CN109752601B - 一种测量离子推力器放电室壁面电荷动态特性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量离子推力器放电室壁面电荷动态特性的装置，该装置中朗缪尔平面探针布置在磁极极靴附近壁面的选定探测位置；朗缪尔平面探针由平面探针、平头螺钉、陶瓷筒、平垫和螺母组成；平面探针焊接在平头螺钉的头部，平头螺钉的螺杆通过设置在选定探测位置处、贯穿阳极壁面和屏栅筒的陶瓷筒伸出放电室的屏栅筒外部，并通过螺母固定；平头螺钉的头部与陶瓷筒之间以及螺母与陶瓷筒之间均设有平垫；平面探针与阳极壁面不直接接触；屏栅筒外部的螺杆接探针扫描电源和数据采集系统的信号线。本发明成本较低，诊断精度较高，探针对等离子体的干扰较小。

Description

一种测量离子推力器放电室壁面电荷动态特性的装置

技术领域

本发明涉及等离子体诊断技术领域，尤其涉及一种测量离子推力器放电室阳极壁面电荷动态特性的装置。

背景技术

放电室是Kaufman型离子推力器核心部组件，是离子推力器维持放电并产生等离子体的区域。放电室工作时其内部存在的不同种类的粒子，在多种物理场作用下进行复杂的运动与碰撞，造成了放电室内部等离子体环境的复杂性。开展离子推力器放电室阳极壁面等离子体诊断工作，有助于深入理解放电等离子体在壁面处的物理运动过程，还可以为研究离子推力器放电室性能一致性、放电稳定性以及热分布特性提供事实支撑和理论依据。

目前国内尚未开展Kaufman离子推力器放电室阳极壁面等离子体诊断研究工作，对等离子体在阳极壁面处的运动过程不甚清楚。国外放电室等离子体诊断技术相对成熟，测量精度高。在文献“American Institute of Aeronautics andAstronautics，2004:3613”中介绍了基于高速探头定位系统(HARP)的探针移动平台装置，系统定位精准，但是测量成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明针对近阳极壁面等离子体诊断设计了一种较为简单的测量离子推力器放电室壁面电荷动态特性的装置，成本较低，诊断精度较高，探针对等离子体的干扰较小。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种测量离子推力器放电室壁面电荷动态特性的装置，包括：朗缪尔平面探针、探针扫描电源和数据采集系统；

朗缪尔平面探针布置在磁极极靴附近壁面的选定探测位置；朗缪尔平面探针由平面探针、平头螺钉、陶瓷筒、平垫和螺母组成；平面探针焊接在平头螺钉的头部，平头螺钉的螺杆通过设置在选定探测位置处、贯穿阳极壁面和屏栅筒的陶瓷筒伸出放电室的屏栅筒外部，并通过螺母固定；平头螺钉的头部与陶瓷筒之间以及螺母与陶瓷筒之间均设有平垫；平面探针与阳极壁面不直接接触；

屏栅筒外部的螺杆接探针扫描电源和数据采集系统的信号线。

优选地，所述平面探针与陶瓷筒不直接接触。

优选地，所述陶瓷筒由两部分组成，第一部分为具有一个台阶的两段式筒型结构，第二部分为一个圆筒；第一部分的小端穿过阳极壁面和屏栅筒后，与第二部分配合连接，从而将陶瓷筒固定在探测位置；第二部分的圆筒套在第一部分小端的外部，圆筒一端面接触屏栅筒，另一端面接触位于放电室外部的平垫。

