CN104202894B - 一种用于离子推力器测量的法拉第探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于离子推力器测量的法拉第探针，使用接触式测量方法对离子推力器羽流等离子体进行测量。包括：钨表面、收集器、保护环、内外陶瓷垫片；具体连接关系为：保护环的内部安有收集器以及钨表面，钨表面与收集器过盈配合套接；内外陶瓷垫片固定卡在收集器和保护环之间；使得保护环与收集器及钨表面之间产生间隙；通过螺母固定外陶瓷垫片产生轴向的拉紧力，固定了整个法拉第探针。保护环加‑30V偏置电压阻挡非轴向离子，收集器加‑30V偏置电压采集离子电流，通过采集到的离子电流，经过分析计算得出离子推力器羽流的电流密度和离子数浓度。

Description

一种用于离子推力器测量的法拉第探针

技术领域

本发明属于电推进等离子体测量领域，涉及一种用于离子推力器测量的法拉第探针。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

离子推进器，又称离子发动机，其原理是先将气体电离，将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流，然后用电场力将带电的离子加速后喷出，以其反作用力推动火箭。

离子推力器为静电式电推力器的一种，目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进系统。

对离子推力器的羽流等离子体进行相关参数的测量对于提高优化发动机设计、提高发动机性能具有重要意义。法拉第探针是测量等离子体电流密度和离子数密度的基本测试手段之一，属于接触式测量方法，拥有测量原理简单，引起误差因素少，可使用探针阵列系统进行测量等优点，目前还没有专门针对离子推力器羽流的电子温度和离子数密度设计的法拉第探针。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于设计一种使用接触式测量方法对离子推力器束流等离子体进行测量的法拉第探针，测量离子推力器羽流的电流密度和离子数密度。

法拉第探针整体为圆柱形结构，置于离子推力器羽流中用于收集离子；安装在探针架上，与采样电阻和偏置电源形成电路回路；

所述的法拉第探针包括：钨表面、收集器、保护环、内陶瓷垫片、外陶瓷垫片和M2螺母；具体连接关系为：保护环位于法拉第探针最外环，设有凸台，便于安装在探针架上；保护环的内部安有收集器以及钨表面，钨表面安装在收集器的头部凸台上，钨表面的沉孔与收集器头部凸台过盈配合套接；收集器头部下方连接杆部，通过内陶瓷垫片卡在收集器头部凸台和保护环凸台之间，固定了保护环和收集器；使得保护环与收集器及钨表面之间产生间隙；用于保护环在电压作用下排斥羽流中的电子和吸收非轴向的羽流中的离子，从而使得钨表面收集羽流中的离子，形成离子电流；

收集器杆部下方穿过保护环尾部，通过外陶瓷垫片卡与收集器杆部与保护环之间；起到了定位和确保收集器与保护环绝缘的作用；通过M2螺母固定外陶瓷垫片，拧紧螺母，收集器与螺母之间产生轴向的拉紧力，固定了整个法拉第探针。

保护环与收集器及钨表面之间产生间隙的计算如下：

针对离子推力器的羽流特性，典型的离子推力器羽流等离子体环境中电子密度n_e为：n_e＝10¹⁵m³；电子温度T_e范围为：T_e＝1eV-5eV，

德拜长度计算公式：

${\mathrm{\λ}}_D=7.4\×{10}^3\sqrt{\frac{T_e}{n_e}}$

所以收集器和保护环之间的间隙l：

l＝nλ_D

其中，n为等离子体鞘层厚度中德拜长度的个数。

所述法拉第探针安装在探针架上，具体安装如下：法拉第探针与探针架垂直安装；前陶瓷绝缘子与后陶瓷绝缘垫片分别位于探针架的两侧固定，并将前陶瓷绝缘子卡在保护环的凸台与探针架之间；将后陶瓷绝缘垫片卡在M8螺母与探针架之间，将法拉第探针1固定于探针架上。

