Ge基底不同晶向对Si0.5Ge0.5薄膜生长的分子动力学研究及其在等离子体推进器中的应用

研究人员针对低功率无通道等离子体推进器（XPT）性能优化问题，通过模块化空心阴极中和器（HCN）与外部放电等离子体推进器的耦合实验，系统探究了阴极位置、加热功率、保持器电流和质量流量等参数对推进器放电特性及性能的影响。研究发现，增加阴极加热功率可提升电子发射效率，降低等离子体电阻；调节阴极质量流量能显著影响电子密度和等离子体电位，进而优化推力与功率比。该研究为无通道等离子体推进器的设计优化提供了重要实验依据，对空间推进技术的发展具有重要意义。

　　

在空间推进技术领域，霍尔效应推进器（HET）因其结构简单、推力密度高和推力功率比优异而备受青睐。然而，传统HET存在放电通道壁面离子损耗和侵蚀等问题，限制了其性能和寿命。为解决这些问题，研究人员提出了一种无通道等离子体推进器（External Discharge Plasma Thruster, XPT）的设计，通过将阳极外置和采用边缘磁场来减少离子损失。然而，XPT的性能受阴极耦合效应的影响显著，尤其是阴极位置、加热功率和质量流量等参数对电子传输和等离子体特性的影响尚不明确。

Surrey Space Centre, University of Surrey的研究人员Mohamed Ahmed、Silvia Masillo、Burak Karadag和Andrea Lucca Fabris开展了一项系统研究，探究了模块化空心阴极中和器（HCN）与XPT的耦合效应。他们通过改变阴极操作参数（如加热功率、保持器电流和质量流量），测量了推进器的放电特性、推力性能以及等离子体参数，揭示了阴极耦合对XPT性能的影响机制。相关研究成果发表在《Vacuum》上，为无通道等离子体推进器的优化设计提供了重要依据。

研究人员采用了多种关键技术方法开展实验：

1. 模块化空心阴极设计：采用可互换组件和钡钨（BaO-W）发射体，研究阴极加热功率（0-120 W）和保持器电流（1.5-2.5 A）对电子发射的影响。

2. 外部放电等离子体推进器（XPT）：通过环形永磁体产生径向磁场，阳极采用增材制造技术，直接注入推进剂。

3. 等离子体诊断技术：使用Langmuir探针测量阴极附近等离子体电位（V_p）、电子密度（n_e）和电子温度（T_e）。

4. 法拉第探针离子束分析：通过旋转探针测量离子电流密度分布，计算束流利用率（η_b）和推进剂利用率（η_m）。

5. 推力直接测量：采用扭力推力天平测量推力，并计算阳极效率（η_A）和比冲（I_sp）。

1. 阴极位置对放电特性的影响

研究发现，阴极位置显著影响电子传输路径和等离子体耦合效率。当阴极轴向距离为阳极直径的1倍（35 mm）、径向距离为2倍（70 mm）时，阴极接地电压（V_C2G）升高（绝对值减小），保持器电压降低，表明电子发射效率提升。此外，阴极靠近磁场分离线时，电子约束增强，等离子体密度提高。

2. 阴极加热功率的影响

增加阴极加热功率（120 W）可提高电子发射电流密度，降低等离子体电位（从43.7 V降至31.8 V）和电子温度（从9.5 eV降至7.7 eV），同时电子密度增加13%。这些变化表明等离子体电阻降低，电子传输更高效，从而提升推力（12%）和阳极效率（10%）。

3. 保持器电流的作用

保持器电流从1.5 A增至2.5 A时，等离子体电位降低（46.5 V至38.8 V），电子密度提高12%，但对推力性能影响较小，表明保持器电流存在饱和效应，超过阈值后对主放电区离子产生和加速无显著改善。

4. 阴极质量流量的调控

增加阴极质量流量（0.1 mg/s至0.3 mg/s）可提高阳极电流（7%）和束流（15%），但推力增幅有限（8%）。高流量下，中性密度增加导致电子碰撞能量耗散，电子温度降低，而等离子体电位和阴极接地电压变化较小。

5. 离子束特性与性能指标

法拉第探针测量显示，离子电流密度峰值随阴极流量增加而提高（19%），束流利用率（η_b）从0.58增至0.63，推进剂利用率（η_m）提升9%。但推力功率比在250 V时下降，表明高电压下能量转化效率降低。

研究结论表明，阴极参数对XPT性能具有多维度影响：

1. 阴极位置优化可增强电子约束和耦合效率，降低保持器电压。

2. 加热功率提升通过降低等离子体电阻，显著改善推力性能。

3. 质量流量增加虽能提高束流，但需权衡推力功率比和能量效率。

这项研究为无通道等离子体推进器的阴极设计提供了实验依据，揭示了电子发射与等离子体特性的关联机制，对推进空间推进技术的发展具有重要意义。未来研究可进一步探索阴极几何优化和磁场配置，以实现更高效率和更长寿命的推进系统。