高效能长寿命纯电感耦合射频等离子体电子中和器机理研究

Electron neutralizer is one of the key components in the system of the ion source and the electrical propulsion system. With the development of the ion beam technology and electric propulsion, there is an urgent need for the electron neutralizer with which provided the properties of non-polar, long life, low energy and easy to control. However, many domestic researches were foucsed on hot filament emit and hollow cathode dischrge, which shown some defects. In this projiect, a new type mechanism to produce electron will be brought forward by RF inductive coupled plasma dischare. Using this mechanism, the electron neutralizer will provide the properties such as good stability, long life,low energy, easy controlling, and monochromatic energy.To obtain the aims, It generate the low energy and high density electrons through highly efficient RF pure inductively coupled plasma discharge by reasonable RF antenna and a discharge chamber structure and magnetic field design。Electrons are extracted from the discharge cavity through the suitable extractor structure and size of the holes, the applied suitable magnetic field near the exit of the discharge cavity and the optimization of the electric field.then based on the theory researches, the hardware such as discharge composition, and discharging equipments will be optimized by experiment researches. Through these researches, it will bring about the base for fabricating the new electron neutralizer.

在离子源系统及电推进系统中，电子中和器是其中的关键部件。现阶段国内的研究多集中于热电子发射或空心阴极放电方式，存在着一定的缺陷如寿命短、阴极污染和结构复杂等问题。随着离子束技术和电推进技术的发展，迫切需要一种无极、长寿命，能量易控制的电子中和器来满足离子束加工工艺和电推进可靠、长寿命的技术要求。本项目提出一种新型纯感应耦合射频等离子体电子中和器。通过理论、模拟和实验相结合的方法，一方面通过开展射频天线及放电室结构、放电气体成分、气压等因素对射频纯感应等离子体放电特性的影响机理进行研究，获得低能高密度等离子体的产生规律，另一方面通过对放电等离子体电子温度、气压、引出电极结构尺寸、引出电压及引出口附近施加磁场等因素对从放电等离子体中引出低能电子束的影响机理进行研究，掌握高效引出低能电子束的规律及方法。在理论和仿真模拟的基础上，通过实验对电子中和器理论模型和结构等硬件设计进行论证和优化。通过此项研究，为国内新型电子中和器的研制奠定基础。

中和器是离子源和电推进系统关键部件，射频感应耦合等离子体中和器由于紧凑结构、产生等离子体方式简单有效，被认为是未来一种比较理想的等离子体阴极结构。开展射频感应耦合中和器纯感应耦合条件下、高效能、长寿命低能电子束产生基础理论和关键技术问题研究，对于推动离子束和电推进技术发展具有重要科学意义。.本项目采用数值模拟和实验相结合的方式作为研究手段，从纯感应耦合等离子体放电、起辉、低能电子束引出控制理论等方面开展研究。通过对中和器电磁场分布及等离子体放电、电子束引出数值仿真模拟与实验研究发现：单缝筒形法拉第屏蔽可以有效屏蔽射频天线和等离子体间容性耦合，有法拉第屏蔽射频中和器等离子体放电产生的电子密度，大约为无屏蔽条件下56%-82%；单缝筒形法拉第屏蔽可以有效降低等离子体射频电位，并保持等离子电位稳定，有利于获得能量单色性好电子束。从射频放电等离子体中引出电子束不仅影响放电等离子体电势和密度，而且容易产生高频振荡。引出孔尺寸与等离子体鞘层尺寸相当时，引出电子束流稳定。 在放电腔引出孔附近增加径向磁场，可以有效降低等离子体电子温度和等离子体电势，从而降低电子发射势垒；.为了解决射频纯感应耦合条件下，等离子体放电起辉难问题，提出了集法拉第屏蔽、收集离子、等离子体处于一致电位和辅助感应耦合中和器起辉等功能于一体收集极结构，利用尖端放电效应，提高纯感应耦合条件下，等离子体放电起辉的可靠性。.通过霍尔推进器和中和器耦合试验发现：电子束流强度每增加5%，霍尔电推进器放电电流增加10%，霍尔推进器内靠近中和器附近会形成一个电离通道。在低能电子中和器中和的条件下，轰击到外磁极高能离子减少，低能离子增加，降低了霍尔推进器外磁极溅射。