نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• زهرا اسدی ¹
• محمدمهدی شفیع ²
• مرتضی فرهید ²
• معصومه کیانتاژ ²
• محمدرضا مراد ³

¹ دانشکدة فیزیک دانشگاه یزد، یزد

² پژوهشکدة رانشگرهای فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران ، تبریز

³ دانشکدة مهندسی هوا و فضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

چکیده

در این مقاله با استفاده از روش ذره در سلول (PIC) رفتار ذرات پلاسما در داخل محفظة رانشگر اثر هال شبیه‌سازی شده و بر حسب نتایج آن، پارامترهای مؤثر بر تحرک‌پذیری الکترون‌ها و انتقال غیر عادی آنها استخراج شده است. رانشگرهای اثر هال، یکی از انواع سامانه­های پیشران الکتریکی است که در سفرهای فضایی، جهت رانش ماهواره‌ها و فضاپیماها کاربرد دارند. این نوع رانشگرها از میدان مغناطیسی و الکتریکی عمود بر هم، برای محصور کردن الکترون‌ها برای ایجاد نیروی پیشران استفاده می‌کنند. حضور میدان مغناطیسی عمود بر میدان الکتریکی باعث سوق الکترون‌ها در جهت سمتی می‌شود. در حالت آرمانی انتظار می‌رود الکترون‌ها یک حرکت سمتی (حول محور رانشگر) داشته باشند و الکترون‌ها در دهنة رانشگر کاملا محصور می‌شود. اما در تجربه مشاهده می‌شود که الکترون‌ها در سایر راستاها نیز حرکت می‌کنند، که انتقال غیرعادی الکترون نامیده می‌شوند. این رفتار باعث می‌شود که الکترون‌ها به طور کامل در دهنه محصور نشوند و در نتیجه اتلاف و کاهش بازده و همچنین خوردگی دیواره مشاهده می‌شود. دو ساز و کار عمده برای ایجاد این جریان الکترونی پیشنهاد شده است که اولی مربوط به اندرکنش الکترون با دیواره و دومی مربوط به نوسانات پلاسما از جمله ناپایداری سوقE×B  است. رانشگر باید طوری طراحی شود تا شرایط بهینه برای کنترل این رفتارها فراهم شود. برای این کار، با استفاده از شبیه­سازی‌ها نشان داده شده است که مقادیر بهینه برای محصور کردن الکترون­ها، با میدان مغناطیسی بین 250 تا 300 گوس، ولتاژ مناسب برای شتاب دادن الکترون بیشتر از 300 ولت، چگالی بهینۀ پلاسما و گاز خنثی به ترتیب cm^-3 10¹¹×2 و cm^-3 10¹⁴×1 است.
 

کلیدواژه‌ها

• رانشگر اثر هال
• انتقال غیرعادی الکترون
• شبیه‌سازیPIC
• ناپایداری سوق E×B

موضوعات

• فیزیک پلاسما

عنوان مقاله [English]

Simulation of effective parameters on the anomalous electrons drifts in the ‎Hall Effect thruster by PIC method

نویسندگان [English]

• Zahra Asadi ¹
• Mohammadmehdi Shafie ²
• Morteza Farhid ²
• masumeh kiantaj ²
• Mohammad Reza Morad ³

¹ Physics Department, Yazd University, Yazd, Iran

² Space Thrusters Research Institute, Iranian Space Research Center, Tabriz, Iran

³ Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

In this paper, we used the Particle in Cell (PIC) method to study a plasma in the Hall Effect thruster in order to optimize the effective parameters on the electron mobility and anomalous electrons drift. In the Hall Effect thrusters magnetic and electrical fields which are perpendicular to each other are used to confine the plasma and create propulsive force on the satellites and spacecrafts. The presence of a magnetic field perpendicular to the electric field causes the electrons to move in an azimuthal direction and in ideal situation it is expected that there is a net electron azimuthal current but we realize in the experimental tests that the electrons have anomalous drift. This anomalous drift causes a weak confinement of elections near the outlet of the thruster and increases the losses of electrons that it is a consequence of corrosion of the wall of the thruster which is made up of the dielectric, and it decreases the efficiency. Two major mechanisms have been proposed to control this electron current, the first is involving electron-wall collisions and the second one is involving plasma oscillations such as E×B drift instability. In this paper, these two subjects are investigated and the effective parameters on electron mobility are optimized. The simulation shows that the ideal value for a magnetic field to confine electrons is about 250 to 300 Gauss, and the reasonable value for accelerating electrons is more than 300 Volts. It is also shown that the optimal density of plasma and neutral gas is 2×10¹⁷ m^-3 and 1×10²⁰ m^-3 respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

• Hall thruster
• anomalous electron transport
• PIC simulation
• E×B drift instability