CN108318572A - 电推力器空间羽流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电推力器空间羽流检测装置，属于电推进器等离子体测量领域，该电推力器空间羽流检测装置包括底座、法拉第探针、电场发生片和接地金属片；法拉第探针与底座相连接；电场发生片和接地金属片分别与底座相连接，电场发生片和接地金属片之间能够产生电场，法拉第探针位于底座和电场发生片、接地金属片围成的空间内；电场发生片和接地金属片之间产生的电场能够屏蔽非轴向入射离子以及低速入射粒子，以使法拉第探针能够能到精确空间束电流密度。

Description

电推力器空间羽流检测装置

技术领域

本发明涉及电推进器等离子体测量领域，具体涉及一种电推力器空间羽流检测装置。

背景技术

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。

电推力器真空羽流是等离子体，主要包含离子、电子和中性气体分子等，得到羽流中束电流密度分布是评估电推力器寿命及其羽流效应的重要指标，法拉第探针是测量空间离子密度分布的一种简易手段及方法。

裸露式法拉第探针在空间羽流中接收的离子必来自多个方向，但得到轴向束电流密度才是法拉第探针的设计目的。消除非轴向的束电流密度有许多手段，其中最简单的方式为套筒型法拉第探针，但考虑到在狭小长管中粒子间碰撞产生的影响，套筒型法拉第探针并不是一个理想的解决办法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电推力器空间羽流检测装置，该电推力器空间羽流检测装置中，利用电场发生片和接地金属片之间产生的电场能够将入射粒子中的非轴向离子以及低速入射离子进行屏蔽，从而使轴向入射粒子进入磁场并受力偏转后打在法拉第探针的安装位置，使法拉第探针能够能到精确空间束电流密度。

基于上述目的，本发明提供的电推力器空间羽流检测装置，包括：底座、法拉第探针、电场发生片和接地金属片；

所述法拉第探针与所述底座相连接；

所述电场发生片和接地金属片分别与所述底座相连接，所述电场发生片和接地金属片之间能够产生电场，所述法拉第探针位于所述底座和所述电场发生片、接地金属片围成的空间内；

所述电场发生片和接地金属片之间产生的电场能够屏蔽非轴向入射离子以及低速入射粒子，以使所述法拉第探针能够能到精确空间束电流密度。

上述的电推力器空间羽流检测装置中，电场发生片和接地金属片之间能够产生电场，该电场能够使轴向离子进入磁场后受力偏转并打在法拉第探针的安装位置，同时，能够利用该电场使非轴向离子及低速入射离子偏转后不被法拉第探针采集到，从而提高法拉第探针测量精度。

进一步的，所述电场发生片包括第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和第二金属片形成L形，所述第一金属片连接所述底座。

电场发生片用以接触负偏置电压，以与接地金属片之间产生电场。

进一步的，所述接地金属片包括第三金属片和第四金属片，所述第三金属片和第四金属片形成L形，所述第三金属片连接所述底座。

接地金属片用以接地，以与电场发生片之间产生电场。

进一步的，所述电场发生片和所述接地金属片相对设置，形成U形结构，所述第二金属片和第四金属片之间具有用以通过入射离子的轴线垂直于电场的入射孔。

上述入射孔的设置，能够通过入射孔向垂直于电场的方向输入入射离子，从而利用电场对非轴向离子及低速入射离子进行屏蔽，保障法拉第探针的测量精度。

进一步的，所述法拉第探针与所述底座可拆卸连接。

法拉第探针与底座采用可拆卸连接方式，方便对法拉第探针进行位置调整及更换，提高使用的便捷性。

进一步的，所述底座包括第一支撑座和第二支撑座，所述第一支撑座的同一端面的两侧分别设置连接所述第二支撑座，并且，所述第二支撑座分别位于所述法拉第探针的两侧位置。

进一步的，所述第一支撑座上设置第一安装槽，所述第一安装槽贯穿所述第一支撑座，所述法拉第探针的连接杆能够与所述第一安装槽可拆卸连接。

由于法拉第探针的安装位置需要根据离子带电量、电场强度、离子运动速度、粒子质量等各参数确定，并且，法拉第探针的连接杆能够与第一安装槽可拆卸连接，因此，第一安装槽的设置可以满足法拉第探针的位置调整需求。

进一步的，所述第二支撑座具有第二安装槽，所述第一金属片和所述第三金属片能够与相对应的所述第二安装槽可拆卸连接。

第一金属片和所述第三金属片分别与第二安装槽采用可拆卸连接方式，方便对电场发生片和接地金属片进行更换，提高使用的便捷性。

进一步的，所述第一金属片和第三金属片伸入至第二安装槽的部分设置用以容纳螺钉的限位槽。

进一步的，所述法拉第探针采用裸露式探针。

有益效果：

本发明提供的电推力器空间羽流检测装置包括底座、法拉第探针、电场发生片和接地金属片；法拉第探针与所述底座相连接；电场发生片和接地金属片分别与所述底座相连接，电场发生片和接地金属片之间能够产生电场，法拉第探针位于所述底座和所述电场发生片、接地金属片围成的空间内；电场发生片和接地金属片之间产生的电场能够屏蔽非轴向入射离子以及低速入射粒子，以使法拉第探针能够能到精确空间束电流密度。

