CN107167629A - 一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统 - Google Patents

一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统 Download PDF

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李兴达
张天平
王尚民
杨浩
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Abstract

本发明公开了一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统，包括光信号产生与传输单元、光信号探测单元和数据采集与控制单元；光信号产生与传输单元在真空室外部，产生激光并通过分束器将其分成四束，其中三束分别进入波长计、功率计、F‑P干涉仪，另一束通过斩波器和光纤进入真空室，用于激发被测粒子；光信号探测单元中的轴向或径向激光入射设备接收进入真空室的激光束，对其进行聚焦准直，激发探测区域的粒子；荧光探测设备采集探测点处粒子受激发射的荧光，将荧光信号发送至数据采集与控制单元中；数据采集与控制单元对荧光信号进行处理。

Description

一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统
技术领域
本发明提供了一种离子推力器羽流区域离子速度分布测量装置，属于粒子测量技术领域。
背景技术
国际上主流电推进技术绝大多数都是基于等离子体产生和加速的物理过程，电推进系统的等离子体研究主要包括推力器放电室内等离子体的产生、碰撞、输运等过程研究和推力器羽流等离子体研究。推力器羽流区域等离子体运动特性对于推力器优化设计、效率提升、数值模型的建立等具有关键性意义，获取羽流区域离子和中性原子的运动机理对解决上述问题是一个十分有效地手段。
朗缪尔探针诊断作为等离子体诊断最基本的方法，能够测出等离子体密度、电子温度、悬浮电位等基本参数。但它无法测量离子和中性原子的速度分布。而且作为实体对等离子体的侵入，探针不可避免地会对等离子体产生干扰。而光谱诊断作为一种非侵入式诊断方法，是测量等离子体性质的重要方法。
当前所使用的激光诱导荧光技术是一种高灵敏度、高选择性的诊断测量手段，利用激光诱导荧光装置可以测量中性原子和离子的速度分布函数。利用激光诱导荧光技术可以实现高分辨率的速度测量，即使在很低的信噪比环境下。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器羽流区域离子速度分布测量装置，克服现有静电探针的局限性，提供一种非接触、高分辨率、高选择性的推力器羽流区域粒子速度分布测量方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统包括光信号产生与传输单元、光信号探测单元和数据采集与控制单元。
光信号产生与传输单元产生激光，将一部分光束传输到波长计、功率计、F-P干涉仪等激光监控单元，将另一部分作为主激光束传输至真空室内的光信号探测单元。
光信号探测单元处于真空室内，包括二维移动机构、轴向激光入射设备、屏蔽片、荧光探测设备以及径向激光入射设备。
推力器安装于二维移动机构上；二维移动机构带动推力器在轴向和径向进行移动；推力器工作形成羽流区域，在羽流区域中预先选定一个探测点；轴向激光入射设备设置于推力器目标探测点所在轴向，其前端为激光接收端、后端为聚焦准直端，其中激光接收端接收光纤导入的激光束，聚焦准直端将激光聚焦到探测点区域，以激发探测点处的粒子，从而测量待测点的轴向粒子速度。
径向激光入射设备设置于离子推力器目标探测点所在径向，径向激光入射设备包括激光接收端和聚焦准直端，激光接收端接收光纤导入的激光束，聚焦准直端将激光聚焦到探测点区域，以激发探测点处的粒子，从而测量获得待测点的径向粒子速度。
荧光探测设备包括探测部和光纤耦合部，其中探测部对探测点出激发的荧光进行采集，光纤耦合部将探测部采集到的荧光信号耦合到光纤中并导出到真空室外部的数据采集与控制单元中。
数据采集与控制单元对荧光信号进行处理，同时对光信号产生与传输单元进行控制。
进一步地，光信号产生与传输单元中包括半导体激光器、斩波器以及光纤。
其中半导体激光器产生激光，激光的波长覆盖被测粒子特征谱线，主激光束进入斩波器。
斩波器将主激光束调制到预设的频率后，将主激光束通过光纤引入到真空室。
进一步地，光信号产生与传输单元同时对激光信号进行波长、功率以及激光模式的测量；则光信号产生与传输单元中还包括分束器、波长计、功率计以及F-P干涉仪。
其中半导体激光器发射激光，激光的波长覆盖被测粒子特征谱线，激光器发出的激光进入分束器。
分束器将激光分成四束分激光，其中第一束分激光进入波长计进行波长测量；第二束分激光进入功率计进行功率测量；第三束分激光进入F-P干涉仪进行激光模式测量；第四束分激光作为主激光束进入斩波器。
