深空电推进阻滞势分析仪探测方法研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:颜则东

  随着人类对外太空环境认识的不断深入,电推进已成为通向未知空间领域的重要技术途径。空间电推进对航天器防护结构、能源系统、敏感有效载荷系统均产生不同影响。介绍了基于阻滞势分析仪的电推进等离子体参数探测方法,通过阻滞势分析仪研制和相应的地面模拟实验,计算得到了推力器40cm处的粒子能量、离子密度和离子温度等参数,相关研究为我国电推进航天器的深空应用和发展提供技术参考。

0、引言

  阻滞势分析仪(RetardingPotentialAnalyzer,RPA)是一种用于探测低能带电粒子的仪器,主要功能是分析小于100eV的离子能量。而深空电推进系统产生的空间等离子体环境中,离子能量一般小于100eV。电推进带电离子羽流环境严重改变航天器周围的等离子体环境,造成诸如卫星表面带电、沉积污染、干扰力矩、电磁干扰等一系列效应。从20世纪60年代开始发展阻滞势分析仪技术,将其广泛应用于空间等离子体探测领域。美国在空间和地面上的各种等离子体实验中应用阻滞势分析仪探测空间离子的能量分布,如在轨地球物理观测卫星系列、气象探索卫星,海盗号火星探测器、先锋号金星探测器,极轨环境卫星系统等,都采用了阻滞势分析仪及相关的探测技术。

  总之,阻滞势分析仪无论在空间环境科学探测领域,还是在航天工程应用领域都有广泛的应用价值。针对深空电推进系统返流区域离子,开展了离子能量、离子速度和离子温度探讨,设计了一种四层“汉堡包冶结构的阻滞势分析仪,试验分析电推力器返流区域的离子能量分布及参数状况。

1、阻滞势分析仪的结构原理

  阻滞势分析仪的基本结构是一个汉堡包微弱电流收集结构,内部包含入口栅极、初级电子阻挡栅极、离子能量扫描栅极和二次电子阻挡栅极等四层栅网电极,达到对带电粒子阻滞分析的测量目的,收集极收集离子电流。阻滞势分析仪结构如图1所示。

阻滞势分析仪结构图

图1 阻滞势分析仪结构图

1.外壳;2.入口栅极;3.初级电子阻栏栅极;4.离子能量扫描栅极;5.二次电子阻挡栅极;6.收集极;7.电流收集测试

  (1)入口栅极

  入口栅极将阻滞势分析仪内部与外部空间隔离开来。通过入口栅极后,等离子体密度将由空间等离子体密度变成阻滞势分析仪内部等离子体密度。对于阻滞势分析仪,由于存在空间电荷效应,因而对进入阻滞势分析仪内部的等离子体密度有限制;当被测等离子体密度较高时,可采用双层入口栅极结构大幅度降低等离子体密度。

  (2)初级电子阻挡栅极

  初级电子阻挡栅极施加特定负偏置电压,可排斥掉所有返流区等离子体中的电子,通过该栅后,进入阻滞势分析仪后的粒子均为离子。

  (3)离子扫描栅极

  给离子扫描栅极施加可变正偏置电压,实现有选择性地过滤离子。对于给定的栅极势,只有能荷比(E/q)大于栅极电压的离子才能通过该栅到达收集极。

  (4)二次电子阻挡栅极

  要用于阻挡来源于离子与收集极之间碰撞产生的二次发射电子。阻滞势分析仪通过给栅网上施加电压,滤除电子和低于特定能量的离子;收集大于特定能量的离子电流。为了减小对被测等离子体的干扰,入口栅处于悬浮状态;初级电子阻挡栅处于负偏置状态以阻止电子通过;离子扫描栅通过扫描电源使其处于正偏置状态,可以有效阻滞能量小于偏置电势的离子,使得只有能量大于偏置电势的离子通过,从而达到筛选离子的目的;二次电子阻挡栅极处于比收集极电势低的负偏置状态,这样可以使得离子和收集极表面碰撞产生的二次电子回到收集极,消除二次电子电流带来的干扰。

4、结论

  设计了阻滞势分析器,利用该设备对推力器返流区的离子能量分布进行了实验研究,研究了距推力器束流平面出口中心位置40cm处,推力器正常实验状态下的离子能量参数分布、离子密度和温度等,得如下结论:

  (1)阻滞势分析仪测试曲线与理论曲线趋势一致;测试后认为推力器返流区离子主要为电荷交换碰撞产生的低能量离子,离子能量小于10eV;

  (2)经阻滞势分析仪测试,与束流中心相比推力器返流区离子密度非常低,在105个/立方厘米量级,离子温度在104K量级。

  (3)经试验验证,阻滞势分析器设计满足深空环境卫星返流区等离子体能量、离子密度及温度的测试需求,再适当设计改进后,可飞行搭载,获取卫星在轨数据。

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