談人瑋 楊涓? 耿海 吳先明 牟浩

1) (西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,西安 710072)

2) (蘭州空間技術(shù)物理研究所,真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

10 厘米電子回旋共振離子推力器(ECRIT)可以多類(lèi)型氣體工作,應(yīng)用于吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)具有可行性,研究氮?dú)夤べ|(zhì)ECRIT 的ECR 中和器是研究氮氧工質(zhì)ECRIT 的基礎(chǔ).當(dāng)傳統(tǒng)氙氣工質(zhì)10 厘米ECRIT 的ECR 中和器以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作時(shí),由于氮?dú)夥肿恿枯^低,離子容易漂移出中和器,引出電子電流減小,已不適合以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作.本文基于10 厘米傳統(tǒng)ECR 中和器,以抑制離子漂移出中和器、提升電子引出性能為目的,實(shí)驗(yàn)研究適用于氮?dú)夤べ|(zhì)工作的雙極ECR 中和器.結(jié)果表明,在氣體質(zhì)量流率0.04 mg/s、輸入功率10 W 的條件下,以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作,引出電子電流134 mA 時(shí),傳統(tǒng)ECR 中和器所需的陽(yáng)極電壓為150 V,而雙極ECR 中和器僅需50 V 的陽(yáng)極電壓,下降了約67%;陽(yáng)極電壓40 V 時(shí),傳統(tǒng)ECR 中和器的功率損耗為1204.82 W/A,而雙極ECR 中和器的功率損耗為95.23 W/A,約為前者的8.3%.氮?dú)夤べ|(zhì)雙極ECR 中和器的離子屏蔽效果顯著,電子引出性能得到改善.

1 引言

吸氣式電推力器以稀薄大氣為工質(zhì)工作[1],無(wú)需儲(chǔ)備推進(jìn)劑,可配備于低軌道(150—300 km)飛行器以補(bǔ)償大氣阻尼[2],降低飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時(shí),解決了由推進(jìn)劑儲(chǔ)備限制帶來(lái)的壽命問(wèn)題.目前各國(guó)正在開(kāi)展不同類(lèi)型電推力器的相關(guān)研究,如霍爾推力器[3]、射頻離子推力器[4]、會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器[5]、感應(yīng)加熱等離子體推進(jìn)器[6]、電子回旋共振離子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)[7,8]等.

吸氣式電推力器工作的低軌道環(huán)境大氣主要由氮?dú)夥肿雍脱踉咏M成[9],軌道阻尼隨軌道高度和太陽(yáng)活動(dòng)實(shí)時(shí)變化[4].由于ECRIT 可以多種工質(zhì)工作、無(wú)熱陰極、推力連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)[10],具有應(yīng)用于吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)的可行性.為了規(guī)避氧原子腐蝕性對(duì)推力器的影響,先開(kāi)展氮?dú)夤べ|(zhì)電推力器的研究可以為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ).

ECRIT 由電子回旋共振(ECR)離子源和中和器組成,其中ECR 中和器用于發(fā)射電子,保持推進(jìn)系統(tǒng)的電中性,是推力器的重要組成部分.截至目前,有關(guān)氮?dú)夤べ|(zhì)10 cm ECRIT 中和器的研究幾乎空缺,而氙氣工質(zhì)10 cm ECRIT 中和器已經(jīng)在2003 年和2014 年應(yīng)用于日本隼鳥(niǎo)號(hào)和隼鳥(niǎo)2 號(hào)深空探測(cè)器[11,12],并開(kāi)展了許多基礎(chǔ)研究.文獻(xiàn)[13]通過(guò)在中和器外添加磁場(chǎng)屏蔽板,使得中和器在輸入功率8 W,氙氣質(zhì)量流率0.069 mg/s,陽(yáng)極電壓37 V 的條件下,引出電子束流由176 mA 增至206 mA,功率損耗由45.5 W/A 降至38.8 W/A.國(guó)內(nèi)對(duì)此類(lèi)型中和器也開(kāi)展過(guò)研究,文獻(xiàn)[14,15]分析了氙氣10 cm ECRIT 中和器的電子引出雙通道現(xiàn)象.文獻(xiàn)[16,17]通過(guò)優(yōu)化中和器磁路、天線與電子引出板結(jié)構(gòu),提升了中和器的電子引出性能,使得中和器在輸入功率10 W,氙氣質(zhì)量流率0.049 mg/s,陽(yáng)極電壓100 V 條件下可以引出219 mA 的電子束流,功率損耗為45.7 W/A.盡管?chē)?guó)內(nèi)近期針對(duì)ECRIT 中和器的研究均使用的氙氣工質(zhì),但是這些結(jié)論仍可以為氮?dú)夤べ|(zhì)10cm ECRIT 中和器的研究提供參考.本文定義上述國(guó)內(nèi)外研究的針對(duì)氙氣工質(zhì)的10 cm ECRIT 中和器結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)ECR 中和器.