优选地，所述陶瓷筒的两部分之间、陶瓷筒与阳极壁面之间以及陶瓷筒与屏栅筒之间均处用陶瓷胶胶封。

优选地，所述平面探针的直径与厚度之比大于100。

优选地，所述选定探测位置选定在阴极极靴与中间极靴之间以及中间极靴与屏栅极靴之间，并位于靠近极靴处。

有益效果：

本发明能够获得近阳极壁面处等离子体密度、电子温度、等离子体电势等参数，并可以估算阳极壁面电流密度分布特性，具体来说：

(1)本装置结构简单，安装方便，从而克服了现有放电室等离子体诊断成本高的问题。

(2)探针平面贴近阳极壁面，能够获得阳极壁面附近的数据；平面探针直接焊接在平头螺钉上，能保证平面探针吸收等离子体的平面光滑，从而提高了阳极壁面等离子体诊断精度。

(3)通过限定平面探针的尺寸，使得平面探针直径远远大于等离子体鞘层厚度，能有效减少诊断误差，测量精度较高；由于阳极壁面等离子体密度相对较低，平面探针厚度较小，平面探针的引入对壁面等离子体的干扰较小。

(4)探针与壁面利用陶瓷筒绝缘，且探针与陶瓷筒之间具有一定的距离，并非直接接触，可以有效防止等离子体溅射在陶瓷上引起的平面探针与阳极壁面的绝缘性变差。

(5)陶瓷处用陶瓷胶胶封，陶瓷胶耐温500℃以上，可有效防止推力器放电室等离子体从阳极壁面的开孔位置泄露。

(6)本发明所选取的测试位置，能够诊断放电室不同磁极处的等离子体参数，进而考察磁极对等离子体的约束作用，进一步探究放电室等离子体在阳极壁面处的损失机制。

附图说明

图1为本发明测量离子推力器放电室壁面电荷动态特性的装置在放电室中的安装示意图。

图2为朗缪尔平面探针的结构示意图。

其中，1-推力器放电室，2-朗缪尔平面探针，3-阴极极靴，4-中间极靴，5-屏栅极靴，6-阳极壁面，7-屏栅筒，8-锥段平面探针1布局位置，9-锥段平面探针2布局位置，10-柱段平面探针1布局位置，11-柱段平面探针2布局位置，13-探针扫描电源，14-数据采集系统，15-平面探针，16-陶瓷筒，17-平垫，18-螺母，19-平头螺钉。

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。

本发明提供了一种测量离子推力器放电室壁面电荷动态特性的装置，如图1所示，包括：朗缪尔平面探针2、探针扫描电源13和数据采集系统14。图2示出了朗缪尔平面探针2的具体结构，其由平面探针15、平头螺钉19、陶瓷筒16、平垫17和螺母18组成。

本发明采用平面探针作为探测前端，平面探针属于朗缪尔探针的一种，其利用导体在等离子体环境中的静电作用，通过实验得到探针在等离子体环境中的伏安特性曲线，求解得到等离子体密度、温度、电势等参数。平面探针15焊接在平头螺钉19的头部。分别在阳极壁6和屏栅筒7上开孔，开孔处安装陶瓷筒16。平头螺钉19的螺杆通过陶瓷筒伸出屏栅筒7外部，并通过螺母18固定；平头螺钉的头部与陶瓷筒16之间以及螺母18与陶瓷筒之间均设有平垫17。这里采用平头螺钉能够证平面探针吸收等离子体的平面光滑，而且螺钉的使用还能够通过平垫17、螺母18等常规器件的配合，将平面探针稳定地固定在阳极壁面上。

在上述结构中，平面探针15与阳极壁面6不直接接触，它们之间通过陶瓷筒16绝缘，且陶瓷筒与平面探针非直接接触，可以有效防止等离子体溅射在陶瓷上引起的平面探针与阳极壁面的绝缘性变差。

陶瓷筒16的具体结构参见图2，其由两部分组成，第一部分A为具有一个台阶的两段式筒型结构，第二部分B为一个圆筒。第一部分A的大端端面面向平面探针，但是具有一定的间隙，从而保持空气上的隔离。第一部分A的小端穿过阳极壁面6和屏栅筒7上的开孔后，与第二部分B配合连接，从而将陶瓷筒固定在探测位置。配合连接可以为公差配合。固定后，第二部分B的圆筒套在第一部分小端的外部，圆筒一端面抵住屏栅筒7，另一端面接触位于放电室外部的平垫。该结构容易安装和拆卸。

