離子推力器放電室等離子體電勢診斷方案研究

吳先明，張?zhí)炱?，王亮，孫明明

（蘭州空間技術(shù)物理所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

離子推力器放電室等離子體電勢診斷方案研究

吳先明，張?zhí)炱?，王亮，孫明明

（蘭州空間技術(shù)物理所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

放電室是離子推力器核心部件，目前國內(nèi)尚未開展離子推力器的等離子體參數(shù)診斷工作。應(yīng)用發(fā)射探針診斷離子推力器放電等離子體的參數(shù)，介紹了發(fā)射探針診斷等離子體電勢的原理，發(fā)射探針診斷離子推力器放電室等離子體的方案及探針系統(tǒng)的組成。說明了數(shù)據(jù)處理方法和探針診斷的影響因素。

離子推力器；放電室；等離子體電勢；發(fā)射探針；定位系統(tǒng)

0 引言

離子推力器放電室等離子體參數(shù)診斷具有重要意義，穩(wěn)態(tài)下放電室內(nèi)的等離子體分布決定著推力器性能的許多重要方面，而等離子體的運(yùn)動(dòng)是在電磁場共同作用下的結(jié)果，因此掌握放電室內(nèi)的電勢分布有助于加深對(duì)放電過程的理解，實(shí)測數(shù)據(jù)還用作數(shù)值模型的輸入，實(shí)驗(yàn)診斷數(shù)據(jù)是對(duì)各種數(shù)值模型和分析模型的重要檢驗(yàn)。

放電室等離子體參數(shù)診斷包括非接觸式測量和接觸式測量法，如LIF（激光誘導(dǎo)熒光）技術(shù)[1-2]、靜電探針診斷技術(shù)等[3-4]。國外開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究工作較早也較成熟，如Sengupta等[5-6]為了研究不同的磁路結(jié)構(gòu)對(duì)推力器性能的影響，在NSTAR樣機(jī)上開展了一系列的實(shí)驗(yàn)診斷工作，Herman等針對(duì)NEXT型離子推力器開展了離子推力器放電室等離子電勢發(fā)射探針診斷工作。國內(nèi)尚未開展離子推力器放電室等離子體參數(shù)診斷工作，隨著國內(nèi)電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)診斷工作已提到議事日程。文章主要介紹了放電室等離子體參數(shù)發(fā)射探針診斷的原理、系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理和誤差分析等幾部分內(nèi)容。

1 發(fā)射探針電勢診斷原理

懸浮發(fā)射探針工作原理簡單，能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)氐入x子體電勢進(jìn)行直接測量，而不需要進(jìn)行偏置電壓掃描或者分析大量數(shù)據(jù)。懸浮發(fā)射探針相關(guān)理論相對(duì)成熟[7-9]。其主要工作原理為將探針燈絲插入等離子體中，然后向燈絲施加電流，當(dāng)燈絲溫度上升，電子自燈絲熱發(fā)射出來。在理論上，當(dāng)燈絲加熱充分時(shí)，發(fā)射的電子基本上能夠中和探針頭周圍的鞘層，從而允許探針懸浮于當(dāng)?shù)氐牡入x子體電勢。事實(shí)上，對(duì)于強(qiáng)發(fā)射的懸浮探針，因?yàn)檫^量發(fā)出的接近探針表面的慢速電子，空間電荷的限制產(chǎn)生了雙鞘層，如圖1所示。雙鞘層作用使熱發(fā)射電子反射回探針表面，一些麥克斯韋等離子體電子返回等離子體。高能麥克斯韋尾部電子能夠到達(dá)探針?？紤]到兩種電子分布不同的能量比例，最大的發(fā)射流不足以補(bǔ)償收集流，因?yàn)榈入x子體電子具有高得多的速度。

