《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》是蘭州空間技術物理研究所於2014年9月4日申請的專利，該專利的申請號為2014104475527，公布號為CN104269336A，授權公布日為2015年1月7日，發明人是王亮、周志成、江豪成、張天平、王小永、楊樂、趙以德。
《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》公開了一種離子推力器放電室磁極結構，包括下磁極（1）、中間磁極（2）、上磁極（3）以及對應連線的下極靴（4）、中間極靴（5）和上極靴（6），還包括永磁體（9，10），磁極之間通過極靴（4，5，6）和永磁體（9，10）構成磁力線迴路，在放電室內部形成環尖會切磁場；其特徵在於，放電室的陽極筒（7，8）置於會切場內部；各磁極均伸入陽極筒（7，8）內表面，且相對於陽極筒（7，8）帶負電；安裝於下極靴（4）上的放電室陰極（11）在前方沒有陽極筒的情況下直接伸入放電室內部。該發明還公開了一種上述離子推力器放電室磁極結構的設計方法。使用該發明能夠提高原初電子利用率，提高放電效率和束流均勻性。
2018年12月20日，《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法
- 公布號：CN104269336A
- 授權日：2015年1月7日
- 申請號：2014104475527
- 申請日：2014年9月4日
- 申請人：蘭州空間技術物理研究所
- 地址：甘肅省蘭州市城關區渭源路97號
- 發明人：王亮、周志成、江豪成、張天平、王小永、楊樂、趙以德
- Int.Cl.：H01J27/02(2006.01)I、F03H1/00(2006.01)I
- 代理機構：北京理工大學專利中心
- 代理人：溫子云、仇蕾安
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2014年9月，離子推力器作為一種先進的空間推進技術，具備比沖高、壽命長、結構緊湊、推力精確可控等優點，成為中國國內外套用廣泛的空間電推進裝置之一。離子推力器綜合性能的高低集中體現在效率指標的實現和電漿約束能力方面，包括高工質利用率、低放電損耗和高束流平直度。實現上述目標的物理基礎就是放電室磁極的尺寸、布局設計，由最佳化的磁極結構產生最佳化的磁場形位構型，來達到提高放電效率和提高電漿約束能力的目的。
截至2014年9月，磁極布局多採用環尖會切磁場形式，圖1（a）和圖1（b）是2014年9月之前技術的磁極布局結構示意圖，其中圖1（a）主要示出磁場分布，圖1（b）示出磁極在放電室中的布局和陽極筒的位置關係。如圖1（b）所示，傳統環尖會切磁場採用環形磁鐵（圖中示出的是環形磁鐵的截面）作為磁極，包括上磁極、中間磁極和下磁極。下磁極與中間磁極之間為放電室錐段，中間磁極與上磁極之間為放電室柱段。磁極均布於陽極筒外側，該磁極布局下的磁場構型如圖1（a）所示。
電子從陰極出射後，在磁力線的約束下，繞磁力線在磁極之間進行往復運動，當與放電室內的推進劑工質碰撞後，其穿越磁力線與陽極筒碰撞而消失。
在與推進劑工質碰撞之前，不希望電子與陽極筒碰撞，造成無謂的電子損失，降低電子利用率。然而，按照圖1（a）和圖1（b）的磁極布局，磁極位於陽極筒外側，形成的磁力線與放電室錐段中部的陽極筒內壁存在少量交叉，這就會導致電子沿磁力線運動到交叉處時，觸碰陽極筒而消失。
當電子運動到磁極附近時，由於磁極在陽極筒外側，磁場對電子的約束能力減弱，電子在電場的作用下，被磁極附近的陽極吸引，碰撞到該區域而消失，也造成了電子的損失。
而且，2014年9月之前的磁場構型中，不能完全兼顧陽極筒表面和陰極出口處磁場強度同時達到最大值，即不能最大限度的將陰極發射的原初電子約束在陽極壁面附近。同時，推力器出口處磁場強度衰減不夠，即無場區不夠大，過多的原初電子在柵極中軸線附近聚集。這與放電室的設計初衷不符，設計初衷是所有原初電子從陰極發出後被磁場約束至陽極筒表面附近，在該區域通過碰撞電離工質氣體，電離後的正離子通過自由擴散均勻分布在無場區的空間中。柵極上表面區域離子分布越均勻，引出的束流平直度越好。否則，柵極中軸線附近離子密度將比邊緣密度大，中軸線附近的柵孔聚焦性能變差，最終造成柵極穩定性變差。2014年9月之前的磁場構型就是要儘可能的符合設計初衷，達到一個最最佳化的磁場構型，有效提高原初電子利用率和束流均勻性。
