CN105022083A - 一种离子电推进束流双荷离子测试装置及其装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子电推进束流双荷离子测试装置及其装配方法，能够提供磁场和电场，以实现束流中双荷离子的测试。该装置包括外壳体、准直套、飘移管、永磁体、电极板、离子流收集杯和小孔组件；小孔组件包括三种小孔零件，均分别有多组备选件，这些备选件外形相同，内部小孔孔径不同；测试时，根据被测信号的强弱及测试分辨率要求选择所需孔径的备选件安装，从而通过更换小孔组可以实现测试分辨率的调整，使该装置的适应范围扩大。本发明通过调节组件和固定组件的设计，实现永磁体之间的平行，电极板之间的平行，永磁体与电极板之间的垂直，进而确保磁场和电场的方向。本发明采用关系转换的方式使得装配过程更为简便，装配结果更为精准。
Description
技术领域
本发明涉及离子电推进束流双荷离子测试技术领域，尤其涉及一种离子电推进束流双荷离子测试装置及其装配方法。
背景技术
在离子推力器产品研制和工程化应用中，对其束流特性测试和分析研究具有十分重要的意义。通过对束流中双荷离子比例的测试和分析，可以获取离子推力器重要性能参数，为优化离子推力器的设计提供重要参考。
离子推力器束流中的双荷离子占一定比例，这主要与推力器内部磁场、放电室的等离子体特性、工质气体的电离等因素有关。双电荷离子的比例反映了推力器放电室的工质气体电离是否充分等重要信息，并与推力器的推力、比冲、放电损耗、工作寿命等主要性能参数相关。如双电荷离子被加速引出时，如果直接碰撞到加速栅极，会加速对栅极的溅射腐蚀，影响推力器的工作寿命。通过对推力器束流中的双荷离子比例测试，可以获取推力器放电室运行状态的重要信息，并以此优化推力器产品的设计、选择合适的推力器工作参数。该测试装置发明之前，国内没有用于离子电推进束流双荷离子测试的成熟技术和测试装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种离子电推进束流双荷离子测试装置及其装配方法，能够提供磁场和电场，以实现束流中双荷离子的测试。该装置添补国内离子电推进研制中束流测试技术空白，具备离子电推进束流双荷离子比例测试的技术能力。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种离子电推进束流双荷离子测试装置，包括外壳体、准直套、飘移管、永磁体、电极板、离子流收集杯和小孔组件：外壳体为长方体，由6块导磁钢板组成，分别为外壳前侧板、外壳后侧板、外壳上底板、外壳下底板、外壳左侧板和外壳右侧板；小孔组件包括准直套入口小孔零件、准直套出口小孔零件、飘移管入口小孔零件；
永磁体为平板型铁氧体永磁体，两块永磁体相互平行安装在外壳体内，分别与外壳上底板和外壳下底板接触，两个不导磁铝合金材质的永磁体支撑板支撑在两块永磁体之间；
永磁体支撑板和永磁体之间的空间内布置两电极板，两电极板相对的平面相互平行；两电极板之间的平行关系通过绝缘支撑块进行定位，其中每块绝缘支撑块开设两条相互平行的电极板定位凹槽，电极板通过卡在电极板定位凹槽内实现平行关系的保证；两电极板与永磁体的垂直关系通过绝缘顶杆和调整顶紧螺钉进行调整和定位，其中，绝缘顶杆穿过永磁体支撑板后抵住电极板，调整顶紧螺钉伸入永磁体支撑板抵住绝缘顶杆一端面；
两永磁体支撑板外侧与连接板装配，连接板支撑于外壳上底板和外壳下底板之间，并与永磁体支撑板、外壳上底板和外壳下底板相互固定；
准直套为圆管结构，中段设有准直套定位法兰，两端分别安装准直套入口小孔零件和准直套出口小孔零件；准直套与外壳前侧板装配，套有准直套出口小孔零件的一端伸入外壳体内部，置于两电极板之间；准直套定位法兰通过准直套定位套的内圆面进行定位，准直套定位套安装在外壳前侧板上，准直套安装压板压紧准直套定位法兰，使准直套定位法兰的一端面即C1面贴紧外壳前侧板，C1面与准直套中心轴线垂直；
飘移管为圆管结构，中段设有飘移管定位法兰，圆管一端安装飘移管入口小孔零件，圆管内部后端安装离子流收集杯；飘移管与外壳后侧板装配，套有飘移管入口小孔零件的一端伸入外壳体内部，置于两电极板之间；飘移管定位法兰通过飘移管定位套的内圆面进行定位，飘移管定位套安装在外壳后侧板上，飘移管安装压板压紧飘移管定位法兰，使飘移管定位法兰的一端面即C2面贴紧外壳后侧板，C2面与飘移管中心轴线垂直；
准直套入口小孔零件、准直套出口小孔零件和飘移管入口小孔零件分别有多组备选件，这些备选件安装尺寸相同，内部小孔孔径不同；测试时，根据被测信号的强弱及测试分辨率要求选择所需孔径的备选件安装；安装后，小孔组件中三个小孔在一条中心线l上，且使中心线l与永磁体形成的磁场垂直，与电极板形成的电场垂直。
优选地，使中心线l与永磁体形成的磁场垂直的方式为：永磁体的上下两平面与外壳下底板的上下两平面均相互平行；
