CN107607464A - 一种空心阴极腐蚀速率的在线监测方法及空心阴极触持极寿命的获得方法 - Google Patents

Abstract

一种空心阴极腐蚀速率的在线监测方法及空心阴极触持极寿命的获得方法，涉及航天推进器的空心阴极寿命的评估技术，为了解决现有空心阴极腐蚀速率和触持极寿命的评估方法误差大的问题。采用两个离子能量分析仪进行采集，分别得到具有单峰和双峰的离子能量分布图，获得离子霰弹流的能量分布图，参考目标靶材的溅射数据库，得到各点溅射产额，加权平均，得出等效溅射产额，根据等效溅射产额和放电电流得到空心阴极的腐蚀速率，根据等效溅射产额得到溅射加速因子，根据加速因子获得实际耦合放电时空心阴极触持极寿命。本发明适用于在线监测空心阴极腐蚀速率及评估空心阴极触持极寿命。

Description

一种空心阴极腐蚀速率的在线监测方法及空心阴极触持极寿 命的获得方法

技术领域

本发明涉及航天推进器的空心阴极寿命的评估技术。

背景技术

等离子体推进器是一种特别适用于商业卫星位置保持、深空探测等航天任务的特种推进装置。这类任务的一个共同特点是任务周期长，于是推进装置的寿命必须也很长，甚至比传统化学推进装置要高出一个数量级。因此，寿命问题是等离子体推进重点关注的问题。

空心阴极的寿命是各类等离子体推进装置的短板。空心阴极的寿命中，触持极的寿命又特别突出。以NSTAR在轨测试结果为例，32000小时后，阴极的发射体和小孔还能工作，但触持极已经完全腐蚀不见了，最终导致整机因无法点火而停机。

触持极减寿主要来源于外部离子流的溅射。离子溅射有一个特点，就是对离子的能量和入射角度极其敏感。以氙离子溅射钼材为例(空心阴极的常见情形)，200eV、入射角为80°的离子比100eV、入射角为20°高1个数量级，比20eV、入射角为5°溅射产额高出3个数量级。这三种离子是真实存在的，他们的产生机制各不相同。第一种离子来源于推进器主体喷射的离子束流；第二种离子来源于阴极出口处的离子湍流声波，是一种特殊物理现象；第三种离子来源于阴极附近新电离出的离子。估算寿命时，如果考虑的不全，估值高低间可以相差6倍。可见，外部离子流的能量分布和方向分布影响很大，即确定离子流的各向异性情况是否准确，将直接决定阴极寿命的评估结果是否可靠。

遗憾的是，由于认识不足，一直以来估算阴极寿命都只考虑上文的第三种离子。也就是说，真实的在轨寿命可能只有纸面报告上的六分之一。显然，这隐藏着巨大的风险。特别是触持极是整机的单点失效元件，所以虽然这是一个非常局部、非常细微的问题，但必须提高到系统级别来重视。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有空心阴极腐蚀速率和触持极寿命的评估方法误差大的问题，从而提供一种空心阴极腐蚀速率的在线监测方法及空心阴极触持极寿命的获得方法。

本发明所述的一种空心阴极腐蚀速率的在线监测方法，该方法基于一种装置实现，该装置包括两个离子能量分析仪；

两个离子能量分析仪分别测量平行和垂直于空心阴极轴线方向上的离子能量分布；

该方法为：

当空心阴极和推力器均放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极和推力器均放电时的等效溅射产额γ₁；当空心阴极单独放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极单独放电时的等效溅射产额γ₂；

根据γ₁、γ₂和放电电流得到空心阴极的腐蚀速率；

步骤一、采用两个离子能量分析仪进行采集，分别得到具有单峰和双峰的离子能量分布图；

步骤二、根据离子能量分布图获得离子霰弹流的能量分布图；

步骤三、根据离子霰弹流的能量分布图中各点对应的离子入射角度θ和离子入射总能量e，参考目标靶材的溅射数据库，得到各点溅射产额，并根据离子霰弹流的能量分布图各点对应的权值进行加权平均，得出等效溅射产额。

本发明所述的一种空心阴极触持极寿命的获得方法，该方法基于一种装置实现，该装置包括两个离子能量分析仪；

两个离子能量分析仪分别测量平行和垂直于空心阴极轴线方向上的离子能量分布；

该方法为：

当空心阴极和推力器均放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极和推力器均放电时的等效溅射产额γ₁；当空心阴极单独放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极单独放电时的等效溅射产额γ₂；

