一種柱形磁鐵四級(jí)環(huán)尖離子推力器磁場(chǎng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及屬于航天技術(shù)和等離子體推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柱形磁鐵四級(jí)環(huán)尖離子推力器磁場(chǎng)。
【背景技術(shù)】
[0002]離子推力器磁場(chǎng)在等離子體產(chǎn)生過(guò)程中起到約束原初電子，優(yōu)化電離區(qū)域的作用，是離子推力器的核心設(shè)計(jì)內(nèi)容，其設(shè)計(jì)原則是提高放電效率和等離子體約束能力。高的放電效率具體指高工質(zhì)利用率和低放電損耗，好的等離子體約束能力指高束流平直度。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的物理基礎(chǔ)就是磁極布局和磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布。
[0003]好的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)要求:1)放電室內(nèi)部磁力線盡量平行于放電室壁面，將原初電子盡量約束在陽(yáng)極壁面附近；2)陰極出口處要求具有較強(qiáng)的磁場(chǎng)，磁力線超出陰極出口處后，即向放電室壁面方向延伸；3)柵極出口區(qū)域磁場(chǎng)要最弱，并使磁空區(qū)盡量大。
[0004]目前，離子推力器磁場(chǎng)設(shè)計(jì)多為單陽(yáng)極筒的3磁極環(huán)尖磁場(chǎng)形式，圖1是現(xiàn)有磁極布局及磁場(chǎng)分布示意圖。該布局結(jié)構(gòu)的主要不足在于不能很好的兼顧陰極和柵極附近的磁場(chǎng)分布，使之都達(dá)到較優(yōu)的狀態(tài)。并且，隨著離子推力器體積的增加，上述不足會(huì)更加突出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種放電效率高、束流密度分布均勻的磁極結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)分布。本發(fā)明的磁場(chǎng)由沿放電室均布的3組柱形磁鐵提供，通過(guò)4個(gè)導(dǎo)磁環(huán)導(dǎo)入放電室內(nèi)，相比傳統(tǒng)的3磁極結(jié)構(gòu)，主要在錐段中部增加一路磁極，形成四級(jí)環(huán)尖磁場(chǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)磁極上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，更易于實(shí)現(xiàn)上述所描述的好的磁場(chǎng)構(gòu)型，而且多的一路磁極，也使磁場(chǎng)調(diào)節(jié)更加靈活，并且不受推力器體積增大的影響，在大體積下，同樣可以實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的磁場(chǎng)分布。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種柱形磁鐵四級(jí)環(huán)尖離子推力器磁場(chǎng)，包括4個(gè)導(dǎo)磁環(huán)、陽(yáng)極筒、放電室壁面、柱形永磁鐵、陰極和柵極；
[0008]放電室壁面包括錐段和柱段，陰極位于錐段開口處，柵極位于柱段開口處；
[0009]4個(gè)導(dǎo)磁環(huán)均部分伸入放電室內(nèi)部，形成四個(gè)磁極，分別是上磁極、錐段磁極、中間磁極和下磁極；上磁極位于放電室錐段靠近陰極一端，錐段磁極位于放電室錐段中部，中間磁極位于放電室錐段和柱段的交界處，下磁極位于放電室柱段靠近柵極一端；相鄰磁極極性相反；
[0010]柱形永磁鐵分布在放電室壁面外側(cè)，被4個(gè)導(dǎo)磁環(huán)分為3組，每組12根并沿放電室周向均布，并與導(dǎo)磁環(huán)緊密接觸；
[0011]陽(yáng)極筒分為第一錐段陽(yáng)極筒、第二錐段陽(yáng)極筒和柱段陽(yáng)極筒，均位于放電室壁面內(nèi)側(cè)；第一錐段陽(yáng)極筒位于上磁極和錐段磁極之間，第二錐段陽(yáng)極筒位于錐段磁極和中間磁極之間，柱段陽(yáng)極筒位于中間磁極和下磁極之間；
[0012]各導(dǎo)磁環(huán)伸入放電室內(nèi)部的長(zhǎng)度超出各陽(yáng)極筒內(nèi)表面，將由柱形永磁鐵提供的磁場(chǎng)導(dǎo)入放電室內(nèi)部，形成四級(jí)環(huán)尖磁場(chǎng)。
[0013]優(yōu)選地，各陽(yáng)極筒與放電室壁面通過(guò)陶瓷絕緣子隔離。
[0014]優(yōu)選地，錐段磁極伸入放電室的方向與放電室軸線成45°角，與第一錐段陽(yáng)極筒和第二錐段陽(yáng)極筒壁面垂直。
