一種基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷e×b探針的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于等離子體質(zhì)譜診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是指一種利用維恩速度過濾 器原理分離不同電荷數(shù)離子并使用法拉第筒進(jìn)行離子電流收集的質(zhì)譜儀器，在電推進(jìn)研宄 中主要用于測量離子推力器與霍爾推力器近場羽流中二價離子比例。
【背景技術(shù)】
[0002] 電推進(jìn)是利用電能加熱或電離推進(jìn)劑加速工質(zhì)，使其形成高速射流噴出而產(chǎn)生推 力的一種推進(jìn)方式。電推進(jìn)的最大特點(diǎn)是小推力、高比沖、效率高和壽命長，在大型航天器 的軌道控制、深空探測和星際航行等空間任務(wù)中有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 離子推力器與霍爾推力器是目前航天器上使用較廣泛的動力裝置，是航天器實(shí)現(xiàn) 位置保持、姿態(tài)控制和軌道轉(zhuǎn)移等功能所必需的核心部件。其具有比沖高、壽命長、能重復(fù) 啟動、推力小和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，主要為同步軌道衛(wèi)星的南北位置保持、低軌道衛(wèi)星的阻 力補(bǔ)償、航天器的軌道轉(zhuǎn)移和星際探測器提供動力。
[0004] 離子推力器與霍爾推力器羽流等離子體中的離子主要是一價離子，同時存在一定 比例的二價離子。由于經(jīng)歷的加速電壓相同，二價離子的能量是一價離子的兩倍，這種高能 離子對航天器危害較大，一定程度上降低了推力器的推力、效率及壽命，同時會加劇航天器 表面的濺射污染。因此，在離子推力器與霍爾推力器系統(tǒng)研宄中開展羽流二價離子比例的 測量具有重要的意義。EXB探針是測量等離子體不同能量、質(zhì)量或價電離子的有效手段之 一，其測量原理簡單，分辨率高。目前還沒有專門針對離子推力器與霍爾推力器近場羽流二 價離子測量的EXB探針。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明中提供了一種采用質(zhì)譜診斷的方法對離子推力器與霍爾推 力器近場羽流進(jìn)行測量的EXB探針，測量獲得推力器近場羽流的二價離子比例。
[0006] EXB探針主體為立方體結(jié)構(gòu)，前端面安裝有柱狀準(zhǔn)直管，后端面安裝有漂移管及 收集器，置于推力器近場羽流中用于收集不同電荷數(shù)離子。
[0007] 所述EXB探針包括：中心架、鐵氧體永磁體、平板電極板、電極板固定座、準(zhǔn)直管、 漂移管、法拉第筒、碳鋼殼體及防濺射隔熱層。具體連接關(guān)系為：以中心架為主要結(jié)構(gòu)體，鐵 氧體永磁體分別置于中心架上下表面，電極板使用聚四氟乙烯固定座固定于中心架內(nèi)部， 探針使用六塊碳鋼殼體進(jìn)行封裝。不銹鋼準(zhǔn)直管與漂移管分別通過軸孔配合固定于中心架 兩端中心。準(zhǔn)直管分為A、B兩段，采用緊配合套接，并用法蘭盤固定。漂移管與準(zhǔn)直管結(jié)構(gòu) 類似，分為漂移管入口段與漂移管主體，同樣采用緊配合與法蘭盤連接方式進(jìn)行連接緊固， 漂移管主體與收集器保護(hù)套筒整體加工形成。探針收集器使用鋁制法拉第筒進(jìn)行信號收 集，法拉第筒外套有聚四氟乙烯絕緣套筒，在法拉第筒底部連有螺紋桿，用于固定法拉第筒 及連接信號線。探針殼體前端采用防濺射隔熱層包覆，并用螺栓固定。
[0008] 所述中心架為探針主要結(jié)構(gòu)體，采用鋁塊一體加工而成，用于固定鐵氧體永磁體、 固定電極板、固定準(zhǔn)直管與漂移管、固定碳鋼殼體，電極板供電線從中心架端部小孔引出。 中心架兩端開有IOmm通孔，具有較高的同軸度。
