CN111867224B - 一种e×b探针 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种E×B探针，包括离子过滤准直模块、连接件、准直筒体和E×B速度过滤模块；离子过滤准直模块包括离子过滤装置壳体、离子过滤入口准直装置、绝缘板盖、绝缘板和弧形电极，绝缘板固定在离子过滤装置壳体的中部，弧形电极紧贴在绝缘板上，绝缘板盖置于弧形电极上；离子过滤入口准直装置置于离子过滤装置壳体的离子过滤入口处；连接件固定于离子过滤装置壳体的离子过滤出口处，准直筒体的前端穿过连接件并延伸至离子过滤装置壳体内与述弧形电极靠近，准直筒体的后端置于E×B速度过滤模块内。本发明的E×B探针，采用弧形电极、准直磁屏和出口准直磁屏，提高了E×B探针的分辨率以及减少结果中的杂质含量。

Description

一种E×B探针

技术领域

本发明涉及等离子体测量技术领域，具体地，涉及一种新型E×B探针，尤其是一种高精度E×B探针，用于测量等离子体中离子分布与应用的器件。

背景技术

航天任务是高风险、高难度、高成本的活动，低成本、高效率的追求推动着空间推进系统的蓬勃发展。技术相对成熟的化学推进中，固体推进具有推力大的优势，但无法多次启动；液体推进中的双组元液体推进可以产生高比冲，但技术复杂且造价昂贵。目前的近地航天任务以及深空探测任务均对空间推进系统提出更高的要求。电推进是一种利用电能电离并在电磁场中加速工质喷出高速射流而产生推力的推进技术，电推进系统具有比冲高，污染小且寿命长的特点，在航天事业的发展中逐渐占据着重要的地位。电推力器是电推进系统的核心子系统，目前全世界成功开发了约十几种电推力器，并越来越多的航天器应用于推进系统中。

众多电推力器中，霍尔推力器具有体积小，推力密度高等优点。其利用等离子体在正交电磁场做漂移运动形成霍尔电流，喷出的射流通常称为羽流，通过诊断羽流中的离子特性，得到推力器相关性能参数，从而对推力器进行优化，提高推进剂使用效率。羽流中，多价态离子比单价态离子能量更高，容易增大溅射概率从而造成与离子接触壁面的腐蚀，此外，多价态离子的产生还会减小推力器的推力，从而降低推进剂的使用率以及推力器的效率。因此，检测羽流中离子分布情况是十分必要的。针对多价态离子的测量，羽流检测需要获取多价态离子能量分布以及各价态离子数比例等参数。本发明所述的新型E×B探针，被置于偏离羽流中心线各不同角度的方向上，测量该方向各价态离子的分数，并具有较高精度。

E×B探针实际接收的离子为某个角度范围内的离子，测量结果中会显示出其中存在的杂质。传统的E×B探针在羽流中心小角度范围内能测得较好的结果，偏离羽流中心线角度稍大便会存在大量杂质影响测量结果，因此，通常使用E×B探针测量均在羽流中心附近测量。同时，由于E×B探针最终接收到的离子数过少，部分E×B探针以降低探针分辨率为代价增加所能收集到的离子数。传统的E×B探针使用磁性较强的永磁体提供固定位型的磁场，存在磁场分布不均匀导致不易测量的问题，虽然使用电磁铁代替永磁体的方式可使磁场相对稳定并且可控，但是要达到和永磁体相同的场强量级所需空间过大，限制了其应用空间。

综上所述，采用传统的E×B探针存在如下有待改进的地方：(1)采用入口准直筒体结构，短入口准直筒体接收羽流范围过大，在偏离羽流中心大角度时存在过多杂质；长入口准直筒体接收离子数过少，得不到准确的检测结果。(2)采用永磁体装置，磁场边缘分布不均匀不易测量。

经过对现有技术的检索，申请公布号为CN 104730066 A发明公开了一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，属于等离子体质谱诊断技术领域，主要应用于离子推力器与霍尔推力器近场羽流测量。包括：中心架、铁氧体永磁体、平板电极板、电极板固定座、准直管、漂移管、法拉第筒、碳钢壳体及防溅射隔热层。连接关系为：以中心架为核心部件，铁氧体永磁体分置于中心架上下表面，电极板固定于中心架内部，形成均匀正交电磁场区。探针使用六块碳钢壳体封装，探针壳体前端采用防溅射隔热层包覆。不锈钢准直管与漂移管通过轴孔配合固定于中心架两端中心。该E×B探针，磁场分布不均匀，存在大量杂质影响测量结果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种E×B探针。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明提供一种E×B探针，包括离子过滤准直模块、连接件、准直筒体和E×B速度过滤模块；