本文針對(duì)傳統(tǒng)ECR 中和器工質(zhì)由氙氣轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)夂箅x子漂移出中和器的現(xiàn)象,通過(guò)引入屏蔽離子的雙極板,構(gòu)成適用于氮?dú)夤べ|(zhì)的雙極ECR 中和器.本文首先介紹傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器結(jié)構(gòu)、原理和電子引出機(jī)制,并通過(guò)離子密度診斷分析傳統(tǒng)ECR 中和器以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作時(shí)存在的問(wèn)題;然后介紹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和靜電場(chǎng)仿真模型,通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雙極板結(jié)構(gòu)屏蔽離子的有效性,并對(duì)比傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器分別以氮?dú)夂碗瘹鉃楣べ|(zhì)工作時(shí)的電子引出性能.

2 傳統(tǒng)ECR 中和器與雙極ECR 中和器

2.1 傳統(tǒng)ECR 中和器及其電子引出機(jī)制

傳統(tǒng)ECR 中和器結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由永磁體、前后磁軛、L 型天線和電子引出板組成.其中永磁體和前后磁軛在中和器內(nèi)部形成封閉的磁鏡場(chǎng)和開(kāi)放的磁場(chǎng),在中和器引出小孔下游形成磁通密度較低的磁阱[14].4.2 GHz 的微波能量通過(guò)L 型天線饋入放電室,電子在磁鏡場(chǎng)中做往返運(yùn)動(dòng),并沿著磁力線做回旋運(yùn)動(dòng).當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)到ECR區(qū)(B=0.15 T)時(shí),電子回旋頻率與微波頻率相等,電子與微波右旋圓極化波發(fā)生等相位共振,大量吸收微波能量,形成高能電子并碰撞電離中性氣體,產(chǎn)生等離子體,其中的電子在外界離子源離子束流或陽(yáng)極板的高電勢(shì)作用下被引出形成電子束流[15].

圖1 10 厘米ECR 中和器結(jié)構(gòu)Fig.1.10 cm ECR neutralizer structure.

2.2 氙氣和氮?dú)夤べ|(zhì)傳統(tǒng)ECR 中和器診斷

當(dāng)傳統(tǒng)ECR 中和器以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作時(shí),相同工作參數(shù)下的引出電子電流將遠(yuǎn)低于以氙氣為工質(zhì)工作時(shí)的中和器.從過(guò)往針對(duì)氙氣工質(zhì)的研究[14,15]來(lái)看,中和器的引出機(jī)制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是正確可行的.為了探究其中的原因,在氣體質(zhì)量流率為0.04 mg/s,輸入功率10 W 的條件下,對(duì)氮?dú)夤べ|(zhì)傳統(tǒng)ECR 中和器內(nèi)部用Langmuir 探針進(jìn)行診斷,使用彎曲探針以減小磁場(chǎng)對(duì)診斷數(shù)據(jù)的影響[18].氙氣的探針診斷不再贅述,可以參考之前的工作[15].對(duì)于氮?dú)?由于二價(jià)電離和離解反應(yīng)所需的能量高[19],認(rèn)為在該功率下發(fā)生的可能性很小.所以在診斷中,將收集到的正電荷均視為.

圖2 所示為距離傳統(tǒng)ECR 中和器軸線3 mm處診斷的離子密度分布,其中可以觀察到Xe+密度梯度的變化,孔口附近的Xe+密度低于放電室內(nèi)部,而孔口附近的密度卻遠(yuǎn)高于放電室內(nèi)部.

