CN117420102A - 光学在线监测装置及发射体寿命快速评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航天等离子体推进领域，本发明公开了光学在线监测装置及发射体寿命快速评估方法。在空心阴极正常工作的状态下，对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子进行在线监测辨别，识别硼原子的发射谱线；采集阴极正常工作状态下工质气体氩的两条发射谱线；通过谱线比的方式确定等离子体中的电子温度T e；通过氩硼谱线比的方式确定硼原子的气相密度；联合空心阴极内部的气体流速v和计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度，对发射体的侵蚀速率进行计算，进而对发射体寿命进行预估。本发明针对以往长时间高昂贵的寿命评估实验大量耗费人力物力的问题。
Description
技术领域
本发明属于航天等离子体推进技术领域，具体涉及一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置及发射体寿命快速评估方法。
背景技术
随着电推进装置在空间推进领域的快速发展，空心阴极已广泛应用于电推进系统。在离子推进器和霍尔推进器中，空心阴极主要作为电子源中和推力器的等离子体羽流，使其保持电中性，或提供原初电子帮助推力器成功启动，是电推进的单点失效串联组件，其寿命长短更是决定电推力器长寿命和高可靠性的主要因素。
用于空间推进的推进器需要长时间运行，通常超过10000小时，针对这些应用的需求，长寿命的空心阴极至关重要。而空心阴极的工作过程是一个包括电场、磁场、热场和流场耦合的多物理过程，内部的等离子体环境具有高低温交变、高电流密度和高密度等离子体轰击等特点。因此空心阴极的寿命主要受限于加热丝蒸发失效、钨顶孔扩孔侵蚀以及发射体溅射侵蚀失效等。
以往对空心阴极寿命的研究通常需要在高真空设备中进行长时间且非常昂贵的寿命评估试验，依靠测量壁面轮廓侵蚀来确定阴极关键部件的侵蚀速率，进而对空心阴极的寿命进行预示和评估，通常这种寿命试验周期为2-3年，成本高达千万量级，而且技术风险高测量精度低，这极大地耗费了人力和财力。因此开发一种在相对较短的时间内以相当低的成本确定侵蚀速率的替代方法是非常有必要的，也是当前电推进领域迫切需求的。
发明内容
本发明提供一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置及发射体寿命快速评估方法，针对以往长时间高昂贵的寿命评估实验大量耗费人力物力的问题，本发明利用发射光谱光学监测的方法对六硼化镧发射体的主要侵蚀产物硼原子进行监测，进而将空心阴极内部由于等离子体轰击发射体溅射出的硼原子的光发射强度与表面侵蚀速率联系起来，最终对其工作参数优化、多工作模式下的寿命快速评估。
本发明通过以下技术方案实现：
一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置，所述光学在线监测装置包括密封箱、空心阴极、空心阴极钨顶孔、加热丝、支架、氩气、发射体、钨顶、光学探头Ⅰ、光学探头Ⅱ、光学探头Ⅲ、滤波片Ⅰ、滤波片Ⅱ、滤波片Ⅲ和触持极；
所述钨顶插入出空心阴极钨顶孔，所述空心阴极的一端延伸触持极，所述钨顶设置在支架的出口，所述支架内充入氩气，所述支架内框设置发射体，所述支架外框设置加热丝，所述钨顶的孔沿轴线方向安置光学探头Ⅰ，所述空心阴极钨顶孔垂直于轴线方向设置光学探头Ⅱ和光学探头Ⅲ；
所述光学探头Ⅰ上设置滤波片Ⅰ，所述光学探头Ⅱ上设置滤波片Ⅱ，所述光学探头Ⅲ上设置滤波片Ⅲ。
进一步的，所述滤波片Ⅰ为近紫外窄带滤光片，所述滤波片Ⅱ和滤波片Ⅲ为近红外窄带滤光片。
进一步的，所述光学探头Ⅰ、光学探头Ⅱ和光学探头Ⅲ分别连接一个光谱仪，所述光谱仪与上位机相连接。
一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，所述评估方法利用如上述的光学在线监测装置，所述评估方法具体包括以下步骤：
步骤一、在空心阴极正常工作的状态下，利用发射光谱实时在线监测的方法，通过在空心阴极钨顶孔沿轴线方向安置光学探头Ⅰ，对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子进行在线监测辨别，识别硼原子的发射谱线；
步骤二、同样的方式利用布置在空心阴极钨顶孔垂直于轴线方向的光学探头Ⅱ和光学探头Ⅲ采集阴极正常工作状态下工质气体氩的两条发射谱线；
步骤三、通过氩的两条发射谱线，构建氩的简单碰撞辐射模型，通过谱线比的方式确定等离子体中的电子温度T e；
步骤四、选择硼的合适谱线，构建硼的简单碰撞辐射模型，进一步联合氩的日冕模型，通过氩硼谱线比的方式确定硼原子的气相密度；
步骤五、联合空心阴极内部的气体流速v和计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度，对发射体的侵蚀速率进行计算，进而对发射体寿命进行预估。
