CN110364060B - 一种用于研究磁线圈束流的实验装置 - Google Patents

一种用于研究磁线圈束流的实验装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于研究磁线圈束流的实验装置，其特征在于，包括空心阴极、霍尔推力器、型材、截流盘、磁线圈、线圈骨架、等离子体诊断系统，截流盘中心开设有截流孔。通过本发明的技术方案，可以获得状态稳定、速度分布较为均匀的等离子体，同时用截流盘在霍尔推力器下游截取羽流，可以较好地减弱来自等离子体源的干扰。

Description

一种用于研究磁线圈束流的实验装置
技术领域
本发明属于等离子体物理领域，尤其涉及一种用于研究磁线圈约束低温等离子体流动的实验装置及方法。
背景技术
等离子体由电子、粒子与中性粒子组成，是独立于固体、气体与液体之外的物质第四态，广泛存在于宇宙空间中。等离子体具有良好的导电性，在外加磁场的作用下，等离子体的运动受到控制，通过设计合适的磁场结构，可以实现对等离子体流动的捕捉、加速与收缩。对磁线圈束流的研究将有助于加深对等离子体性质的了解，为电推力器设计、航天器布局等方面工作提供参考依据。现有的研究磁线圈束流的实验装置中，磁线圈的布置紧靠放电室，附加磁场对等离子体源的放电会产生直接影响，从而无法获得理想的、散射角度较小的、分布均匀的束流，这会给磁场约束等离子体的研究带来系统误差。
发明内容
本发明的具体技术方案如下，一种用于研究磁线圈束流的实验装置，其特征在于，包括空心阴极、霍尔推力器、型材、截流盘、磁线圈、线圈骨架、等离子体诊断系统，其中，所述空心阴极与所述霍尔推力器分别通过电路、气路及机械连接；所述型材将所述截流盘和所述线圈骨架吊装并固定在所述霍尔推力器与所述等离子体诊断系统之间；所述霍尔推力器、所述截流盘、所述线圈骨架三者同轴，所述截流盘的外凸面朝向所述霍尔推力器，所述截流盘的内凹面朝向所述线圈骨架；所述截流盘的外凸面和所述线圈骨架之间保持一定安装距离；所述截流盘中心开设有截流孔；所述磁线圈绕在所述线圈骨架上。
进一步地，所述截流盘中心开设的截流孔的半径确定方式如下：在不受磁场约束条件下，使用所述等离子体诊断系统获取所述霍尔推力器靠近所述截流盘一端轴向距离400mm-800mm范围内的离子密度径向分布，离子密度径向分布曲线随着距离所述霍尔推力器轴向距离的增加而由倒V形转变为M形，转变过程中离子密度在径向距离为R的位置均匀分布，所述截流盘中心开设的截流孔的半径小于所述的径向距离R。
进一步地，所述截流盘中心开设的截流孔的半径为5mm-20mm。
进一步地，所述截流盘的外凸面与所述磁线圈骨架之间的安装间距为10mm-15mm。
进一步地，所述线圈骨架在轴线方向的长度为40mm-45mm，所述线圈骨架具有圆筒状的绕芯，所述绕芯内径为40mm-100mm、外径大于所述截流盘上的截流孔内径的5倍，所述线圈骨架的剖面呈工字型，所述线圈骨架的第一端靠近所述截流盘的内凹面，所述线圈骨架的第二端通过螺栓和螺母固定连接在所述型材上。
进一步地，所述等离子体诊断系统包含法拉第探针、朗缪尔探针、阻滞能量分析仪、位移机构及其控制器、数据采集仪、探针电源，所述等离子体诊断系统的位移机构的行程覆盖范围为距离所述线圈骨架靠近所述等离子体诊断系统一端的轴向距离100mm-300mm，径向距离0mm-500mm。
进一步地，所述截流盘的外侧有与所述截流盘的轴心成45°的盘沿。
本发明的有益效果在于：
1.通过本发明所述的装置，可以获得状态稳定、速度分布较为均匀、发散较小的等离子体流；
2.通过本发明所述的装置研究磁线圈束流，可以较好地减弱磁场对等离子体源的影响，从而将研究对象局限于截取的束流与磁线圈，研究磁场构型对理想等离子流动的影响；