设准直套出口小孔零件的小孔中心到外壳下底板下底面A的距离为Ha2，飘移管入口小孔零的小孔中心到外壳下底板下底面A的距离为Hb2，令Ha2＝Hb2，间接使得准直套出口小孔零件、飘移管入口小孔零件的小孔中心到永磁体表面的距离相等，实现中心线l与永磁体形成的磁场垂直。
其中，Ha2通过准直套及准直套定位套确定，Hb2通过飘移管及飘移管定位套确定，具体为：准直套入口小孔零件的小孔、准直套出口小孔零件的小孔与准直套定位法兰的外圆同心，飘移管入口小孔零件的小孔与飘移管定位法兰的外圆同心；
同时，设准直套定位套的内圆面中心到外壳前侧板下底面A1距离为H1，飘移管定位套的内圆面中心到外壳后侧板下底面A2距离为H2，通过成对加工准直定位套和飘移管定位套以及成对加工外壳前侧板和外壳后侧板，使得H1＝H2；
装配外壳体时，外壳前侧板的下底面A1和外壳后侧板的A2与外壳下底板的下底面A齐平。
优选地，使中心线l与电极板形成的电场垂直的方式为：
设准直套出口小孔零件的小孔中心到外壳下底板右侧面B的距离为La1，飘移管入口小孔零件的小孔中心到外壳下底板右侧面B的距离为Lb1，令La1＝Lb1，间接使得准直套出口小孔零件、飘移管入口小孔零件的小孔中心到电极板表面的距离相等，实现中心线l与电极板形成的电场垂直。
其中，La1通过准直套及准直套定位套确定，Lb1通过飘移管及飘移管定位套确定，具体为：准直套入口小孔零件的小孔、准直套出口小孔零件的小孔与准直套定位法兰的外圆同心，飘移管入口小孔零件的小孔与飘移管定位法兰的外圆同心；
同时，设准直套定位套的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H距离为L1，飘移管定位套的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H距离为L2，通过成对加工准直定位套和飘移管定位套以及成对加工外壳前侧板和外壳后侧板，使得L1＝L2；
装配外壳体时，外壳前侧板、外壳后侧板靠近外壳下底板右侧面B的侧面与外壳右侧板外侧面H平齐。
优选地，准直套上用于装配准直套入口小孔零件的定位圆周面F、准直套上用于装配准直套出口小孔零件的定位圆周面E、以及准直套定位法兰的外定位圆周面D1同轴；
飘移管上用于装配飘移管入口小孔零件的定位圆周面G、以及飘移管定位法兰的外定位圆周面D2同轴。
优选地，小孔组件的孔径在Ф0.5mm～Ф5.0mm范围内。
优选地，离子流收集杯的离子流收集面采用钼材料制成。
本发明还提供了一种如权利要求1所述离子电推进束流双荷离子测试装置的组装方法，包括如下步骤：
步骤1、完成该测试装置内部结构的初装，包括：
上下两块永磁体与外壳上底板和外壳下底板装配；永磁体支承板与永磁体组装；电极板与绝缘支撑块、绝缘顶杆、调整顶紧螺钉结构装配；永磁体支承板与连接板装配、连接板与外壳上底板和外壳下底板连接；
步骤2、对初装结构进行调整及检测，包括三项：
第一项为内部电场均匀性调整：
各绝缘支承块的长度加工时保持一致，在装配过程中，通过调整顶紧螺钉、绝缘顶杆顶紧电极板，使两个电极板靠紧绝缘支承块，从而保证两电极板的相互平行；
第二项为电极板与永磁体表面垂直度调整：
通过调整顶紧螺钉、绝缘顶杆的调整实现电极板与永磁体表面的垂直关系，并采用直角量具检测；
第三项为电极板两端到外壳下底板右侧面B的距离调整：
通过调整顶紧螺钉、绝缘顶杆的调整实现同一电极板两端到B面距离相等；调整时采用专用量具检测；该专用量具由2个直角量具构成，且这两个直角量具连接在一起，连接时，两个直角量具所在平面相互垂直；其中一个直角量具所成的面定位电极板，另一个直角量具弯折处定位B面；
步骤3、对外壳体剩余部分装配，包括三个子步骤：
子步骤31、外壳前后侧板上准直套定位套和飘移管定位套的装配：
在零件加工时，外壳前侧板和外壳前侧板成对加工，准直定位套和飘移管定位套成对加工，一方面保证准直定位套和飘移管定位套装配至外壳前侧板和外壳前侧板后，准直套定位套的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H的距离L1，与飘移管定位套的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H的距离L2相等；另一方面保证准直套定位套的内圆面中心到外壳前侧板下底面A1的距离H1，与飘移管定位套的内圆面中心到外壳后侧板下底面A2的距离H2相等；
子步骤32、外壳左侧板和外壳右侧板的装配：
在非磁性装配平台上进行外壳左侧板和外壳右侧板的装配，装配时保证外壳左侧板和外壳右侧板的下底面与外壳下底板的下底面A平齐；
子步骤33、外壳前侧板和外壳后侧板的装配：
在非磁性装配平台上进行外壳前侧板和外壳后侧板的装配，装配时保证外壳前侧板和外壳后侧板靠近B面的侧面与外壳右侧板的外侧面H平齐；
步骤4、准直套的装配，包括两个子步骤：
