CN110673195A - 一种等离子体推力器瞬态离子流场测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体推力器瞬态离子流场测量装置及测量方法，属于瞬态流场测量技术领域。所述装置包括探头组件、测量模块及电源模块，探头组件包括入射栅、绝缘壳体、固定座和N个探头，N为≥3的奇数，绝缘壳体设有开口，入射栅固定在绝缘壳体的开口位置以使绝缘壳体形成密闭空腔，固定座上间隔设有N个安装孔，探头与安装孔一一对应安装固定且N个探头的接收面位于同一圆弧面内，固定座设置在密闭空腔内，且入射栅的入射孔位于圆弧面的圆心位置，电源模块用于给入射栅提供负偏压，还用于给探头提供扫描电压，测量模块包括N个测量单元，测量单元与探头一一对应，用于测量对应探头离子电流信号。该装置可以测量离子速度矢量角。

Description

一种等离子体推力器瞬态离子流场测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及瞬态流场测量技术领域，特别提供了一种等离子体推力器瞬态离子流场测量装置及测量方法。

背景技术

霍尔推力器是目前国际上典型的一种等离子体电推进装置。推力器依靠高速喷射的等离子体羽流产生反作用推力，其推力的稳定性直接取决于羽流区离子流场的瞬态变化过程。因而，测量推力器的瞬态离子流场的特性参数对于推力器工作稳定性及可靠性的评估具有重要意义。

目前，为了获取等离子体推力器羽流区离子流场的特性信息，通常采用RPA和Faraday探针分别对推力器的离子能量以及离子电流进行测量的方法。中国专利CN103954789A名称为离子速度分布函数瞬时测量装置及方法中，通过加载偏转磁场的方法来实现对离子速度的选择接收，该专利涉及测量方法无法实现对各能量段离子速度矢量角的测量。中国专利CN106596112B公开了一种瞬态离子能量分布测量方法及系统。该专利中需要在不同制止电压条件下分多次对离子电流进行测量。必须要完成对多次测量的结果时刻进行重新对准才能获得瞬态的离子能量，这就要求推力器工作在超稳定的状态下，以此保证不同制止电压条件下的测量的离子电流的振荡周期的重复性。上述测量方法只适用于具有周期性变化规律的特殊流场，无法满足一般工况下瞬态流场参数的测量要求。

对于霍尔推力器这类具有复杂电离加速过程的等离子体推力器而言，其羽流区离子流场通常具有复杂的结构。Faraday探针由于采用机械扫描的工作方式，无法完成离子速度矢量角瞬态变化过程的测量。RPA探针固有结构的限制使其无法实现对各能量段离子速度矢量角的测量。因此，利用现有成熟的等离子体探针均难以满足霍尔推力器羽流区瞬态离子流场测量的需要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种等离子体推力器瞬态离子流场测量装置及测量方法，该装置通过设置接收面位于同一圆弧面内的探头阵列，将离子的入射位置布置于圆弧面的圆心位置，利用线性阵列探头的同步电扫描方式实现对各个角度处离子电流的收集，得出离子速度矢量角。

本发明的技术解决方案是：

一种瞬态离子流场测量装置，包括探头组件、测量模块及电源模块，所述探头组件包括入射栅、绝缘壳体、固定座和N个探头，N为≥3的奇数，所述绝缘壳体设有开口，所述入射栅固定在所述绝缘壳体的开口位置以使所述绝缘壳体形成密闭空腔，所述固定座上间隔设有N个安装孔，所述探头与所述安装孔一一对应安装固定且N个所述探头的接收面位于同一圆弧面内，所述固定座设置在所述密闭空腔内，且所述入射栅的入射孔位于所述圆弧面的圆心位置，所述电源模块用于给所述入射栅提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体空腔内的电子，还用于给所述探头提供扫描电压，所述测量模块包括N个测量单元，所述测量单元与所述探头一一对应，用于测量对应探头在所述扫描电压下的离子电流信号。

