光学加工射频离子源的去除函数与稳定性研究

在研究了射频离子源的结构、工作原理和性能的基础上,进行了光学镜面抛光离子束的去除效率与稳定性测试。实验结果表明射频离子源去除函数的形状为回转高斯形,利用Φ15mm的栅网,在靶距为30mm、离子能量900eV时,去除函数的峰值去除率为194nm/min,体积去除率为19.2×10-3mm3/min,半峰全宽值为9.2mm;并且去除函数的峰值去除率与体积去除率的变化均在3%以内,半峰全宽值的变化在1.7%以内。因此,射频离子源具有光学镜面抛光加工所需的去除效率,而且射频离子源具有好的稳定性,具备光学加工的潜能。     

小型感性耦合射频等离子体中和器的实验研究

为了研究适用于百瓦级电推力器的离子束流中和技术,基于电子鞘层模型、射频等离子体最优放电技术和通过插入探针实现快速点火的方法,设计了一套小型感性耦合射频等离子体中和器(RF plasma neutralizer,RPN)。实验研究了RPN中和器的稳定工作条件和电子引出特性,实现了RPN中和器稳定工作和电子有效引出。实验结果表明:电子引出特性主要取决于发射孔附近阳极斑的形成与否,而阳极斑的形成又主要受结构设计、工质流量和偏置电压等运行条件的影响;通过对RPN运行条件的优化试验,获得了55~150m A可调电子束流范围和较高的工质利用系数(3.9~10.5),满足离子束流中和需求;另外,实验中还观察到了电子束流随工质流量或偏置电压的迟滞现象。     

连续相位板的磁流变加工技术研究

采用频谱分析法,对磁流变去除函数的修形能力进行了分析研究,以此确定加工特定频谱范围的面形所需的去除函数尺寸。成功的加工了100×100mm的连续相位板,在6小时内将其误差面形RMS值加工到52nm。     

蓝宝石基片干式化学机械抛光的研究

针对蓝宝石传统湿式游离磨粒抛光材料去除率低的问题,本文提出了基于蓝宝石与SiO2磨料固相反应的干式化学机械抛光。通过实验分析了蓝宝石干式抛光工艺参数对抛光结果的影响。在此基础上,采用较优加工参数对蓝宝石基片工件进行了抛光实验。结果表明,采用聚氨酯抛光垫、粒径为200nmSiO2磨料,转速50r/min和压力33.2kPa时,粗抛光后的蓝宝石基片Ra为6.0nm,去除速度为5.3mg/h,是相同条件下湿式抛光去除速度(2.4mg/h)的2倍以上。     

轮带光学抛光技术与实验研究

针对自由曲面、保形光学零件的抛光需求,研制了轮带光学抛光的工程样机.从理论上分析了轮带抛光的去除函数模型并在实验中提取了轮带抛光的去除函数.通过在K9玻璃和SiC平片上进行环带扫描抛光,检测轮带抛光技术抛光光学材料的加工效果.实验结果表明,轮带抛光具有材料去除效率高,能达到光学表面质量效果且工件无需预抛等特点.     

复杂曲面铝反射镜磁流变抛光工艺优化

采用超精密车削加工的复杂曲面铝反射镜只能满足红外光学系统的应用需求,若要满足更高需求的应用场合,需要进一步提升反射镜面形精度。磁流变抛光能够进行确定性修形,在复杂曲面加工中具有独特优势,但是复杂曲面连续变化的面形特征,在磁流变抛光时会导致去除函数不稳定,影响误差收敛效率和加工精度。从高精度复杂曲面铝反射镜的应用需求出发,提出了复杂曲面局部区域磁流变抛光去除函数的动态建模方法,给出了驻留时间求解算法,以平均曲率变化最小为原则,设计了抛光路径优化算法,针对该算法计算速度慢的问题,提出了优化策略,并通过试验进行了验证,最终加工的复杂曲面铝反射镜的面形误差为0.216λ PV、0.033λ RMS （λ=632.8 nm）。     