进一步的，所述步骤一的光学探头Ⅰ为配有近紫外窄带滤光片的光学探头，安置在空心阴极钨顶孔出口方向的轴线上，所述步骤二的光学探头Ⅱ和光学探头Ⅲ为配有近红外窄带滤光片的光学探头，安置在垂直于空心阴极钨顶口出口方向的轴线上，实现对特定波长谱线的采集。
进一步的，所述步骤三中利用氩日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中电子温度T e具体为，利用所布置的光学探头Ⅱ和光学探头Ⅲ分别监测氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强I 1和I 2，计算谱线比R 1：
计算等离子体温度T e：
其中为两条氩谱线上的能级差，L为谱线长度，n为等离子密度。
进一步的，所述步骤四中的硼的简单碰撞辐射模型，即日冕模型中只考虑基态原子的电子碰撞激发过程和激发态原子的自发辐射过程，在等离子体稳态的情况下建立粒子的速率平衡方程：
其中，其中，为电子密度，/>为氩原子密度，/>为氩2p1能级的激发速率系数，/>为氩2p5能级的激发速率系数，/>为氩的爱因斯坦发射系数，/>为激发态氩2p5能级的原子密度，/>为激发态氩2p1能级的原子密度，I 1和I 2为氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强。
进一步的，所述步骤四中联合氩和硼日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中硼原子密度的具体为，利用所布置的光学探头Ⅰ对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子249.676nm跃迁谱线在线监测光强I 2，同时利用所布置的光学探头Ⅱ监测氩等离子体中波长为750.386nm的氩原子谱线的光强I 1，计算谱线比R 2：
其中为氩谱线和硼谱线的能级差，/>，/>为激发态氩能级的原子密度，P为空心阴极内部氩气的压强，R为理想气体常数，T为空心阴极内部氩气的热力学温度；
代入计算谱线比R 2的参数，计算硼原子的气相密度：
。
进一步的，所述步骤五中，对发射体的侵蚀速率进行计算具体为，联合空心阴极内部的气体平均流速和以上计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度/>，提出下式表示对发射体的侵蚀速率Q：
其中为侵蚀的硼原子气相密度，/>为硼原子的质量，/>为空心阴极出口处等离子体的平均流速，/>为出口处的横截面积。
进一步的，所述空心阴极为以六硼化镧为发射体的氩工质空心阴极。
本发明的有益效果是：
本发明可将电推进器的寿命评估实验耗时和经费大幅度降低，同时可进行工作参数优化、多工作模式下的寿命快速评价。
附图说明
图1本发明的方法流程图。
图2本发明的所用日冕模型中考虑的激发态原子跃迁能级谱线图。
图3本发明的装有光学检测装置的空心阴极结构图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
下面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的一部分实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
结合图3进行说明，一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置，所述光学在线监测装置包括密封箱1、空心阴极15、空心阴极钨顶孔2、加热丝3、支架4、氩气5、发射体6、钨顶7、光学探头Ⅰ8、光学探头Ⅱ9、光学探头Ⅲ10、滤波片Ⅰ11、滤波片Ⅱ12、滤波片Ⅲ13和触持极14；
所述钨顶7插入出空心阴极钨顶孔2，所述空心阴极15的一端延伸触持极14，所述钨顶7设置在支架4的出口，所述支架4内充入氩气5，所述支架4内框设置发射体6，所述支架4外框设置加热丝3，所述钨顶7的孔沿轴线方向安置光学探头Ⅰ8，所述空心阴极钨顶孔2垂直于轴线方向设置光学探头Ⅱ9和光学探头Ⅲ10；
所述光学探头Ⅰ8上设置滤波片Ⅰ11，所述光学探头Ⅱ9上设置滤波片Ⅱ12，所述光学探头Ⅲ10上设置滤波片Ⅲ13。
所述空心阴极15为以六硼化镧为发射体的氩工质空心阴极。
进一步的，所述滤波片Ⅰ11为近紫外窄带滤光片，所述滤波片Ⅱ12和滤波片Ⅲ13为近红外窄带滤光片。
进一步的，所述光学探头Ⅰ8、光学探头Ⅱ9和光学探头Ⅲ10分别连接一个光谱仪，所述光谱仪与上位机相连接。
实施例2
将侵蚀产物的发射光谱与侵蚀速率联系到一起，通过光学探头监测主要侵蚀产物的发射光谱，构建日冕模型计算出侵蚀物质的气相密度，最终对发射体的寿命进行预估。结合图1-2进行说明，
一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，所述评估方法利用如上述的光学在线监测装置，所述评估方法具体包括以下步骤：