子步骤41、准直套入口小孔零件和准直套出口小孔零件与准直套装配：准直套上用于装配准直套入口小孔零件的定位圆周面为F面，准直套上用于装配准直套出口小孔零件的定位圆周面为E面，以及准直套定位法兰的外定位圆周面为D1面；在零件加工中，保证准直套的E面、F面、D1面的尺寸及形状精度，并且3处定位圆周面同轴，该轴线与准直套定位法兰的C1面垂直；
子步骤42、准直套与外壳前侧板装配，通过准直套定位套进行定位，并用准直套安装压板压紧准直套定位法兰，使准直套定位法兰的C1面贴紧外壳前侧板；
步骤5、飘移管的装配，包括两个子步骤：
子步骤51、飘移管入口小孔零件和离子流收集杯与飘移管装配：飘移管上用于装配飘移管入口小孔零件的定位圆周面为G面，飘移管定位法兰的外定位圆周面为D2面；在零件加工中，保证准直套的G面、D2面的定位面尺寸及形状精度，并且2处定位圆周面同轴，该轴线与飘移管定位法兰的C2面垂直；
子步骤52、飘移管与外壳后侧板装配，通过飘移管定位套进行定位，并用飘移管安装压板压紧飘移管定位法兰，使飘移管定位法兰的C2面贴紧外壳后侧板。
有益效果：
本发明采用小孔组使进入装置内部的离子流方向与内部均匀电磁场区的电场和磁场均垂直，而且采用可更换小孔组，实现测试分辨率的调整，使该装置的适应范围扩大；装置主要测试对象为离子电推进束流。
其次，本发明通过调节组件和固定组件的设计，实现永磁体之间的平行，电极板之间的平行，永磁体与电极板之间的垂直，进而确保磁场和电场的方向。
此外，本发明采用关系转换的方式实现装置内部小孔组件中心线l与磁场和电场的垂直关系保证，使得装配过程更为简便，装配结果更为精准。
附图说明
图1为本发明的离子电推进束流双荷离子测试装置的总体结构图。(a)为正视图，(b)为左视剖面图，(c)为俯视剖面图；
图2为电极板安装及调整图；
图3为安装连接板的示意图；(a)为正视图，(b)为侧视图；
图4为小孔组中心线与磁场方向垂直关系实施结构图，为正面剖视图；
图5为小孔组中心线与电场方向垂直关系实施结构图，为俯视剖视图；
图6为小孔组件可更换结构示意图；(a)为准直套，(b)为飘移管，(c)为小孔零件；
图7为准直套定位套11及飘移管定位套14安装位置关系示意图；(a)为外壳前侧板处的准直套定位套11，(b)为外壳后侧板处的飘移管定位套14；
图8为装配过程中电极板与永磁体垂直度检测示意图；
图9为装配过程中电极板到B面距离检测示意图；
其中，1-准直套，2-永磁体支撑板，3-飘移管，4-永磁体，5-电极板，6-准直套入口小孔零件，7-准直套出口小孔零件，8-飘移管入口小孔零件，9-离子流收集杯，10-准直套安装压板，11-准直套定位套，12-外壳前侧板，13-飘移管安装压板，14-飘移管定位套，15-外壳后侧板，17-绝缘支撑块，18-绝缘顶杆，19-调整顶紧螺钉，20-直角量具，21-专用量具，22-连接板，A-外壳下底板的下底面，A1-外壳前侧板下底面，A2-外壳后侧板下底面，B-外壳下底板右侧面，C1-准直套定位法兰端面，C2-飘移管定位法兰端面，D1-准直套定位法兰的外定位圆周面，D2-飘移管定位法兰的外定位圆周面，E-准直套上用于装配准直套出口小孔零件的定位圆周面，F-准直套上用于装配准直套入口小孔零件的定位圆周面F，G-飘移管上用于装配飘移管入口小孔零件的定位圆周面G。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
图1为本发明离子电推进束流双荷离子测试装置的示意图。如图1(a)～图1(c)所示，该测试装置包括外壳体、准直套1、飘移管3、永磁体4、电极板5、离子流收集杯9和小孔组件。外壳体为长方体，由外壳前侧板12、外壳后侧板15、外壳上底板、外壳下底板、外壳左侧板和外壳右侧板组成，上下底板嵌在左右侧板内侧(参看图1(b))形成方形筒，前后侧板作为方形筒两端开口的封盖(参看图1(c))。
该装置内部电场和磁场相互垂直，且为均匀场，离子流速度方向与内部电场和磁场方向垂直。离子流进入该装置后，有选择的进行测试其离子电流，从而测试双电荷离子比例。
下面针对各个部件进行详细描述。
(1)内部磁场结构设计
如图1(b)所示，由永磁体4和外壳体构成内部磁场，两块永磁体4采用平板型铁氧体永磁体，外壳体的6块板采用导磁的高碳钢板，有汇聚内部磁场作用。两块永磁体4相互平行安装在外壳体内，从而在两块永磁体相对的空间形成均匀磁场，磁场方向垂直于永磁体相对的表面。两块永磁体4分别与外壳上底板和外壳下底板接触。
两个永磁体支撑板2支撑在两块永磁体4之间，且分别位于永磁体两侧，沿永磁体长方形大面(与侧面相对)的长边支撑。永磁体支承板2的材料为不导磁的铝合金，为了保证两永磁体4相对的平面相互平行，该永磁体支承板2要求上下平面相互平行，并且两个永磁体支承板高度一致。实施中，需保证永磁体支承板及永磁体的加工精度。
(2)内部电场结构设计
内部电场为平行板电场，如图1(b)和图1(c)所示。两电极板5布置在永磁体支撑板2和永磁体4之间的空间内，两电极板5相对的平面相互平行，且与永磁体垂直。为了使离子流飞行的中间轴线上电势为零，两电极板间串接2个1MΩ的电阻，且2个电阻的公共端接地。两个电阻及接地均在测试电路中实现，两个电阻之间是串联关系，串联后连接在扫描电源的输出端(电源输出负端悬浮，不接地)；两电阻相互连接处引线接地。
