不同磁路电子回旋共振离子源引出实验

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点.本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场,有效减小了体积,该离子源利用微波在磁场中加热电子,电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体.磁场在微波加热电子的过程中起关键作用,同时影响离子源内等离子体的约束和输运.通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响.实验发现:在使用氩气的条件下,特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流,最高推进剂利用率达60％,最小放电损耗为120 W·A-1;所有离子源均存在多个工作状态,工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变.离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关.通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异,归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律,分析了其中的机理.实验结果表明:保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时,增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离,离子源能引出更大的离子电流;减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量,提高气体利用率,但会导致放电损耗增大.研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识,为其设计和性能优化提供参考.