离子推力器放电室等离子体电势诊断方案研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理所 作者:吴先明

  放电室是离子推力器核心部件,目前国内尚未开展离子推力器的等离子体参数诊断工作。应用发射探针诊断离子推力器放电等离子体的参数,介绍了发射探针诊断等离子体电势的原理,发射探针诊断离子推力器放电室等离子体的方案及探针系统的组成。说明了数据处理方法和探针诊断的影响因素。

  引言

  离子推力器放电室等离子体参数诊断具有重要意义,稳态下放电室内的等离子体分布决定着推力器性能的许多重要方面,而等离子体的运动是在电磁场共同作用下的结果,因此掌握放电室内的电势分布有助于加深对放电过程的理解,实测数据还用作数值模型的输入,实验诊断数据是对各种数值模型和分析模型的重要检验。

  放电室等离子体参数诊断包括非接触式测量和接触式测量法,如LIF(激光诱导荧光)技术、静电探针诊断技术等。国外开展相关的实验研究工作较早也较成熟,如Sengupta等为了研究不同的磁路结构对推力器性能的影响,在NSTAR样机上开展了一系列的实验诊断工作,Herman 等针对NEXT型离子推力器开展了离子推力器放电室等离子电势发射探针诊断工作。国内尚未开展离子推力器放电室等离子体参数诊断工作,随着国内电推进技术的发展,开展相关的实验诊断工作已提到议事日程。文章主要介绍了放电室等离子体参数发射探针诊断的原理、系统组成及数据处理和误差分析等几部分内容。

  1、发射探针电势诊断原理

  悬浮发射探针工作原理简单,能够对当地等离子体电势进行直接测量,而不需要进行偏置电压扫描或者分析大量数据。悬浮发射探针相关理论相对成熟。其主要工作原理为将探针灯丝插入等离子体中,然后向灯丝施加电流,当灯丝温度上升,电子自灯丝热发射出来。在理论上,当灯丝加热充分时,发射的电子基本上能够中和探针头周围的鞘层,从而允许探针悬浮于当地的等离子体电势。事实上,对于强发射的悬浮探针,因为过量发出的接近探针表面的慢速电子,空间电荷的限制产生了双鞘层,如图1所示。双鞘层作用使热发射电子反射回探针表面,一些麦克斯韦等离子体电子返回等离子体。高能麦克斯韦尾部电子能够到达探针。考虑到两种电子分布不同的能量比例,最大的发射流不足以补偿收集流,因为等离子体电子具有高得多的速度。

  子体电势进行直接测量,而不需要进行偏置电压扫描或者分析大量数据。悬浮发射探针相关理论相对成熟。其主要工作原理为将探针灯丝插入等离子体中,然后向灯丝施加电流,当灯丝温度上升,电子自灯丝热发射出来。在理论上,当灯丝加热充分时,发射的电子基本上能够中和探针头周围的鞘层,从而允许探针悬浮于当地的等离子体电势。事实上,对于强发射的悬浮探针,因为过量发出的接近探针表面的慢速电子,空间电荷的限制产生了双鞘层,如图1所示。双鞘层作用使热发射电子反射回探针表面,一些麦克斯韦等离子体电子返回等离子体。高能麦克斯韦尾部电子能够到达探针。考虑到两种电子分布不同的能量比例,最大的发射流不足以补偿收集流,因为等离子体电子具有高得多的速度。

包围发射探针的双鞘层中的电势分布示意图

图1 包围发射探针的双鞘层中的电势分布示意图

1. 鞘层区域;2. 预鞘层区域;3. 等离子体电子势垒~Te/e;4. 发射电子势垒

  3.3、悬浮探针误差分析

  3.3.1、模型误差

  模型误差主要来自空间电荷效应。发射探针是一个加热至发射状态的电极,所以用作诊断时必然也会在探针周围形成热发射鞘层,直接影响着诊断的准确性,探针理论上称之为空间电荷效应,会使诊断的电位小于当地实际等离子体电位,发射探针测量给出的误差为Te/e 的几分之一量级。通过降低探针发射强度外推可以减弱空间电荷的影响,从而得到更为准确的诊断结果。

  3.3.2、电子误差

  电子误差包含电路噪声。对于整个电路,通过使用高压SHV同轴电缆噪声可尽可能降低,在放电室内外都是这样。隔离的输入端对于所有元件允许有共同的接地点,从而消除了整个接地环中的噪声。当探针和dc 电源悬浮于高电位时,非理想的悬浮电源引入了至地的漏电流。可评估的漏电流结果是探针悬浮于小于真实的等离子体电势。

  另外,利用加热电流通过灯丝进行等离子体电势的测量导致跨过灯丝的电压下降。该电压降落增加了测量值的不确定度。漏电流和电压降对总的等离子体电势测量的绝对大小的移动有贡献,导致相对电势测量不受影响。

4、结论

  对于离子推力器的研制,放电室等离子体参数诊断是一项重要的工作。目前国内还没有开展相关的研究。通过离子推力器放电室等离子体电势诊断方案,介绍了发射探针诊断等离子体电势的原理,对于诊断必须采用的高速探针诊断系统进行了较详细的介绍。分析了磁场对电势诊断的影响以及诊断误差等。为开展离子推力器的等离子体电势诊断提供参考,对于离子推力器的研制以及性能的改进具有一定的意义。

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