一種用於離子推力器測量的法拉第探針的製作方法
2023-06-16 01:49:16 1
一種用於離子推力器測量的法拉第探針的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種用於離子推力器測量的法拉第探針，使用接觸式測量方法對離子推力器羽流等離子體進行測量。包括：鎢表面、收集器、保護環、內外陶瓷墊片；具體連接關係為：保護環的內部安有收集器以及鎢表面，鎢表面與收集器過盈配合套接；內外陶瓷墊片固定卡在收集器和保護環之間；使得保護環與收集器及鎢表面之間產生間隙；通過螺母固定外陶瓷墊片產生軸向的拉緊力，固定了整個法拉第探針。保護環加-30V偏置電壓阻擋非軸向離子，收集器加-30V偏置電壓採集離子電流，通過採集到的離子電流，經過分析計算得出離子推力器羽流的電流密度和離子數濃度。
【專利說明】一種用於離子推力器測量的法拉第探針
【技術領域】
[0001]本發明屬於電推進等離子體測量領域，涉及一種用於離子推力器測量的法拉第探針。
【背景技術】
[0002]電推進是一類利用電能直接加熱推進劑或利用電磁作用電離加速推進劑以獲得推進動力的先進推進方式，具有較高的比衝、推力和效率，在大型太空飛行器的軌道控制、深空探測和星際航行等空間任務中有廣闊的應用前景。
[0003]離子推進器，又稱離子發動機，其原理是先將氣體電離，將電能和氙氣轉化為帶正電荷的高速離子流，然後用電場力將帶電的離子加速後噴出，以其反作用力推動火箭。
[0004]離子推力器為靜電式電推力器的一種，目前已被廣泛應用於衛星以及深空探測器的主推進系統。
[0005]對離子推力器的羽流等離子體進行相關參數的測量對於提高優化發動機設計、提高發動機性能具有重要意義。法拉第探針是測量等離子體電流密度和離子數密度的基本測試手段之一，屬於接觸式測量方法，擁有測量原理簡單，引起誤差因素少，可使用探針陣列系統進行測量等優點，目前還沒有專門針對離子推力器羽流的電子溫度和離子數密度設計的法拉第探針。
【發明內容】
[0006]針對上述問題，本發明的目的在於設計一種使用接觸式測量方法對離子推力器束流等離子體進行測量的法拉第探針，測量離子推力器羽流的電流密度和離子數密度。
[0007]法拉第探針整體為圓柱形結構，置於離子推力器羽流中用於收集離子；安裝在探針架上，與採樣電阻和偏置電源形成電路迴路；
[0008]所述的法拉第探針包括:鎢表面、收集器、保護環、內陶瓷墊片、外陶瓷墊片和M2螺母；具體連接關係為:保護環位於法拉第探針最外環，設有凸臺，便於安裝在探針架上；保護環的內部安有收集器以及鎢表面，鎢表面安裝在收集器的頭部凸臺上，鎢表面的沉孔與收集器頭部凸臺過盈配合套接；收集器頭部下方連接杆部，通過內陶瓷墊片卡在收集器頭部凸臺和保護環凸臺之間，固定了保護環和收集器；使得保護環與收集器及鎢表面之間產生間隙；用於保護環在電壓作用下排斥羽流中的電子和吸收非軸向的羽流中的離子，從而使得鎢表面收集羽流中的離子，形成離子電流；
[0009]收集器杆部下方穿過保護環尾部，通過外陶瓷墊片卡與收集器杆部與保護環之間；起到了定位和確保收集器與保護環絕緣的作用；通過M2螺母固定外陶瓷墊片，擰緊螺母，收集器與螺母之間產生軸向的拉緊力，固定了整個法拉第探針。
[0010]保護環與收集器及鎢表面之間產生間隙的計算如下:
[0011]針對離子推力器的羽流特性，典型的離子推力器羽流等離子體環境中電子密度為:ne = 1015m3 ;電子溫度 Te 範圍為:Te = leV-5eV,
