CN108601189B - 圆柱形朗缪尔探针、探针组件及等离子羽流流场探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆柱形朗缪尔探针、探针组件及等离子羽流流场探测系统，涉及等离子体探测的技术领域。本发明提供的圆柱形朗缪尔探针包括：钨杆针体、护套筒体和空心锁紧杆；护套筒体和空心锁紧杆均由绝缘材料制成；钨杆针体的一端设置有针体连接柱；钨杆针体从护套筒体的第一端穿出，护套筒体中设置有与针体连接柱配合的针体定位腔；空心锁紧杆上设置有供线缆穿出的线缆通孔；空心锁紧杆插入护套筒体的第二端，并可推动针体连接柱与针体定位腔的端面抵接；空心锁紧杆与护套筒体锁紧连接。通过本发明提供的圆柱形朗缪尔探针，缓解了现有技术中的朗缪尔探针所存在的测量结果易受到干扰，测量精度较低的技术问题。

Description

圆柱形朗缪尔探针、探针组件及等离子羽流流场探测系统

技术领域

本发明涉及等离子体探测的技术领域，尤其是涉及一种圆柱形朗缪尔探针、探针组件及等离子羽流流场探测系统。

背景技术

电推力器是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式。电推力器包括离子推力器和霍尔推力器等。离子推力器和霍尔推力器等电推力器因具有比冲高、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。在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

准确获取电推力器真空羽流参数对于评估电推力器和航天器的性能是至关重要的，对优化发动机设计和提高发动机性能具有重要意义。电推力器真空羽流是等离子体，控制等离子体参数的重要前提就是能够准确的获得等离子体的各项参数。电子温度和电子数密度是等离子羽流流场的基本参数，获取电子温度和电子数密度等参数是研究等离子体性质的重要前提。

在众多的等离子体诊断手段中，朗缪尔探针以其结构简单、适用范围广和获得信息量丰富等特点，成为了等离子体诊断领域中重要的分析工具。朗缪尔探针一般分为圆球形、柱形和平板形三种，圆柱形朗缪尔探针是朗缪尔探针中的一种重要形式。将朗缪尔探针插入等离子体中，施加偏置电压，由此可以收集等离子体中的电子和离子，得到伏安特性曲线，从而得到电推力器真空羽流流场的电子温度和电子数密度等参数。

但是，现有技术中的朗缪尔探针存在测量结果易受到干扰，测量精度较低的技术问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆柱形朗缪尔探针、探针组件及等离子羽流流场探测系统，以缓解现有技术中的朗缪尔探针所存在的测量结果易受到干扰，测量精度较低的技术问题。

本发明第一方面提供一种圆柱形朗缪尔探针，本发明提供的圆柱形朗缪尔探针包括：钨杆针体、护套筒体和空心锁紧杆；护套筒体和空心锁紧杆均由绝缘材料制成；钨杆针体的一端设置有针体连接柱；钨杆针体从护套筒体的第一端穿出，护套筒体中设置有与针体连接柱配合的针体定位腔；空心锁紧杆上设置有供线缆穿出的线缆通孔；空心锁紧杆插入护套筒体的第二端，并可推动针体连接柱与针体定位腔的端面抵接；空心锁紧杆与护套筒体锁紧连接。

进一步的，本发明提供的圆柱形朗缪尔探针还包括由绝缘材料制成的支撑密封件，支撑密封件连接于护套筒体的第一端，可对钨杆针体与护套筒体的第一端的连接处进行密封。

进一步的，支撑密封件包括端盖，端盖上设置有针体穿出孔；端盖连接于护套筒体的第一端，且钨杆针体从针体穿出孔中穿过。

进一步的，支撑密封件还包括连接螺栓，连接螺栓穿过端盖，与护套筒体配合，将端盖压紧于护套筒体。

进一步的，护套筒体的第二端设置有螺纹锁紧孔，空心锁紧杆插入螺纹锁紧孔中，并与螺纹锁紧孔螺纹配合。

进一步的，本发明提供的圆柱形朗缪尔探针还包括锁紧块，锁紧块套设于空心锁紧杆外，可相对于空心锁紧杆移动，且可与护套筒体的第二端抵接。

进一步的，锁紧块与空心锁紧杆螺纹配合。

本发明第二方面提供一种探针组件，本发明提供的探针组件包括：组合连接件和多个上述的圆柱形朗缪尔探针；多个圆柱形朗缪尔探针通过组合连接件连接，并且多个圆柱形朗缪尔探针中的钨杆针体向同一方向延伸。

