專利名稱：定向等離子體束離子平均速度的相關測量方法
定向等離子體束離子平均速度的相關測量方法 技術領域 '本發(fā)明涉及一種測量具有密度波動特性的定向等離子體束離子平均速度 的方法。
背景技術：
定向等離子體束已被廣泛地應用于刻蝕加工和航天推進等領域，離子的 平均噴射速度是定向等離子體的重要衡量指標之一，但其測量一直是個難題， 尤其是它的動態(tài)特性。穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(SPT)是電推進裝置的一種，廣泛應用于高軌衛(wèi)星 位姿保持、軌道轉(zhuǎn)移、深空探測等領域。SPT通過電場加熱電子來電離惰性 氣體為工質(zhì)，所形成的等離子體再被電場加速噴出，形成高速定向等離子體 射流，其比沖(即離子相對于裝置的平均噴出速度)可達2000s以上。比沖作 為推進器的一個重要指標，是必須測量的物理量。傳統(tǒng)的比沖測量一般有兩種其一是采用推力反推，首先測量定向等離 子體束工作時所形成的推力，然后再利用下面的公式反推得到比沖/2 .其中F是發(fā)動機推力，^是工質(zhì)氣體的質(zhì)量流量，采用這種方法，其測量 精度將嚴重依賴于推力F和氣體質(zhì)量流量A的準確測量，但SPT的推力只有 十幾至幾十毫牛，質(zhì)量流量也僅幾毫克，這使它們的測量都很困難，據(jù)此計 算所得的比沖自然也會存在很大的誤差；第二是多柵探針法，采用多柵探針 可以獲得離子能量分布函數(shù)，這樣就可以利用積分的方法獲得離子平均速度， 但實際上離子能量分布函數(shù)的測量過程十分繁瑣，測量精度也不是很高。更 重要的是采用以上這兩種方法根本不能獲得微秒量級的離子平均速度的變化 特性，而這種動態(tài)特性對研究SPT內(nèi)部的各種物理機制起著很重要的影響。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決現(xiàn)有測量離子的平均噴射速度的方法存在的誤差較大、測 量過程較繁瑣、精度較低、不能獲得微秒量級的離子平均速度的變化特性的問題，提供一種定向等離子體束離子平均速度的相關測量方法。完成本方法采用以下結(jié)構(gòu)的裝置，該裝置由穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機l、正偏壓電源2、示波 器3、第一探針4-l、第二探針4-2、第一電阻5-l、第二電阻5-2和供電電源 6組成，第一探針4-1和第二探針4-2分別設置在穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1的羽 流區(qū)內(nèi)，第一探針4-1和第二探針4-2的上端面的左右中心點都位于穩(wěn)態(tài)等離 子體發(fā)動機1的上下中心軸線上，第一探針4-l的輸出端和第一電阻5-l的第 一端都與示波器3的第一輸入端相連接，第二探針4-2的輸出端和第二電阻 5-2的第一端都與示波器3的第二輸入端相連接，第一電阻5-l的第二端、第 二電阻5-2的第二端和示波器3的電源輸入端都與正偏壓電源2的正極端相連 接，供電電源6的正極端與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1的正極端相連接，供電電 源6和正偏壓電源2的負極端都與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1的陰極補償器1-1 相連接；本發(fā)明的方法由以下步驟實現(xiàn)步驟一、啟動穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1并調(diào)節(jié)到穩(wěn)定放電的工作狀態(tài)；步驟二、調(diào)整正偏壓電源使第一探針4-1和第二探針4-2上加載的電壓都 分別處于電子電流飽和區(qū)；步驟三、啟動示波器3并調(diào)節(jié)顯示比例和掃描時間，使示波器3上能夠 顯示出清晰的低頻振蕩信號；步驟四、記錄并保存穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1在穩(wěn)定工作狀態(tài)下第一探針 4-1和第二探針4-2在同一時間段上的數(shù)據(jù)信號；步驟五、根據(jù)步驟四中保存的數(shù)據(jù)采用相關法計算第一探針4-1和第二探 針4-2所采信號相關性最強時的時間差At;步驟六、根據(jù)公式.Vi-L/AT計算出定向等離子體束的離子平均速度，其 中Vi表示定向等離子體束的離子平均速度，L表示第一探針4-1和第二探針 4-2的上端面的左右中心點之間的距離，At表示兩個信號相關性最強時信號之 間的時間差。本發(fā)明的有益效果是本方法的測量過程簡單，測量結(jié)果誤差較小，測 量時間尺度可達到微米量級，能夠獲得微秒量級上的離子平均速度的變化特 性，使SPT內(nèi)部的各種物理機制的研究更加深入。


圖1是本發(fā)明的方法所用測量電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的方法 流程圖；圖3是具體實施方式
二的效果圖。
具體實施方式
具體實施方式
