CN113115504B - 一种可导入束流的ExB探针 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种可导入束流的ExB探针，包括探针壳体，探针壳体安装有准直管、电场发生部件、磁场发生部件以及收集极部件，准直管外部缠绕安装有金属线圈，金属线圈连接电源，金属线圈通电后可在准直管的入口端和通孔内形成轴向磁场。本申请中，当束流在ExB探针准直管入口前，将会预先被准直管内部散发的轴向磁场所影响，在进入准直管前就在一定程度上被准直管的磁场约束；当束流以一定角度进入准直管段时，会在准直管内部的磁场区域中有约束地通过准直管，到达ExB探针内部，经过电场发生部件、磁场发生部件后到达收集极部件，形成离子电流，本申请可以使ExB探针自身与束流来流方向存在一定的夹角时依旧能够诊断束流信号。
Description
技术领域
本公开涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种可导入束流的ExB探针。
背景技术
离子推力器、霍尔推力器、电喷雾推力器等空间推力器因其较高的比冲、较长的寿命和较小的***质量而广泛应用于航天器轨道控制和星际航行中。准确获取电推力器真空羽流参数对评估电推力器和航天器性能是至关重要的；电推力器真空羽流主要包含等离子体，等离子体中又含一价离子、二价离子、电子和中性气体分子等，得到电推力器羽流中粒子成分分布对于推力器内部磁场设计有着重要意义。
一个推力器中若是二价离子甚至三价离子的含量较高，代表推力器内部放电室的磁场存在过约束的状态，也就是在放电室内存在电子集中电离的区域，导致已经完成电离的粒子尚未引出时就受到电子的二次轰击，进而形成多价离子，那么在多次电离的区域的等离子体密度较其他区域高，该位置的栅极将会受到集中破坏。ExB探针是一种可以在电推进羽流中检测一价或多价离子的比例的接触式诊断工具，在电推力器初样诊断、校核诊断或基础研究中占有非常重要的地位。
ExB探针主要包含四个核心部件，分别是准直部件、电场发生部件、磁场发生部件以及收集极部件。准直部件的作用是接收来自特定方向的信号；电场发生部件以及磁场发生部件共同作用，目的是筛选不同带电量的离子；离子经过准直管、电场发生部件以及磁场发生部件后到达收集极部件，形成离子电流。将离子电流设为y轴，偏置电场设为x轴，即可得到一个随电压变化的电流曲线，该伏安特性曲线就是ExB探针最终得到的有效数据，对该区线进行滤波、平滑等处理就能分析出流场中带电粒子的带电量分布。如图1所示，当离子进入准直管后，在ExB探针内部运动，离子电流与磁场方向会形成一个向上的力(图1中上方)，而电场则施加一个反向的力，在特定电压条件下，磁场力与电场力将会抵消，离子能够笔直进入收集极收集范围，形成采样电流。
现有ExB探针存在一个问题，就是探针与束流方向的相对位置要求极高，若是ExB探针与束流存在一定夹角将会导致离子无法通过准直管。由于束流来流方向与离子推力器栅极加工工艺、对中性有关；且与霍尔推力器的磁场分布也有关，而这几个因素也难以在仿真、实验阶段确定，故在实验中需要不断调整ExB探针的角度以适应羽流中离子的来流方向，对实验流畅性、数据准确性都有严重影响，并且在部份情况中无论如何调整ExB探针的角度都无法接收到电流信号。
一般解决上述问题的有效方式是加大准直管内径或改短准直管长度，使离子更容易通过准直管，进入ExB探针内部。但这种方法有一定的问题，也就是进入ExB探针内部的离子并不一定都是测量人员需要的离子信号，进入ExB探针内部的离子除了包含需要测量的束流离子，也包含CEX粒子(电荷交换粒子)以及非正常运行离子等，如此一来所测得的伏安特性曲线将会存在大量的噪声信号，对于二价、三价离子这种电流信号本来就比较小的信号种类来说是非常容易淹没在噪声信号中的。所以这种方法对于数据准确性来说是存在问题的。
