用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针

本发明涉及一种用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，属于航天电推进领域。

背景技术：

1、空间电推进技术因比冲相比化学推进高一个数量级，能够显著减少航天器的工质携带质量和增加航天器有效载荷，是当前及未来10年内航天飞行器发展的主要方向之一。随着低轨卫星组网、深空探测和空间站等任务的不断开展，电推进航天器在轨应用数量也越来越多。目前，据统计，离子推力器和霍尔推力器是应用范围最广、应用数量最多的两类电推进技术，

2、对于这两类技术说，空心阴极是共有的关键必须部件，其性能直接影响电推进系统的性能好坏。

3、对于空心阴极，节流孔是一个缺乏实验研究的关键区域。节流孔区电流密度大，超过聚变电流密度，会产生较强的自伴生磁场，其量级大约在50-80gs，其作用于等离子体，电子的回旋半径在mm量级，其尺寸与节流孔尺寸相当，能够直接影响电子运动；同时在节流孔内存在电离过程、节流过程、等离子体加热过程和流动转换等物理过程，这些物理过程作用机制复杂、耦合交织，决定着等离子体的产生、输运和阴极的内部工作状态，进而决定了空心阴极的工作性能。但由于尺寸太小，目前没有实验研究手段，只能依赖于仿真模拟对节流孔做些定性的探讨研究；这导致对于节流孔的研究缺乏实验数据支撑，同时数据的缺乏使得对于节流孔内的一些物理过程认识尚浅，无法有效解释节流孔内的一些现象，诸如实验中节流孔气压值与理论计算不符，孔区热过程与仿真计算差别大等现象，因此急需拓展手段来获取携带节流孔内部相关信息的实验数据。

4、借助空心阴极节流孔内电流密度大，会产生很强的自伴生磁场这一特点，可以将该自伴生磁场作为信使信号，将其作为一个突破口，监测孔内电流密度涨落，从频谱分布反推各频段对应不同物理过程的强度，进而描述孔内物理过程。获取的这些信息可服务于空心阴极设计，仿真模拟校验，阴极测试状态表征等一系列目的，能有效推动阴极的优化和更新迭代。

5、对于等离子体来说，磁场测量并不是一个新问题。历史上的mirnov线圈和tmr传感器已经用于聚变、箍缩等一些列等离子体的自伴生磁场测量。但在电推进阴极上存在以下特殊情况，限制了它们的使用：

6、1)空心阴极产生的自伴生磁场相比聚变箍缩等离子体产生磁场较弱，单匝mirnov线圈产生的电压信号过小，很容易被淹没在噪声信号中，单匝mirnov线圈无法提供足够的信噪比；

7、2)由于空心阴极在启动过程中存在加热和空心阴极工作状态下阴极前段温度较高，触持极表面温度可超过400度，这个温度大大超出半导体传感器的温度使用极限，这使得tmr传感器无法应用于空心阴极的磁场测量；

8、3)空心阴极整体尺寸较小，节流孔的尺寸在亚毫米上，而由节流孔区内产生的自伴磁场随距离衰减较快，衰减距离在厘米量级；为了能够准确测量节流孔区产生磁场的空间分布，这就要求探测器整体尺寸在毫米量级上，以确保磁场测量中具有良好的空间分辨率；

9、这些特殊情况导致了mirnov线圈和tmr传感器无法直接应用到空心阴极的磁场测量，在空心阴极诊断中缺乏自伴磁场诊断的有效手段，进而导致对于节流孔的研究多集中在定性讨论的仿真模拟上，无法做到实验和模拟相结合深入准确的研究节流孔内部的物理过程。

技术实现思路

1、针对现有线圈和传感器无法探测节流孔内部自伴生磁场的问题，本发明提供一种用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针。

2、本发明的一种用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，包括线圈、骨架和保护层；所述线圈缠绕在骨架上，保护层包裹在骨架和线圈的外表面，线圈接线端伸出，且在伸出口处做电磁屏蔽；所述线圈的匝数n根据磁探针需要探测到的电动势ε确定：

