一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统及清洗方法

本发明属于空间电推进和等离子体清洗领域，尤其是涉及一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统及清洗方法。

背景技术：

1、射频离子推力器是一种电推力器，用于空间电推进(或称航天等离子体推进)，具有比冲高、推力变化范围广、结构简单、技术成熟等优点，目前已被广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。

2、离子推力器在结构和原理上与离子源具有很高的相似性，是一种专用于空间电推进领域的离子源，其特点是使用由大量小孔组成栅网状结构的栅极系统加速排出离子以获得推力。双栅极离子推力器的栅极系统由屏栅和加速栅组成，离子经过屏栅后，大部分通过加速栅被排出推力器，小部分离子因过聚焦、欠聚焦等因素轰击到加速栅上，加速栅表面的金属粒子被溅射、反流至电离室内部，粒子与电离室内壁面相互作用，被壁面吸附，被吸附的粒子逐渐增多，依次形成岛状-网状-层状薄膜结构，此为栅极材料在电离室内壁面的沉积过程。

3、电离室内壁面沉积的薄膜与加速栅的材料相同，为导电材料(常见为钼、复合碳材料、不锈钢等)。随着薄膜厚度的增加，薄膜对于射频线圈的屏蔽效果逐渐增强，这将大大降低射频线圈效率，产生功率馈入难、推力器点火难和等离子体维持难的“三难”问题，影响推力器寿命。因此，需要开发一种射频离子推力器电离室内壁面的溅射清洗方式。

4、目前，尚未发现已公开射频离子推力器内壁面的清洗方式，但在等离子体溅射、基片表面溅射清洗等领域有类似的工艺：

5、1.霍尔离子源溅射清洗。预抽真空至5.0×10-3pa，温度升高至250℃，通入氩气，打开霍尔离子源产生氩离子束流，对基片进行离子束溅射清洗。通过控制真空度分别为0.5pa，0.1pa和0.05pa，分别产生400v，

6、800v和1200v的放电电压，随后依次进行不同放电电压下的离子束轰击。如图1所示，为不同放电电压下，被溅射清洗的基片的形貌变化，显然氩离子束流的清洗可以大幅降低基片材料的接触角，且接触角降低的幅度随放电电压升高而增大[1]。

7、2.基于离子推力器的材料表面处理。离子推力器具有加速电压易调节的优点，通过改变屏栅的电势，即可获得不同的加速电压。图2为典型的离子束清洗装置示意图，从上到下依次为离子源、栅极系统、钨丝阴极、离子束流和被清洗基片。典型的工况如下：栅极系统孔径2mm，栅间距0.3–1.2mm，加速电压400–2300v，束流电流100–500ma[2],[3]。

8、3.电容耦合式等离子清洗系统。容性耦合等离子体源具有结构简单、易产生等离子体、经济性好、实用性强等优点。典型的等离子体清洗流程如下：启动电源，启动真空泵，打开隔断阀，当真空度小于50pa时打开充气阀，调节流量，待压强稳定在30pa时打开射频电源，到达清洗时间后关闭射频电源。试验过程中发现，随着射频功率的增大，同等清洗时间下清洗效果逐渐优化；但清洗效果上限受到功率的制约，即低功率下达不到高功率下同样的清洗效果[4],[5]。

9、[1]钟利,但敏,沈丽如,金凡亚,陈美艳,刘彤,邓稚.霍尔源溅射清洗工艺对离子镀tin涂层结合性能的影响[j].真空,2020,57(06):5-10.

10、[2]wilbur p,buchholtz b.surface engineering using ion-thrustertechnology[c]//30th joint propulsion conference and exhibit.1994:3235.

11、[3]孙浩,白清顺,李玉海等.镀铝衍射光栅表面有机污染物的等离子体清洗技术[j].中国表面工程,2022,35(03):235-244.

12、[4]叶荣坤.低压射频等离子体生成及清洗效果研究[d].燕山大学,2021.

13、[5]柳国光,苗俊芳,胡文平等.射频等离子清洗系统设计[j].电子工业专用设备,2012,41(07):29-31.

14、目前，尚未发现已公开射频离子推力器内壁面的溅射清洗方式。在已有的技术中，霍尔离子源和离子推力器式清洗装置中的等离子体与被清洗表面不直接接触，等离子体经过加速后轰击被清洗面，实现材料表面的清洁；容性耦合式等离子清洗系统采用等离子体包裹被清洗面的方式，依靠等离子体与被清洗面间的鞘层加速，使离子冲击被清洗面，实现清洁效果。

15、现有技术的缺点和问题如下：

16、1.等离子体与被清洗面分离，此种方法无法实现电离室壁面的清洗。

17、2.若等离子体与被清洗面直接接触，离子仅依靠等离子体与被清洗表面的鞘层加速，无法调节加速电压，导致离子能量低，降低了清洗效率，影响了清洗效果。

18、3.当被清洗面为金属薄膜或合金薄膜时，需要较高的加速电压，才能实现良好的清洗效果，在现有的技术中无法实现加速电压的调节。

19、4.离子源往往只有产生等离子体的作用，功能单一。

20、综上，当前射频离子推力器电离室内壁面的溅射清洗方式存在空缺，具有较多缺点和问题，应当发展一种粒子加速电压可调、清洗效果好的溅射清洗方式。

技术实现思路

1、本发明的目的是：1、解决等离子体与被清洗面直接接触时，清洗效果差的问题。2、解决粒子加速电压无法直接调控的问题。3、解决离子源仅具有单一用途的问题，实现功能的可切换性。4、解决离子推力器长时间工作后功率馈入难、推力器点火难和等离子体维持难的问题。

