霍尔推力器中电子碰撞及等离子体密度和磁场梯度激发的不稳定性

作     者：杨三祥 赵以德 代鹏 李建鹏 谷增杰 孟伟 耿海 郭宁 贾艳辉 杨俊泰 YANG Sanxiang;ZHAO Yide;DAI Peng;LI Jianpeng;GU Zengjie;MENG Wei;GENG Hai;GUO Ning;JIA Yanhui;YANG Juntai

作者机构：兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2025年第74卷第2期

页      面：173-183页

核心收录：

学科分类：0401[教育学-教育学] 04[教育学] 

基　　金：国家重点研发计划(批准号:2021YFC2202704) 国家自然科学基金(批准号:62201238) 甘肃省杰出青年基金(批准号:21JR7RA744)资助的课题 

主　　题：霍尔推力器 密度梯度 磁场梯度 电子碰撞 不稳定性 

摘      要：在霍尔推力器中,电子漂移、电子碰撞,以及等离子体密度、温度、磁场梯度所蕴含的自由能会驱动各种频率和波长的不稳定性.不稳定性的存在会破坏等离子体的稳定放电,削弱推力器与电源处理单元的匹配度,降低推力器的性能.基于此,本文利用基于流体模型推导的色散关系研究了霍尔推力器中由电子碰撞、等离子体密度和磁场梯度驱动的不稳定性.结果表明:1)在考虑电子惯性、电子与中性原子的碰撞,以及电子E×B漂移时能够在推力器近阳极区到羽流区内的任一轴向位置处激发不稳定性.随着角向波数ky的增大(k=2π/λ,λ为波长),模式将从由碰撞激发的低杂波不稳定性转变为离子声波不稳定性.当ky=10 m−1时,最大增长率γ_(max)对应频率ωr随着碰撞频率νen的增大而轻微减小;当ky=300 m−1时,γ_(max)对应的频率ωr以及最大频率ω_(rmax)几乎不随碰撞频率变化.不依赖于ky的大小,对于碰撞激发的不稳定性,模式的增长率随着碰撞频率的增大而增大.2)同时考虑电子惯性、电子碰撞效应,以及密度梯度时,密度梯度对驱动不稳定性占主导作用.模式的动力学行为不会随ky的增大而变化,但模式的本征值随ky的增大而增大.在密度梯度κN=0的两侧,由于密度梯度引起的抗磁性漂移频率ωs的符号发生了变化,模式的本征值在κN=0两侧有相反的变化趋势:当ω∗与ωr符号相反时,密度梯度对不稳定性的激发有削弱作用(κN0);当ω∗与ωr符号相同时,密度梯度对不稳定性的激发有增强作用(κN0).3)在模型中同时考虑等离子体密度梯度、磁场梯度,以及电子惯性和碰撞效应时,模式本征值的变化依赖于电子的漂移频率,以及密度和磁场梯度引起的抗磁性漂移频率的相对大小.当仅包含密度梯度和磁场梯度时,推力器放电通道内将出现稳定窗,即增长率为0的区间;包含电子惯性和碰撞效应后,稳定窗消失.