霍爾推力器通道中工質電離參數(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的電磁等離子體推進裝置，具有高效率、高比沖和長壽命的工作特點，特別適用于各類航天器的位姿保持、軌道修正、動力補償和深空探測等任務。其內(nèi)部的物理機理非常復雜，通道中的電離過程是霍爾推力器進行性能改進的需要考慮的重要過程，工質是否充分電離，離子是否平行于出口軸向噴出，都嚴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雜的磁場位形，目前只有使用輻射光譜法才能有效地對各種等離子體參數(shù)進行診斷，而這

2、種診斷方法也有著一些其他的優(yōu)勢，如實時診斷，便攜帶等。
　　本文從基礎的惰性氣體內(nèi)部能級出發(fā)，詳細論述了光譜輻射強度模型的建立過程，從理論和實驗兩方面研究了通道中光輻射陷阱效應的影響，對比與雙譜線法診斷，提出了多譜線診斷的方法，最后對多譜線診斷方法進行了不確定分析。
　　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、其不同能級的代表能級性質的各種量子數(shù)。根據(jù)躍遷準則，只有符合條件的能級之間才能夠進行躍遷，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、離子等進行著非常復雜的碰撞能量交換過程，經(jīng)過適當?shù)募僭O討論之后，原子的碰撞過程主要取決于電子對基態(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。再假設激發(fā)態(tài)的原子全部都通過自發(fā)輻射進行退激之后，根據(jù)這些基礎能級激發(fā)過程，光譜輻射模

4、型便可以完整的得到了。
　　通道中的能量物質交換除了上面的碰撞輻射模型中的主要過程外，原子對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。在等離子體中由于原子群體的存在，一個原子自發(fā)輻射出的光子會被相同原子的特定能級吸收，這使得等離子體總體表現(xiàn)上，激發(fā)態(tài)能級的原子布居數(shù)發(fā)生變化。以光子的平均自由程對通道中的光輻射陷阱效應進行估計后，發(fā)現(xiàn)通道中（尤其是近陽極區(qū)）的光輻射陷阱效應是不能忽略的。光輻射陷阱效應主要體現(xiàn)在原子的總的

5、電子碰撞激發(fā)截面的增加和同一個上能級向不同下能級躍遷的概率變化上。前者在各類文獻中已經(jīng)提到很多，主要歸結到等離子體壓強對總截面的影響上，后者我們通過實驗測量發(fā)現(xiàn)不同的能級向下躍遷的分支系數(shù)比隨著壓強變化會偏離理論值，并且偏離的趨勢各不相同。根據(jù)這些討論，對于我們的多譜線診斷法，消除光輻射陷阱效應的方法在于取通道壓強下的截面數(shù)據(jù)和將譜線強度歸結到同一上能級的布居數(shù)。
　　根據(jù)前面的這些討論，自然可以提出多譜線法。對于不同的能級建立布

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