CN113466921B - 一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪 - Google Patents

Abstract

本申请涉及低温等离子体诊断技术领域，具体而言，涉及一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，包括盒体、离子偏转装置以及离子收集器，其中：离子偏转装置和离子收集器均设置在盒体的内部；离子偏转装置通过前准直管与盒体固定连接，通过后准直管与离子收集器连接。本发明通过偏转电场筛选羽流中特定能量的离子，相比于现有的阻滞式电场，需要施加的扫描电压更小，因而对设备要求、安全防护要求更低，更加适合于电推力器羽流高能离子能量的测量。

Description

一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪

技术领域

本申请涉及低温等离子体诊断技术领域，具体而言，涉及一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪。

背景技术

电推力器具有高比冲、高效率的突出优势，已经成为世界各国长寿命和低成本卫星普遍采用的技术途径，在通信卫星领域，是否采用电推力器已经成为衡量卫星先进性的重要标志，并且电推力器已成为破解我国卫星高承载、长寿命和姿轨精确控制设计难题的有效手段。当前和未来几十年内，我国空间领域对电推力器的应用需求极为广阔，将涵盖通信卫星、深空探测、低轨高精度对地观测卫星及星座、科学探测卫星等。

电推力器喷出的高能等离子体在真空中自由膨胀时会产生羽毛状的流场，被称为羽流。羽流中的离子、电子等使航天器处于了等离子体环境和电磁环境当中，尤其是等离子体环境对航天器产生充放电等特殊效应而影响更为严峻。此外电推进羽流中存在大量高能的离子等会对航天器产生各种负面影响，比如力效应、热效应和溅射污染效应。在长时间的地面试验中存在推力器表面被腐蚀的现象，这是因为高能离子轰击材料表面产生了溅射腐蚀效应。而电推力器被安装于卫星上后喷出的高能带电粒子也会撞击太阳能帆板、光学传感器等敏感表面，从而导致严重的溅射腐蚀，最终造成敏感部件失能。因此研究电推进羽流撞击航天器敏感表面的离子能量分布是很有必要和意义的，可以由其能量分布计算敏感材料的溅射腐蚀速率等，从而优化设计推力器的结构。

静电场能量分析仪作为典型的离子能量分布诊断工具，有着原理、结构相对简单等优点，该种分析仪在航天领域一般作为卫星有效载荷应用于空间粒子诊断，在羽流中鲜有应用。相较于空间等离子体，电推力器羽流束流离子具有高密度、高能量的特点，分析仪设计也要相应做出创新，并通过试验验证设计的可行性。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，满足产品进行电推力器羽流离子能量诊断的需求，进而对羽流离子对航天器敏感表面的作用进行定量地评价与研究，从而优化电推力器的结构设计，达到提升航天器寿命与可靠性的目的。

为了实现上述目的，本申请提供了一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，包括盒体、离子偏转装置以及离子收集器，其中：离子偏转装置和离子收集器均设置在盒体的内部；离子偏转装置通过前准直管与盒体固定连接，通过后准直管与离子收集器连接。

进一步的，盒体六个面分别为顶板、底板、入口孔板、排气孔板、接线插孔板以及对接线插孔板，入口孔板上设置有入口孔，排气孔板上设置有多个排气孔，接线插孔板和对接线插孔板用于连接电路。

进一步的，前准直管通过定位支座固定在盒体的底板上，并且与盒体的入口孔板上的入口孔同轴设置。

进一步的，离子偏转装置通过定位销和螺栓固定在盒体的底板上，离子偏转装置包括内偏转板和外偏转板。

进一步的，离子收集器通过定位支座固定在盒体的底板上，包括收集端面和保护环，保护环套设在收集端面的外部且与收集端面连接到同一偏置电压电路。

进一步的，后准直管通过定位支座固定在盒体的底板上，并且与离子收集器的收集端面同轴设置。

进一步的，入口孔、前准直管、离子偏转装置的中心平面、后准直管以及离子收集器位于同一水平面上。

进一步的，内偏转板和外偏转板为不同半径的同心圆弧板，内偏转板和外偏转板的厚度相同。

进一步的，离子收集器为法拉第探针。

本发明提供的一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，具有以下有益效果：

本发明通过偏转电场筛选羽流中特定能量的离子，相比于现有的阻滞式电场，需要施加的扫描电压更小，因而对设备要求、安全防护要求更低，更加适合于电推力器羽流高能离子能量的测量，使用带有保护环的离子收集器收集离子电流，可减少收集到非轴向的低能离子，因而测量结果更加精确，并且设置带有排气孔的盒式半封闭的外壳，既避免离子收集器收集到空间环境内背景离子而影响测量结果，又能避免射入粒子在腔体内的积累而影响射入粒子能量。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪的结构示意图；

