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(guò)程是霍爾推力器進(jìn)行性能改進(jìn)的需要考慮的重要過(guò)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(guò)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(guò)程提出來(lái)的。惰性氣體原子內(nèi)部能級(jí)的耦合過(guò)程區(qū)別于一般的原子，它是通過(guò)jK耦合形成的，耦合過(guò)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(guò)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(guò)程，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募僭O(shè)討論之后，原子的碰撞過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)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(guò)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?lè)ǖ墓べ|(zhì)利用率計(jì)算結(jié)果。
　　最