3.可通过改变霍尔推力器的工况如放电电压、推进剂流量等来获得不同状态参数(等离子体密度、离子速度、发散角)下的束流，丰富可供研究的自变量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明的一种磁线圈束流实验装置的布局图；
图2为本发明的一种磁线圈束流实验装置的左右等轴测前视图；
图3为本发明的一种磁线圈束流实验装置的左右等轴测后视图；
图4为本发明所述的一种磁线圈束流实验装置的剖视图(不包含空心阴极、霍尔推力器和等离子体诊断系统)。
附图标号说明：
1-空心阴极；2-霍尔推力器；3-型材；4-截流盘；5-线圈骨架；6-磁线圈；7-等离子体诊断系统。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图4所示，根据本发明实施例所述的一种用于研究磁线圈束流的实验装置，包括空心阴极1、霍尔推力器2、型材3、截流盘4、、线圈骨架5、磁线圈6、等离子体诊断系统7，其中，空心阴极1与霍尔推力器2通过电路、气路、机械连接，型材3将截流盘4和线圈骨架5吊装并固定在霍尔推力器2与等离子体诊断系统7之间，,霍尔推力器2、截流盘4、线圈骨架5三者同轴，截流盘4的外凸面朝向霍尔推力器2，截流盘4的内凹面朝向线圈骨架5，截流盘4的外凸面和线圈骨架5之间保持一定安装距离，截流盘4中心开设有截流孔，磁线圈6绕在线圈骨架5上。霍尔推力器2产生的束流经过截流盘4中心开设的截流孔被截取出一部分密度较为均匀的等离子体流。
在一些实施方式中，截流盘4中心开设的截流孔的半径确定方式为：在不受磁场约束条件下，使用等离子体诊断系统7获取霍尔推力器2靠近截流盘4一端轴向距离400mm-800mm范围内的离子密度径向分布，离子密度径向分布曲线随着距离霍尔推力器2轴向距离的增加而由倒V形转变为M形，转变过程中离子密度在径向距离为R的位置均匀分布，所述截流盘中心开设的截流孔的半径小于所述的径向距离R。
在一些实施方式中，截流盘4中心开设的截流孔的半径为5mm-20mm。
在一些实施方式中，截流盘4在束流中受等离子体撞击，温度较高，截流盘4与线圈骨架5之间不直接接触，截流盘4的外凸面与磁线圈骨架5之间的安装间距为10mm-15mm，二者间主要的传热方式为辐射，避免绕在线圈骨架5上的磁线圈6与过热的截流盘4直接接触而被烧坏。
在一些实施方式中，线圈骨架5在轴线方向的长度为40mm-45mm，线圈骨架5具有圆筒状的绕芯，绕芯内径为40mm-100mm、外径大于所述截流盘4上的截流孔内径的5倍，线圈骨架5的剖面呈工字型，线圈骨架5的第一端靠近截流盘4的内凹面，线圈骨架5的第二端通过螺栓和螺母固定连接在型材3上。将磁线圈6绕在不同内径的线圈骨架5上或者改变磁线圈6中通入的电流大小，均能得到不同的外加磁场。
在一些实施方式中，等离子体诊断系统7包含法拉第探针、朗缪尔探针、阻滞能量分析仪、位移机构及其控制器、数据采集仪、探针电源，可以对等离子体进行诊断，获取等离子体密度、空间电势、电子温度等束流参数。等离子体诊断系统7的位移机构的行程覆盖范围为距离线圈骨架5靠近等离子体诊断系统7一端的轴向距离100mm-300mm，径向距离0mm-500mm。
在一些实施方式中，截流盘4的外侧有与截流盘4的轴心成45°的盘沿。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