所述离子过滤准直模块包括离子过滤装置壳体、离子过滤入口准直装置、绝缘板盖、绝缘板和弧形电极，所述绝缘板固定在所述离子过滤装置壳体的中部，所述弧形电极紧贴在所述绝缘板上，所述绝缘板盖置于所述弧形电极上；所述离子过滤入口准直装置置于所述离子过滤装置壳体的离子过滤入口处；

所述连接件固定于所述离子过滤装置壳体的离子过滤出口处，所述准直筒体的前端穿过所述连接件并延伸至所述离子过滤装置壳体内与所述述弧形电极靠近，所述准直筒体的后端置于所述E×B速度过滤模块内。

进一步地，所述离子过滤入口准直装置与所述弧形电极之间设有离子过滤入口准直金属薄片，所述离子过滤入口准直金属薄片采用耐高温且耐腐蚀的纯金属或合金制成。

进一步地，所述准直筒体的前端设有准直盖。

进一步地，所述准直盖与所述准直筒体的前端之间还设有准直前端金属薄片，所述准直筒体的后端设有准直后端金属薄片，所述准直前端金属薄片和所述准直后端金属薄片采用耐高温且耐腐蚀的纯金属或合金制成。

进一步地，所述E×B速度过滤模块包括E×B外壳、E×B速度过滤壳体、磁极、电极、准直磁屏、出口准直磁屏和出口准直筒体；所述E×B外壳的内部紧密包围在所述E×B速度过滤壳体的外部，所述E×B速度过滤壳体的内部左右两侧固定所述磁极，所述E×B速度过滤壳体的内部上下两侧固定所述电极，所述准直磁屏固定在所述E×B速度过滤壳体的前端并靠近所述电极的边缘处；所述E×B速度过滤壳体的后端设置所述出口准直磁屏，所述出口准直筒体置于出口准直磁屏内部；所述准直筒体的后端穿过所述准直磁屏靠近所述磁极。

进一步地，所述出口准直磁屏的前端设有出口准直金属薄片并靠近所述电极的边缘处，所述出口准直金属薄片采用耐高温且耐腐蚀的纯金属或合金制成。

进一步地，所述E×B外壳的端部设有通道电子倍增器固定装置，用以固定接收离子的通道电子倍增器。

进一步地，所述绝缘板上设有固定通孔和安装孔，所述固定通孔用于固定所述弧形电极和填充绝缘材料，所述安装孔用于将所述绝缘板盖和所述绝缘板与所述离子过滤装置壳体的中部固定。

进一步地，所述弧形电极的弧度为118°-128°。

进一步地，所述离子过滤装置壳体的离子过滤入口处设有圆柱通孔，所述圆柱通孔与所述离子过滤入口准直装置对准。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的E×B探针，采用弧形电极，一方面具有准直作用，可以筛选出某个角度方向的离子束；另一方面具有过滤作用，过滤出具有相同有效加速电压的离子，提高E×B探针的分辨率以及减少结果中的杂质含量。

2、本发明的E×B探针，准直磁屏和出口准直磁屏，置于磁极的边缘处，分别用以屏蔽磁极在E×B速度过滤壳体前端产生的磁场和屏蔽磁极在E×B速度过滤壳体后端产生的磁场，从而束缚住磁场边缘的磁感线，以维持磁场边缘处的稳定。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明E×B探针的结构分解图；

