CN108696978A - 朗缪尔探针、朗缪尔探针诊断系统及其诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了朗缪尔探针、朗缪尔探针诊断系统及其诊断方法，涉及等离子体技术领域。包括收集器、导电式螺杆引线、陶瓷护套以及螺母；收集器包括呈圆柱形的第一子收集器以及呈圆柱形的第二子收集器；第一子收集器的直径大于第二子收集器的直径、且第一子收集器与第二子收集器为同心结构，第一子收集器与第二子收集器一体成型；导电式螺杆引线拧入第二子收集器内与第二子收集器连接，陶瓷护套呈凸台形、且套设于第一子收集器的侧面以及第二子收集器的侧面、且与第一子收集器以及第二子收集器过盈配合；六角螺母与导电式螺杆引线螺接、且与陶瓷护套抵接；该朗缪尔探针能够防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提高测量精度。

Description

朗缪尔探针、朗缪尔探针诊断系统及其诊断方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是朗缪尔探针、朗缪尔探针诊断系统及其诊断方法。
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于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，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，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；
在使用朗缪尔探针时，由于受空间鞘层拓展的影响，导致朗缪尔探针实际收集面积要大于探针表面积，降低了测量精度。
发明内容
本发明的目的之一在于提供朗缪尔探针，该朗缪尔探针能够防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提高测量精度。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
根据本发明的一方面，提供朗缪尔探针，包括收集器、导电式螺杆引线、陶瓷护套以及螺母；所述收集器包括呈圆柱形的第一子收集器以及呈圆柱形的第二子收集器；
所述第一子收集器的直径大于所述第二子收集器的直径、且第一子收集器与所述第二子收集器为同心结构，所述第一子收集器与所述第二子收集器一体成型；
所述导电式螺杆引线拧入所述第二子收集器内与所述第二子收集器连接，所述陶瓷护套呈凸台形、且套设于所述第一子收集器的侧面以及所述第二子收集器的侧面、且与所述第一子收集器以及所述第二子收集器过盈配合；
所述螺母与所述导电式螺杆引线螺接、且与所述陶瓷护套抵接。
进一步地，所述收集器采用的材料为钨。
进一步地，所述导电式螺杆引线为铜螺杆。
进一步地，所述陶瓷护套采用的材料为陶瓷。
进一步地，所述螺母为六角螺母。
本发明的目的之二在于提供朗缪尔探针诊断系统，该朗缪尔探针诊断系统能够提高测量精度。
根据本发明的另一方面，提供朗缪尔探针诊断系统，包括上述技术方案提供的朗缪尔探针、电推力器、扫描电源、数据采集单元以及数据处理单元；
所述电推力器与所述朗缪尔探针连接，所述朗缪尔探针与所述扫描电源连接、且与所述数据采集单元连接，所述数据采集单元与所述数据处理单元连接。
本发明的目的之三在于提供朗缪尔探针诊断系统的诊断方法，该朗缪尔探针诊断系统的诊断方法能够提高测量精度。
根据本发明的另一方面，提供基于上述技术方案提供的朗缪尔探针诊断系统的诊断方法，包括以下步骤：
电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；
扫描电源为收集器提供扫描电压，所述收集器接收所述羽流中具有能量的电子或离子，电子或离子进入所述收集器的鞘层后得到收集，形成探针电流；
所述探针电流沿朗缪尔探针中的导电式螺杆引线流向数据采集单元；
所述数据采集单元采集所述收集器的探针电流和探针电压并将其发送至数据处理单元；
所述数据处理单元对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线；
根据所述伏安特性曲线计算得到羽流参数。
进一步地，所述数据处理单元对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线的具体步骤包括:
所述数据处理单元对采集的数据进行处理，获得探针电压测量值以及电流测量值；
根据所述探针电压测量值和电流测量值获得所述伏安特性曲线。
进一步地，所述羽流参数包括电子数密度以及电子温度。
