真空室内含碳反溅射的离子推力器羽流三维动力学模拟
等离子体物理
2023-10-05 v2 计算物理
摘要
栅极离子推力器在地面真空室中进行测试，以验证其在太空部署时的性能。然而，真空室内存在的高本底压强与导电壁会导致设施效应，增加推力器在太空中性能的不确定性。为解决此问题，本研究采用全动力学模拟来考察设施效应对推力器羽流的影响。由于壁面处的离子中和以及真空泵能力有限，室内条件下的下游中性粒子密度比太空情形大 100 倍，导致电荷交换离子的密度与分布出现显著差异。研究发现，入射到室壁上的电荷交换离子的通量、能量与角度被电子鞘层改变，而这只能由全动力学方法模拟，而非 conventionally used quasi-neutral Boltzmann approach（常规使用的准中性玻尔兹曼方法）。我们还考察了另一种重要设施效应——反溅射的影响，发现它未必需要全动力学模拟，因为所取电荷交换离子的入射通量与能量可忽略不计。最后，我们证明溅射碳的角依赖性对推力器上碳沉积速率有显著影响，影响幅度近 50%。
引用
@article{arxiv.2303.07496,
title = {Three-Dimensional Kinetic Simulation of an Ion Thruster Plume with Carbon Backsputtering in a Vacuum Chamber},
author = {Keita Nishii and Deborah A. Levin},
journal= {arXiv preprint arXiv:2303.07496},
year = {2023}
}