本发明提供的用于离子推力器羽流测量的法拉第探针的测试电路包括法拉第探针，采样电阻、偏置电源和数据采集仪；

法拉第探针通过连接偏置电源，同时串联采样电阻形成回路；偏置电源提供-30V的偏置电压，同时负极接地；

具体是：收集器前端装配的钨表面排斥电子收集离子，在收集器和采样电阻到负极接地的回路中形成离子电流，并在采样电阻两端产生电压；在采样电阻两端并联数据采集仪，用来采集采样电阻两端的电压值。

一种用于离子推力器测量的法拉第探针的工作方法为：

1)离子推力器喷射等离子体，形成羽流；

2)偏置电源提供-30V的偏置电压；从而使得钨表面和保护环在电压作用下排斥羽流中的电子；

3)钨表面采集羽流中的离子，形成离子电流；

4)保护环屏蔽非轴向的羽流中的离子，使钨表面收集面积为表面圆面；

5)钨表面采集的离子电流大小经过采样电阻后，在采样电阻两端形成电压，数据采集仪采集采样电阻的电压值。

6)计算电压值除去采样电阻的阻值得到钨表面采集的离子电流大小；

7)通过离子电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度。

离子推力器羽流的电流密度j：

$j=\frac{V}{{\mathrm{RA}}_p}$

其中V是采样电阻两端的电压；R是采样电阻的阻值；A_p是钨表面圆的面积。

离子推力器的离子速度V_b可由栅网电压计算得到：

$V_b=\sqrt{\frac{{2\mathrm{e\φ}}_b}{m_i}}$

其中e为元电子电荷量，φ_b为离子推力器的栅极加速电压，m_i为氙离子质量。

离子推力器羽流的离子数密度N_i：

$N_i=\frac{j}{{\mathrm{eV}}_b}.$

本发明的优点为：

1、一种用于离子推力器测量的法拉第探针，通过内陶瓷垫片与收集器和保护环的安装配合，达到了定位收集器和保护环的作用，保证了钨表面与保护环之间间隙距离准确，并且使收集器和保护环不接触不导通。

2、一种用于离子推力器测量的法拉第探针，法拉第探针尾部设计的螺母可以用来压线，使偏置电压导线与法拉第探针机械连接，简单可靠；

3、一种用于离子推力器测量的法拉第探针，通过拧紧探针尾部的螺母，收集器的凸台和保护环凸台相互作用力使整个探针固定，整个探针结构简单，拆卸方便，定位准确，可靠性高。

4、一种用于离子推力器测量的法拉第探针，采用钨表面作为探针收集面材料，减小了高能离子轰击探针表面引起的二次电子发射。而且价格低廉，保证了加工精度和平面度，钨表面不会受到等离子体溅射的影响。

5、一种用于离子推力器测量的法拉第探针，通过在钨表面上加工沉孔与收集器过盈配合安装定位，成本低，收集面平面度高，测量精度高，不受等离子体溅射污染的影响。同轴度高，保证收集器的杆和钨表面的同轴度。

6、一种用于离子推力器测量的法拉第探针，保护环设计凸台，可以确保法拉第探针能够正对离子推力器羽流的轴线方向，并且能够通过通孔安装于任何探针架上。

附图说明

图1为一种用于离子推力器测量的法拉第探针的法拉第探针的装配示意图；

图2为一种用于离子推力器测量的法拉第探针的法拉第探针的三维示意图；

图3为一种用于离子推力器测量的法拉第探针的法拉第探针测试电路图；

图4为一种用于离子推力器测量的法拉第探针的工作方法流程图；

1-法拉第探针；101-钨表面；102-收集器；103-保护环；104-内陶瓷垫片；105-外陶瓷垫片；106-M2螺母；202-前陶瓷绝缘垫子；203-探针架；204-后陶瓷绝缘垫片；205-M8螺母；302-采样电阻；303-偏置电源；304-数据采集仪