图2是根据本申请实施例提供的一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪的前准直管的结构示意图；

图3是根据本申请实施例提供的一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪的离子收集器的结构示意图；

图中：1-盒体、11-顶板、12-底板、13-入口孔板、14-排气孔板、15-接线插孔板、16-对接线插孔板、17-入口孔、18-排气孔、2-离子偏转装置、21-内偏转板、22-外偏转板、3-离子收集器、31-收集端面、32-保护环、4-前准直管、5-后准直管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请提供了一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，包括盒体1、离子偏转装置2以及离子收集器3，其中：离子偏转装置2和离子收集器3均设置在盒体1的内部；离子偏转装置2通过前准直管4与盒体1固定连接，通过后准直管5与离子收集器3连接。

具体的，本发明实施例提供的适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪在盒体1内部沿着离子运动方向依次布置有前准直管4、离子偏转装置2、后准直管5、离子收集器3等结构部件，通过改变离子偏转装置2的偏置电压来选择性通过特定能量的离子，并测量得到相应的离子电流，由离子电流随偏置电压的变化关系得到电推力器羽流中的离子能量分布规律，从而作为对羽流离子能量诊断的工具。

进一步的，盒体1六个面分别为顶板11、底板12、入口孔板13、排气孔板14、接线插孔板15以及对接线插孔板16，入口孔板13上设置有入口孔17，排气孔板14上设置有多个排气孔18，接线插孔板15和对接线插孔板16用于连接电路。在本发明实施例中，盒体1优选为带有离子入射孔和排气孔18的长方体盒式结构，羽流中的离子会通过入口孔17进入盒体1，结构简单，离子收集便捷，接线插孔板15和对接线插孔板16主要用于和偏置电压源进行连接，使离子偏转装置2能够产生偏转电场，从而便于离子收集器3收集特定能量的离子。

进一步的，如图2所示，前准直管4通过定位支座固定在盒体1的底板12上，并且与盒体1的入口孔板13上的入口孔17同轴设置。前准直管4优选为带有狭缝的结构，主要用于约束离子的移动方向，与入口孔板13上的入口孔17同轴设置，使通过入口孔17进入的羽流离子能够顺利的进入后续的离子偏转装置2。

进一步的，离子偏转装置2通过定位销和螺栓固定在盒体1的底板12上，离子偏转装置2包括内偏转板21和外偏转板22。通过向离子偏转装置2施加电压，会产生径向的偏转电场，从而能够筛选出羽流中特定能量的离子，后续根据测量得到的离子电流，可以得到电推力器羽流中的离子能量分布规律。

进一步的，如图3所示，离子收集器3通过定位支座固定在盒体1的底板12上，包括收集端面31和保护环32，保护环32套设在收集端面31的外部且与收集端面31连接到同一偏置电压电路。离子收集器3的收集端面31是由低二次电子发射率金属材料制成的圆形收集面，主要用于收集羽流中的离子，并且会产生饱和离子电流。羽流中的离子通过离子偏转装置2的筛选，然后进入到离子收集器3中，收集器与离子电流测量电路进行连接，在收集离子的同时，还可以测量得到相应的离子电流，此外离子收集器3还设置有陶瓷结构的保护环32，一方面能够起到支撑、绝缘的作用，另一方面能够屏蔽低能离子，减少收集到的非轴向的低能离子，使测量结果更加精确。

进一步的，后准直管5通过定位支座固定在盒体1的底板12上，并且与离子收集器3的收集端面31同轴设置。后准直管5与前准直管4的结构相同，均为带有狭缝的结构，主要用于约束离子的移动方向，使通过离子偏转装置2的羽流离子能够顺利的进入离子收集器3中进行收集测量。

进一步的，入口孔17、前准直管4、离子偏转装置2的中心平面、后准直管5以及离子收集器3位于同一水平面上。入口孔17、前准直管4、离子偏转装置2的中心平面、后准直管5以及离子收集器3均设置在距底板12等高度的位置上，便于羽流中离子的移动与收集。

