一种阶梯栅极、栅极结构、阶梯栅极参数确定方法及系统与流程

1.本发明涉及微型离子电推力器技术领域，特别是涉及一种阶梯栅极、栅极结构、阶梯栅极参数确定方法及系统。


背景技术：

2.离子推力器通过栅极加速放电室等离子体中的离子产生推力，离子推力器的栅极一般包括一个屏栅极和一个加速栅极，屏栅和加速栅一般为多孔结构，屏栅孔和加速栅孔对齐，放电室等离子体在屏栅孔上方形成一个球面等离子体鞘，离子从等离子体鞘发射，经栅极间电场加速从加速栅孔射出，形成离子束。等离子体鞘的形状与屏栅上游等离子体参数有关，上游等离子体密度和电子温度的值较高时，等离子体鞘的发射能力较强，需要更强的电场加速离子，否则离子束会发散；上游等离子体密度和电子温度的值较低时，等离子体鞘发射能力较弱，需要降低加速电场，否则离子束会发生过聚焦。无论是离子束发散还是离子束过聚焦都会造成离子束引出效率的降低，还会造成加速栅被束离子轰击，降低加速栅的性能和寿命。防止离子束的发散和过聚焦对于提高离子推力器的性能和寿命具有重要的意义，对于常规离子推力器，放电室尺寸大，强磁场区限制在阳极附近，大部分等离子体比较均匀，微型离子推力器的尺寸小，磁场沿径向的梯度大，等离子体受磁场影响在径向的均匀性相对较差，如果栅极沿径向的间距保持一致，那么无法同时保证栅极中心区域和边缘区域都能实现良好的离子束聚焦。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种阶梯栅极、栅极结构、阶梯栅极参数确定方法及系统，以保证在不同位置离子束都能实现良好的聚焦。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种适用于离子推力器的阶梯栅极，所述阶梯栅极的一侧呈阶梯型，另一侧为平面；
6.所述阶梯栅极沿径向划分为中心区、过渡区和边缘区；中心区、过渡区和边缘区均设置多个栅孔；
7.中心区、过渡区和边缘区的厚度依次减小，中心区、过渡区和边缘区到另一个栅极的间距依次增大；
8.中心区的离子电流密度大于离子电流密度上限值，边缘区的离子电流密度小于离子电流密度下限值，过渡区的离子电流密度位于中心区和边缘区的离子电流密度之间。
9.可选的，所述栅极结构应用前述的阶梯栅极，所述栅极结构包括：屏栅极和加速栅极，所述屏栅极和所述加速栅极中的至少一个为阶梯栅极。
10.可选的，当屏栅极为阶梯栅极，加速栅极为平面栅极时，屏栅极呈阶梯型的一侧面向加速栅极；
11.当屏栅极为平面栅极，加速栅极为阶梯栅极时，加速栅极呈阶梯型的一侧面向屏
栅极；
12.当屏栅极和加速栅极均为阶梯栅极时，屏栅极呈阶梯型的一侧和加速栅极呈阶梯型的一侧相对。
13.一种适用于离子推力器的阶梯栅极的参数确定方法，所述参数确定方法包括：
14.通过推力器束流提取实验确定离子推力器中心处的栅极参数，作为阶梯栅极的中心区的栅极参数；所述栅极参数包括栅极间距、栅极厚度和栅孔直径；所述栅极间距为阶梯栅极的中心区与栅极结构中另一个栅极相对的两个面之间的距离；所述栅极厚度为阶梯栅极的中心区的厚度；
15.根据中心区的栅极参数，确定中心区的有效加速距离；
16.根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处的栅极结构上游的离子密度和电子温度，确定过渡区的栅极参数；
17.根据过渡区的栅极参数以及边缘区中心处的栅极结构上游的离子密度和电子温度，确定边缘区的栅极参数。
18.可选的，所述根据中心区的栅极参数，确定中心区的有效加速距离，具体包括：
19.根据中心区的栅极参数，利用公式计算中心区的有效加速距离；
20.其中，l
ecenter
为中心区的有效加速距离；l
gcenter
为中心区的栅极间距；d
s
为栅孔直径；t
scenter
为中心区的栅极厚度。
21.可选的，所述根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处的栅极结构上游的离子密度和电子温度，确定过渡区的栅极参数，具体包括：
22.根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处对应的栅极结构上游的离子密度和电子温度，利用公式计算过渡区的有效加速距离；其中，l
e
为过渡区的有效加速距离，n
i
为过渡区中心处的栅极结构上游的离子密度，t
e
为过渡区中心处的栅极结构上游的电子温度，n
icenter
和t
ecenter
分别为推力器中心处栅极上游的离子密度和电子温度；
