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中国力学学会2020年学术活动计划

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力学学报 2020年第1期52卷 292-300页

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射频增强电推力器加速机理的数值模拟研究

射频增强电推力器加速机理的数值模拟研究

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作者：张军军大连理工大学

学位级别：博士

深空探测、宇宙航行等航天任务的开展,急需大功率、高比冲、大推力、长寿命的电推力器。旋转电场(Rotating Electric Field,REF)射频增强电推力器应运而生,它以螺旋波为等离子体源,采用REF对产生的等离子体进行加速,是一种无电极电推力... 详细信息

深空探测、宇宙航行等航天任务的开展,急需大功率、高比冲、大推力、长寿命的电推力器。旋转电场(Rotating Electric Field,REF)射频增强电推力器应运而生,它以螺旋波为等离子体源,采用REF对产生的等离子体进行加速,是一种无电极电推力器。该推力器没有腔体、电极腐蚀,使用寿命更长;能对电子、离子同时加速,实现羽流自中和,无需要增设中和器;采用射频工作方式,具有高功率、大推力、高比冲的特点。射频增强电推力器提出时间较短、物理机理复杂,现有研究主要为低维度数值模拟与实验,难以全面、深入研究推力器微观机理。因此,建立系统、完善的射频增强电推力器数值仿真模型对深入研究推力器粒子加速机理、推力器设计、优化、性能提升具有重要参考价值与指导意义。本论文旨在研究REF作用下等离子体的产生、加速过程,掌握REF径向等离子穿透作用,明确等离子体轴向加速机理,主要研究工作如下: 首先,改进现有容性耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma,CCP)放电模型,为接地平板通入射频电压,建立了射频增强电推力器加速腔截面的1D仿真模型,分析了推力器中等离子体放电机理、各粒子产生过程及获能方式。仿真结果表明:带电粒子主要在等离子体鞘层强电场区域获得能量进行加速,其中,电子质量小,随REF发生周期性变化,高能电子主要分布在鞘层与等离子体准中性区域交界附近,因此,该区域电离率较大,进入等离子体主体区域后,运动逐渐受到中性粒子阻碍,大量电子留在等离子体准中性区域,电子速度及电离率逐渐减小;离子质量大,难以及时响应REF,在推力器内运动平缓;鞘层内电子剧烈变化导致空间电荷分离,形成变化巨大的电场,该电场为离子加速主要能量来源;受等离子体准中性影响,大量离子分布在准中性区域,少量离子存在于鞘层,离子速度及电流密度在鞘层内具有较大值。其次,为研究REF形成条件及其在等离子体中的径向穿透作用,建立了射频增强电推力器加速腔截面的2D仿真模型。仿真结果表明:加速电极相位差为90°时能够得到与背景磁场耦合较好的REF,在REF与背景磁场作用下等离子体能被有效加速;增大电压幅值,REF变强,能够穿透等离子体层更厚,令更多粒子受到REF作用,粒子分布更集中;增大电源频率,REF旋转速度加快,等离子体趋肤深度减小,REF穿透等离子体层更薄,受REF作用的粒子范围减小,等离子体准中性区域扩大,粒子分布范围增大且分布更均匀;加速电极相位差不影响REF穿透等离子体效果,仅改变粒子运动方向。之后,搭建了基于笛卡尔坐标系的3D REF射频增强电推力器数值模拟平台,解决了大规模、高维度电磁场求解效率低、速度慢的问题,同时解决了传统PIC方法由于等离子体仿真时间、空间步长等稳定性条件限制无法应用于3D REF射频增强电推力器仿真的问题。电磁场求解器中各控制方程采用有限差分离散格式,对应离散格式下大规模线性系统采用维度转换稳定双共轭梯度(Dimension Transformed Bi-Conjugate Gradient Stabilized,DT-Bi CGSTAB)算法进行求解。为进一步提高电磁场求解效率,在计算域中采用完美边界层(Perfectly Matched Layer,PML)模拟无穷远域,大幅缩小了计算域。求解器采用并行方式运行,能够高效计算大规模、高维度电磁场。采用隐式粒子单元(Particle In Cell,PIC)法描述等离子体中各粒子运动,突破了传统PIC方法对等离子体仿真时间、空间步长的限制,使3D REF射频增强电推力器仿真成为可能。最后,基于低维仿真结果及3D仿真平台,建立了射频增强电推力器加速腔的3D仿真模型,对推力器内电子、离子时空演化过程及轴向加速机理进行了深入研究。仿真结果表明:电子质量小,能够快速响应REF进行角向加速,形成高速电子流;电子流与背景磁场轴向分量相互作用对电子径向压缩,其与背景磁场径向分量相互作用将电子角向加速转换为轴向加速;离子质量大,无法及时响应REF,随着等离子体向腔体出口运动,离子分布变为两部分,一部分是与变化电子空间距离较近的离子团,另一部分为距离变化电子较远、位于加速腔边缘的离子团;与变化电子空间距离近的离子在电子变化引起的电荷分离产生的巨大电场作用下加速,在腔体边缘的离子主要靠REF平均效应加速;此外,由出口离子速度分布估算得到推力器在加速电压1000V时比冲约为2578s,推力约为1.5m N,该性能与同尺寸、加速电压相近的传统推力器相当。

