CN105578696A - 一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法 - Google Patents

一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105578696A
CN105578696A CN201510981045.6A CN201510981045A CN105578696A CN 105578696 A CN105578696 A CN 105578696A CN 201510981045 A CN201510981045 A CN 201510981045A CN 105578696 A CN105578696 A CN 105578696A
Authority
CN
China
Prior art keywords
plasma density
hollow cathode
cathode
porose area
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510981045.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105578696B (zh
Inventor
宁中喜
张海广
安秉健
王亚楠
刘晨光
于达仁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201510981045.6A priority Critical patent/CN105578696B/zh
Publication of CN105578696A publication Critical patent/CN105578696A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105578696B publication Critical patent/CN105578696B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，涉及空心阴极领域。解决了传统空心阴极孔区等离子测量方法受空心阴极孔区尺寸影响导致测量精度低的问题。本发明所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法包括以下步骤：步骤一、根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系；步骤二、让阴极正常工作，测量空心阴极工作参数，根据步骤一获得的等离子体密度与阴极气压之间的关系获得孔区等离子体密度。该方法计算过程非常简单，不受空心阴极孔区尺寸影响，利用间接手段测量了不能直接得到的参数，同时还保证了非常高的测量精度。

Description

一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法
技术领域
本发明涉及空心阴极领域。
背景技术
空心阴极是一种电子源，广泛应用与空间电推进技术、等离子体加工技术等领域。空心阴极一般使用惰性气体作为工质，通过电能电离工质在空心阴极内腔形成等离子体环境。当外界电势较高时，就可从空心阴极内部拉出电子。节流孔是空心阴极的关键部件，可以增加阴极内压，减少气体流量需求。在空心阴极设计和性能研究中，孔区的等离子体参数非常重要。因此测量孔区等离子密度是研究空心阴极的关键技术之一。
传统的测量等离子体密度方法是探针法：在所关心的等离子体区布置朗缪尔探针，外加扫描电压测量探针电流。获得当地的I-V曲线，从而求解等离子体密度。由于空心阴极孔区的尺寸在毫米量级，探针大小不可能做的太小。布置在孔区的探针会影响空心阴极放电，干扰等离子体参数测量。另外还有光学法测量等离子体密度，但是对于电推进空心阴极来说，当尺寸处于零点几个毫米时，受尺寸限制，仍无法测得准确等离子体密度数据。
发明内容
本发明为了解决传统空心阴极孔区等离子测量方法受空心阴极孔区尺寸影响导致测量精度低的问题，提出了一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法。
一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法包括以下步骤：
步骤一、根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系；
步骤二、让阴极正常工作，测量空心阴极工作参数，根据步骤一获得的等离子体密度与阴极气压之间的关系获得孔区等离子体密度。
有益效果：本发明提出的空心阴极等离子体密度测量方法根据等离子体对空心阴极的节流效应，对泊肃叶流体可压缩流体的长管流动理论关系式增加重离子分压系数，根据等离子体密度对节流效果的影响，利用阴极气压间接计算孔区等离子体密度。该方法计算过程非常简单，不受空心阴极孔区尺寸影响，利用间接手段测量了不能直接得到的参数，同时还保证了非常高的测量精度。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的流程图；
图2为空心阴极测试系统的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法包括以下步骤：
步骤一、根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系；
步骤二、让阴极正常工作，测量空心阴极工作参数，根据步骤一获得的等离子体密度与阴极气压之间的关系获得孔区等离子体密度。
本实施方式提出的空心阴极等离子体密度测量方法根据等离子体对空心阴极的节流效应，对泊肃叶流体可压缩流体的长管流动理论关系式增加重粒子分压系数。根据等离子体密度对节流效果的影响，利用阴极气压间接计算孔区等离子体密度。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的区别在于，所述步骤一所述的根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系的具体过程为：
根据泊肃叶流体可压缩流体的长管流动理论，增加电子压力修正系数ke，则重离子分压在总压力中所占比例为：ke＝nkT/(nkT+nekTe)，其中，n为重离子密度，包括中性气体和电离产生的阳离子，k为玻尔兹曼常数，T为重离子温度，ne为等离子体密度，Te为电子温度，单位为K；
等离子体环境下，总压力由重离子分压和电子分压构成，即：P＝nkT+nekTe；
则等离子体密度
本实施方式中，电子温度通常选取为17400K。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的区别在于，所述电子压力修正系数ke采用下述公式获得：
k e = e - 0.6 ( I I 0 ) 0.75 ( d d 0 ) - 2 ( Q l T Q 0 l 0 T 0 ) 0.5 ,
其中，I0表示参考放电电流，I表示实测放电电流，Q0表示参考流量，Q表示实测流量，d0表示参考孔径，d表示实测孔径，l0表示参考孔长，l表示实测孔长，T0为参考温度，T为重粒子温度。
本实施方式中，重粒子温度可根据经验进行选取，对于直径较大的孔，如0.5mm以上，假定4A时约3000K，12A时则增加到约4000K，增长为线性的；对于0.35mm孔，则假定4A时约4000K，随电流的增加而有同样幅度的增加。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的区别在于，空心阴极气流孔的实测直径为0.2mm-2mm，实测长度为0.5mm-2.5mm。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的区别在于，阴极供气实测流量为2sccm-20sccm。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的区别在于，实测放电电流为2A-15A。
具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的区别在于，在阴极供气管路内布置电离规测量供气管内靠近阴极尾部的气压。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的区别在于，所述测量供气管内靠近阴极尾部的气压的测压点位于气流孔上方10cm-100cm处。
从阴极结构可以看出，节流孔的尺寸最小，在这里有几何尺寸产生的结构节流效应。而空心阴极工作时节流孔温度超过1000℃，由于高温会带来热节流效果。节流孔区的气体密度非常大，当地的电离速率很大，等离子体密度是整个空心阴极中最高的地方。这样又会带来等离子附加的节流效果。综合以上效应，节流孔区的节流效应非常明显，阴极上游气压几乎相同，主要的气压将位于孔区。因此，测压电位于节流孔上游。
具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法的区别在于，采用气压计测量空心阴极供气管近阴极入口部的气压。
根据图2搭建空心阴极测试系统，然后让空心阴极在所需流量下工作，测量空心阴极的工作气压，同时利用本发明所述的方法，将实测数据代入，从而求得空区等离子体密度。经过测量，供气流量为8sccm，放电电流为10A，孔长为1mm，孔径0.5mm；测得阴极气压12000Pa，重离子温度为3750K，从而求得电子压力修正系数ke＝0.1516，等离子体密度ne＝4.5×1022/cm3。

