ECR离子推力器离子源线极化波注入方式和慢波加热机制研究

The flying test of deep space detection over 7 years has demonstrated the space application possibility of electron cyclotron resonance ion thruster and its properties of long duration and high operation reliability. The ECR ion source in industrial field has been fruitfully researched for a long lime which provides a foundation for ECRIT research. However the application environment of ECRIT requires a detailed study on ECR ion source, which is made form permanent material and has the properties of high ionization degree, microwave coupling efficiency and extraction ion beam current. For extending ECRIT application field from deep space detection to satellite station keeping, the thrust property of ECRIT must be improved. The gas ionization degree in RCR ion source of ECRIT will mainly affect the thrust level. Therefore, in this project the research work is focused on energy input feeding modes of linear polarized wave and the mechanism of electron heating by slow helix wave in the ion source of ECRIT to find the best way of gas discharge improvement. Theoretical study will be taken on the characteristics of wave transmission in ECR plasma to clarify the effect of energy feeding modes of linear polarized wave and slow helix wave on electron heating. Experimentally, with different energy deeding modes of linear polarized wave and slow helix antenna, resonant linear and circular polarized wave modes will be formed separately in two special tapered resonant cavities to generate ECR plasma, which is diagnosed by Langmuir probe to present the variation regularity of ionization degree and mechanism of electron heating by the two resonant waves. Finally the characteristics of extracting ion beam will be experimented to verify the effect of measures taken in this project on ionization degree. All the work can provide important information for ECR ion source improving.

国外7年深空探测飞行试验表明电子回旋共振离子推力器(ECRIT)具有寿命长、工作可靠特点。为了改进ECRIT性能、拓宽其空间推进应用领域，在现有的研究基础上，开展线极化波注入方式以及慢螺旋波加热机制研究、创造有利的加热波模以提高ECRIT离子源电离度是一项迫切需要深入开展的工作。理论上，本项目研究ECR等离子体内波的传输特征，明晰线极化波注入方式和螺旋线激励的慢波对电子加热的影响。实验上，在特殊圆台谐振腔内分别形成具有最佳能量注入方式的谐振线极化波和谐振螺旋慢波来产生ECR等离子体；采用探针诊断手段，研究这两种圆台谐振腔内等离子体分布及引出的离子束流特征，从而研究影响电离度的因素，分析电子的加热机制，评估离子源性能，为创建改进型ECRIT离子源提供理论和科学依据。

电子回旋共振离子推力器（ECRIT）属于静电式离子推力器，具有无热阴极、寿命长、可靠性高的特点，可应用于航天器姿态控制、轨道转移、位置保持和星际航行等方面。国内现有ECRIT离子源的性能还不能满足应用需求，创造有利的加热波模以提高 ECRIT 离子源性能是一项迫切需要深入开展的工作。. 为了提高电子加热效率，改进ECR离子源性能，在现有研究基础上，本项目开展了线极化波注入方式以及慢螺旋波加热机制研究，完成了以下主要工作：1）研究ECR 等离子体中波的传输特性，明晰了线极化波注入方式和螺旋线激励的慢波对电子加热的影响。2）计算不同结构离子源内的电磁场分布特征，并对不同结构的离子源进行低信号调试，确定线极化波注入和螺旋线注入离子源样机的结构。3）在真空条件下诊断离子源放电室内的等离子体参数，并进行不同工作条件下的离子束流引出实验，评估离子源的性能。通过以上研究工作得到：1）线极化波高密度注入和螺旋波注入方式有利于电子吸收微波能量，实现离子源对微波功率吸收效率的最大化，保证了离子源较高的电离率。2）磁路结构及天线尺寸影响离子源内电磁场分布，进而影响电子的获能大小；合理调整栅极安装环及天线尺寸可以有效使离子源在4.2GHz工作频率调谐，优化离子源阻抗匹配性，也有利于电子获能。3）ECR离子源谐振区与等离子体主要电离区位置并不重合，电子加热谐振区的电子能量呈现双峰分布特点。4）离子源工作过程中存在高低状态转变，螺旋波注入离子源在高状态下性能较好，线极化波高密度注入离子源放电状态更加平稳，在低状态时性能较好。. 研究结果表明：线极化波注入方式和螺旋线注入离子源电离度高，工作状态稳定且性能良好，为后续ECRIT的改进及应用提供了有效参考。