关键词：空间电推进旋转电场射频增强电推力器粒子加速径向穿透等离子体数值模拟

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磁控溅射镀膜设备中靶的优化设计

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真空 2003年第4期40卷 16-22页

作者：刘翔宇赵来许生范垂祯查良镇清华大学电子工程系北京100084 深圳豪威真空光电子股份有限公司广东深圳517057

磁控溅射已发展为工业镀膜生产中最主要的技术之一。对在镀膜批量生产中普遍存在的靶材利用率、溅射速率和沉积速率低以及溅射过程不稳定等突出问题 ,固然可用优化电源设计和调整工艺参数等加以改善 ,但根本的问题在于整个系统 ,特别是... 详细信息

磁控溅射已发展为工业镀膜生产中最主要的技术之一。对在镀膜批量生产中普遍存在的靶材利用率、溅射速率和沉积速率低以及溅射过程不稳定等突出问题 ,固然可用优化电源设计和调整工艺参数等加以改善 ,但根本的问题在于整个系统 ,特别是靶的优化设计。本文简要评述了已有靶的典型设计及其特点 ;对靶分析和设计的通行方法 ,包括电磁场有限元、等离子体粒子模型及流体模型、以及设计过程中其它一些需要注意的问题作了讨论。鉴于国内目前在靶的分析设计方面与国际先进水平之间还存在着比较大的差距 ,希望能够引起有关方面的重视。

关键词：磁控溅射镀膜设备靶优化设计电磁场等离子体数值模拟真空

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基于PPR的IFE-PIC数值模型界面问题梯度重构方法研究

基于PPR的IFE-PIC数值模型界面问题梯度重构方法研究

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作者：蒋与晶哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

IFE-PIC(Immersed Finite Element-Particle In Cell)是一种用于研究等离子体动力学和静电场参数的电磁场数值仿真模型,其中PIC用于模拟粒子运动,IFE用于求解电场强度。由于通过有限元方法得到的电场分布在空间内不连续以及传统的线性... 详细信息

IFE-PIC(Immersed Finite Element-Particle In Cell)是一种用于研究等离子体动力学和静电场参数的电磁场数值仿真模型,其中PIC用于模拟粒子运动,IFE用于求解电场强度。由于通过有限元方法得到的电场分布在空间内不连续以及传统的线性插值法不适合处理界面问题,近年来保多项式梯度重构技术(Polynomial Preserved Recovery,PPR)因能够通过有限元解中重建连续的近似梯度而被广泛用于网格平滑化、后验误差估计和自适应有限元方法,因此本文将通过PPR求解IFE-PIC数值模型中椭圆界面问题的梯度。应PPR相关理论要求,为使重构梯度具备超收敛性,选择了含惩罚项的浸入式有限元方法(Partially Penalized Immersed Finite Element Method,PPIFE)求解偏微分方程。本文在IFE的理论基础之上对PPIFE的弱格式进行离散化处理,在完成包括网格划分、基函数求解、高斯求积等有限元线性系统构建过程时考虑了较为复杂的界面阶跃条件。算例结果表明在界面无阶跃时PPIFE的数值解的L范数和H范数的收敛阶均不会随着网格加密而下降,而当存在界面阶跃时PPIFE结果的范数表现也要比IFE更好。在普通有限元条件下,本文结合PPR相关理论讨论了双线性元条件下的梯度重构过程,建立了评估重构梯度误差的两种方法,验证了PPR重构梯度在双线性元条件下的的超收敛性。在双线性浸入式有限元条件下,对IFE的两种PPR方法进行修正,分别在所构造的贴体混合网格和忽略界面网格条件下进行梯度重构,算例结果显示通过修正后的PPR方法得到的重构梯度的收敛阶仍能达到理论值O(h)。最后单粒子模拟和基于经典鞘层模型的多粒子模拟的结果均说明了PPR能够提高等离子体运动的计算精度。

关键词： IFE-PIC 梯度重构等离子体数值模拟双线性元

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