CN117990951A - 一种法拉第探针 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种法拉第探针，属于场致发射电推进、离子电推进等微电推进的束流分布测量技术领域，解决了束流离子电流密度测试中的电磁干扰问题和因场致发射电推进羽流中金属离子的沉积镀膜而引起的绝缘性问题。本发明包括探头本体、安装板和导线保护壳，所述导线保护壳包括外壳和屏蔽电连接器，且屏蔽电连接器与外壳固定连接并形成保护空腔。本发明解决了束流离子电流密度测试中的电磁干扰和因场致发射电推进羽流中金属离子的沉积镀膜而引起的绝缘性，能有效减小电磁干扰带来的测试误差，避免沉积镀膜破坏绝缘性，损坏探针功能。
Description
技术领域
本发明涉及场致发射电推进、离子电推进等微电推进的束流分布测量技术领域，尤其涉及一种法拉第探针。
背景技术
束流分布测试是在某一个或多个截面内测试推力器的束流密度分布，采用法拉第探针可以测试束流离子电流密度分布，测量羽流发散角，还可以通过电参数的计算，间接计算出推力、比冲等推力器的关键性能参数。
法拉第探针的原理是在负偏置电压的作用下排斥电子，给电流接收盘施加负偏压，阻碍束流中的电子到达电流接收盘，使束流中的离子到达电流接收盘，形成探针电流。
场致发射电推进和离子电推进等微电推进能产生的推力很小，一般为毫牛级或微牛级，其束流离子电流较小，对探针的电磁屏蔽要求较高，如果电流信号中存在电磁干扰，会对电流测试带来较大误差。针对场致发射电推进，束流离子为金属离子，金属离子的沉积镀膜会破坏探针的绝缘性，影响探针测量，所以束流离子电流密度测试中的电磁干扰问题和因场致发射电推进羽流中金属离子的沉积镀膜而引起的绝缘性问题是法拉第探针研究需要解决的关键问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种法拉第探针，用以解决束流离子电流密度测试中的电磁干扰问题和因场致发射电推进羽流中金属离子的沉积镀膜而引起的绝缘性问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种法拉第探针，其特征在于，包括探头本体、安装板和导线保护壳，所述探头本体安装在安装板一端，所述导线保护壳安装在安装板的另一端；所述导线保护壳包括外壳和屏蔽电连接器，且屏蔽电连接器与外壳固定连接并形成保护空腔，所述导线保护壳用于屏蔽电磁。
进一步地，所述探头本体包括保护壳、电流接收片、电流接收盘、绝缘筒、绝缘T型垫、绝缘平垫、绝缘压板、电流接收盘接线端子、电缆线和导线。
进一步地，所述保护壳位于探头本体的最外侧。
进一步地，所述电流接收盘依次将绝缘筒、保护壳、绝缘T型垫、绝缘平垫、安装板和绝缘压板串接，并通过电流接收盘与螺母配合夹紧和固定。
进一步地，所述电流接收片的上表面与保护壳的顶部保持在相同平面上。
进一步地，所述电流接收盘接线端子一端与电流接收盘固定连接，另一端与电缆线连接，所述电缆线与外部的测量电路连通，形成电流通路。
进一步地，所述保护壳采用无磁不锈钢。
进一步地，所述电流接收片材料采用二次电子发射率低的材料钼或钨。
进一步地，所述绝缘筒和绝缘平垫的材料采用氧化铝陶瓷。
进一步地，所述绝缘T型垫和绝缘压板的材料采用聚四氟乙烯。
本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：
与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：
(1)本发明通过一种法拉第探针，所述法拉第探针的圆形凹槽的深度小于电流接收盘的第二凸台的高度，使电流接收盘的第一凸台的底面和绝缘筒的上表面形成第二间隙；所述第一间隙和第二间隙连通形成具有弯折的间隙，可以防止在第一圆形空腔的表面、电流接收盘的表面和绝缘筒的表面因金属离子溅射物沉积而形成的连续金属镀膜，进而避免因镀膜连续引起所述探针短路，影响所述探针的测量效果。
(2)本发明还通过将所述电流接收盘接线端子和导电柱接线端子保护在导线保护壳内，电缆线、导线分别通过屏蔽电连接器上的两个孔与外部连接，实现电流接收盘接线端子及电缆线和导电柱接线端子及导线与外部空间隔离，可以进一步屏蔽电磁，避免电流信号因电磁干扰出现扰动，提高所述探针的测量精度。
(3)本发明还通过导线保护壳通过螺钉与安装板固定连接，并通过安装板与支架连接，进而形成接地的电流通路，可以避免电荷积累形成电位，实现电磁屏蔽，保证所述探针的测量效果。
