CN108645624A - 基于磁偏转的电推进羽流沉积效应测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁偏转的电推进羽流沉积效应测量装置，包括QCM污染测量传感器，N极磁铁和S极磁铁，QCM安装支架和前挡板支架，以及两侧支板，其中三组平行设置的部件相互连接形成封闭的测量室，QCM污染测量传感器设置在安装支架上，两磁铁分布在测量室上下，所述前挡板中间设置有测量限制孔，该孔大小通过QCM测量有效面积和被测推力器视野连线与前挡板的交点确定，保证测量限制孔通过推力器来流的沉积污染物，带电粒子通过限制孔后，在磁场的作用下向外侧偏转，磁场不会改变粒子的能量，轰击在右侧支板上。本发明可以有效过滤到返流的CEX离子对测试基材的溅射作用，且采用磁偏转不会增加CEX的能量，同时在右侧支板安装石墨防溅射材料，大大减小二次溅射对污染测量的影响。

Description

基于磁偏转的电推进羽流沉积效应测量装置
技术领域
本发明涉及一种基于磁偏转的电推进羽流沉积效应的测量装置，属于电推进羽流污染效应测量技术领域，具体涉及一种测量电推进羽流沉积污染分布的实验测量装置。
背景技术
电推进羽流会对航天器造成力、热、溅射、沉积污染、充放电等效应。其中沉积污染效应主要指电推力器本身的溅射产物(离子推力器的栅极Mo，霍尔推力器的放电通道BN)沉积到太阳电池片、光学镜头等光学仪器上从而导致的太阳功率下降、镜头模糊等一系列的问题。有研究表明，仅仅几艾米的沉积厚度，就会对太阳电池的功率造成严重的影响，降幅可达50％之多。然而，电推进的沉积污染效应还不同于化学推进，化学推进的沉积污染物多见为气相沉积和液相沉积，这些污染物有的在阳光的照射下会挥发，而电推进的沉积污染物如离子推力器的Mo元素、霍尔推力器的B元素则是固态沉积，一般不会挥发。因此电推力器沉积污染的研究对航天器的设计及技术评估有重要的意义。
然而，目前对电推力器的沉积污染的仿真研究还不成熟，目前常用的电推力器羽流输运算法PIC-DSMC算法中，沉积污染的初始分布还是采用简单的余弦分布代替的。因此，采用实验方法得到沉积污染物的分布规律是研究电推进羽流污染的一个关键问题。目前，国内外对污染分布的测量一般都是采用添加套筒的方式来屏蔽干扰污染物对实验结果的影响，但是套筒并不能对来流的高速离子产生影响，并且该部分的高速离子还会对测试基材(玻璃片或QCM等)及其上面沉积的污染物造成溅射，严重影响实验结果的正确性。因此，需要一种过滤掉带电离子(主要是交换电荷CEX离子)对测试基材溅射的实验技术及实验方法。本发明就是针对电推进污染分布的测量提供了一种电推进羽流沉积污染分布的实验测量装置。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于磁偏转的电推进羽流沉积效应测量装置，该测量装置可以有效过滤到返流的CEX离子对测试基材的溅射作用，而对中性的可凝沉积物没有影响，因此可以更精确的测量电推进羽流污染的分布规律。
本发明采用了如下的技术方案：
本发明的基于磁偏转的电推进羽流沉积效应测量装置，包括QCM污染测量传感器，平行相对设置的N极磁铁和S极磁铁，平行相对设置的QCM安装支架和前挡板支架，以及平行相对设置的左侧支板和右侧支板，其中三组平行设置的部件相互连接形成封闭的测量室，其中，QCM污染测量传感器设置在安装支架上，N极磁铁和S极磁铁分布在测量室上下，所述前挡板中间设置有测量限制孔，该孔大小通过QCM测量有效面积和被测推力器视野连线与前挡板的交点确定，保证测量限制孔通过推力器来流的沉积污染物，同时阻挡其他方向来的干扰物；所述右侧支板为主要承担带电粒子偏转轰击的侧板，其内表面添加防溅射石墨片，用于承受来流的CEX的轰击，带电粒子通过限制孔后，在磁场的作用下向外侧偏转，磁场不会改变粒子的能量，轰击在右侧支板上。
其中，整个测量装置进行接地处理，避免电荷积累。
其中，中性的可凝沉积物自由地穿过磁场区域到达QCM测量表面，因此在有效过滤CEX离子的同时，而不影响中性可凝沉积物的测量。
