CN108181641A - 法拉第探针 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种法拉第探针，涉及航天器械技术领域，以解决现有的法拉第探针测量精度较低的技术问题。本发明所述的法拉第探针，包括：法拉第探针本体；法拉第探针本体包括：收集环、收集保护绝缘装置和保护环；收集环的外侧套设有收集保护绝缘装置，收集保护绝缘装置的外侧套设有保护环；收集保护绝缘装置与收集环过盈配合，收集保护绝缘装置与保护环间隙配合。

Description

法拉第探针
技术领域
本发明涉及航天器械技术领域，特别涉及一种法拉第探针。
背景技术
目前，离子推力器、霍尔推力器等电推力器，因其比冲高、寿命长和系统质量较小等优点而广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。准确获取电推力器真空羽流参数对评估电推力器和航天器性能是至关重要的。
其中，电推力器真空羽流是等离子体，束电流密度是等离子羽流流场的基本参数，获取束电流密度不仅可以预估流场带电粒子的数密度，进而估算羽流对航天器的力热效应和溅射污染效应，还可以作为电推进羽流数值模拟的输入和校准条件。现有技术中，通常使用法拉第探针诊断等电推进真空羽流流场的束电流密度。
具体地，法拉第探针诊断流场束电流密度遵循以下公式：j＝VRA，其中j表示束电流密度，V表示收集到的电压，R是采样电阻的阻值，A是法拉第探针收集环的有效面积。一般情况下，收集环为圆柱型结构，设计收集面积是圆柱的底面积。但现有法拉第探针设计中为保证法拉第探针收集环和保护环之间绝缘，通常收集环和保护环之间会存在一个缝隙，在测量过程中等离子会进入到这个缝隙，从而导致收集环的有效面积变为底面积和部分侧面面积，且在测量过程中有效的侧面面积一直在改变，导致探针的有效收集面积和设计收集面积不同，因此极大地影响测量精度。
因此，如何提供一种法拉第探针，能够实现有效收集面积始终保持固定(即有效收集面积始终为圆柱型收集环的底面积)，从而大幅度提高测量精度，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种法拉第探针，以解决现有的法拉第探针测量精度较低的技术问题。
本发明提供一种法拉第探针，包括：法拉第探针本体；所述法拉第探针本体包括：收集环、收集保护绝缘装置和保护环；所述收集环的外侧套设有所述收集保护绝缘装置，所述收集保护绝缘装置的外侧套设有保护环；所述收集保护绝缘装置与所述收集环过盈配合，所述收集保护绝缘装置与所述保护环间隙配合。
实际应用时，本发明所述的法拉第探针中，所述收集保护绝缘装置为由热变形量较小的陶瓷制成的凸台型结构。
其中，本发明所述的法拉第探针中，所述收集环的前段为圆柱结构，所述收集环的后段为螺纹结构，并通过六角法兰面螺母在末端实现所述法拉第探针整体结构的连接固定。
具体地，本发明所述的法拉第探针中，所述收集环的外侧还套设有保护环供电绝缘装置，且所述保护环供电绝缘装置位于所述收集保护绝缘装置与所述保护环的尾端。
进一步地，本发明所述的法拉第探针还包括：固定支撑接口；所述固定支撑接口套设在所述收集环的外侧，且位于所述保护环供电绝缘装置的尾端。
更进一步地，本发明所述的法拉第探针中，所述固定支撑接口通过固定支撑绝缘装置套设在所述收集环的外侧，且将所述固定支撑接口与所述六角法兰面螺母分离。
再进一步地，本发明所述的法拉第探针中，所述保护环供电绝缘装置和所述固定支撑绝缘装置均由陶瓷加工而成。
实际应用时，本发明所述的法拉第探针中，所述收集环采用金属钨一体成型设置。
其中，本发明所述的法拉第探针中，所述保护环设有接线槽。
具体地，本发明所述的法拉第探针中，所述固定支撑接口为通孔型结构且一体成型设置。
进一步地，本发明所述的法拉第探针中，所述固定支撑接口上还开设有四个呈矩阵分布的连接通孔。
相对于现有技术，本发明所述的法拉第探针具有以下优势：