(4)本发明探头本体、安装板和导线保护壳采用分体式结构，方便结构安装和导线连接，所述法拉第探针结构更紧凑、体积更小、更容易组装。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的法拉第探针结构示意图；
图2为本发明实施例的安装板结构示意图；
图3为图1的A-A剖视图；
图4为本发明实施例的保护壳结构示意图；
图5为本发明实施例的电流接收盘结构示意图；
图6为图3的B部局部放大图；
图7为本发明实施例的绝缘筒结构示意图。
附图标记：
1-探头本体；101-保护壳；1011-第一圆形空腔；1012-第二圆形空腔；1013-螺纹孔；102-电流接收片；103-电流接收盘；104-绝缘筒；105-绝缘T型垫；106-绝缘平垫；107-绝缘压板；108-电流接收盘接线端子；109-电缆线；110-导电柱；111-导电柱接线端子；112-导线；1031-圆柱；1032-第一凸台；1033-第二凸台；1034-螺纹；1035-圆形沉孔；1041-圆形凹槽；1042-第三凸台；2-安装板；201-T型空腔；3-导线保护壳；301-外壳；302-屏蔽电连接器；401-第一间隙；402-第二间隙。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一些实施例中，公开了一种法拉第探针，如图1、图2所示，包括探头本体1、安装板2和导线保护壳3，所述探头本体1安装在安装板2的一端，所述导线保护壳3安装在安装板2的另一端；所述安装板2上设有T型空腔201。
优选地，如图3所示，所述探头本体1包括保护壳101、电流接收片102、电流接收盘103、绝缘筒104、绝缘T型垫105、绝缘平垫106、绝缘压板107，所述保护壳101位于探头本体1的最外侧，能够保护探头本体1的内部结构；所述探头本体1的保护壳101与安装板2之间具有间隙。
优选地，如图4所示，所述保护壳101采用无磁不锈钢的长筒，其内部中间设有凸台，凸台上方为第一圆形空腔1011，凸台下方为第二圆形空腔1012，凸台轴线上形成贯通凸台的第一通孔；所述第二圆形空腔1012的轴向剖面为T型；所述凸台上设有螺纹孔1013，其开口朝向第二圆形空腔1012。
优选地，所述电流接收片102为圆形薄片，其材料为二次电子发射率低的材料钼或钨；所述电流接收片102的上表面与保护壳101的顶部保持在相同平面上，可以保证只有电流接收片102的上表面收集离子，进而保证所述探针测量结果的有效性。
优选地，如图5所示，所述电流接收盘103包括圆柱1031和位于圆柱顶端的凸台，所述凸台包括第一凸台1032和第二凸台1033；所述圆柱1031尾端设有螺纹1034。
优选地，所述第一凸台1032的顶端设有圆形沉孔1035；所述圆形沉孔1035与电流接收片102过盈配合，实现电流接收片102与电流接收盘103固定连接。
优选地，如图6所示，第一凸台1032的直径小于保护壳101的第一圆形空腔1011的直径，从而使第一凸台1032的外缘表面与第一圆形空腔1011的内壁面保持一定的间隙，该间隙表示为第一间隙401；所述第一间隙401可以防止电流接收盘103与保护壳101导通，从而实现所述法拉第探针对金属离子的有效收集面积始终为电流接收片102的上表面面积，保证所述探针的测量精度。
优选地，如图7所示，所述绝缘筒104上端设有圆形凹槽1041，下端设有第三凸台1042；所述绝缘筒104轴线上形成贯通绝缘筒104的第二通孔。
优选地，所述电流接收盘103安装在绝缘筒104上，具体安装方式：电流接收盘103的圆柱1031穿过绝缘筒104的第二通孔，同时将电流接收盘103的第二凸台1033安装在绝缘筒104上的圆形凹槽1041内，从而使电流接收盘103和绝缘筒104固定连接；所述绝缘筒104上的圆形凹槽1041能够对电流接收盘103进行定位，使电流接收盘103与保护壳101之间的第一间隙401的宽度保持在固定数值范围内，实现离子电流密度测量。
优选地，所述绝缘筒104的材料选用氧化铝陶瓷；所述绝缘筒104安装在保护壳101的第一圆形空腔1011内，具体安装方式：绝缘筒104上的第三凸台1042插入保护壳101的第一通孔内，从而使绝缘筒104与保护壳101固定连接，实现保护壳101和电流接收盘103之间保持绝缘，避免影响所述探针的测量效果。
优选地，所述圆形凹槽1041的深度小于电流接收盘103的第二凸台1033的高度，从而使电流接收盘103的第一凸台1032的底面和绝缘筒104的上表面形成第二间隙402；所述第一间隙401和第二间隙402连通形成具有弯折的间隙，可以防止在第一圆形空腔1011的表面、电流接收盘103的表面和绝缘筒104的表面因金属离子溅射物沉积形成的连续金属镀膜，避免保护壳101和电流接收盘103连通，进而避免因镀膜连续引起所述探针短路，影响所述探针的测量效果。