进一步地，根据所述伏安特性曲线计算所述电子温度的具体步骤如下：
记录伏安特性曲线中电流为0的点处电压，记录为悬浮电位Vf；
计算电子电流的一阶导数dIe/dVB，可以用数值平滑技术消除噪声，找到导数的最大值，并把对应电压标记为等离子体空间电位Vp；
将伏安特性曲线对数化(lnIe/VB)，用最小二乘法确定Vf和Vp之间曲线斜率，斜率倒数为电子温度：
Te＝(dlnIe/dVB)-1；
其中，Te为电子温度；Ie为伏安特性曲线中任意点的电流；VB为伏安特性曲线中与Ie对应的电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
根据本发明的朗缪尔探针，包括收集器、导电式螺杆引线、陶瓷护套以及螺母；所述收集器包括呈圆柱形的第一子收集器以及呈圆柱形的第二子收集器；所述第一子收集器的直径大于所述第二子收集器的直径、且第一子收集器与所述第二子收集器为同心结构，所述第一子收集器与所述第二子收集器一体成型；所述导电式螺杆引线拧入所述第二子收集器内与所述第二子收集器连接，所述陶瓷护套呈凸台形、且套设于所述第一子收集器的侧面以及所述第二子收集器的侧面、且与所述第一子收集器以及所述第二子收集器过盈配合；所述螺母与所述导电式螺杆引线螺接、且与所述陶瓷护套抵接；对于该朗缪尔探针而言，朗缪尔探针包括收集器、导电式螺杆引线、陶瓷护套以及螺母，其中，收集器包括呈圆柱形的第一子收集器以及呈圆柱箱的第二子收集器；将导电式螺杆引线拧到第二子收集器内，以及将陶瓷护套套设在第一子收集器的侧面以及第二子收集器的侧面，第一子收集器以及第二子收集器与陶瓷护套过盈配合，使用螺母与导电式螺杆引线螺接，且与陶瓷护套紧密抵接，实现整个装置的固定，通过在第一子收集器以及第二子收集器上套设陶瓷护套，保护第一子收集器以及第二子收集器的侧面，防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提供测量精度。
根据本发明的朗缪尔探针诊断系统，包括朗缪尔探针、电推力器、扫描电源、数据采集单元以及数据处理单元；所述电推力器与所述朗缪尔探针连接，所述朗缪尔探针与所述扫描电源连接、且与所述数据采集单元连接，所述数据采集单元与所述数据处理单元连接；对于该朗缪尔探针诊断系统而言，在诊断的过程中，电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；扫描电源为收集器提供扫描电压，收集器接收羽流中具有能量的电子或离子，电子或离子进入收集器的鞘层后得到收集，形成探针电流；探针电流沿朗缪尔探针中的导电式螺杆引线流向数据采集单元；数据采集单元采集收集器的探针电流和探针电压并将其发送至数据处理单元；数据处理单元对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线；根据伏安特性曲线计算得到羽流参数；由于该朗缪尔探针诊断系统在诊断过程中，采用的朗缪尔探针能够防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提供测量精度。
根据本发明的朗缪尔探针诊断方法，包括以下步骤：电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；扫描电源为收集器提供扫描电压，所述收集器接收所述羽流中具有能量的电子或离子，电子或离子进入所述收集器的鞘层后得到收集，形成探针电流；所述探针电流沿朗缪尔探针中的导电式螺杆引线流向数据采集单元；所述数据采集单元采集所述收集器的探针电流和探针电压并将其发送至数据处理单元；所述数据处理单元对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线；根据所述伏安特性曲线计算得到羽流参数；在使用该朗缪尔探针诊断方法时，采用的朗缪尔探针能够防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提供测量精度。
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朗缪尔探针的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的朗缪尔探针的仰视图的剖面视图；
图3为本发明实施例提供的朗缪尔探针诊断系统的流程图；
图4为本发明实施例提供的朗缪尔探针诊断方法的流程图。
图标：10-朗缪尔探针；101-收集器；1011-第一子收集器；1012-第二子收集器；102-导电式螺杆引线；103-陶瓷护套；104-螺母；20-电推力器；30-扫描电源；40-数据采集单元；50-数据处理单元；S1-羽流形成步骤；S2-探针电流形成步骤；S3-探针电流流向步骤；S4-数据采集单元采集步骤；S5-数据处理单元处理步骤；S6-计算羽流参数步骤。