进一步的，组合连接件还包括连接板，连接板上设置有多个夹持通孔，夹持通孔与圆柱形朗缪尔探针相配合；圆柱形朗缪尔探针穿过夹持通孔。

本发明第三方面提供一种等离子羽流流场探测系统，本发明提供的等离子羽流流场探测系统包括：数字示波器、扫描电源和上述的圆柱形朗缪尔探针；圆柱形朗缪尔探针中的针体连接柱连接有导线，导线从圆柱形朗缪尔探针中的线缆通孔穿出，分别与数字示波器和扫描电源连接。

本发明提供的圆柱形朗缪尔探针、探针组件及等离子羽流流场探测系统，涉及等离子体探测的技术领域。本发明提供的圆柱形朗缪尔探针包括：钨杆针体、护套筒体和空心锁紧杆；护套筒体和空心锁紧杆均由绝缘材料制成；钨杆针体的一端设置有针体连接柱；钨杆针体从护套筒体的第一端穿出，护套筒体中设置有与针体连接柱配合的针体定位腔；空心锁紧杆上设置有供线缆穿出的线缆通孔；空心锁紧杆插入护套筒体的第二端，并可推动针体连接柱与针体定位腔的端面抵接；空心锁紧杆与护套筒体锁紧连接。使用本发明提供的圆柱形朗缪尔探针来对等离子体进行探测，针体连接柱连接导电的线缆，线缆从线缆通孔穿出，与扫描电源和检测装置连接；在探测时，将本发明提供的圆柱形朗缪尔探针放入待探测的等离子体中，利用钨杆针体与等离子体接触的部分进行探测。护套筒体和空心锁紧杆均由绝缘材料制成，可屏蔽等离子体，以阻止钨杆针体的被护套筒体和空心锁紧杆包裹的部分与等离子体接触，从而便于对钨杆针体与等离子体接触部分的长度进行控制，以提高探测精度。

钨杆针体上的针体连接柱与护套筒体中的针体定位腔相配合，可使钨杆针体相对于护套筒体的位置更加稳定。一方面减少钨杆针体在探测过程发生震颤，从而减小因钨杆针体震颤而引入的误差；另一方面可提高钨杆针体伸出护套筒体外的长度的精度，以进一步提高探测结果的准确性。

空心锁紧杆将针体连接柱压紧，使针体连接柱与针体定位腔配合更加紧密牢靠。与针体连接柱连接的线缆，从线缆通孔中穿出；空心锁紧杆可起到绝缘的作用，阻隔等离子体与线缆接触，减小对探测结果的干扰。

另外，本发明提供的圆柱形朗缪尔探针，通过针体连接柱与针体定位腔配合，空心锁紧杆压紧针体连接柱的方式，将钨杆针体连接到护套筒体。这样，便于钨杆针体与护套筒体之间进行拆装，从而便于更换不同的钨杆针体，以调整探测条件，有利于利用本发明提供的圆柱形朗缪尔探针进行多种情况下的探测实验。

综上所述，通过本发明提供的圆柱形朗缪尔探针，缓解了现有技术中的朗缪尔探针所存在的测量结果易受到干扰，测量精度较低的技术问题。

所述的探针组件及等离子羽流流场探测系统与上述的圆柱形朗缪尔探针相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

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圆柱形朗缪尔探针的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针第一种实施方式的剖视图；

图3为本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针第二种实施方式的剖视图；

图4为本发明实施例提供的探针组件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的等离子羽流流场探测系统的结构连接图。

图标：01-钨杆针体；011-针体连接柱；02-护套筒体；03-空心锁紧杆；041-端盖；042-连接螺栓；05-锁紧块；06-调整垫块；07-连接板；11-圆柱形朗缪尔探针；12-扫描电源；13-数字示波器。