两电极板5之间的平行关系通过绝缘支撑块17进行定位。“绝缘支撑块17、电极板5”组成的整体放置在下永磁体面上，电极板5通过绝缘顶杆18顶紧而贴靠在绝缘支撑块17的凹槽定位侧面上，保证两电极在支撑处距离相等。图2所示为电极板一端的支承结构，另一端支承结构完全相同，共计4组支承和调整结构。4件绝缘支撑块17均开设两个电极板定位凹槽，并且4件支撑块的两凹槽内侧面间距一致。电极板5卡入凹槽并贴紧凹槽内侧面时，支撑点处两电极板5间的距离相等，保证平行关系。
电极板5与永磁体4之间的垂直关系通过绝缘顶杆18和调整顶紧螺钉19调整和定位。其中，绝缘顶杆18穿过永磁体支撑板2后抵住电极板5，调整顶紧螺钉19伸入永磁体支撑板2抵住绝缘顶杆18一端面。电场与磁场垂直关系由装配过程保证。
如图3(a)和图3(b)所示，两永磁体支撑板2外侧与连接板22装配，连接板22支撑于外壳上底板和外壳下底板之间，并通过螺接方式与永磁体支撑板2、外壳上底板和外壳下底板相互固定。永磁体支承板除了起支承永磁体作用，还作为电极板安装和调整中的承力结构，因此永磁体支承板需要通过连接板22与外壳上下底板紧固连接。
(3)小孔组件设计
小孔组件包括准直套入口小孔零件6、准直套出口小孔零件7和飘移管入口小孔零件8。小孔零件上均有小孔，安装后，小孔组件中三个小孔在一条中心线l上，且使中心线l与永磁体4形成的磁场垂直，与电极板5形成的电场垂直。这里需要说明的是，为了简洁，上图1和以下的图4、图5中未画出小孔零件，仅示出了小孔位置。
如图4和图5所示，准直套1为圆管结构，中段设有准直套定位法兰，两端分别安装准直套入口小孔零件6和准直套出口小孔零件7。准直套1与外壳前侧板12装配，套有准直套出口小孔零件7的一端伸入外壳体内部，置于两电极板5之间(参见图5)。准直套1上的准直套定位法兰通过准直套定位套11的内圆面进行定位，准直套定位套11安装在外壳前侧板12上，准直套安装压板10压紧准直套定位法兰，使准直套定位法兰的一端面即C1面(参见图6(a))贴紧外壳前侧板12，通过加工精度保证C1面与准直套1中心轴线的垂直。
仍如图4和图5所示，飘移管3为圆管结构，中段设有飘移管定位法兰，圆管一端安装飘移管入口小孔零件8，圆管内部后端安装离子流收集杯9，离子流收集杯9的离子流收集面采用二次电子发射系数小的钼。飘移管3与外壳后侧板15装配，套有飘移管入口小孔零件8的一端伸入外壳体内部，置于两电极板5之间(参见图5)。飘移管3上的飘移管定位法兰通过飘移管定位套14的内圆面进行定位，飘移管定位套14安装在外壳后侧板15上，飘移管安装压板13压紧飘移管定位法兰，使飘移管定位法兰的一端面即C2面(参见图6(b))贴紧外壳后侧板15，通过加工精度保证C2面与飘移管3中心轴线的垂直。
准直套入口小孔零件6、准直套出口小孔零件7和飘移管入口小孔零件8分别有多组备选件，如图6(c)所示的备选件，这些备选件安装尺寸相同，内部小孔孔径d不同。测试时，根据被测信号的强弱及测试分辨率要求选择所需孔径的备选件安装。孔径范围d是(Ф0.5～Ф5.0)mm。
(4)中心线l与永磁体4所提供磁场的垂直关系保证
中心线l与磁场的垂直关系采用图4所示原理。设准直套出口小孔零件7的小孔中心到永磁体表面的距离为Ha1，飘移管入口小孔零件8的小孔中心永磁体表面的距离为Hb1，令Ha1＝Hb1，则该两小孔的中心点确定的直线平行于与永磁体平面，从而保证中心线l与磁场方向垂直。
装配过程直接测量和调整比较困难，因此以上关系采用间接的方法保证。因为永磁体4的上下两平面与外壳下底板16的上下两平面均相互平行，所以实施中保证准直套出口小孔零件7、漂移管入口小孔零件8的小孔中心到外壳下底板16的下底面(图中A面)距离相等，即可保证Ha1＝Hb1。如图4所示，转换关系式为其中准直套出口小孔零件7的小孔中心到外壳下底板16下底面A的距离为Ha2，飘移管入口小孔零件8的小孔中心到外壳下底板16下底面A的距离为Hb2，当Ha2＝Hb2时，即可保证Ha1＝Hb1。
其中，Ha2通过准直套1及准直套定位套11确定，Hb2通过飘移管3及飘移管定位套14确定，具体为：由制造工艺保证准直套入口小孔零件6的小孔、准直套出口小孔零件7的小孔与准直套定位法兰的外圆同心，飘移管入口小孔零件8的小孔与飘移管定位法兰的外圆同心。
同时，结合图4和图7，设准直套定位套11的内圆面中心到外壳前侧板12下底面A1距离为H1(即Ha2)，飘移管定位套14的内圆面中心到外壳后侧板15下底面A2距离为H2(即Hb2)。通过成对加工准直定位套11和飘移管定位套14以及成对加工外壳前侧板12和外壳后侧板15，能够保证H1＝H2；同时，装配外壳体时，外壳前侧板12和外壳后侧板15的下底面A1和A2与外壳下底板16的下底面A齐平，从而保证装配后Ha2＝Hb2，实现了小孔组中心线与磁场方向的垂直关系。