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。
实施例
根据本发明的一个方面，提供朗缪尔探针，如图1以及图2所示，包括收集器101、导电式螺杆引线102、陶瓷护套103以及螺母104；收集器101包括呈圆柱形的第一子收集器1011以及呈圆柱形的第二子收集器1012；
第一子收集器1011的直径大于第二子收集器1012的直径、且第一子收集器1011与第二子收集器1012为同心结构，第一子收集器1011与第二子收集器1012一体成型；
导电式螺杆引线102拧入第二子收集器1012内与第二子收集器1012连接，陶瓷护套103呈凸台形、且套设于第一子收集器1011的侧面以及第二子收集器1012的侧面、且与第一子收集器1011以及第二子收集器1012过盈配合；
螺母104与导电式螺杆引线102螺接、且与陶瓷护套103抵接。
根据本发明的朗缪尔探针，对于该朗缪尔探针而言，朗缪尔探针包括收集器101、导电式螺杆引线102、陶瓷护套103以及螺母104，其中，收集器101包括呈圆柱形的第一子收集器1011以及呈圆柱箱的第二子收集器1012；将导电式螺杆引线102拧到第二子收集器1012内，以及将陶瓷护套103套设在第一子收集器1011的侧面以及第二子收集器1012的侧面，第一子收集器1011以及第二子收集器1012与陶瓷护套103过盈配合，使用螺母104与导电式螺杆引线102螺接，且与陶瓷护套103紧密抵接，实现整个装置的固定，通过在第一子收集器1011以及第二子收集器1012上套设陶瓷护套103，保护第一子收集器1011以及第二子收集器1012的侧面，防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提供测量精度；
其中，收集器101采用的材料为钨，使用钨一体化加工而成；螺母104采用六角螺母；
优选地，导电式螺杆引线102为铜螺杆，铜螺杆具有导电性好的性质，有利于减少该朗缪尔探针的电阻；
此外，陶瓷护套103使用陶瓷制作，陶瓷护套103除了防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提供测量精度；还可对第一子收集器1011以及第二子收集器1012起到限位的作用，保证第一子收集器1011以及第二子收集器1012的位置。
根据本发明的另一方面，提供朗缪尔探针诊断系统，如图3所示，包括朗缪尔探针10、电推力器20、扫描电源30、数据采集单元40以及数据处理单元50；
电推力器20与朗缪尔探针10连接，朗缪尔探针10与扫描电源30连接、且与数据采集单元40连接，数据采集单元40与数据处理单元50连接。根据本发明的朗缪尔探针诊断系统，对于该朗缪尔探针诊断系统而言，在诊断的过程中，电推力器20点火喷射等离子体，形成羽流；扫描电源30为收集器提供扫描电压，收集器接收羽流中具有能量的电子或离子，电子或离子进入收集器的鞘层后得到收集，形成探针电流；探针电流沿朗缪尔探针10中的导电式螺杆引线流向数据采集单元40；数据采集单元40采集收集器的探针电流和探针电压并将其发送至数据处理单元50；数据处理单元50对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线；根据伏安特性曲线计算得到羽流参数；由于该朗缪尔探针诊断系统在诊断过程中，采用的朗缪尔探针10能够防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提供测量精度。
根据本发明的另一方面，提供朗缪尔探针诊断方法，如图4所示，包括以下步骤：
羽流形成步骤S1：电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；
探针电流形成步骤S2：扫描电源为收集器提供扫描电压，收集器接收羽流中具有能量的电子或离子，电子或离子进入收集器的鞘层后得到收集，形成探针电流；
探针电流流向步骤S3：探针电流沿朗缪尔探针中的导电式螺杆引线流向数据采集单元；
数据采集单元采集步骤S4：数据采集单元采集收集器的探针电流和探针电压并将其发送至数据处理单元；
数据处理单元处理步骤S5：数据处理单元对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线；
计算羽流参数步骤S6：根据伏安特性曲线计算得到羽流参数。
根据本发明的朗缪尔探针诊断方法，由于该朗缪尔探针诊断系统在诊断过程中，采用的朗缪尔探针能够防止探针侧面收集粒子，减少探针收集面积，提供测量精度。