23.根据中心区的栅极参数和过渡区的有效加速距离，确定过渡区的栅极厚度和栅极间距。
24.可选的，所述根据中心区的栅极参数和过渡区的有效加速距离，确定过渡区的栅极厚度和栅极间距，具体包括：
25.当屏栅极为阶梯栅极，加速栅极为平面栅极时，根据中心区的栅极参数和过渡区的有效加速距离，利用公式计算过渡区的栅极厚度和栅极间距；其中，l
g
为过渡区的栅极间距，t
a
为过渡区的栅极厚度。
26.可选的，所述根据中心区的栅极参数和过渡区的有效加速距离，确定过渡区的栅极厚度和栅极间距，具体包括：
27.当屏栅极为平面栅极，加速栅极为阶梯栅极时，根据过渡区的有效加速距离、栅孔直径和屏栅厚度，利用公式计算过渡区的栅极间距；其中，l
g
为过渡区的栅极间距，t
s
为屏栅厚度；
28.根据过渡区的栅极间距和中心区的栅极参数，利用公式t
a
＝l
gcenter
t
scenter
‑
l
g
，计算过渡区的栅极厚度；其中，t
a
为过渡区的栅极厚度。
29.一种适用于离子推力器的阶梯栅极的参数确定系统，所述参数确定系统包括：
30.中心区栅极参数确定模块，用于通过推力器束流提取实验确定离子推力器中心处的栅极参数，作为阶梯栅极的中心区的栅极参数；所述栅极参数包括栅极间距、栅极厚度和栅孔直径；所述栅极间距为阶梯栅极的中心区与栅极结构中另一个栅极相对的两个面之间的距离；所述栅极厚度为阶梯栅极的中心区的厚度；
31.中心区有效加速距离确定模块，用于根据中心区的栅极参数，确定中心区的有效加速距离；
32.过渡区栅极参数确定模块，用于根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处的栅极结构上游的离子密度和电子温度，确定过渡区的栅极参数；
33.边缘区栅极参数确定模块，用于根据过渡区的栅极参数以及边缘区中心处的栅极结构上游的离子密度和电子温度，确定边缘区的栅极参数。
34.可选的，所述过渡区栅极参数确定模块，具体包括：
35.过渡区有效加速距离计算子模块，用于根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处对应的栅极结构上游的离子密度和电子温度，利用公式计算过渡区的有效加速距离；其中，l
e
为过渡区的有效加速距离，n
i
为过渡区中心处的栅极结构上游的离子密度，t
e
为过渡区中心处的栅极结构上游的电子温度，l
ecenter
为中心区的有效加速距离，n
icenter
和t
ecenter
分别为推力器中心处栅极上游的离子密度和电子温度；
36.过渡区栅极参数确定子模块，用于根据中心区的栅极参数和过渡区的有效加速距离，确定过渡区的栅极厚度和栅极间距。
37.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
38.本发明提供了一种阶梯栅极、栅极结构、阶梯栅极参数确定方法及系统，将栅极设计成阶梯状结构，阶梯栅极沿径向划分为中心区、过渡区和边缘区，中心区、过渡区和边缘区的厚度依次减小，中心区、过渡区和边缘区到另一个栅极的间距依次增大，实现栅极沿径向的间距变化，不同区域的栅极间距不同，使得不同径向位置的等离子体鞘有合适强度的加速电场，能够保证在不同位置离子束都能实现良好的聚焦。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。
40.图1为本发明提供的阶梯栅极的三维结构示意图；
41.图2为本发明提供的阶梯栅极的正面图；
42.图3为本发明提供的图2沿ab的切面图；
43.图4为本发明提供的平面栅极的结构示意图；图4(a)为平面栅极的正面图，图4(b)为平面栅极的侧面图；
44.图5为本发明提供的屏栅阶梯化的结构图；
45.图6为本发明提供的加速栅阶梯化的结构图；
46.图7为本发明提供的双栅极阶梯化的结构图；
47.图8为本发明提供的适用于离子推力器的阶梯栅极的参数确定方法的流程图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.本发明的目的是提供一种阶梯栅极、栅极结构、阶梯栅极参数确定方法及系统，以保证在不同位置离子束都能实现良好的聚焦。
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
51.实施例一
52.本发明提供了一种适用于离子推力器的阶梯栅极，如图1
‑
3所示，阶梯栅极的一侧呈阶梯型，另一侧为平面；
