等离子体场、电子加热区、气体放电后微波电场的相互耦合关系。通过以上研究工作得到结论如下：1）根据各磁路结构下电子获能状态以及高能电子在天线上的损失情况，获得了电子加热效果最佳的推力器结构。2）影响推力器内部电子获能强弱和带电粒子密度分布的关键是磁路结构，而在同样外界输入参数和磁路结构下，腔体长度也对带电粒子损耗起着关键作用。3）离子源内的离子密度和电子温度均分布不均匀，且与不同磁路结构下的ECR区位置相关。4）调整磁体结构和位置，获得了强电子加热区域、带电粒子约束以及微波传输过程间耦合关系，为提高离子源性能奠定了良好的基础。.研究结果表明：通过以上理论、计算、数值模拟和实验研究，获得了ECRIT微波电磁场、等离子体场及其迁移过程、磁场和推力器得性能之间的耦合关系，得到了推力器性能的变化规律及影响因素，为提升微推力ECRIT研究水平提供了科学和理论依据。