CN114113717B - 一种插拔式全封闭法拉第探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种插拔式全封闭法拉第探针，包括保护环、收集器、绝缘子、基座、后盖；所述收集器、所述绝缘子、所述基座和所述后盖依次可拆卸连接，所述保护环套设在所述收集器的外侧，所述保护环与所述收集器之间具有间隙，且所述间隙设计值需保证所述收集器表面的鞘层均匀，所述法拉第探针与数据采集线路由香蕉插头与香蕉插座来连接，通过所述后盖螺纹端连接到夹具上使用，所述法拉第探针整体为插拔式连接及圆柱一体式外观。本发明实提供一种简便易拆、且外观美观，且能适配不同推力器的离子电流密度测量、能防止收集到杂波信号的插拔式全封闭法拉第探针。

Description

一种插拔式全封闭法拉第探针

技术领域

本发明属于空间电推进技术领域和航天器械技术中的法拉第探针领域，特别涉及一种插拔式全封闭法拉第探针。

背景技术

电推力器是利用工质电离出来的等离子体在电磁场中加速引出来获得推力的装置。相比于传统的化学推力器，可以实现很高的比冲，大大减少推进工质的质量，对于航天飞行总冲量大的任务，如长期轨道保持、探月、深空探测，电推进成为最有前途的推进方式。

对于电推力器的放电性能，常见的研究测试方法有接触式诊断方法和非接触式诊断方法。法拉第探针是一种空间电推力器的接触式诊断工具，用于测量电推力器所产生的等离子体羽流各位置处的离子电流密度，从而计算出电推力器的离子电流、束流发散角等重要参量。

法拉第探针的原理是在负偏置电压的作用下排斥电子，用平面型的收集器对推力器羽流中的离子进行收集，从而获取该区域内的离子电流密度。

法拉第探针的主要结构包括平面圆盘收集器和保护环。为了减少材料的二次电子发射，收集器的端部使用钨材料作为直接采集部件。保护环是金属构成的空心圆柱体，加保护环是为了防止收集到非轴向的低能离子，避免具有非轴向速度的离子影响离子的电流密度。

现有法拉第探针存在如下缺陷：

1.不同的电推力器会产生不同的束流，需要用不同参数的法拉第探针进行测试，其中收集器与保护环之间的间隙是一个重要参数，现有法拉第探针不能够随意改变此参数以适配不同的电推力器。

2.现有法拉第探针主要是前后压紧式结构，通过螺纹拧紧，接线位置在后端螺柱或侧方。现有的法拉第探针装配和拆卸比较复杂，外形不够美观。

3.现有的法拉第探针接线使用的主要是焊接法或螺母压线法，但是这些方法都无法避免裸露的接线处收集到离子或者电子，使得法拉第探针测得的数据不准确，含有杂波信号。其中焊接法接线属于一次性接线，无法进行多次拆装。

综上，当前法拉第探针的设计具有较多缺点和问题，亟需发展一种易拆装、封闭式的法拉第探针，而目前该方向尚属空白。

发明内容

要解决的技术问题：

鉴于现有技术中的上述缺陷，本发明实提供一种简便易拆、且外观美观，且能适配不同推力器的离子电流密度测量、能防止收集收集到杂波信号的法拉第探针。

采用的技术方案如下：

一种插拔式全封闭法拉第探针，包括保护环1、收集器2、绝缘子3、基座4、后盖5；所述收集器2、所述绝缘子3、所述基座4和所述后盖5依次可拆卸连接，所述保护环1套设在所述收集器2的外侧。

其中，所述保护环1的两侧设置有保护环螺纹孔101；在所述收集器2一端的中心位置设置有收集器螺纹孔201、在所述收集器的另一端设置有收集器端面202；在所述绝缘子3的中心位置设置有绝缘子通孔301、在所述绝缘子3一端设置有绝缘子槽结构302；在所述基座4中心设置有基座中心通孔402，所述基座4的一端设置有中心具有凹槽的凸台，在所述凸台的两侧相对设置有基座边缘通孔401、在所述基座4的另一端的外周面的两侧相对设置有基座外环键403；所述后盖5的一端设置有与所述基座外环键403对应的后盖槽501、另一端设置带中间有通孔的后盖螺纹端502；将所述收集器螺纹孔201、所述绝缘子通孔301、所述基座中心通孔402通过螺纹件依次连接在一起，所述绝缘子2进入所述基座中心凸台的凹槽中，所述保护环1套设在所述收集器2的外侧，且两个所述保护环螺纹孔101与两个基座边缘通孔401通过螺纹件连接，所述基座外环键403与所述后盖槽501过盈配合连接。