在一可选实施例中，所述探头包括第一信号接收极、第二信号接收极、绝缘套及信号屏蔽层，所述信号屏蔽层与所述绝缘套嵌套设置，所述第一信号接收极和第二信号接收极并排设置在所述绝缘套内，且所述第一信号接收极和第二信号接收极之间设有绝缘层；所述电源模块包括偏置电源、扫描电源及差分电源，所述偏置电源用于给所述入射栅提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体空腔内的电子，所述扫描电源用于给所述第一信号接收极和第二信号接收极提供扫描电压，所述差分电源用于给所述第一信号接收极提供差分电压。

在一可选实施例中，所述测量单元包括用于测量所述第一信号接收极在所述扫描电压下的离子电流信号的第一测量电路和用于测量所述第二信号接收极在所述扫描电压下的离子电流信号的第二测量电路。

在一可选实施例中，所述第一信号接收极和第二信号接收极均为台阶结构，且接收面均位于所述台阶结构的大直径端，所述台阶结构的小直径端与所述扫描电源连接。

在一可选实施例中，所述瞬态离子流场为推力器瞬态离子流场，所述偏置电源的电压为所述推力器工作电压的1.2～1.5倍。

在一可选实施例中，所述差分电压为1～10V。

在一可选实施例中，所述固定座为圆弧形块状结构，所述绝缘壳体为半球型结构，所述绝缘壳体内型面与所述固定座的外型面匹配，所述绝缘壳体开口处设有安装槽，所述固定座两端固定在所述安装槽内。

在一可选实施例中，所述N个探头等间距设置，且探头的中心点位于同一圆弧上。

一种瞬态离子流场测量方法，包括：

采用上述装置测量N个探头在所述扫描电压下的离子电流信号；

确定N个所述离子电流信号中最强的电流信号，并将最强的电流信号对应的探头角度作为测量时刻下测量点的离子流场速度矢量角。

在一可选实施例中，所述的瞬态离子流场测量方法，还包括：

根据N个所述离子电流信号确定探头对应角度位置处的离子电流密度。

在一可选实施例中，所述探头包括第一信号接收极、第二信号接收极、绝缘套及信号屏蔽层，所述信号屏蔽层与所述绝缘套嵌套设置，所述第一信号接收极和第二信号接收极并排设置在所述绝缘套内，且所述第一信号接收极和第二信号接收极之间设有绝缘层；所述电源模块包括偏置电源、扫描电源及差分电源，所述偏置电源用于给所述入射栅提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体空腔内的电子，所述扫描电源用于给所述第一信号接收极和第二信号接收极提供扫描电压U_p，所述差分电源用于给所述第一信号接收极提供差分电压ΔU，所述测量N个探头在所述扫描电压下的离子电流信号，包括：

分别测量所述第一信号接收极和第二信号接收极在同一时刻下对应的第一离子电流信号和第二离子电流信号；

根据所述第一离子电流信号和第二离子电流信号的差值确定U_p～U_p ⁺ΔU能量段内离子电流密度。

在一可选实施例中，所述的瞬态离子流场测量方法，还包括：

将N个所述能量段内离子电流密度最强的信号对应的探头角度作为测量时刻下测量点在该能量段的离子流场速度矢量角。

本发明与现有技术相比的有益效果包括：

本发明实施例提供的瞬态离子流场测量装置，通过设置接收面位于同一圆弧面内的探头阵列，将离子的入射位置布置于圆弧面的圆心位置，利用线性阵列探头的同步电扫描方式实现对各个角度处离子电流的收集，得出离子速度矢量角。

附图说明

图1为本发明一具体实施例提供的一种瞬态离子流场测量装置外形示意图；

图2本发明一具体实施例提供的一种瞬态离子流场测量装置拆分示意图；

图3为本发明实施例提供的一种固定座与探头装配示意图；

图4为本发明实施例提供的一种探头结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种瞬态离子流场测量装置原理示意图；

