一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪，属于电推进等离子体测量领域，具体包括：外壳、陶瓷绝缘套筒、不同厚度的陶瓷垫片、高透过率栅网、铜垫片、收集器、聚四氟乙烯垫片，压紧垫片和外壳座；陶瓷绝缘套筒卡在外壳内部，同时具有相同外径的：不同厚度的陶瓷垫片、高透过率栅网、铜垫片、收集器、聚四氟乙烯垫片和压紧垫片卡在陶瓷绝缘套筒内部，且采用间隙配合方式安装；通过外壳座和螺钉压紧固定整个仪器。在高透过率栅网之间采用多个不同厚度的陶瓷垫片，保证了准确设计间距和绝缘性。高透过率栅网的设计采用了均布的六边形微孔，透过率高达73.6％，在保证离子穿过的情况下，拥有更好的电场均匀性和力学性能。
【专利说明】一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪
【技术领域】
[0001] 本发明属于电推进等离子体测量领域，具体是一种用于离子推力器测量的阻滞能 量分析仪。
【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。
[0004] 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。阻滞能量分析仪（RetardingPotentialAnalyzer)，简 称RPA，是测量等离子体能量分布的基本测试手段之一，属于接触式测量方法，拥有测量精 度高，筛选离子能力强等优势，目前还没有专门针对离子推力器羽流的羽流区设计的高能 RPA0
【发明内容】
[0005] 本发明针对离子推力器羽流区的高能离子能量范围大，能量高，能量分布百分比 等参数无法测量的问题，提出了一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪，测量离子推 力器羽流的离子能量分布。
[0006] 本发明所述的用于离子推力器羽流测量的阻滞能量分析仪，整体为凸型结构，包 括：外壳、陶瓷绝缘套筒、四组栅网组、收集器、聚四氟乙烯垫片，压紧垫片和外壳座；
[0007] 外壳固定在外壳座上，外壳采用圆柱型套筒，套筒顶部端面开有通孔，作为等离子 体的入口；外壳底部开有2个通孔，用于固连外壳座；外壳座底部开有3个穿导线的穿线孔 和2个连接其他部件的螺母通孔。
[0008] 陶瓷绝缘套筒卡在外壳内部并且两者同轴，陶瓷绝缘套筒采用内部中空的圆柱 形，外壳内径孔与陶瓷绝缘套筒外径相同且间隙配合，陶瓷绝缘套筒顶部端面开有通孔；陶 瓷绝缘套筒和外壳顶部端面的通孔同轴。
[0009] 卡在陶瓷绝缘套筒内部的是具有相同外径的：四组栅网组、收集器、聚四氟乙烯垫 片和压紧垫片，与陶瓷绝缘套筒都采用间隙配合方式安装。
[0010] 四组栅网组卡在陶瓷绝缘套筒内部；其中第一组栅网组包括两个陶瓷垫片与一个 高透过率栅网；第二组栅网组包括铜垫片，陶瓷垫片和高透过率栅网各一个，第三组栅网组 包括铜垫片和高透过率栅网各一个，第四组包括两个陶瓷垫片和一个高透过率栅网；第一 组栅网组到第四组栅网组由顶部至底部依次设置，具体为：
[0011] 第一组栅网组内由顶部至底部顺序为陶瓷垫片，高透过率栅网，陶瓷垫片，第二组 栅网组内由顶部至底部顺序为铜垫片，高透过率栅网，陶瓷垫片；第三组栅网组内由顶部至 底部顺序为高透过率栅网，铜垫片，第四组栅网组内由顶部至底部顺序为陶瓷垫片，高透过 率栅网，陶瓷垫片；
[0012] 收集器同样卡在陶瓷绝缘套筒内部，位于第四组栅网组底部，采用圆形片，距离圆 心外围开有2个对称通孔，用于穿过RPA内部的导线，铜垫片后压在收集器底部，后面紧压 聚四氟乙烯垫片和压紧垫片；
[0013] 所述的四组栅网组中，陶瓷垫片与铜垫片均为具有中心孔的圆环结构，且采用不 同厚度；陶瓷垫片用于定位高透过率栅网之间的距离，同时起到绝缘作用；
[0014] 第二组栅网组中的铜垫片、高透过率栅网、陶瓷垫片，第一组栅网中的陶瓷垫片， 第三组栅网中的高透过率栅网、铜垫片，第四组栅网组中的陶瓷垫片、高透过率栅网、陶瓷 垫片，以及收集器与后压在收集器底部的铜垫片、聚四氟乙烯垫片和压紧垫片上，均开有同 轴的穿线孔A，形成穿线通道A;
[0015] 第三组栅网组中的铜垫片，第四组栅网组中的陶瓷垫片、高透过率栅网、陶瓷垫 片，以及收集器与后压在收集器底部的铜垫片、聚四氟乙烯垫片和压紧垫片上，均开有同轴 的穿线孔B，形成穿线通道B;所述穿线通道A与穿线通道B位置对称；
[0016] 所述高透过率栅网为不锈钢材料的圆片，宽0. 05_，厚度为0. 1_，高透过率栅网 上开有2个关于圆心对称的通孔；圆片中心直径IOmm范围内刻蚀出均匀分布的六边形微孔 形成栅网，用于筛选不同能量的离子。六边形微孔边长为0. 175mm，任意两个六边形微孔之 间的间距为0. 05mm。