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。

本发明实施例第一方面提供一种圆柱形朗缪尔探针，请参照图1和图2，本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针包括：钨杆针体01、护套筒体02和空心锁紧杆03；护套筒体02和空心锁紧杆03均由绝缘材料制成；钨杆针体01的一端设置有针体连接柱011；钨杆针体01从护套筒体02的第一端穿出，护套筒体02中设置有与针体连接柱011配合的针体定位腔；空心锁紧杆03上设置有供线缆穿出的线缆通孔；空心锁紧杆03插入护套筒体02的第二端，并可推动针体连接柱011与针体定位腔的端面抵接；空心锁紧杆03与护套筒体02锁紧连接。

具体地，使用本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针来对等离子体进行探测，针体连接柱011连接有导电的线缆，线缆从线缆通孔穿出，与提供检测装置和扫描电压的电源连接；在探测时，将本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针放入待探测的等离子体中，利用钨杆针体01与等离子体接触的部分进行探测。护套筒体02和空心锁紧杆03均由绝缘材料制成，可屏蔽等离子体，以阻止钨杆针体01的被护套筒体02和空心锁紧杆03包裹的部分与等离子体接触，从而便于对钨杆针体01与等离子体接触部分的长度进行控制，以提高探测精度。

钨杆针体01上的针体连接柱011与护套筒体02中的针体定位腔相配合，可使钨杆针体01相对于护套筒体02的位置更加稳定。一方面减少钨杆针体01在探测过程发生震颤，从而减小因钨杆针体01震颤而引入的误差；另一方面可提高钨杆针体01伸出护套筒体02外的长度的精度，以进一步提高探测结果的准确性。

空心锁紧杆03将针体连接柱011压紧，使针体连接柱011与针体定位腔配合更加紧密牢靠。与针体连接柱011连接的线缆，从线缆通孔中穿出；空心锁紧杆03可起到绝缘的作用，阻隔等离子体与线缆接触，减小对探测结果的干扰。

另外，本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针，通过针体连接柱011与针体定位腔配合，空心锁紧杆03压紧针体连接柱011的方式，将钨杆针体01连接到护套筒体02。这样，便于钨杆针体01与护套筒体02之间进行拆装，从而便于更换不同的钨杆针体01，以调整探测条件，适应不同的探测需要，有利于利用本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针进行多种情况下的探测实验。

在一些实施例中，针体连接柱011朝向空心锁紧杆03的一端设置有焊接面，导电的线缆焊接于焊接面，实现与钨杆针体01电连接。

在一些实施例中，钨杆针体01包括探针部和针体连接柱011，探针部和针体连接柱011均为圆柱形；针体连接柱011连接于探针部的一端，探针部的另一端伸出护套筒体02。探针部与针体连接柱011为一体结构。

在一些实施例中，护套筒体02的第一端设置有供钨杆针体01穿出的第一通孔；第一通孔的内壁与钨杆针体01的外壁之间设置有空隙，以便于钨杆针体01从第一通孔中穿过，便于钨杆针体01的安装和拆卸。

在一些实施例中，绝缘材料采用陶瓷。

在一些实施例中，请参照图3，本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针还包括调整垫块06，调整垫块06套设于钨杆针体01的探针部，并且设置于针体连接柱011远离空心锁紧杆03的一端；调整垫块06的两端分别与针体连接柱011和针体定位腔的端面抵接。通过调整垫块06，可以对钨杆针体01伸出护套筒体02的长度进行调整；更换不同厚度的调整垫块06，可实现对钨杆针体01与等离子体接触的部分的长度进行控制。

进一步的，本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针还包括由绝缘材料制成的支撑密封件，支撑密封件连接于护套筒体02的第一端，可对钨杆针体01与护套筒体02的第一端的连接处进行密封。

具体地，钨杆针体01从支撑密封件穿出，支撑密封件一方面可减小钨杆针体01与护套筒体02的连接处的缝隙，阻止等离子体进入护套筒体02中，阻隔钨杆针体01位于护套筒体02中的部分与等离子体接触；另一方面对钨杆针体01起到支撑的作用，减少钨杆针体01震颤。