因此，本申请提出一种可导入束流的ExB探针。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种可导入束流的ExB探针。
本发明采用的技术方案是这样的：
一种可导入束流的ExB探针，包括探针壳体，所述探针壳体安装有准直管、电场发生部件、磁场发生部件以及收集极部件，所述准直管外部缠绕安装有金属线圈，所述金属线圈连接电源，所述金属线圈通电后可在所述准直管的入口端和通孔内形成轴向磁场。
优选地，所述准直管外部覆盖安装有磁靴结构，所述磁靴结构由高导磁材料构成，所述磁靴结构的前端和后端均具有配合孔，所述配合孔轴向对准所述准直管的通孔，所述配合孔孔径不小于所述通孔孔径。
优选地，所述磁靴结构包括前磁靴和后磁靴，所述后磁靴与所述探针壳体可拆卸地固定连接，所述准直管后端与所述后磁靴可拆卸地固定连接，所述准直管前端与所述前磁靴可拆卸地固定连接，所述前磁靴与所述后磁靴贴紧限定出容纳所述准直管和所述金属线圈的空间。
优选地，所述前磁靴具有从前端向后端延伸的筒体，所述筒体的后端面与所述后磁靴贴紧，所述筒体内部具有容纳槽，所述容纳槽用于容纳所述金属线圈。
优选地，所述筒体连接有电源，所述电源可对所述筒体施加正高压。
优选地，所述后磁靴后端具有连接凸台，所述探针壳体具有安装孔，所述连接凸台固定安装在所述安装孔内，所述后磁靴具有第一安装槽，所述准直管后端固定安装在所述第一安装槽内，所述前磁靴具有第二安装槽，所述准直管前端固定安装在所述第二安装槽内。
优选地，所述连接凸台与所述安装孔螺纹连接固定，所述准直管后端与所述第一安装槽螺纹连接固定，所述准直管前端与所述第二安装槽螺纹连接固定。
综上所述，本申请通过通电的金属线圈产生了轴向磁场，当束流在ExB探针准直管入口前，将会预先被准直管内部散发的轴向磁场所影响，在进入准直管前就在一定程度上被准直管的磁场约束；当束流以一定角度进入准直管段时，会在准直管内部的磁场区域中有约束地通过准直管，到达ExB探针内部，经过电场发生部件、磁场发生部件后到达收集极部件，形成离子电流，本申请可以使ExB探针自身与束流来流方向存在一定的夹角时依旧能够诊断束流信号，消除了测量方向的局限性。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是ExB探针主要结构及工作示意图；
图2是本发明局部结构配合的剖视图；
图3是图2中去除磁力线后的配合示意图；
图4是本发明中前磁靴的剖视图；
图5是本发明中后磁靴的剖视图；
图6是本发明中探针壳体的局部剖视图；
图7是本发明中离子的速度与在轴向磁场中受力的示意图；
图8是本发明中离子在轴向磁场中螺旋前进的示意图；
图9是与ExB探针存在一定夹角的束流进入并通过准直管的示意图。
图中标记：1为探针壳体、2为准直管、3为收集极部件、4为金属线圈、5为通孔、6为配合孔、7为前磁靴、8为后磁靴、9为筒体、10为容纳槽、11为连接凸台、12为安装孔、13为第一安装槽、14为第二安装槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
实施例1
如图1至3、7至9所示，一种可导入束流的ExB探针，包括探针壳体1，探针壳体1安装有准直管2、电场发生部件、磁场发生部件以及收集极部件3，准直管2外部缠绕安装有金属线圈4，金属线圈4连接电源，金属线圈4通电后可在准直管2的入口端和通孔5内形成轴向磁场；准直管2固定安装在探针壳体1前端，电场发生部件和磁场发生部件均安装在探针壳体1内部，电场发生部件在探针壳体1内部形成电场，磁场发生部件在磁场内部形成磁场，收集极部件3固定安装在探针壳体1后端。