本发明提供的法拉第探针中，包括：法拉第探针本体；法拉第探针本体包括：收集环、收集保护绝缘装置和保护环；收集环的外侧套设有收集保护绝缘装置，收集保护绝缘装置的外侧套设有保护环；收集保护绝缘装置与收集环过盈配合，收集保护绝缘装置与保护环间隙配合。由此分析可知，使用本发明提供的法拉第探针时，电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；直流电源分别为收集环和保护环提供－30V的偏置电压，使得收集环和保护环在电压作用下排斥羽流中的电子；保护环屏蔽非轴向羽流中的离子，收集环采集羽流中轴向的离子，形成离子电流；收集环采集的离子电流大小经过采样电阻后，在采样电阻两端形成电压，数据采集仪采集采样电阻的电压值；测量得到的电压值与采样电阻的阻值之比即是收集环采集的离子电流大小；通过离子电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度。综上，本发明提供的法拉第探针，能够避免因热变形、热应力或溅射而导致的收集环和保护环导通，从而实现法拉第探针有效收集面积始终保持固定(即有效收集面积始终为圆柱型收集环的底面积)，进而大幅度提高其测量精度。此外，本发明提供的法拉第探针，能够实现收集环和保护环在测量过程中始终处于绝缘状态，从而良好地保证探针的有效性。
本发明还提供一种法拉第探针，包括：法拉第探针本体和固定支撑接口；所述法拉第探针本体包括：收集环、收集保护绝缘装置、保护环、保护环供电绝缘装置、固定支撑绝缘装置和六角法兰面螺母；所述收集环的外侧套设有所述收集保护绝缘装置，所述收集保护绝缘装置的外侧套设有保护环；所述收集保护绝缘装置与所述收集环过盈配合，所述收集保护绝缘装置与所述保护环间隙配合；所述收集环的外侧还套设有保护环供电绝缘装置，且所述保护环供电绝缘装置位于所述收集保护绝缘装置与所述保护环的尾端；所述固定支撑接口通过固定支撑绝缘装置套设在所述收集环的外侧，且位于所述保护环供电绝缘装置的尾端；所述固定支撑绝缘装置将所述固定支撑接口与所述六角法兰面螺母分离；所述收集环的前段为圆柱结构，所述收集环的后段为螺纹结构，并通过所述六角法兰面螺母在末端实现所述法拉第探针整体结构的连接固定。
所述法拉第探针与上述法拉第探针相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的法拉第探针的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的法拉第探针的横向剖视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的法拉第探针中保护环的结构示意图。
图中：1－法拉第探针本体；2－固定支撑接口；101－收集环；102－收集保护绝缘装置；103－保护环；104－保护环供电绝缘装置；105－固定支撑绝缘装置；106－六角法兰面螺母。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明实施例提供的法拉第探针的结构示意图；图2为本发明实施例提供的法拉第探针的横向剖视结构示意图；图3为本发明实施例提供的法拉第探针中保护环的结构示意图。
如图1－图3所示，本发明实施例提供一种法拉第探针，包括：法拉第探针本体1；法拉第探针本体1包括：收集环101、收集保护绝缘装置102和保护环103；收集环101的外侧套设有收集保护绝缘装置102，收集保护绝缘装置102的外侧套设有保护环103；收集保护绝缘装置102与收集环101过盈配合，收集保护绝缘装置102与保护环103间隙配合。
相对于现有技术，本发明实施例所述的法拉第探针具有以下优势：
本发明实施例提供的法拉第探针中，如图1－图3所示，包括：法拉第探针本体1；法拉第探针本体1包括：收集环101、收集保护绝缘装置102和保护环103；收集环101的外侧套设有收集保护绝缘装置102，收集保护绝缘装置102的外侧套设有保护环103；收集保护绝缘装置102与收集环101过盈配合，收集保护绝缘装置102与保护环103间隙配合。由此分析可知，使用本发明实施例提供的法拉第探针时，电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；直流电源分别为收集环101和保护环103提供－30V的偏置电压，使得收集环101和保护环103在电压作用下排斥羽流中的电子；保护环103屏蔽非轴向羽流中的离子，收集环101采集羽流中轴向的离子，形成离子电流；收集环101采集的离子电流大小经过采样电阻后，在采样电阻两端形成电压，数据采集仪采集采样电阻的电压值；测量得到的电压值与采样电阻的阻值之比即是收集环101采集的离子电流大小；通过离子电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度。综上，本发明实施例提供的法拉第探针，能够避免因热变形、热应力或溅射而导致的收集环101和保护环103导通，从而实现法拉第探针有效收集面积始终保持固定(即有效收集面积始终为圆柱型收集环的底面积)，进而大幅度提高其测量精度。此外，本发明实施例提供的法拉第探针，能够实现收集环101和保护环103在测量过程中始终处于绝缘状态，从而良好地保证探针的有效性。