图6为本发明一具体实施例提供的一种扫描电压示意图；

图7为本发明实施例提供的数据处理方法示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

参见图1～3所述，本发明实施例提供了一种瞬态离子流场测量装置，包括探头组件、测量模块及电源模块，所述探头组件包括入射栅1、绝缘壳体2、固定座5和N个探头6，N为≥3的奇数，所述绝缘壳体2设有开口，所述入射栅1固定在所述绝缘壳体2的开口位置以使所述绝缘壳体2形成密闭空腔，所述固定座5上间隔设有N个安装孔，所述探头与所述安装孔一一对应安装固定且N个所述探头的接收面位于同一圆弧面内，所述固定座5设置在所述密闭空腔内，且所述入射栅1的入射孔位于所述圆弧面的圆心位置，所述电源模块用于给所述入射栅1提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体2空腔内的电子，还用于给所述探头提供扫描电压，所述测量模块包括N个测量单元，所述测量单元与所述探头一一对应，用于测量对应探头在所述扫描电压下的离子电流信号。

具体地，本发明实施例中，入射栅1中心设有小孔，即入射孔，入射孔内布置有栅网，处于负偏置状态的入射栅能够滤除入射孔附近的电子，因而只有离子能够进入绝缘壳体空腔内部；

测量时，装置位于羽流区离子流场中，入射栅1的入射孔位于测量点，电源模块给入射栅1提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体2空腔内的电子，仅使离子通过入射栅1的入射孔进入绝缘壳体2内，电源模块给各探头提供扫描电压，测量模块测量各探头在所述扫描电压下的离子电流信号，由于各探头的接收面位于同一圆弧面内，即各探头对应同一圆周上的不同角度，根据各探头对应的电流信号的大小即可判断瞬态离子流场中离子速度矢量角。

本发明实施例提供的瞬态离子流场测量装置，通过设置接收面位于同一圆弧面内的探头阵列，将离子的入射位置布置于圆弧面的圆心位置，利用线性阵列探头的同步电扫描方式实现对各个角度处离子电流的收集，得出离子速度矢量角。

如图4所示，在一可选实施例中，所述探头包括信号接收极A、信号接收极B、绝缘套7及信号屏蔽层8，所述信号屏蔽层8与所述绝缘套7嵌套设置，所述信号接收极A和信号接收极B并排设置在所述绝缘套7内，且所述信号接收极A和信号接收极B之间设有绝缘层；所述电源模块包括偏置电源、扫描电源及差分电源，所述偏置电源用于给所述入射栅1提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体2空腔内的电子，所述扫描电源用于给所述信号接收极A和信号接收极B提供扫描电压，所述差分电源用于给所述信号接收极B提供差分电压。相应地，所述测量单元包括用于测量所述信号接收极A在所述扫描电压下的离子电流信号的第一测量电路和用于测量所述信号接收极B在所述扫描电压下的离子电流信号的第二测量电路。

信号接收极A与扫描电源直接连接，因而其偏置电压为U_p，其电流由离子能量高于U_p的高能离子构成；而信号接收极B先与差分电源连接，再与扫描电源直接连接，其扫描电压为U_p+ΔU，其电流由离子能量高于U_p+ΔU的高能离子构成。二者进行差分后就能够得到该时刻在测量点处U_p～U_p+ΔU能量段的离子电流密度在各个角度位置处的分布函数。由于测量点位于半球腔的球心位置，离子电流密度分布函数的峰值对应的角度位置是该时刻测量点处离子速度的矢量角。通过改变探针的位置，分别对羽流区的各点的参数进行测量，就能够获得整个羽流场中各能量段瞬态离子电流密度分布以及离子流场速度矢量角分布。

在一可选实施例中，所述信号接收极A和信号接收极B均为台阶结构，且接收面均位于所述台阶结构的大直径端，所述台阶结构的小直径端与所述扫描电源连接。该结构接收极便于安装。

在一可选实施例中，所述瞬态离子流场为推力器瞬态离子流场，所述偏置电源的电压为所述推力器工作电压的1.2～1.5倍。由于电场耦合效应，离子流场中存在部分高能离子，这种电压的设置可以保证探针对高能离子电流信号的有效接收。

