CN104730066A - 一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断e×b探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，属于等离子体质谱诊断技术领域，主要应用于离子推力器与霍尔推力器近场羽流测量。包括：中心架、铁氧体永磁体、平板电极板、电极板固定座、准直管、漂移管、法拉第筒、碳钢壳体及防溅射隔热层。连接关系为：以中心架为核心部件，铁氧体永磁体分置于中心架上下表面，电极板固定于中心架内部，形成均匀正交电磁场区。探针使用六块碳钢壳体封装，探针壳体前端采用防溅射隔热层包覆。不锈钢准直管与漂移管通过轴孔配合固定于中心架两端中心。通过调节电极板间电压筛选不同价电离子，采用铝制法拉第筒采集一价与二价离子电流，通过分析计算得到近场羽流二价离子比例。

Description

一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针

技术领域

本发明属于等离子体质谱诊断技术领域，具体地说，是指一种利用维恩速度过滤器原理分离不同电荷数离子并使用法拉第筒进行离子电流收集的质谱仪器，在电推进研究中主要用于测量离子推力器与霍尔推力器近场羽流中二价离子比例。

背景技术

电推进是利用电能加热或电离推进剂加速工质，使其形成高速射流喷出而产生推力的一种推进方式。电推进的最大特点是小推力、高比冲、效率高和寿命长，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。

离子推力器与霍尔推力器是目前航天器上使用较广泛的动力装置，是航天器实现位置保持、姿态控制和轨道转移等功能所必需的核心部件。其具有比冲高、寿命长、能重复启动、推力小和控制精度高等优点，主要为同步轨道卫星的南北位置保持、低轨道卫星的阻力补偿、航天器的轨道转移和星际探测器提供动力。

离子推力器与霍尔推力器羽流等离子体中的离子主要是一价离子，同时存在一定比例的二价离子。由于经历的加速电压相同，二价离子的能量是一价离子的两倍，这种高能离子对航天器危害较大，一定程度上降低了推力器的推力、效率及寿命，同时会加剧航天器表面的溅射污染。因此，在离子推力器与霍尔推力器***研究中开展羽流二价离子比例的测量具有重要的意义。E×B探针是测量等离子体不同能量、质量或价电离子的有效手段之一，其测量原理简单，分辨率高。目前还没有专门针对离子推力器与霍尔推力器近场羽流二价离子测量的E×B探针。

发明内容

针对上述问题，本发明中提供了一种采用质谱诊断的方法对离子推力器与霍尔推力器近场羽流进行测量的E×B探针，测量获得推力器近场羽流的二价离子比例。

E×B探针主体为立方体结构，前端面安装有柱状准直管，后端面安装有漂移管及收集器，置于推力器近场羽流中用于收集不同电荷数离子。

所述E×B探针包括：中心架、铁氧体永磁体、平板电极板、电极板固定座、准直管、漂移管、法拉第筒、碳钢壳体及防溅射隔热层。具体连接关系为：以中心架为主要结构体，铁氧体永磁体分别置于中心架上下表面，电极板使用聚四氟乙烯固定座固定于中心架内部，探针使用六块碳钢壳体进行封装。不锈钢准直管与漂移管分别通过轴孔配合固定于中心架两端中心。准直管分为A、B两段，采用紧配合套接，并用法兰盘固定。漂移管与准直管结构类似，分为漂移管入口段与漂移管主体，同样采用紧配合与法兰盘连接方式进行连接紧固，漂移管主体与收集器保护套筒整体加工形成。探针收集器使用铝制法拉第筒进行信号收集，法拉第筒外套有聚四氟乙烯绝缘套筒，在法拉第筒底部连有螺纹杆，用于固定法拉第筒及连接信号线。探针壳体前端采用防溅射隔热层包覆，并用螺栓固定。

所述中心架为探针主要结构体，采用铝块一体加工而成，用于固定铁氧体永磁体、固定电极板、固定准直管与漂移管、固定碳钢壳体，电极板供电线从中心架端部小孔引出。中心架两端开有10mm通孔，具有较高的同轴度。

所述磁场采用两块150mm*100mm*25mm铁氧体永磁体形成，异性磁极相对，磁铁间距为40mm。准直管出口与漂移管入口伸入磁场中，距磁铁边缘8mm，有效E×B场长度为134mm。