实际应用时，如图2所示，本发明实施例提供的法拉第探针中，收集保护绝缘装置102可以为由热变形量较小的陶瓷制成的凸台型结构。此种设计：一方面，可以实现收集保护绝缘装置102与保护环103之间存在缝隙，从而防止测量过程中因溅射产物辅盖导致的收集环101和保护环103导通；另一方面，实现收集保护绝缘装置102和收集环101的装配定位，保证收集保护绝缘装置102和收集环101过盈配合，实现收集保护绝缘装置102和收集环101表面齐平、且中间无缝隙。
其中，如图2所示，本发明实施例提供的法拉第探针中，收集环101的前段为圆柱结构，从而良好地实现收集环101与收集保护绝缘装置102的过盈配合；收集环101的后段为螺纹结构，并通过六角法兰面螺母106在末端实现法拉第探针整体结构的连接固定。
具体地，如图2所示，本发明实施例提供的法拉第探针中，收集环101的外侧还套设有保护环供电绝缘装置104，且保护环供电绝缘装置104位于收集保护绝缘装置102与保护环103的尾端。
如图2所示，收集保护绝缘装置102能够用于实现收集环101和保护环103之间的绝缘；保护环供电绝缘装置104也能够用于实现收集环101和保护环103之间的绝缘。
进一步地，如图1和图2所示，本发明实施例提供的法拉第探针还包括：固定支撑接口2；固定支撑接口2套设在收集环101的外侧，且位于保护环供电绝缘装置104的尾端。
更进一步地，如图2所示，本发明实施例提供的法拉第探针中，固定支撑接口2通过固定支撑绝缘装置105套设在收集环101的外侧，且将固定支撑接口2与六角法兰面螺母106分离。该固定支撑绝缘装置105能够用于实现法拉第探针本体1和固定支撑接口2之间的绝缘。
再进一步地，本发明实施例提供的法拉第探针中，保护环供电绝缘装置104和固定支撑绝缘装置105均由陶瓷加工而成。
现有技术中，法拉第探针的收集环通常采用钨和铜设计制成。对于高功率的电推力器，由于其能量较高，因此当钨和铜，尤其是铜，在测量过程中处于高温环境下时，会因热变形和热应力发生弯曲，当收集环的弯曲变形量超过收集环和保护环间隙宽度时，法拉第探针的收集环和保护环就会接通，导致探针失效。
实际应用时，为了有效解决上述问题，本发明实施例提供的法拉第探针中，收集环101可以采用金属钨一体成型设置。
其中，如图3所示，本发明实施例提供的法拉第探针中，保护环103设有接线槽，从而将供电导线焊接于接线槽，能够确保在复杂测量环境下的供电。并且，收集环101的供电导线可以直接焊接于其尾部。此外，保护环供电导线采用导线槽埋线方式，不仅能够增加保险系数，还能够有效提高可装配性。
具体地，如图1所示，本发明实施例提供的法拉第探针中，固定支撑接口2为通孔型结构且一体成型设置，与探针连接端通过固定支撑绝缘装置105实现与法拉第探针本体1的绝缘。
进一步地，如图1所示，本发明实施例提供的法拉第探针中，固定支撑接口2上还可以开设有四个呈矩阵分布的连接通孔，从而通过该连接通孔实现与其它装置的转配和连接。
如图1－图3所示，本发明实施例还提供的一种法拉第探针，包括：法拉第探针本体1和固定支撑接口2；法拉第探针本体1包括：收集环101、收集保护绝缘装置102、保护环103、保护环供电绝缘装置104、固定支撑绝缘装置105和六角法兰面螺母106；收集环101的外侧套设有收集保护绝缘装置102，收集保护绝缘装置102的外侧套设有保护环103；收集保护绝缘装置102与收集环101过盈配合，收集保护绝缘装置102与保护环103间隙配合；收集环101的外侧还套设有保护环供电绝缘装置104，且保护环供电绝缘装置104位于收集保护绝缘装置102与保护环103的尾端；固定支撑接口2通过固定支撑绝缘装置105套设在收集环101的外侧，且位于保护环供电绝缘装置104的尾端；固定支撑绝缘装置105将固定支撑接口2与六角法兰面螺母106分离；收集环101的前段为圆柱结构，收集环101的后段为螺纹结构，并通过六角法兰面螺母106在末端实现法拉第探针整体结构的连接固定。