圖1 包圍發(fā)射探針的雙鞘層中的電勢分布示意圖

包圍發(fā)射探針的結(jié)構(gòu)可以分為預(yù)鞘層和收集鞘層區(qū)域。預(yù)鞘層為平均自由程的量級(jí)，而收集鞘層為德拜長度量級(jí)。對(duì)于發(fā)射的電子，勢壘的大小為Tw/e，這里的Tw是燈絲溫度。阻止等離子體電子到達(dá)探針的勢壘為Te/e的量級(jí)。結(jié)果發(fā)射探針將懸浮于電勢（Te-Tw）/e，小于真實(shí)的等離子體電勢。由于Te?Tw，（Te-Tw）/e，可近似為Te/e。正離子的出現(xiàn)有助于去除空間電荷，將懸浮探針電勢與等離子體電勢之間的差別減小至Te的幾分之一。

實(shí)際測量過程中，通常使用“拐點(diǎn)法”[10]確定探針?biāo)幬恢玫碾娢恢担摲椒ㄖ恍鑼?duì)發(fā)射探針的U-I特性曲線求導(dǎo)得到拐點(diǎn)，如圖2所示，通過外推空間電位的方法可以減小空間電荷的影響。

圖2 發(fā)射探針特性曲線及微分曲線

2 診斷系統(tǒng)方案

發(fā)射探針診斷系統(tǒng)主要由探針系統(tǒng)和高速定位系統(tǒng)構(gòu)成。利用發(fā)射探針診斷放電室等離子體電位需要將探針伸入至放電室內(nèi)部。因此需要在推力器試驗(yàn)樣機(jī)的側(cè)壁上開若干個(gè)孔，孔的個(gè)數(shù)視診斷范圍而定，如圖3中AB、CD及EF段。也可以在陽極壁上開細(xì)槽，槽的非探針位置封住，這樣探針診斷在軸向也可以具有較高的空間分辨率。高速探針定位系統(tǒng)與推力器的位置關(guān)系如圖4所示。定位系統(tǒng)的伸桿與y軸平行，推力器的軸線與χ軸平行。發(fā)射探針安裝在伸桿的末端，高速探針定位系統(tǒng)可沿著χ軸方向通過滾珠絲杠往返運(yùn)動(dòng)，行程視診斷區(qū)域定。伸桿長度的選擇使得發(fā)射探針的診斷區(qū)域能夠達(dá)到推力器的軸線。探針通過孔進(jìn)入放電室內(nèi)待診斷位置。對(duì)于每個(gè)軸向位置（一個(gè)小孔對(duì)應(yīng)的位置），通常使探針自軸線位置徑向掃描，每個(gè)掃描位置由探針定位系統(tǒng)確定。

圖3 探針在推力器內(nèi)布局示意圖

圖4 推力器與高速探針定位系統(tǒng)位置關(guān)系示意圖

2.1 探針系統(tǒng)

2.1.1 發(fā)射探針探頭

探針頭主要是探針的發(fā)射部分，圖5所示為典型的發(fā)射探針探頭及其尺寸，發(fā)射部分為細(xì)的鎢絲，鎢絲熔點(diǎn)高、不易熔化，而且鎢絲在探針定位系統(tǒng)較大的加速力下具有較強(qiáng)的耐受力。鎢絲彎成環(huán)形，固定于氧化鋁陶瓷管，設(shè)計(jì)氧化鋁陶瓷管是為了盡量減小探針對(duì)所診斷等離子體的擾動(dòng)。銅導(dǎo)線的使用是為了降低閉合回路的阻抗，從而降低了與之相關(guān)的電壓降。

圖5 典型的發(fā)射探頭及相關(guān)尺寸示意圖

2.1.2 發(fā)射探針電路

發(fā)射探針電路（如圖6所示）采用dc電源提供足夠的電流以加熱燈絲，隔離變壓器將電源與地隔離，兩臺(tái)隔離放大器記錄發(fā)射探針電勢和跨過燈絲的電壓降。探針在徑向離散的軸向位置掃描。對(duì)于每次掃描，記錄探針位置、探針懸浮電勢（等離子體電勢）和燈絲電壓。

