一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，包括下磁極(1)、中間磁極(2)、上磁極(3)以及對應(yīng)連接的下極靴(4)、中間極靴(5)和上極靴(6)，還包括永磁體(9,10)，磁極之間通過極靴(4,5,6)和永磁體(9,10)構(gòu)成磁力線回路，在放電室內(nèi)部形成環(huán)尖會切磁場；其特征在于，放電室的陽極筒(7,8)置于會切場內(nèi)部；各磁極均伸入陽極筒(7,8)內(nèi)表面，且相對于陽極筒(7,8)帶負(fù)電；安裝于下極靴(4)上的放電室陰極(11)在前方?jīng)]有陽極筒的情況下直接伸入放電室內(nèi)部。本發(fā)明還公開了一種上述離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。使用本發(fā)明能夠提高原初電子利用率，提高放電效率和束流均勻性。
【專利說明】一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，屬于航天技術(shù)和低溫等離子體【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]離子推力器作為一種先進(jìn)的空間推進(jìn)技術(shù)，具備比沖高、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、推力精確可控等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的空間電推進(jìn)裝置之一。離子推力器綜合性能的高低集中體現(xiàn)在效率指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和等離子體約束能力方面，包括高工質(zhì)利用率、低放電損耗和高束流平直度。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的物理基礎(chǔ)就是放電室磁極的尺寸、布局設(shè)計(jì)，由優(yōu)化的磁極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生優(yōu)化的磁場形位構(gòu)型，來達(dá)到提高放電效率和提高等離子體約束能力的目的。
[0003]目前，磁極布局多采用環(huán)尖會切磁場形式，圖1(a)和圖1 (b)是現(xiàn)有技術(shù)的磁極布局結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1(a)主要示出磁場分布，圖1(b)示出磁極在放電室中的布局和陽極筒的位置關(guān)系。如圖1(b)所示，傳統(tǒng)環(huán)尖會切磁場采用環(huán)形磁鐵(圖中示出的是環(huán)形磁鐵的截面)作為磁極，包括上磁極、中間磁極和下磁極。下磁極與中間磁極之間為放電室錐段，中間磁極與上磁極之間為放電室柱段。磁極均布于陽極筒外側(cè)，該磁極布局下的磁場構(gòu)型如圖1 (a)所示。
[0004]電子從陰極出射后，在磁力線的約束下，繞磁力線在磁極之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)與放電室內(nèi)的推進(jìn)劑工質(zhì)碰撞后，其穿越磁力線與陽極筒碰撞而消失。
[0005]在與推進(jìn)劑工質(zhì)碰撞之前，不希望電子與陽極筒碰撞，造成無謂的電子損失，降低電子利用率。然而，按照圖1的磁極布局，磁極位于陽極筒外側(cè)，形成的磁力線與放電室錐段中部的陽極筒內(nèi)壁存在少量交叉，這就會導(dǎo)致電子沿磁力線運(yùn)動(dòng)到交叉處時(shí)，觸碰陽極筒而消失。
[0006]當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)到磁極附近時(shí)，由于磁極在陽極筒外側(cè)，磁場對電子的約束能力減弱，電子在電場的作用下，被磁極附近的陽極吸引，碰撞到該區(qū)域而消失，也造成了電子的損失。