Claims (9)

1.一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一、根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系；
步骤二、让阴极正常工作，测量空心阴极工作参数，根据步骤一获得的等离子体密度与阴极气压之间的关系获得孔区等离子体密度。
2.根据权利要求1所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，所述步骤一所述的根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系的具体过程为：
根据泊肃叶流体可压缩流体的长管流动理论，增加电子压力修正系数ke，则重离子分压在总压力中所占比例为：ke＝nkT/(nkT+nekTe)，其中，n为重离子密度，包括中性气体和电离产生的阳离子，k为玻尔兹曼常数，T为重离子温度，ne为等离子体密度，Te为电子温度，单位为K；
等离子体环境下，总压力由重离子分压和电子分压构成，即：P＝nkT+nekTe；
则等离子体密度 n e = ( 1 - k e ) * P kT e .
3.根据权利要求2所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，所述电子压力修正系数ke采用下述公式获得：
k e = e - 0.6 ( I I 0 ) 0.75 ( d d 0 ) - 2 ( Q l T Q 0 l 0 T 0 ) 0.5 ,
其中，I0表示参考放电电流，I表示实测放电电流，Q0表示参考流量，Q表示实测流量，d0表示参考孔径，d表示实测孔径，l0表示参考孔长，l表示实测孔长，T0为参考温度，T为重粒子温度。
4.根据权利要求3所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，空心阴极气流孔的实测直径为0.2mm-2mm，实测长度为0.5mm-2.5mm。
5.根据权利要求3所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，阴极供气实测流量为2sccm-20sccm。
6.根据权利要求3所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，实测放电电流为2A-15A。
7.根据权利要求1所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，在阴极供气管路内布置电离规测量供气管内靠近阴极尾部的气压。
8.根据权利要求7所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，所述测量供气管内靠近阴极尾部的气压的测压点位于气流孔上方10cm-100cm处。
9.根据权利要求1所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，采用气压计测量空心阴极供气管近阴极入口部的气压。
CN201510981045.6A 2015-12-23 2015-12-23 一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法 Expired - Fee Related CN105578696B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510981045.6A CN105578696B (zh) 2015-12-23 2015-12-23 一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510981045.6A CN105578696B (zh) 2015-12-23 2015-12-23 一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105578696A true CN105578696A (zh) 2016-05-11
CN105578696B CN105578696B (zh) 2018-03-16

