[发明专利]一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法

说明书

一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，涉及航天电推进空心阴极领域，为了解决现有对触持极孔径的优化缺乏理论指导，只能采取不同尺寸的样本逐一进行实验，工作量大、可靠性差的问题。该方法为测量触持极小孔附近的磁场强度；计算电子回旋拉莫尔直径，得到触持极孔径最小值；测得触持极孔径与气压的节流升压曲线，根据电离稳定性的判据条件，得到最小气压，最小气压所对应的触持极孔径为触持极孔径最大值，在触持极孔径最小值和最大值之间选取数值，制备触持极孔径样本，并测试放电性能，放电性能最优时的触持极孔径即为最优触持极孔径。本发明适用于优化设计触持极孔径。

技术领域

本发明涉及航天电推进空心阴极领域。

背景技术

霍尔推力器是一种依靠低温等离子体放电实现粒子加速的航天推进装置。如各种各样其他行业的低温等离子体放电一样，霍尔推力器的放电特性对元部件的几何尺寸十分敏感。确定这些尺寸需要事先掌握庞杂的等离子体效应，依靠物理准数进行设计。由于霍尔推力器内部强电场建立机制对传统理论有一定颠覆性，自问世半个世纪以来，主要研究精力都投入到了主体放电通道上，对外围辅助结构投入相对较少。

作为等离子体放电的负极，空心阴极被称为“霍尔推力器的心脏”。然而，部分由于历史上的主观原因，部分由于其结构过于紧凑狭小、难以做精细实验等原因，空心阴极内的物理效应至今仍有大量的盲区。作为空心阴极最重要的尺寸之一，触持极的孔径，目前还没有理论指导设计。国际上通用的做法是“试凑”，即制备多个尺寸的样本互为对照，以最终放电性能最优者代入下一设计环节。与主体放电通道多达10个准数的严密设计逻辑相比，这种“黑箱”对策无疑是简陋的、不可靠的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有对触持极孔径的优化缺乏理论指导，只能采取不同尺寸的样本逐一进行实验，工作量大、可靠性差的问题，从而提供一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法。

本发明所述的一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一、确定空心阴极安装位置，测量触持极小孔附近的磁场强度；

步骤二、根据步骤一得到的磁场强度计算电子回旋拉莫尔直径，根据电子回旋拉莫尔直径得到触持极孔径最小值；

步骤三、空心阴极的供气流量保持不变，测量不同触持极孔径时的气压，得到触持极孔径与气压的节流升压曲线；

步骤四、根据电离稳定性的判据条件，得到气体密度的最小值，该最小气体密度对应的气压为最小气压；

步骤五、在步骤三的节流升压曲线中找到步骤四的最小气压所对应的触持极孔径，该触持极孔径为触持极孔径最大值；

步骤六、在触持极孔径最小值和最大值之间选取数值，制备触持极孔径样本，并测试放电性能，放电性能最优时的触持极孔径即为最优触持极孔径。

优选的是，步骤四具体为：根据离子温度和离子数密度，计算离子德拜长度；

其中，n_i为离子数密度，e为电子电荷量，K为玻尔兹曼常量，T_i为离子温度，λ_D,i为离子德拜长度；

然后根据电离稳定性的判据条件，得到气体密度的最小值；

电离稳定性的判据条件为：

其中，σ_eα为电离碰撞截面，n₀为气体密度。

优选的是，根据电子温度通过查找原子碰撞截面数据库得到电离碰撞截面σ_eα。

优选的是，步骤六中，放电电压最低且电子电流振荡幅值最小时的触持极孔径即为最优触持极孔径。