[0007]而且，目前的磁場構(gòu)型中，不能完全兼顧陽極筒表面和陰極出口處磁場強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到最大值，即不能最大限度的將陰極發(fā)射的原初電子約束在陽極壁面附近。同時(shí)，推力器出口處磁場強(qiáng)度衰減不夠，即無場區(qū)不夠大，過多的原初電子在柵極中軸線附近聚集。這與放電室的設(shè)計(jì)初衷不符，設(shè)計(jì)初衷是所有原初電子從陰極發(fā)出后被磁場約束至陽極筒表面附近，在該區(qū)域通過碰撞電離工質(zhì)氣體，電離后的正離子通過自由擴(kuò)散均勻分布在無場區(qū)的空間中。柵極上表面區(qū)域離子分布越均勻，引出的束流平直度越好。否則，柵極中軸線附近離子密度將比邊緣密度大，中軸線附近的柵孔聚焦性能變差，最終造成柵極穩(wěn)定性變差?，F(xiàn)有的磁場構(gòu)型就是要盡可能的符合設(shè)計(jì)初衷，達(dá)到一個(gè)最優(yōu)化的磁場構(gòu)型，有效提高原初電子利用率和束流均勻性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提了一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，能夠提高原初電子利用率，提高放電效率和束流均勻性。
[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0010]一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，包括下磁極、中間磁極、上磁極以及對應(yīng)連接的下極靴、中間極靴和上極靴，還包括永磁體，磁極之間通過極靴和永磁體構(gòu)成磁力線回路，在放電室內(nèi)部形成環(huán)尖會切磁場；本發(fā)明的特點(diǎn)是:放電室的陽極筒置于會切場內(nèi)部；各磁極均伸入陽極筒內(nèi)表面，且相對于陽極筒帶負(fù)電；安裝于下極靴上的放電室陰極在前方?jīng)]有陽極筒的情況下直接伸入放電室內(nèi)部。
[0011]優(yōu)選地，下磁極為兩同心環(huán)組成的雙磁極結(jié)構(gòu)，其中一極靠近放電室陰極側(cè)面，另一極靠近陽極筒。
[0012]優(yōu)選地，上磁極與上極靴為分體結(jié)構(gòu)，并設(shè)置多個(gè)長度規(guī)格的上磁極作為備選。
[0013]優(yōu)選地，以磁極伸入陽極筒的方向定義為長度方向，則下磁極和上磁極的長度方向平行于放電室軸線方向，中間磁極的長度方向垂直于放電室軸線方向。
[0014]優(yōu)選地，所述陽極筒為兩段式結(jié)構(gòu)包括錐段陽極筒和柱段陽極筒。
[0015]優(yōu)選地，下磁極伸入陽極筒內(nèi)的一端與錐段陽極筒上端面的距離al = 8mm，下磁極的環(huán)厚bl = 2mm;靠近下磁極的一端面為錐段陽極筒上端面；中間磁極伸入陽極筒內(nèi)的一端與柱段陽極筒內(nèi)壁的距離a2 = 7mm，中間磁極的環(huán)寬b2 = 4mm ;各種長度規(guī)格的上磁極(3)，環(huán)厚均為b3 = 2mm，伸入陽極筒內(nèi)的一端與上極靴安裝面的距離a3分別為6mm、8mm、10mm、12mm0
[0016]優(yōu)選地，所述永磁體包括錐段磁鋼和柱段磁鋼；錐段磁鋼均布于放電室壁錐段外圓周上，連接下極靴與中間極靴；柱段磁鋼均布于放電室壁柱段外圓周上，連接中間極靴與上極靴；柱段磁鋼和錐段磁鋼在中間極靴處的極性相同。
[0017]優(yōu)選地，錐段磁鋼軸向與下磁極軸向和中間磁極軸向均成45度角。
[0018]優(yōu)選地，磁極和極靴均選用電工純鐵DT4C制作，永磁體均選用高溫稀土鈷Sm2Col7材料制作；陽極筒均選用鋁合金制作。
[0019]本發(fā)明還提供了一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
[0020]步驟1、以上述放電室磁極結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，其中永磁體采用電磁鐵代替；利用電磁場軟件仿真得到放電室內(nèi)磁場構(gòu)型，在電磁鐵加載設(shè)定激勵(lì)電流的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整磁極尺寸和伸入陽極筒的長度，對磁場構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)是:
[0021]a)磁極在陽極筒內(nèi)表面區(qū)域形成的磁場，磁力線不與陽極筒內(nèi)表面相交，并盡量與陽極筒內(nèi)表面平行；
[0022]b)磁場限制在陽極筒附近區(qū)域，使放電室內(nèi)部柵極附近的大部分區(qū)域接近為無場區(qū)；
[0023]c)調(diào)整軸向上的最大磁場強(qiáng)度剛好位于陰極出口處；
[0024]步驟2、根據(jù)步驟I確定的磁極仿真數(shù)據(jù)，構(gòu)造實(shí)際磁極結(jié)構(gòu)，仍以電磁鐵代替永磁體，通過改變電磁鐵的勵(lì)磁電流，并在上磁極仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在設(shè)定小范圍內(nèi)更換不同尺寸的上磁極，進(jìn)行放電室軸線方向的實(shí)際磁場優(yōu)化；優(yōu)化目標(biāo)為:固定束電流和束電壓條件下的放電損耗最小和工質(zhì)利用率最高，以及通過測量束流密度分布計(jì)算得到的束流平直度最高；
