一种用于离子推力器测量的法拉第探针的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于离子推力器测量的法拉第探针，使用接触式测量方法对离子推力器羽流等离子体进行测量。包括：钨表面、收集器、保护环、内外陶瓷垫片；具体连接关系为：保护环的内部安有收集器以及钨表面，钨表面与收集器过盈配合套接；内外陶瓷垫片固定卡在收集器和保护环之间；使得保护环与收集器及钨表面之间产生间隙；通过螺母固定外陶瓷垫片产生轴向的拉紧力，固定了整个法拉第探针。保护环加-30V偏置电压阻挡非轴向离子，收集器加-30V偏置电压采集离子电流，通过采集到的离子电流，经过分析计算得出离子推力器羽流的电流密度和离子数浓度。
【专利说明】一种用于离子推力器测量的法拉第探针
【技术领域】
[0001]本发明属于电推进等离子体测量领域，涉及一种用于离子推力器测量的法拉第探针。
【背景技术】
[0002]电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。
[0003]离子推进器，又称离子发动机，其原理是先将气体电离，将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流，然后用电场力将带电的离子加速后喷出，以其反作用力推动火箭。
[0004]离子推力器为静电式电推力器的一种，目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进系统。
[0005]对离子推力器的羽流等离子体进行相关参数的测量对于提高优化发动机设计、提高发动机性能具有重要意义。法拉第探针是测量等离子体电流密度和离子数密度的基本测试手段之一，属于接触式测量方法，拥有测量原理简单，引起误差因素少，可使用探针阵列系统进行测量等优点，目前还没有专门针对离子推力器羽流的电子温度和离子数密度设计的法拉第探针。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明的目的在于设计一种使用接触式测量方法对离子推力器束流等离子体进行测量的法拉第探针，测量离子推力器羽流的电流密度和离子数密度。
[0007]法拉第探针整体为圆柱形结构，置于离子推力器羽流中用于收集离子；安装在探针架上，与采样电阻和偏置电源形成电路回路；
[0008]所述的法拉第探针包括:钨表面、收集器、保护环、内陶瓷垫片、外陶瓷垫片和M2螺母；具体连接关系为:保护环位于法拉第探针最外环，设有凸台，便于安装在探针架上；保护环的内部安有收集器以及钨表面，钨表面安装在收集器的头部凸台上，钨表面的沉孔与收集器头部凸台过盈配合套接；收集器头部下方连接杆部，通过内陶瓷垫片卡在收集器头部凸台和保护环凸台之间，固定了保护环和收集器；使得保护环与收集器及钨表面之间产生间隙；用于保护环在电压作用下排斥羽流中的电子和吸收非轴向的羽流中的离子，从而使得钨表面收集羽流中的离子，形成离子电流；
[0009]收集器杆部下方穿过保护环尾部，通过外陶瓷垫片卡与收集器杆部与保护环之间；起到了定位和确保收集器与保护环绝缘的作用；通过M2螺母固定外陶瓷垫片，拧紧螺母，收集器与螺母之间产生轴向的拉紧力，固定了整个法拉第探针。
[0010]保护环与收集器及钨表面之间产生间隙的计算如下:
[0011]针对离子推力器的羽流特性，典型的离子推力器羽流等离子体环境中电子密度为:ne = 1015m3 ;电子温度 Te 范围为:Te = leV-5eV,
[0012]德拜长度计算公式:
【权利要求】
1.一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于:包括钨表面、收集器、保护环、内陶瓷垫片、外陶瓷垫片和M2螺母；具体连接关系为:保护环位于法拉第探针最外环，设有凸台；保护环的内部安有收集器以及钨表面，钨表面采用钨材料加工的中心带有沉孔的圆形垫片，过盈配合套接在收集器的头部，收集器头部设有凸台由上下两个圆柱体组成，收集器头部下方连接杆部，通过内陶瓷垫片卡在收集器和保护环凸台之间进行固定；使得保护环与收集器及钨表面之间产生间隙；收集器杆部穿过保护环尾部，通过外陶瓷垫片卡于保护环之间； 法拉第探针具体安装如下:法拉第探针与探针架垂直安装；前陶瓷绝缘子与后陶瓷绝缘垫片分别位于探针架的两侧固定，并将前陶瓷绝缘子卡在保护环的凸台与探针架之间；将后陶瓷绝缘垫片卡在M8螺母与探针架之间，将法拉第探针固定于探针架上； 法拉第探针的测试电路包括法拉第探针，采样电阻、偏置电源和数据采集仪； 法拉第探针通过连接偏置电源，同时串联采样电阻形成回路；数据采集仪并联采样电阻。
2.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于:保护环与收集器及钨表面之间产生间隙的计算如下: 针对离子推力器的羽流特性，典型的离子推力器羽流等离子体环境中电子密度为:ne = 1015m3 ;电子温度范围为 Te:Te = leV-5eV, 德拜长度计算公式:
Xn = 7.4 X13 I—
η 所以收集器和保护环之间的间隙1:1 = ηλΒ 其中，η为等离子体鞘层厚度中德拜长度的个数。
3.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于:偏置电源提供-30V的偏置电压，同时负极接地。
4.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于:法拉第探针的测试电路具体工作过程:收集器前端装配的钨表面排斥电子收集离子，在收集器和采样电阻到负极接地的回路中形成离子电流，并在采样电阻两端产生电压；在采样电阻两端并联数据采集仪，用来采集采样电阻两端的电压值。
5.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于:钨表面、收集器、保护环、内陶瓷垫片和外陶瓷垫片同轴心。
6.应用权利要求1所述的用于离子推力器测量的法拉第探针的使用方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)离子推力器喷射等离子体，形成羽流； 2)偏置电源提供-30V的偏置电压，钨表面和保护环在电压作用下排斥羽流中的电子； 3)钨表面采集羽流中的离子，形成离子电流； 4)保护环屏蔽非轴向的羽流中的离子，使钨表面收集面积为表面圆面； 5)钨表面采集的离子电流大小经过采样电阻后，在采样电阻两端形成电压，数据采集仪采集采样电阻的电压值； 6)计算电压值除去采样电阻的阻值得到钨表面采集的离子电流大小； 7)通过离子电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度； 离子推力器羽流的电流密度j:
其中V是采样电阻两端的电压；R是采样电阻的阻值;AP是钨表面圆的面积； 离子推力器的离子速度Vb可由栅网电压计算得到:
其中Θ为元电子电荷量，为离子推力器的栅极加速电压，Hii为氙离子质量； 离子推力器羽流的离子数密度Ni:
【文档编号】H05H1/00GK104202894SQ201410364999
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】汤海滨, 章喆, 张尊, 徐宇杰 申请人:北京航空航天大学