图2为本发明E×B探针的整体组装图；

图3为本发明E×B探针的速度过滤壳体与电极、磁极组装图；

图4为本发明E×B探针的剖面图；

图5为本发明离子过滤装置壳体的剖面图；

图6为本发明绝缘板的结构示意图；

图7为本发明弧形电极的结构示意图；

图8为本发明绝缘板盖的结构示意图；

图9为本发明各金属薄片的结构示意图；

图10为本发明磁极的结构示意图；

图11为本发明准直磁屏的结构示意图；

图12为本发明出口准直磁屏的结构示意图；

图13为本发明E×B速度过滤壳体的结构示意图；

图14为本发明E×B外壳的结构示意图；

图15为本发明通道电子倍增器固定装置的结构示意图。

图中，1、离子过滤装置壳体，2、离子过滤入口准直装置，3、绝缘板盖，4、绝缘板，5、弧形电极，6、连接件，7、准直盖，8、准直筒体，9、准直磁屏，10、E×B速度过滤壳体，11、磁极，12、电极，13、出口准直磁屏，14、出口准直筒体，15、通道电子倍增器固定装置，16、E×B外壳，17、离子过滤入口准直金属薄片，18、准直前端金属薄片，19、准直后端金属薄片，20、出口准直金属薄片，21、圆柱通孔，22、导线通孔，23、固定通孔，24、安装孔，25、弧形电极导线通孔，26、绝缘板固定螺纹孔，27、通道电子倍增器固定口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明E×B探针基于速度过滤基本结构，通过正交电磁场筛选出具有一定速度的粒子。羽流检测需求对E×B探针的精度有着严格的要求，针对羽流检测，只有被相同有效加速电压作用的离子，经过E×B探针速度选择方可分离出不同价态的离子。在本发明的等离子体检测中，采用使离子所受电场力与向心力相等的方法，应用弧形电极结构，分离出具有相同加速电压的离子束，使用弧形电极的准直过滤作用提高E×B探针的分辨率以及减少结果中的杂质含量，同时，本发明在磁场边缘处采用软磁性材料制成的磁屏蔽装置束缚住磁场边缘的磁感线，以维持磁场边缘处的稳定。

等离子体进入E×B探针前先通过前方的弧形电极，在弧形电极中利用离子所受电场力与向心力筛选出具有相同有效加速电压的离子束。一方面具有准直作用，可以筛选出某个角度方向的离子束；另一方面具有过滤作用，过滤出具有相同有效加速电压的离子。

如图1至15所示，一种E×B探针，包括离子过滤准直模块、连接件6、准直筒体8和E×B速度过滤模块；

所述离子过滤准直模块包括离子过滤装置壳体1、离子过滤入口准直装置2、绝缘板盖3、绝缘板4和弧形电极5，所述绝缘板4固定在所述离子过滤装置壳体1的中部，所述弧形电极5紧贴在所述绝缘板4上，所述绝缘板盖3置于所述弧形电极5上；所述离子过滤装置壳体1的离子过滤入口处设有圆柱通孔21，所述离子过滤入口准直装置2置于所述离子过滤装置壳体1内部与所述圆柱通孔21对准，用于收集等离子体束。

所述连接件6固定于所述离子过滤装置壳体1的外部，所述准直筒体8的前端穿过所述连接件6并延伸至所述离子过滤装置壳体1内与所述述弧形电极5靠近，所述准直筒体8的前端设有准直盖7，所述准直筒体8的后端置于所述E×B速度过滤壳体10内。

具体的，E×B速度过滤模块包括E×B外壳16、E×B速度过滤壳体10、磁极11、电极12、准直磁屏9、出口准直磁屏13和出口准直筒体14；所述E×B外壳的端部设有通道电子倍增器固定装置15，用以固定接收离子的通道电子倍增器；所述E×B外壳的内部紧密包围在所述E×B速度过滤壳体10的外部，所述E×B速度过滤壳体10的内部左右两侧固定所述磁极11，所述E×B速度过滤壳体10的内部上下两侧固定所述电极12，所述准直磁屏9固定在所述E×B速度过滤壳体10的前端并靠近所述电极12的边缘处；所述E×B速度过滤壳体10的后端设置所述出口准直磁屏13，所述出口准直筒体14置于出口准直磁屏13内部；所述准直筒体8的后端穿过所述准直磁屏9靠近所述磁极11。

具体的，所述离子过滤入口准直装置2与所述弧形电极5之间设有离子过滤入口准直金属薄片17，所述准直盖7与所述准直筒体8的前端之间还设有准直前端金属薄片18，所述准直筒体8的后端设有准直后端金属薄片19，所述出口准直磁屏13的前端设有出口准直金属薄片20并靠近所述电极12的边缘处，所述离子过滤入口准直金属薄片17、所述准直前端金属薄片18和所述准直后端金属薄片19、所述出口准直金属薄片20均为中心开有小孔的金属薄片，等离子体从小孔通过，且上述金属薄片均采用耐高温且耐腐蚀的纯金属或合金制成。