圖2 氙氣和氮?dú)夤べ|(zhì)傳統(tǒng)ECR 中和器離子密度分布診斷Fig.2.Ion density distribution diagnosis of typical ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

在ECR 中和器內(nèi),電子被磁場(chǎng)磁化,因此被約束在磁鏡中持續(xù)獲得能量,而離子的拉莫爾運(yùn)動(dòng)半徑大于ECR 中和器的特征長(zhǎng)度,沒(méi)有被磁化,其運(yùn)動(dòng)主要受靜電場(chǎng)控制.由文獻(xiàn)[15]可知離子在ECR 中和器電子引出板小孔附近的運(yùn)動(dòng)受靜電場(chǎng)影響是一個(gè)先加速后減速的過(guò)程.的相對(duì)分子量約為28,Xe+的相對(duì)分子量約為131,由受力方程v2=2aS=2(qE/m)·S可知,在相同的靜電場(chǎng)作用下,的運(yùn)動(dòng)速度約為Xe+的兩倍,即在ECR 中和器加速段獲得的最大速度約為Xe+的兩倍.由于Xe+速度較慢,從而容易被減速電場(chǎng)限制,不能離開(kāi)中和器,而由于速度較快,減速電場(chǎng)不再能限制其離開(kāi)中和器,導(dǎo)致內(nèi)部等離子體密度、電子引出束流降低.可見(jiàn)傳統(tǒng)ECR 中和器以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作,性能將有所下降.

2.3 雙極ECR 中和器及其離子屏蔽

為了抑制ECR 中和器氮?dú)怆x子漂移出中和器,在圖1 的電子引出板下游增加離子屏蔽板,構(gòu)成雙極板結(jié)構(gòu)如圖3 所示.

圖3 雙極板結(jié)構(gòu)Fig.3.Bipolar plate structure.

定義電子引出板和離子屏蔽板間隙為雙極板間隙L,相應(yīng)的ECR 中和器成為雙極ECR 中和器,其磁阱空間位置與傳統(tǒng)ECR 中和器相同.為節(jié)省電能消耗,用一臺(tái)電源滿足雙極ECR 中和器的工作需要,電子引出板接電源負(fù)極,離子屏蔽板接地.受雙極板小孔處局部電場(chǎng)影響,磁阱內(nèi)聚集的等離子體將產(chǎn)生電荷分離,離子返回中和器,電子被加速引出.和傳統(tǒng)ECR 中和器相比,對(duì)氮?dú)怆x子將產(chǎn)生更強(qiáng)的屏蔽作用以降低氮?dú)怆x子逃逸率、避免氮?dú)獾入x子體密度和引出電子電流的降低.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及仿真模型的建立

3.1 中和器電子引出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖4 所示為傳統(tǒng)ECR 中和器的電子引出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),由氣路、微波線路和電路組成.氣路主要部件為氣瓶、質(zhì)量流率控制器.微波線路主要部件為微波源、環(huán)形器、功率計(jì)和隔直器.電路中中和器和真空艙壁面接地,電子引出板和中和器壁面相互導(dǎo)通,金屬陽(yáng)極板接電源正極,中和器電子引出板和金屬陽(yáng)極板的間距為5 mm.設(shè)和Pi為氣體質(zhì)量流率和輸入功率;VA為陽(yáng)極板與地電勢(shì)差,簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)極電壓;Ie為中和器的引出電子電流,也為陽(yáng)極板收集的電子電流,通過(guò)串聯(lián)的電流表測(cè)得.

圖4 傳統(tǒng)ECR 中和器的電子引出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4.Experiment system for the electron extraction of typical ECR neutralizer.

圖5 所示為雙極ECR 中和器的電子引出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其中氣路和微波線路與圖3 所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相同.圖5 電路中,中和器壁面和電子引出板接電源負(fù)極,離子屏蔽板接地,陽(yáng)極板收集電子電流.并設(shè)VW為電子引出板與地電勢(shì)差,簡(jiǎn)稱(chēng)雙極板電壓;Is為離子屏蔽板截獲電子電流,通過(guò)串聯(lián)的電流表測(cè)量.雙極ECR 中和器電子引出總電壓Vt=VA-VW,引出總電子電流It=Ie+Is.對(duì)于傳統(tǒng)ECR中和器,電子引出總電壓Vt=VA,引出總電子電流It=Ie.為了避免離子通過(guò)壁面鞘層產(chǎn)生的濺射現(xiàn)象,設(shè)置VW≥49 V[20].

圖5 雙極ECR 中和器的電子引出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5.Experiment system for the electron extraction of bipolar ECR neutralizer.

