CN107484318A - 一种离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法 - Google Patents

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贾连军
张天平
刘明正
贾艳辉
陈娟娟
杨乐
龙建飞
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
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Abstract

本发明公开了一种离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，该测量方法利用鞘层曲面上等离子体密度处处相等和离子束流下游相邻位置的等离子体密度发生突变来测量等离子体密度，从而找出鞘层曲面，并得到鞘层曲率。本发明能够提供一种得到等离子体鞘层曲面的方法，完善了离子推力器栅极系统设计方法，弥补了离子推力器栅极系统的设计未考虑等离子体鞘层曲率影响的问题。

Description

一种离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法
技术领域
本发明涉及离子推力器栅极系统设计领域，具体涉及离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法。
背景技术
实现超高比冲一直是离子推力器发展的重点。双级离子加速技术可以大幅提高离子推力器的比冲。双级离子加速系统由四个栅极组成，分别是屏栅、引出栅、加速栅和减速栅。在离子推力器工作过程中，放电室内会产生一定密度的等离子体，这些等离子体会在放电室下游屏栅极附近产生等离子体鞘层。由于屏栅极是多孔结构，且屏栅和引出栅上施加了正电位，因此电场会渗透进放电室内。在放电室内部等离子体产生的电势与渗透进放电室的电势共同作用下，导致屏栅极小孔处的等离子体鞘层曲面发生弯曲，弯曲的鞘层曲面对引出的离子有会聚作用，随着曲率的变化，会聚作用不同，曲面的曲率越大，会聚作用越强，如图1所示。若鞘层曲面曲率较大，先经过“凸透镜”会发生过聚焦现象，导致离子直接轰击到下游栅极表面，造成栅极的溅射腐蚀；若等离子体鞘层曲面曲率较小，先经过“凹透镜”则会发生“欠聚焦”，导致离子直接轰击到栅极表面，造成栅极的溅射腐蚀。因此，在双级加速离子光学系统的设计中需要考虑等离子体鞘层曲率与透镜组合的关系，这就需要开展等离子体鞘层曲面的测量。目前，离子推力器栅极系统的设计未考虑等离子体鞘层曲率的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，提供了一种得到等离子体鞘层曲面的方法，完善了离子推力器栅极系统设计方法。
本发明的具体实施方案如下：
一种离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，该测量方法利用鞘层曲面上等离子体密度处处相等和离子束流下游相邻位置的等离子体密度发生突变来测量等离子体密度，从而找出鞘层曲面，并得到鞘层曲率。
进一步地，在束流发散角最小时测量等离子体密度。
进一步地，具体测量方法如下：
步骤一、改变外部提供的气体流率，同时利用探针多次测量离子推力器束流密度，直至得出最小发散角；
步骤二、找到最小发散角后，将探针穿过栅极小孔伸入到放电室内，利用电机移动探针，测量各点的等离子体密度；
步骤三、找出等离子体密度相等的点，且该点满足在离子束流下游相邻位置的等离子体密度发生突变；
步骤四、将符合条件的点连接起来构成一条光滑曲面，该曲面即为等离子体鞘层曲面；
步骤五、利用几何关系计算出该等离子体鞘层曲面的曲率。
进一步地，利用法拉第探针测量离子推力器束流密度；采用朗缪尔探针测量等离子体密度。
进一步地，所述步骤一还可以通过调节加速级与引出级的电场大小，使得发散角最小，第一个栅极与第二个栅极构成引出级，第二个栅极与第三个栅极构成加速级。
有益效果：
1、本发明利用鞘层曲面上等离子体密度处处相等和下游相邻位置的等离子体密度发生突变来测量等离子体密度，从而找出鞘层曲面，根据曲率的大小开展离子光学系统设计，获得最佳束流，完善了离子推力器栅极系统设计方法，弥补了离子推力器栅极系统的设计未考虑等离子体鞘层曲率影响的问题。
2、本发明为了保证测量的鞘层曲面与栅极系统的匹配性，需要确保在束流发散角最小时开展鞘层曲面上等离子体密度的测量。
3、本发明考虑到由于鞘层曲面的尺寸在mm量级，因此采用直径较小的郎缪尔探针，确保测量精度。
附图说明
图1是等离子体鞘层曲率对引出离子的轨迹影响示意图；
图2是本发明等离子体鞘层曲面测量装置图。
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。
本发明提供了一种离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，基本原理是依据鞘层曲面上等离子体密度处处相等和下游相邻位置的等离子体密度发生突变来测量等离子体密度，从而找出鞘层曲面，并得到鞘层曲率。
如图2所示，为本发明的等离子体鞘层曲面测量装置。测量装置由供气装置、质量流量计、朗缪尔探针、法拉第探针、三维精密移动电机和控制与数据处理单元组成。
测量实施步骤如下：
步骤一、改变外部提供的高纯氙气的气体流率并通过质量流量计检测，同时利用移动机构移动法拉第探针多次测量离子推力器束流密度，直至通过控制与数据处理单元得出最小发散角；
或者，在一定的电压、气体流率参数下，通过调节加速级与引出级的电场大小，使得发散角最小，第一个栅极与第二个栅极构成引出级，第二个栅极与第三个栅极构成加速级；
步骤二、找到最小发散角后，将朗缪尔探针穿过栅极小孔伸入到放电室内，利用三维精密移动电机移动朗缪尔探针进行探测，通过控制与数据处理单元得出等离子体鞘层各点的等离子体密度；
步骤三、找出等离子体密度相等的点，且该点满足在离子束流下游相邻位置的等离子体密度发生突变；
步骤四、将符合条件的点连接起来构成一条光滑曲面，该曲面即为等离子体鞘层曲面；
步骤五、利用几何关系计算出该等离子体鞘层曲面的曲率。
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 (5)

1.一种离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，其特征在于，该测量方法利用鞘层曲面上等离子体密度处处相等和离子束流下游相邻位置的等离子体密度发生突变来测量等离子体密度，从而找出鞘层曲面，并得到鞘层曲率。
2.如权利要求1所述的离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，其特征在于，在束流发散角最小时测量等离子体密度。
3.如权利要求2所述的离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，其特征在于，具体测量方法如下：
步骤一、改变外部提供的气体流率，同时利用探针多次测量离子推力器束流密度，直至得出最小发散角；
步骤二、找到最小发散角后，将探针穿过栅极小孔伸入到放电室内，利用电机移动探针，测量各点的等离子体密度；
步骤三、找出等离子体密度相等的点，且该点满足在离子束流下游相邻位置的等离子体密度发生突变；
步骤四、将符合条件的点连接起来构成一条光滑曲面，该曲面即为等离子体鞘层曲面；
步骤五、利用几何关系计算出该等离子体鞘层曲面的曲率。
4.如权利要求3所述的离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，其特征在于，利用法拉第探针测量离子推力器束流密度；采用朗缪尔探针测量等离子体密度。
5.如权利要求3所述的离子推力器等离子体鞘层曲率测量方法，其特征在于，所述步骤一还可以通过调节加速级与引出级的电场大小，使得发散角最小，第一个栅极与第二个栅极构成引出级，第二个栅极与第三个栅极构成加速级。
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