(5)中心线l与电极板5所提供电场的垂直关系保证
中心线l与电场方向的垂直关系采用图5所示原理。与上述方法类似，使准直套出口小孔零件7的小孔中心、飘移管入口小孔零件8的小孔中心到电极板表面的距离相等，则该两小孔的中心点确定的直线平行于与电极板平面，从而保证中心线l与电场方向垂直。具体说如下：
a)如图5所示，在装配中，调整电极板5，使得同一电极板内表面靠近外壳前侧板12的一端距离外壳下底板16右侧面B的距离为La2，靠近外壳后侧板15的一端距离到外壳下底板16右侧面B的距离为Lb2，保证关系La2＝Lb2。
鉴于La2和Lb2不容易测量，因此将La2＝Lb2转换为La1＝Lb1。即，设准直套出口小孔零件7的小孔中心到外壳下底板16右侧面B的距离为La1，飘移管入口小孔零件8的小孔中心到外壳下底板16右侧面B的距离为Lb1，令La1＝Lb1，间接使得准直套出口小孔零件7、飘移管入口小孔零件8的小孔中心到电极板表面的距离相等即，当La1＝Lb1时，即可保证La2＝Lb2，实现中心线l与电极板形成的电场垂直。
其中，La1通过准直套1及准直套定位套11确定，Lb1通过飘移管3及飘移管定位套14确定，具体为：准直套入口小孔零件6的小孔、准直套出口小孔零件7的小孔与准直套定位法兰的外圆同心，飘移管入口小孔零件8的小孔与飘移管定位法兰的外圆同心。
同时，结合图5和图7，设准直套定位套11的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H距离为L1，飘移管定位套14的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H距离为L2，通过成对加工准直定位套11和飘移管定位套14以及成对加工外壳前侧板12和外壳后侧板15，使得L1＝L2；同时，装配外壳体时，还需外壳前侧板12、外壳后侧板15靠近B面的侧面与外壳右侧板的外侧面H平齐，从而保证装配后La1＝Lb1，实现了小孔组中心线与电场方向的垂直关系。
(6)测试装置装配及调整实施
装配和调整过程如下：
步骤1、完成该测试装置内部结构的初装，完成此步装配后，内部结构如图3所示。本步骤包括：
(a)上下两块永磁体4与外壳上底板和外壳下底板装配；
(b)永磁体支承板2与永磁体4组装；
(c)电极板5与绝缘支撑块17、绝缘顶杆18、调整顶紧螺钉19结构装配；
(d)永磁体支承板2与连接板22装配、连接板22与外壳上底板和外壳下底板连接。
步骤2、对初装结构进行调整及检测。
调整及检测是装配中的重要环节，主要内容包括以下3项。只有3项均符合装配要求，才能进入下一步装配。
第一项为内部电场均匀性调整：
如图2所示，各绝缘支承块17的长度加工时保持一致，在装配过程中，通过调整顶紧螺钉19、绝缘顶杆18顶紧电极板5，使两个电极板5靠紧绝缘支承块17，这样确保两板之间4个支承点处的距离相等，从而保证两电极板的相互平行。
第二项为电极板与永磁体表面垂直度调整：
因为电场方向垂直于两电极板相对的表面，磁场方向垂直于两永磁体相对的表面，所以两者方向的垂直关系是通过电极板和永磁体表面之间垂直的安装关系来保证。
如图2所示，在装配过程中，通过调整顶紧螺钉19、绝缘顶杆18的调整实现电极板与永磁体表面的垂直关系，并采用直角量具20检测，如图8所示。
第三项为电极板两端到外壳下底板16右侧面B的距离调整：
如图2所示，在装配过程中，通过调整顶紧螺钉19、绝缘顶杆18的调整实现同一电极板两端到外壳下底板16右侧面B距离相等。调整时采用专用量具21检测。如图9所示，该专用量具21由2个直角量具构成，且这两个直角量具连接在一起，连接时，两个直角量具所在平面相互垂直；其中一个直角量具所成的面定位电极板，另一个直角量具弯折处定位B面。
步骤3、对外壳体剩余部分装配，包括三个子步骤：
子步骤31、外壳前后侧板上准直套定位套11和飘移管定位套14的装配：
在零件加工时，外壳前侧板12和外壳前侧板15成对加工，准直定位套11和飘移管定位套14成对加工，一方面保证准直定位套11和飘移管定位套14装配至外壳前侧板12和外壳前侧板15后，准直套定位套11的环形中心到外壳右侧板外侧面H距离L1，与飘移管定位套14的环形中心到外壳右侧板外侧面H距离L2相等；另一方面保证准直套定位套11的环形中心到外壳前侧板12下底面A1距离H1，与飘移管定位套14的环形中心到外壳后侧板15下底面A2距离H2相等。即如图7所示，保证装配后的尺寸关系“H1＝H2,L1＝L2”。用4个定位销连定位套和外壳前后侧板。
子步骤32、外壳左侧板和外壳右侧板的装配：
完成步骤2中的调整和检测后，才能实施外壳左右侧板。在非磁性装配平台(推荐0级及以上大理石平台)上进行外壳左侧板和外壳右侧板的装配。装配时保证外壳左侧板和外壳右侧板的下底面A1和A2与外壳下底板16的下底面A平齐(图4)。装配方法为螺接装配，需注意磁场吸引的影响，避免磁力吸引造成磕碰等。
子步骤33、外壳前侧板12和外壳后侧板15的装配：