气氛对紫外激光非晶合金盲孔加工性的影响研究

为了获得不同气氛对紫外激光加工非晶合金盲孔的质量和效率的影响,采用波长355nm的纳秒激光对Zr–Cu非晶合金进行同心圆式旋切法盲孔加工试验,利用光学显微镜、扫描电镜、激光共聚焦显微镜等仪器对盲孔的显微形貌、粗糙度和加工效率进行了测试。结果表明,气氛的压力和种类影响着盲孔的底面形貌、加工质量和效率。气氛压力越小,盲孔底面粗糙度越低,材料的去除效率越高;相对于氮气、空气中的加工,氧气中表面粗糙度最小,且材料去除率最高。另外,加工表面未出现晶化现象,说明在一定激光参数下紫外纳秒激光可以实现非晶态合金的无晶化加工。     

钼钛锆高温合金的电火花加工工艺研究

针对钼钛锆这一耐高温材料在航天动力系统中的特殊加工需求,开展了电火花加工钼钛锆合金的工艺特性研究.采用DOE的方法,设计了25-1析因试验对放电参数进行筛选,得到对加工效果有显著影响的3个参数;在此基础上设计了响应曲面试验,探讨了包括脉宽、占空比和峰值电流等放电参数对材料去除率和电极相对损耗率的影响,并且拟合得到了材料去除率和相对电极损耗率的推荐公式和响应曲面图.通过分析试验结果表明:(1)材料去除率受峰值电流变化的影响最明显,并且脉宽与占空比呈现一定的交互关系;(2)电极相对损耗率受峰值电流变化影响不明显,受脉宽和占空比变化影响大,而且两者呈现一定的交互关系.     

电感耦合大气等离子体加工熔石英的研究

采用电感耦合原理,在大气压条件下激发气体产生等离子体,通过等离子体中的活性粒子与材料表面原子发生化学反应,生成易挥发的气体,实现熔石英的稳定去除。大气等离子体抛光熔石英的去除函数为高斯型,在一定参数下,去除函数的形状与等离子体炬到工件表面的靶距有关,靶距越近,等离子体中的活性粒子数越多,材料去除率越高,反应在加工轨迹上就是去除深度越大,半峰全值越大。     

聚焦离子光学系统设计及性能测试研究

研究了聚焦离子光学系统设计的基本原理和方法,并在自研的离子光学系统上通过实验验证了设计的可行性。在一块直径为100mm的微晶玻璃上进行了去除函数的性能测试实验。在屏栅电压900eV,屏栅电流25mA,5mm光阑,20mm靶距的条件下获得了3.78mm宽度(FWHM),226nm/min去除量的高斯型去除函数。     

Investigation of a plasma delivery system for optical figuring process

Plasma figuring process enables the correction of metre-scale optical surfaces, which has advantages such as rapid convergence to ultra-precision accuracy level, no subsurface damage, ease of upscale thanks to the conditions of operation at atmospheric. Such attributes make plasma figuring a highly competitive technology. To maintain a stable discharge of plasma for long period, a robust Plasma Delivery System (PDS) is required for large optics manufacturing. A dedicated PDS, mainly based on an L-type radio frequency (RF) network and an inductively coupled plasma (ICP) torch, had been previously proposed and designed. This study addresses the requirement for improving the robustness and securing the performance of the plasma etching. Due to the complexity of interactions of PDS parameters, single variable optimization is conducted for adjusting the impedance of the plasma torch. The PDS optimization is analysed based on ignition power demand, test repeatability and reflected power values. The results show that reflected power values are controllable within 10 W, when the RF power is supplied from 200 W up to 800 W. Finally, plasma processing is carried out on fused silica glass, using the optimum parameters of the PDS.     

