CN109751977A - 一种离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法 - Google Patents

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李得天
王蒙
顾左
宋莹莹
赖承祺
郭伟龙
赵勇
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Abstract

本发明公开了一种离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法，能够在推力器内部适用，而且可以在短期工作验证下快速有效评估离子推力器放电室关键部组件的寿命和磨损机理。首先，将离子推力器安装在真空系统内，用于收集沉积物的基片安装在离子推力器放电室内部核心部件对应的指定位置；基片为无机非金属基片，且部分面积覆盖有遮挡物；推力器连续工作至少50h后，基片上留有累积的沉积物；推力器停止工作，将基片取下，剥离覆盖的遮挡物；利用表面轮廓测量装置量取基片沉积区域和洁净区域的厚度差；利用表面材料探测装置，采样分析基片上沉积物的元素组成；根据测试结果，半定量分析出核心部件的溅射产额及磨损速率。

Description

一种离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法
技术领域
本发明涉及离子推力器放电室内部关键部组件连续工作磨损程度的测量和评价，具体涉及一种离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法。
背景技术
Kaufman氙离子推力器是电推进技术的一种，其具有比冲高、寿命长等突出优势，可以有效提高卫星的有效载荷比，延长卫星的在轨寿命。为有效评估离子推力器的寿命和关键部组件的可靠性，需要开展与卫星工作寿命1：1时长的寿命考核试验，所需时间较长，对技术应用和评价造成了较大的影响。
放电室内部关键部组件的磨损是离子推力器的主要失效模式之一，但对其的寿命和可靠性评估受到其结构和离子推力器的工作机理的限制，无法单独进行放电室关键部组件的寿命考核，且与整机一同验证所需时间非常长。
现有技术一种测量沉积量的手段是采用石英晶体微量天平(QCM)，由于需要外部信号和供电线路，因此不能在推力器内适用，而且QCM的量程有限，无法测量长时间(超过500h)连续工作下的推力器内部沉积。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法，能在推力器内部适用，而且可以在短期工作验证下快速有效评估离子推力器放电室关键部组件的寿命和磨损机理。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法，包括：
步骤1、将离子推力器安装在真空系统内，用于收集沉积物的基片安装在离子推力器放电室内部核心部件对应的指定位置；所述基片为无机非金属基片，且部分面积覆盖有遮挡物；
步骤2、推力器连续工作至少50h后，基片上留有累积的沉积物；
步骤3、推力器停止点火开启真空舱，将基片取下，剥离覆盖的遮挡物；基片上部分为沉积区域，部分为无沉积的洁净区域；
步骤4、利用表面轮廓测量装置，量取基片沉积区域和洁净区域的厚度差；
步骤5、利用表面材料探测装置，采样分析基片上沉积物的元素组成；
步骤6、根据步骤4和步骤5的测试结果，半定量分析出核心部件的溅射产额及磨损速率。
优选地，所述核心部件对应的指定位置包括推力器放电室内部靠近磁钢安装处、靠近栅极组件安装处以及靠近阴极安装底座处。
优选地，所述基片与放电室内等离子体直接接触的表面粗糙度优于2μm，厚度不小于0.1mm。
优选地，基片使用无水乙醇或无水丙酮超声波清洗，风干后使用。
优选地，基片的遮挡物采用不带胶的金属箔，或者采用与基片相同材质的盖片。
优选地，基片采用无机材料或不带胶材料固定于放电室内部。
优选地，针对多工况工作的推力器，在不同工况下进行步骤1～6的操作，可以获得不同工况下的测量结果。
有益效果：
(1)基片沉积不需要外部信号和供电线路，而且由于基片为无机非金属材料，不会对推力器的高压绝缘性能产生影响，因此该方案能够在推力器内使用。其次，本测量方案不需要与整机验证一同进行，可以单独使用，因此可在短期内对离子推力器的放电室内关键部组件的磨损机理进行分析，进而可快速对推力器的整体寿命进行初步的评估；
(2)针对多工况工作的推力器，可以在不同工况下进行短时间的测量以用于评估不同工况下的寿命，缩短了寿命验证的周期，也大幅降低了成本；
(3)利用该种方法可半定量分析放电室内部关键部组件磨损的情况，验证放电室内部关键部组件的材料选取的适用性，结构设计的可靠性，对于推力器产品的寿命优化和性能优化提供支持。
附图说明
图1为本发明离子推力器放电室内部沉积溅射的测量原理示意图。
1-推力器外壳，2-阳极筒，3-无机非金属基片I，4-无机非金属基片II，5-无机非金属基片III，6-基片被遮挡部分，7-基片未遮挡部分。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法，其基本思想是：本发明设计了一种部分面积覆盖有遮挡物的基片作为收集沉积物的装置，在推力器放电室内需要测量的位置放置这种基片，令推力器工作一段时间，基片上留有累积的沉积物；然后采用相关探测装置，测量遮挡部分和未遮挡部分的数据，从而获得推力器放电室内部沉积溅射情况的数据。
本发明所提供的离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法具体实施过程如下：
步骤1、将离子推力器安装在真空系统内，连接好电路和气路管路；将用于收集沉积物的基片安装在离子推力器放电室内部核心部件对应的指定位置，包括靠近磁钢安装处、靠近栅极组件安装处或靠近阴极安装底座。