3.2 電子引出實(shí)驗(yàn)中雙極ECR 中和器的靜電場(chǎng)仿真模型

通過(guò)COMSOL 軟件中的靜電場(chǎng)模塊建立電子引出實(shí)驗(yàn)中雙極ECR 中和器的靜電場(chǎng)仿真模型,如圖6 所示,各結(jié)構(gòu)的材料和相對(duì)介電常數(shù)εr已于圖中標(biāo)出.計(jì)算靜電場(chǎng)時(shí),天線設(shè)置為初始電勢(shì)為0 V 的懸浮電位,其余結(jié)構(gòu)按實(shí)驗(yàn)需求,設(shè)置對(duì)應(yīng)的電勢(shì).由于本研究?jī)?nèi)容主要為電子引出孔處的離子屏蔽,僅需截取電子引出孔附近的局部電場(chǎng)進(jìn)行分析,分析截面已于圖6 中標(biāo)出.

圖6 雙極ECR 中和器的靜電場(chǎng)仿真模型Fig.6.Electrostatic field simulation model of bipolar ECR neutralizer.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 氮?dú)夂碗瘹夤べ|(zhì)對(duì)傳統(tǒng)ECR 中和器電子引出性能的影響

氮?dú)夂碗瘹夤べ|(zhì)傳統(tǒng)ECR 中和器的電子引出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示.

圖7 氮?dú)夂碗瘹夤べ|(zhì)傳統(tǒng)ECR 中和器的引出電子電流隨陽(yáng)極電壓的變化曲線Fig.7.Extracted electron current vs.anode voltage of typical ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

以氙氣為工質(zhì)時(shí),在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,引出電子電流在陽(yáng)極電壓VA=20 V時(shí)快速增長(zhǎng),VA=40 V 時(shí)達(dá)到200 mA,VA=50 V 時(shí)趨近飽和,Ie=237 mA.以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)時(shí),在相同質(zhì)量流率和輸入功率的條件下,引出電子電流在VA=50—70 V 時(shí)有小幅的突增,其余階段均緩慢增長(zhǎng),VA=150 V 時(shí)趨近飽和,Ie=134 mA.相比于氙氣工質(zhì)傳統(tǒng)ECR 中和器,氮?dú)夤べ|(zhì)傳統(tǒng)ECR 中和器的引出電子電流達(dá)到飽和電子電流時(shí)需要的陽(yáng)極電壓更高,但是引出電子電流更低.傳統(tǒng)ECR 中和器以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作時(shí)的電子引出性能較差.

4.2 雙極板間隙和電壓對(duì)氮?dú)夤べ|(zhì)雙極ECR 中和器電子引出性能的影響

4.2.1 雙極板間隙對(duì)電子引出性能的影響

在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,雙 極板電壓VW=—40 V 時(shí),不同雙極板間隙L的中和器總電子電流與引出和截獲電子電流隨陽(yáng)極電壓的變化曲線如圖8 所示.當(dāng)不同L的總電子電流和引出電子電流發(fā)生突變時(shí),陽(yáng)極電壓VA≥30 V 故,即為中和器正常工作時(shí)的陽(yáng)極電壓范圍.為了對(duì)比中和器正常工作時(shí)的性能,默認(rèn)VA≥30 V.由圖8(a)可知,3 條總電子電流曲線在相同陽(yáng)極電壓下的大小關(guān)系為It,L=1mm≥It,L=1.5mm≥It,L=0.5mm.由圖8(b)可知,3 條引出電子電流曲線在相同陽(yáng)極電壓下的大小關(guān)系為Ie,L=1mm≥Ie,L=1.5mm≥Ie,L=0.5mm,且當(dāng)L=1 mm 時(shí),引出電子電流曲線有明顯的飽和段;截獲電子電流在相同的陽(yáng)極電壓下隨著L的增大而增大.

圖8 不同雙極板間隙的雙極ECR 中和器電流隨陽(yáng)極電壓的變化曲線 (a) 總電子電流;(b) 引出與截獲電子電流Fig.8.Current vs.anode voltage at different bipolar plate gaps of bipolar ECR neutralizer: (a) Total electron current;(b) extracted and intercepted electron current.