3、

4、其中，j表示虚部，μ为相对磁导率，μ0为真空磁导率，i0表示长直导线中变化电流的幅值，f表示节流孔区的电流密度的频率，r为磁探针距离节流孔轴线的距离，s为磁探针的有效面积；

5、骨架采用耐热且硬度大的绝缘材料；

6、保护层采用隔热、透波和防静电干扰的材料；

7、所述磁探针的尺寸为毫米量级。

8、作为优选，线圈的直径在毫米量级，线圈直径为2mm。

9、作为优选，空心阴极采用额定电流为2a的阴极，该阴极和磁探针的距离范围在1-3cm。

10、作为优选，空心阴极和磁探针的距离为2cm。

11、作为优选，线圈工作电压范围在mv量级以上。

12、作为优选，线圈工作电压范围在mv量级以上，线圈的匝数n的范围为200匝～250匝。

13、作为优选，所述线圈由具有耐热特性且适合于电推进工作环境的导线制成。

14、作为优选，所述骨架为空心陶瓷管或硬化玻璃管。

15、作为优选，利用亥姆霍兹产生的标准磁场对所述磁探针进行校准，测量其误差特性。

16、本发明还提供一种用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的测量系统，包括示波器和上述磁探针，示波器的信号输入端通过同轴导线与磁探针的线圈接线端连接。

17、本发明的有益效果，本发明采用小直径的多线圈磁探针，使得磁探针的整体尺寸限制在了毫米量级，来实现对电推进电推进空心阴极孔区自伴生磁场的测量；本发明采用耐热硬度大的材料和耐高温的透波材料分别作为空心支撑架、保护层，克服了阴极工作环境温度高和等离子体对测量的干扰等不利因素；本发明通过对空心阴极孔区自伴生磁场的非接触式测量，来监测和评价孔区内部的物理过程，加快空心阴极的设计迭代。

技术特征：

1.用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，包括线圈、骨架和保护层；所述线圈缠绕在骨架上，保护层包裹在骨架和线圈的外表面，线圈接线端伸出，且在伸出口处做电磁屏蔽；所述线圈的匝数n根据磁探针需要探测到的电动势ε确定：

2.根据权利要求1所述的用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，所述线圈的直径在毫米量级，线圈直径为2mm。

3.根据权利要求1所述的用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，空心阴极采用额定电流为2a的阴极，该阴极和磁探针的距离范围在1-3cm。

4.根据权利要求3所述的用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，空心阴极和磁探针的距离为2cm。

5.根据权利要求1所述的用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，线圈工作电压范围在mv量级以上。

6.根据权利要求5所述的用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，线圈工作电压范围在mv量级以上，线圈的匝数n的范围为200匝～250匝。

7.根据权利要求1所述的用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，所述线圈由具有耐热特性且适合于电推进工作环境的导线制成。

8.根据权利要求1所述的用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，所述骨架为空心陶瓷管或硬化玻璃管。

9.根据权利要求1所述的用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，其特征在于，利用亥姆霍兹产生的标准磁场对所述磁探针进行校准，测量其误差特性。

10.用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的测量系统，其特征在于，包括示波器和权利要求1至9任一所述的磁探针，示波器的信号输入端通过同轴导线与磁探针的线圈接线端连接。

技术总结
用于监测空心阴极节流孔内自伴磁场的磁探针，解决了现有线圈和传感器无法探测节流孔内部自伴生磁场的问题，属于航天电推进领域。本发明包括线圈、骨架和保护层；线圈缠绕在骨架上，保护层包裹在骨架和线圈的外表面，线圈接线端伸出，且在伸出口处做电磁屏蔽；线圈的匝数N根据磁探针需要探测到的电动势ε确定：骨架采用耐热且硬度大的绝缘材料；保护层采用隔热、透波和防静电干扰的材料；磁探针的尺寸为毫米量级。本发明采用小直径的多线圈磁探针，使得磁探针的整体尺寸限制在了毫米量级，来实现对电推进电推进空心阴极孔区自伴生磁场的测量。

技术研发人员：孟天航,王佰胜,宁中喜,于达仁
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22