上述的电推力器空间羽流检测装置中，电场发生片和接地金属片之间能够产生电场，该电场能够使轴向离子进入磁场后受力偏转并打在法拉第探针的安装位置，同时，能够利用该电场使非轴向离子及低速入射离子偏转后不被法拉第探针采集到，从而提高法拉第探针测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电推力器空间羽流检测装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电推力器空间羽流检测装置中，电场发生片和接地金属片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电推力器空间羽流检测装置的内部构件结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电推力器空间羽流检测装置的工作原理图。

图标：100-底座；101-第一支撑座；102-第二支撑座；103-第一安装槽；104-第二安装槽；200-法拉第探针；300-电场发生片；301-第一金属片；302-第二金属片；400-接地金属片；401-第三金属片；402-第四金属片；403-限位槽；404-垫圈；500-入射孔；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的一种电推力器空间羽流检测装置，利用电场做用力来屏蔽非轴向入射以及低速轴向入射离子，空间中带电粒子受力位移遵循下式:

式中，S_ion为离子位移，q表示离子带电量，E表示磁场强度，Vion为离子运动速度，d表示离子在空间中从进入电场到法拉第探针收集面所经过的距离，m表示粒子质量。在设计本产品时，根据上述各参数得到轴向入射离子的偏转位移，并调整裸露式法拉第探针与入射中轴线的偏心距，即可得到轴向入射的束电流密度。

请参照图1-图3所示；本发明实施例中提供的电推力器空间羽流检测装置包括：底座100、法拉第探针200、电场发生片300和接地金属片400；

法拉第探针200与底座100相连接；

电场发生片300和接地金属片400分别与底座100相连接，电场发生片300和接地金属片400之间能够产生电场，法拉第探针200位于底座100和电场发生片300、接地金属片400围成的空间内；

电场发生片300和接地金属片400之间产生的电场能够屏蔽非轴向入射离子以及低速入射粒子，以使法拉第探针200能够能到精确空间束电流密度。

上述的电推力器空间羽流检测装置中，电场发生片300和接地金属片400之间能够产生电场，该电场能够使轴向离子进入磁场后受力偏转并打在法拉第探针200的安装位置，同时，能够利用该电场使非轴向离子及低速入射离子偏转后不被法拉第探针200采集到，从而提高法拉第探针200测量精度。

请参照图2，本发明的优选实施方案中，上述的电场发生片300包括第一金属片301和第二金属片302，第一金属片301和第二金属片302形成L形，第一金属片301连接底座100。电场发生片300用以连接负偏置电压，以与接地金属片400之间产生电场。

本发明的优选实施方案中，接地金属片400包括第三金属片401和第四金属片402，第三金属片401和第四金属片402形成L形，第三金属片401连接底座100。接地金属片400用以接地，以与电场发生片300之间产生电场。

具体实施时，电场发生片300和接地金属片400相对设置，形成U形结构，第二金属片302和第四金属片402之间具有用以通过入射离子的轴线垂直于电场的入射孔500。

上述入射孔500的设置，能够通过入射孔500向垂直于电场的方向输入入射离子，从而利用电场对非轴向离子及低速入射离子进行屏蔽，保障法拉第探针200的测量精度。

这里需要说明的是，本实施例中的上述入射孔500是第二金属片302和第四金属片402上的半圆孔共同组成，本领域技术人员在实际应用时，还可以在第二金属片302上单独开设入射孔500或者在第四金属片402上单独开设入射孔500，以上方式均能够实现向电场中通入入射粒子的使用需要。

请参照图3，本发明的优选实施方案中，法拉第探针200与底座100可拆卸连接。

法拉第探针200与底座100采用可拆卸连接方式，方便对法拉第探针200进行位置调整及更换，提高使用的便捷性。

本发明的优选实施方案中，底座100包括第一支撑座101和第二支撑座102，第一支撑座101优选设置为长方体或正方体，第一支撑座101的同一端面的两侧分别设置连接第二支撑座102，并且，第二支撑座102分别位于法拉第探针200的两侧位置。

本发明的一个优选实施方案中，第一支撑座101优选采用陶瓷材质，第一支撑座101上设置第一安装槽103，第一安装槽103贯穿第一支撑座101，法拉第探针200的连接杆能够与第一安装槽103可拆卸连接。