所述保护环1与所述收集器2之间具有间隙，且所述间隙设计值需保证所述收集器2表面的鞘层均匀。

所述收集器可更换为不同大小尺寸。

所述间隙大小通过改变所述收集器端面202的面积来调整。

所述保护环1为304不锈钢材质，所述收集器为高熔点金属材质。

所述法拉第探针通过所述后盖螺纹端502连接到夹具上使用。

所述法拉第探针整体为插拔式连接及圆柱一体式外观。

所述基座4上设置香蕉插座7，与从后盖螺纹端的中间穿过的香蕉插头6进行插接。

针对于不同推力器，其羽流内的徳拜长度不同，所对应收集器与保护环之间的间隙大小的设计也应该做相应改变，该间隙的大小可以通过改变收集器端面202的面积来调整，因此在本发明中，法拉第探针的收集器各等部分均设计为分体式结构，以保证拆卸收集器时其他部分保持原样，通过更换不同端面直径的收集器2即可适配于不同的推力器。

为了实现封闭式的接线方法，基座上设置香蕉插座7，与从后盖螺纹端的中间穿过的香蕉插头6进行插接；采用香蕉插头6和香蕉插座7进行插接，并且设计了后盖5结构，使得接线端不会暴露于等离子体环境之下。

本发明的有益效果在于：

1.本发明拆卸、装配简单，通过PTFE材料的过盈配合实现了插拔式机械结构，实现了各部分的分体式结构。接线采用了香蕉插头和香蕉插座的插拔式连接，可以多次拆装。

2.本发明所述法拉第探针可适用于不同的电推力器。简单更换收集器即可实现改变收集器和保护环之间的间隙。

3.本发明所述法拉第探针接线处全封闭，不会因接线处暴露于等离子体环境下而收集到杂波信号，也不会因为接线裸露产生电荷积累而与实验环境下的其他金属物体发生打火。

4.本发明的绝缘子槽结构能够防止溅射的金属沉积导致保护环和收集器导通。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明法拉第探针的整体结构示意图

图2是本发明法拉第探针整体结构爆炸示意图

图3是本发明法拉第探针的保护环结构示意图

图4是本发明法拉第探针的收集器结构示意图

图5是本发明法拉第探针的绝缘子结构示意图

图6是本发明法拉第探针的基座结构示意图

图7是本发明法拉第探针的后盖结构示意图

图8是本发明法拉第探针的接线示意图

附图标记说明：

1-保护环、2-收集器、3-绝缘子、4-基座、5-后盖、6-香蕉插头、7-香蕉插座；101-保护环螺纹孔、201-收集器螺纹孔、202-收集器端面、301-绝缘子通孔、302-绝缘子槽结构、401-基座边缘通孔、402-基座中心通孔、403-基座外环健、501-后槽盖、502-后盖螺纹端

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种插拔式全封闭法拉第探针，如图1、2所述，包括保护环1、收集器2、绝缘子3、基座4、后盖5；其中，如图3所述所述保护环1的两侧设置有保护环螺纹孔101；如图4所述，在所述收集器2一端的中心位置设置有收集器螺纹孔201、在所述收集器的另一端设置有收集器端面202；如图5所述，在所述绝缘子3的中心位置设置有绝缘子通孔301、在所述绝缘子3一端设置有绝缘子槽结构302；如图6所述，在所述基座4中心设置有基座中心通孔402，所述基座4的一端设置有中心具有凹槽的凸台，在所述凸台的两侧分别设置有基座边缘通孔401、在基座外周面的两侧相对设置有基座外环键403；如图7所述，所述后盖5的一端设置有与所述基座外环键403对应的后盖槽501、另一端设置带中间有通孔的后盖螺纹端502；如图2所述，将所述收集器螺纹孔201、所述绝缘子通孔301、所述基座中心通孔402通过螺纹件依次连接在一起，所述绝缘子2进入所述基座中心凸台的凹槽中，所述保护环1套设在所述收集器2的外侧，且两个所述保护环螺纹孔101与两个基座边缘通孔401通过螺纹件连接，所述基座外环键403与所述后盖槽501过盈配合连接。

所述保护环1与所述收集器2之间具有间隙，且所述间隙设计值需保证所述收集器2表面的鞘层均匀。所述收集器是可以更换的，且可更换为不同大小尺寸。上述间隙大小通过改变所述收集器端面202的面积来调整。

所述保护环1、所述收集器2均由金属制成，保护环1典型材料为304不锈钢，所述收集器2典型材料为高熔点金属如钨。

该法拉第探针通过所述后盖螺纹端502连接到夹具上使用。

通过上述结构，所述法拉第探针整体形成为插拔式连接及圆柱一体式外观。

如图8所述，所述基座4上设置香蕉插座7，与从后盖螺纹端的中间穿过的香蕉插头6进行插接。

针对于不同推力器，其羽流内的徳拜长度不同，所对应收集器与保护环之间的间隙大小的设计也应该做相应改变，该间隙的大小可以通过改变收集器端面202的面积来调整，因此在本发明中，法拉第探针的收集器各等部分均设计为分体式结构，以保证拆卸收集器时其他部分保持原样，通过更换不同端面直径的收集器2即可适配于不同的推力器。

为了实现封闭式的接线方法，基座上设置香蕉插座7，与从后盖螺纹端的中间穿过的香蕉插头6进行插接；采用香蕉插头6和香蕉插座7进行插接，并且设计了后盖5结构，使得接线端不会暴露于等离子体环境之下。

本发明中的结构对尺寸参数具有广泛的适应性。典型的收集器端面202直径在5～30mm之间。保护环1的外径在20～100mm之间，所有螺纹孔、通孔的直径应根据标准香蕉插头6的尺寸而定，范围在3～10mm之间，一般选4mm、6mm等通用尺寸。

本发明法拉第探针的使用方法：

将香蕉插头6与香蕉插座7两两相接，并将香蕉插头6引出线接入电路：保护环接-30V偏压，可以使用直流恒压电源供电，收集器2接入源表，源表设置给收集器2加上-30V的偏压，且能够采集收集器2上的电流。

将该法拉第探针固定于一个旋转平台上，以恒定的速度进行0～90°的旋转扫描。并使用源表开始采集电流、记录数据。

本发明更换收集器2的方法：

用手按下基座外环键403，沿轴向拔开基座4与后盖5，将香蕉插头6和香蕉插座7拔出，再拧下收集器2对应的香蕉头座6，然后更换另一个收集器2，安装香蕉插座7，再把香蕉插头6插入香蕉插座7，最后将基座外环键403与后盖槽501插接，即完成对收集器2的更换。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，包括保护环(1)、收集器(2)、绝缘子(3)、基座(4)、后盖(5)；所述收集器(2)、所述绝缘子(3)、所述基座(4)和所述后盖(5)依次可拆卸连接，所述保护环(1)套设在所述收集器(2)的外侧；

所述保护环(1)的两侧设置有保护环螺纹孔(101)；在所述收集器(2)一端的中心位置设置有收集器螺纹孔(201)、在所述收集器的另一端设置有收集器端面(202)；在所述绝缘子(3)的中心位置设置有绝缘子通孔(301)、在所述绝缘子(3)一端设置有绝缘子槽结构(302)；在所述基座(4)中心设置有基座中心通孔(402)，所述基座(4)的一端设置有中心具有凹槽的凸台，在所述凸台的两侧相对设置有基座边缘通孔(401)、在所述基座(4)的另一端的外周面的两侧相对设置有基座外环键(403)；所述后盖(5)的一端设置有与所述基座外环键(403)对应的后盖槽(501)、另一端设置带中间有通孔的后盖螺纹端(502)；将所述收集器螺纹孔(201)、所述绝缘子通孔(301)、所述基座中心通孔(402)通过螺纹件依次连接在一起，所述绝缘子(3)进入所述基座中心凸台的凹槽中，两个所述保护环螺纹孔(101)与两个基座边缘通孔(401)通过螺纹件连接，所述基座外环键(403)与所述后盖槽(501)过盈配合连接。

2.根据权利要求1所述的一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，所述保护环(1)与所述收集器(2)之间具有间隙，且所述间隙设计值需保证所述收集器(2)表面的鞘层均匀。

3.根据权利要求1所述的一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，所述收集器(2)可更换为不同大小尺寸，所述收集器端面(202)直径在5～30mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，所述保护环(1)的外径在20～100mm之间。

5.根据权利要求2所述的一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，所述间隙大小通过改变所述收集器端面(202)的面积来调整。

6.根据权利要求1所述的一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，所述保护环(1)为304不锈钢材质，所述收集器(2)为高熔点金属材质。

7.根据权利要求1所述的一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，所述法拉第探针通过所述后盖螺纹端(502)连接到夹具上使用。

8.根据权利要求1所述的一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，所述法拉第探针整体为插拔式连接及圆柱一体式外观。

9.根据权利要求1所述的一种插拔式全封闭法拉第探针，其特征在于，所述基座(4)上设置香蕉插座(7)，与从后盖螺纹端(502)的中间穿过的香蕉插头(6)进行插接。

Images