完成左右侧板装配后，装配前后侧板。在非磁性装配平台上进行外壳前侧板12和外壳后侧板15的装配。装配时，保证外壳前侧板12和外壳后侧板15靠近B面的侧面与外壳右侧板的外侧面H平齐(图5)。
步骤4、准直套1的装配，包括两个子步骤：
子步骤41、准直套入口小孔零件6和准直套出口小孔零件7与准直套1装配：
如图6(a)所示，准直套1上用于装配准直套入口小孔零件6的定位圆周面为F面，准直套1上用于装配准直套出口小孔零件7的定位圆周面为E面，以及准直套定位法兰的外定位圆周面为D1面；在零件加工中，保证准直套的E面、F面、D1面的尺寸及形状精度，并且3处定位圆周面同轴，该轴线与准直套定位法兰的C1面垂直。加工保证小孔零件的尺寸精度，并且安装配合面与小孔同轴。准直套入口小孔零件6、准直套出口小孔零件7与准直套1装配后，即可保证装配精度要求。
子步骤42、准直套1与外壳前侧板12装配：
如图4和图5所示，准直套1与外壳前侧板12装配，通过准直套定位套11进行定位，并用准直套安装压板10压紧准直套定位法兰，使准直套定位法兰的C1面贴紧外壳前侧板12，保证安装精度。
步骤5、飘移管4的装配，包括两个子步骤：
子步骤51、飘移管入口小孔零件8和离子流收集杯9与飘移管4装配：
如图6所示，飘移管3上用于装配飘移管入口小孔零件8的定位圆周面为G面，飘移管定位法兰的外定位圆周面为D2面；在零件加工中，保证准直套的G面、D2面的定位面尺寸及形状精度，并且2处定位圆周面同轴，该轴线与飘移管定位法兰的C2面垂直。加工保证小孔零件的尺寸精度，并且安装配合面与小孔同轴。飘移管入口小孔零件8、离子流收集杯9与飘移管3装配后，即可保证装配精度要求。
子步骤52、飘移管3与外壳后侧板15装配：
如图4和图5所示，飘移管3与外壳后侧板15装配时，通过飘移管定位套14进行定位，并用飘移管安装压板13压紧飘移管定位法兰，使飘移管定位法兰的C2面贴紧外壳后侧板15，保证安装精度。
至此，装配完毕。
在某一实例中，为20cm离子推力器束流双荷离子比例测试，测试装置到推力器喷口距离为500mm。根据被测束流密度及离子速度，该实例中测试装置的参数确定如下：
A)内部磁场强度：0.16T；
B)电极板扫描电压：(0～500)V；
C)准直套入口小孔6的孔径为Ф2mm；准直套出口小孔7的孔径为Ф2mm；飘移管入口小孔8的孔径为Ф3mm；离子电流收集杯9的入口直径Ф10mm。
D)离子电流测试信号范围：(0-200)nA。
测试中，采用工业控制计算机对电极板间的扫描电压、离子电流信号进行采集、存储和处理，并实时显示测试图形，即单电荷离子、双电荷离子扫描电压宽度和峰值，通过峰值数据获得束流双荷离子比例。该比例是指双电荷离子电流与单电荷离子电流之比，该测试值可直接用于分析和研究离子推力器放电室的性能。对应额定工况，测得20cm离子推力器双荷离子比例为10.4％。
本发明经过准直套两端小孔射入该装置内部的离子流方向与装置内部的电场和磁场正交，离子受到静电力和洛伦茨力的作用，两个力的方向相反。调整电极板间电压，当两个力大小相等时，离子不改变方向地穿过电磁场区被飘移管后端的离子流收集杯收集形成离子电流信号。由于不同电荷的离子对应的电极板间扫描电压不同，测试中将分别测得单电荷离子电流值和双电荷离子电流值。通过对离子电流信号分析和处理得到束流中双荷离子与单荷离子的比例。本发明可用于对离子推力器的束流双荷离子比例进行测试和分析，对其它电推力器束流也可进行类似测试和分析。本发明的特点：该装置的特点是采用可更换小孔组，实现测试分辨率的调整，使该装置的适应范围扩大；装置主要测试对象为离子电推进束流。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种离子电推进束流双荷离子测试装置，其特征在于，包括外壳体、准直套(1)、飘移管(3)、永磁体(4)、电极板(5)、离子流收集杯(9)和小孔组件：外壳体为长方体，由6块导磁钢板组成，分别为外壳前侧板(12)、外壳后侧板(15)、外壳上底板、外壳下底板、外壳左侧板和外壳右侧板；小孔组件包括准直套入口小孔零件(6)、准直套出口小孔零件(7)、飘移管入口小孔零件(8)；
永磁体(4)为平板型铁氧体永磁体，两块永磁体(4)相互平行安装在外壳体内，分别与外壳上底板和外壳下底板接触，两个不导磁铝合金材质的永磁体支撑板(2)支撑在两块永磁体(4)之间；
永磁体支撑板(2)和永磁体(4)之间的空间内布置两电极板(5)，两电极板(5)相对的平面相互平行；两电极板(5)之间的平行关系通过绝缘支撑块(17)进行定位，其中每块绝缘支撑块(17)开设两条相互平行的电极板定位凹槽，电极板(5)通过卡在电极板定位凹槽内实现平行关系的保证；两电极板(5)与永磁体(4)的垂直关系通过绝缘顶杆(18)和调整顶紧螺钉(19)进行调整和定位，其中，绝缘顶杆(18)穿过永磁体支撑板(2)后抵住电极板(5)，调整顶紧螺钉(19)伸入永磁体支撑板(2)抵住绝缘顶杆(18)一端面；