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明一种用于离子推力器测量的法拉第探针，如图1所示，法拉第探针1整体为圆柱形结构，置于离子推力器束流中用于收集离子；安装在探针架203上，与采样电阻302和偏置电源303形成电路回路；

法拉第探针1具体包括钨表面101、收集器102、保护环103、内陶瓷垫片104、外陶瓷垫片105和M2螺母106；

保护环103位于法拉第探针1的最外环，设有凸台，便于安装在探针架203上，保证法拉第探针1正对离子推力器羽流的作用；保护环103的内部安有收集器102以及钨表面101，钨表面101安装在收集器102的头部，保护环103与收集器102及钨表面101之间通过内陶瓷垫片104和外陶瓷垫片105配合定位；使得保护环103与收集器102以及钨表面101之间产生1mm的间隙；起到了定位和确保收集器102与保护环103绝缘的作用。通过M2螺母106固定外陶瓷垫片105，将外陶瓷垫片105卡与收集器102与保护环103之间拉紧，从而进一步固定了整个法拉第探针1。

具体连接如下：所述钨表面101采用钨材料加工的中心带有沉孔的圆形垫片，直径优选4mm；底部开有沉孔；收集器102头部设有凸台；凸台由上下两个圆柱体组成，上边的圆柱体直径优选2.5mm；下边的圆柱体直径优选4mm，与钨表面101直径相同。钨表面101底部的沉孔通过过盈配合套入收集器102的头部，钨表面101底面与收集器102的凸台平面接触，圆形沉孔可与收集器102配合安装，钨材料可以减少电子的二次发射。同时，在钨表面101底面与收集器102的头部凸台留有适当的活动间隙，优选1mm，以防止收集器102移动时，将钨表面101顶出保护环103的顶面；保证了钨表面101与保护环103在顶部能够处于同一平面，从而确定了钨表面101收集离子束的面积仅为钨表面101的圆表面的面积。

保护环103采用不锈钢圆柱环的长筒，外径优选8mm，内径优选4mm，中部带有凸台，凸台外径10mm，厚度2mm，凸台上方圆环直径为1mm，凸台下方圆环直径为2mm。凸台前端开有直径为8mm，深度为7.3mm的沉孔，凸台后端开有直径5mm，深度为2mm的沉孔，凸台下方圆环内表面与钨表面101以及收集器102的外表面位于同一水平面上，中间用内陶瓷垫片104隔开，内陶瓷垫片104与保护环103的凸台上方沉孔配合，即内陶瓷垫片104卡与保护环103凸台与收集器102头部凸台之间；保护环103的凸台与内陶瓷垫片104配合安装固定了整个法拉第探针1，能够定位采集，保证了钨表面101和保护环103之间1mm间隙 的确定；

保护环103加-30V偏置电压能排斥电子收集非轴向离子；钨表面101、收集器102、保护环103、内陶瓷垫片104和外陶瓷垫片105同轴心。

收集器102头部凸台下方是收集器102的圆柱形的带有螺纹的杆，杆的直径优选2mm；通过内陶瓷垫片104和外陶瓷垫片105配合定位固定在保护环103上，具体连接如下：

收集器102杆的尾部从内陶瓷垫片104的通孔插入；卡与保护环103的凸台后，从保护环103后端伸出，通过外陶瓷垫片105卡在保护环103的尾部与收集器102尾部之间，并通过螺母106加以固定；

内陶瓷垫片104为圆环陶瓷垫片，外径设为6mm，内径设为2mm，；内径与收集器102的杆直径相同；使得保护环103与收集器102的头部以及钨表面101之间产生1mm的间隙距离。

外陶瓷垫片105为圆环陶瓷垫片，外径设为5mm；内径与收集器102的杆直径相同；拧紧螺母106对收集器102产生了拉紧力，从而固定了保护环103、内陶瓷垫片104和外陶瓷垫片105。