一參見圖l、圖2，完成本實施方式的方法采用以下結(jié)構(gòu) 的裝置，該裝置由穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1、正偏壓電源2、示波器3、第一探 針4_1、第二探針4-2、第一電阻5-l、第二電阻5-2和供電電源6組成，第一 探針4_1和第二探針4-2分別設置在穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1的羽流區(qū)內(nèi)，第一 探針4-1和第二探針4-2的上端面的左右中心點都位于穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1 的上下中心軸線上，第一探針4-l的輸出端和第一電阻5-l的第一端都與示波 器3的第一輸入端相連接，第二探針4-2的輸出端和第二電阻5-2的第一端都 與示波器3的第二輸入端相連接，第一電阻5-l的第二端、第二電阻5-2的第 二端和示波器3的電源輸入端都與正偏壓電源2的正極端相連接，供電電源6 的正極端與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1的正極端相連接，供電電源6和正偏壓電 源2的負極端都與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1的陰極補償器1-1相連接；所述第一 探針4-1和第二探針4-2都可采用內(nèi)部鎢絲直徑為0.3mm，外部陶瓷管直徑為 lmm的探針，所述第一電阻5-1和第二電阻5-2都可采用阻值為lkQ的電阻；本實施方式的方法由以下步驟實現(xiàn)步驟一、啟動穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1并調(diào)節(jié)到穩(wěn)定放電的工作狀態(tài)；步驟二、調(diào)整正偏壓電源使第一探針4-1和第二探針4-2上加載的電壓都 分別處于電子電流飽和區(qū)；步驟三、啟動示波器3并調(diào)節(jié)顯示比例和掃描時間，使示波器3上能夠 顯示出清晰的低頻振蕩信號；步驟四、記錄并保存穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1在穩(wěn)定工作狀態(tài)下第一探針 4-1和第二探針4-2在同一時間段上的數(shù)據(jù)信號；步驟五、根據(jù)步驟四中保存的數(shù)據(jù)采用相關法計算第一探針4-1和第二探 針4-2所采信號相關性最強時的時間差At;步驟六、根據(jù)公式Vi=L/AT計算出定向等離子體束的離子平均速度，其 中Vi表示定向等離子體束的離子平均速度，L表示第一探針4-1和第二探針4-2的上端面的左右中心點之間的距離，AT表示兩個信號相關性最強時信號之 間的時間差。
具體實施方式
二參見圖3,本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于 由以下步驟實現(xiàn)步驟一、啟動穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機l并調(diào)節(jié)到放電電壓Up為300V、陽 極供氣流量為3mg/s的穩(wěn)定放電的工作狀態(tài)，從此時有一定密度的等離子體 充滿羽流區(qū)；步驟二、啟動正偏壓電源2，正偏壓電源2可采用0 100V可調(diào)式直流穩(wěn) 壓電源，調(diào)整正偏壓電源2的輸出值為40V，將第一探針4-1上端面的左右中 心點設置在與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1的上下中心點的距離為15cm處，將第二 探針4-2上端面的左右中心點設置在與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1的上下中心點的 距離為48cm處；步驟三、啟動示波器3，示波器3可采用Textronic TPS2024型隔離示波 器，將示波器3的顯示比例和掃描時間調(diào)整為25ps/格，使示波器3上能夠顯 示出清晰的低頻振蕩信號，此時可以觀察到第一探針4-1和第二探針4-2分別 探測到的等離子體密度隨時間變化的圖像；步驟四、保存穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機1在穩(wěn)定工作狀態(tài)下第一探針4-l和第 二探針4-2在同一時間段上的數(shù)據(jù)信號記為圖3a，圖3a中的信號。1為第一 探針4-1獲得的信號，信號為第二探針4-2獲得的信號；步驟五、根據(jù)步驟四保存的數(shù)據(jù)信號圖3a繪制出信號01和信號02在不 同時間差時的相關性結(jié)果圖3b，在圖3b查找信號<D1和信號①2相關值最大 時兩信號之間的時間差Ai;步驟六、根據(jù)公式Vi-L/Ai計算出定向等離子體束的離子平均速度，在 圖3b上查找出Ai:為18ps，在步驟二中得到L為33cm，則Vi=18.3km/s,圖 3c為根據(jù)公式Vi=L/AT計算出的15ps內(nèi)Vi的連續(xù)變化分布圖。
權利要求
1、定向等離子體束離子平均速度的相關測量方法，完成本方法采用以下結(jié)構(gòu)的裝置，該裝置由穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(1)、正偏壓電源(2)、示波器(3)、第一探針(4-1)、第二探針(4-2)、第一電阻(5-1)、第二電阻(5-2)和供電電源(6)組成，第一探針(4-1)和第二探針(4-2)分別設置在穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(1)的羽流區(qū)內(nèi)，第一探針(4-1)和第二探針(4-2)的上端面的左右中心點都位于穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(1)的上下中心軸線上，第一探針(4-1)的輸出端和第一電阻(5-1)的第一端都與示波器(3)的第一輸入端相連接，第二探