CN111787677B - 一种用于测量交换电荷碰撞离子速度的磁偏转法拉第探针 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于测量交换电荷碰撞离子速度的磁偏转法拉第探针。采用接触式测量方法对电推力器束流区边缘的低速等离子体进行测量，得到离子推力器羽流的离子速度分布。其结构具体包括：法拉第收集器、陶瓷绝缘垫片、准直口、生铁片、通电螺线管及硅钢外壳。通过给通电螺线管通电流在生铁片间形成均匀磁场，入射带离子通过准直角入射，不同运动速度的粒子被磁场偏转到达法拉第收集器。根据拉莫尔回旋半径可以计算并筛选出不同速度的离子。

Description

一种用于测量交换电荷碰撞离子速度的磁偏转法拉第探针

技术领域

本发明属于电推进等离子体诊断领域，具体涉及一种用于测量交换电荷碰撞离子速度的磁偏转法拉第探针。

背景技术

电推进是一类利用电能直接电离推进剂，通过电磁场将带电粒子加速喷出，从而获得推进动力的先进推进方式。相较于传统的化学推进方式，电推进具有高比冲、高效率的显著优势，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。电推力器目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进***。

对电推力器的羽流等离子体进行相关参数的测量对于提高优化发动机设计、提高发动机性能具有重要意义。电推力器喷出的离子速度直接决定了发动机比冲的大小和效率的高低，因此测量等离子体速度分布是电推力器等离子体诊断中至关重要的一个环节。但是电推力器喷出的带电粒子不完全都是高速的，也有一部分高速的离子会与中性的原子发生碰撞产生低速的带电离子。这类低速的带电离子方向随机，会在飞行器表面产生溅射和沉积污染，影响卫星的整体工作性能。目前还没有专门针对交换电荷碰撞产生的低能离子进行测量的诊断方法。

发明内容

本发明旨在设计一种用于测量交换电荷碰撞离子速度的磁偏转法拉第探针，以测量发动机喷出羽流中低速离子的速度分布。具体内容如下：

一种用于测量交换电荷碰撞离子速度的磁偏转法拉第探针包括：法拉第收集器、陶瓷绝缘垫片、准直口、生铁片、通电螺线管和硅钢外壳。法拉第收集器插接在陶瓷绝缘垫片内，陶瓷绝缘垫片通过紧配合安装在硅钢外壳上；硅钢外壳的内部放置一个通电螺线管，螺线管的两端连接生铁片。硅钢外壳与法拉第收集器的相对面开一个直径为8mm的准直口。

进一步的，所述法拉第探针收集器外壳选用硅钢材料。

进一步的，所述法拉第收集器采用-10V负偏置电位。

进一步的，所述准直口的准直角角度为4°，筛选入射离子的方向小于4°。

进一步的，所述法拉第探针测量的电推力器的推进剂选用单组分稀有气体，包括氩气、氙气。

相比于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过磁场偏转低速带电离子的测量方式，针对低能带电离子的定向运动速度进行测量，该磁偏转方式的拉莫尔回旋半径较大，有效提高了测量的精度，且本发明的测量精度高于采用电场筛选离子的测试方法。

(2)本发明采用了电磁铁即通电螺线管的磁场施加方式，通入电流的强弱决定了磁场强弱，实现了磁场的均匀可调。变化的磁场使得磁偏转法拉第探针可对不同能量范围内离子的速度进行测量，提高了仪器的测量量程和应用范围。

(3)本发明中法拉第收集器的外壳采用了硅钢材料，起到了磁屏蔽的作用，保证了磁感线不外泄，将测量仪器对被测等离子体速度分布的影响降到最低。

(4)本发明规定了入射离子的准直角角度为4°，保证了带电离子与附加磁场垂直入射仪器，屏蔽了其它方向的带电离子被法拉第收集器收集；确保了进入的离子方向的单一，便于模型计算。

附图说明

图1为本发明的交换电荷离子碰撞和形成的过程示意图。

图2(a)为本发明的磁偏转法拉第探针的俯视图。

图2(b)为本发明的磁偏转法拉第探针的3-D示意图。

图2(c)为本发明的磁偏转法拉第探针的侧视图。

图2(d)为本发明的磁偏转法拉第探针的主视图。

图3为本发明的离子在磁偏转法拉第探针内部的磁场分布和离子偏转轨迹图。

其中，1-法拉第收集器，2-陶瓷绝缘垫片，3-准直口，4-生铁片，5-通电螺线管，6-硅钢外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

本发明所述的诊断测量对象为交换电荷离子碰撞和形成的过程(图1)，包括运动速度快的离子和运动速度慢的原子；所述高速运动的离子与低速运动的原子发生碰撞，碰撞的过程中原子将携带的核外电子交换给离子，使碰撞过程发生了组分的转变，原来的高速离子经过电子复合，变成了高速的原子，而慢速的中性原子丢失了电子，变成了低速的带电离子。因此整个过程中产生了低速的、方向随机的带电离子。这类离子速度慢、方向随机，并混杂在高速离子中，容易沉积在飞船表面，而且难以检测。

本发明提供的磁偏转法拉第探针的三维视图，如图2(a)-(d)，具体包括：1-法拉第收集器、2-陶瓷绝缘垫片，3-准直口，4-生铁片、5-通电螺线管，6-硅钢外壳。所述法拉第收集器采用-10V负偏置电位，以屏蔽电子对收集电流的影响，因为电子的回旋半径较大，无法采用磁场直接屏蔽。所述陶瓷绝缘垫片起到了法拉第收集器与外壳绝缘的作用。所述准直口角度为4°，筛选入射离子的方向小于4°，保证磁场偏转的离子与磁场垂直。所述生铁片与通电螺线管相连接，生铁片为导磁材料，且退磁速度快，通过改变通电螺线管上的电流，能调节生铁片之间形成的磁场强度，完成对不同速度离子的偏转。所述法拉第收集器外壳的材料为硅钢，可以对磁偏转法拉第探针内部外溢的磁感线，降低测量仪器本身对等离子体的影响。

离子在磁偏转法拉第探针内部的磁场分布和离子偏转轨迹图(图3)，所述带电离子通过准直口入射进入仪器内部，在磁场的作用下偏转，只有特定速度的离子才能到达法拉第收集器表面被收集到。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (5)

1.一种用于测量交换电荷碰撞离子速度的磁偏转法拉第探针，其特征在于，具体包括：法拉第收集器、陶瓷绝缘垫片、准直口、生铁片、通电螺线管和硅钢外壳；法拉第收集器插接在陶瓷绝缘垫片内，陶瓷绝缘垫片通过紧配合安装在硅钢外壳上，硅钢外壳的内部放置一个通电螺线管，螺线管的两端连接生铁片；硅钢外壳与法拉第收集器的相对面开一个直径为8mm的准直口；所述法拉第收集器采用-10V负偏置电位。

2.根据权利要求1所述的法拉第探针，所述法拉第探针收集器外壳选用硅钢材料。

3.根据权利要求1所述的法拉第探针，所述准直口的准直角角度为4°，筛选入射粒子的方向小于4°。

4.根据权利要求1所述的法拉第探针，所述法拉第探针测量的电推力器的推进剂选用单组分稀有气体。

5.根据权利要求4所述的法拉第探针，所述单组分稀有气体为氩气或氙气。

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