具体使用时，在真空舱中，连接好霍尔推力器2及阴极1的气路及电路使其可以正常点火，将磁线圈6绕在线圈骨架5上，并将甩线端通过穿舱法兰连至真空舱外的电源，用型材3将截流盘4与线圈骨架5吊装固接在真空舱内霍尔推力器2的下游位置，截流盘4与线圈骨架5与霍尔推力器2同轴，且截流盘4外凸面朝向霍尔推力器2，内凹面朝向线圈骨架5。首先进行霍尔推力器2的点火流程，在霍尔推力器2点火成功并且稳定工作后，根据前述方法确定截流盘4与霍尔推力器2的距离及截流盘4的截流孔尺寸，在截流盘4的截流孔处将获得等离子体密度分布较为均匀的束流。通过电源向磁线圈6通入1A-5A的电流励磁，通电的磁线圈6产生收缩磁场，等离子体流束中的电子会受到一定程度的磁化，而向轴线收束，与非磁化离子发生电荷分离形成一个将离子牵引至磁场扩张方向的局部强电场，最终形成宏观上磁场对等离子体流束的约束作用，即双极电场效应。改变磁线圈6的线径、线圈骨架5的内径或通电电流的大小，通过等离子体诊断系统7进行诊断，可以得到不同工况下等离子体流束的发散角、轴向电势分布以及返流密度分布，对应线圈下游磁场强度的分布，定性研究使磁线圈束流达到理想工作状态的外部参数。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种用于研究磁线圈束流的实验装置，其特征在于，包括空心阴极、霍尔推力器、型材、截流盘、磁线圈、线圈骨架、等离子体诊断系统，其中，
所述空心阴极与所述霍尔推力器分别通过电路、气路及机械连接；
所述型材将所述截流盘和所述线圈骨架吊装并固定在所述霍尔推力器与所述等离子体诊断系统之间；所述霍尔推力器、所述截流盘、所述线圈骨架三者同轴，所述截流盘的外凸面朝向所述霍尔推力器，所述截流盘的内凹面朝向所述线圈骨架；
所述截流盘的外凸面和所述线圈骨架之间保持一定安装距离；
所述截流盘中心开设有截流孔，所述截流盘中心开设的截流孔的半径确定方式如下：在不受磁场约束条件下，使用所述等离子体诊断系统获取所述霍尔推力器靠近所述截流盘一端轴向距离400mm-800mm范围内的离子密度径向分布，离子密度径向分布曲线随着距离所述霍尔推力器轴向距离的增加而由倒V形转变为M形，转变过程中离子密度在径向距离为R的位置均匀分布，所述截流盘中心开设的截流孔的半径小于所述的径向距离R；
所述磁线圈绕在所述线圈骨架上；
所述等离子体诊断系统包含法拉第探针、朗缪尔探针、阻滞能量分析仪、位移机构及其控制器、数据采集仪、探针电源，所述等离子体诊断系统的位移机构的行程覆盖范围为距离所述线圈骨架靠近所述等离子体诊断系统一端的轴向距离100mm-300mm，径向距离0mm-500mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究磁线圈束流的实验装置，其特征在于，所述截流盘中心开设的截流孔的半径为5mm-20mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于研究磁线圈束流的实验装置，其特征在于，所述截流盘的外凸面与所述磁线圈骨架之间的安装间距为10mm-15mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于研究磁线圈束流的实验装置，其特征在于，所述线圈骨架在轴线方向的长度为40mm-45mm，所述线圈骨架具有圆筒状的绕芯，所述绕芯内径为40mm-100mm、外径大于所述截流盘上的截流孔内径的5倍，所述线圈骨架的剖面呈工字型，所述线圈骨架的第一端靠近所述截流盘的内凹面，所述线圈骨架的第二端通过螺栓和螺母固定连接在所述型材上。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究磁线圈束流的实验装置，其特征在于，所述截流盘的外侧有与所述截流盘的轴心成45°的盘沿。
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