一種電推力器空心陰極腐蝕產物的光學監測系統的製作方法

2024-03-25 01:05:05

本發明屬於航天儀器領域，具體涉及對電推力器中空心陰極腐蝕產物進行實時定性和定量分析的光學監測技術。

背景技術：

電推力器包括霍爾推力器和離子推力器，空心陰極是霍爾推力器和離子推力器的核心部件，空心陰極產生電子對推進劑進行電離並中和羽流。空心陰極的壽命決定了整個系統的可靠性，對空心陰極腐蝕產物和腐蝕速度的實時監測至關重要。

空心陰極羽流區均為低溫等離子體，主要成分為推進劑成分xe或kr和腐蝕產物硼、鑭、鎢、鉭、鋇、鉬。腐蝕產物的發射光譜波長範圍落在紫外和可見光段。羽流區中xe或kr是主要成分，攜帶的腐蝕產物含量較少，腐蝕產物的譜線相比於推進劑譜線強度較弱。空心陰極放電的不穩定性導致羽流區波動，繼而羽流等離子區發射光譜不恆定。綜合上述原因，腐蝕產物的光譜測量難度較大，為了實現對腐蝕產物光譜的實時測量需要系統快速的採集光譜，同時具有高靈敏度和大的可測量動態範圍。

技術實現要素：

本發明的目的是為了滿足電推力器空心陰極腐蝕產物的監測需求，從而提供一種電推力器空心陰極腐蝕產物的光學監測系統。

本發明所述的一種電推力器空心陰極腐蝕產物的光學監測系統，包括窄帶幹涉濾波片陣列、光纖陣列模塊、光電倍增管陣列、多通道時間門控計數器和高壓電源；

窄帶幹涉濾波片陣列面向羽流區，羽流區輻射光經窄帶幹涉濾波片陣列濾波後入射至光纖陣列模塊，窄帶幹涉濾波片陣列包括多個窄帶幹涉濾波片，光纖陣列模塊包括多根光纖，多根光纖的入射端與多個窄帶幹涉濾波片一一對應，光電倍增管陣列包括多個光電倍增管，多根光纖出射的光分別入射至多個光電倍增管的光信號接收端，多通道時間門控計數器的多個通道分別對多個光電倍增管的電信號進行計數；高壓電源用於為光電倍增管陣列供電。

優選的是，所述窄帶幹涉濾波片陣列包括6個窄帶幹涉濾波片。

優選的是，還包括溫度控制模塊，溫度控制模塊用於使光電倍增管陣列保持在恆定的溫度。

本發明的光學監測系統同時具有高靈敏度和高時間分辨能力，時間分辨能力能夠達到5ns，可以測量的腐蝕產物濃度(即腐蝕產物在工作氣體中的密度比例)可以低至1ppm(百萬分之一)，而且可測量的光譜動態範圍(即能測量的最強和最弱的光強的比)可以高達6個數量級，可用於採集微弱的快速變化且不重複的光譜信號，系統中大部分元件外置到真空罐外，可以快速、非接觸地獲得陰極的腐蝕產物信息。

附圖說明

圖1是具體實施方式一所述的一種電推力器空心陰極腐蝕產物的光學監測系統的結構示意圖；

圖2是具體實施方式一中的光纖陣列模塊的輻射光入口端的橫截面示意圖；

圖3是具體實施方式一中的光纖陣列模塊的輻射光出口端的橫截面示意圖；

圖4是具體實施方式一中的窄帶幹涉濾波片陣列的結構示意圖；

圖5是具體實施方式一中的光電倍增管陣列的示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1至圖5具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種電推力器空心陰極腐蝕產物的光學監測系統，包括窄帶幹涉濾波片陣列10、光纖陣列模塊20、光電倍增管陣列30、多通道時間門控計數器40和高壓電源50；

窄帶幹涉濾波片陣列10面向羽流區，羽流區輻射光經窄帶幹涉濾波片陣列10濾波後入射至光纖陣列模塊20，窄帶幹涉濾波片陣列10包括多個窄帶幹涉濾波片，光纖陣列模塊20包括多根光纖，多根光纖的入射端與多個窄帶幹涉濾波片一一對應，光電倍增管陣列30包括多個光電倍增管，多根光纖出射的光分別入射至多個光電倍增管的光信號接收端，多通道時間門控計數器40的多個通道分別對多個光電倍增管的電信號進行計數；高壓電源50用於為光電倍增管陣列30供電。

光譜分析技術的不斷發展和應用對空心陰極的腐蝕產物監測提供了一種可行途徑，本實施方式採用光譜分析技術。

空心陰極工作在真空罐內，測量設備內置，元件易受到等離子體轟擊腐蝕破壞其靈敏度，如果將設備外置輻射光通過真空罐觀察玻璃時會受到幹擾，導致測量結果的偏差。本實施方式中只需將直接接收輻射光的窄帶幹涉濾波片陣列10置於真空罐中即可。

圖1中s為羽流區。每根光纖入口處設有一個透射特定波長的幹涉濾波片，特定波長的波段選擇依據羽流區中夾帶的腐蝕產物的發射波長而定。多根光纖收集傳遞不同波長的單色光，光纖另一端出射的光分別入射至光電倍增管陣列30的多個光電倍增管，這樣就可以將每個窄帶幹涉濾波片收集到特定波長的輻射光通過光纖傳遞給光電倍增管。多通道時間門控計數器40與多個光電倍增管30電連接使得本系統具有納秒級的信息採集和分析速度。單通道計數器只能實現光電流模擬信號的採集，而用多通道時間門控計數器能實現的數位訊號的光子計數模式，其靈敏度要高得多。

光學監測系統的工作過程為：窄帶幹涉濾波片陣列10受到光源照射，每個窄帶幹涉濾波片得到特定腐蝕產物的輻射光，光纖陣列20中的每根光纖收集特定波長的輻射光。每根光纖分別連接不同光電倍增管將不同波長的光譜信號傳遞至不同的光電倍增管，一個光電倍增管對應一種腐蝕產物，通過多通道時間門控計數器40得到多種腐蝕產物的光譜信息。從而獲得腐蝕產物類型、各類型腐蝕產物的生成速度等信息。

採用質譜儀對腐蝕產物進行測量，無法實現實時監測，而且質譜儀的時間分辨能力只是μs量級，可以測量的腐蝕產物濃度只能低至千分之，光可測量的光譜動態範圍僅為3個數量級。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的種電推力器空心陰極腐蝕產物的光學監測系統作進一步說明，本實施方式中，所述窄帶幹涉濾波片陣列10包括6個窄帶幹涉濾波片。

空心陰極的主要腐蝕產物為硼、鑭、鎢、鉭、鋇、鉬，其對應的波長分別為249nm、392nm、400nm、271nm、253nm、313nm。因此採用6個獨立的光路就能對完成空心陰極的主要腐蝕產物的測量。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一或二所述的種電推力器空心陰極腐蝕產物的光學監測系統作進一步說明，本實施方式中，還包括溫度控制模塊60，溫度控制模塊60用於使光電倍增管陣列30保持在恆定的溫度。

溫度控制模塊60用於在進行光譜測量時將光電倍增管陣列維持在恆定的低溫環境，從而消除溫度對光電倍增管陣列30的影響，提高測量的精度和可靠性。

對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。