进一步的，请参照图1-图3，支撑密封件包括端盖041，端盖041上设置有针体穿出孔；端盖041连接于护套筒体02的第一端，且钨杆针体01从针体穿出孔中穿过。

具体地，端盖041采用热变形量小于钨杆针体01的绝缘材料制成。待探测的等离子体的温度一般高于常温。在常温时，钨杆针体01可自由穿过针体穿出孔。当将本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针放置到待探测的等离子体中时，钨杆针体01和端盖041均受热膨胀，钨杆针体01的受热膨胀量大于端盖041的受热膨胀量，钨杆针体01与针体穿出孔的内壁之间连接更加紧密。这样，使得钨杆针体01连接更加牢固，相对于护套筒体02的位置更加稳定，进一步减少震颤；并且进一步提高连接处的密封性，减少等离子体进入护套筒体02中。

在一些实施例中，端盖041采用陶瓷制成。

进一步的，支撑密封件还包括连接螺栓042，连接螺栓042穿过端盖041，与护套筒体02配合，将端盖041压紧于护套筒体02。

具体地，支撑密封件包括两个连接螺栓042，两个连接螺栓042分布于钨杆针体01的两侧。

在一些实施例中，连接螺栓042采用陶瓷制成。

进一步的，护套筒体02的第二端设置有螺纹锁紧孔，空心锁紧杆03插入螺纹锁紧孔中，并与螺纹锁紧孔螺纹配合。

具体地，空心锁紧杆03的外壁设置有与螺纹锁紧孔配合的外螺纹。通过空心锁紧杆03，可将钨杆针体01压紧。

进一步的，本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针还包括锁紧块05，锁紧块05套设于空心锁紧杆03外，可相对于空心锁紧杆03移动，且可与护套筒体02的第二端抵接。

具体地，使用本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针进行探测时，将本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针安装到固定工装上。固定工装上设置有固定通孔，固定通孔的内径与空心锁紧杆03的外径相配合。使空心锁紧杆03穿过固定通孔，固定工装的一侧与护套筒体02的第二端抵接，另一侧与锁紧块05抵接；通过驱动锁紧块05，将固定工装夹紧，从而实现将本发明实施例提供的圆柱形朗缪尔探针固定于固定工装上。

进一步的，锁紧块05与空心锁紧杆03螺纹配合。

具体地，锁紧块05的内腔与空心锁紧杆03的外壁设置有相配合的螺纹。

在一些实施例中，锁紧块05采用六角螺母。

在一些实施例中，锁紧块05采用陶瓷制成。

本发明实施例第二方面提供一种探针组件，本发明实施例提供的探针组件包括：组合连接件和多个上述的圆柱形朗缪尔探针；多个圆柱形朗缪尔探针通过组合连接件连接到一起，并且多个圆柱形朗缪尔探针中的钨杆针体01向同一方向延伸。

具体地，各个圆柱形朗缪尔探针的针体连接柱011分别通过导线连接提供扫描电压的电源和检测装置，可在测量时获得更丰富完整的数据，提高探测的精度。

进一步的，组合连接件还包括连接板07，连接板07上设置有多个夹持通孔，夹持通孔与圆柱形朗缪尔探针相配合；圆柱形朗缪尔探针穿过夹持通孔。

具体地，夹持通孔与空心锁紧杆03的外壁配合；通过锁紧块05，将圆柱形朗缪尔探针固定到连接板07上。

通过连接板07，便于对相邻两个圆柱形朗缪尔探针之间的距离进行控制，有利于提高探测精度。

在一些实施例中，本发明实施例提供的探针组件包括两个圆柱形朗缪尔探针。

在一些实施例中，请参照图4，本发明实施例提供的探针组件包括三个圆柱形朗缪尔探针。

在一些实施例中，连接板07还设置有与固定工装连接的连接结构。

作为另一种实施方式，组合连接件包括箍紧套，本发明实施例提供的探针组件包括三个圆柱形朗缪尔探针；箍紧套套设于三个圆柱形朗缪尔探针的护套筒体02外，从而将三个圆柱形朗缪尔探针锁紧在一起。