步骤一、在空心阴极15正常工作的状态下，利用发射光谱实时在线监测的方法，通过在空心阴极钨顶孔2沿轴线方向安置光学探头Ⅰ8，对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子进行在线监测辨别，识别硼原子的发射谱线；
步骤二、同样的方式利用布置在空心阴极钨顶孔2垂直于轴线方向的光学探头Ⅱ9和光学探头Ⅲ10采集阴极正常工作状态下工质气体氩的两条发射谱线；
步骤三、通过氩的两条发射谱线，构建氩的简单碰撞辐射模型（日冕模型），通过谱线比的方式确定等离子体中的电子温度T e；
步骤四、选择硼的合适谱线，构建硼的简单碰撞辐射模型（日冕模型），进一步联合氩的日冕模型，通过氩硼谱线比的方式确定硼原子的气相密度；
步骤五、联合空心阴极15内部的气体流速v和计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度，对发射体的侵蚀速率进行计算，进而对发射体寿命进行预估。
进一步的，所述步骤一的光学探头Ⅰ8为配有近紫外窄带滤光片的光学探头，安置在空心阴极钨顶孔2出口方向的轴线上，所述步骤二的光学探头Ⅱ9和光学探头Ⅲ10为配有近红外窄带滤光片的光学探头，安置在垂直于空心阴极钨顶口出口方向的轴线上，实现对特定波长谱线的采集。
进一步的，所述步骤三中利用氩日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中电子温度T e具体为，利用所布置的光学探头Ⅱ9和光学探头Ⅲ10分别监测氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强I 1和I 2，计算谱线比R 1：
计算等离子体温度T e：
其中为两条氩谱线上的能级差，L为谱线长度，n为等离子密度。
进一步的，所述步骤四中的硼的简单碰撞辐射模型，即日冕模型中只考虑基态原子的电子碰撞激发过程和激发态原子的自发辐射过程，在等离子体稳态的情况下建立粒子的速率平衡方程：
其中，其中，为电子密度，/>为氩原子密度，/>为氩2p1能级的激发速率系数，/>为氩2p5能级的激发速率系数，/>为氩的爱因斯坦发射系数，/>为激发态氩2p5能级的原子密度，/>为激发态氩2p1能级的原子密度，I 1和I 2为氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强。
进一步的，所述步骤四中联合氩和硼日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中硼原子密度的具体为，利用所布置的光学探头Ⅰ8对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子249.676nm跃迁谱线在线监测光强I 2，同时利用所布置的光学探头Ⅱ9监测氩等离子体中波长为750.386nm的氩原子谱线的光强I 1，计算谱线比R 2：
其中，为氩谱线和硼谱线的能级差，/>，P为空心阴极内部氩气的压强，R为理想气体常数，T为空心阴极内部氩气的热力学温度；
代入计算谱线比R 2的参数，计算硼原子的气相密度：
。
进一步的，所述步骤五中，对发射体的侵蚀速率进行计算具体为，联合空心阴极内部的气体平均流速和以上计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度/>，提出下式表示对发射体的侵蚀速率Q：
其中，为侵蚀的硼原子气相密度，/>为硼原子的质量，/>为空心阴极出口处等离子体的平均流速，/>为出口处的横截面积。
进一步的，所述空心阴极15为以六硼化镧为发射体的氩工质空心阴极。
Claims (10)
1.一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置，其特征在于，所述光学在线监测装置包括密封箱（1）、空心阴极（15）、空心阴极钨顶孔（2）、加热丝（3）、支架（4）、氩气（5）、发射体（6）、钨顶（7）、光学探头Ⅰ（8）、光学探头Ⅱ（9）、光学探头Ⅲ（10）、滤波片Ⅰ（11）、滤波片Ⅱ（12）、滤波片Ⅲ（13）和触持极（14）；
所述钨顶（7）插入出空心阴极钨顶孔（2），所述空心阴极（15）的一端延伸触持极（14），所述钨顶（7）设置在支架（4）的出口，所述支架（4）内充入氩气（5），所述支架（4）内框设置发射体（6），所述支架（4）外框设置加热丝（3），所述钨顶（7）的孔沿轴线方向安置光学探头Ⅰ（8），所述空心阴极钨顶孔（2）垂直于轴线方向设置光学探头Ⅱ（9）和光学探头Ⅲ（10）；
所述光学探头Ⅰ（8）上设置滤波片Ⅰ（11），所述光学探头Ⅱ（9）上设置滤波片Ⅱ（12），所述光学探头Ⅲ（10）上设置滤波片Ⅲ（13）。
2.根据权利要求1所述的光学在线监测装置，其特征在于，所述滤波片Ⅰ（11）为近紫外窄带滤光片，所述滤波片Ⅱ（12）和滤波片Ⅲ（13）为近红外窄带滤光片。