[0025]步驟3、完成上述兩步優(yōu)化工作后，在當(dāng)前磁極結(jié)構(gòu)和電磁鐵的勵(lì)磁電流的設(shè)計(jì)下，測量錐段和柱段的總磁通量，按照總磁通量相等的原則，完成永磁鐵設(shè)計(jì)加工。
[0026]有益效果:
[0027]本發(fā)明的磁極結(jié)構(gòu)使陽極附近磁力線與陽極表面平行，同時(shí)兼顧陰極出口磁場強(qiáng)度最大化，提高原初電子利用率；并通過對上磁極長度的優(yōu)化，將推力器出口區(qū)域設(shè)計(jì)接近于無場區(qū)，提高束流平直度。設(shè)計(jì)方法方便實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)并降低試驗(yàn)成本。具體來說:
[0028](I)本發(fā)明令磁極伸入放電室內(nèi)部，超出陽極筒內(nèi)表面，使得磁力線盡量遠(yuǎn)離陽極筒，從而盡量與陽極筒不相交。由于不相交就不會導(dǎo)致電子沿磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在交叉處或在磁極附近觸碰到陽極筒。而且，本發(fā)明令磁極相對于陽極筒帶負(fù)電，因此，當(dāng)電子沿磁力線運(yùn)動(dòng)到達(dá)磁極附近時(shí)，不會因電場作用打到磁極上。那么，原初電子只能通過碰撞或者湍流輸運(yùn)擴(kuò)散才能夠穿越磁力線和陽極碰撞而消失，提高電子利用率。
[0029](2)由于下磁極向放電室內(nèi)部伸入，使得陰極出口處的磁場更強(qiáng)，所有電子從陰極出來，將更多的沿著磁力線往邊緣運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)磁場被限制在陽極附近區(qū)域，大部分工質(zhì)氣體在該區(qū)域被原初電子碰撞電離，電離的離子通過自由擴(kuò)散作用均勻分布在無磁場區(qū)域內(nèi)。通過優(yōu)化上磁極長度，使柵極附近的大部分區(qū)域接近為無場區(qū)，更有利于離子的均勻擴(kuò)散，提高引出束流的均勻性，避免柵極中軸線附近離子密度過大引起的柵孔聚焦能力的惡化，造成柵極穩(wěn)定性變差，柵極面積利用不充分等問題，從而提高放電效率和束流平直度。
[0030](3)該磁場結(jié)構(gòu)，錐段磁感應(yīng)強(qiáng)度要強(qiáng)于柱段磁感應(yīng)強(qiáng)度，放電室軸線上的磁場強(qiáng)度在陰極觸持極頂附近達(dá)到最大值，到達(dá)柱段區(qū)域，磁場強(qiáng)度迅速衰減，達(dá)到了兼顧電離效率和束流均勻性的目的。
[0031](4)下磁極采用雙磁極結(jié)構(gòu)，使得陽極筒表面和陰極出口處同時(shí)達(dá)到較強(qiáng)的磁場強(qiáng)度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1 (a)和圖1 (b)為現(xiàn)有技術(shù)的離子推力器磁極結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0033]圖2為本發(fā)明的離子推力器磁極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖3為中間磁極參數(shù)示意圖。
[0035]其中，1-下磁極；2-中間磁極；3_上磁極；4_下極靴；5-中間極靴；6_上極靴；
7-錐段陽極筒；8_柱段陽極筒；9_錐段磁鋼；10_柱段磁鋼；11_陰極；12_柵極。A-放電室錐段；B-放電室柱段。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0037]本發(fā)明提供了一種離子推力器放電室的磁極結(jié)構(gòu)，放電室包括放電室壁、陽極筒，磁極結(jié)構(gòu)包括磁極、極靴、永磁鐵。具體來說，如圖2所示,磁極包括下磁極1、中間磁極2和上磁極3，均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，圖中是出的是其截面，中間磁極2將放電室分為錐段和柱段兩部分。極靴與磁極相對應(yīng)，包括下極靴4、中間極靴5和上極靴6。磁極之間通過極靴和永磁體構(gòu)成磁力線回路，在放電室內(nèi)部形成環(huán)尖會切磁場。本發(fā)明的特點(diǎn)是:放電室的陽極筒置于會切場內(nèi)部；各磁極均伸入陽極筒內(nèi)表面，且相對于陽極筒帶負(fù)電；安裝于下極靴上的放電室陰極在前方?jīng)]有陽極筒的情況下直接伸入放電室內(nèi)部。