进一步在准直管2外部覆盖安装有磁靴结构，磁靴结构由高导磁材料构成，具体材料为纯铁，磁靴结构的前端和后端均具有配合孔6，配合孔6轴向对准准直管2的通孔5，配合孔6孔径不小于通孔5孔径，具体地，配合孔6孔径与通孔5孔径相同；磁靴结构包裹住准直管2和金属线圈4，磁靴结构用于屏蔽其他方向磁场，不屏蔽轴向磁场，将其他方向磁场限制在磁靴结构内，避免其他方向磁场向外发散，影响航天器重要部件，磁靴结构不影响准直管2内的轴向磁场，也不影响准直管2前端的轴向磁场。
金属线圈4通电后可在准直管2的入口端和内部形成轴向磁场，轴向磁场并不会对带电粒子进行减速或加速，只会对带电粒子的方向进行改变，如图7至9所示，当束流方向与准直管2轴线存在一定夹角时，即离子的运动方向与准直管2轴线存在夹角，带电离子包含两个速度分量，一个是平行于轴向磁场方向，一个是垂直于磁场方向，其中平行于轴向磁场方向的速度分量并不会受到磁场力作用，只有垂直于磁场方向的速度分量会受到磁场力作用，改变带电离子的运动状态；如图7所示，轴向磁场为入纸面方向，带正电的离子在图7中所示的运动方向中会受到一个向心的力，从而形成一个类似圆形的运动方向，并且离子沿轴向的运动速度不会改变。在图7的运动状态下增加一个轴向的速度分量，就会形成一个如图8所示的螺旋状运动；由于在准直管2的入口处和准直管2内均存在轴向磁场，因此，上述的螺旋状运动从准直管2入口处即开始形成，即当束流在ExB探针准直管2入口前，就会预先被准直管2内部散发的轴向磁场约束，引导离子螺旋前进并进入准直管2内，轴向磁场继续对离子进行约束，达到上述的螺旋前进的方式，换种说法，若在准直管2入口处和其内部不存在轴向磁场，与准直管2轴向存在夹角的运动离子将会错过准直管2入口，或者，即便是以一定夹角进入准直管2入口，也会撞击准直管2内壁，不能到达探针的收集极部件3，而由于轴向磁场的存在，离子在准直管2入口处就会预先被准直管2内部散发的轴向磁场约束，顺利被引入准直管2，而在准直管2内部，离子螺旋前进后，在撞上准直管2前就会改变其运动方向，如此往复改变运动方向(即螺旋前进)即可进入ExB探针内部，经过电场发生部件、磁场发生部件后到达收集极部件3，形成离子电流。
当运动离子垂直于轴向磁场方向的速度分量过大时，轴向磁场将无法约束其进行螺旋运动，一种情况，轴向磁场无法将该类大速度分量的离子引入准直管2内，另一种情况，即便是引入准直管2入口，由于其速度分量大，其回旋半径更大，当回旋半径大于准直管2内径时，必将碰撞准直管2，这就体现了轴向磁场对不同垂直速度分量的离子的过滤特性。
实施例2
如图2至6所示，在实施例1的基础上，磁靴结构包括前磁靴7和后磁靴8，前磁靴7和后磁靴8均具有配合孔6，后磁靴8与探针壳体1可拆卸地固定连接，准直管2后端与后磁靴8可拆卸地固定连接，准直管2前端与前磁靴7可拆卸地固定连接，前磁靴7与后磁靴8贴紧，限定出容纳准直管2和金属线圈4的空间，各部件之间采用可拆卸固定连接方式，方便安装及后续的拆卸操作，便于零部件的更换。进一步地，后磁靴8后端具有连接凸台11，探针壳体1具有安装孔12，连接凸台11通过螺纹连接的方式固定安装在安装孔12内，后磁靴8具有第一安装槽13，准直管2后端通过螺纹连接的方式固定安装在第一安装槽13内，前磁靴7具有第二安装槽14，准直管2前端通过螺纹连接的方式固定安装在第二安装槽14内，如此设置，使得各零部件之间的连接固定更加合理、可靠，螺纹连接固定的方式进一步使得各部件之间的安装、拆卸过程更加方便快捷，提高了操作效率。
实施例3