该基片部分面积覆盖有遮挡物，优选地，为了便于计算，可以采用一半面积遮挡的基片。
由于基片的被测试面要外露在试验环境中，基片的材料不能对推力器的高压绝缘性能产生影响，而且需要易于吸附溅射沉积，因此基片采用无机非金属材料，例如玻璃基片或硅片。
基片采用无机材料或不带胶材料固定于放电室内部，从而避免高温条件下有机材料或胶挥发并形成沉积，影响后续计算的准确度。
基片上与放电室内等离子体直接接触的表面(称为正面，反之称为背面)的粗糙度优于2μm，厚度不小于0.1mm。粗糙度的限制是为了减少本底噪声导致的测量误差；厚度的限制是为了保证基片刚度，不能在试验中变形，从而影响基片厚度的测量。
使用前应精确测量基片的尺寸(长×宽×厚)和质量M0，须用无水乙醇或无水丙酮超声波清洗，风干后方能使用。
为了确保遮挡物与基片紧密贴合，遮挡物可以采用两种方式实现。一种是采用不带胶的金属箔，厚度在20～50μm之间，这样金属箔可以与基片紧密贴合；另一种方式是采用与基片相同材质的盖片进行遮挡。两种遮挡方式下应确保遮挡物和基片两者间缝隙不超过0.1mm。
基片具体安装位置根据所需分析的阴极、放电室和栅极等核心部件的位置确定。具体来说包括：
放置在靠近阴极安装底座2cm范围内，图中的无机非金属基片I3，不限于放电室内、外壁面，只要在范围内即可；
放置在放电室内壁面，且位于外部磁钢安装位置附近，参见图中的无机非金属基片II4；
放置在放电室内壁面靠近栅极组件5cm范围内，参见图中的无机非金属基片III5。
步骤2、推力器在固定工作点状态下累积引束流工作至少50h，基片上留有累积的沉积物。
本步骤中，推力器要持续在固定稳态工作点下引束流运行，确保至少50h的试验时间，使得基片上沉积的污染物厚度可以被测量出来。
步骤3、推力器停止点火，记录准确的点火持续时间T，开启真空舱，将基片取下，剥离覆盖的遮挡物；基片上部分为沉积区域，部分为无沉积的洁净区域。
本步骤中将沉积了溅射物后的基片取下时要注意不触碰污染区域，在去掉遮盖物之后应在基片背面用记号笔标注防止混淆，并妥善封装保存，保证样件状态不受到破坏。
步骤4、利用表面轮廓测量装置，量取基片沉积区域和洁净区域的厚度差H。
步骤5、试验后精确测量带有沉积物的基片的质量Mt，利用表面材料探测装置，采样分析基片上沉积物的元素组成。
本步骤利用表面材料分析手段定量或定性判断沉积物的组成成分，最终得到沉积元素的组成图谱。这里表面材料分析手段不建议使用X射线衍射分析(XRD)方法，因为该方法基于沉积物结晶，不适用于这里的层状沉积物。
步骤6、根据步骤4和步骤5的测试结果，可以得到离子推力器放电室内部不同位置沉积物的溅射来源，半定量分析出核心部组件的溅射产额及磨损速率。上述测量分析结果可以用于验证离子推力器放电室的溅射模型，也可以进行离子推力器连续工作情况的下的寿命评估。
本步骤具体为：
根据步骤5中得到的基片质量Mt减去基片试验前的初始质量M0,，以及通过表面材料分析手段得到某种目标元素在基片上的沉积总量Qi，用Mt-M0和Qi分别除以推力器点火持续时间T，得到单位时间内所有沉积物的沉积速率和某种目标元素的沉积速率。并根据该元素在核心部组件中的质量百分比得到核心部组件的溅射产额和磨损速率。
本申请人已将本发明方案用于某一型号离子推力器放电室的寿命试验中，离子推力器在羽流诊断试验中，通过该种方法进行了测试，通过对基片上的沉积物成分和厚度的测量分析，得到离子推力器放电室内部溅射来源，以及放电室内部关键部组件在稳态工作点下的溅射速率，从而推算出离子推力器的放电室内部关键部组件寿命，目前该推力器已经完成地面12000h的寿命考核，其实际测试效果与利用该方法推算的结果基本吻合。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种离子推力器放电室内部沉积溅射的测量方法，其特征在于，包括：
步骤1、将离子推力器安装在真空系统内，用于收集沉积物的基片安装在离子推力器放电室内部核心部件对应的指定位置；所述基片为无机非金属基片，且部分面积覆盖有遮挡物；
步骤2、推力器连续工作至少50h后，基片上留有累积的沉积物；
步骤3、推力器停止点火开启真空舱，将基片取下，剥离覆盖的遮挡物；基片上部分为沉积区域，部分为无沉积的洁净区域；
步骤4、利用表面轮廓测量装置，量取基片沉积区域和洁净区域的厚度差；
步骤5、利用表面材料探测装置，采样分析基片上沉积物的元素组成；
步骤6、根据步骤4和步骤5的测试结果，半定量分析出核心部件的溅射产额及磨损速率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述核心部件对应的指定位置包括推力器放电室内部靠近磁钢安装处、靠近栅极组件安装处以及靠近阴极安装底座处。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基片与放电室内等离子体直接接触的表面粗糙度优于2μm，厚度不小于0.1mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基片使用无水乙醇或无水丙酮超声波清洗，风干后使用。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基片的遮挡物采用不带胶的金属箔，或者采用与基片相同材质的盖片。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基片采用无机材料或不带胶材料固定于放电室内部。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，针对多工况工作的推力器，在不同工况下进行步骤1～6的操作，可以获得不同工况下的测量结果。
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