[0038]可見，本發(fā)明令磁極伸入放電室內(nèi)部，超出陽極筒內(nèi)表面，使得磁力線盡量遠(yuǎn)離陽極筒，從而盡量與陽極筒不相交。由于不相交就不會導(dǎo)致電子沿磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在交叉處或在磁極附近觸碰到陽極筒。而且，本發(fā)明令磁極相對于陽極筒帶負(fù)電，因此，當(dāng)電子沿磁力線運(yùn)動(dòng)到達(dá)磁極附近時(shí)，不會因電場作用打到磁極上。那么，原初電子只能通過碰撞或者湍流輸運(yùn)擴(kuò)散才能夠穿越磁力線和陽極碰撞而消失，提高電子利用率。
[0039]而且，由于下磁極向放電室內(nèi)部伸入，使得陰極出口處的磁場更強(qiáng)，所有電子從陰極出來，將更多的沿著磁力線往邊緣運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)磁場被限制在陽極附近區(qū)域，大部分工質(zhì)氣體在該區(qū)域被原初電子碰撞電離，電離的離子通過自由擴(kuò)散作用均勻分布在無磁場區(qū)域內(nèi)。通過優(yōu)化上磁極長度，使柵極附近的大部分區(qū)域接近為無場區(qū)，更有利于離子的均勻擴(kuò)散，提高引出束流的均勻性，避免柵極中軸線附近離子密度過大引起的柵孔聚焦能力的惡化，造成柵極穩(wěn)定性變差，柵極面積利用不充分等問題，從而提高放電效率和束流平直度。
[0040]下面結(jié)合圖2對本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0041]圖2示出的結(jié)構(gòu)中，由于磁極伸入陽極筒內(nèi)部，因此較佳地，將陽極筒設(shè)計(jì)為兩段式結(jié)構(gòu)，包括錐段陽極筒7和柱段陽極筒8。
[0042]永磁體也包括錐段磁鋼9和柱段磁鋼10。錐段磁鋼9均布于放電室壁錐段外圓周上，連接下極靴4與中間極靴5。柱段磁鋼10均布于放電室壁柱段外圓周上，連接中間極靴5與上極靴6 ;柱段磁鋼10和錐段磁鋼9在中間極靴6處的極性相同，同為S或同為N。均布的好處在于使放電室內(nèi)磁場盡可能均勻，避免不均布造成的磁通路磁阻差異，進(jìn)而影響放電室內(nèi)等離子體分布的均勻性。
[0043]下磁極I與下極靴4為一體結(jié)構(gòu)(也可以為分開結(jié)構(gòu))，位于放電室后端。以磁極伸入陽極筒的方向定義為長度方向，則下磁極I的長度方向平行于放電室軸線方向。在放電室的軸線方向上，錐段磁鋼9軸向(一般來說永磁鐵都是柱狀的)與下磁極I的軸向成一定角度α安裝，α優(yōu)先選擇45度。錐段磁鋼9共η根，η選擇范圍為8到16根，均布于放電室壁錐段外圓周上。
[0044]為了既保證陰極出口處磁場強(qiáng)度最優(yōu)，又保證陽極表面磁場強(qiáng)度滿足要求，下磁極I為兩同心環(huán)組成的雙磁極結(jié)構(gòu)，其中一極靠近放電室陰極11側(cè)面，另一極靠近錐段陽極筒7。磁場設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，陽極筒表面和陰極出口處都要達(dá)到較強(qiáng)的磁場強(qiáng)度，單磁極不能很好的兼顧上述需求，因此采用雙磁極，同時(shí)使陽極筒表面和陰極出口處達(dá)到理想的磁場強(qiáng)度值。
[0045]中間磁極2與中間極靴5為一體結(jié)構(gòu)(也可以為分開結(jié)構(gòu))，位于放電室中段，中間磁極2的長度方向垂直于放電室軸線方向。中間磁極2軸向與錐段磁鋼軸向成β度角安裝，β優(yōu)先選擇45度。為了方便安裝，兩兩錐段磁鋼中間，沿放電室軸向安裝柱段磁鋼，柱段磁鋼共m根，m選擇范圍為8到16根，均布于放電室壁柱段外圓周上。
[0046]上磁極3與上極靴6為分體結(jié)構(gòu),位于放電室前端,上磁極3的長度方向平行于放電室軸線方向。上極靴3外側(cè)沿放電室軸向安裝相應(yīng)柱段磁鋼。上磁極3伸入陽極筒的長度對束流平直度敏感，因此將上磁極與上極靴設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)，方便磁極長度的更換。那么應(yīng)該設(shè)置多個(gè)長度規(guī)格的上磁極3作為備選。