針(4-2)的輸出端和第二電阻(5-2)的第一端都與示波器(3)的第二輸入端相連接，第一電阻(5-1)的第二端、第二電阻(5-2)的第二端和示波器(3)的電源輸入端都與正偏壓電源(2)的正極端相連接，供電電源(6)的正極端與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(1)的正極端相連接，供電電源(6)和正偏壓電源(2)的負極端都與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(1)的陰極補償器(1-1)相連接；其特征在于本發(fā)明的方法由以下步驟實現(xiàn)步驟一、啟動穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(1)并調(diào)節(jié)到穩(wěn)定放電的工作狀態(tài)；步驟二、調(diào)整正偏壓電源使第一探針(4-1)和第二探針(4-2)上加載的電壓都分別處于電子電流飽和區(qū)；步驟三、啟動示波器(3)并調(diào)節(jié)顯示比例和掃描時間，使示波器(3)上能夠顯示出清晰的低頻振蕩信號；步驟四、記錄并保存穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(1)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下第一探針(4-1)和第二探針(4-2)在同一時間段上的數(shù)據(jù)信號；步驟五、根據(jù)步驟四中保存的數(shù)據(jù)采用相關法計算第一探針(4-1)和第二探針(4-2)所采信號相關性最強時的時間差Δτ；步驟六、根據(jù)公式Vi＝L/Δτ計算出定向等離子體束的離子平均速度，其中Vi表示定向等離子體束的離子平均速度，L表示第一探針(4-1)和第二探針(4-2)的上端面的左右中心點之間的距離，Δτ表示兩個信號相關性最強時信號之間的時間差。
2、 根據(jù)權利要求1所述的定向等離子體束離子平均速度的相關測量方法， 其特征在于它由以下步驟實現(xiàn)步驟一、啟動穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(l)并調(diào)節(jié)到放電電壓Up為300V、陽 極供氣流量為3mg/s的穩(wěn)定放電的工作狀態(tài)；步驟二、啟動正偏壓電源(2)，正偏壓電源(2)可采用0-100V可調(diào)式直流 穩(wěn)壓電源，調(diào)整正偏壓電源(2)的輸出值為40V，將第一探針(4-l)上端面的左 右中心點設置在與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(l)的上下中心點的距離為15cm處，將 第二探針(4-2)上端面的左右中心點設置在與穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(l)的上下中 心點的距離為48cm處；步驟三、啟動示波器(3)，示波器(3)可采用Textronic TPS2024型隔離示波 器，將示波器(3)的顯示比例和掃描時間調(diào)整為使示波器(3)上能夠顯 示出清晰的低頻振蕩信號；步驟四、保存穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機(1)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下第一探針(4-1)和 第二探針(4-2)在同一時間段上的數(shù)據(jù)信號記為圖3a，圖3a中的信號Ol為第 一探針(4-l)獲得的信號，信號02為第二探針(4-2)獲得的信號；步驟五、根據(jù)步驟四保存的數(shù)據(jù)信號圖3a繪制出信號Ol和信號0>2在不 同時間差時的相關性結(jié)果圖3b，在圖3b查找信號Ol和信號02相關值最大時兩信號之間的時間差AT;步驟六、根據(jù)公式Vi二L/zVc計算出定向等離子體束的離子平均速度，在 圖3b上査找出Ai為1S^is，在步驟二中得到L為33cm，則Vi=18.3km/s，圖 3c為根據(jù)公式Vi=L/AT計算出的15ps內(nèi)Vi的連續(xù)變化分布圖。
全文摘要
定向等離子體束離子平均速度的相關測量方法，它涉及一種測量具有密度波動特性的定向等離子體束離子平均速度的方法，以解決現(xiàn)有測量方法存在的誤差較大、測量過程較繁瑣、不能獲得微秒量級的離子平均速度變化特性的問題。本發(fā)明的方法由以下步驟組成步驟一、啟動穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機并調(diào)節(jié)到穩(wěn)定放電的狀態(tài)；步驟二、調(diào)整正偏壓電源使兩個探針上加載的電壓都分別處于電子電流飽和區(qū)；步驟三、啟動示波器，調(diào)節(jié)并使示波器上能夠顯示出清晰的低頻振蕩信號；步驟四、記錄穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機在穩(wěn)定工作狀態(tài)下兩個探針在同一時間段上的數(shù)據(jù)信號；步驟五、查找兩個探針信號相關性最強時的時間差；步驟六、根據(jù)公式Vi＝L/Δτ計算定向等離子體束的離子平均速度。
文檔編號G01T1/29GK101221245SQ20071014477
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權日2007年12月7日
發(fā)明者丁永杰, 于達仁, 輝 劉, 寧中喜, 鴻 李 申請人:哈爾濱工業(yè)大學