CN117460140A - 一种等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测方法，属于电推进技术领域，所述航天器等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测方法采用由光谱仪、朗缪尔探针以及热探测器三种装置组成，在测试过程中，光谱仪持续对羽流进行监测，朗缪尔探针则是由热探测器控制间隔时间伸入羽流种进行测试，数据收集后传入计算机中，根据设计好的模型计算等离子体参数，从而实现对推力器羽流的高速自适应监测，该种监测方法相比于普通的光谱监测方法具有高时间分辨率的优点，同时也能避免探针在测试过程中测试寿命短的缺点。
Description
技术领域
本发明属于电推进技术领域，具体地，涉及一种等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测方法。
背景技术
对于电推进羽流诊断，目前方法主要分为光谱法与探针法两种，光谱法主要是利用光谱仪、CMOS相机等光学装置，利用电推力器电离推进剂时由于粒子跃迁发出的光，通过碰撞辐射模型、KCD模型、日冕模型等模型对粒子跃迁发出的光谱进行分析，从而获得粒子的温度与密度参数，而探针方法则是利用等离子体内部呈准中性的原理，通过电学的方法对等离子体羽流内部的参数进行诊断。
但是光谱法与探针法都存在或多或少的问题，光谱法主要存在以下问题：
一、光谱诊断方法缺少可靠的理论分析工具，对于从光谱数据到羽流等离子体温度、密度的定量转化过程涉及的多种理论不准确因素缺乏研究；
二、测试数据分析过程缺乏有效的误差评估，缺乏误差机理模型，缺乏专业计量机构支持下的误差溯源研究。
三、成像分析仪器大多数布置在真空舱外，受到真空系统窗口角度的限制下难以实现三维结构反演；窗口缺乏针对性防护措施，受沉积污染等因素限制难以长时间连续监测。
探针测试方法存在以下弊端：
一、电探针虽然有着较高的时间分辨率，但要以较高空间分辨率的完成完成较大范围的空间分布测试，需将探针逐一置于羽流中的待测点上，耗时较长。
二、电推进束流能量高，测试电极在高能束流轰击下，热学特性、电学特性甚至几何特性会发生变化，给测试准确性带来较大不确定性；
三、浸入等离子体的电极会干扰推进器放电状态，对工作特性造成影响。
以上原因都限制了光谱法和探针法在推进器羽流测试高准确度检测技术的发展与应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测方法，包含内置真空罐的光谱仪以及用于诊断的朗缪尔探针、控制其升降的热探测器和传动机构组成，使其可以在真空罐内部对推进器羽流进行羽流诊断，通过光谱仪与电探针测试获得的羽流数据传入计算机中，利用相关模型对羽流相关参数进行计算。
本发明通过以下技术方案实现：
一种等离子体时空分布的自适应光电联合监测系统：
所述监测系统，包括电推力器1、羽流区域2、朗缪尔探针3、红外测温仪4、光谱仪5、光纤6、传动装置7和计算机；
所述光纤6的一端连接光谱仪5，光纤6的另一端位于羽流2边缘，所述光谱仪5通过光纤6对电推力器1的羽流区域2进行持续测量；
所述朗缪尔探针3由传动装置7控制对羽流区域2进行间隔测量；通过所述红外测温仪4监控温度，在朗缪尔探针3的温度超过设置阈值时，由传动装置7收回朗缪尔探针3；当朗缪尔探针3的温度下降至阈值后，再次将朗缪尔探针3深入羽流区域2中，
将光谱仪5的数据和朗缪尔探针3的数据收集后传入计算机中，计算等离子体参数，从而实现对等离子体的自适应监测。
一种等离子体时空分布的自适应光电联合监测方法：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：在实验开始阶段，将所用测试装置安装在电推力器1的羽流区域2，使得朗缪尔探针3可以在电推力器1运行过程中收集相关的电信号；
步骤2：开启电推力器1使其正常运行，在正常运行过程中，利用光谱仪5以及朗缪尔探针3对其进行数据采集；
步骤3：光谱仪5通过光纤6持续收集电推力器1羽流的光信号；
步骤4：通过朗缪尔探针3间隔收集电推力器1羽流的电流信号和电压信号，并根据电流信号和电压信号获得羽流的伏安特性曲线；
步骤5：将光谱仪5的数据和朗缪尔探针3的数据收集后传入计算机中，计算等离子体参数，从而实现对等离子体的自适应监测。
进一步的，
在实验开始之前，需要检查冷却水装置能否正常运行，冷却剂状态是否良好以保证推力器能够正常运行。
进一步的，在步骤3中，
通过光谱仪5获得的光谱信息可以计算羽流中的电离率；
(1)
其中是波长为460nm的光谱强度，同理/>指的是波长为828nm的光谱强度；上式中/>取6.133，/>取0.07。
进一步的，在步骤4中，
当红外测温仪4显示朗缪尔探针3温度超过设置的温度阈值时，控制传动装置7将朗缪尔探针3撤出羽流区域2，当其温度下降至可以进行羽流测量时，控制传动装置7将其深入羽流区域2中继续进行羽流诊断。
进一步的，
通过光谱数据计算等离子体羽流的电子温度，考虑粒子的基态激发和其自发辐射，则存在以下关系：
(2)
