一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置的制作方法

本发明属于等离子体推进领域，特别是涉及一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置。

背景技术：

随着空间科学的发展，新一代太空任务对超稳超静平台的需求与日俱增，如引力波探测任务、重力场测量任务等，其姿轨控制系统需要高精度、低噪声、推力大范围连续可调、推力精度达到0.1微牛的推进装置。近年来开展的lisa、“太极计划”、“天琴计划”和“阿里实验计划”正是目前这一领域最为重要的科学计划。但在现有的微牛级推力器备选方案中，推力器高精度控制、推力范围连续可调和长寿命在轨工作等都存在优化：如考夫曼型离子推力器存在电极侵蚀、射频离子推力器受加热机制限制不能在极低气压下稳定工作、电子回旋共振离子推力器推力大范围可调存在困难。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置，它包括放电腔体、多级环形永磁极、屏栅和加速栅，所述屏栅和加速栅固定在放电腔体的开口端，且屏栅位于加速栅和放电腔体之间，所述放电腔体包括环形壁板和底板，所述放电腔体内部同轴固定设置有石英护板，所述底板固定设置在环形壁板的一端，所述底板上开设有多个第一通孔和第二通孔，所述底板上靠近石英护板的一端面设置有多个盘香形天线，所述第一通孔和第二通孔的数量与盘香形天线的数量均相同，每个盘香形天线上位于中心位置的一端通过对应的第一通孔引出高压极并与射频电源的输出级连接，每个盘香形天线上位于外围的一端通过对应的第二通孔引出接地极并与射频电源的输出级连接，盘香形天线在底板上形成周期性拓扑结构阵列，所述环形壁板的侧壁设置有多级环形永磁铁，多级环形永磁铁之间相同极性的端面对接。

更进一步的，所述多级环形永磁铁的内径为22mm，外径26mm，材料为钐钴，级数大于等于两级。

更进一步的，所述屏栅和加速栅之间同轴设置有绝缘层，所述绝缘层为环形陶瓷垫片，厚度为0.5mm。

更进一步的，所述屏栅和加速栅的材料均为钼，所述屏栅上开设有若干个第三通孔，所述加速栅上开设有若干个第四通孔，所述第三通孔和第四通孔位置对应。

更进一步的，所述屏栅接正千伏高压，所述加速栅接负百伏的低电压。

更进一步的，所述石英护板与屏栅之间的环形壁板上开设有进气孔，所述进气孔的直径为1.5mm，所述石英护板与屏栅之间距离为12mm。

更进一步的，所述盘香形天线微加工刻蚀的方式与底板固接，所述放电腔体呈圆筒形结构，内径为20mm，材质为金属材料，所述底板的外壁与环形壁板的内壁为过盈配合。

更进一步的，所述盘香形天线的外圈直径为2.96mm，所述盘香形天线均布在底板上，且最外层的盘香形天线呈六边形分布。

更进一步的，所述加速栅、绝缘层、屏栅和放电腔体之间采用螺栓连接，且用于螺栓连接的每个螺纹孔均为陶瓷螺纹孔。

更进一步的，所述放电腔体的开口端固定设置有定位环，所述屏栅、绝缘层和加速栅与放电腔体之间均通过定位环固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有的微牛级推力器无法满足在空间引力波探测、空间重力场探测等重大任务中的推力大范围可调、高精度推力控制等需求的问题。本发明将涡旋共振加热和多级会切场技术结合，具有加热区域全局化、磁场设计自由度高、密度和能量可控等特点。一方面通过调节天线之间电磁信号相位差和阵列内不同单天线射频能量馈入以控制电子获能大小和区域，进而实现推力大范围连续精确可调。另一方面，利用多级会切场约束等离子体，极大地降低了由于壁面溅射所导致的等离子体损失，延长了推力器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述的一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置平面结构示意图；

图2为本发明所述的一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置立体结构示意图；

图3为本发明所述的一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置轴向剖视结构示意图；

图4中(a)、(b)和(c)分别为本发明所述的一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置二级、三级和四级会切场的剖视图。

1：放电腔体，2：环形壁板，3：底板，4：石英护板，5：盘香形天线，6：多级环形永磁铁，7：屏栅，8：加速栅，9：绝缘层，2-1：进气孔，3-1：第一通孔，3-2：第二通孔。

