Plasma plume enhancement of a dual-anode vacuum arc thruster with magnetic nozzle

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作者
Jiayun Qi,Zhongkai Zhang,Zun Zhang,Junxue Ren,Yibai Wang,Weizong Wang,Haibin Tang
出处
期刊:Plasma Sources Science and Technology [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1361-6595/ad647c
摘要

Abstract Vacuum arc thruster is a type of pulsed electric propulsion device that generates thrust based on vacuum arc discharges, it has great candidate for micro-newton force applications in orbit. To improve both the thrust and longevity of the vacuum arc thruster, a novel dual-anode structure, comprising a central anode and a ring anode, was developed. We conducted an investigation into the plasma discharge and acceleration process within the influence of a magnetic nozzle. The dual-anode architecture resulted in a reduction in the initial plasma impedance, thereby enhancing ion current and velocity. Analysis of surface parameters during discharge revealed a synergistic mechanism between the two insulator-conducting films, enabling a co-cyclic distribution of energy and resistance fluctuations within the discharge. Consequently, the dual-anode setup demonstrated a lifespan extension of at least twofold. Comparative analyses of arc energy, plasma velocity, ion current, and thrust variations with magnetic field strength were conducted between the dual-anode and single-anode configurations under magnetic nozzle influence. Results showed that the dual-anode structure increased ion current and velocity when subjected to magnetic nozzle influence, resulting in a thrust increase of up to 303%. Additionally, we developed a theoretical model for the diffusion coefficient to elucidate the adaptive splitting phenomenon of the arc within the dual-anode structure under magnetic field influence. This model suggests that the dual-anode structure can achieve a more significant enhancement in beam current from the magnetic nozzle compared to the single-anode configuration.

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