进一步地，数据采集与控制单元包括顺次相连的单色仪、光电倍增管、锁相放大器以及计算机；
单色仪接收荧光信号，之后进入光电倍增管。
光电倍增管对荧光信号进行光电转换和信号放大，形成电信号。
锁相放大器工作在斩波频率，用于将荧光信号与等离子体的干扰信号分离，得到有效荧光信号进入计算机进行处理。
进一步地，计算机对有效荧光信号的处理包括对荧光信号的分析和界面显示。
有益效果：
1本系统中，采用光谱对粒子的速度分布进行测量实现了非接触测量，避免了静电探针对等离子体的干扰；
使用本系统进行离子推力器羽流区域粒子速度的测量时，可以随意选取测量点，均能实现对测量点处粒子速度的测量，由此可实现对羽流区域粒子速度的分布测量。
2本系统具有很高的时间分辨率和空间分辨率，二维移动机构的精度能够保证一定的空间分辨率；
3本系统具有高选择性，只针对特定粒子的特征谱线进行测量，激光器发出的波长覆盖被测粒子特征谱线，因此其他谱线的粒子不会被激发；
4本系统可以直接或间接得到粒子的速度分布函数VDF、速度矢量分布、温度分布、电场特性等相关等离子体参数信息；
5本系统弥补了传统静电探针的不足，能够获取更丰富的羽流区域等离子体信息，对于系统理解推力器工作机理、优化推力器设计、新型推力器研制等具有关键性的指导意义。
附图说明
图1为光信号产生与传输单元示意图；
图2为光信号探测单元示意图；
图3为数据采集与控制单元示意图。
1激光器；2分束器；3波长计；4功率计；5F-P干涉仪；6斩波器；7光纤；8真空室；9二维移动机构；10推力器；11轴向激光入射装置；12屏蔽片；13荧光探测装置；14羽流区域；15径向激光入射装置；16测量点；17荧光信号；18单色仪；19光电倍增管；20锁相放大器；21数据处理与控制软件。
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。
实施例1、一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统，包括光信号产生与传输单元、光信号探测单元和数据采集与控制单元。
所述光信号产生与传输单元处于真空室外部，产生激光并通过分束器将其分成四束，其中三束分别进入波长计、功率计、F-P干涉仪，另一束通过斩波器和光纤进入真空室，用于激发被测粒子。
光信号探测单元处于真空室内，包括二维移动机构9、轴向激光入射设备11、屏蔽片12、荧光探测设备13以及径向激光入射设备15。
推力器10安装于二维移动机构9上。
二维移动机构9带动推力器10在轴向和径向进行移动。
推力器10工作形成羽流区域，在羽流区域中预先选定一个探测点16。
轴向激光入射设备11设置于所述推力器目标探测点所处轴向，其前端为激光接收端、后端为聚焦准直端，其中激光接收端接收光纤导入的激光束，聚焦准直端将激光聚焦到所述羽流区域中预先选定的探测点16处，以激发探测点16处的粒子，从而测量所述待测点16的轴向粒子速度；
径向激光入射设备15设置于所述离子推力器目标探测点所处径向，径向激光入射设备15包括激光接收端和聚焦准直端，所述激光接收端接收光纤导入的激光束，聚焦准直端对所述激光束进行聚焦准直，以激发探测点16处的粒子，从而测量获得所述待测点16的径向粒子速度；
荧光探测设备13包括探测部和光纤耦合部，其中探测部对探测点16处激发的荧光进行采集，光纤耦合部将探测部采集到的荧光信号耦合到光纤中并导出到真空室外部的数据采集与控制单元中；
数据采集与控制单元对所述荧光信号进行处理，同时对所述光信号产生与传输单元进行控制。
本实施例中，光信号产生与传输单元中包括半导体激光器1、斩波器6以及光纤7；
其中半导体激光器1发射激光，激光的波长覆盖被测粒子特征谱线，主激光束进入斩波器；
斩波器6将主激光束调制到预设的频率后，将主激光束通过光纤引入到真空室8；
本实施例中，光信号产生与传输单元同时对激光信号进行波长、功率以及激光模式的测量；则光信号产生与传输单元中还包括分束器2、波长计3、功率计4以及F-P干涉仪5。
其中半导体激光器1发射激光，激光的波长覆盖被测粒子特征谱线，激光器发出的激光进入分束器2。
分束器2将激光分成四束分激光，其中第一束分激光进入波长计3进行波长测量；第二束分激光进入功率计4进行功率测量；第三束分激光进入F-P干涉仪5进行激光模式测量；第四束分激光作为主激光束进入斩波器6。
本实施例中，数据采集与控制单元包括顺次相连的单色仪18、光电倍增管19、锁相放大器20以及计算机。
单色仪18接收荧光信号，之后进入光电倍增管19。
光电倍增管19对荧光信号进行光电转换和信号放大，形成电信号。
锁相放大器20工作在斩波频率，用于将荧光信号与等离子体的干扰信号分离，得到有效荧光信号进入计算机进行处理。
本实施例中，计算机对有效荧光信号的处理包括对荧光信号的分析和界面显示。
综上，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 (5)

