離子推力器放電室等離子體電勢診斷方案研究

　　放電室是離子推力器核心部件，目前國內(nèi)尚未開展離子推力器的等離子體參數(shù)診斷工作。應(yīng)用發(fā)射探針診斷離子推力器放電等離子體的參數(shù)，介紹了發(fā)射探針診斷等離子體電勢的原理，發(fā)射探針診斷離子推力器放電室等離子體的方案及探針系統(tǒng)的組成。說明了數(shù)據(jù)處理方法和探針診斷的影響因素。

　　引言

　　離子推力器放電室等離子體參數(shù)診斷具有重要意義，穩(wěn)態(tài)下放電室內(nèi)的等離子體分布決定著推力器性能的許多重要方面，而等離子體的運(yùn)動(dòng)是在電磁場共同作用下的結(jié)果，因此掌握放電室內(nèi)的電勢分布有助于加深對放電過程的理解，實(shí)測數(shù)據(jù)還用作數(shù)值模型的輸入，實(shí)驗(yàn)診斷數(shù)據(jù)是對各種數(shù)值模型和分析模型的重要檢驗(yàn)。

　　放電室等離子體參數(shù)診斷包括非接觸式測量和接觸式測量法，如LIF(激光誘導(dǎo)熒光)技術(shù)、靜電探針診斷技術(shù)等。國外開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究工作較早也較成熟，如Sengupta等為了研究不同的磁路結(jié)構(gòu)對推力器性能的影響，在NSTAR樣機(jī)上開展了一系列的實(shí)驗(yàn)診斷工作，Herman 等針對NEXT型離子推力器開展了離子推力器放電室等離子電勢發(fā)射探針診斷工作。國內(nèi)尚未開展離子推力器放電室等離子體參數(shù)診斷工作，隨著國內(nèi)電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)診斷工作已提到議事日程。文章主要介紹了放電室等離子體參數(shù)發(fā)射探針診斷的原理、系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理和誤差分析等幾部分內(nèi)容。

　　1、發(fā)射探針電勢診斷原理

　　懸浮發(fā)射探針工作原理簡單，能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)氐入x子體電勢進(jìn)行直接測量，而不需要進(jìn)行偏置電壓掃描或者分析大量數(shù)據(jù)。懸浮發(fā)射探針相關(guān)理論相對成熟。其主要工作原理為將探針燈絲插入等離子體中，然后向燈絲施加電流，當(dāng)燈絲溫度上升，電子自燈絲熱發(fā)射出來。在理論上，當(dāng)燈絲加熱充分時(shí)，發(fā)射的電子基本上能夠中和探針頭周圍的鞘層，從而允許探針懸浮于當(dāng)?shù)氐牡入x子體電勢。事實(shí)上，對于強(qiáng)發(fā)射的懸浮探針，因?yàn)檫^量發(fā)出的接近探針表面的慢速電子，空間電荷的限制產(chǎn)生了雙鞘層，如圖1所示。雙鞘層作用使熱發(fā)射電子反射回探針表面，一些麥克斯韋等離子體電子返回等離子體。高能麥克斯韋尾部電子能夠到達(dá)探針�？紤]到兩種電子分布不同的能量比例，最大的發(fā)射流不足以補(bǔ)償收集流，因?yàn)榈入x子體電子具有高得多的速度。

　　子體電勢進(jìn)行直接測量，而不需要進(jìn)行偏置電壓掃描或者分析大量數(shù)據(jù)。懸浮發(fā)射探針相關(guān)理論相對成熟。其主要工作原理為將探針燈絲插入等離子體中，然后向燈絲施加電流，當(dāng)燈絲溫度上升，電子自燈絲熱發(fā)射出來。在理論上，當(dāng)燈絲加熱充分時(shí)，發(fā)射的電子基本上能夠中和探針頭周圍的鞘層，從而允許探針懸浮于當(dāng)?shù)氐牡入x子體電勢。事實(shí)上，對于強(qiáng)發(fā)射的懸浮探針，因?yàn)檫^量發(fā)出的接近探針表面的慢速電子，空間電荷的限制產(chǎn)生了雙鞘層，如圖1所示。雙鞘層作用使熱發(fā)射電子反射回探針表面，一些麥克斯韋等離子體電子返回等離子體。高能麥克斯韋尾部電子能夠到達(dá)探針�？紤]到兩種電子分布不同的能量比例，最大的發(fā)射流不足以補(bǔ)償收集流，因?yàn)榈入x子體電子具有高得多的速度。

圖1 包圍發(fā)射探針的雙鞘層中的電勢分布示意圖

1. 鞘層區(qū)域;2. 預(yù)鞘層區(qū)域;3. 等離子體電子勢壘~Te/e;4. 發(fā)射電子勢壘

　　3.3、懸浮探針誤差分析

　　3.3.1、模型誤差

　　模型誤差主要來自空間電荷效應(yīng)。發(fā)射探針是一個(gè)加熱至發(fā)射狀態(tài)的電極，所以用作診斷時(shí)必然也會(huì)在探針周圍形成熱發(fā)射鞘層，直接影響著診斷的準(zhǔn)確性，探針理論上稱之為空間電荷效應(yīng)，會(huì)使診斷的電位小于當(dāng)?shù)貙?shí)際等離子體電位，發(fā)射探針測量給出的誤差為Te/e 的幾分之一量級(jí)。通過降低探針發(fā)射強(qiáng)度外推可以減弱空間電荷的影響，從而得到更為準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

　　3.3.2、電子誤差

　　電子誤差包含電路噪聲。對于整個(gè)電路，通過使用高壓SHV同軸電纜噪聲可盡可能降低，在放電室內(nèi)外都是這樣。隔離的輸入端對于所有元件允許有共同的接地點(diǎn)，從而消除了整個(gè)接地環(huán)中的噪聲。當(dāng)探針和dc 電源懸浮于高電位時(shí)，非理想的懸浮電源引入了至地的漏電流�？稍u(píng)估的漏電流結(jié)果是探針懸浮于小于真實(shí)的等離子體電勢。

　　另外，利用加熱電流通過燈絲進(jìn)行等離子體電勢的測量導(dǎo)致跨過燈絲的電壓下降。該電壓降落增加了測量值的不確定度。漏電流和電壓降對總的等離子體電勢測量的絕對大小的移動(dòng)有貢獻(xiàn)，導(dǎo)致相對電勢測量不受影響。

4、結(jié)論

　　對于離子推力器的研制，放電室等離子體參數(shù)診斷是一項(xiàng)重要的工作。目前國內(nèi)還沒有開展相關(guān)的研究。通過離子推力器放電室等離子體電勢診斷方案，介紹了發(fā)射探針診斷等離子體電勢的原理，對于診斷必須采用的高速探針診斷系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。分析了磁場對電勢診斷的影響以及診斷誤差等。為開展離子推力器的等離子體電勢診斷提供參考，對于離子推力器的研制以及性能的改進(jìn)具有一定的意義。