所述陶瓷筒16的两部分之间、陶瓷筒16与阳极壁面6之间以及陶瓷筒16与屏栅筒7之间均处用陶瓷胶胶封，陶瓷胶耐温500℃以上，可有效防止推力器放电室等离子体从阳极壁面6的开孔位置泄露。

平面探针直径设计为远远大于等离子体鞘层厚度，能有效减少诊断误差，测量精度较高；由于阳极壁面等离子体密度相对较低，平面探针厚度较小，仅为几个德拜长度，平面探针的引入对壁面等离子体的干扰较小。本实施例中，探针直径设计为10～15mm，厚度为0.05～0.08mm，平面探针直径与厚度之比大于100，可忽略探针边缘效应。

屏栅筒外部的螺杆接探针扫描电源13、数据采集系统14的信号线，探针扫描电源13、数据采集系统14分别用于在放电室近阳极壁面等离子体诊断中进行探针控制和测量数据采集。

本发明的朗缪尔平面探针可以灵活布置在磁极极靴附近壁面的选定探测位置。如图1，探测位置选取了阴极极靴3与中间极靴4之间以及中间极靴4与屏栅极靴5之间的两段，并位于靠近极靴处。其中，阴极极靴3与中间极靴4为放电室锥段，两个探测位置为8和9；中间极靴4与屏栅极靴5为柱段，两个探测位置为10和11。这些探测位置上的探针诊断放电室不同磁极处的等离子体参数，进而考察磁极对等离子体的约束作用，用于进一步探究放电室等离子体在阳极壁面处的损失机制。

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 (4)

1.一种测量离子推力器放电室壁面电荷动态特性的装置，其特征在于，包括：朗缪尔平面探针(2)、探针扫描电源(13)和数据采集系统(14)；

朗缪尔平面探针(2)布置在磁极极靴附近壁面的选定探测位置；朗缪尔平面探针由平面探针(15)、平头螺钉(19)、陶瓷筒(16)、平垫(17)和螺母(18)组成；平面探针(15)焊接在平头螺钉(19)的头部，平头螺钉(19)的螺杆通过设置在选定探测位置处、贯穿阳极壁面(6)和屏栅筒(7)的陶瓷筒(16)伸出放电室的屏栅筒(7)外部，并通过螺母(18)固定；平头螺钉(19)的螺杆与陶瓷筒(16)之间留有间隙；平头螺钉的头部与陶瓷筒(16)之间以及螺母(18)与陶瓷筒之间均设有平垫(17)；平面探针(15)与阳极壁面(6)不直接接触，它们之间通过陶瓷筒(16)绝缘；

所述陶瓷筒(16)由两部分组成，第一部分为具有一个台阶的两段式筒型结构，第二部分为一个圆筒；第一部分的大端端面面向平面探针，但是具有一定的间隙，从而保持空气上的隔离；第一部分的小端穿过阳极壁面(6)和屏栅筒(7)后，与第二部分配合连接，从而将陶瓷筒固定在探测位置；第一部分外表面的台阶面接触阳极壁面(6)，内表面的台阶面接触位于放电室内部的平垫；第二部分的圆筒套在第一部分小端的外部，圆筒一端面接触屏栅筒(7)，另一端面接触位于放电室外部的平垫；

屏栅筒外部的螺杆接探针扫描电源(13)和数据采集系统(14)的信号线。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述陶瓷筒(16)的两部分之间、陶瓷筒(16)与阳极壁面(6)之间以及陶瓷筒(16)与屏栅筒(7)之间均处用陶瓷胶胶封。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平面探针(15)的直径与厚度之比大于100。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述选定探测位置选定在阴极极靴(3)与中间极靴(4)之间以及中间极靴(4)与屏栅极靴(5)之间，并位于靠近极靴处。

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