一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构

本发明属于航天推进技术中的空间电推进领域，具体涉及一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构。

背景技术：

1、微波离子推力器中，微波通过天线馈入放电室，永磁体构筑磁镜约束电子，通过电子回旋共振机制加热电子，高能电子电离中性气体产生等离子体，栅极系统将离子加速喷出产生推力。其中，由永磁体构筑的磁镜形貌是微波离子推力器的设计核心，是约束电子高效获能的必要手段。

2、目前，针对微波离子推力器的磁场结构设计主要有两种，一种是常见的内置永磁体设计(图1)，从放电室内部产生磁镜约束；另一种是会切型永磁体设计(图2)，从放电室外产生会切型磁场。对于图1所示的磁场结构设计而言，永磁体内置会增大其受等离子体侵蚀或受热退磁的风险，当微波功率增大或等离子体密度提升后，永磁体会因退磁率先失效。因此，这种磁场结构布局限制了微型微波离子推力器的最大功率。图2为哈尔滨工业大学的1cm微型微波离子推力器，采用三个独立的圆环磁铁形成会切型磁场结构，用于产生1～100μn的推力，设定功率不超过2w，这种磁场结构在放电室中部形成了弱磁场区域，等离子体会向弱磁场区汇聚，不能很好引出，因此，这种磁场结构的放电损耗较大。

3、综上，现有的内置永磁体存在受等离子体侵蚀或受热退磁的风险，而外置永磁体的磁场结构对放电室内部造成电子约束，导致低电流密度，放电损耗大的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于小口径的微型微波离子推力器的磁阵列结构，解决了外置永磁体对放电室内部电子约束和获能问题，解决了外置永磁体磁场结构导致的低电流密度问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、本发明公开了一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，所述磁阵列结构由多根halbach型永磁条组成；

4、多根halbach型永磁条呈圆环状排列，每根halbach磁条的磁场增强指向圆环所在分布圆的圆心。

5、进一步，每根halbach永磁条由三级磁铁拼接而成，长宽都相同，高度不同。

6、进一步，三级磁铁分为第一级磁铁、第二级磁铁、第三级磁铁；

7、由第一级至第三极排列，三级磁铁的高度依次递增，矫顽力依次递减。

8、进一步，第一级磁铁指向第三级磁铁的方向规定为x轴正方向，将第一级磁铁远离放电室的方向规定为z轴正方向，则在磁极方向上，第一级磁铁n级沿z轴正方向磁化，第二级磁铁n级沿x轴正方向磁化，第三级磁铁n级沿z轴负方向磁化。

9、进一步，单根halbach永磁条形成的磁场分布具体为：电子回旋共振线分布较普通条形磁条在中间区域抬高，能够辅助微波离子推力器中电子更好的获取微波能量。

10、进一步，三级磁铁的矫顽力范围在500～600ka/m。

11、进一步，随微波离子推力器直径增大，所需的halbach永磁条数量提升，同时磁铁矫顽力相应增大。

12、进一步，所述磁阵列结构包括六根halbach型永磁条；

13、六根halbach型永磁条在圆周上按60度的间隔均匀分布，分别命名为1号halbach磁条、2号halbach磁条、3号halbach磁条、4号halbach磁条、5号halbach磁条及6号halbach磁条；

14、其中，1号halbach磁条磁场增强方向指向分布圆的中心；2号halbach磁条旋转60°，磁场增强方向指向分布圆的中心；3号halbach磁条旋转120°，磁场增强方向指向分布圆的中心；4号halbach磁条旋转180°，磁场增强方向指向分布圆的中心；5号halbach磁条旋转240°，磁场增强方向指向分布圆的中心；6号halbach磁条旋转300°，磁场增强方向指向分布圆的中心。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

16、本发明公开了一种适用于小口径的微型微波离子推力器的磁阵列结构，由多根halbach型永磁条组成；多根halbach型永磁条呈圆环状排列，每根halbach磁条的磁场增强指向圆环所在分布圆的圆心。与现有技术相比，在同等磁体体积情况下可增强磁镜区的磁场强度，在保证电子约束的情况下维持高效电离，提高了能量利用效率；本发明是通过特定的圆环状halbach永磁条排列方式形成磁场梯度，能够利用磁场梯度漂移诱导等离子体向栅极迁移，提高栅极前等离子体密度，从而提升推力器的电流密度。本发明通过合理设计磁场结构来保持对电子的高效约束，维持较高的电子获能效率；引导等离子体向栅极迁移，提升引出离子电流。

17、进一步的，磁阵列结构由六根特殊设计的halbach磁条组成，可以在指定方向实现增强磁场的作用，提高电子回旋共振区的高度，可以辅助微波离子推力器中电子更好的获取微波能量。

18、进一步，放电室内磁场结构形成指向栅极的磁场梯度，促进等离子体向栅极方向漂移，可以增大推力器引出电流密度。

技术特征：

1.一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，其特征在于，所述磁阵列结构由多根halbach型永磁条组成；

2.根据权利要求1所述的一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，其特征在于，每根halbach永磁条由三级磁铁拼接而成，长宽都相同，高度不同。

3.根据权利要求1所述的一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，其特征在于，三级磁铁分为第一级磁铁、第二级磁铁、第三级磁铁；

4.根据权利要求1所述的一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，其特征在于，第一级磁铁指向第三级磁铁的方向规定为x轴正方向，将第一级磁铁远离放电室的方向规定为z轴正方向，则在磁极方向上，第一级磁铁n级沿z轴正方向磁化，第二级磁铁n级沿x轴正方向磁化，第三级磁铁n级沿z轴负方向磁化。

5.根据权利要求1所述的一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，其特征在于，单根halbach永磁条形成的磁场分布具体为：电子回旋共振线分布较普通条形磁条在中间区域抬高，能够辅助微波离子推力器中电子更好的获取微波能量。

6.根据权利要求1所述的一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，其特征在于，三级磁铁的矫顽力范围在500～600ka/m。

7.根据权利要求1所述的一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，其特征在于，随微波离子推力器直径增大，所需的halbach永磁条数量提升，同时磁铁矫顽力相应增大。

8.根据权利要求1所述的一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，其特征在于，所述磁阵列结构包括六根halbach型永磁条；

技术总结
本发明属于航天推进技术中的空间电推进领域，涉及一种适用于微型微波离子推力器的磁阵列结构，由多根Halbach型永磁条组成；多根Halbach型永磁条呈圆环状排列，每根Halbach磁条的磁场增强指向圆环所在分布圆的圆心。在同等磁体体积情况下可增强磁镜区的磁场强度，在保证电子约束的情况下维持高效电离，提高了能量利用效率；本发明是通过特定Halbach永磁条排列方式形成磁场梯度，能够利用磁场梯度漂移诱导等离子体向栅极迁移，提高栅极前等离子体密度，从而提升推力器的电流密度。本发明通过合理设计磁场结构来保持对电子的高效约束，维持较高的电子获能效率；引导等离子体向栅极迁移，提升引出离子电流。

技术研发人员：付瑜亮,孙安邦,张思远
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27