1.一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统，其特征在于，包括光信号产生与传输单元、光信号探测单元和数据采集与控制单元；
所述光信号产生与传输单元处于真空室外部，产生激光并通过分束器将其分成四束，其中三束分别进入波长计、功率计、F-P干涉仪，另一束通过斩波器和光纤进入真空室，用于激发被测粒子。
所述光信号探测单元处于真空室内部，包括二维移动机构(9)、轴向激光入射设备(11)、屏蔽片(12)、荧光探测设备(13)以及径向激光入射设备(15)；
所述推力器(10)安装于二维移动机构(9)上；
所述二维移动机构(9)带动推力器(10)在轴向和径向进行移动；
所述推力器(10)工作形成羽流区域，在所述羽流区域中预先选定一个探测点(16)；
所述轴向激光入射设备(11)设置于所述推力器目标探测点所处轴向，其前端为激光接收端、后端为聚焦准直端，其中激光接收端接收光纤导入的激光束，聚焦准直端将激光聚焦到所述羽流区域中预先选定的探测点(16)处，以激发探测点(16)处的粒子，从而测量所述待测点(16)的轴向粒子速度；
所述径向激光入射设备(15)设置于所述离子推力器目标探测点所处径向，径向激光入射设备(15)包括激光接收端和聚焦准直端，所述激光接收端接收光纤导入的激光束，聚焦准直端对所述激光束进行聚焦准直，以激发探测点(16)处的粒子，从而测量获得所述待测点(16)的径向粒子速度；
所述荧光探测设备(13)包括探测部和光纤耦合部，其中探测部对探测点(16)处激发的荧光进行采集，光纤耦合部将探测部采集到的荧光信号耦合到光纤中并导出到真空室外部的数据采集与控制单元中；
所述数据采集与控制单元对所述荧光信号进行处理，同时对所述光信号产生与传输单元进行控制。
2.如权利要求1所述的一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统，其特征在于，所述光信号产生与传输单元中包括半导体激光器(1)、斩波器(6)以及光纤(7)；
其中所述半导体激光器(1)产生激光，所述激光的波长覆盖被测粒子特征谱线，所述激光一部分进入波长计、功率计、F-P干涉仪进行激光参数监控，另一部分作为主激光束进入斩波器(6)；
所述斩波器(6)将主激光束调制到预设的频率后，将主激光束通过光纤引入到所述真空室(8)。
3.如权利要求2所述的一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统，其特征在于，所述光信号产生与传输单元同时对激光信号进行波长、功率以及激光模式的测量；则所述光信号产生与传输单元中还包括分束器(2)、波长计(3)、功率计(4)以及F-P干涉仪(5)；
其中所述半导体激光器(1)发射激光，所述激光的波长覆盖被测粒子特征谱线，激光器发出的激光进入分束器(2)；
所述分束器(2)将激光分成四束分激光，其中第一束分激光进入所述波长计(3)进行波长测量；第二束分激光进入所述功率计(4)进行功率测量；第三束分激光进入所述F-P干涉仪(5)进行激光模式测量；第四束分激光作为主激光束进入所述斩波器(6)。
4.如权利要求1所述的一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统，其特征在于，所述数据采集与控制单元包括顺次相连的单色仪(18)、光电倍增管(19)、锁相放大器(20)以及计算机；
所述单色仪(18)接收所述荧光信号，之后进入所述光电倍增管(19)；
所述光电倍增管(19)对所述荧光信号进行光电转换和信号放大，形成电信号；
所述锁相放大器(20)工作在斩波频率，用于将荧光信号与等离子体的干扰信号分离，得到有效荧光信号进入计算机进行处理。
5.如权利要求4所述的一种离子推力器羽流区域粒子速度分布测量系统，其特征在于，计算机对所述有效荧光信号的处理包括对荧光信号的分析和界面显示。
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