所述电极板采用两块134mm*36mm*6mm铝制平板电极组成，电极板相对平面表面光滑，反面设置有接线柱安装螺纹孔与电极板固定螺纹孔，两端使用聚四氟乙烯固定座固定，形成Ⅱ字型结构。两电极板间施加0～600V电压，间距为20mm，电极板外分别连有1MΩ电阻，中间接地以保证电极板间轴线处电势为零，且电极板电势大小相等，正负相反。

通过电磁场的离子电荷数(z)与电极板电压差(V_p)关系式为：

$V_p=\mathrm{dB}\sqrt{2\mathrm{zeV}/m}$

其中d为电极板间距，B为磁场强度，e为单位电荷量，V为离子加速电压，m为离子质量。

所述探针壳体由六块碳钢板构成，前后端碳钢板中心开有22mm通孔，上下碳钢板较厚为8mm，其余为5mm。上下碳钢板长边侧面开有3个M4螺纹孔，用于方便装卸碳钢板及固定防溅射隔热层。

所述准直管采用不锈钢制作，分为A、B两段，总长67mm，入口与出口孔径均为2mm，A、B段采用紧配合套接，并在结合处分别设置有外径为22mm的法兰盘，用于固定准直管。准直管与中心架采用轴孔紧配合连接。

所述漂移管采用不锈钢制作，分为漂移管入口段与漂移管主体，采用轴孔配合与法兰盘连接方式进行连接紧固，总长55mm，漂移管入口孔径为3mm；漂移管主体与收集器保护套筒整体加工形成，漂移管出口孔径为6mm，保护套筒内径为22mm。

所述探针收集器使用铝制法拉第筒进行信号收集，法拉第筒内径为6mm，法拉第筒外套有聚四氟乙烯绝缘套筒，在法拉第筒底部连有15mm长螺纹杆，用于固定法拉第筒及连接信号线。

所述防溅射隔热层采用柔性石墨布材料，并用螺栓固定包覆探针壳体前端。

本发明提供的探针适用离子加速电压为0～2000V近场羽流质谱诊断。

一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针工作方法为：

1)离子推力器或霍尔推力器喷射等离子体，形成羽流；

2)扫描电源提供0～600V的扫描电压，在电极板间形成变化的均匀分布的电场，与垂直方向上分布的永磁体形成均匀正交的电磁场；

3)羽流离子通过准直管进入探针E×B场区，具有特定速度的离子在均匀正交的电磁场作用下通过E×B场区进入漂移管，最后到达法拉第筒内；

4)法拉第筒表面采集经过电磁场区筛选的羽流离子，形成离子电流；

5)防溅射隔热层有效保护探针前端面免受羽流离子直接轰击发生溅射及热沉积；

6)法拉第筒采集的离子电流由皮安表测量得到；

7)皮安表收集到的电流信号与扫描电源输出的电压信号通过数据采集仪采集，从而获得随扫描电压变化的I-V曲线，通过分析计算获得二价离子比例。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的E×B探针采用以中心架为探针主要结构部件进行构造，有效保证了轴向较高的准直度及电磁场的正交性，结构简单易于安装拆卸。

(2)本发明提供的E×B探针采用两相对铁氧体永磁体与两相对平板电极共同产生匀强正交的电磁场，电磁场区域对离子筛选有效长度较长，电磁场均匀性与正交性较好。

(3)本发明提供的E×B探针采用电扫描方法，利于快速分析，操作维护较简便。

(4)本发明提供的E×B探针采用碳钢壳体对探针进行封装，有效增强磁场强度与电磁场均匀性，有效降低电磁场边缘效应，并极大程度地降低了内部强电场与磁场对外部羽流的影响。

(5)本发明提供的E×B探针采用防溅射隔热层对探针进行包覆，有效保护探针前端面免受羽流离子直接轰击发生溅射及热沉积。

(6)本发明提供的E×B探针适用于较宽的离子加速电压范围，测量分辨率较高。

附图说明

图1是一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针剖面位置示意图；

图2是一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针剖面B-B示意图；

图3是一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针剖面C-C示意图；

图4是一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针三维装配示意图；

图5是一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针测试电路图；

图中：

1-E×B探针；201-准直管A段；202-准直管B段；203-中心架；204-前碳钢板；205-侧碳钢板；206-绝缘固定座；207-准直管入口段；208-漂移管与套筒；209-法拉第筒；210-绝缘套；211-套筒盖；212-M4螺柱；213-M4螺母；214-M3螺钉；215-后碳钢板；216-电极板；217-接线柱；218-M4螺栓；219-M4螺钉；301-上下碳钢板；302-铁氧体永磁体；502-电阻；503-扫描电源；504-数据采集仪；505-皮安表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明为一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，如图1和图4所示，E×B探针1主体为立方体结构，前端面安装有柱状准直管201/202，后端面安装有漂移管207/208及法拉第筒收集器209，置于推力器近场羽流中用于收集一价离子与二价离子。

