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不同磁路电子回旋共振离子源引出实验
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:TL503.3[核科学技术—核技术及应用]
  • 作者机构:西北工业大学航天学院,西安710072
  • 相关基金:国家自然科学基金(批准号:11475137)资助的课题.
中文摘要:

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点.本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场,有效减小了体积,该离子源利用微波在磁场中加热电子,电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体.磁场在微波加热电子的过程中起关键作用,同时影响离子源内等离子体的约束和输运.通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10cmECRIS性能的影响.实验发现:在使用氨气的条件下,特定结构的离子源可引出160mA的离子电流,最高推进剂利用率达60%,最小放电损耗为120W.A-1;所有离子源均存在多个工作状态,工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变.离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关.通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异,归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律,分析了其中的机理.实验结果表明:保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时,增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离,离子源能引出更大的离子电流;减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量,提高气体利用率,但会导致放电损耗增大.研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识,为其设计和性能优化提供参考.

英文摘要:

Electron cyclotron resonance ion source (ECRIS) for space propulsion requires to be compact and efficient. In this work, ECRIS, which generates magnetic field through permanent magnets, is compact and heats electrons by microwave in magnetic field to induce ionization collision and produce plasma. In ECRIS, magnetic field is crucial in gas discharge, plasma confinement and transport. Due to the complex interaction among the processes, including plasma generation, wave transmission and ion extraction, the effects of magnetic field on the performance of ECRIS are complex. In this paper, the effects of magnetic field topology on the performance of the ECRIS are studied experimentally. Argon is discharged by microwaves in four types of ion sources, different in the magnet positions and the ion beam extracted. The gas flow rate varies from 30 to 210 μg/s, the microwave power from 10 to 20 W and the extracting voltage form 500 to 1500 V. The properties of the ion sources are analyzed by comparing their extracted ion beams, propellant utilization efficiency, discharge loss and stability. Results show that the maximum ion beam, the highest gas utilization efficiency and the minimum discharge loss are respectively 160 mA, 60%, and 120 W.A-1. Each ion source presents more than one mode, determined by the microwave power and the gas flow rate, and affected by the extracting voltage. The microwave power and the gas flow rate at which the ion source mode changes relative to the position of the magnets. Finally, the influences of magnetic topology on the performance of the ion source are summarized and analyzed. It is concluded that inside this kind of ECRIS, the magnetic field featured by a wide electron cyclotron resonance (ECR) zone, and the narrow gap between the ECR zone and the screen grid will increase the extracted ion beam at the same level of the input power and the gas supply. But it is difficult to achieve high gas utilization efficiency in the ion source with such a structure. By keeping the ECR zone clos

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876