[0009] 所述磁場采用兩塊150mm*100mm*25mm鐵氧體永磁體形成，異性磁極相對，磁鐵間 距為40mm。準(zhǔn)直管出口與漂移管入口伸入磁場中，距磁鐵邊緣8mm，有效EXB場長度為 134mm〇
[0010] 所述電極板采用兩塊134mm*36mm*6mm鋁制平板電極組成，電極板相對平面表面 光滑，反面設(shè)置有接線柱安裝螺紋孔與電極板固定螺紋孔，兩端使用聚四氟乙烯固定座固 定，形成II字型結(jié)構(gòu)。兩電極板間施加0~600V電壓，間距為20mm，電極板外分別連有IM Ω 電阻，中間接地以保證電極板間軸線處電勢為零，且電極板電勢大小相等，正負(fù)相反。
[0011] 通過電磁場的離子電荷數(shù)（z)與電極板電壓差（Vp)關(guān)系式為：
【主權(quán)項】
1. 基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：包含中心架、鐵氧體永磁 體、平板電極板、電極板固定座、準(zhǔn)直管、漂移管、法拉第筒、碳鋼殼體及防濺射隔熱層。連接 關(guān)系為：以中心架為主要結(jié)構(gòu)體，鐵氧體永磁體分別置于中心架上下表面，電極板使用聚四 氟乙烯固定座固定于中心架內(nèi)部，探針使用六塊碳鋼殼體進(jìn)行封裝。不銹鋼準(zhǔn)直管與漂移 管分別通過軸孔配合固定于中心架兩端中心。準(zhǔn)直管分為A、B兩段，采用緊配合套接，并用 法蘭盤固定。漂移管與準(zhǔn)直管結(jié)構(gòu)類似，分為漂移管入口段與漂移管主體，同樣采用緊配合 與法蘭盤連接方式進(jìn)行連接緊固，漂移管主體與收集器保護(hù)套筒整體加工形成。探針收集 器使用鋁制法拉第筒進(jìn)行信號收集，法拉第筒外套有聚四氟乙烯絕緣套筒，在法拉第筒底 部連有螺紋桿，用于固定法拉第筒及連接信號線。探針殼體前端采用防濺射隔熱層包覆，并 用螺栓固定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：中 心架為探針主要結(jié)構(gòu)體，采用鋁塊一體加工而成，用于固定鐵氧體永磁體、固定電極板、固 定準(zhǔn)直管與漂移管、固定碳鋼殼體，電極板供電線從中心架端部小孔引出。中心架兩端開有 IOmm通孔，具有較高的同軸度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：磁 鐵采用兩塊150mm*100mm*25mm鐵氧體永磁體構(gòu)成，異性磁極相對，磁鐵間距為40mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：電 極板采用兩塊134mm*36mm*6mm鋁制平板電極組成，電極板相對平面表面光滑，反面設(shè)置有 接線柱安裝螺紋孔與電極板固定螺紋孔，兩端使用聚四氟乙烯固定座固定，形成II字型結(jié) 構(gòu)。兩電極板間施加〇~600V電壓，間距為20mm，電極板外分別連有IMΩ電阻，中間接地 以保證電極板間軸線處電勢為零，且電極板電勢大小相等，正負(fù)相反。 通過電磁場的離子電荷數(shù)（z)與電極板電壓差（Vp)關(guān)系式為： Vii= dB-^lzeV I m 其中d為電極板間距，B為磁場強(qiáng)度，e為單位電荷量，V為離子加速電壓，m為離子質(zhì) 量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：探 針使用六塊碳鋼板進(jìn)行封裝，前后端碳鋼板中心開有22mm通孔，上下碳鋼板較厚為8mm，其 余為5mm。上下碳鋼板長邊側(cè)面開有3個M4螺紋孔，用于方便裝卸碳鋼板及固定防濺射隔 熱層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：準(zhǔn) 直管采用不銹鋼制作，分為A、B兩段，總長67mm，入口與出口孔徑均為2mm，A、B段采用緊配 合套接，并在結(jié)合處分別設(shè)置有外徑為22_的法蘭盤，用于固定準(zhