CN114126178B

CN114126178B - 一种可变磁场的e×b探针

Info

Publication number: CN114126178B
Application number: CN202111373366.XA
Authority: CN
Inventors: 王伟宗; 李亦非; 付宸聪; 董宜承; 刘伟; 程玉峰; 王海波
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2041-11-19
Also published as: CN114126178A

Abstract

本发明公开了一种可变磁场的E×B探针，包括两块相对设置的永磁体，该E×B探针还包括永磁体移动伺服机构，该永磁体移动伺服机构能够改变所述两块永磁体之间的距离。相比现有的固定磁场的E×B探针，本发明的E×B探针在测量不同离子源时无需更换电源、或更换永磁体、或更改E×B探针整体结构，永磁体移动伺服机构可以远程控制，且传动结构简单，其适用性强、使用成本低。

Description

一种可变磁场的E×B探针

技术领域

本发明涉及航空航天及等离子体测量技术领域，尤其涉及一种可变磁场的E×B探针。

背景技术

E×B探针又称为威恩过滤器(Wien filter),是一种质谱仪器,作为速度过滤器可以根据离子速度分离不同荷电状态离子。在等离子体及电推进研究中主要用于测量羽流中二价及多价离子比例。无论是霍尔推力器还是离子推力器，羽流等离子体中的离子主要是单电荷离子,同时存在一定比例的双电荷离子。由于经历的加速电压相同,二价及多价氙离子的能量是单电荷氙离子的两倍,对航天器危害较大,同时影响离子推力器产生的推力以及推力器的寿命。在电推进系统研究中开展羽流二价及多价离子比例的测量具有重要的意义。

E×B探针一般由准直器、电极、永磁体、电流收集器、外壳组成，准直器对离子的速度方向进行初步筛选，电极提供扫描电场，永磁体提供偏转磁场，电流收集器对最终通过探针内部的离子进行收集、以绘制离子速度分布函数。

目前E×B探针均采用固定位置的永磁体来生成恒定的匀强磁场，即将探针的永磁体直接固定连接在探针的中心骨架上，上下两块永磁体南北极相对放置，以使探针内部产生恒定的匀强磁场。E×B探针的磁场固定，而同时用于其的扫描电源无论在工业生产还是实验室中都是恒定的，有相应的电源上限，在外部扫描电源一定以及探针磁场强度一定的条件下，探针能够诊断的离子速度即有一定的范围限制。而在实际应用时，显然E×B探针不可能只针对某一特定速度分布的等离子体源进行测量，那么采用恒定磁场的E×B探针势必会造成当所探测的离子源工况发生变化时E×B探针的不适用，具体来说，是当离子的速度分布发生变化时，尤其是当所探测的推力器种类发生改变、加速电压发生改变、或是推力器的工质发生变化所造成的速度变化时，采用恒定磁场的E×B探针会造成很大的不便。具体来说，对于离子速度较大和较小的离子源，使用现有技术的E×B探针可能无法满足离子速度的测量范围。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种E×B探针，该E×B探针可改变探针内部磁场大小。

上述技术效果是通过下述技术方案实现的：

一种可变磁场的E×B探针，包括两块相对设置的永磁体，该E×B探针还包括能够改变所述两块永磁体之间的距离的永磁体移动伺服机构。

根据上述的E×B探针，该E×B探针还包括中心骨架，两块永磁体平行的设置在中心骨架的上、下两侧。

根据上述的E×B探针，所述永磁体移动伺服机构包括永磁体连接杆，该永磁体连接杆的两端设有滑动轴，所述永磁体侧面设有与所述滑动轴配合的、平行于永磁体长度方向的滑槽，所述永磁体与永磁体连接杆之间通过滑槽和滑动轴连接。

根据上述的E×B探针，所述永磁体连接杆的中部设有定位轴，中心骨架上设有永磁体移动伺服机构定位孔，永磁体连接杆通过定位轴和永磁体移动伺服机构定位孔与中心骨架连接。

根据上述的E×B探针，该E×B探针还包括前准直器、探针外壳、金属电极、后准直器、法拉第杯；所述前准直器、探针外壳、金属电极、后准直器均安装在中心骨架上。

根据上述的E×B探针，所述E×B探针的分辨率为：

其中，v为所述E×B探针测量的离子的速度，d为金属电极的间距，Z_eb为前准直器和后准直器之间的距离，Z_c为前准直器的长度，Z_d为后准直器的长度，a₁为前准直器的入口直径，a₂为前准直器的出口直径，a₃为后准直器的入口直径，a₄为后准直器的出口直径。

根据上述的E×B探针，所述E×B探针能够测量的离子的最小速度为：

其中，w为所述E×B探针的分辨率，d为金属电极的间距，Z_eb为前准直器和后准直器之间的距离，Z_c为前准直器的长度，Z_d为后准直器的长度，a₁为前准直器的入口直径，a₂为前准直器的出口直径，a₃为后准直器的入口直径，a₄为后准直器的出口直径。

根据上述的E×B探针，所述前准直器上设有前准直器连接孔，前准直器通过前准直器连接孔定位安装在中心骨架上；所述探针外壳上设有探针外壳连接孔，中心骨架上设有探针外壳定位孔，探针外壳通过探针外壳连接孔和探针外壳定位孔安装在中心骨架上；所述金属电极上设有金属电极连接孔，金属电极通过金属电极连接孔定位安装在中心骨架上；所述后准直器上设有后准直器连接孔，后准直器通过后准直器连接孔定位安装在中心骨架上。

根据上述的E×B探针，所述法拉第杯上设有法拉第杯连接孔，法拉第杯通过法拉第杯连接孔定位安装在后准直器上，E×B探针通过法拉第杯接头输出电信号。

根据上述的E×B探针，所述永磁体移动伺服机构包括齿轮传动机构或蜗轮蜗杆机构。

本发明的有益效果：

(1)相对于现有固定磁场的E×B探针，本发明的E×B探针无需针对不同的离子源设计不同的几何参数与物理参数、以使所测的离子速度分布函数完全落在由E×B探针的电磁场决定的速度测量范围内，在测量不同离子源时无需更换电源、或更换永磁体、或直接更改E×B探针整体结构，其适用性强、使用成本低。

(2)本发明的可变磁场E×B探针，可以通过永磁体移动伺服机构远程控制永磁体位置移动，进而控制探针内部磁场大小，使得E×B探针对离子速度的测量范围改变，实现对离子速度较大的离子源提高速度范围、对离子速度较小的离子源提高速度分分辨率的效果。由于永磁体移动伺服机构可以远程控制，且传动结构简单，在真空舱内进行E×B探针在空间电推进领域的应用时可免去反复开关舱进行探针结构的拆装，能够极大缩短实验时间。

附图说明

图1是为本发明整体结构示意图。

图2是本发明整体结构的俯视图。

图3是本发明的爆炸图。

图4是本发明的前准直器的结构示意图。

图5是本发明探针外壳的结构示意图。

图6是本发明的金属电极的结构示意图。

图7是本发明的永磁体的结构示意图。

图8是本发明的永磁体连接杆的结构示意图。

图9是本发明的中心骨架的结构示意图。

图10是本发明的后准直器的结构示意图。

图11是本发明的法拉第杯的结构示意图。

图12是本发明的探针永磁体间距最小时的结构示意图。

图13是本发明的探针永磁体间距最大时的结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

E×B探针中由永磁体生成的匀强磁场固定无法改变的问题，将导致对于几何尺寸与物理参数确定的E×B探针在外部扫描电源无法更换的条件下，无法对不同的离子源进行测量。因此本发明提出了一种可变磁场的E×B探针。

如图3所示，本发明的可变磁场E×B探针包括两块相对设置的永磁体4，该E×B探针还包括永磁体移动伺服机构5，该永磁体移动伺服机构5能够改变所述两块永磁体4之间的距离。E×B探针还包括中心骨架6，两块永磁体4互相平行的分别设置在中心骨架6的上、下两侧。区别于现有的E×B探针结构，本发明将固定位置的永磁体加装了可动机构——永磁体移动伺服机构，使得E×B探针内部的匀强磁场可以随着相对应的两块平行永磁体移动产生变化。

如图3、7-9、12-13所示，永磁体移动伺服机构5包括永磁体连接杆，永磁体连接杆的两端设有滑动轴501，永磁体为一长方体结构，永磁体4的侧面设有与滑动轴501配合的、平行于永磁体4长度方向的滑槽401，永磁体4与永磁体连接杆之间通过滑槽401和滑动轴501连接；永磁体连接杆的中部设有定位轴502，中心骨架6上设有永磁体移动伺服机构定位孔602，永磁体连接杆通过定位轴502和永磁体移动伺服机构定位孔602与中心骨架6铰接。由于永磁体连接杆的设置，使得探针内部的永磁体可以在一定范围内进行移动，参见图12和图13，两块相对设置的永磁体之间的距离发生改变，进而匀强磁场的大小发生改变。

参见图1-11，E×B探针还包括前准直器1、探针外壳2、金属电极3、后准直器7、法拉第杯8。前准直器1、探针外壳2、金属电极3、后准直器7均安装在中心骨架6上。具体的，前准直器1上设有前准直器连接孔101，前准直器1通过前准直器连接孔101定位安装在中心骨架6上；探针外壳2上设有探针外壳连接孔201，中心骨架上设有探针外壳定位孔603，探针外壳2通过探针外壳连接孔201和探针外壳定位孔603安装在中心骨架6上；金属电极3上设有金属电极连接孔301，金属电极3通过金属电极连接孔301定位安装在中心骨架6上；后准直器7上设有后准直器连接孔701，后准直器7通过后准直器连接孔701定位安装在中心骨架6上。

本发明的法拉第杯8上设有法拉第杯连接孔801，法拉第杯8通过法拉第杯连接孔801定位安装在后准直器7上，E×B探针通过法拉第杯接头802输出电信号。

本发明的E×B探针的分辨率为：

其中，v为E×B探针测量的离子的速度，d为金属电极(3)的间距，Z_eb为前准直器(1)和后准直器(7)之间的距离，Z_c为前准直器(1)的长度，Z_d为后准直器(7)的长度，a₁为前准直器(1)的入口直径，a₂为前准直器(1)的出口直径，a₃为后准直器(7)的入口直径，a₄为后准直器(7)的出口直径。

E×B探针能够测量的离子的最小速度为：

其中，v为所述E×B探针测量的离子的速度，d为金属电极(3)的间距，Z_eb为前准直器(1)和后准直器(7)之间的距离，Z_c为前准直器(1)的长度，Z_d为后准直器(7)的长度，a₁为前准直器(1)的入口直径，a₂为前准直器(1)的出口直径，a₃为后准直器(7)的入口直径，a₄为后准直器(7)的出口直径。

一般来说，前准直器1与后准直器7材料一般为不锈钢，起到准直离子的作用。探针外壳2材料一般为高碳钢，起到保护探针内部结构、约束内部磁场的作用，通过高碳钢的高导磁性将大多数磁场约束在E×B探针内部，增强内部磁场。金属电极3材料一般为纯铝，通过导线与外部扫描电源相连，扫描电源一般提供0－600V的扫描电压。永磁体4材料一般为铁氧体或是钐钴合金，为永磁材料，起到提供磁场的作用。永磁体移动伺服机构5一般由电机及其他传动零件组成，通过电机带动永磁体4进行移动，使得探针内部磁场随永磁体4的位置变化而改变。中心骨架6材料一般为聚四氟乙烯或陶瓷，起绝缘和作为支撑骨架的作用。法拉第杯8材料一般为铜或钼，通过外部导线，将自身收集到的电流数据传输给外界的接收设备。

特别的，对磁场起到约束作用的探针外壳2也可由常用的高碳钢等高导磁材料材料更换为不锈钢等非导磁材料，可更大范围地调节磁场大小，在不改变E×B探针结构与不更换探针扫描电源的情况下，提高了E×B探针对不同离子源的适用性。

本发明的可变磁场的E×B探针的永磁体移动伺服机构包括齿轮传动机构或蜗轮蜗杆机构，由此获得更好的传力和移动效果，或获得更小的结构尺寸。

本发明的可变磁场的E×B探针，为保证探针的分辨率，探针整体长度在10～50cm，探针厚度与高度在5～15cm，永磁体的剩余磁通密度一般在0.5～1.5T之间，永磁体移动伺服机构为了保证结构强度，厚度一般大于3mm。

通过以上连接，实现了E×B探针内部磁场位置在一定范围内的变化，使得约束在探针内部的匀强磁场大小在一定范围内变化，达到改变E×B探针内部磁场大小的目的，极大提高了固定几何尺寸与物理参数的E×B探针在不改变扫描电源条件下对不同离子源的适应能力。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种可变磁场的E×B探针，包括两块相对设置的永磁体（4），其特征在于，该E×B探针还包括能够改变所述两块永磁体（4）之间的距离的永磁体移动伺服机构（5），且在两块相对设置的永磁体（4）移动时，两块永磁体（4）的中心平面保持不变；

两块永磁体（4）平行的设置在中心骨架（6）的上、下两侧；

所述永磁体移动伺服机构（5）包括永磁体连接杆，该永磁体连接杆的两端设有滑动轴（501），所述永磁体（4）侧面设有与所述滑动轴（501）配合的、平行于永磁体（4）长度方向的滑槽（401），所述永磁体（4）与永磁体连接杆之间通过滑槽（401）和滑动轴（501）连接；

所述永磁体连接杆的中部设有定位轴（502），中心骨架（6）上设有永磁体移动伺服机构定位孔（602），永磁体连接杆通过定位轴（502）和永磁体移动伺服机构定位孔（602）与中心骨架（6）连接。

2.根据权利要求1所述的E×B探针，其特征在于，该E×B探针还包括前准直器（1）、探针外壳（2）、金属电极（3）、后准直器（7）、法拉第杯（8）；所述前准直器（1）、探针外壳（2）、金属电极（3）、后准直器（7）均安装在中心骨架（6）上。

3.根据权利要求2所述的E×B探针，其特征在于，所述E×B探针的分辨率为：

；其中，v为所述E×B探针测量的离子的速度，d为金属电极（3）的间距，Z _eb为前准直器（1）和后准直器（7）之间的距离，Z _c为前准直器（1）的长度，Z _d为后准直器（7）的长度，a ₁为前准直器（1）的入口直径，a ₂为前准直器（1）的出口直径，a ₃为后准直器（7）的入口直径，a ₄为后准直器（7）的出口直径。

4.根据权利要求2所述的E×B探针，其特征在于，所述E×B探针能够测量的离子的最小速度为：

；其中，w为所述E×B探针的分辨率，d为金属电极（3）的间距，Z _eb为前准直器（1）和后准直器（7）之间的距离，Z _c为前准直器（1）的长度，Z _d为后准直器（7）的长度，a ₁为前准直器（1）的入口直径，a ₂为前准直器（1）的出口直径，a ₃为后准直器（7）的入口直径，a ₄为后准直器（7）的出口直径。

5.根据权利要求2所述的E×B探针，其特征在于，所述前准直器（1）上设有前准直器连接孔（101），前准直器（1）通过前准直器连接孔（101）定位安装在中心骨架（6）上；所述探针外壳（2）上设有探针外壳连接孔（201），中心骨架上设有探针外壳定位孔（603），探针外壳（2）通过探针外壳连接孔（201）和探针外壳定位孔（603）安装在中心骨架（6）上；所述金属电极（3）上设有金属电极连接孔（301），金属电极（3）通过金属电极连接孔（301）定位安装在中心骨架（6）上；所述后准直器（7）上设有后准直器连接孔（701），后准直器（7）通过后准直器连接孔（701）定位安装在中心骨架（6）上。

6.根据权利要求2所述的E×B探针，其特征在于，所述法拉第杯（8）上设有法拉第杯连接孔（801），法拉第杯（8）通过法拉第杯连接孔（801）定位安装在后准直器（7）上，E×B探针通过法拉第杯接头（802）输出电信号。

7.根据权利要求1所述的E×B探针，其特征在于，所述永磁体移动伺服机构（5）包括齿轮传动机构或蜗轮蜗杆机构。