由于法拉第探针200的安装位置需要根据离子带电量、电场强度、离子运动速度、粒子质量等各参数确定，并且，法拉第探针200的连接杆能够与第一安装槽103可拆卸连接，因此，第一安装槽103的设置可以满足法拉第探针200的位置调整需求。

本发明的一个优选实施方案中，第二支撑座102优选采用不锈钢材质，第二支撑座102具有第二安装槽104，第一金属片301和第三金属片401能够与相对应的第二安装槽104可拆卸连接。

具体实施时，第一金属片301和第三金属片401伸入至第二安装槽104的部分设置用以容纳螺栓的限位槽403，螺栓能够穿过第二安装槽104与相对应的第一金属片301或第二金属片302的限位槽403相卡接。

并且，用于锁紧第一金属片301的螺栓还用于缠绕负偏置电压导线，以使电场发生片300能够产生负偏置电压。

用于锁紧第三金属片401的螺栓还用于缠绕接地导线，以使接地金属片400能够接地。

第一金属片301和第三金属片401分别与第二安装槽104采用可拆卸连接方式，方便对电场发生片300和接地金属片400进行更换，提高使用的便捷性。

此外，该螺栓与第一金属片301、第二金属片302之间还设置有垫圈404。

本发明的优选实施方案中，法拉第探针200采用裸露式探针。

本发明提供的电推力器空间羽流检测装置的装配过程如下：

首先将第一支撑座101和第二支撑座102通过螺栓连接，并将固定螺栓及负偏置电压导线、另一个固定螺栓及接地导线半锁入不锈钢的第二支撑座102中，准备进行电场发生片300(负偏置电压金属片)、接地金属片400的固定，再将裸露式法拉第探针200依照实验需求固定在第一支撑座101中的第一安装槽103上。

将电场发生片300、接地金属片400分别插入相对应的不锈钢的第二支撑座102中，确认两个金属片没有发生接触短路，即可将螺栓及负偏置电压导线、另一个固定螺栓及接地导线分别缠绕上负偏置电压导线及接地线后锁紧，并确保固定螺栓及负偏置电压导线、另一个固定螺栓及接地导线卡入负偏置电压金属片、接地金属片400的限位槽403中，以完成装配。

请参照图4，本发明提供的电推力器空间羽流检测装置的工作流程为：

1、电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；

2、直流电源分别为电场发生片300(负偏置电压金属片)和裸露式法拉第探针200提供-15V的偏置电压，接地金属片400接地；

3、在真空羽流流场中接地金属片400及负偏置电压金属片形成的电场屏蔽非轴向入射离子及速度过低的入射离子，进而使法拉第探针200得到精确的空间束电流密度。

4、通过电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度。

本发明提供的上述的电推力器空间羽流检测装置，相对于现有技术，具有以下特点：利用电场发生片、接地金属片产生的电场将部分非轴向离子和低速的离子屏蔽，从而使法拉第探针达到较高的测量精度；还能够根据实验需求对法拉第探针的偏心距进行调整。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，包括：底座、法拉第探针、电场发生片和接地金属片；

所述法拉第探针与所述底座相连接；

所述电场发生片和接地金属片分别与所述底座相连接，所述电场发生片和接地金属片之间能够产生电场，所述法拉第探针位于所述底座和所述电场发生片、接地金属片围成的空间内；

所述电场发生片和接地金属片之间产生的电场能够屏蔽非轴向入射离子以及低速入射粒子，以使所述法拉第探针能够能到精确空间束电流密度。

2.根据权利要求1所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述电场发生片包括第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和第二金属片形成L形，所述第一金属片连接所述底座。

3.根据权利要求2所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述接地金属片包括第三金属片和第四金属片，所述第三金属片和第四金属片形成L形，所述第三金属片连接所述底座。

4.根据权利要求3所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述电场发生片和所述接地金属片相对设置，形成U形结构，所述第二金属片和第四金属片之间具有用以通过入射离子的轴线垂直于电场的入射孔。

5.根据权利要求1所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述法拉第探针与所述底座可拆卸连接。

6.根据权利要求4所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述底座包括第一支撑座和第二支撑座，所述第一支撑座的同一端面的两侧分别设置连接所述第二支撑座，并且，所述第二支撑座分别位于所述法拉第探针的两侧位置。

7.根据权利要求6所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述第一支撑座上设置第一安装槽，所述第一安装槽贯穿所述第一支撑座，所述法拉第探针的连接杆能够与所述第一安装槽可拆卸连接。

8.根据权利要求6所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述第二支撑座具有第二安装槽，所述第一金属片和所述第三金属片能够与相对应的所述第二安装槽可拆卸连接。

9.根据权利要求8所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述第一金属片和第三金属片伸入至第二安装槽的部分设置用以容纳螺钉的限位槽。

10.根据权利要求1所述的电推力器空间羽流检测装置，其特征在于，所述法拉第探针采用裸露式探针。