文/侦影探长

编辑/侦影探长

前言

随着航天技术的不断发展，提高航天器推进性能已成为迫切的需求。

航天器的推进系统被认为是航天任务中最重要的组成部分之一，为了实现成功的太空探索和星际旅行，需要不断提高推进系统的性能和效率。传统的推进器设计主要基于火箭燃烧或离子推进技术，这些方法存在能源消耗大、污染环境和使用有限的推进介质等问题。

霍尔效应是一种基于电磁力的现象，通过施加电磁场和电流，可以产生推力。微晶硅是一种在纳米尺度下具有高度结晶性的硅材料，被广泛应用于光电子器件和太阳能电池。

利用霍尔效应和微晶硅生长技术，可以开发一种高效、可持续的空间推进器系统，以满足未来航天任务的要求。

霍尔效应空间推进器

等离子体推进器通常用于卫星的轨道间定位，它们是常用化学推进剂的替代品。事实上，它们可以减少机载燃料的质量，可以随意打开和关闭，其功率是可变的，便于换档。

霍尔推进器的工作原理与磁控放电的工作原理接近，它是基于电子的磁约束来维持放电的。然而，这类装置的目的是产生高度电离的等离子体，并以高速喷射离子以产生推力。

影响发动机输出离子束的两个主要因素是放电电压（UD）和注入气体（在本例中为氙气）的流量（mXe）。决定产生离子量的离子流（IXe+）直接受到相应的mXe的影响。离子电流占总放电电流(ID)的95%。IXe+与流量的依赖关系由公式1表示。

公式1

q是元素电荷，MXe是氙气的摩尔质量。为了帮助表征来自等离子体推进器的离子束，测量了来自创新型小型推进器(PPI)的束流密度。

霍尔效应型PPI是一种轴对称电机，其特点是磁场是由永磁体产生的。该磁场允许电子被限制在靠近输出平面的通道中。推进剂气体从发动机后部喷射到该通道中。等离子体是由气体原子与电子碰撞产生的，形成的离子被电场加速，产生离子束。图1显示了运行中的IPP。

延迟场分析仪(RPA)用于来自PPI的光束的表征由一个极化光栅系统组成，允许根据离子的能量选择离子，在示波器上测量由离子收集引起的集电极电流IC。通过将RPA的测量值与转移能量的测量值相关联，强调离子束中其他物种的存在。

图1.运行中的IPP照片

因此，对从马达输出的束流离子传递的能量进行三组测量：

在这个测量系列中，流量计和偏振反射分析仪（RPA）被放置在离功率入射等离子体（PPI）的轴线上，距离为70厘米。测量是在电压（VD）恒定为240V和电流（ID）恒定为750mA的条件下进行的，对于4个不同的压力值，范围从2 10^(-5)到10^(-4) mbar。

磁通计位于发动机轴线的正前方70 cm处，在3个压力（2.5 10-5，4 10-5和5 10-5毫巴）下测量温度和传递的能量，ID在600至900 mA之间，同时保持VD恒定；在发动机前方35 cm处以不同角度测量能流密度，取决于发动机轴线，测量ID和VD的不同值。

图2是用于测量能量流密度的装置在发动机前方35厘米处的角度的照片。对于在70厘米处进行的测量，流量计位于同一轴上，但距离较大。

图2.用于35厘米角度测量的HFM-PPI实验装置

在3 10 5和10 4毫巴之间，磁通密度大致恒定，而在RPA处收集的电流减小。RPA只能测量负载的贡献，即中性点不参与电流的演变。

因此，IC的降低表明带电物种的密度降低。在所使用的配置中，不可能用流量计根据负载来区分物种。传递的能量变化很小，这一事实表明粒子到达基底的动能是守恒的。

这意味着用RPA检测到的带电物种密度的降低对应于离子和中性物质之间的电荷转移，导致快速中性物质的产生。

图3.在发动机运行UD=240 V和ID=750 mA时，在发动机前方70 cm处，能量流密度和收集电流随压力的变化

在三个放电电压和不同压力下测量能量流密度。在UD=240V的实验结束时重复了一些测量点（图4(a)和(b)中的框），以验证测量的重复性。

同时，记录了发动机温度(Tm)。在电机前方70 cm处测量tot和Tm值，以获得增大的放电电流。它们的演变如图4所示。当放电电流增加时，传递的能量增加，这是因为电流决定了离子的量，当它增加时，更多的离子很可能通过HFM将能量传递到衬底。

注意，无论压力如何，能流密度值大致相同。由于发动机参数是恒定的（VD=240 V和ID=750 mA），这倾向于表明，在任何压力情况下，离子都以相同的能量从发动机中喷出，压力不影响发动机的运行。