發明內容
專利目的
《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》提了一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法，能夠提高原初電子利用率，提高放電效率和束流均勻性。
技術方案
《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》是這樣實現的：
一種離子推力器放電室磁極結構，包括下磁極、中間磁極、上磁極以及對應連線的下極靴、中間極靴和上極靴，還包括永磁體，磁極之間通過極靴和永磁體構成磁力線迴路，在放電室內部形成環尖會切磁場；《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》的特點是：放電室的陽極筒置於會切場內部；各磁極均伸入陽極筒內表面，且相對於陽極筒帶負電；安裝於下極靴上的放電室陰極直接伸入放電室內部。
優選地，下磁極為兩同心環組成的雙磁極結構，其中一極靠近放電室陰極側面，另一極靠近陽極筒。
優選地，上磁極與上極靴為分體結構，並設定多個長度規格的上磁極作為備選。
優選地，以磁極伸入陽極筒的方向定義為長度方向，則下磁極和上磁極的長度方向平行於放電室軸線方向，中間磁極的長度方向垂直於放電室軸線方向。
優選地，所述陽極筒為兩段式結構包括錐段陽極筒和柱段陽極筒。
優選地，下磁極伸入陽極筒內的一端與錐段陽極筒上端面的距離為8毫米，下磁極的環厚為2毫米；靠近下磁極的一端面為錐段陽極筒上端面；中間磁極伸入陽極筒內的一端與柱段陽極筒內壁的距離a2＝7毫米，中間磁極的環寬b2＝4毫米；各種長度規格的上磁極（3），環厚均為2毫米，伸入陽極筒內的一端與上極靴安裝面的距離分別為6毫米、8毫米、10毫米、12毫米。
優選地，所述永磁體包括錐段磁鋼和柱段磁鋼；錐段磁鋼均布於放電室壁錐段外圓周上，連線下極靴與中間極靴；柱段磁鋼均布於放電室壁柱段外圓周上，連線中間極靴與上極靴；柱段磁鋼和錐段磁鋼在中間極靴處的極性相同。
優選地，錐段磁鋼軸向與下磁極軸向和中間磁極軸向均成45度角。
優選地，磁極和極靴均選用電工純鐵DT4C製作，永磁體均選用高溫稀土鈷Sm2Co17材料製作；陽極筒均選用鋁合金製作。
《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》還提供了一種離子推力器放電室磁極結構的設計方法，包括如下步驟：
步驟1、以上述放電室磁極結構作為初始結構，其中永磁體採用電磁鐵代替；利用電磁場軟體仿真得到放電室內磁場構型，在電磁鐵載入設定激勵電流的基礎上，通過調整磁極尺寸和伸入陽極筒的長度，對磁場構型進行最佳化，最佳化目標是：
a）磁極在陽極筒內表面區域形成的磁場，磁力線不與陽極筒內表面相交，並儘量與陽極筒內表面平行；
b）磁場限制在陽極筒附近區域，使放電室內部柵極附近的大部分區域接近為無場區；
c）調整軸向上的最大磁場強度剛好位於陰極出口處；
步驟2、根據步驟1確定的磁極仿真數據，構造實際磁極結構，仍以電磁鐵代替永磁體，通過改變電磁鐵的勵磁電流，並在上磁極仿真數據的基礎上，在設定小範圍內更換不同尺寸的上磁極，進行放電室軸線方向的實際磁場最佳化；最佳化目標為：固定束電流和束電壓條件下的放電損耗最小和工質利用率最高，以及通過測量束流密度分布計算得到的束流平直度最高；
步驟3、完成上述兩步最佳化工作後，在當前磁極結構和電磁鐵的勵磁電流的設計下，測量錐段和柱段的總磁通量，按照總磁通量相等的原則，完成永磁鐵設計加工。
有益效果
《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》的磁極結構使陽極附近磁力線與陽極表面平行，同時兼顧陰極出口磁場強度最大化，提高原初電子利用率；並通過對上磁極長度的最佳化，將推力器出口區域設計接近於無場區，提高束流平直度。設計方法方便實現最最佳化設計並降低試驗成本。具體來說：
