對離子推力器來說，加速柵的作用是提供一個負的電勢壁壘，阻止下游的電子反流到放電室內部。反流電子流不僅會導致推力器能量損失，嚴重的甚至會導致推力器無法工作。電子反流閾值是由加速柵孔內的鞍點電勢所決定的，而決定鞍點電勢的因素有屏柵和加速柵的電勢，屏柵和加速柵的幾何結構，子離子束流的大小。推導了鞍點電熱公式，采用監(jiān)測屏柵電流的變化的方法，測量出反流閾值，并與理論計算值相比較。

1、引言

　　離子電推進系統(tǒng)是一個先進的空間電推進系統(tǒng)，它具有高比沖，高效率，推力小的特點。在推力器運行的時候，為了維持航天器的電中性，離子推力器在運行時，中和器會發(fā)射和柵極引出束流離子相反的電子流，將束流離子中和。加速柵的負電壓的作用是阻止電子反流到放電室內部。加速柵外面的電子符合麥克斯韋分布，如果加速柵電壓不夠，某些速度非常高的電子就能穿過加速柵，進入到放電室內部，形成電子反流現(xiàn)象。電子反流現(xiàn)象發(fā)生后，由于電子流不會貢獻推力，會造成不必要的功率損耗，引起離子推力器性能下降，壽命降低，而且電子轟擊到放電室內部產生的能量沉積會造成放電室局部溫度過高，損害放電室組件。當電子反流嚴重時，甚至會導致離子推力器無法正常而壽命結。

2、理論預測

　　2.1、加速柵孔電勢

　　在離子推力器中，屏柵和加速柵上面有很多對齊的小孔，用來引出束流。而從每一對小孔中引出的束流，稱之為子離子束流。所有的子離子束流結合在一起，就形成整個離子束流。離子推力器的加速柵下游等離子體是由帶正電的束流離子，尚未被電離的中性粒子，和由中和器發(fā)射出的帶負電的電子所組成的。對于帶負電的電子來說，電勢為負的加速柵，就是一個負的電勢壁壘，只有具有一定能量的電子才能穿過這個電勢壁壘。加速柵外面的電子，符合麥克斯韋分布，處于分布曲線尾部的高能電子就有可能穿過加速柵電勢壁壘。所以加速柵負的電勢越高，能穿過這個壁壘的電子就越少，電子反流就越小。但是加速柵電勢太高，又會導致其它的負面影響( 比如說，電荷交換離子對加速柵的腐蝕作用) 。所以要在加速柵上設置一個合適的電勢，使得反流的電子足夠小。在加速柵附近的空間電勢分布如圖1 所示：

圖1 加速柵附近電勢分布

　　其中虛線為子離子束流軸線上的電勢分布; 實線為兩個子離子束流之間，即柵邊界上的電勢分布。子離子束流軸線上的電勢最低點比加速柵上的電勢要高，稱這個電勢最低點為“鞍點”。產生這個電勢差的主要原因是束流內部的正空間電荷。這個鞍點電勢即為電子反流到放電室內部所需要克服的電勢壁壘。進一步的研究表明，鞍點電勢和三個因素有關:

　　(1) 柵極間的靜態(tài)電勢分布

　　(2) 屏柵與加速柵之間的幾何結構( 包括柵間距，柵孔徑，加速柵腐蝕程度[5]等)

　　(3) 加速柵孔內部的子離子束流空間電荷分布。

試驗結果分析

　　從上面的試驗結果可以看出，當加速柵電壓降低到-175 V 時，就可以開始出現(xiàn)電子反流。隨著加速柵電壓的繼續(xù)下降，反流電流迅速增大。在-172 V 附近，達到我們設定的反流閾值：febs = 1% 。將試驗和理論計算的結果相對比，發(fā)現(xiàn)反流閾值函數(shù)的理論曲線和試驗曲線形狀上是一樣的，都是隨著加速柵電壓的減小而迅速增大。然而試驗測量得到的閾值比理論計算出的閾值大18.6%。分析原因，主要為理論推導過程中的假設和近似處理。

　　(1) 在推導(5)式的時候，假設ne = ni，但是在加速柵出口平面附近，離子密度比電子密度大得多。這大量的離子，在加速柵出口平面附近形成一個正離子鞘層，使得鞍點電勢偏高。

　　(2) 考慮加速柵孔內，空間電荷的影響的時候，假設子離子束流內部的空間電荷是均勻分布的，然而屏柵和加速柵對離子的聚焦作用，使得在加速柵孔內，軸線附近的電荷密度最大，越靠近加速柵邊界，電荷密度越小。在加速柵內部，空間電荷的這種分布，使得鞍點電勢比理論值要偏高。

4、結論

　　在考慮柵極間的靜態(tài)電勢分布，柵極的幾何結構，以及加速柵孔內的空間電荷分布的情況下，推導了一種鞍點電勢的表達式，并且針對具體的推力器進行了試驗驗證。通過理論計算的到的反流函數(shù)與加速柵電壓的圖形，與試驗測量數(shù)據(jù)擬合出的圖形相一致，驗證了理論計算結的正確性。同時通過分析理論與試驗所得具體數(shù)值的差異，得出了理論推導過程中近似處理所產生的誤差。