根据γ₁、γ₂得到溅射加速因子α，

根据加速因子α获得空心阴极寿命：

任务目标的寿命是τ₁，则空心阴极单独放电的持续时间下限即空心阴极寿命为τ₂，τ₂＝τ₁·α·(1+δ)，δ为裕度系数；

步骤一、采用两个离子能量分析仪进行采集，分别得到具有单峰和双峰的离子能量分布图；

步骤二、根据离子能量分布图获得离子霰弹流的能量分布图；

步骤三、根据离子霰弹流的能量分布图中各点对应的离子入射角度θ和离子入射总能量e，参考目标靶材的溅射数据库，得到各点溅射产额，并根据离子霰弹流的能量分布图各点对应的权值进行加权平均，得出等效溅射产额。

本发明的空心阴极腐蚀速率在线监测方法，充分重视离子各向异性问题，采用相垂直的离子能量分析仪，各自采集离子能量分布，反算离子来流的能量和角度分布(各向异性)；从离子来流各向异性出发，加权平均溅射产额，得到腐蚀速率。本发明采用正交布置离子能量分析仪，实时反演离子来流(霰弹流)的能量和角度分布，并对不同成分离子的溅射产额进行加权，来逼近真实溅射速率，提高了腐蚀速率测量的准确性，同时能实现对腐蚀速率进行在线监测。

本发明的空心阴极触持极寿命的获得方法，采用正交布置离子能量分析仪，实时反演离子来流(霰弹流)的能量和角度分布，并对不同成分离子的溅射产额进行加权，来逼近真实溅射速率，从而提高空心阴极寿命评估的准确性。

附图说明

图1是具体实施方式一中的离子能量分析仪和空心阴极的位置示意图；

图2是具体实施方式一中的平行于空心阴极轴线的离子能量分析仪和空心阴极的位置示意图；

图3是具体实施方式二中的一个离子能量分析仪得到的离子能量分布图；

图4是具体实施方式二中的另一个离子能量分析仪得到的离子能量分布图；

图5是具体实施方式二中的空心阴极和推力器均放电时两个矩阵相乘后得到的离子霰弹流的能量分布图；

图6是具体实施方式二中的目标靶材溅射产额与离子入射总能量、入射角度的关系图；

图7是具体实施方式二中的空心阴极单独放电时两个矩阵相乘后得到的离子霰弹流的能量分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2具体说明本实施方式。

需要解决的主要问题：统计离子霰弹流能量和角度分布的主要障碍在于数学求解的合法性。

在二维空间内，离子能量可以分解x向动能e_x和y向动能e_y两部分。假设离子的能量分布是有限个能量分布的叠加，则在e_x上会投影出m个峰值{e_x1，e_x2，e_x3，……，e_xm}，在e_y上会投影出n个峰值{e_y1，e_y2，e_y3，……，e_yn}。于是在垂直的两个离子能量分析仪上会找到这m个峰值和n个峰值。这是正问题，没有疑问。问题是反问题成不成立？即，在两个垂直的能量分析仪上各找到了m和n个峰值，能不能够反推出离子有多少个能态？能不能知道各自的入射角？

该反问题的数学表述为：

存在A_m×n矩阵，已知A_m×n·1_n×1＝f_x,m×1(f_x为e_x上的峰值数列，已知)，A′_n×m·1_m×1＝f_y,n_×1(f_y为e_y上的峰值数列，已知)，求A_m×n。

整理，有

A_m×n·1_n×1·1_1×m·A_m×n＝f_x,m×1·f′_y,1×n

即，

A_m×n·1_n×m·A_m×n＝f_xy,m×n

这属于非线性代数，定解条件还不清楚。通过举反例和归纳，发现m＝1，n＝2或m＝2，n＝1时，方程有定解。即，能量分析仪包含一组双峰和一组单峰分布时，离子霰弹流的分布可以反演。

单纯从数学上，这个约束条件有些苛刻，属于“特例”，几乎没有意义。但是，在实际应用中，类似的物理情形却很多，工业需求的规模很大。在需要解决的问题中，正好可以解决阴极所受的离子霰弹流的问题。求解该“特例”，将决定卫星动力系统的研制过程是否正确，进而决定数以十亿计的整体投资是否失败。