（1）《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》令磁極伸入放電室內部，超出陽極筒內表面，使得磁力線儘量遠離陽極筒，從而儘量與陽極筒不相交。由於不相交就不會導致電子沿磁力線運動時在交叉處或在磁極附近觸碰到陽極筒。而且，《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》令磁極相對於陽極筒帶負電，因此，當電子沿磁力線運動到達磁極附近時，不會因電場作用打到磁極上。那么，原初電子只能通過碰撞或者湍流輸運擴散才能夠穿越磁力線和陽極碰撞而消失，提高電子利用率。
（2）由於下磁極向放電室內部伸入，使得陰極出口處的磁場更強，所有電子從陰極出來，將更多的沿著磁力線往邊緣運動，設計磁場被限制在陽極附近區域，大部分工質氣體在該區域被原初電子碰撞電離，電離的離子通過自由擴散作用均勻分布在無磁場區域內。通過最佳化上磁極長度，使柵極附近的大部分區域接近為無場區，更有利於離子的均勻擴散，提高引出束流的均勻性，避免柵極中軸線附近離子密度過大引起的柵孔聚焦能力的惡化，造成柵極穩定性變差，柵極面積利用不充分等問題，從而提高放電效率和束流平直度。
（3）該磁場結構，錐段磁感應強度要強於柱段磁感應強度，放電室軸線上的磁場強度在陰極觸持極頂附近達到最大值，到達柱段區域，磁場強度迅速衰減，達到了兼顧電離效率和束流均勻性的目的。
（4）下磁極採用雙磁極結構，使得陽極筒表面和陰極出口處同時達到較強的磁場強度。
附圖說明
圖1（a）和圖1（b）為2014年9月之前技術的離子推力器磁極結構的示意圖。
圖2為《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》的離子推力器磁極結構示意圖。
圖3為中間磁極參數示意圖。
其中，1-下磁極；2-中間磁極；3-上磁極；4-下極靴；5-中間極靴；6-上極靴；7-錐段陽極筒；8-柱段陽極筒；9-錐段磁鋼；10-柱段磁鋼；11-陰極；12-柵極。A-放電室錐段；B-放電室柱段。
技術領域
《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》涉及一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法，屬於航天技術和低溫電漿技術領域。
權利要求
1.一種離子推力器放電室磁極結構，包括下磁極（1）、中間磁極（2）、上磁極（3）以及對應連線的下極靴（4）、中間極靴（5）和上極靴（6），還包括永磁體（9，10），磁極之間通過極靴（4，5，6）和永磁體（9，10）構成磁力線迴路，在放電室內部形成環尖會切磁場；其特徵在於，放電室的陽極筒（7，8）置於會切場內部；各磁極均伸入陽極筒（7，8）內表面，且相對於陽極筒（7，8）帶負電；安裝於下極靴（4）上的放電室陰極（11）直接伸入放電室內部。
2.如權利要求1所述的離子推力器放電室磁極結構，其特徵在於，下磁極（1）為兩同心環組成的雙磁極結構，其中一極靠近放電室陰極（11）側面，另一極靠近陽極筒。
3.如權利要求1或2所述的離子推力器放電室磁極結構，其特徵在於，上磁極（3）與上極靴（6）為分體結構，並設定多個長度規格的上磁極（3）作為備選。
4.如權利要求1所述的離子推力器放電室磁極結構，其特徵在於，以磁極伸入陽極筒的方向定義為長度方向，則下磁極（1）和上磁極（3）的長度方向平行於放電室軸線方向，中間磁極（2）的長度方向垂直於放電室軸線方向。
5.如權利要求1所述的離子推力器放電室磁極結構，其特徵在於，所述陽極筒為兩段式結構包括錐段陽極筒（7）和柱段陽極筒（8）。
6.如權利要求5所述的離子推力器放電室磁極結構，其特徵在於，下磁極（1）伸入陽極筒內的一端與錐段陽極筒（7）上端面的距離8毫米，下磁極（1）的環厚2毫米；靠近下磁極的一端面為錐段陽極筒（7）上端面；中間磁極（2）伸入陽極筒內的一端與柱段陽極筒（8）內壁的距離a2＝7毫米，中間磁極（2）的環寬b2＝4毫米；各種長度規格的上磁極（3），環厚均為2毫米，伸入陽極筒內的一端與上極靴安裝面的距離分別為6毫米、8毫米、10毫米、12毫米。