使用本发明实施例提供的法拉第探针时，电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；直流电源分别为收集环101和保护环103提供－30V的偏置电压，使得收集环101和保护环103在电压作用下排斥羽流中的电子；保护环103屏蔽非轴向羽流中的离子，收集环101采集羽流中轴向的离子，形成离子电流；收集环101采集的离子电流大小经过采样电阻后，在采样电阻两端形成电压，数据采集仪采集采样电阻的电压值；测量得到的电压值与采样电阻的阻值之比即是收集环101采集的离子电流大小；通过离子电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度。综上，本发明实施例提供的法拉第探针，能够避免因热变形、热应力或溅射而导致的收集环101和保护环103导通，从而实现法拉第探针有效收集面积始终保持固定(即有效收集面积始终为圆柱型收集环的底面积)，进而大幅度提高其测量精度。此外，本发明实施例提供的法拉第探针，能够实现收集环101和保护环103在测量过程中始终处于绝缘状态，从而良好地保证探针的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种法拉第探针，其特征在于，包括：法拉第探针本体(1)；所述法拉第探针本体(1)包括：收集环(101)、收集保护绝缘装置(102)和保护环(103)；
所述收集环(101)的外侧套设有所述收集保护绝缘装置(102)，所述收集保护绝缘装置(102)的外侧套设有保护环(103)；所述收集保护绝缘装置(102)与所述收集环(101)过盈配合，所述收集保护绝缘装置(102)与所述保护环(103)间隙配合。
2.根据权利要求1所述的法拉第探针，其特征在于，所述收集保护绝缘装置(102)为由热变形量较小的陶瓷制成的凸台型结构。
3.根据权利要求1或2所述的法拉第探针，其特征在于，所述收集环(101)的前段为圆柱结构，所述收集环(101)的后段为螺纹结构，并通过六角法兰面螺母(106)在末端实现所述法拉第探针整体结构的连接固定。
4.根据权利要求3所述的法拉第探针，其特征在于，所述收集环(101)的外侧还套设有保护环供电绝缘装置(104)，且所述保护环供电绝缘装置(104)位于所述收集保护绝缘装置(102)与所述保护环(103)的尾端。
5.根据权利要求4所述的法拉第探针，其特征在于，还包括：固定支撑接口(2)；所述固定支撑接口(2)套设在所述收集环(101)的外侧，且位于所述保护环供电绝缘装置(104)的尾端。
6.根据权利要求5所述的法拉第探针，其特征在于，所述固定支撑接口(2)通过固定支撑绝缘装置(105)套设在所述收集环(101)的外侧，且将所述固定支撑接口(2)与所述六角法兰面螺母(106)分离。
7.根据权利要求6所述的法拉第探针，其特征在于，所述保护环供电绝缘装置(104)和所述固定支撑绝缘装置(105)均由陶瓷加工而成。
8.根据权利要求1所述的法拉第探针，其特征在于，所述收集环(101)采用金属钨一体成型设置。
9.根据权利要求1所述的法拉第探针，其特征在于，所述保护环(103)设有接线槽。
10.一种法拉第探针，其特征在于，包括：法拉第探针本体(1)和固定支撑接口(2)；所述法拉第探针本体(1)包括：收集环(101)、收集保护绝缘装置(102)、保护环(103)、保护环供电绝缘装置(104)、固定支撑绝缘装置(105)和六角法兰面螺母(106)；
所述收集环(101)的外侧套设有所述收集保护绝缘装置(102)，所述收集保护绝缘装置(102)的外侧套设有保护环(103)；所述收集保护绝缘装置(102)与所述收集环(101)过盈配合，所述收集保护绝缘装置(102)与所述保护环(103)间隙配合；
所述收集环(101)的外侧还套设有保护环供电绝缘装置(104)，且所述保护环供电绝缘装置(104)位于所述收集保护绝缘装置(102)与所述保护环(103)的尾端；
所述固定支撑接口(2)通过固定支撑绝缘装置(105)套设在所述收集环(101)的外侧，且位于所述保护环供电绝缘装置(104)的尾端；所述固定支撑绝缘装置(105)将所述固定支撑接口(2)与所述六角法兰面螺母(106)分离；
所述收集环(101)的前段为圆柱结构，所述收集环(101)的后段为螺纹结构，并通过所述六角法兰面螺母(106)在末端实现所述法拉第探针整体结构的连接固定。
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