[0012]德拜長度計算公式:
【權利要求】
1.一種用於離子推力器測量的法拉第探針，其特徵在於:包括鎢表面、收集器、保護環、內陶瓷墊片、外陶瓷墊片和M2螺母；具體連接關係為:保護環位於法拉第探針最外環，設有凸臺；保護環的內部安有收集器以及鎢表面，鎢表面採用鎢材料加工的中心帶有沉孔的圓形墊片，過盈配合套接在收集器的頭部，收集器頭部設有凸臺由上下兩個圓柱體組成，收集器頭部下方連接杆部，通過內陶瓷墊片卡在收集器和保護環凸臺之間進行固定；使得保護環與收集器及鎢表面之間產生間隙；收集器杆部穿過保護環尾部，通過外陶瓷墊片卡於保護環之間； 法拉第探針具體安裝如下:法拉第探針與探針架垂直安裝；前陶瓷絕緣子與後陶瓷絕緣墊片分別位於探針架的兩側固定，並將前陶瓷絕緣子卡在保護環的凸臺與探針架之間；將後陶瓷絕緣墊片卡在M8螺母與探針架之間，將法拉第探針固定於探針架上； 法拉第探針的測試電路包括法拉第探針，採樣電阻、偏置電源和數據採集儀； 法拉第探針通過連接偏置電源，同時串聯採樣電阻形成迴路；數據採集儀並聯採樣電阻。
2.根據權利要求1所述的一種用於離子推力器測量的法拉第探針，其特徵在於:保護環與收集器及鎢表面之間產生間隙的計算如下: 針對離子推力器的羽流特性，典型的離子推力器羽流等離子體環境中電子密度為:ne = 1015m3 ;電子溫度範圍為 Te:Te = leV-5eV, 德拜長度計算公式:
Xn = 7.4 X13 I—
η 所以收集器和保護環之間的間隙1:1 = ηλΒ 其中，η為等離子體鞘層厚度中德拜長度的個數。
3.根據權利要求1所述的一種用於離子推力器測量的法拉第探針，其特徵在於:偏置電源提供-30V的偏置電壓，同時負極接地。
4.根據權利要求1所述的一種用於離子推力器測量的法拉第探針，其特徵在於:法拉第探針的測試電路具體工作過程:收集器前端裝配的鎢表面排斥電子收集離子，在收集器和採樣電阻到負極接地的迴路中形成離子電流，並在採樣電阻兩端產生電壓；在採樣電阻兩端並聯數據採集儀，用來採集採樣電阻兩端的電壓值。
5.根據權利要求1所述的一種用於離子推力器測量的法拉第探針，其特徵在於:鎢表面、收集器、保護環、內陶瓷墊片和外陶瓷墊片同軸心。
6.應用權利要求1所述的用於離子推力器測量的法拉第探針的使用方法，其特徵在於:包括以下步驟: 1)離子推力器噴射等離子體，形成羽流； 2)偏置電源提供-30V的偏置電壓，鎢表面和保護環在電壓作用下排斥羽流中的電子； 3)鎢表面採集羽流中的離子，形成離子電流； 4)保護環屏蔽非軸向的羽流中的離子，使鎢表面收集面積為表面圓面； 5)鎢表面採集的離子電流大小經過採樣電阻後，在採樣電阻兩端形成電壓，數據採集儀採集採樣電阻的電壓值； 6)計算電壓值除去採樣電阻的阻值得到鎢表面採集的離子電流大小； 7)通過離子電流大小計算羽流的電流密度和離子數密度； 離子推力器羽流的電流密度j:
其中V是採樣電阻兩端的電壓；R是採樣電阻的阻值;AP是鎢表面圓的面積； 離子推力器的離子速度Vb可由柵網電壓計算得到:
其中Θ為元電子電荷量，為離子推力器的柵極加速電壓，Hii為氙離子質量； 離子推力器羽流的離子數密度Ni:
【文檔編號】H05H1/00GK104202894SQ201410364999
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】湯海濱, 章喆, 張尊, 徐宇傑 申請人:北京航空航天大學