針對(duì)VA=40 V,VW=-40 V 的情況,計(jì)算了不同L的雙極ECR 中和器電子引出孔附近的電場(chǎng)強(qiáng)度,如圖9 所示.隨著L的增大,電子引出板與離子屏蔽板間的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小,而離子屏蔽板與陽(yáng)極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大,兩區(qū)域的離子屏蔽效果隨L的變化規(guī)律相反,需通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)的L值,由引出電子電流的變化曲線可知L=1 mm 為此最優(yōu)值.由圖9 中的電場(chǎng)線方向反應(yīng)的受力方向可知,隨著L的增大,離子屏蔽板逐漸呈現(xiàn)出切割電場(chǎng)線的趨勢(shì),使得電子更容易被離子屏蔽板截獲,造成截獲電子電流的增大,這與實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象一致.根據(jù)總電子電流的變化曲線,本文認(rèn)為L(zhǎng)=1 mm 時(shí),雙極板的離子屏蔽效果最佳,中和器的電子引出性能最好.

圖9 不同雙極板間隙的雙極ECR 中和器電子引出孔附近的電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.9.Electric field intensity distribution near electron extraction hole of bipolar ECR neutralizer with different bipolar plate gaps.

4.2.2 雙極板電壓對(duì)電子引出性能的影響

圖10 不同雙極板電壓的雙極ECR 中和器電流隨陽(yáng)極電壓的變化曲線 (a) 總電子電流;(b) 引出與截獲電子電流Fig.10.Current vs.anode voltage at different bipolar plate potentials of bipolar ECR neutralizer: (a) Total electron current;(b) extracted and intercepted electron current.

針對(duì)VA=40 V,L=1 mm 的情況,計(jì)算了不同VW的雙極ECR 中和器電子引出孔附近的電場(chǎng)強(qiáng)度,如圖11 所示.隨著VW的減小,電子引出孔附近的電場(chǎng)強(qiáng)度增大,雙極板的離子屏蔽效果增強(qiáng),使得VW=—40 V 時(shí)的總電子電流和引出電子電流最大.這與上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致.由圖11 中的電場(chǎng)線方向反應(yīng)的受力方向可知,隨著VW的增大,離子屏蔽板逐漸呈現(xiàn)出切割電場(chǎng)線的趨勢(shì),使得電子更容易被離子屏蔽板截獲,造成截獲電子電流的增大,這也驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中VW=—20 V 時(shí)截獲電子電流偏大的現(xiàn)象,但是由于VW=—40 V 時(shí),電子引出板和離子屏蔽板間的電勢(shì)差較大,電子向離子屏蔽板運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)更強(qiáng),也有可能造成截獲電子電流的增大,這也是實(shí)驗(yàn)中VW=—40 V 時(shí)截獲電子電流偏大的原因.綜上所述,本文認(rèn)為VW=—40 V 時(shí),雙極板的離子屏蔽效果最佳,中和器的電子引出性能最好.

圖11 不同雙極板電壓的雙極ECR 中和器電子引出孔附近的電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.11.Electric field intensity distribution near electron extraction hole of bipolar ECR neutralizer with different bipolar plate potentials.

4.3 氮?dú)夂碗瘹夤べ|(zhì)傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器的電子引出性能對(duì)比

為了對(duì)比傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器的電子引出性能,將傳統(tǒng)ECR 中和器和4.2 節(jié)實(shí)驗(yàn)中離子屏蔽效果最佳的雙極ECR 中和器分別以氮?dú)夂碗瘹鉃楣べ|(zhì)工作,其中雙極板參數(shù)為雙極板間隙L=1 mm、雙極板電壓VW=—40 V.在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,氮?dú)夤べ|(zhì)傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器的引出電子電流特性如圖12 所示.

圖12 傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)時(shí)的引出電子電流特性Fig.12.Characteristic of the extracted electron current of typical and bipolar ECR neutralizer running on nitrogen gas.

傳統(tǒng)ECR 中和器在陽(yáng)極電壓VA=150 V 時(shí),引出電子電流趨近飽和Ie=134 mA.雙極ECR中和器在陽(yáng)極電壓VA=50 V 時(shí),引出電子電流趨近飽和Ie=133 mA.兩者電流僅相差1 mA,但是相對(duì)傳統(tǒng)中和器,雙極ECR 中和器達(dá)到該電流時(shí)的陽(yáng)極電壓下降了67%,總電壓下降了40%.雙極板結(jié)構(gòu)的離子屏蔽效果顯著,提升了中和器的電子引出性能.

在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,氙氣工質(zhì)傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器的引出電子電流特性如圖13 所示.

圖13 傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器以氙氣為工質(zhì)時(shí)的引出電子電流特性Fig.13.Characteristic of the extracted electron current of typical and bipolar ECR neutralizer running on xenon gas.

