[论文解读] Axial momentum gains of ions and electrons in magnetic nozzle acceleration

Kazuma Emoto, Kazunori Takahashi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Plasma Diagnostics and Applications参考文献 39被引用 10

一句话总结

本研究通过全粒子动力学PIC-MCC模拟表明，在磁喷管射频等离子体推进器中，电子主要通过抗磁漂移电流产生的洛伦兹力获得显著的净轴向动量，而非静电作用力。随着磁场强度增加，电子的轴向动量获得量超过离子，从而通过径向到轴向的动量转换实现高效推力生成，提升喷出速度和整体推力。

ABSTRACT

The fully kinetic simulations of magnetic nozzle acceleration are conducted to investigate the axial momentum gains of ions and electrons with the electrostatic and Lorentz forces. Axial momentum gains per ion and electron are directly calculated from the kinetics of charged particles, indicating that electrons in the magnetic nozzle obtain the net axial momentum by the Lorentz force even though they are decelerated by the electrostatic force. Whereas ions are also accelerated by the electrostatic force, the axial momentum gain of electrons increases significantly with increasing the magnetic field strength and becomes dominant in the magnetic nozzle. In addition, it is clearly shown that the axial momentum gain of electrons is due to the electron momentum conversion from the radial to axial direction, resulting in the significant increase in the thrust and the exhaust velocity.

研究动机与目标

• 研究磁喷管等离子体推进器中轴向动量获得的来源，特别是洛伦兹力与静电作用力的作用。
• 解决电极式磁喷管系统中离子与电子何者主导轴向动量获得的未解之谜。
• 阐明电子动量如何通过洛伦兹力实现从径向到轴向的转换机制。
• 量化高场磁喷管中电子动量获得对整体推力与喷出速度的贡献。
• 解释等离子体电势如何调节以防止电子损失，同时增强离子加速。

提出的方法

• 采用二维对称粒子-网格法与蒙特卡罗碰撞模型（PIC-MCC）模拟离子与电子动力学。
• 模拟具有射频天线、介质层及螺线管产生静磁场的双向磁喷管射频等离子体推进器。
• 利用洛伦兹力公式 𝒇e = −𝑒𝑛e𝑬 + 𝒋e × 𝑩，独立计算静电与洛伦兹力。
• 通过粒子速度随时间的变化，直接计算单位时间内离子与电子的轴向动量获得量。
• 使用具有狄利克雷边界条件（𝜙 = 0 在 x=2.5 cm, y=0.56 cm）的泊松方程求解静电势。
• 在区域 1.5 cm < x < 2.3 cm 与 −0.35 cm < y < 0.35 cm 内积分动量获得量，以排除鞘层效应，并计算净推力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁喷管加速过程中，离子与电子对轴向动量获得的相对贡献如何？
• RQ2 抗磁漂移电流产生的洛伦兹力如何影响电子在轴向的动量？
• RQ3 电子动量如何通过磁喷管中的洛伦兹力实现从径向到轴向的转移？
• RQ4 增加磁场强度如何影响电子与离子动量获得的主导性？
• RQ5 由于电子损失，等离子体电势上升程度如何？这对离子加速有何影响？

主要发现

• 即使在静电作用力使其减速的情况下，电子仍可通过洛伦兹力获得显著的净轴向动量，尤其在高磁场强度下表现明显。
• 当螺线管电流为 2.0 kA·turn 时，电子轴向动量获得量达 47.1 μN/m，超过离子的 34.6 μN/m，成为主导动量来源。
• 由于抗磁漂移电流产生的洛伦兹力增强，电子的轴向动量获得量随磁场强度显著增加。
• 单位粒子在x方向的净轴向动量获得量，源于洛伦兹力将电子在y方向的动量转换至x方向。
• 等离子体电势随螺线管电流增加（例如从0增至2.0 kA·turn），防止电子损失并进一步加速离子，从而提升喷出速度。
• 在 2.0 kA·turn 时，总净轴向动量获得量达 81.7 μN/m，表明电子驱动的动量转换显著增强了推力。