[發(fā)明專利]環(huán)形探針及組合式探針

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010118008.3
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN111257001B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁軍婭;梁尚英;韓木天;翁惠焱;蔡國飆
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01M15/14
• 分類號: G01M15/14;G01M15/02
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 趙薇

本發(fā)明提供了一種環(huán)形探針及組合式探針，涉及真空羽流參數(shù)檢測技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明提供的種環(huán)形探針包括限位機構(gòu)以及均用于與電源連接的第一收集極和導(dǎo)電組件；導(dǎo)電組件套設(shè)于限位機構(gòu)的外部，且導(dǎo)電組件具有安裝通道；第一收集極位于安裝通道內(nèi)，且第一收集極與導(dǎo)電組件之間設(shè)有絕緣層，第一收集極具有用于收集流場離子的帶狀收集面。本發(fā)明提供的環(huán)形探針能夠消除第一收集極的終端效應(yīng)，確保所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及真空羽流參數(shù)檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種環(huán)形探針及組合式探針。

背景技術(shù)

離子推力器、霍爾推力器等電推力器因其比沖高、壽命長和系統(tǒng)質(zhì)量較小等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于航天器的姿態(tài)和軌道控制。準(zhǔn)確獲取電推力器真空羽流參數(shù)對于評估電推力器和航天器性能是至關(guān)重要的。為準(zhǔn)確評價電推力器的羽流效應(yīng)，必須從離子電流密度分布、等離子體基本參數(shù)、離子能量分布等方面進行全面的診斷測試。

法拉第探針因其獨特的性能常被應(yīng)用于束流離子特性測試，以計算束流離子電流密度、束發(fā)散角等參數(shù)?，F(xiàn)今的法拉第探針分為多種形式，其中裸露型法拉第探針發(fā)展及應(yīng)用較為成熟。作為常用的裸露型探針，平面形法拉第探針是一個暴露在等離子體流中的平面導(dǎo)體，在該導(dǎo)體上加上合適的負電位后，可使探針排斥電子并只收集到達其表面的離子流，從而計算電流密度如下：

j＝I/Ap

式中：j—收集電流密度，單位為A/m²；

I—電流，單位為A；

Ap—收集極面積，單位為m²。

羽流等離子體的基本參數(shù)有電子溫度、電子密度和等離子體勢。朗繆爾探針是最常用的等離子體診斷方法。該探針結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，且所提供的信息量豐富，能夠提供電子溫度和電子數(shù)密度等基本參數(shù)信息。朗繆爾探針的形狀有圓柱形、球形和平面形，其中圓柱形探針獲得信息多，常用于測量電子密度；而平面形探針容易控制等離子體流速影響，收集面積固定，故常用于測量電子溫度。

等離子體特性的測試也可以采用發(fā)射探針。這種探針可用于在各種條件下進行測量，且非常適合于從穩(wěn)態(tài)到振蕩、從擴散到稠密、從冷到熱的電推進等離子體。其中，浮動發(fā)射探針可直接測量等離子體勢而不需要進行電壓掃描。該探針由固定于氧化鋁絕緣管上的鎢絲環(huán)組成，通過給鎢絲加電流使其達到熱電子發(fā)射點，發(fā)射電子中和探針周圍鞘使得探針浮于局域等離子體勢，從而可測量出等離子體基本參數(shù)。

但是現(xiàn)有平面形及曲面形探針存在幾個突出的問題。

其一，對于朗繆爾探針，其平面形探針由于探針邊緣存在鞘層扭曲和鞘層分離現(xiàn)象，難以進行數(shù)據(jù)處理，且有離子濺射，反射等問題，導(dǎo)致CEX(charge exchange，電荷交換)診斷困難；而其圓柱形探針尺寸非常小，長度很長，為了避免終端效應(yīng)，長徑比通常為50以上，束流離子不能迅速穿過鞘層，導(dǎo)致圓柱形探針收集的離子中包含大量束流離子和CEX離子，束流離子對CEX離子診斷造成干擾，因此限制了其使用條件與范圍。

此外，如圖1和圖2所示，圖1為朗繆爾探針伏安特性曲線；圖2為羽流區(qū)第二次試驗結(jié)果。在圖1及圖2中可知，由于朗繆爾探針電壓越過空間電勢后電流曲線繼續(xù)增長，導(dǎo)致難以確定空間電勢對應(yīng)拐點，使得電子數(shù)密度測量和空間電勢測量依賴于數(shù)據(jù)選取，有很大誤差，需要通過理論創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新解決這個問題。

其二，對于法拉第平面形探針，其屬于裸露型探針，需在收集器外側(cè)設(shè)計防護套，而防護套與收集面之間形成會一定間隙。當(dāng)探針處于束流離子電流密度較大的區(qū)域時，收集盤電流收集表面形成不均勻的等離子體鞘層，在間隙處發(fā)生凹陷，從而增大了接收面積，使得電流測量值增大，誤差也隨之變大。

其三，現(xiàn)有平面形探針及圓柱形探針均不能同時滿足電子溫度和電子數(shù)密度等基本參數(shù)的最優(yōu)測量精度。