一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及空屯、阴极领域。
【背景技术】
[0002] 空屯、阴极是一种电子源，广泛应用与空间电推进技术、等离子体加工技术等领域。 空屯、阴极一般使用惰性气体作为工质，通过电能电离工质在空屯、阴极内腔形成等离子体环 境。当外界电势较高时，就可从空屯、阴极内部拉出电子。节流孔是空屯、阴极的关键部件，可 W增加阴极内压，减少气体流量需求。在空屯、阴极设计和性能研究中，孔区的等离子体参数 非常重要。因此测量孔区等离子密度是研究空屯、阴极的关键技术之一。
[0003] 传统的测量等离子体密度方法是探针法：在所关屯、的等离子体区布置朗缪尔探 针，外加扫描电压测量探针电流。获得当地的I-V曲线，从而求解等离子体密度。由于空屯、阴 极孔区的尺寸在毫米量级，探针大小不可能做的太小。布置在孔区的探针会影响空屯、阴极 放电，干扰等离子体参数测量。另外还有光学法测量等离子体密度，但是对于电推进空屯、阴 极来说，当尺寸处于零点几个毫米时，受尺寸限制，仍无法测得准确等离子体密度数据。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决传统空屯、阴极孔区等离子测量方法受空屯、阴极孔区尺寸影响导 致测量精度低的问题，提出了一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法。
[0005] -种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法包括W下步骤：
[0006] 步骤一、根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系；
[0007] 步骤二、让阴极正常工作，测量空屯、阴极工作参数，根据步骤一获得的等离子体密 度与阴极气压之间的关系获得孔区等离子体密度。
[000引有益效果:本发明提出的空屯、阴极等离子体密度测量方法根据等离子体对空屯、阴 极的节流效应，对泊肃叶流体可压缩流体的长管流动理论关系式增加重离子分压系数，根 据等离子体密度对节流效果的影响，利用阴极气压间接计算孔区等离子体密度。该方法计 算过程非常简单，不受空屯、阴极孔区尺寸影响，利用间接手段测量了不能直接得到的参数， 同时还保证了非常高的测量精度。
【附图说明】
[0009] 图1为【具体实施方式】一所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法的 流程图；
[0010] 图2为空屯、阴极测试系统的原理示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0011] 一、结合图1说明本，本所述的一种测量 空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法包括W下步骤：
[0012] 步骤一、根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系；
[0013] 步骤二、让阴极正常工作，测量空屯、阴极工作参数，根据步骤一获得的等离子体密 度与阴极气压之间的关系获得孔区等离子体密度。
[0014] 本实施方式提出的空屯、阴极等离子体密度测量方法根据等离子体对空屯、阴极的 节流效应，对泊肃叶流体可压缩流体的长管流动理论关系式增加重粒子分压系数。根据等 离子体密度对节流效果的影响，利用阴极气压间接计算孔区等离子体密度。
【具体实施方式】 [0015] 二、本与一所述的一种测量空屯、阴极节 流孔区等离子体密度的方法的区别在于，所述步骤一所述的根据流体理论获得等离子体密 度与阴极气压之间的关系的具体过程为：
[0016] 根据泊肃叶流体可压缩流体的长管流动理论，增加电子压力修正系数ke，则重离 子分压在总压力中所占比例为:ke = nkT/(nkT+nekTe)，其中，n为重离子密度，包括中性气体 和电离产生的阳离子，k为玻尔兹曼常数，T为重离子溫度，ne为等离子体密度，Te为电子溫 度，单位为K;
[0017]等离子体环境下，总压力由重离子分压和电子分压构成，即：P =址T+nekTe ;
[001引则等离子体密度
[0019] 本实施方式中，电子溫度通常选取为17400K。
[0020] 【具体实施方式】=、本【具体实施方式】与【具体实施方式】二所述的一种测量空屯、阴极节 流孔区等离子体密度的方法的区别在于，所述电子压力修正系数ke采用下述公式获得：
[0022] 其中，Io表示参考放电电流，I表示实测放电电流，Qo表示参考流量，Q表示实测流 量，do表示参考孔径，d表示实测孔径，Io表示参考孔长，1表示实测孔长，To为参考溫度，T为 重粒子溫度。
[0023] 本实施方式中，重粒子溫度可根据经验进行选取，对于直径较大的孔，如0.5mmW 上，假定4A时约3000K，12A时则增加到约4000K，增长为线性的；对于0.35mm孔，则假定4A时 约4000K，随电流的增加而有同样幅度的增加。
【具体实施方式】 [0024] 四、本与=所述的一种测量空屯、阴极节 流孔区等离子体密度的方法的区别在于，空屯、阴极气流孔的实测直径为实测长 度为 0.5mm-2.5mm。
【具体实施方式】 [0025] 五、本与=所述的一种测量空屯、阴极节 流孔区等离子体密度的方法的区别在于，阴极供气实测流量为2sccm-20sccm。
【具体实施方式】 [0026] 六、本与=所述的一种测量空屯、阴极节 流孔区等离子体密度的方法的区别在于，实测放电电流为2A-15A。