现在的重点是测量的可重复性，在图4(a)中可以看出，在实验结束时（带框的点）获得的Motot值高于在实验开始时（带框的点）获得的Motot值。

图4.能量流密度和电机温度随放电电流的变化。这些测量是在放电电压UD=240V下在不同压力下进行的

在图4(a)中可以看出，在实验结束时（带框的点）获得的Motot值高于在实验开始时（带框的点）获得的Motot值。这种增加与发动机温度的增加有关（参见图4(b)）。

在PPI的情况下，应连续测量总能流密度。这是因为不可能在短时间内打开和关闭发动机。因此，在整个测量期间（大约1小时的周期），发动机保持开启。因此，作为第一近似值，这5 mW/cm2的增加被认为是由发动机加热引起的辐射发射传递的能量。

由于电机的发射面在流量计的收集面前面非常大，所以两个面之间的形状因子非常小。这导致辐射发射的能量流密度约为10-3 mW/cm2。值=5 mW/cm2不能归因于发动机加热时的辐射发射。因此，发生与电机行为直接相关的另一种现象，这需要额外的测量。

图4.能量流密度和电机温度随放电电流的变化。这些测量是在放电电压UD=240V下在不同压力下进行的

PPI的束流具有由其设计造成的40 自然发散度，这种发散度是这类发动机的一个重要问题。事实上，它会导致推力降低，并可能导致发动机中的陶瓷部件受到侵蚀。

为了减少发散度对发动机整体性能的影响，减小发散度至关重要。为了研究这一点，进行了与第3个测量系列相对应的能量传输测量。我们对等离子体束流进行了能量分布的映射（参见图5）。预期结果是能流密度在束流中心最大，在远离中心的地方逐渐减小。

图5.35 cm处发动机输出等离子笔的能量图

为了确定特定方向上的流量或功率（以W为单位），需要对相应的环带上的能流密度进行积分。对于给定的角度，认为半径为 L2 HFMsinθ 的圆上的所有点都受到相同的能流（参见图2(b)）。该能流由公式2给出。

由于目标是减少光束的发散，在第一次近似中，可以认为在35度（P35度）时，电晕上的功率越低，电机的工作就越好。根据公式2计算的P随角度的变化如图6所示。对于所有三种发动机运行条件（扭矩UD-ID），功率增加至10度角。

公式2

然后，对于240V-750mA和260V-875mA扭矩，它下降，而对于240V-790mA扭矩，它继续上升。根据上述标准，认为这种·的降低可归因于发动机性能的改善。

放电电压和电流是不同的，此外，注入发动机的总功率分布在整个发散锥（0 -35 ）的输出端。为了确定发动机效率，必须对每个试验条件的整个圆锥（Pcone）进行功率积分。因此，效率对应于Pcone和注入Pinjectee发动机的功率之比。

图6.作为角度函数的环上综合磁通密度的演变

对于9种不同的条件，发动机效率列于表1中。可以看出，在240V-790mA扭矩下获得了最佳的电机效率，而不是在240V-750mA和260V-875mA扭矩下获得了最佳的电机效率。

虽然仍有许多趋势无法解释，但已经表明了使用像通量计这样的工具来表征离子束的价值。通过将RPA数据与转移的能量相关联，揭示了离子束中发生的电荷转移机制。此外，压力已被证明不影响发动机的固有功能。

这在RPA中是不可能的，因为测量直接受到碰撞的影响，碰撞随着压力的增加而增加。由于能量传递测量对压力的依赖性很小，因此可以追溯到发动机的性能。

表1

微晶硅生长

晶体硅具有半导体特性，是微电子工业的基础。这些物理性质由结晶度和晶粒尺寸决定。除单晶硅外，还有几种硅形式：非晶硅（a-Si：H），微晶硅（µc-Si：H）和纳米晶硅（nc-Si：H）。非晶硅a-Si：H长期以来一直被用于光伏电池的生产。

由于其更好的结晶度，硅µc-Si：H现在用于该应用，并可优化用于晶体管(TFTs)的生产。硅µc-Si：H是由高度稀释的硅烷在氢中通过等离子体分解解离得到的。工业中最常用的技术是PECVD，特别是硅烷和氢气混合物存在下的非对称RF放电。硅µc-Si：H可以使用所谓的“逐层”法合成。

它包括低功率非晶硅沉积和高功率氢等离子体暴露的连续循环，已知参与a-Si：H结晶的物种有：氢和纳米晶体聚集体。然而，定义结晶度，从而定义其物理性质的生长机制被误解了。对µc-Si的生长提出了两种模型：

表面生长：氢原子沉积在a-Si：H膜的表面上，并促进SiH3自由基的扩散，允许硅原子嵌入在优选位点上，从而改善膜的结晶度；

在几百纳米的深度上生长：氢原子扩散到膜的厚度，在它们通过时，它们扰乱两个硅原子之间的键，并可以插入其中，形成Si-H-Si键；当氢原子扩散时，硅原子之间发生重排，导致薄膜结晶。

