對(duì)離子推力器來(lái)說(shuō)，加速柵的作用是提供一個(gè)負(fù)的電勢(shì)壁壘，阻止下游的電子反流到放電室內(nèi)部。反流電子流不僅會(huì)導(dǎo)致推力器能量損失，嚴(yán)重的甚至?xí)��?dǎo)致推力器無(wú)法工作。電子反流閾值是由加速柵孔內(nèi)的鞍點(diǎn)電勢(shì)所決定的，而決定鞍點(diǎn)電勢(shì)的因素有屏柵和加速柵的電勢(shì)，屏柵和加速柵的幾何結(jié)構(gòu)，子離子束流的大小。推導(dǎo)了鞍點(diǎn)電熱公式，采用監(jiān)測(cè)屏柵電流的變化的方法，測(cè)量出反流閾值，并與理論計(jì)算值相比較。

1、引言

　　離子電推進(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)先進(jìn)的空間電推進(jìn)系統(tǒng)，它具有高比沖，高效率，推力小的特點(diǎn)。在推力器運(yùn)行的時(shí)候，為了維持航天器的電中性，離子推力器在運(yùn)行時(shí)，中和器會(huì)發(fā)射和柵極引出束流離子相反的電子流，將束流離子中和。加速柵的負(fù)電壓的作用是阻止電子反流到放電室內(nèi)部。加速柵外面的電子符合麥克斯韋分布，如果加速柵電壓不夠，某些速度非常高的電子就能穿過(guò)加速柵，進(jìn)入到放電室內(nèi)部，形成電子反流現(xiàn)象。電子反流現(xiàn)象發(fā)生后，由于電子流不會(huì)貢獻(xiàn)推力，會(huì)造成不必要的功率損耗，引起離子推力器性能下降，壽命降低，而且電子轟擊到放電室內(nèi)部產(chǎn)生的能量沉積會(huì)造成放電室局部溫度過(guò)高，損害放電室組件。當(dāng)電子反流嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)��?dǎo)致離子推力器無(wú)法正常而壽命結(jié)。

2、理論預(yù)測(cè)

　　2.1、加速柵孔電勢(shì)

　　在離子推力器中，屏柵和加速柵上面有很多對(duì)齊的小孔，用來(lái)引出束流。而從每一對(duì)小孔中引出的束流，稱(chēng)之為子離子束流。所有的子離子束流結(jié)合在一起，就形成整個(gè)離子束流。離子推力器的加速柵下游等離子體是由帶正電的束流離子，尚未被電離的中性粒子，和由中和器發(fā)射出的帶負(fù)電的電子所組成的。對(duì)于帶負(fù)電的電子來(lái)說(shuō)，電勢(shì)為負(fù)的加速柵，就是一個(gè)負(fù)的電勢(shì)壁壘，只有具有一定能量的電子才能穿過(guò)這個(gè)電勢(shì)壁壘。加速柵外面的電子，符合麥克斯韋分布，處于分布曲線(xiàn)尾部的高能電子就有可能穿過(guò)加速柵電勢(shì)壁壘。所以加速柵負(fù)的電勢(shì)越高，能穿過(guò)這個(gè)壁壘的電子就越少，電子反流就越小。但是加速柵電勢(shì)太高，又會(huì)導(dǎo)致其它的負(fù)面影響( 比如說(shuō)，電荷交換離子對(duì)加速柵的腐蝕作用) 。所以要在加速柵上設(shè)置一個(gè)合適的電勢(shì)，使得反流的電子足夠小。在加速柵附近的空間電勢(shì)分布如圖1 所示：

圖1 加速柵附近電勢(shì)分布

　　其中虛線(xiàn)為子離子束流軸線(xiàn)上的電勢(shì)分布; 實(shí)線(xiàn)為兩個(gè)子離子束流之間，即柵邊界上的電勢(shì)分布。子離子束流軸線(xiàn)上的電勢(shì)最低點(diǎn)比加速柵上的電勢(shì)要高，稱(chēng)這個(gè)電勢(shì)最低點(diǎn)為“鞍點(diǎn)”。產(chǎn)生這個(gè)電勢(shì)差的主要原因是束流內(nèi)部的正空間電荷。這個(gè)鞍點(diǎn)電勢(shì)即為電子反流到放電室內(nèi)部所需要克服的電勢(shì)壁壘。進(jìn)一步的研究表明，鞍點(diǎn)電勢(shì)和三個(gè)因素有關(guān):

　　(1) 柵極間的靜態(tài)電勢(shì)分布

　　(2) 屏柵與加速柵之間的幾何結(jié)構(gòu)( 包括柵間距，柵孔徑，加速柵腐蝕程度[5]等)

　　(3) 加速柵孔內(nèi)部的子離子束流空間電荷分布。

試驗(yàn)結(jié)果分析

　　從上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)加速柵電壓降低到-175 V 時(shí)，就可以開(kāi)始出現(xiàn)電子反流。隨著加速柵電壓的繼續(xù)下降，反流電流迅速增大。在-172 V 附近，達(dá)到我們?cè)O(shè)定的反流閾值：febs = 1% 。將試驗(yàn)和理論計(jì)算的結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)反流閾值函數(shù)的理論曲線(xiàn)和試驗(yàn)曲線(xiàn)形狀上是一樣的，都是隨著加速柵電壓的減小而迅速增大。然而試驗(yàn)測(cè)量得到的閾值比理論計(jì)算出的閾值大18.6%。分析原因，主要為理論推導(dǎo)過(guò)程中的假設(shè)和近似處理。

　　(1) 在推導(dǎo)(5)式的時(shí)候，假設(shè)ne = ni，但是在加速柵出口平面附近，離子密度比電子密度大得多。這大量的離子，在加速柵出口平面附近形成一個(gè)正離子鞘層，使得鞍點(diǎn)電勢(shì)偏高。

　　(2) 考慮加速柵孔內(nèi)，空間電荷的影響的時(shí)候，假設(shè)子離子束流內(nèi)部的空間電荷是均勻分布的，然而屏柵和加速柵對(duì)離子的聚焦作用，使得在加速柵孔內(nèi)，軸線(xiàn)附近的電荷密度最大，越靠近加速柵邊界，電荷密度越小。在加速柵內(nèi)部，空間電荷的這種分布，使得鞍點(diǎn)電勢(shì)比理論值要偏高。

4、結(jié)論

　　在考慮柵極間的靜態(tài)電勢(shì)分布，柵極的幾何結(jié)構(gòu)，以及加速柵孔內(nèi)的空間電荷分布的情況下，推導(dǎo)了一種鞍點(diǎn)電勢(shì)的表達(dá)式，并且針對(duì)具體的推力器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)理論計(jì)算的到的反流函數(shù)與加速柵電壓的圖形，與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)擬合出的圖形相一致，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)的正確性。同時(shí)通過(guò)分析理論與試驗(yàn)所得具體數(shù)值的差異，得出了理論推導(dǎo)過(guò)程中近似處理所產(chǎn)生的誤差。