接下来，结合具体结构对本发明技术方案做进一步详细描述。

离子过滤入口准直装置2置于离子过滤装置壳体1内部，用于收集并产生一定角度范围内的等离子体。离子过滤装置壳体1作为支撑结构用以放置离子过滤入口准直装置2、弧形电极5、绝缘板4等部件。位于离子过滤装置壳体1后端的弧形电极导线通孔25，用以通过导线连接弧形电极5及其他部件。离子过滤装置壳体1中央的绝缘板固定螺纹孔26，用以固定绝缘板4。绝缘板4的材料采用耐温性好的绝缘材料，所述绝缘板4上设有固定通孔23和安装孔24，所述固定通孔23一方面用以通过固定弧形电极的螺钉，一方面用以提供填充隔绝螺钉与弧形电极之间的绝缘材料的空间，所述安装孔24用于将所述绝缘板盖3和所述绝缘板4与所述离子过滤装置壳体1的中部固定。弧形电极5采用导电性良好耐温良好的铝制成，当然也可以采用其他导电性良好、耐高温的金属或合金制成。所述弧形电极5的弧度为118°-128°，优选的，弧形电极5所成弧度在120度左右，保证进入其中心的具有相同加速电压的带电粒子可在出口处汇聚。弧形电极内形成弧形的电场，保证等离子体在通过弧形电极后能够重新聚集成束。绝缘板盖3置于弧形电极5上，将弧形电极5与离子过滤装置壳体1绝缘。优选的，绝缘板4和绝缘板盖3由耐高温的绝缘材料聚四氟乙烯制成。

连接件6固定于离子过滤装置壳体1外部，置于连接件内的准直筒体8，用以连接弧形电极5以及E×B速度过滤壳体10。准直盖7固定于准直筒体8前端，用以减少等离子体对固定于准直筒体8前端的金属薄片的腐蚀。准直磁屏9固定在E×B速度过滤壳体10前端，用以屏蔽固定于E×B速度过滤壳体10两侧的磁极11在E×B速度过滤壳体10前端产生的磁场。

弧形电极5，置于磁极11和电极12前，弧形电极内形成弧形的电场，保证等离子体在通过弧形电极后能够重新聚集成束。磁极11用以提供较高磁场强度的磁场，磁极11由耐高温、磁性能良好的钐钴磁铁制成，当然，也可采用其他耐高温和磁性能良好的永磁材料制成。电极12固定在E×B速度过滤壳体10内部，用以提供过滤一定速度离子的电场，所述的弧形电极5和电极12上分别接入外电路，施加电压。出口准直磁屏13固定于E×B速度过滤壳体10后端，用以屏蔽磁极11在E×B速度过滤壳体10后端产生的磁场。准直磁屏9及出口准直磁屏13的材料采用磁导率高耐温性良好的软磁材料。出口准直筒体14置于出口准直磁屏13内部，用以收集角度范围内的离子束。准直磁屏9、出口准直磁屏13由纯铁制成，当然也可采用其他耐高温的软磁材料。

E×B外壳16内部紧密包围在E×B速度过滤壳体10外部，一方面保护E×B外壳内部的装置不受侵蚀，一方面防止其他离子进入E×B速度过滤壳体10内部。位于E×B壳体下方的两个导线通孔22，用以通入接有电源或接地的导线。通道电子倍增器固定装置15固定于E×B外壳16外部，用以固定可以接收离子的通道电子倍增器。

在离子过滤入口准直装置后端、准直筒体前后两端、出口准直筒体前端分别固定的金属薄片，中心开有小孔，等离子体从小孔通过，金属薄片由高熔点、耐腐蚀金属钽制成，当然，在保证等离子体束打在上面产生溅射少的情况下，也可采用其他高熔点且耐腐蚀的纯金属或合金。

本发明E×B探针的工作方式如下：首先启动外部电源给弧形电极5和电极12加上电压，在通道电子倍增器固定装置15中的通道电子倍增器固定口27内固定通道电子倍增器。等离子体束通过离子过滤装置壳体1的圆柱通孔21进入离子过滤入口准直装置2，离子过滤入口准直金属薄片17将来流等离子体束过滤为极细的等离子体束，并使该等离子体束通过弧形电极5中心。具有相同加速电压的等离子体在弧形电极5末端处重新汇聚成束，经过准直筒体8前端的准直前端金属薄片18和准直筒体8后端的准直后端金属薄片19后重新变为极细的等离子体束。等离子体束进入磁极11和电极12的正交区域，如果所受电场力和磁场力相等，则会继续穿过出口准直筒体前端的出口准直金属薄片20、出口准直筒体14、通道电子倍增器固定装置15，被通道电子倍增器收集。不停改变电极12上所加的电压，重复收集过程。根据弧形电极5上所加电压、电极12上加的电压、磁极11所产生的磁场中心的磁场强度以及已知的粒子质量，可以得出收集粒子的电荷量。依据电极12上不同的电压所收集到的电流强度，可以得到该方向上不同电荷量的粒子的所占比例，从而完成E×B探针的测量过程。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种E×B探针，其特征在于，包括离子过滤准直模块、连接件(6)、准直筒体(8)和E×B速度过滤模块；

