CN108650769A - 高精度朗缪尔探针 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度朗缪尔探针，涉及等离子体检测设备技术领域，该高精度朗缪尔探针包括收集器和保护环；所述保护环设置有用于所述收集器贯穿的通孔，所述收集器上套设有隔离套，且所述隔离套位于所述收集器与所述保护环之间；所述隔离套上设置承接部，所述承接部用于承接进入所述收集器与所述隔离套安装缝隙处的羽流污染物，以缓解现有技术中所用的朗缪尔探针中用于收集的收集器与保护环容易导通进而导致收集器丧失工作能力等技术问题。

Description

高精度朗缪尔探针

技术领域

本发明涉及等离子体检测设备技术领域，尤其涉及一种高精度朗缪尔探针。

背景技术

离子推力器、霍尔推力器等电推力器因其比冲高、寿命长和推力小等优点被广泛的应用至航天器的姿态和轨道控制，因此，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；电推力器真空羽流是等离子体，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是研究等离子体性质的重要前提，在现有技术中通常使用朗缪尔探针诊断等电推进真空羽流流场的电子温度和电子数密度。但是，现有朗缪尔探针仍然存在如下缺陷：

1、一般情况下，收集器均采用圆盘型，收集面积是圆盘底面积；但是由于空间鞘层拓展，使收集面积增大导致朗缪尔探针实际收集面积要大于探针表面积，而且随着探针电位变化而不断的变化。

2、现有朗缪尔探针，其收集器通常用钨制成，保护环使用铜、不锈钢等材料，用于高高功率电推力器等离子体诊断时，容易因探针温升和两种不同材料的膨胀率差异，使收集器与保护环接触导通。

3、电推进真空羽流流场存在分子、剥落的金属原子等，沉积在收集器和保护环的缝隙中，形成导电层，使得二者导通；当收集器和保护环导通后，电流检测计被短路，导致测不到数据。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种高精度朗缪尔探针，以缓解现有技术中所用的朗缪尔探针中用于收集的收集器与保护环容易导通进而导致收集器丧失工作能力等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种高精度朗缪尔探针，包括收集器和保护环；

所述保护环设置有用于所述收集器贯穿的通孔，所述收集器上套设有隔离套，且所述隔离套位于所述收集器与所述保护环之间；

所述隔离套上设置承接部，所述承接部用于承接进入所述收集器与所述隔离套安装缝隙处的羽流污染物。

进一步的，所述收集器呈圆柱体结构，且在所述收集器安装所述隔离套的一端设置有限位部，所述隔离套与所述限位部抵接。

进一步的，所述隔离套靠近所述限位部的位置处设置有环形凹槽。

进一步的，所述保护环内的所述通孔设置有抵接部，所述抵接部用于与所述隔离套上远离所述限位部的一端的端面抵接。

进一步的，所述高精度朗缪尔探针还包括盖板；

所述盖板套设在所述收集器上，且与所述保护环固接，所述盖板用于封堵所述保护环上的所述通孔。

进一步的，所述高精度朗缪尔探针还包括紧固件；

所述收集器穿过所述紧固件并与所述紧固件固接。

进一步的，所述收集器与所述隔离套过盈配合连接。

进一步的，所述收集器与所述隔离套连接的一端设置有螺纹结构。

进一步的，所述收集器采用钨材料制成。

进一步的，所述盖板与所述保护环通过固定螺栓固接。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种高精度朗缪尔探针，包括收集器和保护环；收集器即为用于收集等离子体的部件，保护环即为用于保护收集器的部件，保护环上设置有用于收集器穿过的通孔。