在一可选实施例中，所述差分电压为1～10V。这种电压设置能够使差分信号具有高信噪比的同时，保证探针具有较高的离子能量分辨率。

如图2和3所示，所述固定座5为圆弧形块状结构，所述绝缘壳体2为半球型结构，所述绝缘壳体2内型面与所述固定座5的外型面匹配，所述绝缘壳体2开口处设有安装槽，所述固定座5两端固定在所述安装槽内。该结构便于探头的安装该结构可使每个探头的接收面法线指向入射孔O，从而提高各通道离子信号的测量精度。

在一可选实施例中，所述N个探头等间距设置，且探头的中心点位于同一圆弧上。该结构便于确定探头角度。

本发明实施例还提供了一种瞬态离子流场测量方法，包括：

采用上述实施例提供的瞬态离子流场装置测量N个探头在所述扫描电压下的离子电流信号；

确定N个所述离子电流信号中最强的电流信号，并将最强的电流信号对应的探头角度作为测量时刻下测量点的离子流场速度矢量角。

本发明实施例中，有关装置的描述和效果参见上述实施例，在此不再赘述。

进一步地，所述的瞬态离子流场测量方法，还包括：

根据N个所述离子电流信号确定探头对应角度位置处的离子电流密度。

在一可选实施例中，所述探头包括信号接收极A、信号接收极B、绝缘套7及信号屏蔽层8，所述信号屏蔽层8与所述绝缘套7嵌套设置，所述信号接收极A和信号接收极B并排设置在所述绝缘套7内，且所述信号接收极A和信号接收极B之间设有绝缘层；所述电源模块包括偏置电源、扫描电源及差分电源，所述偏置电源用于给所述入射栅1提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体2空腔内的电子，所述扫描电源用于给所述信号接收极A和信号接收极B提供扫描电压U_p，所述差分电源用于给所述信号接收极A提供差分电压ΔU，所述测量N个探头在所述扫描电压下的离子电流信号，包括：

分别测量所述信号接收极A和信号接收极B在同一时刻下对应的第一离子电流信号和第二离子电流信号；其中，第一离子电流信号为信号接收极A的电流信号，第二离子电流信号为信号接收极B的电流信号；

根据所述第一离子电流信号和第二离子电流信号的差值确定U_p～U_p ⁺ΔU能量段内离子电流密度。

进一步地，还包括：

将N个所述能量段内离子电流密度最强的信号对应的探头角度作为测量时刻下测量点在该能量段的离子流场速度矢量角。

以下为本发明的一个具体实施例：

如图1～4所示，本实施例提出了一种能够获取羽流场中离子瞬态流场信息的测量装置，包括入射栅1、半球陶瓷空腔(绝缘壳体2)、陶瓷支柱3、底座4、固定座5、N个探头6、绝缘套7、信号屏蔽层8、信号总线9、测量模块10、偏置导线11、偏置电源12、扫描电源13、差分电源14，其中，探头6包括信号接收极A和信号接收极B，信号接收极A和信号接收极B之间设有绝缘层；如图5所示，其中，信号总线9包括N个信号通道，N个信号通道分别与N个探头6一一对应连接，测量模块包括N个信号采集单元10，每个信号通道均包括两根信号线，信号采集单元10包括并联的两个测量电阻，所述两个测量电阻与同一探头的两个信号接收极一一对应，信号线与电阻一一对应。

半球陶瓷空腔与入射栅1的平面侧相接，用6颗沉头螺钉压紧,保证入射栅1入射孔的中心O与半球陶瓷空腔的球心重合。半球陶瓷空腔固定在陶瓷支柱3上，支柱3用螺丝固定在底座4上。