解决方案：

方案的主要思路是将离子能量e分解为两个正交方向上的能量e_x和e_y，分别进行测量，之后再合成为总能量e。在等离子体推进装置(以霍尔推力器为例)中，需要在平行于空心阴极轴线方向和垂直于空心阴极轴线方向正交的布置两个离子能量分析仪(RetardingPotential Analyzer,RPA)，分别采集各自的离子能量分布(Ion Energy DistributionFunction,IEDF)，记为{f_x}和{f_y}(两个一维数组)。如果二者中一个呈现单峰分布，另一个呈现双峰分布，则总能量分布f_x,y(二维数组)为：

fx,y＝f′_x·f_y

该f_x,y二维数组中，根据某数据点处离子能量分量e_x和e_y值，可知其入射角度：

该数据点对应的总能量

将离子入射角度、入射总能量，参考目标靶材的溅射数据库，查得溅射产额γ_i(入射一个离子，溅射出多少个原子的统计值)。

由于RPA的扫描周期为1～5s，远远小于寿命试验中通常持续的成千上万小时，因此离子能量分析仪的采样频率足够实现在线监测。

本实施方式所述的一种空心阴极腐蚀速率的在线监测方法，该方法基于一种装置实现，该装置包括两个离子能量分析仪；

两个离子能量分析仪分别平行和垂直于空心阴极轴线，两个离子能量分析仪分别测量平行和垂直于空心阴极轴线方向上的离子能量分布；

该方法为：

当空心阴极和推力器均放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极和推力器均放电时的等效溅射产额γ₁；

当空心阴极单独放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极单独放电时的等效溅射产额γ₂；

步骤一、采用两个离子能量分析仪进行采集；

步骤二、在离子能量分布图分别具有单峰和双峰的前提下，通过两个与离子能量分布图对应的矩阵相乘，获得离子霰弹流的能量分布图；

矩阵中的元素为离子能量的概率密度，两个矩阵同时为行矩阵或列矩阵，各元素对应的离子能量由小到大依次排列，两个矩阵中相同位置的元素对应的离子能量大小相同，矩阵相乘时，其中一个矩阵进行转置，使列矩阵与行矩阵相乘，得到二维的数组，即离子霰弹流的能量分布图；

步骤三、根据离子霰弹流的能量分布图中各点对应的离子入射角度θ和离子入射总能量e，参考目标靶材的溅射数据库，得到目标靶材溅射产额与离子入射总能量、入射角度的关系数据，并根据离子霰弹流的能量分布f_x,y为权值进行加权平均，得出等效溅射产额；

步骤四、根据γ₁、γ₂和放电电流得到空心阴极的腐蚀速率。

由于等离子体放电对电极表面形状和尺寸非常敏感，寿命前期和固体严重变形的寿命后期各自的腐蚀机制可能不同，相应的离子霰弹流成分也很难相同。监测中常驻上述步骤(包括设计单独的采集、换算算法、实时显示装置等人机交互过程)，可实时跟踪主要机制变化，为后续的物理和应用研究提供数据。

图1中，1为推力器，2为空心阴极，3为垂直于空心阴极轴线的离子能量分析仪，虚线框为平行于空心阴极轴线的离子能量分析仪。

具体实施方式二：结合图3至图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种空心阴极触持极寿命的获得方法，该方法基于一种装置实现，该装置包括两个离子能量分析仪；

两个离子能量分析仪分别平行和垂直于空心阴极轴线，两个离子能量分析仪分别测量平行和垂直于空心阴极轴线方向上的离子能量分布；

该方法为：

当空心阴极和推力器均放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极和推力器均放电时的等效溅射产额γ₁；

当空心阴极单独放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极单独放电时的等效溅射产额γ₂；

步骤一、采用两个离子能量分析仪进行采集，分别得到具有单峰和双峰的离子能量分布图；

步骤二、根据离子能量分布图获得离子霰弹流的能量分布图；

步骤三、根据离子霰弹流的能量分布图中各点对应的离子入射角度θ和离子入射总能量e，结合目标靶材溅射产额表，得到各点溅射产额，并根据离子霰弹流的能量分布图各点对应的权值进行加权平均，得出空心阴极和推力器均放电时的等效溅射产额γ₁；