在实际使用时，在保护环和收集器之间还设置有隔离套，隔离套套设在收集器上，且位于收集器和保护环之间，即隔离套也安装在保护环的通孔内部，通过隔离套使得收集器和保护环之间形成隔离，阻止收集器与保护环直接接触；同时，在隔离套上设置有承接部，承接部用于承接进入收集器与保护环两者的安装缝隙处的羽流污染物；因为，保护环和收集器不能够直接接触，从而才可以确保收集器的正常工作，所以收集器与隔离套之间存在有安装缝隙，隔离套设置在该安装缝隙处；同时，在羽流等离子体中，由于推进剂气化不充分、加工制造缺陷和高速等离子体剥离金属表面原子等原因，等离子体中存在许多大分子、离子和剥落的金属原子等污染物，容易积聚在探针表面形成导电层，使得收集器与保护环导通，且羽流污染物较重，在真空中的运动轨迹近似为直线型形，故而需要在隔离套上设置承接部，当某些羽流污染物进入收集器与隔离套之间的安装缝隙时，使得这些羽流污染物能够沉积在隔离套的承接部上，形成的导电沉积层不能同时与收集器和保护环接触导通，以改善等离子体中的羽流污染物汇集至收集器和保护环之间，进而使得收集器与保护环导通，用于收集电流的电流检测计被短路，收集不到电流的问题，该高精度朗缪尔探针在收集器和保护环之间形成隔离作用，对收集器进行保护，从而保证收集面积固定，确保检测结构的准确性。

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为实施例一提供的高精度朗缪尔探针的第一示意图；

图2为实施例一提供的高精度朗缪尔探针的第二示意图；

图3为实施例一提供的高精度朗缪尔探针的剖视图；

图4为实施例一提供的收集器的示意图；

图5为实施例一提供的隔离套的示意图；

图6为实施例一提供的保护环的示意图。

图标：10-收集器；20-保护环；30-隔离套；40-盖板；50-固定螺栓；60-紧固件；101-限位部；102-凸起端；103-套接端；201-通孔；301-承接部；302-凹陷端；303-固定端；2011-抵接部。

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“第一”、“第二”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。

实施例一

如图1-图6所示，本实施例提供的高精度朗缪尔探针包括收集器10和保护环20；保护环20设置有用于收集器10贯穿的通孔201，收集器10上套设有隔离套30，且隔离套30位于收集器10和保护环20之间；隔离套30上设置承接部301，承接部301用于承接进入收集器10与隔离套30安装缝隙处的羽流污染物。

具体的，该高精度朗缪尔探针包括收集器10和保护环20，收集器10即为用于收集等离子体的部件，保护环20即为用于保护收集器10的部件，保护环20设置在收集器10的外侧；在使用时，将该高精度朗缪尔探针安置在等离子羽流流场内，通过收集器10对等离子体的获取，从而该等离子羽流流场内的电子温度和电子数密度等性质，从而以判断等离子体的性质。

在实际使用时，沿保护环20的厚度方向设置有通孔201，收集器10沿通孔201穿过保护环20，并伸出保护环20，伸出的部分用于连接导线，进而通过导线对收集器10提供电压，同时还用于测电流；在保护环20和收集器10之间还设置有隔离套30，隔离套30套设在收集器10的外侧壁上，且位于收集器10和保护环20之间，即隔离套30也安装在保护环20的通孔201内部，通过隔离套30使得收集器10和保护环20之间形成隔离，阻止收集器10与保护环20直接接触。

其中，在隔离套30上设置有承接部301，承接部301用于承接进入收集器10与保护环20两者的安装缝隙处的羽流污染物；因为，保护环20和收集器10不能够直接接触，从而才可以确保收集器10的正常工作，所以收集器10与隔离套30之间存在有安装缝隙，隔离套30设置在该安装缝隙处；同时，在羽流等离子体中，由于推进剂气化不充分、加工制造缺陷和高速等离子体剥离金属表面原子等原因，等离子体中存在许多大分子、离子和剥落的金属原子等污染物，容易积聚在探针表面形成导电层，使得收集器10与保护环20导通，且羽流污染物较重，在真空中的运动轨迹近似为直线形，故而需要在隔离套30上设置承接部301，当某些羽流污染物进入收集器10与隔离套30之间的安装缝隙时，使得这些羽流污染物能够沉积在隔离套30的承接部301上，以改善等离子体中的羽流污染物汇集至收集器10和保护环20之间，进而使得收集器10与保护环20导通，用于收集电流的电流检测计被短路，收集不到电流的问题，该高精度朗缪尔探针在收集器10和保护环20之间形成隔离作用，对收集器10进行保护，从而保证收集面积固定，确保检测结构的准确性。