[0047]在材料方面，磁極和極靴均優(yōu)選磁導(dǎo)率高的電工純鐵DT4C制作；錐段磁鋼和柱段磁鋼均優(yōu)選高溫稀土鈷Sm2Col7材料制作，其工作溫度高，高溫穩(wěn)定性好；錐段陽極筒和柱段陽極筒均優(yōu)選鋁合金制作，其不導(dǎo)磁，質(zhì)量輕，比剛度大。
[0048]基于上述磁極結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其包括如下步驟:
[0049]步驟1、以上述放電室磁極結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，其中永磁體采用電磁鐵代替，以便進(jìn)行仿真。利用電磁場軟件仿真得到放電室內(nèi)磁場構(gòu)型，在電磁鐵加載設(shè)定激勵(lì)電流的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整磁極尺寸和伸入陽極筒的長度，對磁場構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)是:
[0050]a)磁極在陽極筒內(nèi)表面區(qū)域形成的磁場，磁力線不與陽極筒內(nèi)表面相交，并盡量與陽極筒內(nèi)表面平行，這可以實(shí)現(xiàn)放電等離子體的低氣壓化、高密度化和均勻化；
[0051]b)磁場限制在陽極筒附近區(qū)域，使放電室中柵極12附近的大部分區(qū)域接近為無場區(qū)，可增強(qiáng)引出束流的分布均勻性；
[0052]c)錐段磁感應(yīng)強(qiáng)度要強(qiáng)于柱段磁感應(yīng)強(qiáng)度，且令軸向上的最大磁場強(qiáng)度剛好位于陰極11出口處，從而使得到達(dá)柱段區(qū)域的磁場強(qiáng)度迅速衰減，以達(dá)到兼顧電離效率和束流均勻性的目的。
[0053]步驟2、根據(jù)步驟I確定的磁極仿真數(shù)據(jù)，構(gòu)造實(shí)際磁極結(jié)構(gòu)，仍以電磁鐵代替永磁體，通過改變電磁鐵的勵(lì)磁電流，并在上磁極仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上在小范圍更換不同尺寸的上磁極，進(jìn)行放電室軸線方向的實(shí)際磁場優(yōu)化；優(yōu)化目標(biāo)為:固定束電流和束電壓(也是屏柵電壓)條件下的放電損耗最小和工質(zhì)利用率最高，以及通過測量束流密度分布計(jì)算得到的束流平直度最高；。
[0054]步驟3、完成上述兩步優(yōu)化工作后，在當(dāng)前磁極結(jié)構(gòu)和電磁鐵的勵(lì)磁電流的設(shè)計(jì)下，測量錐段和柱段的總磁通量，按照總磁通量相等的原則，完成永磁鐵設(shè)計(jì)加工。
[0055]結(jié)合上述設(shè)計(jì)方法和多方因素考慮，最后確定下磁極I伸入陽極筒內(nèi)的一端與錐段陽極筒7上端面(靠近下磁極的一端面為錐段陽極筒7上端面)的距離為al = 8mm,下磁極I的環(huán)厚bl = 2mm ；
[0056]中間磁極2伸入陽極筒內(nèi)的一端與柱段陽極筒8內(nèi)壁的距離a2 = 7mm，中間磁極2的環(huán)寬b2 = 4mm ;參見圖3 ；
[0057]各種長度規(guī)格的上磁極3，環(huán)厚均為b3 = 2mm，伸入陽極筒內(nèi)的一端與上極靴3安裝面的距離a3分別為6mm、8mm、10mm、12mm。
[0058]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，包括下磁極(I)、中間磁極(2)、上磁極(3)以及對應(yīng)連接的下極靴(4)、中間極靴(5)和上極靴￠)，還包括永磁體(9，10)，磁極之間通過極靴(4，5，6)和永磁體(9，10)構(gòu)成磁力線回路，在放電室內(nèi)部形成環(huán)尖會切磁場；其特征在于，放電室的陽極筒(7,8)置于會切場內(nèi)部；各磁極均伸入陽極筒(7,8)內(nèi)表面,且相對于陽極筒(7，8)帶負(fù)電；安裝于下極靴(4)上的放電室陰極(11)在前方?jīng)]有陽極筒的情況下直接伸入放電室內(nèi)部。
2.如權(quán)利要求1所述的離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，其特征在于，下磁極(I)為兩同心環(huán)組成的雙磁極結(jié)構(gòu)，其中一極靠近放電室陰極(11)側(cè)面，另一極靠近陽極筒。
3.如權(quán)利要求1或2所述的離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，其特征在于，上磁極(3)與上極靴(6)為分體結(jié)構(gòu)，并設(shè)置多個(gè)長度規(guī)格的上磁極(3)作為備選。