在半球陶瓷空腔内的水平槽内安装固定座5，固定座5上的每一个安装孔内依次安装信号屏蔽壳8、绝缘套7和接收极A和信号接收极B，之后用探头6底部螺丝固定。信号总线9的一端穿过陶瓷支柱3，经过半球陶瓷空腔的水平槽后与各根信号线分别与对应的探头6的信号接收极及屏蔽壳8相连接，信号总线9的另一端经过真空舱后与对对应的信号采集单元10的测量电阻相连接。信号采集单元10的A端测量电阻与扫描电源13的正极连接，信号采集单元10的B端测量电阻与差分电源14的正极连接。差分电源14的负极与扫描电源13的正极连接。偏置电源12的负极与偏置导线11连接，偏置导线11的一端穿过陶瓷支柱3后与入射栅1连接。扫描电源13的负极和偏置电源12的正极与真空舱的地线连接。

固定座5的安装孔等间隔分布，其数量N与探针角度分辨率δθ的关系为：

为保证探针对正入射离子信号的收集，本实施例中N为11。该配置下探针的角度分辨率为15°。在离子流场的测试过程中，装置竖直布置于推力器的羽流区，入射栅1的入射孔中心O为测量点位置。设置偏置电源12的电压为U_b(通常U_b≈50V)，使入射栅1的栅网处于负偏置状态。在这种负状态下的栅网能够滤除入射孔附近的电子，只有离子能够进入到半球陶瓷空腔内部。因此，各探头6只能够接收到由O点附近入射的离子电流。如图6所示，设置扫描电源的电压U_p的扫描范围为[0，1.2U_a]，U_a为推力器工作电压，扫描周期为T(T远高于离子电流的震荡周期，通常T≈5s)。因此，相比对于高频的离子电流震荡，电压的扫描可作为准静态过程。在某个扫描周期的电压上升段，在t₁时刻，扫描电压为U_p，各探头6均处于正偏置的状态。因而只有离子能量高于U_p的高能离子才能够到达各探头6的信号接收极的表面，其它低能离子被反射。各信号接收极A将离子电流信号经过信号总线9传输到舱外对应信号采集单元10的A测量电阻上，可以表示为：

其中，i为测量通道的编号，单位电荷的电量对应于不同的角度位置，i＝1,2,3,...,N。e为单位电荷的电量，M_ion为推力器工质离子的质量，n(t₁,θ_i)为t₁时刻θ_i角度位置处离子的数密度，f_IEDF(t₁,θ_i)为t₁时刻θ_i角度位置处离子的能量分布函数。

于此同时，差分电源的电压设置为ΔU(ΔU很小，ΔU≈1V)，处于同一角度位置处的信号接收电极B端的电压为U+ΔU，对应信号采集单元10上B测量电阻的电流为：

因此，A测量电阻和B测量电阻的差分值可表示为：

同理，在同一等离子体震荡周期内的t₂时刻，A测量电阻和B测量电阻电流的差分值可表示为：

差分离子电流的物理意义为：在t时刻，在测量点处U_p～U_p+ΔU能量段的离子在各个角度位置处的离子电流分布。图7给出了两个时刻的差分离子电流结果的示意图。曲线峰值J_imax代表着离子电流密度分布的最大值，其对应的角度位置是该时刻测量点O处离子速度的矢量角。通过改变装置的位置，分别对羽流区的各点进行测量，就能够获得整个羽流场中各点的瞬态离子电流密度分布以及离子流场速度矢量角分布。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (12)

1.一种瞬态离子流场测量装置，包括探头组件、测量模块及电源模块，其特征在于，所述探头组件包括入射栅、绝缘壳体、固定座和N个探头，N为≥3的奇数，所述绝缘壳体设有开口，所述入射栅固定在所述绝缘壳体的开口位置以使所述绝缘壳体形成密闭空腔，所述固定座上间隔设有N个安装孔，所述探头与所述安装孔一一对应安装固定且N个所述探头的接收面位于同一圆弧面内，所述固定座设置在所述密闭空腔内，且所述入射栅的入射孔位于所述圆弧面的圆心位置，所述电源模块用于给所述入射栅提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体空腔内的电子，还用于给所述探头提供扫描电压，所述测量模块包括N个测量单元，所述测量单元与所述探头一一对应，用于测量对应探头在所述扫描电压下的离子电流信号。