其中指羽流中的电子温度，角标1、2分别指代两种不同的粒子，n 1 、n 2分别代表第一种粒子和第二种粒子对应的原子数密度，而/>则指代第一种粒子和第二种粒子的速率系数，/>分别为第一种粒子和第二种粒子的电流大小；
对于不同粒子的速率系数存在如下关系：
(3)
其中，为基态到激发态1的速率系数，/>为a能态与能级1的能级差，/>为a能态与能级2的能级差，/>为电子温度。
在相同电子温度的情况下，两种粒子的速率系数的比值等于以他们的能级差值与电子温度的负比值为指数的e函数；通过该式计算羽流中的电子温度；
朗缪尔探针3用于计算等离子体电子温度、密度与离子密度的公式如下：
设是探针电势，/>与/>分别是探针电压和电流，以阴极为参考电极，/>是探针所处空间的等离子体点位，/>表示鞘层边缘相对探针的电位，则有探针电压：
(4)
(5)
是探针接收到的电子电流/>与离子电流/>之和。
设等离子体中的电子和离子按余弦定律到达鞘层表面，则到达鞘层表面的电子流与离子流/>分别是：
(6)
(7)
其中和/>的单位是mA，电子浓度/>和离子浓度/>相等，单位为/>，鞘层表面积等于探针表面积/>，单位是/>，电子温度与离子温度是/>；/>是离子速度，/>是电子速度。
带电粒子经过鞘层的电流是
(8)
(9)
其中为离子温度，/>为电子温度，k代表玻尔兹曼常数；
为离子热能，/>为电子热能；
在探针测试获得的伏安特性曲线的过渡区，电子速度按照麦克斯韦分布，其中一部分动能可以克服拒斥场的电子达到探针，所以探针能接收的电子流为：
(10)
粒子通过鞘层受到加速，进入鞘层的粒子不能全部达到探针，所以探针电流如下：
(11)
对于上式取对数，可以得到
(12)
于是电子热能如下所示：
(13)
把伏安特性曲线做半对数特性曲线，则根据其直线部分的斜率，能够计算得到电子热能
(14)
其中是直线部分任一点的探针电压，/>是另一点的探针电压，
在得到后，利用饱和电子流的关系，就可以得出等离子体的电子浓度与离子浓度
(15)。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明有益效果
本发明相比于普通的光谱诊断与探针诊断方式，该种测试手段避免了探针在羽流中无法长时间测量易损坏的问题，同时提高了空间分辨率与时间分辨率，达到了仪器的自适应测量。
一、所采用装置相比于普通探针具有更高的空间分辨率与测试精度，同时也能避免探针由于寿命问题在羽流中损坏的情况。
二、相比于光谱测量方法，该装置可以放置在真空罐内部，进一步提高了测试精度，同时通过朗缪尔探针也提高了测试的时间分辨率。
三、采集数据装置对推进器羽流进行连续测量，避免了测试过程中数据的离散化。
四、整套装置与程序具有极快的响应能力，获得数据快速便于及时对于推力器进行调整。
综上，本发明通过持续的光谱仪对羽流进行光学诊断，通过朗缪尔探针对羽流进行高时间分辨率的间断诊断，该套装置方法避免了光谱仪测试中的低时间分辨率的弊端，也避免了探针测试中寿命短，难以持续监测的弊端，实现了自适应监测，便捷高效。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
其中1为电推力器、2为羽流区域、3为朗缪尔探针、4为红外测温仪、5为光谱仪、6为光纤、7为传动装置。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。
一种等离子体时空分布的自适应光电联合监测系统：
所述监测系统适用于航天器用电推力器羽流等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测，包括电推力器1、羽流区域2、朗缪尔探针3、红外测温仪4、光谱仪5、光纤6、传动装置7和计算机；
所述光纤6的一端连接光谱仪5，光纤6的另一端布置在羽流区域2的边缘处，略伸入羽流区域2中，所述光谱仪5通过光纤6对电推力器1的羽流区域2进行持续测量；
所述朗缪尔探针3由传动装置7控制对羽流区域2进行间隔测量；通过所述红外测温仪4监控温度，在朗缪尔探针3的温度超过设置阈值时，由传动装置7收回朗缪尔探针3；当朗缪尔探针3的温度下降至阈值后，再次将朗缪尔探针3深入羽流区域2中，
将光谱仪5的数据和朗缪尔探针3的数据收集后传入计算机中，根据设计好的模型计算等离子体参数，从而实现对等离子体（推力器羽流）的自适应监测。
一种等离子体时空分布的自适应光电联合监测方法：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：在实验开始阶段，将所用测试装置安装在电推力器1的羽流区域2，使得朗缪尔探针3可以在电推力器1运行过程中收集相关的电信号；
步骤2：开启电推力器1使其正常运行，在正常运行过程中，利用光谱仪5以及朗缪尔探针3对其进行数据采集；
步骤3：光谱仪5通过光纤6持续收集电推力器1羽流的光信号；
步骤4：通过朗缪尔探针3间隔收集电推力器1羽流的电流信号和电压信号，并根据电流信号和电压信号获得羽流的伏安特性曲线；
步骤5：将光谱仪5的数据和朗缪尔探针3的数据收集后传入计算机中，根据设计好的模型计算等离子体参数，从而实现对等离子体（推力器羽流的）的自适应监测。
在实验开始之前，需要检查冷却水装置能否正常运行，冷却剂状态是否良好以保证推力器能够正常运行。
在步骤3中，
通过光谱仪5获得的光谱信息可以计算羽流中的电离率；
(1)
其中是波长为460nm的光谱强度，同理/>指的是波长为828nm的光谱强度；上式中/>取6.133，/>取0.07。
在步骤4中，
当红外测温仪4显示朗缪尔探针3温度超过设置的温度阈值时，控制传动装置7将朗缪尔探针3撤出羽流区域2，当其温度下降至可以进行羽流测量时，控制传动装置7将其深入羽流区域2中继续进行羽流诊断。
通过光谱数据计算等离子体羽流的电子温度，本发明中主要利用日冕模型进行计算，在该模型中，只考虑粒子的基态激发和其自发辐射，则存在以下关系：
(2)
其中指羽流中的电子温度，角标1、2分别指代两种不同的粒子，n 1 、n 2分别代表第一种粒子和第二种粒子对应的原子数密度，而/>则指代第一种粒子和第二种粒子的速率系数，/>分别为第一种粒子和第二种粒子的电流大小；
对于不同粒子的速率系数存在如下关系：
(3)
其中，为基态到激发态1的速率系数，/>为a能态与能级1的能级差，/>为a能态与能级2的能级差，/>为电子温度。
在相同电子温度的情况下，两种粒子的速率系数的比值等于以他们的能级差值与电子温度的负比值为指数的e函数；通过该式可以计算羽流中的电子温度；
朗缪尔探针3用于计算等离子体电子温度、密度与离子密度的公式如下：
设是探针电势，/>与/>分别是探针电压和电流，若以阴极为参考电极，/>是探针所处空间的等离子体点位，/>表示鞘层边缘相对探针的电位，则有探针电压：
(4)
(5)
是探针接收到的电子电流/>与离子电流/>之和。
设等离子体中的电子和离子按余弦定律到达鞘层表面，则到达鞘层表面的电子流与离子流/>分别是：
(6)
(7)
其中和/>的单位是mA，电子浓度/>和离子浓度/>相等，单位为/>，鞘层表面积等于探针表面积/>，单位是/>，电子温度与离子温度是/>；/>是离子速度，/>是电子速度。
带电粒子经过鞘层的电流是
(8)
(9)
其中为离子温度，/>为电子温度，k代表玻尔兹曼常数；
为离子热能，/>为电子热能；
在探针测试获得的伏安特性曲线的过渡区，电子速度按照麦克斯韦分布，其中一部分动能可以克服拒斥场的电子达到探针，所以探针能接收的电子流为：
(10)
粒子通过鞘层受到加速，进入鞘层的粒子不能全部达到探针，所以探针电流如下：
(11)
对于上式取对数，可以得到
(12)
于是电子热能如下所示：
(13)
如果把实验测出的伏安特性曲线做半对数特性曲线，根据其直线部分的斜率，能够计算得到电子热能
(14)
其中是直线部分任一点的探针电压，/>是另一点的探针电压；
在得到后，利用饱和电子流的关系，就可以得出等离子体的电子浓度与离子浓度
(15)。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器read only memory，ROM、可编程只读存储器programmable ROM，PROM、可擦除可编程只读存储器erasablePROM，EPROM、电可擦除可编程只读存储器electrically EPROM，EEPROM或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器random access memory，RAM，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器static RAM，SRAM、动态随机存取存储器dynamic RAM，DRAM、同步动态随机存取存储器synchronous DRAM，SDRAM、双倍数据速率同步动态随机存取存储器double data rate SDRAM，DDR SDRAM、增强型同步动态随机存取存储器enhanced SDRAM，ESDRAM、同步连接动态随机存取存储器synchlink DRAM，SLDRAM和直接内存总线随机存取存储器direct rambus RAM，DR RAM。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线例如同轴电缆、光纤、数字用户线digital subscriber line，DSL或无线例如红外、无线、微波等方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质例如，软盘、硬盘、磁带、光介质例如，高密度数字视频光盘digital video disc，DVD、或者半导体介质例如，固态硬盘solid state disc，SSD等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC、现场可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测系统，其特征在于：
所述监测系统，包括电推力器（1）、羽流区域（2）、朗缪尔探针（3）、红外测温仪（4）、光谱仪（5）、光纤（6）、传动装置（7）和计算机；
所述光纤（6）的一端连接光谱仪（5），光纤（6）的另一端布置在羽流区域边缘处，所述光谱仪（5）通过光纤（6）对电推力器（1）的羽流区域（2）进行持续测量；
所述朗缪尔探针（3）由传动装置（7）控制对羽流区域（2）进行间隔测量；通过所述红外测温仪（4）监控温度，在朗缪尔探针（3）的温度超过设置阈值时，由传动装置（7）收回朗缪尔探针（3）；当朗缪尔探针（3）的温度下降至阈值后，再次将朗缪尔探针（3）深入羽流区域（2）中，
将光谱仪（5）的数据和朗缪尔探针（3）的数据收集后传入计算机中，计算等离子体参数，从而实现对等离子体的自适应监测。
2.一种等离子体时空分布的高速自适应光电联合监测方法，其特征在于：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：在实验开始阶段，将所用测试装置安装在电推力器（1）的羽流区域（2），使得朗缪尔探针（3）可以在电推力器（1）运行过程中收集相关的电信号；
步骤2：开启电推力器（1）使其正常运行，在正常运行过程中，利用光谱仪（5）以及朗缪尔探针（3）对其进行数据采集；
步骤3：光谱仪（5）通过光纤（6）持续收集电推力器（1）羽流的光信号；
步骤4：通过朗缪尔探针（3）间隔收集电推力器（1）羽流的电流信号和电压信号，并根据电流信号和电压信号获得羽流的伏安特性曲线；
步骤5：将光谱仪（5）的数据和朗缪尔探针（3）的数据收集后传入计算机中，计算等离子体参数，从而实现对等离子体的自适应监测。
3.根据权利要求2所述监测方法，其特征在于：
在实验开始之前，需要检查冷却水装置能否正常运行，冷却剂状态是否良好以保证推力器能够正常运行。
4.根据权利要求3所述监测方法，其特征在于：在步骤3中，
通过光谱仪（5）获得的光谱信息可以计算羽流中的电离率；
(1)
其中是波长为460nm的光谱强度，同理/>指的是波长为828nm的光谱强度；上式中取6.133，/>取0.07。
5.根据权利要求4所述监测方法，其特征在于：在步骤4中，
当红外测温仪（4）显示朗缪尔探针（3）温度超过设置的温度阈值时，控制传动装置（7）将朗缪尔探针（3）撤出羽流区域（2），当其温度下降至可以进行羽流测量时，控制传动装置（7）将其深入羽流区域（2）中继续进行羽流诊断。
6.根据权利要求5所述监测方法，其特征在于：
通过光谱数据计算等离子体羽流的电子温度，考虑粒子的基态激发和其自发辐射，则存在以下关系：
(2)
其中指羽流中的电子温度，角标1、2分别指代两种不同的粒子，n 1 、n 2分别代表第一种粒子和第二种粒子对应的原子数密度，而/>则指代第一种粒子和第二种粒子的速率系数，/>分别为第一种粒子和第二种粒子的电流大小；
对于不同粒子的速率系数存在如下关系：
(3)
其中，为基态到激发态1的速率系数，/>为a能态与能级1的能级差，/>为a能态与能级2的能级差，/>为电子温度；
在相同电子温度的情况下，两种粒子的速率系数的比值等于以他们的能级差值与电子温度的负比值为指数的e函数；通过该式计算羽流中的电子温度；
朗缪尔探针（3）用于计算等离子体电子温度、密度与离子密度的公式如下：
设是探针电势，/>与/>分别是探针电压和电流，以阴极为参考电极，/>是探针所处空间的等离子体点位，/>表示鞘层边缘相对探针的电位，则有探针电压：
(4)
(5)
是探针接收到的电子电流/>与离子电流/>之和；
设等离子体中的电子和离子按余弦定律到达鞘层表面，则到达鞘层表面的电子流与离子流/>分别是：
(6)
(7)
其中和/>的单位是mA，电子浓度/>和离子浓度/>相等，单位为/>，鞘层表面积等于探针表面积/>，单位是/>，电子温度与离子温度是/>；/>是离子速度，/>是电子速度；
带电粒子经过鞘层的电流是
(8)
(9)
其中为离子温度，/>为电子温度，k代表玻尔兹曼常数；
为离子热能，/>为电子热能；
在探针测试获得的伏安特性曲线的过渡区，电子速度按照麦克斯韦分布，其中一部分动能可以克服拒斥场的电子达到探针，所以探针能接收的电子流为：
(10)
粒子通过鞘层受到加速，进入鞘层的粒子不能全部达到探针，所以探针电流如下：
(11)
对于上式取对数，可以得到
(12)
于是电子热能如下所示：
(13)
把伏安特性曲线做半对数特性曲线，则根据其直线部分的斜率，能够计算得到电子热能
(14)
其中是直线部分任一点的探针电压，/>是另一点的探针电压；
在得到后，利用饱和电子流的关系，就可以得出等离子体的电子浓度与离子浓度：
(15)。
7.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2至6中任意一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求2至6中任意一项所述方法的步骤。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120282478A1 (en) * | 2009-09-03 | 2012-11-08 | Instituto Tecnologico Y De Estudios Superiores De Monterrey | Method and apparatus for the multi-layer and multi-component coating of thin films on substrates, and multi-layer and multi-component coatings |