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。     

射频电子源数值仿真及实验研究

射频电子源以其结构简单、不易受污染、寿命长、瞬时启动等优点,可以作为离子和霍尔电推进的中和器,显著提升其寿命和性能。为了研究射频电子源的优化设计方法,基于放电室等离子体整体模型和非双极流动模型开展了射频电子源性能的仿真评估,并对研制的1A级电子源样机开展了实验测试。研究结果显示:仿真与实验结果一致性较好,引出电子电流与收集电压、小孔直径、工质流率、射频功率相关,各参数相互耦合且存在最优组合,样机额定工作点下,电子源放电损耗为99W/A,工质利用率系数为11。     

改善离子推力器束流均匀性的方法

离子推力器的束流分布,直接影响离子推力器离子光学系统（亦称栅极组件）的性能和寿命。通过对离子推力器离子光学系统的改进和放电室磁场的优化,使束流均匀性系数R值达到0.7左右。离子推力器束流分布均匀性的有效提高,有助于改善离子光学系统的受热分布,降低离子光学系统的温度,并能减小其温度差,使离子光学系统的热应力和热变形降低,进而延长离子推力器的寿命。     

离子束加工中工件吸收热功率分析与建模研究

利用束流修正理论和蒙特卡罗模拟法对离子束加工中某一工艺参数下工件吸收的功率进行理论建模,然后采用测温实验对理论模型进行验证.设计实验时,利用有限元仿真确定了一种合理的轰击靶材铜,简化了实验并且方便了计算.     

Ion engine grids: Function,main parameters,issues, configurations,geometries, materials and fabrication methods

Ion optics are crucial components of ion thrusters and the study of the different ion extraction solutions used since the beginning of the electric propulsion era is essential to understand the evolution of ion engines. This work describes ion engine grids' main functions, parameters and issues related to thermal expansion and sputter erosion, and then introduces a review of ion optics used for significant launched and tested ion thrusters since 1970. Configurations, geometries, materials and fabrication methods are analyzed to understand when typical ion thrusters use two or three grids, what are the thicknesses and aperture sizes of the screen, accelerator and decelerator grids, why molybdenum and carbon-based materials such as pyrolytic graphite and carbon–carbon are the best available options for ion optics and what is the manufacturing method for each material.     

离子推力器多模式化研究

为了实现离子推力器多模式化,分析了离子推力器功率宽范围调节限制因素,提出了两种宽范围调节策略;针对我国小行星探测任务,完成了30cm多模式离子推力器研制、功率宽范围调节限制条件确定、以及两种调节策略下多模式工作点设计及对比研究。结果显示,通过降低放电室磁场强度可延伸离子推力器最小稳定工作功率,提高束流均匀性,实现离子推力器更宽功率范围多工作点设计;功率宽范围调节主要是屏栅电压和束电流的宽范围调节,二者通过栅极导流系数限制和交叉限制而约束;推力随功率增加呈线性增加关系,比冲随功率的增加总体上呈先快速增加后趋于稳定的趋势;30cm多模式离子推力器在0.25kW～5kW内稳定工作,推力10mN～186mN,比冲1522s～3586s。     

离子发动机栅极系统电子回流数值模拟

以离子发动机栅极系统为研究对象,基于网格质点法(PIC),建立了二维数值计算模型.利用模型能够较好地模拟离子在栅极系统中的运动,得到栅极系统周围的电势分布以及离子和电子的密度分布等.进一步的计算结果表明,在几何参数一定的条件下,加速栅极电压以及加速栅极孔径对加速栅极下游的电子密度分布有重要的影响.选取合适的加速栅极电压和孔半径,可以阻止电子回流的产生,使离子发动机获得较佳的性能.      

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性，建立了射频离子推力器整体热模型，基于二维流体模型，对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真，获得了电子温度、电势分布等关键参数；以等离子体仿真结果和实测束电流为输入，获得了各热源的热通量；通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布，与实验结果进行了对比分析。研究结果显示：放电室内电子温度约为3.6eV~3.9eV，等离子体电势最高20V，发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗，温度仿真与实测结果一致性良好，最大误差7%，仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。