优选地，所述绝缘T型垫105轴线上设有第三通孔，其偏离轴线处有导电柱第一通孔；所述绝缘T型垫105安装在保护壳101的第二圆形空腔1012内，具体安装方式：绝缘T型垫105的凸台插入保护壳101的第一通孔内，从而使绝缘T型垫105与保护壳101固定连接；所述电流接收盘103的圆柱1031穿过绝缘T型垫105上的第三通孔实现固定连接，同时可以对电流接收盘103的圆柱1031进行定位，使保护壳101和电流接收盘103之间保持绝缘，避免影响所述探针的测量效果，进而实现离子电流密度测量。
优选地，所述绝缘平垫106的材料选用氧化铝陶瓷；所述绝缘平垫106轴线上设有第四通孔，其偏离轴线处有导电柱第二通孔；所述绝缘平垫106安装在保护壳101的第二圆形空腔1012内，并与绝缘T型垫105的下表面接触。
优选地，所述绝缘压板107轴线上设有第五通孔，其偏离轴线处有导电柱第三通孔；所述绝缘压板107安装在安装板2的T型空腔201内；所述绝缘压板107的顶端表面还设有凸起，该凸起在安装时可以起到定位作用。
优选地，所述探头本体1与安装板2固定连接，具体安装方式：电流接收盘103的圆柱1031依次将绝缘筒104、保护壳101、绝缘T型垫105、绝缘平垫106、安装板2和绝缘压板107串接，并通过电流接收盘103的圆柱1031尾端的螺纹1034与螺母配合夹紧，实现探头本体1中各部件固定连接的同时还可以使探头本体1安装在安装板2上；所述绝缘T型垫105和绝缘压板107的材料均选用聚四氟乙烯，在探头本体1与安装板2夹紧及固定时可以减少之各部件之间的缝隙，起到更好的固定效果，可以进一步起到绝缘作用，避免影响所述探针的测量结果。
优选地，所述探头本体1还包括电流接收盘接线端子108、电缆线109、导电柱110、导电柱接线端子111、导线112。
优选地，所述电流接收盘接线端子108通过螺母与电流接收盘103尾端的螺纹1034固定连接；所述电流接收盘接线端子108与电缆线109连接，进而将电流接收片102、电流接收盘103、电流接收盘接线端子108通过电缆线109与外部的测量电路连通，形成电流通路，从而对电流接收片102施加-20V～-30V偏压；电流接收片102在-20V～-30V偏压作用下排斥推力器产生的束流中的电子，只接收束流离子电流，然后通过电流接收盘103、电流接收盘接线端子108和电缆线109形成的电流通路将电流接收片102接收的电流信号传输到测试电路中实现所述探针测量束流离子电流。
优选地，所述导电柱110两端设有螺纹；所述导电柱110安装保护壳101上，具体安装方式：导电柱110依次穿过所述绝缘压板107的导电柱第三通孔、绝缘平垫106的导电柱第二通孔和绝缘T型垫105的导电柱第一通孔与保护壳101上的螺纹孔1013固定连接；所述导电柱接线端子111通过螺母与导电柱110尾端的螺纹固定连接；所述导电柱接线端子111与导线112连接，进而将保护壳101、导电柱110、导电柱接线端子111通过导线112与外部的测量电路连通，形成电流通路，从而对保护壳101施加+30V偏压；保护壳101在+30V偏压作用下，保护壳101吸引束流中的电子。
优选地，所述导线保护壳3包括外壳301和屏蔽电连接器302，所述屏蔽电连接器302与外壳301通过螺钉固定连接，进而将电流接收盘接线端子108和导电柱接线端子111保护在导线保护壳3内，电缆线109、导线112分别通过屏蔽电连接器302上的两个孔与外部连接，可以实现电流接收盘接线端子108及电缆线109和导电柱接线端子111及导线112与外部空间隔离，可以进一步屏蔽电磁，避免电流信号因电磁干扰出现扰动，提高所述探针的测量精度。
优选地，导线保护壳3通过螺钉与安装板2固定连接，并通过安装板2与支架连接，进而形成接地的电流通路，可以避免电荷积累形成电位，实现电磁屏蔽，保证所述探针的测量效果。
实施时：
所述法拉第探针安装在支架上，将所述法拉第探针放置在场致发射电推进或离子电推进等微电推进的束流中；电缆线109通过导线保护壳3上的屏蔽电连接器302伸出导线保护壳3，并与测量电路连通，对电流接收片102施加-20V～-30V偏压，电流接收片102在-20V～-30V偏压作用下排斥推力器产生的束流中的电子，只接收束流离子电流；导线112通过导线保护壳3上的屏蔽电连接器302伸出导线保护壳3，并与测量电路连接连通，对保护壳101施加+30V偏压；保护壳101在+30V偏压作用下，保护壳101吸引束流中的电子，然后将吸引的电子导入外部的测量电路；电流接收片102采集的离子电流通过测量电路测得的数据可以计算离子电流大小，进一步可以计算束流的电流密度和离子数密度。
