CN106990085B - 一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置 - Google Patents

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Abstract

一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，涉及霍尔推力器产物组分的监测技术，为了满足对霍尔推力器羽流区产物组分的分析需求。阴极板与电极相对、平行设置在真空室内，霍尔推力器羽流区位于阴极板与电极之间的区域内，高压电源的偏置电压输出端连阴极板，高压电源的零电位输出端连电极；纳秒级脉冲激光器出射的激光垂直入射至阴极板，阴极板逸出电子束的射流方向与霍尔推力器羽流喷射方向垂直，电子与羽流区粒子碰撞产生荧光，ICCD相机透过滤波片收集荧光，ICCD相机连计算机。本发明适用于监测霍尔推力器羽流区产物组分。

Description

一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置
技术领域
本发明涉及霍尔推力器产物组分的监测技术。
背景技术
随着卫星对寿命提出更高的要求，卫星推力器寿命的提高成为关键。传统的卫星化学推力器，推力大，但比冲小，提高推力器寿命就必须增加卫星携带的化学燃料，从而增加了卫星发射成本并且会降低有效载荷。与传统的化学推力器相比，电推力器具有体积小、质量轻、比冲高和寿命长等优势，能够降低卫星发射成本并且能够满足卫星的寿命要求，成为各国研究的热点。
目前以霍尔推力器和离子推力器为主，已经有上百台电推进器应用到卫星上，主要用于执行卫星变轨、姿态控制、南北轨道保持等任务。中国霍尔推力器也已经搭载卫星在轨验证成功，主要工作机理是：在发动机的阳极和阴极间施加轴向的电场，由带电线圈产生径向方向的磁场，电子被磁场束缚，做周向的霍尔漂移，与通道内的中性原子碰撞，产生离子，离子被电场加速高速喷出从而产生推力。在霍尔推力器喷射出的羽流中包括了中性气体、一价离子、二价离子以及电子。由于霍尔推力器主要依靠加速离子产生推力，因此对于羽流中离子成分比例的分析对提高霍尔推力器推力性能十分重要。推进器羽流和它的卫星、飞船的相互作用，对霍尔推力器的影响表现在：
1.中性气体和快离子的碰撞会产生慢离子，慢离子会被沿径向加速并且回流到推进器的前面从而对飞船造成腐蚀和电荷的积累。
2.由于霍尔推力器的羽流呈现等离子体状态，对电磁波有屏蔽的作用，可能对飞船上的通信有影响。
因此对霍尔推力器羽流区产物组分的分析对于提高霍尔推力器性能的研究是必不可少的。
发明内容
本发明的目的是为了满足对霍尔推力器羽流区产物组分的分析需求，从而提供一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置。
本发明所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，包括高压电源、阴极板、电极、真空室、滤波片、纳秒级脉冲激光器、ICCD相机和计算机；
阴极板与电极相对、平行设置在真空室内，霍尔推力器羽流区位于阴极板与电极之间的区域内，高压电源的偏置电压输出端连阴极板，高压电源的零电位输出端连电极；
纳秒级脉冲激光器出射的激光垂直入射至阴极板，阴极板逸出电子束的射流方向与霍尔推力器羽流喷射方向垂直，电子与羽流区粒子碰撞产生荧光，ICCD相机透过滤波片收集荧光，ICCD相机连计算机。
优选的是，电极采用格栅实现，纳秒级脉冲激光器出射的激光透过格栅垂直入射至阴极板。
优选的是，阴极板为金板或铜板。
优选的是，偏置电压输出端输出负电压。
优选的是，还包括第一窗口，第一窗口设置在真空室上，ICCD相机和滤波片位于真空室外，ICCD相机依次透过滤波片和第一窗口收集荧光。
优选的是，还包括第二窗口，第二窗口设置在真空室上，纳秒级脉冲激光器出射的激光透过第二窗口垂直入射至阴极板。
优选的是，还包括信号发生器，信号发生器输出的矩形信号同步触发纳秒级脉冲激光器和ICCD相机。
光谱诊断具有非接触式测量的独特优势，能避免对等离子体流场的干扰，且可以对多种放电参数进行同步测量并得出发动机的性能参数，能测量的参数如羽流中各组分的浓度和分布、以及电离率和辐射速率等，还可以监测发动机的腐蚀情况。
本发明利用纳秒级脉冲激光器发射激光束轰击阴极板，阴极板通过恒压高压电源加载偏置电压，由金属阴极板逸出的电子被阴极板排斥加速，电子在真空室与待检测粒子碰撞产生荧光，由ICCD相机收集，通过收集的荧光信号来检测粒子的种类和密度。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置的结构示意图；
图2是具体实施方式二中的信号发生器的连接关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，包括高压电源100、阴极板200、电极300、真空室400、滤波片500、纳秒级脉冲激光器600、ICCD相机700和计算机800；