Family

ID=55888206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510981045.6A Expired - Fee Related CN105578696B (zh) 2015-12-23 2015-12-23 一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105578696B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106373842A (zh) * 2016-11-03 2017-02-01 哈尔滨工业大学 一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法
CN107995766A (zh) * 2017-12-28 2018-05-04 哈尔滨工业大学 一种基于空心阴极磁特性的出口电子参数获得方法
CN108009386A (zh) * 2017-12-29 2018-05-08 哈尔滨工业大学 一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法
CN109302789A (zh) * 2018-09-21 2019-02-01 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院 适用于不同气压Ar射流等离子体的电子密度的连续光谱绝对强度诊断方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4466242A (en) * 1983-03-09 1984-08-21 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ring-cusp ion thruster with shell anode
JPH06163186A (ja) * 1992-09-25 1994-06-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマ測定用プローブ
US20020029851A1 (en) * 2000-09-12 2002-03-14 Manabu Edamura Plasma processing method and apparatus using dynamic sensing of a plasma environment
CN201259873Y (zh) * 2008-06-02 2009-06-17 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 一种组装式空心阴极加热器
JP4633881B2 (ja) * 2000-02-21 2011-02-16 株式会社日立製作所 プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法
CN102183509A (zh) * 2003-04-24 2011-09-14 东京毅力科创株式会社 等离子体监测方法和等离子体监测装置
US8288950B2 (en) * 2009-10-06 2012-10-16 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Apparatus and method for regulating the output of a plasma electron beam source

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4466242A (en) * 1983-03-09 1984-08-21 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ring-cusp ion thruster with shell anode
JPH06163186A (ja) * 1992-09-25 1994-06-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマ測定用プローブ
JP4633881B2 (ja) * 2000-02-21 2011-02-16 株式会社日立製作所 プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法
US20020029851A1 (en) * 2000-09-12 2002-03-14 Manabu Edamura Plasma processing method and apparatus using dynamic sensing of a plasma environment
CN102183509A (zh) * 2003-04-24 2011-09-14 东京毅力科创株式会社 等离子体监测方法和等离子体监测装置
CN201259873Y (zh) * 2008-06-02 2009-06-17 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 一种组装式空心阴极加热器
US8288950B2 (en) * 2009-10-06 2012-10-16 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Apparatus and method for regulating the output of a plasma electron beam source

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106373842A (zh) * 2016-11-03 2017-02-01 哈尔滨工业大学 一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法
CN106373842B (zh) * 2016-11-03 2018-07-06 哈尔滨工业大学 一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法
CN107995766A (zh) * 2017-12-28 2018-05-04 哈尔滨工业大学 一种基于空心阴极磁特性的出口电子参数获得方法
CN107995766B (zh) * 2017-12-28 2019-09-13 哈尔滨工业大学 一种基于空心阴极磁特性的出口电子参数获得方法
CN108009386A (zh) * 2017-12-29 2018-05-08 哈尔滨工业大学 一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法
CN108009386B (zh) * 2017-12-29 2021-03-30 哈尔滨工业大学 一种空心阴极触持极孔径的优化设计方法
CN109302789A (zh) * 2018-09-21 2019-02-01 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院 适用于不同气压Ar射流等离子体的电子密度的连续光谱绝对强度诊断方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105578696B (zh) 2018-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105578696A (zh) 一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法
CN103884467B (zh) 等离子体压力探针及利用其测量压力的系统
CN102778499B (zh) 气体检测方法
Louvat et al. A fully automated direct injection nebulizer (d-DIHEN) for MC-ICP-MS isotope analysis: application to boron isotope ratio measurements
CN103278443A (zh) 贴片法测试无缝管残余应力的方法
CN103471809A (zh) 一种超高频响等离子体流动测量装置
Sun Mass flow measurement of gas–liquid bubble flow with the combined use of a Venturi tube and a vortex flowmeter
CN106124393A (zh) 流动加速腐蚀试验装置及其使用方法
CN109696417A (zh) 一种基于气体吸收光谱的谱线参数的测量系统
CN204536055U (zh) 一种烟气分析取样枪
Mahdavi et al. Electron-ion recombination measurements in the flowing afterglow
CN104458149A (zh) 一种空气预热器漏风计算方法
CN202256225U (zh) 一种带旁路的热导式气体检测器
Bhattarai Interpretation of double Langmuir probe IV characteristics at different ionospheric plasma temperatures
CN207730321U (zh) 高温声压检测装置
Smith et al. The sensitivity of volumetric flow rate to applied voltage in cone-jet mode electrospray and the influence of solution properties and emitter geometry
CN103063371B (zh) 一种密集管束焊缝检测装置及检测方法
CN202928632U (zh) V型内锥流量计
Kanik et al. Total cross section measurements for electron scattering on CH4 from 4 to 300 eV
CN204924872U (zh) 一种孔隙度测量装置
CN203772801U (zh) 放电离子化电流检测器
Oldenbürger et al. Configuration of flows in a cylindrical plasma device
Yu et al. Research on the plasma anemometer based on AC glow discharge
CN112065363A (zh) 一种注水井吸水剖面测量装置及方法
CN105548341B (zh) 一种恶臭气体监测方法及监测仪

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180316