[0015]優(yōu)選地，設(shè)上磁極與錐段磁極間距為A1，錐段磁極與中間磁極間距為A2,4和A 2取值范圍為70mm?80mm之間，中間磁極與下磁極間距B的取值范圍為10mm?IlOmm之間；其中，AjP A2是指磁極伸入放電室最內(nèi)端的直線距離是指中間磁極和下磁極沿放電室軸向的距離。
[0016]優(yōu)選地，第一錐段陽(yáng)極筒、第二錐段陽(yáng)極筒和柱段陽(yáng)極筒高度均取對(duì)應(yīng)放電室壁面高度的80%。
[0017]優(yōu)選地，上磁極為雙環(huán)磁極，兩個(gè)磁極的厚度均為2mm ;錐段磁極的磁極厚度為
2.5mm ;中間磁的極磁極厚度為4_ ;下磁極的磁極厚度為2_。
[0018]有益效果:
[0019](I)放電室內(nèi)部磁力線和陽(yáng)極壁面平行，原初電子在該磁場(chǎng)構(gòu)型的約束下，加上磁鏡作用的影響，將會(huì)在兩磁極之間做往復(fù)螺旋運(yùn)動(dòng)。這樣電子只有通過(guò)碰撞或者湍流輸運(yùn)擴(kuò)散才能夠穿越磁力線和陽(yáng)極碰撞而消失，提高電子利用率，實(shí)現(xiàn)了放電等離子體的低氣壓化、高密度化和均勻化。
[0020](2)在錐段增加一個(gè)磁極，形成四級(jí)環(huán)尖磁場(chǎng)，將錐段的磁極距離減小，有利于將磁場(chǎng)限制在陽(yáng)極附近區(qū)域，使放電室內(nèi)部，特別是柵極附近的大部分區(qū)域接近為無(wú)場(chǎng)區(qū)，可增強(qiáng)引出束流的分布均勻性，尤其對(duì)束流口徑大于30cm的離子推力器效果更明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為現(xiàn)有技術(shù)離子推力器磁極結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)分布示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明的柱形磁鐵四級(jí)環(huán)尖磁場(chǎng)示意圖。
[0023]圖3為四級(jí)環(huán)尖磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
[0024]其中，1-上磁極；2_錐段磁極；3_中間磁極；4_下磁極；5_第一錐段陽(yáng)極筒；6-第二錐段陽(yáng)極筒；7_柱段陽(yáng)極筒；8_陶瓷絕緣子；9_放電室壁面；10_柱形永磁鐵；11_陰極；12-柵極-上磁極與錐段磁極間距；A2-錐段磁極與中間磁極間距；B-中間磁極與下磁極間距。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0026]本發(fā)明提供了一種柱形磁鐵四級(jí)環(huán)尖磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括4個(gè)導(dǎo)磁環(huán)、陽(yáng)極筒、放電室壁面9、柱形永磁鐵10、陰極11和柵極12。
[0027]放電室壁面9包括錐段和柱段，陰極11位于錐段開口處，柵極12位于柱段開口處。
[0028]4個(gè)導(dǎo)磁環(huán)均部分伸入放電室內(nèi)部，形成四個(gè)磁極，分別是上磁極1、錐段磁極2、中間磁極3和下磁極4。上磁極I位于錐段靠近陰極11 一端，錐段磁極2位于錐段中部，中間磁極3位于放電室錐段和柱段的交界處，下磁極4位于柱段靠近柵極12 —端。
[0029]其中，上磁極I為雙環(huán)磁極，兩個(gè)磁極的厚度均為2mm ;錐段磁極2磁極厚度為
2.5mm ;中間磁極3磁極厚度為4mm ;下磁極4磁極厚度為2mm。上述尺寸的確定可以通過(guò)磁場(chǎng)仿真優(yōu)化得到，仿真時(shí)使磁極內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度低于飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度前提下，盡可能的薄。
[0030]柱形永磁鐵10提供磁場(chǎng)，其分布在放電室壁面9外側(cè)。多根柱形永磁鐵10被4個(gè)導(dǎo)磁環(huán)分為長(zhǎng)度不同的3組，每組12根并沿放電室周向均布，并通過(guò)螺接的方式與導(dǎo)磁環(huán)緊密接觸，從而使得3組永磁鐵通過(guò)4個(gè)導(dǎo)磁環(huán)連接在一起。
[0031]陽(yáng)極筒分為第一錐段陽(yáng)極筒5、第二錐段陽(yáng)極筒6和柱段陽(yáng)極筒7，均位于放電室壁面9內(nèi)側(cè)；第一錐段陽(yáng)極筒5位于上磁極1、錐段磁極2之間，第二錐段陽(yáng)極筒6位于錐段磁極2、中間磁極3之間，柱段陽(yáng)極筒7位于中間磁極3和下磁極4之間。各陽(yáng)極筒與放電室壁面9通過(guò)陶瓷絕緣子8隔離。
[0032]優(yōu)選地，三部分陽(yáng)極筒的高度均取對(duì)應(yīng)放電室壁面9高度的80%。這是因?yàn)?，?yáng)極表面積越大，收集原初電子的能力越強(qiáng)，也就是說(shuō)更大的陽(yáng)極，可以匹配更強(qiáng)的磁場(chǎng)，在提高工質(zhì)利用率的同時(shí)，放電損耗任能保持在較低的水平。因此，理論上陽(yáng)極表面積越大