在本实施例可选的方案中，如图1-图6所示，收集器10呈圆柱体结构，且在收集器10安装隔离套30的一端设置有限位部101，隔离套30与限位部101抵接。

进一步的，隔离套30靠近限位部101的位置处设置有环形凹槽。

具体的，收集器10设置为圆柱体结构，且在收集器10上套设隔离套30的一端末尾处设置有环形凸台，该环形凸台沿收集器10的径向向外延伸，使得收集器10形成阶梯状结构，环形凸台靠近隔离套30的端面即为用于限制隔离套30沿收集器10的轴向移动的限位部101，并且与隔离套30该端的端面抵接，即该收集器10包括具有环形凸台的凸起端102和用于与隔离套30套接的套接端103，且凸起端102与保护环20之间的径向距离小于套接端103与保护环20之间的径向距离。

同时，隔离套30也为圆柱形结构，且隔离套30与收集器10同轴固定；在隔离套30靠近限位部101的位置处设置环形凹槽，环形凹槽沿收集器10的径向向内凹陷，进而使得隔离套30包括与保护环20的内侧壁抵接的固定端303和具有环形凹槽的凹陷端302，且凹陷端302的外径略小于收集器10上凸起端102的外径，从而使得隔离套30的固定端303与保护环20的内侧壁之间的径向距离大于凸起端102与保护环20内侧壁之间的径向距离；故而，当直线运动的等离子沿收集器10与保护环20之间的安装缝隙进入时，能够穿过收集器10与保护环20之间的缝隙，直接射在隔离套30的承接部301上以及隔离套30与保护环20之间，确保收集器10与保护环20之间不会存在等离子体，改善了收集器10与保护环20之间因溅射的等离子体的聚集而导通的问题。

其中，收集器10的套接端103伸出紧固件60的部分即收集端，形成探针电流，收集端也为圆柱体结构，且收集面积不易改变，同时在收集器10的外侧设置保护环20，因为在保护环20保护作用下，收集器10对应的收集面受鞘层高度变化影响小，确保测量结构的准确度。

在本实施例可选的方案中，如图1-图6所示，保护环20内的通孔201上设置有抵接部2011，抵接部2011用于与隔离套30上远离限位部101的一端的端面抵接。

具体的，隔离套30套设在收集器10的套接端103，且位于收集器10与保护环20之间，即隔离套30也是安装在保护环20的通孔201内，故而通孔201的直径应当与隔离套30上固定端303的外径相适应，以保证通孔201的孔壁与固定端303的外壁能够抵接。

在实际使用时，通孔201设置与阶梯孔，阶梯孔的大端与隔离套30的固定端303抵接，阶梯孔的小端用于与收集器10的套接部连接，因此，在大端与小端直径变化处具有阶梯端面，该阶梯端面即用于与隔离套30抵接的抵接部2011，进而形成对隔离套30沿收集器10轴向移动的二次限位，进而使得隔离套30抵接在收集器10的限位部101与保护环20的抵接部2011之间，对隔离套30进行限位固定。

在本实施例可选的方案中，如图1-图6所示，高精度朗缪尔探针还包括盖板40；盖板40套设在收集器10上，且与保护环20固接，盖板40用于封堵保护环20上的通孔201。

具体的，该高精度朗缪尔探针还包括设置在保护环20上与收集器10凸起端102远离的端面相固定的盖板40，且盖板40与保护环20固定连接，并通过该盖板40进一步的增加了保护环20、隔离套30以及收集器10之间的固定作用。

其中，盖板40上设置有用于收集器10的套接端103穿过的第一安装孔，盖板40固定在保护环20的端面上，位于保护环20内通孔201的小端末尾处，且对保护环20内的通孔201的小端具有封堵作用，进而改善羽流污染物沿通孔201的小端与收集器10套接端103之间的安装缝隙进入后导致收集器10与保护环20导通的问题；同时，通过盖板40的固定作用，进一步的保证收集器10与保护环20之间的同轴度，改善因羽流气动力或者加热引起的收集器10连接处的松动。

在实际使用时，盖板40与保护环20通过固定螺栓50固接。

具体的，固定螺栓50依次穿过盖板40，并深入保护环20内，并通过与固定螺栓50配合的螺母固定连接，一方面，用于将盖板40与保护环20固定连接，另一方面，通过螺栓还能够用于接线操作，进而用于给保护环20提供电压，且固定螺栓50连接稳固牢靠，不易松脱。