7.如權利要求1所述的離子推力器放電室磁極結構，其特徵在於，所述永磁體包括錐段磁鋼（9）和柱段磁鋼（10）；錐段磁鋼（9）均布於放電室壁錐段外圓周上，連線下極靴（4）與中間極靴（5）；柱段磁鋼（10）均布於放電室壁柱段外圓周上，連線中間極靴（5）與上極靴（6）；柱段磁鋼（10）和錐段磁鋼（9）在中間極靴（5）處的極性相同。
8.如權利要求7所述的離子推力器放電室磁極結構，其特徵在於，錐段磁鋼（9）軸向與下磁極（1）軸向和中間磁極（2）軸向均成45度角。
9.如權利要求1所述的離子推力器放電室磁極結構，其特徵在於，磁極和極靴均選用電工純鐵DT4C製作，永磁體均選用高溫稀土鈷Sm2Co17材料製作；陽極筒均選用鋁合金製作。
10.一種離子推力器放電室磁極結構的設計方法，其特徵在於，包括如下步驟：
步驟1、以權利要求3所述的放電室磁極結構作為初始結構，其中永磁體採用電磁鐵代替；利用電磁場軟體仿真得到放電室內磁場構型，在電磁鐵載入設定激勵電流的基礎上，通過調整磁極尺寸和伸入陽極筒的長度，對磁場構型進行最佳化，最佳化目標是：a）磁極在陽極筒內表面區域形成的磁場，磁力線不與陽極筒內表面相交，並儘量與陽極筒內表面平行；b）磁場限制在陽極筒附近區域，使放電室中柵極（12）附近的大部分區域接近為無場區；c）調整軸向上的最大磁場強度剛好位於放電室陰極（11）出口處；
步驟2、根據步驟1確定的磁極仿真數據，構造實際磁極結構，仍以電磁鐵代替永磁體，通過改變電磁鐵的勵磁電流，並在上磁極仿真數據的基礎上，在設定小範圍內更換不同尺寸的上磁極，進行放電室軸線方向的實際磁場最佳化；最佳化目標為：固定束電流和束電壓條件下的放電損耗最小和工質利用率最高，以及通過測量束流密度分布計算得到的束流平直度最高；步驟3、完成上述兩步最佳化工作後，在當前磁極結構和電磁鐵的勵磁電流的設計下，測量錐段和柱段的總磁通量，按照總磁通量相等的原則，完成永磁鐵設計加工。
《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》提供了一種離子推力器放電室的磁極結構，放電室包括放電室壁、陽極筒，磁極結構包括磁極、極靴、永磁鐵。具體來說，如圖2所示，磁極包括下磁極1、中間磁極2和上磁極3，均為環形結構，圖中是出的是其截面，中間磁極2將放電室分為錐段和柱段兩部分。極靴與磁極相對應，包括下極靴4、中間極靴5和上極靴6。磁極之間通過極靴和永磁體構成磁力線迴路，在放電室內部形成環尖會切磁場。《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》的特點是：放電室的陽極筒置於會切場內部；各磁極均伸入陽極筒內表面，且相對於陽極筒帶負電；安裝於下極靴上的放電室陰極直接伸入放電室內部。
可見，《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》令磁極伸入放電室內部，超出陽極筒內表面，使得磁力線儘量遠離陽極筒，從而儘量與陽極筒不相交。由於不相交就不會導致電子沿磁力線運動時在交叉處或在磁極附近觸碰到陽極筒。而且，《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》令磁極相對於陽極筒帶負電，因此，當電子沿磁力線運動到達磁極附近時，不會因電場作用打到磁極上。那么，原初電子只能通過碰撞或者湍流輸運擴散才能夠穿越磁力線和陽極碰撞而消失，提高電子利用率。
而且，由於下磁極向放電室內部伸入，使得陰極出口處的磁場更強，所有電子從陰極出來，將更多的沿著磁力線往邊緣運動，設計磁場被限制在陽極附近區域，大部分工質氣體在該區域被原初電子碰撞電離，電離的離子通過自由擴散作用均勻分布在無磁場區域內。通過最佳化上磁極長度，使柵極附近的大部分區域接近為無場區，更有利於離子的均勻擴散，提高引出束流的均勻性，避免柵極中軸線附近離子密度過大引起的柵孔聚焦能力的惡化，造成柵極穩定性變差，柵極面積利用不充分等問題，從而提高放電效率和束流平直度。
下面結合圖2對《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》的實現細節進行詳細描述。
圖2示出的結構中，由於磁極伸入陽極筒內部，因此較佳地，將陽極筒設計為兩段式結構，包括錐段陽極筒7和柱段陽極筒8。