所述E×B探针包括：中心架203、铁氧体永磁体302、平板电极板216、电极板固定座206、准直管201/202、漂移管207/208、法拉第筒209、碳钢壳体204/205/215/301、防溅射隔热层401。

具体连接关系为：以中心架203为主要结构体，两块铁氧体永磁体302异性磁极相对，分别置于中心架203上下表面，电极板216使用聚四氟乙烯固定座206固定于中心架203内部，探针使用六块碳钢壳体204/205/215/301进行封装。中心架203两端中心开有通孔，具有较高的同轴度。不锈钢准直管201/202与漂移管207/208分别通过轴孔配合固定于中心架203两端中心。准直管分为A段201和B段202，采用紧配合套接，并用法兰盘固定。漂移管207/208与准直管201/202结构类似，分为漂移管入口段207与漂移管主体208，同样采用紧配合与法兰盘连接方式进行连接紧固，漂移管主体208与收集器保护套筒208整体加工形成。准直管出口与漂移管入口伸入磁场中，距磁铁边缘8mm，有效E×B场长度为134mm。探针收集器使用铝制法拉第筒209进行信号收集，法拉第筒209外套有聚四氟乙烯绝缘套筒210，在法拉第筒底部连有螺纹杆212，使用一个M4螺母213拉紧固定法拉第筒，使用另外一个M4螺母213连接压紧信号线。探针壳体前端采用防溅射隔热层401包覆，并用M4螺栓218固定。

所述电极板216采用两块铝制平板电极组成，电极板相对平面表面光滑，反面设置有接线柱安装螺纹孔与电极板固定螺纹孔，两端使用聚四氟乙烯固定座206固定，形成Ⅱ字型结构。利用接线柱217压紧固定供电线，使用扫描电源503在两电极板间施加0～600V扫描电压，间距为20mm，电极板外分别连有1MΩ电阻502，中间接地以保证电极板间轴线处电势为零，且电极板电势大小相等，正负相反。

通过电磁场的离子电荷数(z)与电极板电压差(V_p)关系式为：

$V_p=\mathrm{dB}\sqrt{2\mathrm{zeV}/m}$

其中d为电极板间距，B为磁场强度，e为单位电荷量，V为离子加速电压，m为离子质量。

所述探针壳体由六块碳钢板构成，前后端碳钢板204/215中心开有22mm通孔，上下碳钢板301较厚为8mm，其余为5mm。上下碳钢板301长边侧面开有3个M4螺纹孔，用于方便装卸碳钢板及固定防溅射隔热层401。

所述探针使用铝制法拉第筒209进行信号收集，收集到的电流信号由皮安表505测得，并将其输出至数据采集仪504，扫描电源503电压信号同时输出至数据采集仪504，即可得到实测I-V曲线。

一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针工作方法为：

1)离子推力器或霍尔推力器喷射等离子体，形成羽流；

2)扫描电源503提供0～600V的扫描电压，在电极板216间形成变化的均匀分布的电场，与垂直方向上分布的铁氧体永磁体302形成均匀正交的电磁场；

3)羽流离子通过准直管201/202进入探针E×B场区，具有特定速度的离子在均匀正交的电磁场作用下通过E×B场区进入漂移管207/208，最后到达法拉第筒209内；

4)法拉第筒209表面采集经过电磁场区筛选的羽流离子，形成离子电流；

5)防溅射隔热层401有效保护探针前端面免受羽流离子直接轰击发生溅射及热沉积；

6)法拉第筒209采集的离子电流由皮安表505测量得到；

7)皮安表505收集到的电流信号与扫描电源503输出的电压信号通过数据采集仪504采集，从而获得随扫描电压变化的I-V曲线，通过计算获得二价离子比例。

Claims (10)