所述离子过滤准直模块包括离子过滤装置壳体(1)、离子过滤入口准直装置(2)、绝缘板盖(3)、绝缘板(4)和弧形电极(5)，所述绝缘板(4)固定在所述离子过滤装置壳体(1)的中部，所述弧形电极(5)紧贴在所述绝缘板(4)上，所述绝缘板盖(3)置于所述弧形电极(5)上；所述离子过滤入口准直装置(2)置于所述离子过滤装置壳体(1)的离子过滤入口处；

所述连接件(6)固定于所述离子过滤装置壳体(1)的离子过滤出口处，所述准直筒体(8)的前端穿过所述连接件(6)并延伸至所述离子过滤装置壳体(1)内与所述弧形电极(5)靠近，所述准直筒体(8)的后端置于所述E×B速度过滤模块内。

2.根据权利要求1所述的一种E×B探针，其特征在于，所述离子过滤入口准直装置(2)与所述弧形电极(5)之间设有离子过滤入口准直金属薄片(17)，所述离子过滤入口准直金属薄片(17)采用耐高温且耐腐蚀的纯金属或合金制成。

3.根据权利要求1所述的一种E×B探针，其特征在于，所述准直筒体(8)的前端设有准直盖(7)。

4.根据权利要求3所述的一种E×B探针，其特征在于，所述准直盖(7)与所述准直筒体(8)的前端之间还设有准直前端金属薄片(18)，所述准直筒体(8)的后端设有准直后端金属薄片(19)，所述准直前端金属薄片(18)和所述准直后端金属薄片(19)采用耐高温且耐腐蚀的纯金属或合金制成。

5.根据权利要求1所述的一种E×B探针，其特征在于，所述E×B速度过滤模块包括E×B外壳(16)、E×B速度过滤壳体(10)、磁极(11)、电极(12)、准直磁屏(9)、出口准直磁屏(13)和出口准直筒体(14)；

所述E×B外壳的内部紧密包围在所述E×B速度过滤壳体(10)的外部，所述E×B速度过滤壳体(10)的内部左右两侧固定所述磁极(11)，所述E×B速度过滤壳体(10)的内部上下两侧固定所述电极(12)，所述准直磁屏(9)固定在所述E×B速度过滤壳体(10)的前端并靠近所述磁极(11)的边缘处；所述E×B速度过滤壳体(10)的后端设置所述出口准直磁屏(13)，所述出口准直筒体(14)置于出口准直磁屏(13)内部；所述准直筒体(8)的后端穿过所述准直磁屏(9)靠近所述电极(12)。

6.根据权利要求5所述的一种E×B探针，其特征在于，所述出口准直磁屏(13)的前端设有出口准直金属薄片(20)并靠近所述电极(12)的边缘处，所述出口准直金属薄片(20)采用耐高温且耐腐蚀的纯金属或合金制成。

7.根据权利要求5所述的一种E×B探针，其特征在于，所述E×B外壳的端部设有通道电子倍增器固定装置(15)，用以固定接收离子的通道电子倍增器。

8.根据权利要求1所述的一种E×B探针，其特征在于，所述绝缘板(4)上设有固定通孔(23)和安装孔(24)，所述固定通孔(23)用于固定所述弧形电极(5)和填充绝缘材料，所述安装孔(24)用于将所述绝缘板盖(3)和所述绝缘板(4)与所述离子过滤装置壳体(1)的中部固定。

9.根据权利要求1所述的一种E×B探针，其特征在于，所述弧形电极(5)的弧度为118°-128°。

10.根据权利要求1所述的一种E×B探针，其特征在于，所述离子过滤装置壳体(1)的离子过滤入口处设有圆柱通孔(21)，所述圆柱通孔(21)与所述离子过滤入口准直装置(2)对准。

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