步骤四、由于γ₁所对应的情形一般溅射更严重，

则溅射加速因子

步骤五、根据加速因子α获得空心阴极寿命：

任务目标的寿命是τ₁，则空心阴极单独放电的持续时间下限即空心阴极寿命为τ2，τ₂＝τ₁·α·(1+δ)，δ为裕度系数，一般在下达任务时已经给定。

图3和图4为本实施方式采集到的离子能量分布图。加权平均后，得到的等效溅射产额γ₁＝0.4139，表示该情形下入射一个离子，溅射出0.4139个靶材原子。

阴极单独调试时，离子霰弹流能量分布如图7所示。它所对应的等效溅射产额γ₂＝0.0616。则加速因子如果任务规定寿命为8000小时，则阴极单独调试时，触持极需要至少耐住53760小时的工作(裕度系数假设为0)。

本发明充分重视离子各向异性问题，采用正交的离子能量分析仪，各自采集离子能量分布，反算离子来流的能量和角度分布(各向异性)；从离子来流各向异性出发，加权平均溅射产额、速率，用于寿命评估；从离子溅射产额的差异出发，确定不同工况、测试条件下的寿命实验加速因子；实时监测离子各向异性的探针布局、反算算法、数据前端交互等。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种空心阴极腐蚀速率的在线监测方法，其特征在于，该方法基于一种装置实现，该装置包括两个离子能量分析仪；

两个离子能量分析仪分别测量平行和垂直于空心阴极轴线方向上的离子能量分布；

该方法为：

当空心阴极和推力器均放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极和推力器均放电时的等效溅射产额γ₁；当空心阴极单独放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极单独放电时的等效溅射产额γ₂；

根据γ₁、γ₂和放电电流得到空心阴极的腐蚀速率；

步骤一、采用两个离子能量分析仪进行采集，分别得到具有单峰和双峰的离子能量分布图；

步骤二、根据离子能量分布图获得离子霰弹流的能量分布图；

步骤三、根据离子霰弹流的能量分布图中各点对应的离子入射角度θ和离子入射总能量e，参考目标靶材的溅射数据库，得到各点溅射产额，并根据离子霰弹流的能量分布图各点对应的权值进行加权平均，得出等效溅射产额。

2.根据权利要求1所述的一种空心阴极腐蚀速率的在线监测方法，其特征在于，步骤二中根据离子能量分布图获得离子霰弹流的能量分布图的具体过程为：

每个离子能量分布图对应一个矩阵，两个矩阵同时为行矩阵或列矩阵，矩阵中的元素为离子能量的概率密度，各元素对应的离子能量由小到大依次排列，两个矩阵中相同位置的元素对应的离子能量大小相同，矩阵相乘时，其中一个矩阵进行转置，使列矩阵与行矩阵相乘，得到二维的数组，形成离子霰弹流的能量分布图。

3.一种空心阴极触持极寿命的获得方法，其特征在于，该方法基于一种装置实现，该装置包括两个离子能量分析仪；

两个离子能量分析仪分别测量平行和垂直于空心阴极轴线方向上的离子能量分布；

该方法为：

当空心阴极和推力器均放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极和推力器均放电时的等效溅射产额γ₁；当空心阴极单独放电时，执行步骤一至三，得到空心阴极单独放电时的等效溅射产额γ₂；

根据γ₁、γ₂得到溅射加速因子α，

根据加速因子α获得空心阴极寿命：

任务目标的寿命是τ₁，则空心阴极单独放电的持续时间下限即空心阴极寿命为τ₂，τ₂＝τ₁·α·(1+δ)，δ为裕度系数；

步骤一、采用两个离子能量分析仪进行采集，分别得到具有单峰和双峰的离子能量分布图；

步骤二、根据离子能量分布图获得离子霰弹流的能量分布图；

步骤三、根据离子霰弹流的能量分布图中各点对应的离子入射角度θ和离子入射总能量e，参考目标靶材的溅射数据库，得到各点溅射产额，并根据离子霰弹流的能量分布图各点对应的权值进行加权平均，得出等效溅射产额。

4.根据权利要求3所述的一种空心阴极触持极寿命的获得方法，其特征在于，步骤二中根据离子能量分布图获得离子霰弹流的能量分布图的具体过程为：

每个离子能量分布图对应一个矩阵，两个矩阵同时为行矩阵或列矩阵，矩阵中的元素为离子能量的概率密度，各元素对应的离子能量由小到大依次排列，两个矩阵中相同位置的元素对应的离子能量大小相同，矩阵相乘时，其中一个矩阵进行转置，使列矩阵与行矩阵相乘，得到二维的数组，形成离子霰弹流的能量分布图。