[0017] 网孔设计具体计算如下：
【权利要求】
1. 一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪，其特征在于：整体为凸型结构，包括： 外壳、陶瓷绝缘套筒、四组栅网组、收集器和外壳座； 外壳固定在外壳座上，外壳顶部端面开有通孔；外壳座底部开有3个穿导线的穿线孔； 陶瓷绝缘套筒卡在外壳内部，顶部端面开有通孔；陶瓷绝缘套筒和外壳顶部端面的通孔同 轴； 四组栅网组卡在陶瓷绝缘套筒内部；其中第一组栅网组包括两个陶瓷垫片与一个高透 过率栅网；第二组栅网组包括铜垫片，陶瓷垫片和高透过率栅网各一个，第三组栅网组包括 铜垫片和高透过率栅网各一个，第四组包括两个陶瓷垫片和一个高透过率栅网；第一组栅 网组到第四组栅网组由顶部至底部依次设置，具体为： 第一组栅网组内由顶部至底部顺序为陶瓷垫片，高透过率栅网，陶瓷垫片，第二组栅网 组内由顶部至底部顺序为铜垫片，高透过率栅网，陶瓷垫片；第三组栅网组内由顶部至底部 顺序为高透过率栅网，铜垫片，第四组栅网组内由顶部至底部顺序为陶瓷垫片，高透过率栅 网，陶瓷垫片； 所述的收集器同样卡在陶瓷绝缘套筒内部，位于第四组栅网组底部，铜垫片后压在收 集器底部； 所述的四组栅网组中，陶瓷垫片与铜垫片均为具有中心孔的圆环结构，且采用不同厚 度；陶瓷垫片用于定位高透过率栅网之间的距离，同时起到绝缘作用； 第二组栅网组中的铜垫片、高透过率栅网、陶瓷垫片，第三组栅网中的高透过率栅网、 铜垫片，第四组栅网组中的陶瓷垫片、高透过率栅网、陶瓷垫片，以及收集器与后压在收集 器底部的铜垫片上，开有同轴的穿线孔A，形成穿线通道A; 第三组栅网组中的铜垫片，第四组栅网组中的陶瓷垫片、高透过率栅网、陶瓷垫片，以 及收集器与后压在收集器底部的铜垫片上，还开有同轴的穿线孔B，形成穿线通道B;所述 穿线通道A与穿线通道B位置对称； 所述高透过率栅网上沿圆心周围刻蚀出均匀分布的六边形微孔形成栅网，用于筛选不 同能量的离子。
2. 根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪，其特征在于： 所述的阻滞能量分析仪还包括聚四氟乙烯垫片和压紧垫片；聚四氟乙烯垫片位于收集器底 部的铜垫片底部，压紧垫片位于聚四氟乙烯垫片底部，均开有2个对称通孔，分别连通穿线 通道A和穿线通道B，用于穿过内部的导线。
3. 根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪，其特征在于： 所述的四组栅网组与与陶瓷绝缘套筒内径采用间隙配合方式安装。
4. 根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪，其特征在于： 所述的导线具体穿线过程为： 第一条导线一端穿过穿线通道A与第二组栅网组中的铜垫片相连，另一端依次穿过第 二组栅网组中的高透过率栅网，陶瓷垫片，第三组栅网中的高透过率栅网，铜垫片，第四组 栅网中陶瓷垫片，高透过率栅网，陶瓷垫片；收集器，铜垫片，穿过外壳座上的通孔，通过接 线柱连接-30V的偏置电压； 第二条导线一端穿过穿线通道B与第三组栅网中的铜垫片相连，另一端依次穿过第四 组栅网组中的陶瓷垫片，高透过率栅网，陶瓷垫片；收集器，铜垫片上的通孔，穿过外壳座上 的通孔，通过接线柱连接o-l100V偏置电压； 第三条导线一端焊接在收集器后压的铜垫片上，穿过外壳座上的通孔，通过接线柱连 接皮安表，用于测量收集器上的电流。
5. 根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪，其特征在于： 所述的高透过率栅网上的六边形微孔设计如下：
ts为鞘层厚度，Xd为德拜长度，V为偏置电压，k为波尔茨曼常数，为电子温度，为 电子数密度。
6. 应用如权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的阻滞能量分析仪的工作方法， 其特征在于：具体过程如下： 离子推力器羽流经过外壳和陶瓷绝缘套筒的入口，进入陶瓷绝缘套筒，经过第一组高 透过率栅网采用的悬浮电位，不加电压，绝大多数电子和离子透过，减少等离子体的扰动； 第二组高透过率栅网加-30V偏置电压，排斥羽流中的电子，只剩离子；第三组高透过率栅 网加0-1100V偏置电压，有选择的排斥一些离子，筛选不同能量的离子；第四组高透过率栅 网采用悬浮电压，防止收集器上二次电子和光电子的发射；最后达到收集器上； 收集器上的电流为：
由此得到离子发动机羽流的离子能量分布关系。
【文档编号】G01M15/00GK104483132SQ201410532459
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】汤海滨, 章喆, 张尊 申请人:北京航空航天大学