霍尔推进器壁面材料二次电子发射及鞘层特性

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．8(2014)085204霍尔推进器壁面材料二次电子发射及鞘层特性冰段萍)十覃海娟)周新维)曹安宁)刘金远2)卿少伟3)1)(大连海事大学物理系，大连116026)2)(大连理工大学物理与光电工程学院，大连116024)3)(重庆大学动力工程学院，重庆400030)(2013年1O月28日收到；2013年11月27日收到修改稿)霍尔推进器放电通道等离子体与壁面相互作用形成鞘层，不同壁面材料的二次电子发射对推进器鞘层特性具有重要影响．本文针对推进器壁面鞘层区域建立二维物理模型，研究了氮化硼(BN

2、)、碳化硅(SiC)和三氧化二铝(A12031三种不同壁面材料的二次电子发射特性，在改进SiC材料二次电子发射模型的基础上，采用粒子模拟方法，讨论了壁面二次电子发射系数与电子温度和磁场强度的关系，研究了三种材料fBN，SiC和A12O3)的鞘层特性．结果表明：修正的二次电子发射模型拟合曲线与实验曲线几乎一致；在相同电子温度下，三种材料(BN，SiC和Al2O3)的二次电子发射系数和壁面电子数密度依次增大，而鞘层电场和鞘层电势降依次减小．BN材料具有合适的二次电子发生射系数，使得霍尔推进器能在低电流下稳态工作．关键词：霍尔推进器，壁面材料，鞘层二次

3、电子发射PACS：52．40．Kh．52．65．Rr．52．40．一wDOh10．7498／aps．63．085204同壁面材料对霍尔推进器鞘层特性的影响具有重1引言要意义．Morozov和Savelyer[11,12】首先通过实验研究霍尔推进器又称为稳态等离子体推进器(sta—了BN，SiC，A12O3和C的二次电子发射系数与入tionaryplasmathruster，SPT)主要应用于实现航射电子能量的关系，并且提出了这4种材料的二天器的姿态控制、位置保持、轨道转移等空间推进次电子发射线性模型，此后，他又对二次电子发射任务[1-4】，其工作

4、原理如图1所示．目前，我国XX一模型进行了改进．哈工大在Morozov改进模型的9A卫星已于2012年10月14日发射入轨【5J．霍尔基础上考虑了电子发生非弹性反射的情况，提出推进器放电过程在两个绝缘套筒之间的狭窄通道了BN和Al2O3新的二次电子发射模型．大多数霍中进行，通道两端施加了约几百伏的放电电压．通尔推进器鞘层特性研究都涉及壁面材料的二次电道中电子在径向磁场和轴向电场的作用下沿周向做霍尔漂移运动，约束电子横越磁场的传导[6-8l，子，且大部分采用BN二次电子发射模型．如Tac—cogna等【】采用BN二次电子发射模型，研究了Xe离子在轴

5、向电场的作用下加速喷出从而产生推力．霍尔推进器通道壁面一般由绝缘陶瓷材料构成，高正一价和正二价对霍尔推进器鞘层特性的影响；文能电子轰击绝缘陶瓷壁面有二次电子产生，不同的献『14]也是采用BN二次电子发射模型，研究了电壁面材料其二次电子发射系数不同．二次电子发射子温度各向异性对壁面的影响等．本文考虑当电影响霍尔推进器的鞘层特性，进而影响霍尔推进器子打到壁面发射非弹性反射的情况，对SiC二次电的效率、比冲和寿命等性能指标[9)l0j．因此，研究不子发射模型进行了改进，针对霍尔推进器壁面鞘层}国家自然科学基金(批准号：11275034，11375039

6、，11175052，11005025)和辽宁省科学技术计划重点项目(批准号：2011224007)资助的课题．十通讯作者．E—mail：duanping591@sohu．corn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．hy．ac．ca085204—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．8(2014)085204面电荷密度．在准中性区域内(r=ro一3AD)电子本文在考虑电子与壁面发生非弹性反射的基随机均匀布置，电子速度服从麦克斯韦分布[16]．础上，对SiC材料二次电子发射模型

7、进一步修正．由于电子在模拟区域中运动时会和壁面碰撞，当一／／／／／／／／／／个电子打到SiC绝缘壁面后，电子可能积累在壁面E：一E0上、发生非弹性反射、打出一个电子、打出两个电子丝：0丝：04种情况．4种情况对应的概率分别为za击=0VWo(=Poexp(、一磊／)，(14)／2、2=20AD(E)=Prexp(＼一，／)，(15)图2模拟区域和边界条件／2、(￡)xp、一运ln／)，，()2．2二次电子发射模型w1(￡)=1一(E)一(E)一(E)，(17)Morozov和Savelyer[11,12,J通过实验研究了式中，E为入射电子能量，其

8、中Po=0．31，Pr=BN，A12O3，SiC和C4种材料的二次电子发射系0．69，OL0=34．6616，=30，oL2=143．4