53.阶梯栅极沿径向划分为中心区、过渡区和边缘区；中心区、过渡区和边缘区均设置多个栅孔；
54.中心区、过渡区和边缘区的厚度依次减小，中心区、过渡区和边缘区到另一个栅极的间距依次增大；
55.中心区的离子电流密度大于离子电流密度上限值，边缘区的离子电流密度小于离子电流密度下限值，过渡区的离子电流密度位于中心区和边缘区的离子电流密度之间。
56.中心区栅极厚度最大，栅极间距最小，离子加速能力最强，边缘区厚度最小，间距最大，加速能力最弱。
57.其中，离子电流密度上限值为栅极能够加速的最大离子电流密度的80％，离子电流密度下限值为栅极能够加速的最大离子电流密度的10％。
58.根据栅极上游等离子体参数的径向分布特性将栅极(屏栅或加速栅)划分为若干区域，不同区域的栅极间距不同，栅极间距小的区域栅极加速离子的能力强，与发射能力更强的等离子体鞘匹配，栅极间距大的区域加速离子的能力弱，对应发射能力偏弱的等离子体鞘，使得推力器在径向方向的各个位置都能实现较好的聚焦特性。
59.实施例二
60.一种离子推力器的栅极结构，如图5
‑
7所示，栅极结构应用本发明实施例一提供的
的阶梯栅极，栅极结构包括：屏栅极和加速栅极，屏栅极和加速栅极中的至少一个为阶梯栅极。
61.如图5所示，当屏栅极为阶梯栅极，加速栅极为平面栅极时，屏栅极呈阶梯型的一侧面向加速栅极；平面栅极的结构如图4所示。
62.如图6所示，当屏栅极为平面栅极，加速栅极为阶梯栅极时，加速栅极呈阶梯型的一侧面向屏栅极；屏栅沿径向厚度均匀，可以整体加工得很薄，以减小束流离子在屏栅上的损失。
63.如图7所示，当屏栅极和加速栅极均为阶梯栅极时，屏栅极呈阶梯型的一侧和加速栅极呈阶梯型的一侧相对。
64.中心区对应放电室等离子体的主要分布区域，等离子体密度和电子温度的值相对其他位置更高，且更为均匀，该区域等离子体鞘的发射能力较强，因此厚度相对更大，以缩短和另一个栅极(加速栅或屏栅)之间的距离，提高栅极的束流发射能力，防止出现束流发散的现象；位于栅极中心和栅极边缘之间的区域称为过渡区，该区域对应的放电室等离子体密度和电子温度的值低于中心区域，高于边缘区域，离子发射能力较中心区域较弱，因此栅极厚度略小于中心区域；栅极边缘区域对应放电室阳极附近的等离子体，离子发射能力最弱，因此该区域栅极厚度最小，以弱化栅极的束流发射能力，与等离子体的发射能力匹配，防止出现束流过聚焦的现象。
65.中心区、过渡区和边缘区各自加工屏栅孔和加速栅孔，屏栅孔和加速栅孔的数目和位置一致，采用六角形填充阵列布局；屏栅和加速栅的最边缘为不加工屏栅孔和加速栅孔的无孔区，在无孔区进行两栅极的定位和装配。在每个区域，屏栅孔和加速栅孔保持对心。
66.本发明将栅极沿推力器径向划分为若干个区域，通过将屏栅或加速栅设计成阶梯结构实现不同区域的不同栅极间距，使得不同径向位置的等离子体鞘有强度适中的加速电场，以保证在不同位置离子束都能实现良好的聚焦，进而提高微型离子推力器栅极组件的性能和寿命。
67.实施例三
68.本发明对应实施例一的阶梯栅极和实施例二的栅极结构，提供了一种适用于离子推力器的阶梯栅极的参数确定方法，如图8所示，参数确定方法包括：
69.步骤101，通过推力器束流提取实验确定离子推力器中心处的栅极参数，作为阶梯栅极的中心区的栅极参数；栅极参数包括栅极间距、栅极厚度和栅孔直径；栅极间距为阶梯栅极的中心区与栅极结构中另一个栅极相对的两个面之间的距离；栅极厚度为阶梯栅极的中心区的厚度；
70.步骤102，根据中心区的栅极参数，确定中心区的有效加速距离，具体包括：
71.根据中心区的栅极参数，利用公式计算中心区的有效加速距离；
72.其中，l
ecenter
为中心区的有效加速距离；l
gcenter
为中心区的栅极间距；d
s
为栅孔直径；t
scenter
为中心区的栅极厚度。
73.步骤103，根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处的栅极结构上游的离子
密度和电子温度，确定过渡区的栅极参数具体包括：
74.根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处对应的栅极结构上游的离子密度和电子温度，利用公式计算过渡区的有效加速距离；其中，l
e
为过渡区的有效加速距离，n
i
为过渡区中心处的栅极结构上游的离子密度，t
e
为过渡区中心处的栅极结构上游的电子温度，n
icenter
和t
ecenter