本发明通过对测量沉积效应的QCM前端添加磁偏转装置，可以有效过滤到返流的CEX离子对测试基材的溅射作用，同时对中性的可凝沉积物没有影响，能够较为精确地测量电推进羽流沉积污染效应的空间分布；且采用磁偏转不会增加CEX的能量，同时在右侧支板安装石墨防溅射材料，大大减小二次溅射对污染测量的影响。此外，本发明具有系统搭建简单，不需要昂贵的复杂设备，相对经济的优点。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的基于磁偏转的电推进羽流沉积效应测量装置整体结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的基于磁偏转的电推进羽流沉积效应测量装置工作过程示意图；
其中：101-N极磁铁；102-S极磁铁；103-QCM安装支架；104-前挡板支架；104a-测量限制孔；105-左侧支板；106-右侧支板；106a-防溅射石墨；
201-CEX离子示意；301-QCM。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的具体实施方式进行进一步地说明，这些具体实施方式仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
本发明基于磁偏转的电推进羽流沉积效应的实验测量装置，包括N极磁铁101、S极磁铁102、QCM安装支架103、前挡板支架104、左侧支板105、右侧支板106、QCM301组成，如图1所示。
其中QCM301为污染测量的主要传感器，安装在支架103上，N极磁铁101和S极磁铁102分布在测量室上下，左侧侧板105和右侧侧板106以及前挡板连接形成封闭的测量室。
所述前挡板104中间有测量限制孔104a，该孔大小需要通过QCM测量有效面积和被测推力器视野连线与前挡板104的交点确定。保证104a可以通过推力器来流的沉积污染物，同时阻挡其他方向来的干扰物。
所述右侧支板106为主要承担带电粒子偏转轰击的侧板，如图2所示。106内表面添加防溅射石墨片106a，用于承受来流的CEX的轰击。带电粒子通过104a后，在磁场的作用下向图2所示的外侧偏转，磁场不会改变粒子的能量，轰击在右侧支板106上，由于石墨溅射阈值比较高(ˉ100eV)，对于CEX离子而言(其能量取决于空间电位，一般在5ˉ20eV)其一般不会对石墨产生溅射作用，另外整个装置接地处理，避免电荷积累。与此同时，中性的可凝沉积物可以自由的穿过磁场区域到达QCM测量表面，因此该装置可以有效过滤CEX离子，而不影响中性可凝沉积物的测量。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明技术方案的限制，相关技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.基于磁偏转的电推进羽流沉积效应测量装置，包括QCM污染测量传感器，平行相对设置的N极磁铁和S极磁铁，平行相对设置的QCM安装支架和前挡板支架，以及平行相对设置的左侧支板和右侧支板，其中三组平行设置的部件相互连接形成封闭的测量室，其中，QCM污染测量传感器设置在安装支架上，N极磁铁和S极磁铁分布在测量室上下，所述前挡板中间设置有测量限制孔，该孔大小通过QCM测量有效面积和被测推力器视野连线与前挡板的交点确定，保证测量限制孔通过推力器来流的沉积污染物，同时阻挡其他方向来的干扰物；所述右侧支板为主要承担带电粒子偏转轰击的侧板，其内表面添加防溅射石墨片，用于承受来流的CEX的轰击，带电粒子通过限制孔后，在磁场的作用下向外侧偏转，磁场不会改变粒子的能量，轰击在右侧支板上。
2.如权利要求1所述的电推进羽流沉积效应测量装置，其中，整个测量装置进行接地处理，避免电荷积累。
3.如权利要求1或2所述的电推进羽流沉积效应测量装置，其中，中性的可凝沉积物自由地穿过磁场区域到达QCM测量表面，在有效过滤CEX离子的同时，不影响中性可凝沉积物的测量。
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