| CN104237205A (zh) * | 2014-09-23 | 2014-12-24 | 清华大学 | 等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法及系统 |
| US20170064806A1 (en) * | 2014-05-02 | 2017-03-02 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Plasma generation apparatus including measurement device and plasma thruster |
| CN107087338A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-08-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种气体放电型等离子体密度自动调控系统及装置 |
| CN115119375A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-09-27 | 山东大学 | 一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及探测方法 |
| CN116669269A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-08-29 | 中国科学院力学研究所 | 一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统 |
-
2023
- 2023-12-19 CN CN202311743391.1A patent/CN117460140A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120282478A1 (en) * | 2009-09-03 | 2012-11-08 | Instituto Tecnologico Y De Estudios Superiores De Monterrey | Method and apparatus for the multi-layer and multi-component coating of thin films on substrates, and multi-layer and multi-component coatings |
| US20170064806A1 (en) * | 2014-05-02 | 2017-03-02 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Plasma generation apparatus including measurement device and plasma thruster |
| CN104237205A (zh) * | 2014-09-23 | 2014-12-24 | 清华大学 | 等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法及系统 |
| CN107087338A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-08-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种气体放电型等离子体密度自动调控系统及装置 |
| CN115119375A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-09-27 | 山东大学 | 一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及探测方法 |
| CN116669269A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-08-29 | 中国科学院力学研究所 | 一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李得天，张天平，张伟文等: "《空间电推进测试与评价技术》", 30 September 2018, 北京理工大学出版社, pages: 222 - 225 * |
| 王涛，等: "放电室等离子体诊断朗缪尔探针设计分析", 真空与低温, vol. 24, no. 4, 31 August 2018 (2018-08-31), pages 275 - 278 * |
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