3.根据权利要求1所述的光学在线监测装置，其特征在于，所述光学探头Ⅰ（8）、光学探头Ⅱ（9）和光学探头Ⅲ（10）分别连接一个光谱仪，所述光谱仪与上位机相连接。
4.一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述评估方法利用如权利要求1所述的光学在线监测装置，所述评估方法具体包括以下步骤：
步骤一、在空心阴极（15）正常工作的状态下，利用发射光谱实时在线监测的方法，通过在空心阴极钨顶孔（2）沿轴线方向安置光学探头Ⅰ（8），对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子进行在线监测辨别，识别硼原子的发射谱线；
步骤二、同样的方式利用布置在空心阴极钨顶孔（2）垂直于轴线方向的光学探头Ⅱ（9）和光学探头Ⅲ（10）采集阴极正常工作状态下工质气体氩的两条发射谱线；
步骤三、通过氩的两条发射谱线，构建氩的简单碰撞辐射模型，通过谱线比的方式确定等离子体中的电子温度T e；
步骤四、选择硼的合适谱线，构建硼的简单碰撞辐射模型，进一步联合氩的日冕模型，通过氩硼谱线比的方式确定硼原子的气相密度；
步骤五、联合空心阴极（15）内部的气体流速v和计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度，对发射体的侵蚀速率进行计算，进而对发射体寿命进行预估。
5.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤一的光学探头Ⅰ（8）为配有近紫外窄带滤光片的光学探头，安置在空心阴极钨顶孔（2）出口方向的轴线上，所述步骤二的光学探头Ⅱ（9）和光学探头Ⅲ（10）为配有近红外窄带滤光片的光学探头，安置在垂直于空心阴极钨顶口出口方向的轴线上，实现对特定波长谱线的采集。
6.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤三中利用氩日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中电子温度T e具体为，利用所布置的光学探头Ⅱ（9）和光学探头Ⅲ（10）分别监测氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强I 1和I 2，计算谱线比R 1：
计算等离子体温度T e：
其中为两条氩谱线上的能级差，L为谱线长度，n为等离子密度。
7.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤四中的硼的简单碰撞辐射模型，即日冕模型中只考虑基态原子的电子碰撞激发过程和激发态原子的自发辐射过程，在等离子体稳态的情况下建立粒子的速率平衡方程：
其中，为电子密度，/>为氩原子密度，/>为氩2p1能级的激发速率系数，/>为氩2p5能级的激发速率系数，/>为氩的爱因斯坦发射系数，/>为激发态氩2p5能级的原子密度，/>为激发态氩2p1能级的原子密度，I 1和I 2为氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强。
8.根据权利要求7所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤四中联合氩和硼日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中硼原子密度的具体为，利用所布置的光学探头Ⅰ（8）对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子249.676nm跃迁谱线在线监测光强I 2，同时利用所布置的光学探头Ⅱ（9）监测氩等离子体中波长为750.386nm的氩原子谱线的光强I 1，计算谱线比R 2：
其中为氩谱线和硼谱线的能级差，/>，/>为激发态能级的原子密度，P为空心阴极内部氩气的压强，R为理想气体常数，T为空心阴极内部氩气的热力学温度；
代入计算谱线比R 2的参数，计算硼原子的气相密度：
。
9.根据权利要求8所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤五中对发射体的侵蚀速率进行计算具体为，联合空心阴极内部的气体平均流速和以上计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度/>，提出下式表示对发射体的侵蚀速率Q：
其中为侵蚀的硼原子气相密度，/>为硼原子的质量，/>为空心阴极出口处等离子体的平均流速，/>为出口处的横截面积。
10.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述空心阴极（15）为以六硼化镧为发射体的氩工质空心阴极。
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