[发明专利]一种螺旋波电磁加速等离子体源

说明书

本发明公开了一种螺旋波电磁加速等离子体源，整体成圆柱形，沿径向方向由外向内依次主要包括外磁屏、外磁线圈组、内磁屏、天线、环形陶瓷放电腔和内磁线圈组。本发明一方面使用螺旋波源作为等离子体发生装置，具有电离率高、无电极设计、可控性强等特点，是性能优良的新型等离子体源；另一方面使用霍尔电磁加速机理，在螺旋波源产生的高密度等离子体的基础上，将等离子体进行二阶加速，提高离子的喷出速度，提高推力器的比冲。

技术领域

本发明属于等离子体源技术领域，特别涉及一种放电腔内外壁面磁场位形可调、使用螺旋波等离子体源作为电离源、使用霍尔电磁加速效应作为离子加速阶段的螺旋波电磁加速等离子体源。

背景技术

螺旋波等离子体源是一种不通过电极接触就能够将射频波能量通过天线系统高效转化成高密度等离子体的装置。它具有推进剂多样(富氧气体或空气)、无电极(寿命长)、电离率高(中心区接近100％)、密度高(1017-1020m-3)、磁场约束低(0.1T)、可控性高(多模式工作)等显著优点，非常适合用于空间推进领域作为直接推进器或者作为离子源结合其他离子加速装置成为二阶加速的螺旋波推力器，同时可以进行大功率和小功率双向优化设计，以匹配空间推进领域不同的任务需求。

螺旋波推力器是一种利用螺旋波源来产生和加速高密度等离子体，从而产生推进力的装置。目前，螺旋波推力器主要分为两大类：一阶加速推力器和二阶加速推力器。在一阶加速推力器中，离子的产生和加速过程都是在放电腔内完成的，例如，螺旋波双层推力器(Helicon Double Layer Thruster)是直接利用螺旋波源放电腔内产生无电流双层结构来加速离子，从而获得推进力。该推力器的主要优势是无电极设计，不产生腐蚀，所以大大提高了推力器的寿命。但是，研究结果表明该推力器的推力较低(几mN)、效率较低(3％)、离子束较为发散(束散半角约80°)，并不适合直接作为推力器应用。由于螺旋波源产生离子的效率较高，导致螺旋波双层推力器推力效率低下的原因很大可能是对离子的加速作用不足。

为了对一阶螺旋波源中的高密度离子进行进一步加速，获得更高的推力和推力效率，发展出了二阶加速螺旋波推力器，即，利用拉瓦尔喷管、磁喷管、离子回旋共振、静电栅极加速、电磁加速等技术对螺旋波源产生的高密度离子进行进一步的加速，例如，可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)综合利用了离子回旋共振和磁喷管效应对离子的加速作用，大大提高了推力器的推力(～N级)、比冲(5000s)和推力效率(50％)，为螺旋波源推力器的推广应用打通了道路。

北京理工大学的张尊等人提出了一种多模式螺旋波离子推力器，涉及一种附加磁场位型可调、具有阴极中和器、阳极、三栅极静电加速系统的螺旋波离子推力器，属于一种二阶静电加速螺旋波推力器。该螺旋波离子推力器是利用的静电栅极加速方式对离子进行加速，其加速效率较低，所需加速区域较大，多层栅网对准难度大、间距小，容易造成栅极间的短路，容易造成栅极的腐蚀，从而制约推力器寿命。

发明内容

为了提高推力器推进剂的电离率、提高等离子体浓度、提高等离子体的喷出速度、提高推力器可控性、提高推力器推进剂多样性、提高推力器比冲和推力，进而提高推力器的性能和寿命，本发明提供了一种螺旋波电磁加速等离子体源，主要包括射频功率源、天线、内/外磁线圈组、陶瓷放电腔、阳极、阴极中和器。其中，天线、内/外磁线圈组和环形陶瓷放电腔构成螺旋波放电装置，其将推进剂气体电离，形成高电离率、高密度的螺旋波等离子体；内/外磁线圈组、阳极、阴极中和器、环形陶瓷放电腔构成霍尔电磁加速结构，对前期产生的高密度螺旋波等离子体进行二阶加速，提高推力器的比冲和推力。因此，本发明的螺旋波电磁加速等离子体源是利用电磁霍尔效应对一阶螺旋波源电离出来的离子进行二阶加速，其加速效率高、加速区域集中、集成推力器体积较小、不存在栅极腐蚀问题、寿命较长、腔内外壁面磁场可调，是一种高效率的二阶螺旋波推力器。

根据本发明的一方面，提供了一种螺旋波电磁加速等离子体源，整体成圆柱形，沿径向方向由外向内依次包括外磁屏、外磁线圈组、内磁屏、天线、环形陶瓷放电腔和内磁线圈组，