CN106768033A - 一种测量离子推力器内部沉积溅射的方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量离子推力器内部沉积溅射的方法，步骤为：1、将离子推力器安装在真空系统内，将用覆盖物遮蔽半边的盖片安装在离子推力器内部的指定位置；2、离子推力器累积引束流工作至少100h；3、离子推力器停止点火开启真空舱，将盖片取下，剥离覆盖的保护装置；4、利用台阶仪或三维轮廓仪，量取盖片两边的厚度差；根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用X射线光电子能谱分析或能谱分析仪进行成分检测,以确定溅射物质的来源。本发明判定出离子推力器内部不同位置沉积物的溅射来源，半定量分析出核心部件的溅射产额及磨损速率，用于验证离子推力器放电室的溅射模型，也可进行离子推力器连续工作情况下的寿命估计。

Description

一种测量离子推力器内部沉积溅射的方法
技术领域
本发明涉及离子推力器使用评价技术领域，尤其涉及其内部关键部组件连续工作磨损程度的内部沉积溅射的测量方法。
背景技术
Kaufman氙离子推力器是电推进技术的一种，其比冲高、寿命长等突出优势可以有效提高卫星的有效载荷比，延长卫星的在轨寿命。为有效评估离子推力器的寿命和关键部组件的可靠性，需要开展与卫星工作寿命1：1时长的寿命考核试验，所需时间较长，对技术应用和评价造成了较大的影响。放电室内部关键部组件的磨损是离子推力器的主要失效模式之一，但对其的寿命和可靠性评估受到其结构和离子推力器的工作机理的限制，无法单独进行放电室关键部组件的寿命考核，且与整机一同验证所需时间非常长。因此提出本测试方法，可以在短期工作验证下快速有效评估离子推力器放电室关键部组件的寿命和的磨损机理。
发明内容
本发明针对离子推力器寿命考核验证周期长（数年），代价大等难点，提供一种测量离子推力器内部沉积溅射的方法，通过数据分析反推出放电室的溅射来源和关键部组件的磨损速率，以解决推力器放电室寿命和可靠性无法快速评估的难题。
本发明的技术解决方案是：
一种测量离子推力器内部沉积溅射的方法，包括下列步骤：
1)将离子推力器安装在真空系统内，连接好电路和气路管路，将用覆盖物遮蔽半边的盖片安装在离子推力器内部的指定位置且该盖片的被测试面要外露在试验环境中；
2)离子推力器在固定稳态工作点状态下累积引束流工作至少100h，使盖片上留有累计的沉积物；
3)离子推力器停止点火开启真空舱，将盖片取下，剥离覆盖的保护装置，盖片上一半为沉积区域，一半为无沉积的洁净区域；
4）利用台阶仪或三维轮廓仪，量取盖片两边的厚度差；根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用X射线光电子能谱分析或能谱分析仪进行成分检测,以确定溅射物质的来源。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）采用本发明可在短期内对离子推力器的放电室内关键部组件的磨损机理进行分析，且由于盖片为无机非金属制成，不会对推力器的高压绝缘性能产生影响，同时能对磨损情况进行评估，可快速对推力器的整体寿命进行初步的评估。
（2）针对多工况工作的推力器，可以在不同工况下进行短时间的测量以用于评估不同工况下的寿命，缩短了寿命验证的周期，也大幅降低了成本。
（3）利用本发明可半定量分析放电室内部关键部组件磨损的情况，验证放电室内部关键部组件的材料选取的适用性，结构设计的可靠性，对于推力器产品的寿命优化和性能优化提供支持。
（4）现有技术通常采用石英晶体微量天平（QCM）测量，由于需要外部信号和供电线路，因此在推力器内部不适用，而且QCM的量程有限，无法测量长时间（超过500h）连续工作下的推力器内部沉积。
附图说明
图1为本发明盖片的安装位置示意图；
图中：1-中和器，2-中和器工质入口，3-主阴极工质入口，4-推力器外壳，5-加速栅极，6-屏栅极，7-阳极筒，8-无机非金属盖片。
具体实施方式
下面从具体实施例对本发明进一步说明。
一种测量离子推力器内部沉积溅射的方法，包括下列步骤：
1）将离子推力器安装在真空系统内，连接好电路和气路管路，将用覆盖物遮蔽半边的盖片安装在离子推力器内部的指定位置且该盖片的被测试面要外露在试验环境中；
2）推力器在固定工作点状态下累积引束流工作至少100h，盖片上留有累计的沉积物；
3）推力器停止点火开启真空舱，将盖片取下，剥离覆盖的保护装置，盖片上一半为沉积区域，一半为无沉积的洁净区域；
4）利用台阶仪或三维轮廓仪，量取盖片两边的厚度差；根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用X射线光电子能谱分析或能谱分析仪进行成分检测,以确定溅射物质的来源。
根据步骤4）的测试结果，采用高精度厚度测试仪器，如三维轮廓仪或台阶仪测量溅射物的厚度，半定量分析出溅射产额；采用三维轮廓仪和万能工具显微镜等三维高精度几何尺寸测量设备对推力器内部易腐蚀部件进行测量，定量分析出核心部件的磨损速率。
步骤1）中所述盖片采用易吸附溅射沉积的无机非金属材料。例如钼、镍、铝等。须用无水乙醇或无水丙酮超声波清洗，风干后方能使用。遮挡物可采用不带胶的金属箔（带胶金属箔会在盖片表面留胶，且在真空环境下存在严重的出气）。为防止推力器工作时产生的等离子体粒子进入铝箔与盖片之间，应确保铝箔与盖片紧密贴合，两者间缝隙不超过0.2mm。盖片基地表面粗糙度优于2μm，盖片可使用双面胶或者聚酰亚胺胶带固定。
步骤3）中污染沉积后的盖片取下的时候要注意不接触污染区域，保证样件状态不受到破坏。
所述步骤4）中利用精度优于1μm的三维轮廓仪或台阶仪等比对沉积区域和非污染区域的厚度差进行测量，用得到的厚度差除以推力器工作时间，即可得到单位时间单位面积上的溅射物沉积速率，是后续预估溅射产额和沉积速率的重要数据。
利用X射线光电子能谱分析或能谱分析仪等，对盖片上的沉积物进行采样分析，得到沉积元素的组成图谱。通过与推力器内部核心部件材料的比对，判断出沉积元素的主要来源。
本发明具体应用及效果如下：LIPS-200寿命试验中，离子推力器在羽流诊断试验中，通过本发明进行了测试，通过对盖片上的沉积物成分和厚度的测量分析，得到LIPS-200离子推力器内部溅射来源，以及放电室内部关键部组件在稳态工作点下的溅射速率，从而推算出离子推力器的放电室内部关键部组件寿命，目前该推力器已经完成地面12000h的寿命考核，其实际测试效果与利用该方法推算的结果基本吻合。

