CN109104805A - 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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刘立辉
韩木天
贺碧蛟
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    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
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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。根据本发明提供的朗缪尔探针，包括收集器、导电式螺杆引线、陶瓷护套以及六角螺母；所述导电式螺杆引线拧入所述收集器内与所述收集器连接，所述陶瓷护套套设于所述导电式螺杆引线上，且一端部与所述收集器抵接，所述六角螺母与所述导电式螺杆引线螺接、且与所述陶瓷护套另一端部抵接；该朗缪尔探针能够避免引线与等离子体接触，消除引线干扰，减少测量误差。

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，收集器通常用一根裸露的金属引线将探针伸到等离子体内，引线也会收集电子和离子，导致收集面积出现误差，从而导致测量误差较大。
发明内容
本发明的目的之一在于提供朗缪尔探针，该朗缪尔探针能够避免引线与等离子体接触，消除引线干扰，减少测量误差。
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、陶瓷护套以及六角螺母；
所述导电式螺杆引线拧入所述收集器内与所述收集器连接，所述陶瓷护套套设于所述导电式螺杆引线上，且一端部与所述收集器抵接，所述六角螺母与所述导电式螺杆引线螺接、且与所述陶瓷护套另一端部抵接。
进一步地，所述收集器为球形。
进一步地，所述收集器采用的材料为钨或钼。
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。
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、陶瓷护套以及六角螺母；所述导电式螺杆引线拧入所述收集器内与所述收集器连接，所述陶瓷护套套设于所述导电式螺杆引线上，且一端部与所述收集器抵接，所述六角螺母与所述导电式螺杆引线螺接、且与所述陶瓷护套另一端部抵接；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、陶瓷护套以及六角螺母，将导电式螺杆引线穿过陶瓷护套拧到收集器上，使用六角螺母与导电式螺杆引线螺接，使得陶瓷护套与收集器紧密抵接，六角螺母与陶瓷护套紧密抵接，实现整个装置的固定，通过在导电式螺杆引线上套设陶瓷护套，能够避免导电式螺杆引线与等离子接触，消除引线干扰，避免收集面积出现误差，从而减小测量误差。
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避免引线与等离子体接触，消除引线干扰，避免收集面积出现误差，能够减少误差，从而提高测量精度。
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避免引线与等离子体接触，消除引线干扰，避免收集面积出现误差，能够减少误差，从而提高测量精度。
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；102-导电式螺杆引线；103-陶瓷护套；104-六角螺母；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。
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。
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，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；包括收集器101、导电式螺杆引线102、陶瓷护套103以及六角螺母104；
导电式螺杆引线102拧入收集器内与收集器101连接，陶瓷护套103套设于导电式螺杆引线102上，且一端部与收集器101抵接，六角螺母104与导电式螺杆引线102螺接、且与陶瓷护套103另一端部抵接。
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10包括收集器101、导电式螺杆引线102、陶瓷护套103以及六角螺母104，将导电式螺杆引线102穿过陶瓷护套103拧到收集器101上，使用六角螺母104与导电式螺杆引线102螺接，使得陶瓷护套103与收集器101紧密抵接，六角螺母104与陶瓷护套103紧密抵接，实现整个装置的固定，通过在导电式螺杆引线102上套设陶瓷护套103，能够避免导电式螺杆引线102与等离子接触，消除引线干扰，避免收集面积出现误差，从而减小测量误差；
其中，收集器为球形，由于导电式螺杆引线102是拧入收集器101内的，且导电式螺杆引线102与六角螺母104螺接，因此导电式螺杆引线102与收集器101之间可拆卸，因此，对于该朗缪尔探针而言，可更换不同直径的收集器101；并且，收集器101采用的材料为钨或钼，使用钨或钼精车而成；
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除了能够避免导电式螺杆引线102与等离子接触，消除引线干扰，还可对收集器101起到限位的作用，保证收集器101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，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；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能够避免引线与等离子体接触，消除引线干扰，避免收集面积出现误差，能够减少误差，从而提高测量精度。
根据本发明的另一方面，提供朗缪尔探针诊断方法，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。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，在使用该朗缪尔探针诊断方法时，采用的朗缪尔探针能够避免引线与等离子体接触，消除引线干扰，避免收集面积出现误差，能够减少误差，从而提高测量精度。
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、陶瓷护套以及六角螺母；
所述导电式螺杆引线拧入所述收集器内与所述收集器连接，所述陶瓷护套套设于所述导电式螺杆引线上，且一端部与所述收集器抵接，所述六角螺母与所述导电式螺杆引线螺接、且与所述陶瓷护套另一端部抵接。
2.根据权利要求1所述的朗缪尔探针，其特征在于，所述收集器为球形。
3.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或钼。
4.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。
5.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。
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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