其中，数据处理单元对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线的具体步骤包括:
数据处理单元对采集的数据进行处理，获得探针电压测量值以及电流测量值；
根据探针电压测量值和电流测量值获得伏安特性曲线。
对于根据伏安特性曲线计算得到的羽流参数而言，羽流参数包括电子数密度以及电子温度。
根据本发明朗缪尔探针诊断方法的一种实施方式，根据伏安特性曲线计算电子温度的具体步骤如下：
记录伏安特性曲线中电流为0的点处电压，记录为悬浮电位Vf；
计算电子电流的一阶导数dIe/dVB，可以用数值平滑技术消除噪声，找到导数的最大值，并把对应电压标记为等离子体空间电位Vp；
将伏安特性曲线对数化(lnIe/VB)，用最小二乘法确定Vf和Vp之间曲线斜率，斜率倒数为电子温度：
Te＝(dlnIe/dVB)-1；
其中，Te为电子温度；Ie为伏安特性曲线中任意点的电流；VB为伏安特性曲线中与Ie对应的电压。
根据本发明的朗缪尔探针诊断方法，在计算电子温度的基础上，计算电子数密度过程如下：
计算电子数密度：在Ie＝Ie，sat，VB＝Vp处计算
在使用薄鞘层理论时：AS＝AP
在使用柴尔德鞘层理论时：
需要说明的是，接扫描电压，从一个大的负电势扫描到正电势，得到伏安特性曲线，这个扫描应该涵盖离子饱和电流和电子饱和电流。
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.朗缪尔探针，其特征在于，包括收集器、导电式螺杆引线、陶瓷护套以及螺母；所述收集器包括呈圆柱形的第一子收集器以及呈圆柱形的第二子收集器；
所述第一子收集器的直径大于所述第二子收集器的直径、且第一子收集器与所述第二子收集器为同心结构，所述第一子收集器与所述第二子收集器一体成型；
所述导电式螺杆引线拧入所述第二子收集器内与所述第二子收集器连接，所述陶瓷护套呈凸台形、且套设于所述第一子收集器的侧面以及所述第二子收集器的侧面、且与所述第一子收集器以及所述第二子收集器过盈配合；
所述螺母与所述导电式螺杆引线螺接、且与所述陶瓷护套抵接。
2.根据权利要求1所述的朗缪尔探针，其特征在于，所述收集器采用的材料为钨。
3.根据权利要求1所述的朗缪尔探针，其特征在于，所述导电式螺杆引线为铜螺杆。
4.根据权利要求1所述的朗缪尔探针，其特征在于，所述陶瓷护套采用的材料为陶瓷。
5.根据权利要求1所述的朗缪尔探针，其特征在于，所述螺母为六角螺母。
6.朗缪尔探针诊断系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的朗缪尔探针、电推力器、扫描电源、数据采集单元以及数据处理单元；
所述电推力器与所述朗缪尔探针连接，所述朗缪尔探针与所述扫描电源连接、且与所述数据采集单元连接，所述数据采集单元与所述数据处理单元连接。
7.基于权利要求6所述的朗缪尔探针诊断系统的诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；
扫描电源为收集器提供扫描电压，所述收集器接收所述羽流中具有能量的电子或离子，电子或离子进入所述收集器的鞘层后得到收集，形成探针电流；
所述探针电流沿朗缪尔探针中的导电式螺杆引线流向数据采集单元；
所述数据采集单元采集所述收集器的探针电流和探针电压并将其发送至数据处理单元；
所述数据处理单元对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线；
根据所述伏安特性曲线计算得到羽流参数。
8.根据权利要求7所述的朗缪尔探针的诊断方法，其特征在于，所述数据处理单元对采集的数据进行处理后得到伏安特性曲线的具体步骤包括:
所述数据处理单元对采集的数据进行处理，获得探针电压测量值以及电流测量值；
根据所述探针电压测量值和电流测量值获得所述伏安特性曲线。
9.根据权利要求7所述的朗缪尔探针的诊断方法，其特征在于，所述羽流参数包括电子数密度以及电子温度。
10.根据权利要求9所述的朗缪尔探针的诊断方法，其特征在于，根据所述伏安特性曲线计算所述电子温度的具体步骤如下：
记录伏安特性曲线中电流为0的点处电压，记录为悬浮电位Vf；
计算电子电流的一阶导数dIe/dVB，可以用数值平滑技术消除噪声，找到导数的最大值，并把对应电压标记为等离子体空间电位Vp；
将伏安特性曲线对数化(lnIe/VB)，用最小二乘法确定Vf和Vp之间曲线斜率，斜率倒数为电子温度：
Te＝(dlnIe/dVB)-1；
其中，Te为电子温度；Ie为伏安特性曲线中任意点的电流；VB为伏安特性曲线中与Ie对应的电压。
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