傳統(tǒng)ECR 中和器在陽(yáng)極電壓VA=40 V 時(shí),引出電子電流發(fā)生突變,Ie=200.8 mA.雙極ECR中和器在陽(yáng)極電壓VA=40 V 時(shí),引出電子電流發(fā)生突變,Ie=176.3 mA,此時(shí)的截獲電子電流Is=32.6 mA,總電子電流It=208.9 mA.可見(jiàn),雙極板屏蔽離子并加速電子引出的作用是存在的,但是由圖2 可知電子引出孔處Xe+的密度較小,雙極板屏蔽的離子不能明顯提高中和器的性能.相反,離子屏蔽板截獲的大量電子電流直接導(dǎo)致中和器引出電子電流的降低.可見(jiàn),氙氣工質(zhì)暫不適用于雙極ECR 中和器.

中和器的性能可以通過(guò)產(chǎn)生單位引出電子電流需要的功耗來(lái)評(píng)估[21],即εe=Pi/Ie.氮?dú)夤べ|(zhì)雙極ECR 中和器正常工作時(shí)的陽(yáng)極電壓VA≥30 V,氙氣工質(zhì)傳統(tǒng)和雙極ECR 中和器正常工作時(shí)的陽(yáng)極電壓VA≥40 V.在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下,對(duì)比上述中和器以氮?dú)夂碗瘹鉃楣べ|(zhì)正常工作(VA=40 V)時(shí)的功率損耗如圖14 所示.以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作時(shí),雙極ECR 中和器的功率損耗僅為傳統(tǒng)ECR 中和器的8.3%,性能提升明顯.雖然氙氣工質(zhì)雙極ECR 中和器的功率損耗高于氙氣工質(zhì)傳統(tǒng)ECR 中和器,但是其仍然低于氮?dú)夤べ|(zhì)雙極ECR 中和器.由于氮?dú)鉃殡p原子分子,其電離過(guò)程遠(yuǎn)比氙氣復(fù)雜,因此需要的功耗更高.

圖14 氮?dú)夂碗瘹夤べ|(zhì)雙極ECR 中和器的功率損耗Fig.14.Power loss of bipolar ECR neutralizer running on nitrogen and xenon gas.

5 結(jié)論

本文在10 厘米傳統(tǒng)ECR 中和器的基礎(chǔ)上,利用雙極板結(jié)構(gòu)構(gòu)成適用于氮?dú)夤ぷ鞯碾p極ECR 中和器,產(chǎn)生了良好的電子引出性能.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,得到結(jié)論如下:

1)由于氮?dú)獾南鄬?duì)分子量遠(yuǎn)低于氙氣,傳統(tǒng)ECR 中和器以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工作時(shí),氮?dú)怆x子容易漂移出中和器,造成電子引出性能的降低.

2)雙極ECR 中和器可以通過(guò)雙極板在電子引出板小孔附近產(chǎn)生的局部靜電場(chǎng)抑制離子漂移出中和器,提高中和器的電子引出性能.實(shí)驗(yàn)得出離子屏蔽效果最佳的雙極板參數(shù)為: 雙極板間隙1 mm 和雙極板電壓—40 V,雙極板電壓的降低可以進(jìn)一步提升雙極板的離子屏蔽效果,但是需要注意雙極板電壓的絕對(duì)值不能大于中和器壁面材料的濺射閾值.分別使用傳統(tǒng)和離子屏蔽效果最佳的雙極ECR 中和器以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)、在=0.04 mg/s,Pi=10 W 的條件下工作,引出等量電子電流134 mA時(shí),雙極ECR 中和器所需的陽(yáng)極電壓僅為傳統(tǒng)ECR 中和器的33.3%;陽(yáng)極電壓40 V 時(shí),雙極ECR 中和器的功率損耗為95.23 W/A,僅為傳統(tǒng)ECR 中和器的8.3%.

3)根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)情況,雙極ECR 中和器的電子引出性能優(yōu)化僅針對(duì)氮?dú)夤べ|(zhì),其以氙氣為工質(zhì)工作時(shí),雖然總電子電流相較于傳統(tǒng)ECR 中和器小幅增大,但是由于大量電子損失在離子屏蔽板上,導(dǎo)致同工況下的引出電子電流低于傳統(tǒng)ECR中和器.后續(xù)若想將雙極ECR 中和器應(yīng)用于氙氣工質(zhì),仍需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,增加其電子束流的聚焦效果,以減少電子在離子屏蔽板上的損失.