Claims (4)

1.一种测量离子推力器内部沉积溅射的方法，其特征在于包括下列步骤：
（1）将离子推力器安装在真空系统内，连接好电路和气路管路，将用覆盖物遮蔽半边的盖片安装在离子推力器内部的指定位置且该盖片的被测试面要外露在试验环境中；
（2）离子推力器在固定稳态工作点状态下累积引束流工作至少100h，使盖片上留有累计的沉积物；
（3）离子推力器停止点火开启真空舱，将盖片取下，剥离覆盖的保护装置，盖片上一半为沉积区域，一半为无沉积的洁净区域；
（4）利用台阶仪或三维轮廓仪，量取盖片两边的厚度差；根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用X射线光电子能谱分析或能谱分析仪进行成分检测,以确定溅射物质的来源。
2.根据权利要求1所述的一种离子推力器内部沉积溅射的测量方法，其特征在于：步骤（1）中所述盖片采用易吸附溅射沉积的无机非金属材料。
3.根据权利要求2所述的一种离子推力器内部沉积溅射的测量方法，其特征在于：所述盖片的表面光洁度为微米量级。
4.根据权利要求1所述的一种离子推力器内部沉积溅射的测量方法，其特征在于：步骤（4）中所述高精度厚度测试仪精度为纳米级精度。
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