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电推力器空心阴极双鞘层数值模拟

作　者: 冯亮
导　师: 闫国军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 空心阴极双鞘层虚阴极
分类号: O462.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 35次
引　用: 1次
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内容摘要

空心阴极作为电子源和离子束中和器广泛应用于霍尔推力器和离子推力器等电推力器中。空心阴极内等离子体和热电子发射体材料表面附近形成的等离子体双鞘层的物理特性,将直接影响空心阴极的发射电流密度、伏安特性及工作的稳定性等。但是目前还没有对电推力器空心阴极双鞘层的物理结构进行深入的研究,在空心阴极数值模拟中仅是对双鞘层进行了简单的假设处理。本文综述介绍了空心阴极热等离子体鞘层的基本概念、基本特性及研究意义和发展现状,分析了影响空心阴极双鞘层结构的主要因素。本文两个模型考虑发射电子的初速度满足麦克斯韦-玻尔兹曼分布,利用连续性方程、粒子通量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程,结合合理的初始条件和边界条件,对无虚阴极和有虚阴极两种情况,构成了完备的空心阴极双鞘层数学模型。利用边界条件确定了离子进入鞘层的速度,推导得出了发射体表面电场强度的数学表达式。在对有无虚阴极双鞘层两个模型结果进行分析时,主要模拟了发射电子电流密度和壁面电势或等离子体电势不同时,有无虚阴极双鞘层电势、电场强度及粒子分布情况,得出了较为详细的结果,并分析了不同发射电子电流密度或壁面电势(等离子体电势)下,双鞘层特性参数的变化规律,发现虚阴极位置及势阱随发射电子电流密度增大分别右移和加深,随着等离子体电势增大分别左移和变浅。空间电荷密度分布的波峰随发射电子电流密度增大而右移,值减小,随等离子体电势增大而右移,值增大。离子进入鞘层的速度及残余发射电子密度分布在两个模型中变化趋势有很大不同,同时还得出了空心阴极发生双鞘层的临界条件及空心阴极有无虚阴极双鞘层临界条件,这些重要结论为以后深入研究空心阴极双鞘层打下了良好的基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
符号表  7-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景及意义  10-13
  1.2 国内外研究现状  13-17
    1.2.1 国外研究现状  14-16
    1.2.2 国内研究现状  16-17
  1.3 论文研究内容  17-19
第2章空心阴极双鞘层及其性质  19-27
  2.1 引言  19-20
  2.2 空心阴极双鞘层形成的主要因素  20-24
  2.3 空心阴极双鞘层的内在机理  24-26
    2.3.1 空心阴极双鞘层特性  24-25
    2.3.2 虚阴极性质  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章空心阴极双鞘层一维数学模型建立  27-54
  3.1 引言  27-28
  3.2 无虚阴极模型及其数学描述  28-37
    3.2.1 模型的基本假设  28-29
    3.2.2 无虚阴极模型的基本方程  29-34
    3.2.3 边界条件及求解方法  34-37
  3.3 有虚阴极模型及数学描述  37-53
    3.3.1 有虚阴极模型的基本方程  37-47
    3.3.2 边界条件及求解方法  47-53
  3.4 本章小结  53-54
第4章空心阴极双鞘层特性分析  54-81
  4.1 引言  54
  4.2 空心阴极双鞘层无虚阴极特性分析  54-66
    4.2.1 发射电子电流密度对无虚阴极双鞘层的影响  54-60
    4.2.2 壁面电势对无虚阴极双鞘层的影响  60-66
  4.3 空心阴极双鞘层有虚阴极特性分析  66-77
    4.3.1 发射电流密度对虚阴极双鞘层的影响  66-72
    4.3.2 等离子体电势对虚阴极双鞘层的影响  72-77
  4.4 临界条件  77-79
    4.4.1 空心阴极双鞘层临界条件  77-79
    4.4.2 有无虚阴极临界条件  79
  4.5 本章小结  79-81
结论  81-83
参考文献  83-87
附录一电推力器空心阴极双鞘层无量纲化参数表  87-88
攻读学位期间发表的学术论文  88-90
致谢  90

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