内陶瓷垫片104和外陶瓷垫片105安装方式一致；分别串于收集器102的前端和后端，使得保护环103内表面与收集器102在内陶瓷垫片104和外陶瓷垫片105之间产生适当的间隙；优选1mm，防止收集器102的杆与保护环103接触，间隙起到绝缘的作用；并且保证了收集器与保护环之间的准确定位。

钨表面101和保护环103之间1mm间隙距离的计算如下：

针对离子推力器的羽流特性，典型的离子推力器羽流等离子体环境中电子密度n_e为：

n_e＝10¹⁵m³；

电子温度T_e范围为：

T_e＝1eV-5eV，

德拜长度计算公式：

${\mathrm{\λ}}_D=7.4\×{10}^3\sqrt{\frac{T_e}{n_e}}$

本实施例的德拜长度为：0.234-0.523mm；

所以收集器102和保护环103之间的间隙l：

l＝nλ_D

其中，n为等离子体鞘层厚度中德拜长度的个数；本实施例n的值选取5-10；

则间隙l范围为：1.17-2.34mm，鉴于配合加工精度的偏差，优选1mm；

该间隙确保了等离子体不会打入到间隙中产生钨表面101侧面收集的情况，保证了钨表 面101的收集面积仅为表面圆面积。使得该发明针对所有离子推力器均有准确的测试性能。

所述法拉第探针1的安装，如图2所示：法拉第探针1安装在探针架203上，具体安装如下：法拉第探针1与探针架203垂直安装；前陶瓷绝缘子202与后陶瓷绝缘垫片204分别位于探针架203的两侧固定，并将前陶瓷绝缘子202卡在保护环103的凸台与探针架203之间；使法拉第探针1与探针架203绝缘；将后陶瓷绝缘垫片204卡在M8螺母205与探针架203之间，M8螺母205安装在保护环103尾部的螺纹上，将法拉第探针1固定于探针架203上，并且M8螺母205压线，用作接偏置电源303的导线。

本发明提供的用于离子推力器羽流测量的法拉第探针的测试电路图，如图3所示，电路包括法拉第探针1；采样电阻302、偏置电源303和数据采集仪304；

法拉第探针1通过保护环103尾部的M8螺母205连接偏置电源303，同时串联采样电阻302形成回路；采样电阻302连接法拉第探针1的收集器102尾部的M2螺母106；偏置电源303提供-30V的偏置电压，同时负极接地；

具体是：收集器102前端装配的钨表面101排斥电子收集离子，在收集器102和采样电阻302到负极接地的回路中形成离子电流，并在采样电阻302两端产生电压；

在采样电阻302两端并联数据采集仪304，用来采集采样电阻302两端的电压值。

一种用于离子推力器测量的法拉第探针的工作方法为，如图4所示：

1)离子推力器喷射等离子体，形成羽流；

2)偏置电源303提供-30V的偏置电压；从而使得钨表面101和保护环103在电压作用下排斥羽流中的电子；

3)钨表面101采集羽流中的离子，形成离子电流；

4)保护环103屏蔽非轴向的羽流中的离子，使钨表面101收集面积为表面圆面；

5)钨表面101采集的离子电流大小经过采样电阻302后，在采样电阻302两端形成电压，数据采集仪304采集采样电阻302的电压值。

6)计算电压值除去采样电阻302的阻值得到钨表面101采集的离子电流大小；

7)通过离子电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度；

离子推力器羽流的电流密度j：

$j=\frac{V}{{\mathrm{RA}}_p}$

其中V是采样电阻302两端的电压；R是采样电阻302的阻值；优选1000欧；Ap是钨表面101圆的面积。

离子推力器的离子速度V_b可由栅网电压计算得到：

$V_b=\sqrt{\frac{{2\mathrm{e\φ}}_b}{m_i}}$

其中e为元电子电荷量，φ_b为离子推力器的栅极加速电压，m_i为氙离子质量。

离子推力器羽流的离子数密度N_i：

$N_i=\frac{j}{{\mathrm{eV}}_b}.$

Claims (4)