本发明实施例第三方面提供一种等离子羽流流场探测系统，请参照图5，本发明实施例提供的等离子羽流流场探测系统包括：数字示波器13、扫描电源12和上述的圆柱形朗缪尔探针11；圆柱形朗缪尔探针11中的针体连接柱011连接有导线，导线从圆柱形朗缪尔探针11中的线缆通孔穿出，分别与数字示波器13和扫描电源12连接。

具体地，扫描电源12可提供从负电势扫描到正电势的电压，并且该扫描涵盖离子饱和电流和电子饱和电流。通过本发明实施例提供的等离子羽流流场探测系统，对钨杆针体01施加扫描电压，收集等离子体中的电子电流和离子电流；得到伏安特性曲线。通过薄鞘层理论或者柴尔德鞘层理论，可计算得到电子温度和电子数密度。

最后应说明的是：本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可；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；在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。而这些修改、替换或者组合，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 (9)

1.一种圆柱形朗缪尔探针，其特征在于，包括：钨杆针体、护套筒体和空心锁紧杆；所述护套筒体和所述空心锁紧杆均由绝缘材料制成；

所述钨杆针体的一端设置有针体连接柱；

所述钨杆针体从所述护套筒体的第一端穿出，所述护套筒体中设置有与所述针体连接柱配合的针体定位腔；

所述空心锁紧杆上设置有供线缆穿出的线缆通孔；所述空心锁紧杆插入所述护套筒体的第二端，并可推动所述针体连接柱与所述针体定位腔的端面抵接；所述空心锁紧杆与所述护套筒体锁紧连接；

所述圆柱形朗缪尔探针还包括由绝缘材料制成的支撑密封件，所述支撑密封件连接于所述护套筒体的第一端，可对所述钨杆针体与所述护套筒体的第一端的连接处进行密封。

2.根据权利要求1所述的圆柱形朗缪尔探针，其特征在于，所述支撑密封件包括端盖，所述端盖上设置有针体穿出孔；

所述端盖连接于所述护套筒体的第一端，且所述钨杆针体从所述针体穿出孔中穿过。

3.根据权利要求2所述的圆柱形朗缪尔探针，其特征在于，所述支撑密封件还包括连接螺栓，所述连接螺栓穿过所述端盖，与所述护套筒体配合，将所述端盖压紧于所述护套筒体。

4.根据权利要求1所述的圆柱形朗缪尔探针，其特征在于，所述护套筒体的第二端设置有螺纹锁紧孔，所述空心锁紧杆插入所述螺纹锁紧孔中，并与所述螺纹锁紧孔螺纹配合。

5.根据权利要求1所述的圆柱形朗缪尔探针，其特征在于，所述圆柱形朗缪尔探针还包括锁紧块，所述锁紧块套设于所述空心锁紧杆外，可相对于所述空心锁紧杆移动，且可与所述护套筒体的第二端抵接。

6.根据权利要求5所述的圆柱形朗缪尔探针，其特征在于，所述锁紧块与所述空心锁紧杆螺纹配合。

7.一种探针组件，其特征在于，包括：组合连接件和多个如权利要求1-6任一项所述的圆柱形朗缪尔探针；多个所述圆柱形朗缪尔探针通过所述组合连接件连接，并且多个所述圆柱形朗缪尔探针中的钨杆针体向同一方向延伸。

8.根据权利要求7所述的探针组件，其特征在于，所述组合连接件还包括连接板，所述连接板上设置有多个夹持通孔，所述夹持通孔与所述圆柱形朗缪尔探针相配合；所述圆柱形朗缪尔探针穿过所述夹持通孔。

9.一种等离子羽流流场探测系统，其特征在于，包括：数字示波器、扫描电源和如权利要求1-6任一项所述的圆柱形朗缪尔探针；

所述圆柱形朗缪尔探针中的针体连接柱连接有导线，所述导线从所述圆柱形朗缪尔探针中的线缆通孔穿出，分别与所述数字示波器和所述扫描电源连接。