分别为推力器中心处栅极上游的离子密度和电子温度；过渡区中心处对应的栅极结构上游的离子密度和电子温度为通过数值模拟和探针诊断得到的等离子体参数；
75.根据中心区的栅极参数和过渡区的有效加速距离，确定过渡区的栅极厚度和栅极间距。
76.参照图5，当屏栅极为阶梯栅极，加速栅极为平面栅极时，根据中心区的栅极参数和过渡区的有效加速距离，利用公式计算过渡区的栅极厚度和栅极间距；其中，l
g
为过渡区的栅极间距，t
a
为过渡区的栅极厚度。
77.参照图6，具体包括：
78.当屏栅极为平面栅极，加速栅极为阶梯栅极时，根据过渡区的有效加速距离、栅孔直径和屏栅厚度，利用公式计算过渡区的栅极间距；其中，l
g
为过渡区的栅极间距，t
s
为屏栅厚度；
79.根据过渡区的栅极间距和中心区的栅极参数，利用公式t
a
＝l
gcenter
t
scenter
‑
l
g
，计算过渡区的栅极厚度；其中，t
a
为过渡区的栅极厚度。
80.步骤104，根据过渡区的栅极参数以及边缘区中心处的栅极结构上游的离子密度和电子温度，确定边缘区的栅极参数。
81.边缘区的栅极参数确定过程与步骤102
‑
103同理。
82.图7中，屏栅极和加速栅极都采用阶梯栅极，两栅极外凸的一侧相对，可以进一步扩大栅极间距的变化范围，为更不均匀的放电室等离子体提供合适的加速电场。
83.图5
‑
7中两个栅极在最边缘的无孔区通过边缘区到另一个栅极的栅极间距确定装配用的垫片厚度。
84.本方法基于的原理为当两个栅极之间的电压v
t
和屏栅直径d
s
为定值时，栅极对离子的加速能力正比于推导过程如下：
85.栅极上游等离子体发射的离子电流密度为
86.j
i
＝n
i
ev
bohm
87.n
i
为屏栅上游的离子密度，e为元电荷量，v
bohm
为离子进入栅极上游等离子体鞘层的速度，bohm是离子进入栅极上等离子鞘层的速度，一般叫波姆(bohm)速度，i表示离子。
[0088][0089]
k为玻尔兹曼常数，t
e
为栅极上游等离子体的电子温度，m
i
为离子质量。
[0090]
因此，栅极上游的离子电流密度正比于
[0091]
栅极能够加速的最大离子束电流密度为
[0092][0093]
ε0为真空介电常量，v
t
为两个栅极之间的电压，l
e
为栅极的有效加速距离。
[0094][0095]
l
g
为栅极间距，t
s
为屏栅厚度，d
s
为屏栅直径。
[0096]
当v
t
和d
s
为定值时，栅极对离子的加速能力正比于
[0097]
实施例四
[0098]
一种适用于离子推力器的阶梯栅极的参数确定系统，参数确定系统包括：
[0099]
中心区栅极参数确定模块，用于通过推力器束流提取实验确定离子推力器中心处的栅极参数，作为阶梯栅极的中心区的栅极参数；栅极参数包括栅极间距、栅极厚度和栅孔直径；栅极间距为阶梯栅极的中心区与栅极结构中另一个栅极相对的两个面之间的距离；栅极厚度为阶梯栅极的中心区的厚度；
[0100]
中心区有效加速距离确定模块，用于根据中心区的栅极参数，确定中心区的有效加速距离；
[0101]
过渡区栅极参数确定模块，用于根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处的栅极结构上游的离子密度和电子温度，确定过渡区的栅极参数；
[0102]
边缘区栅极参数确定模块，用于根据过渡区的栅极参数以及边缘区中心处的栅极结构上游的离子密度和电子温度，确定边缘区的栅极参数。
[0103]
过渡区栅极参数确定模块，具体包括：
[0104]
过渡区有效加速距离计算子模块，用于根据中心区的有效加速距离以及过渡区中心处对应的栅极结构上游的离子密度和电子温度，利用公式计算过渡区的有效加速距离；其中，l
e
为过渡区的有效加速距离，n
i
为过渡区中心处的栅极结构上游的离子密度，t
e
为过渡区中心处的栅极结构上游的电子温度，l
ecenter
为中心区的有效加速距离，n
icenter
和t
ecenter
分别为推力器中心处栅极上游的离子密度和电子温度；
[0105]
过渡区栅极参数确定子模块，用于根据中心区的栅极参数和过渡区的有效加速距离，确定过渡区的栅极厚度和栅极间距。
[0106]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他
实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0107]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。