两永磁体支撑板(2)外侧与连接板(22)装配，连接板(22)支撑于外壳上底板和外壳下底板之间，并与永磁体支撑板(2)、外壳上底板和外壳下底板相互固定；
准直套(1)为圆管结构，中段设有准直套定位法兰，两端分别安装准直套入口小孔零件(6)和准直套出口小孔零件(7)；准直套(1)与外壳前侧板(12)装配，套有准直套出口小孔零件(7)的一端伸入外壳体内部，置于两电极板(5)之间；准直套定位法兰通过准直套定位套(11)的内圆面进行定位，准直套定位套(11)安装在外壳前侧板(12)上，准直套安装压板(10)压紧准直套定位法兰，使准直套定位法兰的一端面即C1面贴紧外壳前侧板(12)，C1面与准直套(1)中心轴线垂直；
飘移管(3)为圆管结构，中段设有飘移管定位法兰，圆管一端安装飘移管入口小孔零件(8)，圆管内部后端安装离子流收集杯(9)；飘移管(3)与外壳后侧板(15)装配，套有飘移管入口小孔零件(8)的一端伸入外壳体内部，置于两电极板(5)之间；飘移管定位法兰通过飘移管定位套(14)的内圆面进行定位，飘移管定位套(14)安装在外壳后侧板(15)上，飘移管安装压板(13)压紧飘移管定位法兰，使飘移管定位法兰的一端面即C2面贴紧外壳后侧板(15)，C2面与飘移管(3)中心轴线垂直；
准直套入口小孔零件(6)、准直套出口小孔零件(7)和飘移管入口小孔零件(8)分别有多组备选件，这些备选件安装尺寸相同，内部小孔孔径不同；测试时，根据被测信号的强弱及测试分辨率要求选择所需孔径的备选件安装；安装后，小孔组件中三个小孔在一条中心线l上，且使中心线l与永磁体(4)形成的磁场垂直，与电极板(5)形成的电场垂直。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，使中心线l与永磁体(4)形成的磁场垂直的方式为：
永磁体(4)的上下两平面与外壳下底板(16)的上下两平面均相互平行；
设准直套出口小孔零件(7)的小孔中心到外壳下底板(16)下底面A的距离为Ha2，飘移管入口小孔零件(8)的小孔中心到外壳下底板(16)下底面A的距离为Hb2，令Ha2＝Hb2，间接使得准直套出口小孔零件(7)、飘移管入口小孔零件(8)的小孔中心到永磁体(4)表面的距离相等，实现中心线l与永磁体(4)形成的磁场垂直。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，Ha2通过准直套(1)及准直套定位套(11)确定，Hb2通过飘移管(3)及飘移管定位套(14)确定，具体为：准直套入口小孔零件(6)的小孔、准直套出口小孔零件(7)的小孔与准直套定位法兰的外圆同心，飘移管入口小孔零件(8)的小孔与飘移管定位法兰的外圆同心；
同时，设准直套定位套(11)的内圆面中心到外壳前侧板(12)下底面A1距离为H1，飘移管定位套(14)的内圆面中心到外壳后侧板(15)下底面A2距离为H2，通过成对加工准直定位套(11)和飘移管定位套(14)以及成对加工外壳前侧板(12)和外壳后侧板(15)，使得H1＝H2；
装配外壳体时，外壳前侧板(12)的下底面A1和外壳后侧板(15)的A2与外壳下底板(16)的下底面A齐平。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，使中心线l与电极板(5)形成的电场垂直的方式为：
设准直套出口小孔零件(7)的小孔中心到外壳下底板(16)右侧面B的距离为La1，飘移管入口小孔零件(8)的小孔中心到外壳下底板(16)右侧面B的距离为Lb1，令La1＝Lb1，间接使得准直套出口小孔零件(7)、飘移管入口小孔零件(8)的小孔中心到电极板表面的距离相等，实现中心线l与电极板形成的电场垂直。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，La1通过准直套(1)及准直套定位套(11)确定，Lb1通过飘移管(3)及飘移管定位套(14)确定，具体为：准直套入口小孔零件(6)的小孔、准直套出口小孔零件(7)的小孔与准直套定位法兰的外圆同心，飘移管入口小孔零件(8)的小孔与飘移管定位法兰的外圆同心；
同时，设准直套定位套(11)的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H距离为L1，飘移管定位套(14)的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H距离为L2，通过成对加工准直定位套(11)和飘移管定位套(14)以及成对加工外壳前侧板(12)和外壳后侧板(15)，使得L1＝L2；
装配外壳体时，外壳前侧板(12)、外壳后侧板(15)靠近外壳下底板右侧面B的侧面与外壳右侧板外侧面H平齐。
6.如权利要求1至5任意一项所述的装置，其特征在于，准直套(1)上用于装配准直套入口小孔零件(6)的定位圆周面F、准直套(1)上用于装配准直套出口小孔零件(7)的定位圆周面E、以及准直套定位法兰的外定位圆周面D1同轴；