具体实施方式

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、完整地阐述。

参见图1-4说明本实施方式，一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置，它包括放电腔体1、多级环形永磁铁6、屏栅7和加速栅8，所述屏栅7和加速栅8固定在放电腔体1的开口端，且屏栅7位于加速栅8和放电腔体1之间，所述放电腔体1包括环形壁板2和底板3，所述放电腔体1内部同轴固定设置有石英护板4，所述底板3固定设置在环形壁板2的一端，所述底板3上开设有多个第一通孔3-1和第二通孔3-2，所述底板3上靠近石英护板4的一端面设置有多个盘香形天线5，所述第一通孔3-1和第二通孔3-2的数量与盘香形天线5的数量均相同，每个盘香形天线5上位于中心位置的一端通过对应的第一通孔3-1引出高压极并与射频电源的输出级连接，每个盘香形天线5上位于外围的一端通过对应的第二通孔3-2引出接地极并与射频电源的输出级连接，盘香形天线5在底板3上形成周期性拓扑结构阵列，所述环形壁板2的侧壁设置有多级环形永磁铁6，多级环形永磁铁6之间相同极性的端面对接。

本实施例环形壁板2、石英护板4以及屏栅7之间形成的空间为放电室，底板3上设置若干盘香形天线5形成周期性拓扑结构天线阵列。天线阵列通过电磁感应将电磁能注入放电室中，每个盘香形天线5都可在放电室中产生感应涡旋电场，且各自的电场在位型空间具有周期性。放电室内部等离子体中的电子在该电场的周期性加速下，使得电子在速度空间上实现与涡旋电场同周期，进而发生电磁能的共振吸收。获能的电子在会切磁场作用下，沿着磁力线运动，由于在永磁铁相同极性的端面会产生很强的磁场(磁尖端)，从而电子作往复运动，这样就减少了电子的损耗，使其更多地与中性气体碰撞，极大地降低了由于壁面溅射所导致的等离子体损失，延长了推力器的使用寿命。天线阵列的高压电极和接地极分别与射频电源的输出级连接，以供射频能量馈入。盘香形天线5与放电室等离子产生区域之间通过石英护板4隔离，所述石英护板4为石英玻璃。因石英玻璃不影响射频电磁能量的馈入且可以保护盘香形天线5及底板3不受带电粒子侵蚀。

本实施例所述屏栅7和加速栅8之间同轴设置有绝缘层9，所述绝缘层9为环形陶瓷垫片，厚度为0.5mm；所述屏栅7和加速栅8的材料均为钼，所述屏栅7上开设有若干个第三通孔，所述加速栅8上开设有若干个第四通孔，所述第三通孔和第四通孔位置对应，用于引出离子；所述屏栅7接正千伏高压，所述加速栅8接负百伏的低电压，放电腔体1中的离子经屏栅7和加速栅8之间的电势差引出和加速，从而产生推力，加速栅8的负电压可以避免羽流中和电子被屏栅7高电压引入放电室中形成短路；所述石英护板4与屏栅7之间的环形壁板2上开设有进气孔2-1，所述进气孔2-1的直径为1.5mm，所述石英护板4与屏栅7之间距离为12mm；在进气孔2-1旁设有多级环形永磁铁6，所述多级环形永磁铁6的内径为22mm，外径26mm，材料为钐钴，级数大于等于两级，如图4中(a)、(b)和(c)分别两级磁极、三级磁极和四级磁极，多级环形永磁铁6的直径相同，厚度可根据需要设置；所述盘香形天线5微加工刻蚀的方式与底板3固接，所述放电腔体1呈圆筒形结构，内径为20mm，材质为金属材料，所述底板3的外壁与环形壁板2的内壁为过盈配合，并通过陶瓷胶或直接采用焊接的方式密封；所述盘香形天线5的外圈直径为2.96mm，所述盘香形天线5均布在底板3上，且最外层的盘香形天线5呈六边形分布；所述加速栅8、绝缘层9、屏栅7和放电腔体1之间采用螺栓连接，且用于螺栓连接的每个螺纹孔均为陶瓷螺纹孔；所述放电腔体1的开口端固定设置有定位环，所述屏栅7、绝缘层9和加速栅8与放电腔体1之间均通过定位环固定连接。

上述实施例的射频信号选择在100～150mhz范围内，通过同轴射频传输电缆接入天线阵列，工作原理为通过进气孔2-1将工质气体注入放电室，同时盘香形天线5的高压极与接地极分别与射频电源的输出连接，射频能量通过天线阵列馈入放电室产生涡旋感应电场加热种子电子，电子沿磁力线运动，由于多级会切场会形成磁镜效应，使得电子在磁尖端做往复运动，这样就减少了电子损失，更多地与中性气体碰撞发生电离，生成的离子在屏栅7接正高压、加速栅8接负压的电势差作用下，高速喷出。将涡旋共振加热和多级会切场两种技术结合，不仅有效控制了电子的获能大小和区域，提高了微牛级推力器的推力调节范围和精度，而且有效的减少了电子损失，延长了推力器的寿命。将这两种技术有效地结合，为空间引力波探测、空间重力场探测等重大任务的实施提供了稳定可靠的解决方案。

以上对本发明所提供的一种涡旋共振多级会切场的微牛级离子推进装置，进行了详细介绍，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。