1.基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：包含中心架、铁氧体永磁体、平板电极板、电极板固定座、准直管、漂移管、法拉第筒、碳钢壳体及防溅射隔热层。连接关系为：以中心架为主要结构体，铁氧体永磁体分别置于中心架上下表面，电极板使用聚四氟乙烯固定座固定于中心架内部，探针使用六块碳钢壳体进行封装。不锈钢准直管与漂移管分别通过轴孔配合固定于中心架两端中心。准直管分为A、B两段，采用紧配合套接，并用法兰盘固定。漂移管与准直管结构类似，分为漂移管入口段与漂移管主体，同样采用紧配合与法兰盘连接方式进行连接紧固，漂移管主体与收集器保护套筒整体加工形成。探针收集器使用铝制法拉第筒进行信号收集，法拉第筒外套有聚四氟乙烯绝缘套筒，在法拉第筒底部连有螺纹杆，用于固定法拉第筒及连接信号线。探针壳体前端采用防溅射隔热层包覆，并用螺栓固定。

2.根据权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：中心架为探针主要结构体，采用铝块一体加工而成，用于固定铁氧体永磁体、固定电极板、固定准直管与漂移管、固定碳钢壳体，电极板供电线从中心架端部小孔引出。中心架两端开有10mm通孔，具有较高的同轴度。

3.根据权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：磁铁采用两块150mm*100mm*25mm铁氧体永磁体构成，异性磁极相对，磁铁间距为40mm。

4.根据权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：电极板采用两块134mm*36mm*6mm铝制平板电极组成，电极板相对平面表面光滑，反面设置有接线柱安装螺纹孔与电极板固定螺纹孔，两端使用聚四氟乙烯固定座固定，形成Ⅱ字型结构。两电极板间施加0～600V电压，间距为20mm，电极板外分别连有1MΩ电阻，中间接地以保证电极板间轴线处电势为零，且电极板电势大小相等，正负相反。

通过电磁场的离子电荷数(z)与电极板电压差(V_p)关系式为：

$V_p=\mathrm{dB}\sqrt{2\mathrm{zeV}/m}$

其中d为电极板间距，B为磁场强度，e为单位电荷量，V为离子加速电压，m为离子质量。

5.根据权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：探针使用六块碳钢板进行封装，前后端碳钢板中心开有22mm通孔，上下碳钢板较厚为8mm，其余为5mm。上下碳钢板长边侧面开有3个M4螺纹孔，用于方便装卸碳钢板及固定防溅射隔热层。

6.根据权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：准直管采用不锈钢制作，分为A、B两段，总长67mm，入口与出口孔径均为2mm，A、B段采用紧配合套接，并在结合处分别设置有外径为22mm的法兰盘，用于固定准直管。准直管与中心架采用轴孔紧配合连接。

7.根据权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：漂移管采用不锈钢制作，分为漂移管入口段与漂移管主体，采用轴孔配合与法兰盘连接方式进行连接紧固，总长55mm，漂移管入口孔径为3mm；漂移管主体与收集器保护套筒整体加工形成，漂移管出口孔径为6mm，保护套筒内径为22mm。

8.根据权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：探针使用铝制法拉第筒进行信号收集，法拉第筒内径为6mm，法拉第筒外套有聚四氟乙烯绝缘套筒，在法拉第筒底部连有15mm长螺纹杆，使用双螺母紧固法拉第筒及连接信号线。

9.根据权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针，其特征是：探针壳体前端采用防溅射隔热层包覆，防溅射隔热层采用柔性石墨布材料，并用螺栓固定。

10.应用权利要求1所述的基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)离子推力器或霍尔推力器喷射等离子体，形成羽流；

2)扫描电源提供0～600V的扫描电压，在电极板间形成变化的均匀分布的电场，与垂直方向上分布的铁氧体永磁体形成均匀正交的电磁场；

3)羽流离子通过准直管进入探针E×B场区，具有特定速度的离子在均匀正交的电磁场作用下通过E×B场区进入漂移管，最后到达法拉第筒内；

4)法拉第筒表面采集经过电磁场区筛选的羽流离子，形成离子电流；

5)防溅射隔热层有效保护探针前端面免受羽流离子直接轰击发生溅射及热沉积；

6)法拉第筒采集的离子电流由皮安表测量得到；

7)皮安表收集到的电流信号与扫描电源输出的电压信号通过数据采集仪采集，从而获得随扫描电压变化的I-V曲线，通过计算获得二价离子比例。