阴极板200与电极300相对、平行设置在真空室400内，霍尔推力器羽流区位于阴极板200与电极300之间的区域内，高压电源100的偏置电压输出端通过电阻R后连阴极板200，高压电源100的零电位输出端连电极300；
纳秒级脉冲激光器600出射的激光透过第二窗口402垂直入射至阴极板200，阴极板200逸出电子束的射流方向与霍尔推力器羽流喷射方向垂直，电子与羽流区粒子碰撞产生荧光，ICCD相机700透过滤波片500收集荧光，ICCD相机700连计算机800。光束通过纳秒级脉冲激光器产生，激光器为外触发二极管泵浦固体激光器，激光器工作频率在100-1000Hz，脉冲宽度为1-100ns，光波波长为250-300nm。阴极板为冷阴极板，采用金或铜材料。阴极板与激光器光束垂直，激光轰击金属阴极板，通过能量输入使电子获能，在阴极板表面逃逸。极板之间通过恒压的高压电源加载偏置电压-200V，电子被加速向羽流区运动。电子束射流方向与霍尔推力器羽流喷射方向垂直，电子与粒子碰撞产生荧光。透过观察窗口即第一窗口401，经过窄带滤波片，ICCD相机收集一定波长的荧光，从而判定粒子种类和密度大小。一次测量选用透过某一波长的滤波片进行测量，通过多次测量可以对多种粒子进行测量。
金或铜的电子发射效率高，有利于大量的电子溢出。
本实施方式中，电极300采用格栅实现，纳秒级脉冲激光器600出射的激光透过格栅垂直入射至阴极板200。
电极300采用格栅实现，激光能透过格栅入射至阴极板200，巧妙地实现使激光垂直入射至阴极板200。
图1中1000为霍尔推力器，S为羽流，e-为激发出的荧光，荧光的能量为hν。
具体实施方式二：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置作进一步说明，本实施方式中，本实施方式中，还包括信号发生器900，信号发生器900输出的矩形信号同步触发纳秒级脉冲激光器600和ICCD相机700。
ICCD相机与激光器由同一个信号发生器控制。信号发生器产生矩形波，其频率在100-1000Hz。信号发生器产生的矩形信号输入到固体激光器和ICCD，同步触发激光器和ICCD工作。ICCD捕获的荧光信号输入到计算机中保存。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，其特征在于，包括高压电源(100)、阴极板(200)、电极(300)、真空室(400)、滤波片(500)、纳秒级脉冲激光器(600)、ICCD相机(700)和计算机(800)；
阴极板(200)与电极(300)相对、平行设置在真空室(400)内，霍尔推力器羽流区位于阴极板(200)与电极(300)之间的区域内，高压电源(100)的偏置电压输出端连阴极板(200)，高压电源(100)的零电位输出端连电极(300)；
电极(300)位于纳秒级脉冲激光器(600)与阴极板(200)之间，电极(300)为格栅电极；
纳秒级脉冲激光器(600)出射的激光垂直入射至阴极板(200)，阴极板(200)逸出电子束的射流方向与霍尔推力器羽流喷射方向垂直，电子与羽流区粒子碰撞产生荧光，ICCD相机(700)透过滤波片(500)收集荧光，ICCD相机(700)连计算机(800)。
2.根据权利要求1所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，其特征在于，所述电极(300)采用格栅实现，纳秒级脉冲激光器(600)出射的激光透过格栅垂直入射至阴极板(200)。
3.根据权利要求1或2所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，其特征在于，所述阴极板(200)为金板或铜板。
4.根据权利要求1或2所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，其特征在于，所述偏置电压输出端输出负电压。
5.根据权利要求1或2所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，其特征在于，还包括第一窗口(401)，第一窗口(401)设置在真空室(400)上，ICCD相机(700)和滤波片(500)位于真空室(400)外，ICCD相机(700)依次透过滤波片(500)和第一窗口(401)收集荧光。
6.根据权利要求5所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，其特征在于，还包括第二窗口(402)，第二窗口(402)设置在真空室(400)上，纳秒级脉冲激光器(600)出射的激光透过第二窗口(402)垂直入射至阴极板(200)。
7.根据权利要求6所述的一种监测霍尔推力器羽流区产物组分的装置，其特征在于，还包括信号发生器(900)，信号发生器(900)输出的矩形信号同步触发纳秒级脉冲激光器(600)和ICCD相机(700)。
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