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作者：周宏亮哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

我国空间引力波探测对电推进提出了极高的性能和寿命需求,0.1μN的可调节精度和10000小时的使用寿命,要求必须严格控制外界干扰。该任务候选的电推进一般由离子加速器和阴极电子源构成,传统的空心阴极由于需要供气已经无法满足上述的控... 详细信息

我国空间引力波探测对电推进提出了极高的性能和寿命需求,0.1μN的可调节精度和10000小时的使用寿命,要求必须严格控制外界干扰。该任务候选的电推进一般由离子加速器和阴极电子源构成,传统的空心阴极由于需要供气已经无法满足上述的控制要求,必须使用无工质的阴极。经过论证本文针对无工质热发射阴极开展相关研究,并重点从与推力器耦合的角度出发进行热电子发射阴极的设计与优化工作,主要内容如下:首先针对任务对电流的需求开展了热发射阴极设计与性能测试,结果显示其具有较好的电子发射特性、可控性及稳定性,基本满足空间引力波探测需求。再此基础上重点针对会切场霍尔推力器开展了耦合放电测试,结果发现由于没有传统的等离子体环境,电子传到困难,热阴极发射的电子难以进入羽流区,导致热发射阴极无法与推力器耦合放电,因此必须增加新的设计手段引出热发射电子,并能够同羽流区的离子进行良好的中和。其次,针对电子难以引出的问题,开展了基于触持极电位控制电子的引出方法研究。测试了不同触持极,安装距离,引出电压下的热电子发射阴极放电特性,并对电子运动轨迹进行了相关分析,结果显示触持极孔径对电子引出效率有着显著的影响,触持极引出效率与最大引出电流呈现负相关。在此基础上,通过施加触持极电流实现了热发射阴极与会切场霍尔推力器的耦合放电,实现了电子进入羽流区中和,实现了羽流电位的降低及离子电流的引出。再次,针对单纯施加触持极电压热发射电子通过效率降低的问题,开展了基于磁场的热发射电子引出方法研究。核心思想是利用触持极孔区的磁场减少热电子落向触持极,增加透过率;利用羽流区的扩散磁场把电子扩散到羽流区内,增强羽流中和。实验与仿真结果均显示,增加磁场后热电子的触持极通过率明显增强,减小了热阴极的电子发射需求。在此基础上进行了磁场强度和磁场位型的优化,为后续热电子发射阴极的设计提供了指导。最后,针对空间引力波探测任务需求,开展了热电子发射阴极的热结构与力学结构分析和验证。通过增加隔热屏显著增加了热电子发射体的工作温度,能够有效降低加热电流与加热功率;通过增加发射体处的固定支撑,可大幅度的提高热电子发射阴极的抗力学性能,为后续的结构优化提供了方案指导。此外,基于长稳态下材料的高温相容性分析表明,热电子发射阴极具有较好的热发射稳定性。

关键词：热发射阴极会切场霍尔推力器耦合放电引力波探测

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