圖6 發(fā)射探針電路示意圖

2.2 高速探針定位系統(tǒng)

對(duì)于發(fā)射探針診斷系統(tǒng)而言，高速探針定位系統(tǒng)的作用是快速而精確地將探針移動(dòng)至放電室內(nèi)的相應(yīng)位置，并快速撤離，這樣盡可能減小探針對(duì)放電室等離子體的干擾以及減輕對(duì)探針的毀壞。

對(duì)于高速探針定位器的應(yīng)用在其他的領(lǐng)域已有很多年，通常使用氣動(dòng)系統(tǒng)，研究Tokamaks中的邊緣效應(yīng)[11]。這種類型的作動(dòng)器對(duì)于研究離子推力器來說不可行，這是由于需要將推力器置于盡量遠(yuǎn)離真空室器壁的地方，以最小化來自濺射材料和背景氣體的污染。由于對(duì)推力器位置的限制，作動(dòng)器需要置于真空室內(nèi)，這樣排除了氣動(dòng)系統(tǒng)的使用。第二個(gè)可能的替代性方法是傳統(tǒng)的履帶/滑輪或者絲杠系統(tǒng)，不能提供必要的加速度和速度，因而也不能使用。最佳的選擇是直線電機(jī)組件，能夠提供很高的速度和加速度。直線電機(jī)選擇3相無刷dc伺服電機(jī)，在一組直線軌道上運(yùn)動(dòng)。僅有的接觸存在于運(yùn)動(dòng)部件與導(dǎo)軌之間，這樣阻尼很小。電機(jī)使用正弦整流，線性編碼器以對(duì)于很光滑的運(yùn)動(dòng)提供位置反饋。線性編碼器能夠提供很高的定位分辨率（如5 μm），數(shù)字無刷伺服驅(qū)動(dòng)電路（如Pacific Sci-entific SC950）用于控制電機(jī)，該電路則通過一臺(tái)PC機(jī)經(jīng)由串行電纜控制。工作臺(tái)用不銹鋼或者石墨外殼進(jìn)行保護(hù)，使其不受高能離子的直接影響以及保護(hù)電機(jī)不至于過熱，電機(jī)過熱會(huì)導(dǎo)致其性能的下降。在工作臺(tái)一側(cè)有一道細(xì)縫，細(xì)縫長度與工作臺(tái)長度相當(dāng)，探針桿通過其伸出。圖7所示為高速探針定位系統(tǒng)示意圖。高速探針定位系統(tǒng)主要包括直線電機(jī)、保護(hù)外殼、導(dǎo)軌和靜電探針?biāo)档募?xì)桿等部件。

圖7 高速探針定位系統(tǒng)示意圖

3 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

3.1 懸浮發(fā)射探針數(shù)據(jù)獲取

圖8 發(fā)射探針懸浮電勢和位置作為時(shí)間的函數(shù)

3.2 磁場對(duì)診斷的影響

大的磁場和密度梯度的出現(xiàn)會(huì)增加與空間電荷限制發(fā)射相關(guān)的問題。在磁化等離子體中，發(fā)射的電子傾向于沿著磁場運(yùn)動(dòng)，而不是自探針向各個(gè)方向擴(kuò)展，這就增加了發(fā)射探針電勢和實(shí)際的當(dāng)?shù)氐入x子體電勢的不一致。另外，由于磁場造成的空間電荷對(duì)測量結(jié)果的影響可以通過改變探針尺寸即燈絲的直徑而避免。鎢絲直徑比電子的回轉(zhuǎn)半徑小得多。Hershkowitz的研究顯示，下面的關(guān)系滿足時(shí)，磁場的影響可忽略[12]：

