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

技术特征：
1.一种适用于离子推力器的阶梯栅极，其特征在于，所述阶梯栅极的一侧呈阶梯型，另一侧为平面；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；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；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。2.一种离子推力器的栅极结构，其特征在于，所述栅极结构应用权利要求1所述的阶梯栅极，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。3.根据权利要求2所述的离子推力器的栅极结构，其特征在于，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；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；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。4.一种适用于离子推力器的阶梯栅极的参数确定方法，其特征在于，所述参数确定方法包括：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；根据中心区的栅极参数，确定中心区的有效加速距离；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；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。5.根据权利要求4所述的离子推力器栅极结构的参数确定方法，其特征在于，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：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；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。6.根据权利要求5所述的离子推力器栅极结构的参数确定方法，其特征在于，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：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；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。7.根据权利要求6所述的离子推力器栅极结构的参数确定方法，其特征在于，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：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。8.根据权利要求6所述的离子推力器栅极结构的参数确定方法，其特征在于，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：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；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。9.一种适用于离子推力器的阶梯栅极的参数确定系统，其特征在于，所述参数确定系统包括：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；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；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；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。10.根据权利要求9所述的离子推力器栅极结构的参数确定系统，其特征在于，所述过渡区栅极参数确定模块，具体包括：
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；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。

技术总结
本发明涉及一种阶梯栅极、栅极结构、阶梯栅极参数确定方法及系统，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。位置离子束都能实现良好的聚焦。位置离子束都能实现良好的聚焦。


技术研发人员：杨鑫勇 魏立秋 韩亮 王尚民 李鸿 丁永杰 于达仁
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2021.07.30
技术公布日：2021/11/4