2.根据权利要求1所述的一种瞬态离子流场测量装置，其特征在于，所述探头包括第一信号接收极、第二信号接收极、绝缘套及信号屏蔽层，所述信号屏蔽层与所述绝缘套嵌套设置，所述第一信号接收极和第二信号接收极并排设置在所述绝缘套内，且所述第一信号接收极和第二信号接收极之间设有绝缘层；所述电源模块包括偏置电源、扫描电源及差分电源，所述偏置电源用于给所述入射栅提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体空腔内的电子，所述扫描电源用于给所述第一信号接收极和第二信号接收极提供扫描电压，所述差分电源用于给所述第一信号接收极提供差分电压。

3.根据权利要求2所述的一种瞬态离子流场测量装置，其特征在于，所述测量单元包括用于测量所述第一信号接收极在所述扫描电压下的离子电流信号的第一测量电路和用于测量所述第二信号接收极在所述扫描电压下的离子电流信号的第二测量电路。

4.根据权利要求2所述的一种瞬态离子流场测量装置，其特征在于，所述第一信号接收极和第二信号接收极均为台阶结构，且接收面均位于所述台阶结构的大直径端，所述台阶结构的小直径端与所述扫描电源连接。

5.根据权利要求2所述的一种瞬态离子流场测量装置，其特征在于，所述瞬态离子流场为推力器瞬态离子流场，所述偏置电源的电压为所述推力器工作电压的1.2～1.5倍。

6.根据权利要求5所述的一种瞬态离子流场测量装置，其特征在于，所述差分电压为1～10V。

7.根据权利要求1所述的一种瞬态离子流场测量装置，其特征在于，所述固定座为圆弧形块状结构，所述绝缘壳体为半球型结构，所述绝缘壳体内型面与所述固定座的外型面匹配，所述绝缘壳体开口处设有安装槽，所述固定座两端固定在所述安装槽内。

8.根据权利要求1所述的一种瞬态离子流场测量装置，其特征在于，所述N个探头等间距设置，且探头的中心点位于同一圆弧上。

9.一种瞬态离子流场测量方法，其特征在于，包括：

采用权利要求1～8任一项所述装置测量N个探头在所述扫描电压下的离子电流信号；

确定N个所述离子电流信号中最强的电流信号，并将最强的电流信号对应的探头角度作为测量时刻下测量点的离子流场速度矢量角。

10.根据权利要求9所述的瞬态离子流场测量方法，其特征在于，还包括：

根据N个所述离子电流信号确定探头对应角度位置处的离子电流密度。

11.根据权利要求9所述的瞬态离子流场测量方法，其特征在于，所述探头包括第一信号接收极、第二信号接收极、绝缘套及信号屏蔽层，所述信号屏蔽层与所述绝缘套嵌套设置，所述第一信号接收极和第二信号接收极并排设置在所述绝缘套内，且所述第一信号接收极和第二信号接收极之间设有绝缘层；所述电源模块包括偏置电源、扫描电源及差分电源，所述偏置电源用于给所述入射栅提供负偏压以滤除进入所述绝缘壳体空腔内的电子，所述扫描电源用于给所述第一信号接收极和第二信号接收极提供扫描电压U_p，所述差分电源用于给所述第一信号接收极提供差分电压ΔU，所述测量N个探头在所述扫描电压下的离子电流信号，包括：

分别测量所述第一信号接收极和第二信号接收极在同一时刻下对应的第一离子电流信号和第二离子电流信号；

根据所述第一离子电流信号和第二离子电流信号的差值确定U_p ^～U_p ⁺ΔU能量段内离子电流密度。

12.根据权利要求11所述的瞬态离子流场测量方法，其特征在于，还包括：

将N个所述能量段内离子电流密度最强的信号对应的探头角度作为测量时刻下测量点在该能量段的离子流场速度矢量角。

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