4.如權(quán)利要求1所述的離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，其特征在于，以磁極伸入陽極筒的方向定義為長度方向，則下磁極(I)和上磁極(3)的長度方向平行于放電室軸線方向，中間磁極(2)的長度方向垂直于放電室軸線方向。
5.如權(quán)利要求1所述的離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陽極筒為兩段式結(jié)構(gòu)包括錐段陽極筒(7)和柱段陽極筒(8)。
6.如權(quán)利要求5所述的離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，其特征在于，下磁極(I)伸入陽極筒內(nèi)的一端與錐段陽極筒⑵上端面的距離al = 8mm，下磁極(I)的環(huán)厚bl = 2mm ;靠近下磁極的一端面為錐段陽極筒(7)上端面； 中間磁極⑵伸入陽極筒內(nèi)的一端與柱段陽極筒⑶內(nèi)壁的距離a2 = 7mm，中間磁極(2)的環(huán)寬 b2 = 4mm ； 各種長度規(guī)格的上磁極(3)，環(huán)厚均為b3 = 2mm，伸入陽極筒內(nèi)的一端與上極靴安裝面的距離 a3 分別為 6mm、8mm、10mm、12mm。
7.如權(quán)利要求1所述的離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述永磁體包括錐段磁鋼(9)和柱段磁鋼(10);錐段磁鋼(9)均布于放電室壁錐段外圓周上，連接下極靴(4)與中間極靴(5);柱段磁鋼(10)均布于放電室壁柱段外圓周上，連接中間極靴(6)與上極靴(6);柱段磁鋼(10)和錐段磁鋼(9)在中間極靴(6)處的極性相同。
8.如權(quán)利要求7所述的離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，其特征在于，錐段磁鋼(9)軸向與下磁極⑴軸向和中間磁極⑵軸向均成45度角。
9.如權(quán)利要求1所述的離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)，其特征在于，磁極和極靴均選用電工純鐵DT4C制作，永磁體均選用高溫稀土鈷Sm2Col7材料制作；陽極筒均選用鋁合金制作。
10.一種離子推力器放電室磁極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1、以權(quán)利要求3所述的放電室磁極結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，其中永磁體采用電磁鐵代替；利用電磁場軟件仿真得到放電室內(nèi)磁場構(gòu)型，在電磁鐵加載設(shè)定激勵(lì)電流的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整磁極尺寸和伸入陽極筒的長度，對磁場構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)是: a)磁極在陽極筒內(nèi)表面區(qū)域形成的磁場，磁力線不與陽極筒內(nèi)表面相交，并盡量與陽極筒內(nèi)表面平行； b)磁場限制在陽極筒附近區(qū)域，使放電室中柵極(12)附近的大部分區(qū)域接近為無場區(qū)； c)調(diào)整軸向上的最大磁場強(qiáng)度剛好位于放電室陰極(11)出口處； 步驟2、根據(jù)步驟I確定的磁極仿真數(shù)據(jù)，構(gòu)造實(shí)際磁極結(jié)構(gòu)，仍以電磁鐵代替永磁體，通過改變電磁鐵的勵(lì)磁電流，并在上磁極仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在設(shè)定小范圍內(nèi)更換不同尺寸的上磁極，進(jìn)行放電室軸線方向的實(shí)際磁場優(yōu)化；優(yōu)化目標(biāo)為:固定束電流和束電壓條件下的放電損耗最小和工質(zhì)利用率最高，以及通過測量束流密度分布計(jì)算得到的束流平直度最高； 步驟3、完成上述兩步優(yōu)化工作后，在當(dāng)前磁極結(jié)構(gòu)和電磁鐵的勵(lì)磁電流的設(shè)計(jì)下，測量錐段和柱段的總磁通量，按照總磁通量相等的原則，完成永磁鐵設(shè)計(jì)加工。
【文檔編號】F03H1/00GK104269336SQ201410447552
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】王亮, 周志成, 江豪成, 張?zhí)炱? 王小永, 楊樂, 趙以德 申請人:蘭州空間技術(shù)物理研究所