进一步的，内偏转板21和外偏转板22为不同半径的同心圆弧板，内偏转板21和外偏转板22的厚度相同。偏转板优选为金属导电材料，当在内、外偏转板22上施加偏置电压时，会形成圆弧形的离子偏转区，并且产生径向的偏转电场，使特定能量的羽流离子能够顺利的偏转进入到离子收集器3中进行收集测量。

进一步的，离子收集器3为法拉第探针。离子收集器3优选为法拉第探针，主要用于收集羽流中特定能量的离子，并且与离子电流测量电路连接，在收集离子的同时还可以测量得到相应的离子电流，从而可以得到电推力器羽流中的离子能量分布规律。

下面结合具体的使用计算方法对本发明实施例提供的适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪做进一步的说明：

在使用本发明实施例提供的适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪时，前、后准直管、内、外偏转板、离子收集器3通过定位支座或定位销安装于盒体1底板12，随后将内、外偏转板连接到扫描电压电路，再将离子收集器3的收集端面31和保护环32连接到相同偏置电压的电路中，随后电推力器启动喷射等离子体，形成羽流。羽流的流向平行于前准直管4，且垂直于入口孔板13所处平面。在此过程中，离子收集器3保护环32用于屏蔽非轴向的低能离子，偏置电压源提供偏置电压，使离子收集器3收集端面31收集羽流中离子，产生饱和离子电流，收集端面31收集的离子饱和电流为：

I＝e·n·A·U

式中e为元电荷的电荷量，n为羽流测量点处的等离子体密度，A为离子收集器3的收集端面31的面积，U为测量点等离子体离子速度。

待信号稳定后测量饱和离子电流，得到偏转板扫描电压与离子电流的关系曲线，即为离子能量分布曲线。离子能量与扫描电压的关系由分析仪的几何特性决定，可归纳为如下公式：

E＝C·ΔV

式中E为离子能量，ΔV为扫描电压，C为分析仪几何常数。

根据上述公式计算分析可以满足对电推力器羽流离子能量诊断的需求，进而对羽流离子对航天器敏感表面的作用进行定量地评价与研究，从而优化推力器的结构设计，达到提升航天器寿命与可靠性的目的。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，其特征在于，包括盒体、离子偏转装置以及离子收集器，其中：

所述离子偏转装置和所述离子收集器均设置在所述盒体的内部；

所述离子偏转装置通过前准直管与所述盒体固定连接，通过后准直管与所述离子收集器连接；

所述盒体六个面分别为顶板、底板、入口孔板、排气孔板、接线插孔板以及对接线插孔板，所述入口孔板上设置有入口孔，所述排气孔板上设置有多个排气孔，所述接线插孔板和所述对接线插孔板用于连接电路；

所述离子偏转装置通过定位销和螺栓固定在所述盒体的底板上，所述离子偏转装置包括内偏转板和外偏转板；

所述内偏转板和所述外偏转板为不同半径的同心圆弧板，所述内偏转板和所述外偏转板的厚度相同；

所述接线插孔板和所述对接线插孔板与偏置电压源连接，在所述内偏转板、所述外偏转板上施加偏置电压时会形成圆弧形的离子偏转区且产生径向的偏转电场；

将离子收集器的收集端面和保护环连接到相同偏置电压的电路中，离子收集器保护环用于屏蔽非轴向的低能离子，偏置电压源提供偏置电压，使离子收集器收集端面收集羽流中离子，产生饱和离子电流。

2.如权利要求1所述的适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，其特征在于，所述前准直管通过定位支座固定在所述盒体的底板上，并且与所述盒体的入口孔板上的入口孔同轴设置。

3.如权利要求1所述的适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，其特征在于，所述离子收集器通过定位支座固定在所述盒体的底板上，包括收集端面和保护环，所述保护环套设在所述收集端面的外部且与所述收集端面连接到同一偏置电压电路。

4.如权利要求3所述的适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，其特征在于，所述后准直管通过定位支座固定在所述盒体的底板上，并且与所述离子收集器的收集端面同轴设置。

5.如权利要求1所述的适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，其特征在于，所述入口孔、所述前准直管、所述离子偏转装置的中心平面、所述后准直管以及所述离子收集器位于同一水平面上。

6.如权利要求1所述的适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪，其特征在于，所述离子收集器为法拉第探针。