式中：Tev為電子溫度，eV；d為發(fā)射燈絲直徑，mm；B為磁場，G。

對(duì)于典型的推力器工作條件以及圖5所示鎢絲直徑，可得到B?0.65 T。通常對(duì)于推力器而言，在陰極出口平面處的磁場強(qiáng)度為0.1 T的量級(jí)，隨著距離放電陰極組件（DCA）出口平面的軸向和徑向距離的增加而下降。在離子推力器的放電室內(nèi)進(jìn)行診斷，磁場的影響對(duì)發(fā)射探針測量結(jié)果的影響可忽略。

3.3 懸浮探針誤差分析

3.3.1 模型誤差

模型誤差主要來自空間電荷效應(yīng)。發(fā)射探針是一個(gè)加熱至發(fā)射狀態(tài)的電極，所以用作診斷時(shí)必然也會(huì)在探針周圍形成熱發(fā)射鞘層，直接影響著診斷的準(zhǔn)確性，探針理論上稱之為空間電荷效應(yīng)，會(huì)使診斷的電位小于當(dāng)?shù)貙?shí)際等離子體電位，發(fā)射探針測量給出的誤差為Te/e的幾分之一量級(jí)[13]。通過降低探針發(fā)射強(qiáng)度外推可以減弱空間電荷的影響，從而得到更為準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

3.3.2 電子誤差

電子誤差包含電路噪聲。對(duì)于整個(gè)電路，通過使用高壓SHV同軸電纜噪聲可盡可能降低，在放電室內(nèi)外都是這樣。隔離的輸入端對(duì)于所有元件允許有共同的接地點(diǎn)，從而消除了整個(gè)接地環(huán)中的噪聲。當(dāng)探針和dc電源懸浮于高電位時(shí)，非理想的懸浮電源引入了至地的漏電流?？稍u(píng)估的漏電流結(jié)果是探針懸浮于小于真實(shí)的等離子體電勢。

另外，利用加熱電流通過燈絲進(jìn)行等離子體電勢的測量導(dǎo)致跨過燈絲的電壓下降。該電壓降落增加了測量值的不確定度。漏電流和電壓降對(duì)總的等離子體電勢測量的絕對(duì)大小的移動(dòng)有貢獻(xiàn)，導(dǎo)致相對(duì)電勢測量不受影響。

4 結(jié)論

對(duì)于離子推力器的研制，放電室等離子體參數(shù)診斷是一項(xiàng)重要的工作。目前國內(nèi)還沒有開展相關(guān)的研究。通過離子推力器放電室等離子體電勢診斷方案，介紹了發(fā)射探針診斷等離子體電勢的原理，對(duì)于診斷必須采用的高速探針診斷系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。分析了磁場對(duì)電勢診斷的影響以及診斷誤差等。為開展離子推力器的等離子體電勢診斷提供參考，對(duì)于離子推力器的研制以及性能的改進(jìn)具有一定的意義。

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STUDY ON THE DIAGNOSIS OF THE PLASMA POTENTIAL INSIDE THE ION THRUSTER

WU Xian-ming，ZHANG Tian-ping，WANG Liang，SUN Ming-ming
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，LanzhouGansu730000，China）

The discharge chamber is the most important component of the ion thruster，currently，the work of diagnosing of the plasma inside the discharge chamber has not been carried out.In this paper，the application of emissive probe in diagnosis the plasma inside the discharge chamber is introduced.The principle of diagnosing the plasma potential using the emissive probe，the diagnostic scheme and the composition of the emissive probe system are mainly introduced.The data processing method and the factors which effect diagnosing accuracy are demonstrated.

ion thruster；discharge chamber；plasma potential；emissive probe；positioning system

V43文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1006-7086（2014）06-0352-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.011

2014-09-22

真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金：9140c550206130c5503

吳先明（1980-），男，江蘇揚(yáng)中人，工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)榭臻g電推進(jìn)技術(shù)與物理。

E-mail：wxm0511@163.com