永磁體也包括錐段磁鋼9和柱段磁鋼10。錐段磁鋼9均布於放電室壁錐段外圓周上，連線下極靴4與中間極靴5。柱段磁鋼10均布於放電室壁柱段外圓周上，連線中間極靴5與上極靴6；柱段磁鋼10和錐段磁鋼9在中間極靴5處的極性相同，同為S或同為N。均布的好處在於使放電室內磁場儘可能均勻，避免不均布造成的磁通路磁阻差異，進而影響放電室內電漿分布的均勻性。
下磁極1與下極靴4為一體結構（也可以為分開結構），位於放電室後端。以磁極伸入陽極筒的方向定義為長度方向，則下磁極1的長度方向平行於放電室軸線方向。在放電室的軸線方向上，錐段磁鋼9軸向（一般來說永磁鐵都是柱狀的）與下磁極1的軸向成一定角度α安裝，α優先選擇45度。錐段磁鋼9共n根，n選擇範圍為8到16根，均布於放電室壁錐段外圓周上。
為了既保證陰極出口處磁場強度最優，又保證陽極表面磁場強度滿足要求，下磁極1為兩同心環組成的雙磁極結構，其中一極靠近放電室陰極11側面，另一極靠近錐段陽極筒7。磁場設計準則要求，陽極筒表面和陰極出口處都要達到較強的磁場強度，單磁極不能很好的兼顧上述需求，因此採用雙磁極，同時使陽極筒表面和陰極出口處達到理想的磁場強度值。
中間磁極2與中間極靴5為一體結構（也可以為分開結構），位於放電室中段，中間磁極2的長度方向垂直於放電室軸線方向。中間磁極2軸向與錐段磁鋼軸向成β度角安裝，β優先選擇45度。為了方便安裝，兩兩錐段磁鋼中間，沿放電室軸向安裝柱段磁鋼，柱段磁鋼共m根，m選擇範圍為8到16根，均布於放電室壁柱段外圓周上。
上磁極3與上極靴6為分體結構，位於放電室前端，上磁極3的長度方向平行於放電室軸線方向。上極靴6外側沿放電室軸向安裝相應柱段磁鋼。上磁極3伸入陽極筒的長度對束流平直度敏感，因此將上磁極與上極靴設計為分體結構，方便磁極長度的更換。那么應該設定多個長度規格的上磁極3作為備選。
在材料方面，磁極和極靴均優選磁導率高的電工純鐵DT4C製作；錐段磁鋼和柱段磁鋼均優選高溫稀土鈷Sm2Co17材料製作，其工作溫度高，高溫穩定性好；錐段陽極筒和柱段陽極筒均優選鋁合金製作，其不導磁，質量輕，比剛度大。
基於上述磁極結構，《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》還提供了一種離子推力器放電室磁極結構的設計方法，其包括如下步驟：
步驟1、以上述放電室磁極結構作為初始結構，其中永磁體採用電磁鐵代替，以便進行仿真。利用電磁場軟體仿真得到放電室內磁場構型，在電磁鐵載入設定激勵電流的基礎上，通過調整磁極尺寸和伸入陽極筒的長度，對磁場構型進行最佳化，最佳化目標是：
a）磁極在陽極筒內表面區域形成的磁場，磁力線不與陽極筒內表面相交，並儘量與陽極筒內表面平行，這可以實現放電電漿的低氣壓化、高密度化和均勻化；
b）磁場限制在陽極筒附近區域，使放電室中柵極12附近的大部分區域接近為無場區，可增強引出束流的分布均勻性；
c）錐段磁感應強度要強於柱段磁感應強度，且令軸向上的最大磁場強度剛好位於陰極11出口處，從而使得到達柱段區域的磁場強度迅速衰減，以達到兼顧電離效率和束流均勻性的目的。
步驟2、根據步驟1確定的磁極仿真數據，構造實際磁極結構，仍以電磁鐵代替永磁體，通過改變電磁鐵的勵磁電流，並在上磁極仿真數據的基礎上在小範圍更換不同尺寸的上磁極，進行放電室軸線方向的實際磁場最佳化；最佳化目標為：固定束電流和束電壓（也是屏柵電壓）條件下的放電損耗最小和工質利用率最高，以及通過測量束流密度分布計算得到的束流平直度最高。
步驟3、完成上述兩步最佳化工作後，在當前磁極結構和電磁鐵的勵磁電流的設計下，測量錐段和柱段的總磁通量，按照總磁通量相等的原則，完成永磁鐵設計加工。
結合上述設計方法和多方因素考慮，最後確定下磁極1伸入陽極筒內的一端與錐段陽極筒7上端面（靠近下磁極的一端面為錐段陽極筒7上端面）的距離為8毫米，下磁極1的環厚2毫米；
中間磁極2伸入陽極筒內的一端與柱段陽極筒8內壁的距離a2＝7毫米，中間磁極2的環寬b2＝4毫米；參見圖3；
各種長度規格的上磁極3，環厚均為2毫米，伸入陽極筒內的一端與上極靴6安裝面的距離分別為6毫米、8毫米、10毫米、12毫米。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種離子推力器放電室磁極結構及其設計方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