【具体实施方式】 [0027] 屯、本与一所述的一种测量空屯、阴极节 流孔区等离子体密度的方法的区别在于，在阴极供气管路内布置电离规测量供气管内靠近 阴极尾部的气压。
[0028]
【具体实施方式】八、本【具体实施方式】与【具体实施方式】屯所述的一种测量空屯、阴极节 流孔区等离子体密度的方法的区别在于，所述测量供气管内靠近阴极尾部的气压的测压点 位于气流孔上方IOcm-IOOcm处。
[0029] 从阴极结构可W看出，节流孔的尺寸最小，在运里有几何尺寸产生的结构节流效 应。而空屯、阴极工作时节流孔溫度超过l〇〇〇°C，由于高溫会带来热节流效果。节流孔区的气 体密度非常大，当地的电离速率很大，等离子体密度是整个空屯、阴极中最高的地方。运样又 会带来等离子附加的节流效果。综合W上效应，节流孔区的节流效应非常明显，阴极上游气 压几乎相同，主要的气压将位于孔区。因此，测压电位于节流孔上游。
【具体实施方式】 [0030] 九、本与一所述的一种测量空屯、阴极节 流孔区等离子体密度的方法的区别在于，采用气压计测量空屯、阴极供气管近阴极入口部的 气压。
[0031] 根据图2搭建空屯、阴极测试系统，然后让空屯、阴极在所需流量下工作，测量空屯、阴 极的工作气压，同时利用本发明所述的方法，将实测数据代入，从而求得空区等离子体密 度。经过测量，供气流量为Ssccm，放电电流为IOA，孔长为1mm，孔径0.5mm;测得阴极气压 12000Pa，重离子溫度为3750K，从而求得电子压力修正系数ke = 0.1516，等离子体密度ne = 4.5Xl〇2^/cm3。
【主权项】
1. 一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在于，它包括W下步骤： 步骤一、根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系； 步骤二、让阴极正常工作，测量空屯、阴极工作参数，根据步骤一获得的等离子体密度与 阴极气压之间的关系获得孔区等离子体密度。2. 根据权利要求1所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在 于，所述步骤一所述的根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系的具体过程 为： 根据泊肃叶流体可压缩流体的长管流动理论，增加电子压力修正系数ke，则重离子分压 在总压力中所占比例为:ke = nkT/(nkT+nekTe)，其中，η为重离子密度，包括中性气体和电离 产生的阳离子，k为玻尔兹曼常数，Τ为重离子溫度，ne为等离子体密度，Te为电子溫度，单位 为K; 等离子体环境下，总压力由重离子分压和电子分压构成，即：P = nkT+nekTe; 则等离子体密度3. 根据权利要求2所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在 于，所述电子压力修正系数ke采用下述公式获得：其中，1〇表示参考放电电流，I表示实测放电电流，Qo表示参考流量，Q表示实测流量，do 表示参考孔径，d表示实测孔径，1〇表示参考孔长，1表示实测孔长，To为参考溫度，T为重粒子 溫度。4. 根据权利要求3所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在 于，空屯、阴极气流孔的实测直径为0.，实测长度为0.5mm-2.5mm。5. 根据权利要求3所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在 于，阴极供气实测流量为2sccm-20sccm。6. 根据权利要求3所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在 于，实测放电电流为2 A-15 A。7. 根据权利要求1所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在 于，在阴极供气管路内布置电离规测量供气管内靠近阴极尾部的气压。8. 根据权利要求7所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在 于，所述测量供气管内靠近阴极尾部的气压的测压点位于气流孔上方lOcm-lOOcm处。9. 根据权利要求1所述的一种测量空屯、阴极节流孔区等离子体密度的方法，其特征在 于，采用气压计测量空屯、阴极供气管近阴极入口部的气压。
【专利摘要】一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法，涉及空心阴极领域。解决了传统空心阴极孔区等离子测量方法受空心阴极孔区尺寸影响导致测量精度低的问题。本发明所述的一种测量空心阴极节流孔区等离子体密度的方法包括以下步骤：步骤一、根据流体理论获得等离子体密度与阴极气压之间的关系；步骤二、让阴极正常工作，测量空心阴极工作参数，根据步骤一获得的等离子体密度与阴极气压之间的关系获得孔区等离子体密度。该方法计算过程非常简单，不受空心阴极孔区尺寸影响，利用间接手段测量了不能直接得到的参数，同时还保证了非常高的测量精度。
【IPC分类】H05H1/00
【公开号】CN105578696
【申请号】CN201510981045
【发明人】宁中喜, 张海广, 安秉健, 王亚楠, 刘晨光, 于达仁
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月23日