تخمین شکل و موقعیت پوستة پلاسما در سیستم شتاب‌دهندةتراستر یونی الکترواستاتیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری هوافضا / پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری

2 عضو هیات علمی / پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری

3 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشکدة فنی و مهندسی، دانشگاه تهران

چکیده

پوستة پلاسما به‌عنوان مرز ورود یون‌ها به درون سیستم شتاب‌دهنده، اثر مستقیم بر خصوصیات پرتو یون، عملکرد و طول عمر تراستر یونی دارد. به‌طور معمول در مدلسازی عددی سیستم شتاب‌دهنده تراسترهای یونی الکترواستاتیکی، اثر الکترون‌ها بر خواص پلاسمای بالادست سیستم شتاب‌دهنده و شکل پوسته پلاسما، با در نظر گرفتن الکترون‌ها به‌صورت سیال (روش پواسون - بولتزمن) یا مدل‌کردن ذرات الکترون، شبیه‌سازی می‌شود. اما در مطالعة حاضر، با بهره‌گیری از روش ذرة درون سلول و بدون انجام محاسبات مربوط به الکترون‌ها، پوستة پلاسما تخمین زده شده است. شکل و موقعیت پوستة پلاسمای حاصل توافق خوبی با نتایج تجربی دارد و در مقایسه با مدل‌های عددی، که الکترون‌ها را نیز شبیه‌سازی کرده بودند، از دقت بالاتری برخوردار است. نتیجة محاسبات نشان می‌دهد که عدم انطباق بین پوستة پلاسمای محاسبه‌شده توسط روش پواسون - بولتزمن و نتایج تجربی، در یک جریان پرتو مشخص، به واگرایی پرتو یون به میزان 3/2 یا 18/28 درصد در مقایسه با روش اعمال مستقیم اثر الکترون می‌انجامد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Electrostatic ion thruster accelerator system, shape and position of plasma sheath prediction

نویسندگان [English]

  • Milad Yadollahi 1
  • Arash Shams Taleghani 2
  • Vahid Esfahanian 3
1 PhD Student / Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology
2 Asistant Professor / Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology
3 Professor / School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran
چکیده [English]

Plasma sheath, as ion injection boundary of accelerator system, has direct effect on ion beam characteristics and consequently on ion thruster performance and lifetime. In most of numerical simulations of accelerator system of electrostatic ion thrusters, the effects of electrons on upstream plasma and plasma sheath's shape are simulated by treating them as fluid (Poisson-Boltzmann method) or charged particles. But in this study, plasma sheath are predicted using particle-in-cell (PIC) method and without any calculation for electrons. Predicted plasma sheath shows good agreement with experimental result and is more accurate; in comparison with numerical models that simulates electrons. Calculation results shows that, for specific beam current, nonconformity between test results and plasma sheath that predicted by Poisson-Boltzmann method, leads to ion beam diverges 3.2 degrees or 18.28 % , in comparison with the method that directly applied electron effect.

کلیدواژه‌ها [English]

  • electrostatic ion thruster
  • accelerator system
  • numerical simulation
  • particle-in-cell method
  • plasma sheath

[1] Y. Nakayama, P. J. Wilbur, Numerical simulation of ion beam optics for multiple-grid systems, Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No. 4, pp. 607-613, 2003.

[2] M. Nakano, Three-dimensional simulations of grid erosion in ion engines, Vacuum, Vol. 83, No. 1, pp. 82-85, 2008.

[3] M. Coletti, S. Gabriel, The applicability of dual stage ion optics to ion engines for high power missions, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 40, No. 4, pp. 1053-1063, 2012.

[4] R. E. Wirz, J. R. Anderson, I. Katz, Time-dependent erosion of ion optics, Journal of Propulsion and Power, Vol. 27, No. 1, pp. 211-217, 2011.

[5] H. Watanabe, M. Nakano, Y. Kajimura, I. Funaki, R. Takaki, Numerical life qualification of ion thruster’s ion optics using the JIEDI tool, 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, San Jose, USA, July 14-17, 2013.

[6] C. C. Farnell, J. D. Williams, Genetic algorithm for ion thruster grid design, 16th IEEE International Pulsed Power Conference, New Orleans, USA, November 17-19, 2007.

[7] C. C. Farnell, J. D. Williams, Ion thruster grid design using an evolutionary algorithm, Journal of Propulsion and Power, Vol. 26, No. 1, pp. 125–129, 2010.

[8] J. X. Li, Z. H. Wang, Y. B. Zhang, H. M. Fu, C. R. Liu, S. Krishnaswamy, Remaining useful life prediction and reliability analysis for an individual ion thruster, Journal of Propulsion and Power, Vol. 32, No. 4, pp. 948–957, 2016.

[9] M. Dobkevicius, D. Feili, Multiphysics model for radio-frequency gridded ion thruster performance, Journal of Propulsion and Power, pp. 1–15, 2017.

[10] A. Yamaguchi, A. Kibe, N. Yamamoto, T. Morita, H. Nakashima, M. Nakano, Erosion rate measurement in ion thrusters using Cavity Ring-Down Spectroscopy technique, Journal of Instrumentation, Vol. 11, No. 1, pp. 1-7, 2016.

[11] A. Shagayda, S. Madeev, Performance limits of ion extraction systems with non-circular apertures, Review of Scientific Instruments, Vol. 87, No. 4, pp. 43301, 2016.

[12] G. Aston, H. R. Kaufman, Ion beam divergence characteristics of three-grid accelerator systems, AIAA Journal, Vol. 17, No. 1, pp. 64–70, 1979.

[13] A. Sengupta, J. A. Anderson, C. Garner, J. R. Brophy, K. De Groh, B. Banks, T. A. Karniotis, Deep space 1 flight spare ion thruster 30,000-hour life test, Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, No. 1, pp. 105–117, 2009.

[14] G. Aston, P. J. Wilbur, Ion extraction from a plasma, Journal of Applied Physics, Vol. 52, No. 4, pp. 2614-2626, 1981.

[15] Y. Okawa, H. Takegahara, Particle simulation on ion beam extraction phenomena in an ion thruster, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, October 17-21, 1999.

[16] C. C. Farnell, Performance and lifetime simulation of ion thruster optics, PhD Thesis, Colorado State University, Fort Collins, 2007.

[17] L. Zhong, Y. Liu, Z. Wen, J. Ren, Numerical simulation of ion extraction through ion thruster optics, Plasma Science and Technology, Vol. 12, No. 1, pp. 103-108, 2010.

[18] A. Shagayda, V. Nikitin, D. Tomilin, Three-dimensional analysis of ion optics with misalignments of apertures, Vacuum, Vol. 123, pp. 140–150, 2016.

[19] Y. Nakayama, P. Wilbur, Numerical simulation of high specific impulse ion thruster optics, 27th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, USA, October 15-19, 2001.