在本实施例可选的方案中，如图1-图6所示，高精度朗缪尔探针还包括紧固件60；收集器10穿过紧固件60并与紧固件60固接。

具体的，在盖板40远离保护环20的一端的端面处还固定有紧固件60，收集器10的套接端103能够穿过紧固件60，并与紧固件60固定连接，从而通过紧固件60进一步的增加了收集器10与保护环20之间的固定性。

其中，该紧固件60为六角螺母。

在本实施例可选的方案中，如图1-图6所示，收集器10与隔离套30过盈配合连接。

具体的，收集器10与隔离套30采用过盈配合连接，从而确保收集器10与隔离套30之间的连接固定性，改善在收集器10工作时，因电流产生的发热效果，而造成收集器10与隔离套30之间的连接处松动等问题，并且在确保两者之间固定性良好，羽流污染物不易进入收集器10与隔离套30之间，增加收集器10的工作稳定性。

在本实施例可选的方案中，如图1-图6所示，收集器10与隔离套30连接的一端设置有螺纹结构。

具体的，收集器10和隔离套30还能够螺纹连接，在收集器10的套接端103靠近凸起端102的位置处设置螺纹结构，在与之凸起端102套接的隔离套30的内侧壁上设置有能够与收集器10上的螺纹结构互相配合连接的第二螺纹结构，从而实现收集器10与隔离套30的螺纹连接；螺纹连接便于拆卸与安装，且操作简单方便。

在本实施例可选的方案中，如图1-图6所示，收集器10采用钨材料制成。

具体的，收集器10采用钨材料一体成型，即收集器10从凸起端102至套接端103均为钨材料，且凸起端102与套接端103一体成型，整体连接性好。

其中，钨的硬度高，熔点也高，且在常温下不受空气侵蚀，使用寿命较长，同时因为钨的二次电子发射系数小，对等离子体干扰小。

综上所述，该高精度朗缪尔探针的工作流程如下：

1、电推力器点火喷射出等离子体，使得等离子体形成羽流；

2、扫描电源，同时为收集器10和保护环20提供扫描电压，使得具有一定能量的电子或者离子进入收集器10和保护环20形成的共有鞘层，然后被收集，进而使得收集器10形成探针电流；

3、通过保护环20屏蔽探针边界区鞘层扭曲和探针鞘层拓展带来的收集面积变化，进而确保收集器10的收集面积不发生变化。

4、收集器10形成的探针电流和探针电压经过采集系统采集后，形成伏安特性曲线；

5、根据形成的伏安特性曲线得到电子数密度以及电子温度。

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)

1.一种高精度朗缪尔探针，其特征在于，包括收集器和保护环；

所述保护环设置有用于所述收集器贯穿的通孔，所述收集器上套设有隔离套，且所述隔离套位于所述收集器与所述保护环之间；

所述隔离套上设置承接部，所述承接部用于承接进入所述收集器与所述隔离套安装缝隙处的羽流污染物。

2.根据权利要求1所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述收集器呈圆柱体结构，且在所述收集器安装所述隔离套的一端设置有限位部，所述隔离套与所述限位部抵接。

3.根据权利要求2所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述隔离套靠近所述限位部的位置处设置有环形凹槽。

4.根据权利要求3所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述保护环内的所述通孔设置有抵接部，所述抵接部用于与所述隔离套上远离所述限位部的一端的端面抵接。

5.根据权利要求1所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述高精度朗缪尔探针还包括盖板；

所述盖板套设在所述收集器上，且与所述保护环固接，所述盖板用于封堵所述保护环上的所述通孔。

6.根据权利要求5所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述盖板与所述保护环通过固定螺栓固接。

7.根据权利要求1所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述高精度朗缪尔探针还包括紧固件；

所述收集器穿过所述紧固件并与所述紧固件固接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述收集器与所述隔离套过盈配合连接。

9.根据权利要求1-7任一项所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述收集器与所述隔离套连接的一端设置有螺纹结构。

10.根据权利要求1-7任一项所述的高精度朗缪尔探针,其特征在于，所述收集器采用钨材料制成。