这两个模型的共同点是氢原子在薄膜表面所起的关键作用，对a-Si薄膜暴露于氢气流前后晶体结构的分子动力学模拟表明了氢气对薄膜结晶的影响（见图7）。

图7.暴露于氢气(a)和(b)之前a-Si晶体结构的模拟，以及结晶硅结构的模拟

有研究表明，最有可能的生长模式是被称为化学环化(CA)或化学退火的深度生长。

反应器由两个平行电极组成，直径分别为10厘米和3厘米（参见图8）。较小的电极通过匹配盒与射频发生器（13.56 MHz）相连。较大的电极与地接通。

为了通过流量计并测量在微晶硅生长条件下传递的能量，对较大的电极进行了穿孔处理。与之前描述的其他放电类型一样，测量是在低压条件下进行的。通过主泵和辅助泵系统，可以达到最高10^(-4)帕的真空度。

在粉末等离子体的情况下（SiH4/H2等离子体的情况），形成的粉末能够将能量传递给粘在HFM上的铜芯，因此必须在能量平衡中考虑它们。粉末的形成始于硅原子的聚集，形成直径为2-10纳米的聚集体，并参与多晶硅的生长。

图8.LPICM反应堆示意图

这个阶段被称为成核阶段，当达到临界颗粒密度（1010-1011厘米-3）时，颗粒大小迅速增加，达到50-200纳米。

在这个过程中，聚集阶段可以继续进行。在这种情况下，颗粒会带电，而硅氢基自由基SiHx可以附着在这些粉末上。在LPICM的密封腔内，形成粉末的最低压力和功率分别为133.3帕和20瓦。

在133.3帕的压力下，不同射频功率下的能流密度随时间变化的示意图如图9(a)所示，而在266.6帕的压力下见图9(b)。在10瓦的功率下，观察到一个明确的周期性能流密度的变化。在更高的射频功率下，能流密度在等离子体点火时会出现峰值，然后下降到一个平衡值。

当再次将功率降低到10瓦时，周期性变化再次变得明确，并且测量到的能流密度与实验开始时相同。将压力增加到266.6帕时，无论射频功率如何，都会观察到在等离子体点火时能流密度的峰值。

图9.使用流量计获取的典型信号：能量流密度随时间变化。每个时间段对应一种射频功率。

从133.3帕和20瓦开始，达到了形成粉末的实验极限条件。硅烷等离子体中的粉末形成主要取决于压力和射频功率。此外，已经证明大部分纳米颗粒带有正电荷，它们可能被吸引到包围HFM的接地电极上。

因此，这些不同形状的峰值，其形态取决于压力和射频功率，可以归因于在等离子体中形成的聚集体对衬底的影响，在峰值之后能量传输的稳定表明了纳米颗粒聚集的阶段。

如图9(a)所示，可以发现粉末对衬底的冲击所传递的能量是相当可观的，可以达到等离子体传递能量的50%（133.3帕 / 40瓦）。这些峰值在266.6帕下很难观察到（参见图9(b)）。在高压下，聚集阶段非常快速，这可能解释了为什么没有峰值的存在。

图9.使用流量计获取的典型信号：能量流密度随时间变化。每个时间段对应一种射频功率。

在相同功率的氩和氢气等离子体中测量能量流密度，压力范围为90.6至400Pa。图10只显示了266.6 Pa的测量结果，其他压力的趋势是相同的。

初步观测表明，氢等离子体传递的能量大于氩等离子体传递的能量。当硅烷加入到氢气中时，转移到基底上的能量增加了2到3倍。这种明显的增加归因于氢原子与表面硅的放热反应，并将使前面描述的化学消减机制成为可能。

图10.不同气体混合物在266.6 Pa时作为射频功率函数的能流密度

这些测量结果揭示了在反应性气氛中连续运行数小时后流量计出现了损坏问题，然而，它们清楚地展示了在PECVD过程中使用这种诊断工具的优势。由于传感器的良好灵敏度，我们能够检测到与腔体压力和射频功率有关的现象，可能归因于等离子体中的粉末形成。

比较在表面无化学反应条件下（存在氩气和二氢气）和在有利于化学退火的条件下（存在硅烷和二氢气）进行的能流密度测量，揭示了一种表面化学反应“化学退火”。

结语

霍尔效应在空间推进器中具有潜在的应用价值，通过合理施加电磁场和电流，可以实现高效的推力产生，从而改善传统推进技术面临的能源消耗和推进介质限制等问题。

微晶硅作为推进器内部介质，具有优异的电学和光学性能，通过控制其生长过程，可以进一步提高推进器的性能和效率。

经过一系列性能评估，得到一种高效、可持续的空间推进器系统。该系统不仅具有优异的推力性能，而且能够适应长时间航天任务的需求，以此种方式制作出来的空间推进器系统在未来航天探索中具有重要的应用前景。