1.一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于：包括钨表面、收集器、保护环、内陶瓷垫片、外陶瓷垫片和M2螺母；具体连接关系为：保护环位于法拉第探针最外环，设有凸台；保护环的内部安有收集器以及钨表面，钨表面采用钨材料加工的中心带有沉孔的圆形垫片，底部开有沉孔，过盈配合套接在收集器的头部，收集器头部设有凸台由上下两个圆柱体组成，钨表面底面与收集器的凸台平面接触，在钨表面底面与收集器的头部凸台留有活动间隙，收集器头部下方连接杆部，通过内陶瓷垫片卡在收集器和保护环凸台之间进行固定；使得保护环与收集器及钨表面之间产生间隙；收集器杆部穿过保护环尾部，通过外陶瓷垫片卡于保护环之间；钨表面、收集器、保护环、内陶瓷垫片和外陶瓷垫片同轴心；

法拉第探针具体安装如下：法拉第探针与探针架垂直安装；前陶瓷绝缘子与后陶瓷绝缘垫片分别位于探针架的两侧固定，并将前陶瓷绝缘子卡在保护环的凸台与探针架之间；将后陶瓷绝缘垫片卡在M8螺母与探针架之间，将法拉第探针固定于探针架上；

法拉第探针的测试电路包括法拉第探针，采样电阻、偏置电源和数据采集仪；

法拉第探针通过连接偏置电源，同时串联采样电阻形成回路；数据采集仪并联采样电阻；偏置电源提供-30V的偏置电压，同时负极接地。

2.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于：保护环与收集器及钨表面之间产生间隙的计算如下：

针对离子推力器的羽流特性，典型的离子推力器羽流等离子体环境中电子密度n_e为：n_e＝10¹⁵m³；电子温度范围为T_e：T_e＝1eV-5eV，

德拜长度计算公式：

${\mathrm{\λ}}_D=7.4\×{10}^3\sqrt{\frac{T_e}{n_e}}$

所以收集器和保护环之间的间隙l：

l＝nλ_D

其中，n为等离子体鞘层厚度中德拜长度的个数。

3.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于：法拉第探针的测试电路具体工作过程：收集器前端装配的钨表面排斥电子收集离子，在收集器和采样电阻到负极接地的回路中形成离子电流，并在采样电阻两端产生电压；在采样电阻两端并联数据采集仪，用来采集采样电阻两端的电压值。

4.应用权利要求1所述的用于离子推力器测量的法拉第探针的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)离子推力器喷射等离子体，形成羽流；

2)偏置电源提供-30V的偏置电压，钨表面和保护环在电压作用下排斥羽流中的电子；

3)钨表面采集羽流中的离子，形成离子电流；

4)保护环屏蔽非轴向的羽流中的离子，使钨表面收集面积为表面圆面；

5)钨表面采集的离子电流大小经过采样电阻后，在采样电阻两端形成电压，数据采集仪采集采样电阻的电压值；

6)计算电压值除去采样电阻的阻值得到钨表面采集的离子电流大小；

7)通过离子电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度；

离子推力器羽流的电流密度j：

$j=\frac{V}{{\mathrm{RA}}_p}$

其中V是采样电阻两端的电压；R是采样电阻的阻值；A_p是钨表面圆的面积；

离子推力器的离子速度V_b可由栅网电压计算得到：

$V_b=\sqrt{\frac{2{\mathrm{e\φ}}_b}{m_i}}$

其中e为元电子电荷量，φ_b为离子推力器的栅极加速电压，m_i为氙离子质量；

离子推力器羽流的离子数密度N_i：

$N_i=\frac{j}{{\mathrm{eV}}_b}.$