三维动力学粒子-电荷中理解基于尺度化网格离子推进器的腔内等离子体行为
等离子体物理
2025-11-19 v1 计算物理
摘要
我们利用全动力学、三维 Particle-in-Cell/蒙特卡洛碰撞 (PIC-MCC) 求解器耦合直接模拟蒙特卡洛 (DSMC) 中性背景，研究了缩减尺度网格离子推进器喷流在设施条件下的行为。这种方法使我们能够详细检查支配喷流中和及壁面相互作用的关键等离子体过程。我们发现，弹性电子冷却对于实现物理一致、被中和的喷流至关重要。增加背景压力会增强离子-中性碰撞，导致更多的电荷和动量交换事件，从而降低离子平均能量、扩大喷流并增加侧壁损失。包括非弹性过程后，势面会变平，维持准中和状态，并在更远的下游保持喷流的准直。单粒子轨迹分析显示，主要电子发生混合逃逸和暂时捕获，而低能非弹性电子保持被捕，从而维持中和云。电容器诊断显示，在喷口，经典子孩-朗穆尔和 Hutchinson 模型会低估电容器长度，由于残余电子；而在侧壁附近，电容器被压缩在紧凑域内的喷流-电容器干扰所截断。电流流分析表明，更高的背景压力条件导致更低的喷流能量和增加的侧壁电流。
引用
@article{arxiv.2511.14036,
title = {Understanding In-Chamber Plasma Behavior Using a Dimensionally Scaled Gridded Ion Thruster in Three-Dimensional Kinetic Particle-in-Cell Simulations},
author = {Gyuha Lim and Deborah Levin},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.14036},
year = {2025}
}