一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；S6：配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。块进行仿真并生成仿真结果。块进行仿真并生成仿真结果。

【技术实现步骤摘要】
一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法


[0001]本专利技术涉及霍尔离子源
，具体为一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法。

技术介绍

[0002]随着空间探测的广度和深度地不断提升，对电推力器的需求越来越多，其中，霍尔推力器是电推进技术中常见的一种类型。尽管，当今关于霍尔推力器放电等离子体和自溅射的研究很多，但这些都是把放电等离子体和自溅射单独分离仿真研究，并没有把包括等离子体鞘层、准中性等离子体、羽流以及自溅仿真统一研究。但是由于所有仿真计算的初始条件和边界条件都对其结果和收敛过程有很大的影响，分开计算时这些条件的给定存在一定的任意性。
[0003]由于“自溅射”是发生在电推力器运行过程中，其内部一些部件受到能量较高的离子轰击，造成部件表面的粒子发生溅射的一种现象，是制约霍尔推力器应用发展的一个主要问题。这种自溅射伴随着整个推力器的运行，若存在长期高强度的自溅射，势必会影响推力器的稳定运行和自身的寿命，并且，这种自溅射都是要经过成千上百小时的运行才能测得其形貌的变化，实验花费高，且实验效率比较低。电推力器都是工作在真空环境中，实验研究对环境要求较高。所以，对电推力器的自溅射的研究中大量使用了仿真研究方法，在电推力器的数值仿真方法中，粒子模拟被认为是最接近实际的一种仿真方法。然而，要详细掌握放电等离子体工作特性和器壁自溅射情况，网格长度必须在德拜长度以内，并且时间步长非常的小。此外，追踪的电子、离子数目必须足够多，才能真实反映推力器的运行情况，具有计算量更大的问题。
[0004]综上所述，现有的电推力器的仿真方法存在：离子体鞘层、准中性等离子体、羽流以及自溅仿真方法彼此割裂；电推力器自溅射实验研究计算量太大导致的所需时间长、耗资较大等问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术为了解决现有技术中存在的缺陷，从仿真方法入手，通过缩放技术来降低仿真工作量，加速仿真进程，并且在等离子体仿真过程中内嵌自溅射模块，同时得到推力器内放电等离子体特性和自溅射情况。
[0006]为解决以上问题，本专利技术的技术方案为采用一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；S6：
配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。
[0007]可选地，所述S1包括：S11：获取霍尔推力器参数，建立基于圆柱坐标系的霍尔推力器的模拟区域大小、网格大小和网格数量；S12：对所述霍尔推力器参数的物理参数进行缩放处理生成基于圆柱坐标系的推力器参数。
[0008]可选地，所述S12包括：对模拟区域做α(α＞1)倍的缩小处理，在保证等离子体动力学特性和无量纲化参数不变的条件下，基于缩小、放大、不变三种处理方式生成整体仿真变量，其中，缩放后的物理量为：磁场强度B
′
＝αB、电势气体流量m
&
’
＝m
&
、放电电流电场E
′
＝αE、粒子数密度n
′
＝αn、温度T
′
＝T、推力比冲I
′
s
＝I
s
和效率η
′
＝η进行逐个进行缩放处理。
[0009]可选地，所述S5包括：配置仿真区域内的所述粒子参数，并基于所述粒子参数中的入射粒子类型参数、入射粒子的入射位置参数、入射粒子引起的二次电子发射参数配置所述入射模块；基于所述粒子参数中的溅射类型参数、溅射维度参数、引起溅射的粒子参数、溅射的位置参数、溅射的方向参数、溅射粒子的类型参数配置所述自溅射模块；基于所述入射模块和所述自溅射模块生成所述自溅射模型。
[0010]可选地，生成所述自溅射模型包括：根据所述入射模块配置的放电等离子体中入射到器壁上的离子能量E
i
、角度θ
i
以及器壁材料的表面结合能U
b
和所述自溅射模块配置的溅射能量阈值E
d
，并基于Sigmund溅射产额公式生成所述自溅射模型：
[0011]可选地，所述S3包括：基于所述磁场导入模块并通过python语言设置所述仿真区域；对所述仿真区域进行网格划分；基于所述磁场导入模块配置的磁场数据定义至所述网格的节点；对所述仿真区域的金属体部分进行属性设置以完成所述仿真区域的配置。
[0012]可选地，所述蒙特卡洛碰撞模块包括电子与中性气体弹性碰撞类型、碰撞激发类型、碰撞电离类型；离子与中性气体碰撞类型、电荷交换碰撞类型。
[0013]本专利技术的有益效果是：
[0014]1)本专利技术通过建立霍尔推力器仿真区域，对其网格大小、网格数以及物理参数进行缩放处理，使得仿真计算量减小，仿真进程加快；
[0015]2)本专利技术在整体电磁场仿真模型中设置自溅射模型，可同时得到推力器内放电等离子体特性和自溅射情况；
[0016]3)本专利技术通过自溅射模型和溅射产额的定义得到自溅射产额的表达式，以此来评估放电等离子体工作特性和器壁自溅射情况；
[0017]4)本专利技术所提供的仿真方法，可通过自溅射粒子的数量和溅射位置，进行推力器寿命评估；还可以通过宏观放电参数的变化来研究微观放电等离子体的放电特性。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的霍尔推力器放电等离子体和自溅射的仿真计算方法的简化流程图；
[0019]图2为本专利技术的阳极层的网格划分示意图；
[0020]图3为本专利技术的放电等离子体入射离子引起器壁自溅射的简化原理图；
[0021]图4为本专利技术的入射离子与器壁材料相互作用的三种简化原理图；
[0022]图5为本专利技术的电子和离子空间的分布仿真图；
[0023]图6为本专利技术的溅射粒子的分布仿真图；
[0024]图7为本专利技术的不同径向位置的电势-轴向关系的仿真图。
具体实施方式
[0025]为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。
[0026]如图1所示，一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，其特征在于，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；S6：配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述S1包括：S11：获取霍尔推力器参数，建立基于圆柱坐标系的霍尔推力器的模拟区域大小、网格大小和网格数量；S12：对所述霍尔推力器参数的物理参数进行缩放处理生成基于圆柱坐标系的推力器参数。3.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述S12包括：对模拟区域做α倍的缩小处理，在保证等离子体动力学特性和无量纲化参数不变的条件下，基于缩小、放大、不变三种处理方式生成整体仿真变量，其中，对磁场强度B
′
＝αB、电势气体流量m
&
’
＝m
&
、放电电流电场E
′
＝αE、粒子数密度n
′
＝αn、温度T
′
＝T、推力比冲I
′
s
＝I
s
和效率η

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，许丽，唐德礼，朱剑豪，阮庆东，全刚，李建，郑才国，黄勇，张帆，李平川，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院四川三束等离子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：