与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：
(1)本发明通过一种法拉第探针，所述法拉第探针的圆形凹槽1041的深度小于电流接收盘103的第二凸台1033的高度，使电流接收盘103的第一凸台1032的底面和绝缘筒104的上表面形成第二间隙402；所述第一间隙401和第二间隙402连通形成具有弯折的间隙，可以防止在第一圆形空腔1011的表面、电流接收盘103的表面和绝缘筒104的表面因金属离子溅射物沉积而形成的连续金属镀膜，进而避免因镀膜连续引起所述探针短路，影响所述探针的测量效果。
(2)本发明还通过将所述电流接收盘103接线端子和导电柱110接线端子保护在导线保护壳3内，电缆线109、导线分别通过屏蔽电连接器302上的两个孔与外部连接，实现电流接收盘103接线端子及电缆线109和导电柱110接线端子及导线与外部空间隔离，可以进一步屏蔽电磁，避免电流信号因电磁干扰出现扰动，提高所述探针的测量精度。
(3)本发明还通过导线保护壳3通过螺钉与安装板2固定连接，并通过安装板2与支架连接，进而形成接地的电流通路，可以避免电荷积累形成电位，实现电磁屏蔽，保证所述探针的测量效果。
(4)本发明探头本体1、安装板2和导线保护壳3采用分体式结构，方便结构安装和导线连接，所述法拉第探针结构更紧凑、体积更小、更容易组装。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种法拉第探针，其特征在于，包括探头本体(1)、安装板(2)和导线保护壳(3)，所述探头本体(1)安装在安装板(2)一端，所述导线保护壳(3)安装在安装板(2)的另一端；所述导线保护壳(3)包括外壳(301)和屏蔽电连接器(302)，且屏蔽电连接器(302)与外壳(301)固定连接并形成保护空腔，所述导线保护壳(3)用于屏蔽电磁。
2.根据权利要求1所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述探头本体(1)包括保护壳(101)、电流接收片(102)、电流接收盘(103)、绝缘筒(104)、绝缘T型垫(105)、绝缘平垫(106)、绝缘压板(107)、电流接收盘接线端子(108)、电缆线(109)和导线(112)。
3.根据权利要求2所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述保护壳(101)位于探头本体(1)的最外侧。
4.根据权利要求2所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述电流接收盘(103)依次将绝缘筒(104)、保护壳(101)、绝缘T型垫(105)、绝缘平垫(106)、安装板(2)和绝缘压板(107)串接，并通过电流接收盘(103)与螺母配合夹紧和固定。
5.根据权利要求2所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述电流接收片(102)的上表面与保护壳(101)的顶部保持在相同平面上。
6.根据权利要求2所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述电流接收盘接线端子(108)一端与电流接收盘(103)固定连接，另一端与电缆线(109)连接，所述电缆线(109)与外部的测量电路连通，形成电流通路。
7.根据权利要求2所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述保护壳(101)采用无磁不锈钢。
8.根据权利要求2所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述电流接收片(102)材料采用二次电子发射率低的材料钼或钨。
9.根据权利要求2所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述绝缘筒(104)和绝缘平垫(106)的材料采用氧化铝陶瓷。
10.根据权利要求2所述的一种法拉第探针，其特征在于，所述绝缘T型垫(105)和绝缘压板(107)的材料采用聚四氟乙烯。
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