2、为达上述目的，本发明提出了一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统及清洗方法，区别于现有的溅射清洗方式，本发明的特点是，电离室内壁面沉积有导电薄膜后，内壁面电势可调，因此粒子加速电压可调，优化了清洗效果，提高了清洗效率。

3、本发明的离子推力器电离室内壁面清洗系统示意图，如图5所示。由气体分配器1、电势控制线2、射频线圈3、电离室4、屏栅5、加速栅6、正直流电压源7、射频电源8、负直流电压源9、导电胶带10组成。

4、气体分配器1呈“t”形，其上有螺纹，与电离室4通过螺栓结构连接(未画出螺母)。电势控制线2为柔性导线，其穿过气体分配器1螺纹面，经过气体分配器1内部进入电离室4，通过导电胶带10与电离室4内壁面连接。屏栅5、加速栅6与电离室4同轴心，两者通过定位销定位；其中，屏栅5与电离室4的法兰直接接触，屏栅5与加速栅6之间相距1mm。射频线圈3为螺旋结构，共8匝，与电离室4同轴心，与电离室4外壁面相距3mm。正直流电压源7、射频电源8、负直流电压源9为外电路组件，其中，正直流电压源7与屏栅5和加速栅6连接，屏栅5施加600-2000v正直流电压，加速栅6接地，用于引出电离室4内的离子以产生推力；射频电源8及其匹配网络与射频线圈3连接，射频线圈3两端连接2.0mhz射频电源8，用于维持电离室4内工质气体的电感耦合放电；负直流电压源9与电势控制线2连接，电势控制线2连接0-60v负直流电压，用于改变电离室4内壁面导电薄膜的电势。

5、图6为本发明主要部分结构剖面图，包括气体分配器1、电势控制线2、电离室4和导电胶带10。气体分配器1与电离室2的底部相贴合，气体分配器1上有螺纹，使得气体分配器1与电离室4以螺栓结构相连接(图中未画出螺母)；电势控制线2穿过气体分配器1的螺纹面，由气体分配器1的内部伸入电离室4内，并用导电胶带10与电离室4内壁面连接。

6、图7为本发明主要部分结构轴测图，包括气体分配器1、电势控制线2、电离室4和导电胶带10，连接方式与图6相同。

7、本发明提出的一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗方法，包括如下步骤：

8、步骤一：射频离子推力器启动，电离室内形成等离子体，此时电离室壁面无导电薄膜。

9、步骤二：给屏栅施加正电压，离子被栅极系统引出，推力器进入工作状态。

10、步骤三：当导电薄膜较厚、功率馈入削弱时，可关闭正直流电源，推力器无离子引出，但电离室内等离子体依然维持。

11、步骤四：打开负直流电源，向电势控制线缓慢施加负电压离子撞击电离室内壁面的能量增加。

12、步骤五：电离室内壁面的导电薄膜在离子的轰击下，溅射出粒子，粒子呈中性，在中性粒子流的作用下被排出电离室外，实现电离室内壁面的清洗。

13、在工程实际中，加速栅一般采用钼或碳复合材料等耐溅射材料，进入电离室的被溅射粒子较少，导电薄膜沉积速度慢。在实验室研发过程初期，推力器迭代速度快，迭代次数多，采用钼或碳复合材料的经济成本过高，因此往往选择不锈钢、铝等成本低，但不耐溅射的材料。这就导致电离室内壁面易产生较厚的导电薄膜，制约单次试验的时间。受试验条件、试验人员体力等因素的限制，当生成较厚导电薄膜时，往往将推力器取出，用化学试剂清洗，并暂停试验。因此，本发明可以在使用非耐溅射材料的条件下，通过清洗电离室内表面导电薄膜，增加单次试验时间，减小了经济成本、时间成本。

14、目前国际上少有关于电离室内壁面沉积机理的研究，为填补这一空白，需要选用溅射产额高、沉积速度快的材料作为加速栅材料，使电离室内壁面迅速生成导电薄膜，以迅速得到薄膜的形成过程、明晰薄膜生成机理。某次试验后在电离室内壁面生成了导电薄膜，在未用试剂清洗的情况下，使用该电离室进行了等离子体密度测量的试验，该试验过程中栅极系统未工作，仅电离室内存在有等离子体。实验完成后，发现电离室内壁面的导电薄膜有变薄的现象，导电薄膜的电阻增大。

15、本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

16、1.本发明可以在不取出电离室的情况下，对电离室内壁面进行一定程度的清洗。

17、2.本发明可以通过减小导电薄膜厚度，增加射频线圈的馈入功率，提高推力器电效率。

18、3.本发明在提高线圈馈入功率的同时，提高了工质气体的电离率，增加了气体质量利用率。

19、4.本发明易于控制，操作简单，可通过调节负直流电源，调节电离室内壁面电势，改变粒子加速电压，调节清洗速率。

20、5.本发明使用范围广，只要沉积的薄膜导电，均可使用本发明清洗薄膜。

21、6.本发明结构简单，易于装配。

22、7.本发明有助于提高射频离子推力器整体性能。