霍爾推力器通道中工質(zhì)電離參數(shù)的多譜線診斷方法.pdf

1、霍爾推力器是一種廣泛用于各種太空飛行任務(wù)的電磁等離子體推進(jìn)裝置，具有高效率、高比沖和長(zhǎng)壽命的工作特點(diǎn)，特別適用于各類航天器的位姿保持、軌道修正、動(dòng)力補(bǔ)償和深空探測(cè)等任務(wù)。其內(nèi)部的物理機(jī)理非常復(fù)雜，通道中的電離過程是霍爾推力器進(jìn)行性能改進(jìn)的需要考慮的重要過程，工質(zhì)是否充分電離，離子是否平行于出口軸向噴出，都嚴(yán)重影響著霍爾推力器的效率。通道中有著狹小的電離空間和復(fù)雜的磁場(chǎng)位形，目前只有使用輻射光譜法才能有效地對(duì)各種等離子體參數(shù)進(jìn)行診斷，而這

2、種診斷方法也有著一些其他的優(yōu)勢(shì)，如實(shí)時(shí)診斷，便攜帶等。
　　本文從基礎(chǔ)的惰性氣體內(nèi)部能級(jí)出發(fā)，詳細(xì)論述了光譜輻射強(qiáng)度模型的建立過程，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了通道中光輻射陷阱效應(yīng)的影響，對(duì)比與雙譜線法診斷，提出了多譜線診斷的方法，最后對(duì)多譜線診斷方法進(jìn)行了不確定分析。
　　霍爾推力器通道中的光譜輻射模型主要是基于通道中的各種碰撞過程提出來的。惰性氣體原子內(nèi)部能級(jí)的耦合過程區(qū)別于一般的原子，它是通過jK耦合形成的，耦合過程確定了

3、其不同能級(jí)的代表能級(jí)性質(zhì)的各種量子數(shù)。根據(jù)躍遷準(zhǔn)則，只有符合條件的能級(jí)之間才能夠進(jìn)行躍遷，產(chǎn)生激發(fā)、電離、自發(fā)輻射等過程。通道中光子、電子、原子、離子等進(jìn)行著非常復(fù)雜的碰撞能量交換過程，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募僭O(shè)討論之后，原子的碰撞過程主要取決于電子對(duì)基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)原子的碰撞。電子與原子碰撞使其激發(fā)或者電離是有一定概率的，這主要體現(xiàn)在碰撞截面隨著電子溫度的分布上面。再假設(shè)激發(fā)態(tài)的原子全部都通過自發(fā)輻射進(jìn)行退激之后，根據(jù)這些基礎(chǔ)能級(jí)激發(fā)過程，光譜輻射模

4、型便可以完整的得到了。
　　通道中的能量物質(zhì)交換除了上面的碰撞輻射模型中的主要過程外，原子對(duì)光子能量的吸收也有著深刻的影響，體現(xiàn)為光輻射陷阱效應(yīng)。在等離子體中由于原子群體的存在，一個(gè)原子自發(fā)輻射出的光子會(huì)被相同原子的特定能級(jí)吸收，這使得等離子體總體表現(xiàn)上，激發(fā)態(tài)能級(jí)的原子布居數(shù)發(fā)生變化。以光子的平均自由程對(duì)通道中的光輻射陷阱效應(yīng)進(jìn)行估計(jì)后，發(fā)現(xiàn)通道中（尤其是近陽極區(qū)）的光輻射陷阱效應(yīng)是不能忽略的。光輻射陷阱效應(yīng)主要體現(xiàn)在原子的總的

5、電子碰撞激發(fā)截面的增加和同一個(gè)上能級(jí)向不同下能級(jí)躍遷的概率變化上。前者在各類文獻(xiàn)中已經(jīng)提到很多，主要?dú)w結(jié)到等離子體壓強(qiáng)對(duì)總截面的影響上，后者我們通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)不同的能級(jí)向下躍遷的分支系數(shù)比隨著壓強(qiáng)變化會(huì)偏離理論值，并且偏離的趨勢(shì)各不相同。根據(jù)這些討論，對(duì)于我們的多譜線診斷法，消除光輻射陷阱效應(yīng)的方法在于取通道壓強(qiáng)下的截面數(shù)據(jù)和將譜線強(qiáng)度歸結(jié)到同一上能級(jí)的布居數(shù)。
　　根據(jù)前面的這些討論，自然可以提出多譜線法。對(duì)于不同的能級(jí)建立布

6、居數(shù)平衡方程之后，根據(jù)能級(jí)的性質(zhì)，方程中包含著不同的參數(shù)。將方程分類求解，先使用2p6~10能級(jí)的布居數(shù)方程計(jì)算得到電子溫度，原子密度乘電子密度，1s5亞穩(wěn)態(tài)密度比基態(tài)密度，再用2p3,4的方程計(jì)算得出1s3亞穩(wěn)態(tài)密度比基態(tài)密度。同時(shí)可以用2p1,2,5的方程進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。這些參數(shù)可以計(jì)算得出沿著通道產(chǎn)生離子的速率，再根據(jù)等離子體的輸運(yùn)方程計(jì)算得到霍爾推力器的工質(zhì)利用率。最后比較了光譜法與法拉弟探針法的工質(zhì)利用率計(jì)算結(jié)果。
　　最