如图2至4所示，在实施例2的基础上，前磁靴7具有从前端向后端延伸的筒体9，筒体9的后端面与后磁靴8贴紧，筒体9内部具有容纳槽10，容纳槽10用于容纳金属线圈4；容纳槽10为金属线圈4提供一个可靠的布置空间，整个结构更加紧凑合理。
实施例4
在实施例3的基础上，筒体9连接有电源，电源可对筒体9施加正高压；某些条件下束流中离子能量太高，一般线圈磁场无法对其进行约束，故采用施加正高压的办法可以降低束流离子能量，降低到一定条件下就可以被线圈磁场约束，以到达通过轴向磁场引导束流的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
Claims (8)
1.一种可导入束流的ExB探针，其特征在于：包括探针壳体(1)，所述探针壳体(1)安装有准直管(2)、电场发生部件、磁场发生部件以及收集极部件(3)，所述准直管(2)外部缠绕安装有金属线圈(4)，所述金属线圈(4)连接电源，所述金属线圈(4)通电后可在所述准直管(2)的入口端和通孔(5)内形成轴向磁场，轴向磁场并不会对带电粒子进行减速或加速，只会对带电粒子的方向进行改变；
当束流在准直管(2)入口前，预先被准直管(2)内部散发的轴向磁场约束，引导离子螺旋前进并进入准直管(2)内，轴向磁场继续对离子进行约束，并螺旋前进；
准直管(2)固定安装在探针壳体(1)前端，电场发生部件和磁场发生部件均安装在探针壳体(1)内部，电场发生部件在探针壳体(1)内部形成电场，磁场发生部件在磁场内部形成磁场，收集极部件(3)固定安装在探针壳体(1)后端。
2.根据权利要求1所述的一种可导入束流的ExB探针，其特征在于：所述准直管(2)外部覆盖安装有磁靴结构，所述磁靴结构由高导磁材料构成，所述磁靴结构的前端和后端均具有配合孔(6)，所述配合孔(6)轴向对准所述准直管(2)的通孔(5)，所述配合孔(6)孔径不小于所述通孔(5)孔径。
3.根据权利要求2所述的一种可导入束流的ExB探针，其特征在于：所述磁靴结构包括前磁靴(7)和后磁靴(8)，所述后磁靴(8)与所述探针壳体(1)可拆卸地固定连接，所述准直管(2)后端与所述后磁靴(8)可拆卸地固定连接，所述准直管(2)前端与所述前磁靴(7)可拆卸地固定连接，所述前磁靴(7)与所述后磁靴(8)贴紧限定出容纳所述准直管(2)和所述金属线圈(4)的空间。
4.根据权利要求3所述的一种可导入束流的ExB探针，其特征在于：所述前磁靴(7)具有从前端向后端延伸的筒体(9)，所述筒体(9)的后端面与所述后磁靴(8)贴紧，所述筒体(9)内部具有容纳槽(10)，所述容纳槽(10)用于容纳所述金属线圈(4)。
5.根据权利要求4所述的一种可导入束流的ExB探针，其特征在于：所述筒体(9)连接有电源，所述电源可对所述筒体(9)施加正高压。
6.根据权利要求3至5任一项所述的一种可导入束流的ExB探针，其特征在于：所述后磁靴(8)后端具有连接凸台(11)，所述探针壳体(1)具有安装孔(12)，所述连接凸台(11)固定安装在所述安装孔(12)内。
7.根据权利要求6所述的一种可导入束流的ExB探针，其特征在于：所述后磁靴(8)具有第一安装槽(13)，所述准直管(2)后端固定安装在所述第一安装槽(13)内，所述前磁靴(7)具有第二安装槽(14)，所述准直管(2)前端固定安装在所述第二安装槽(14)内。
8.根据权利要求7所述的一种可导入束流的ExB探针，其特征在于：所述连接凸台(11)与所述安装孔(12)螺纹连接固定，所述准直管(2)后端与所述第一安装槽(13)螺纹连接固定，所述准直管(2)前端与所述第二安装槽(14)螺纹连接固定。
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