地面寿命试验中离子推力器表面的溅射沉积量计算

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1、航天器环境工程第28卷第5期436SPACECRAFTENVIRONMENTFN(jINFFRING2011't-10门地面寿命试验中离子推力器表面的溅射沉积量计算张天平，陈继巍，李小平，陈娟娟(兰州物理研究所真空低温技术与物理重点实验室，兰州730000)摘要：有效降低溅射沉积影响是离子推力器地面寿命试验需要解决的重要技术问题．文章建立了真空舱壁上溅射物沉积到离子推力器表面的计算模型。应用该模型计算了LIPS．200推力器在Ts．7真空舱中进行寿命试验的背溅射沉积情况，对钛(Ti)材料和石墨(C)材料内衬，背溅射沉积量

2、分别为O．79pm／kh和0．20¨m／kh。对比美国NSTAR和NEXT离子推力器寿命试验中的背溅射沉积量测量数据，文章中的计算结果表明，LIPS一200推力器的表面沉积污染在可接受的范围。关键词：背溅射；数学模型；溅射沉积；离子推力器；寿命试验中图分类号：V439+．4；0561．5；V416．6文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)05-0436--04DOI：lO．3969／j．issn．1673—1379．2011．05．0060引言电推进是支撑当前和未来空间活动的关键技术之一【11。兰州物理研

3、究所研制的LIPS．200离子推力器的性能已经达到了我国航天器工程应用的水平【2】，目前正准备进行地面寿命试验验证。离子推力器工作寿命要求长达上万h，在地面验证如此长的工作寿命是一件相当不容易的事情【3羽，技术难题之一是如何有效降低推力器表面的背溅射沉积【矗71。推力器地面寿命试验在真空舱内进行，离子推力器束流离子的能量较高(keV以上)，这些高能离子碰撞于真空舱壁后产生溅射，即使只有很少量的溅射物运动到推力器附近并沉积于推力器表面或内部，长达上万h的积累沉积也会对推力器工作寿命产生不能忽视的影响【6，8】。要降低背溅射

4、沉积影响，一方面应采用钛(Ti)、石墨(C)等抗溅射材料制作真空舱壁内衬和束流靶，以减小壁面上离子溅射物的沉积量[8-91；另一方面需要合理设计真空舱尺寸和束流靶形状，以降低溅射物运动到推力器表面的可能性。本文在推导出地面寿命试验中评估推力器表面背溅射沉积计算式的基础上，针对LIPS．200推力器束流特性和TS．7寿命试验真空舱几何形状及尺寸，具体分析计算了LIPS．200推力器寿命试验中背溅射沉积的速率和总沉积量，通过对比国外类似情况给出了背溅射沉积影响的判断结论。1通用计算模型离子推力器在真空舱内进行寿命试验时，推力

5、器喷出的高能离子与真空舱内表面碰撞产生离子溅射。从真空舱表面溅射出来的所有舱壁材料原子中，如果某些原子的发射方向正好指向推力器，则这些溅射原子就向推力器运动直到最终碰撞和沉积于推力器表面，造成所谓的背溅射沉积污染。由此可见，离子推力器背溅射沉积由推力器束流离子入射到真空舱表面、入射离子和真空舱表面材料相互作用产生离子溅射发射、溅射发射原子入射和沉积于推力器表面等3个基本过程组成。离子推力器背溅射沉积计算通用模型，就建立于这3个基本物理过程的一般性数学计算模型基础之上。另外，背溅射沉积计算模型中还应用了如下假设条件：1)自

6、由分子运动。离子推力器寿命试验的工作压力一般低于5×104Pa，该真空度条件下原子和离子运动收稿日期：2011．05．06；修回日期：201l-09．29基金项目：真空低温技术与物理重点实验室基金项目支持(编号：9140C550403105504)作者简介：张天平(1963一)，男，研究员，博士生导师，主要从事航天器推进技术与工程研究。E-mail：ztp510@yahoo．C01．gn。第5期张天平等：地面寿命试验中离子推力器表面的溅射沉积餐计算437的自由程大于真空舱尺寸，对束流离子的运动和溅射原子的运动等全部按照自

7、由分子运动处理；2)推力器表面对入射的溅射原子全部吸附。离子推力器束流离子具有旋转轴对称特性，入射到真空舱表面的推力器喷出的高能离子束流用Reynolds模型描述00-N】，在距离推力器轴向距离z和径向距离r处的束流离子电流密度为北，，)：上弊，(1)2形z—fe小寿J“Jydy2形2lI√1+y2OJ式中：以为束流，mA；栉，A为无量纲束流分布参数。离子溅射过程为入射离子和舱壁材料原子之间的复杂相互作用过程，已经有几个可用的半经验公式。本文中选用最新的Bohdansky和Yamamura模型计算[12-13l，即能量为

8、E的束流离子以入射角a碰撞到舱壁面后的溅射产额为№阁=9[1_(硝

9、(1-钌(COS口1e[4l一击)㈣圳，(2)式中：％为壁面材料的离子溅射能量阈值，eV：Q、占、f为与入射离子和壁面材料原子相关的无量纲参数；ao为最大溅射产额方向角。溅射发射原子入射和沉积于推力器表面的计算模型建立过程如下：推力器在原点，在溅射物