飘移管(3)上用于装配飘移管入口小孔零件(8)的定位圆周面G、以及飘移管定位法兰的外定位圆周面D2同轴。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，小孔组件的孔径在Ф0.5mm～Ф5.0mm范围内。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，离子流收集杯(9)的离子流收集面采用钼材料制成。
9.一种如权利要求1所述离子电推进束流双荷离子测试装置的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、完成该测试装置内部结构的初装，包括：
上下两块永磁体(4)与外壳上底板和外壳下底板装配；永磁体支承板(2)与永磁体(4)组装；电极板(5)与绝缘支撑块(17)、绝缘顶杆(18)、调整顶紧螺钉(19)结构装配；永磁体支承板(2)与连接板(22)装配、连接板(22)与外壳上底板和外壳下底板连接；
步骤2、对初装结构进行调整及检测，包括三项：
第一项为内部电场均匀性调整：
各绝缘支承块(17)的长度加工时保持一致，在装配过程中，通过调整顶紧螺钉(19)、绝缘顶杆(18)顶紧电极板(5)，使两个电极板(5)靠紧绝缘支承块(17)，从而保证两电极板的相互平行；
第二项为电极板与永磁体表面垂直度调整：
通过调整顶紧螺钉(19)、绝缘顶杆(18)的调整实现电极板与永磁体表面的垂直关系，并采用直角量具(20)检测；
第三项为电极板两端到外壳下底板右侧面B的距离调整：
通过调整顶紧螺钉(19)、绝缘顶杆(18)的调整实现同一电极板两端到B面距离相等；调整时采用专用量具(21)检测；该专用量具(21)由2个直角量具构成，且这两个直角量具连接在一起，连接时，两个直角量具所在平面相互垂直；其中一个直角量具所成的面定位电极板，另一个直角量具弯折处定位B面；
步骤3、对外壳体剩余部分装配，包括三个子步骤：
子步骤31、外壳前后侧板上准直套定位套(11)和飘移管定位套(14)的装配：
在零件加工时，外壳前侧板(12)和外壳前侧板(15)成对加工，准直定位套(11)和飘移管定位套(14)成对加工，一方面保证准直定位套(11)和飘移管定位套(14)装配至外壳前侧板(12)和外壳前侧板(15)后，准直套定位套(11)的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H的距离L1，与飘移管定位套(14)的内圆面中心到外壳右侧板外侧面H的距离L2相等；另一方面保证准直套定位套(11)的内圆面中心到外壳前侧板(12)下底面A1的距离H1，与飘移管定位套(14)的内圆面中心到外壳后侧板(15)下底面A2的距离H2相等；
子步骤32、外壳左侧板和外壳右侧板的装配：
在非磁性装配平台上进行外壳左侧板和外壳右侧板的装配，装配时保证外壳左侧板和外壳右侧板的下底面与外壳下底板(16)的下底面A平齐；
子步骤33、外壳前侧板(12)和外壳后侧板(15)的装配：
在非磁性装配平台上进行外壳前侧板(12)和外壳后侧板(15)的装配，装配时保证外壳前侧板(12)和外壳后侧板(15)靠近B面的侧面与外壳右侧板的外侧面H平齐；
步骤4、准直套(1)的装配，包括两个子步骤：
子步骤41、准直套入口小孔零件(6)和准直套出口小孔零件(7)与准直套(1)装配：准直套(1)上用于装配准直套入口小孔零件(6)的定位圆周面为F面，准直套(1)上用于装配准直套出口小孔零件(7)的定位圆周面为E面，以及准直套定位法兰的外定位圆周面为D1面；在零件加工中，保证准直套的E面、F面、D1面的尺寸及形状精度，并且3处定位圆周面同轴，该轴线与准直套定位法兰的C1面垂直；
子步骤42、准直套(1)与外壳前侧板(12)装配，通过准直套定位套(11)进行定位，并用准直套安装压板(10)压紧准直套定位法兰，使准直套定位法兰的C1面贴紧外壳前侧板(12)；
步骤5、飘移管(4)的装配，包括两个子步骤：
子步骤51、飘移管入口小孔零件(8)和离子流收集杯(9)与飘移管(4)装配：飘移管(3)上用于装配飘移管入口小孔零件(8)的定位圆周面为G面，飘移管定位法兰的外定位圆周面为D2面；在零件加工中，保证准直套的G面、D2面的定位面尺寸及形状精度，并且2处定位圆周面同轴，该轴线与飘移管定位法兰的C2面垂直；
子步骤52、飘移管(3)与外壳后侧板(15)装配，通过飘移管定位套(14)进行定位，并用飘移管安装压板(13)压紧飘移管定位法兰，使飘移管定位法兰的C2面贴紧外壳后侧板(15)。
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| CN105022083B (zh) | 2016-10-12 |
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