栅极螺旋波离子推力器等离子体二阶加速过程的时空演化

The Gridded Helicon Ion Thruster (GHIT) is a kind of two-stage helicon thruster which has the advantages of the helicon source such as electrode-less, high ionization rate, high ion density and low magnetic field and also the advantages of the grid optics that could effectively extract, restrain and accelerate the ions. It has two stages of plasma acceleration mechanism: (1) the double layer within the helicon source; (2) applied electric field of the optics. However, the acceleration mechanism, characterization and control parameters of the double layer are not well understood currently. The acceleration mechanism for the two-stage GHIT has not been discussed.. In this project, we investigate the following questions both in experiments and stimulations: (1) the formation, characterization and control parameters of the double layer; (2) the extraction, restriction and acceleration of the grids on the ions; (3) the coupling relationship and optimization of the plasma parameters between the first and second acceleration processes. We plan to clear the acceleration mechanism of the two-stage GHIT, show its temporal and spatial evolution and investigate the effect of mass flow rate, applied magnetic field, radio power input, structure and voltage of the grids on the ion energy distribution and thrust in order to establish a thruster performance prediction model which could support the design and optimization of the GHIT.

栅极螺旋波离子推力器（GHIT）是一种二阶加速螺旋波推力器，既具备螺旋波源无电极、高电离率、高密度、低约束磁场的优点，又具备栅极光学系统对等离子体高效引出、约束和加速的优点。它对离子具有二阶串联加速能力：一是螺旋波源本身存在的无电流双层对离子的加速；二是栅极系统对离子的静电加速。但是，目前对双层的加速机理、表征参数、控制参数尚不明晰，对二阶GHIT等离子体的加速机理研究还未开展。.本项目拟采用实验测量和数值仿真两种方法进行对比验证，主要研究：（1）螺旋波双层的形成条件、表征参数、控制参数和时空演变；（2）栅极系统对螺旋波等离子体的引出、聚焦和加速；（3）二阶加速交界处等离子体参数输入输出的耦合关系和优化方法，旨在明晰GHIT等离子体二阶加速机理，展示其时空演化，明确推进剂流率、附加磁场、输入功率、栅极偏压及结构对离子能量分布、推力的影响，建立推力器性能预估模型，为推力器的设计优化提供支撑。

栅极螺旋波离子推力器（GHIT）是一种二阶加速螺旋波推力器，既具备螺旋波源无电极、高电离率、高密度、低约束磁场的优点，又具备栅极光学系统对等离子体高效引出、约束和加速的优点。它对离子具有二阶串联加速能力：一是螺旋波源本身存在的无电流双层对离子的加速；二是栅极系统对离子的静电加速。但是，目前对双层的加速机理、表征参数、控制参数尚不明晰，对二阶GHIT等离子体的加速机理研究还未开展。. 本项目拟采用实验测量和数值仿真两种方法进行对比验证，主要研究了：（1）螺旋波双层的形成条件、表征参数、控制参数和时空演变。本项目首先对一阶螺旋波等离子体源的等离子体参数进行了非接触式光学和接触式静电探针的高精度联合对标诊断，获得了等离子体参数如电子温度、电子密度、电子能量分布和离子能量分布沿等离子体源轴向和径向的分布规律；获得了等离子体参数随等离子体源工作参数如输入功率、管径大小、附加磁场强度和方向、Ar、N2和空气种类的相关关系；明确了等离子体源区等离子体扩散为等温扩散，轴向不均匀性电势对离子的加速，以及附加磁场位形对等离子体电势的控制作用。. （2）栅极系统对螺旋波等离子体的引出、聚焦和加速。使用静电加速栅极对一阶螺旋波源等离子体进行了加速引出，明确了栅极结构和电压对引出束流的影响：为了降低屏栅的截获电流，建议屏栅电压应小于30 V；为了降低加速栅的截获电流，加速栅的偏置电压大于500 V。并提出加入电磁加速方法与静电加速方法联合作用，以期在增加离子通量的同时，能够有效提高离子的定向速度。. （3）二阶加速交界处等离子体参数输入输出的耦合关系和优化方法。采用一种改进的二维流体模型，即电磁感应耦合放电结合外磁场耦合的模型，对螺旋波等离子体进行模拟。获得了附加磁场分布、电子温度和密度的空间分布规律，以及电子密度的时间变化规律，验证了附加磁场位形对等离子体电位的控制作用。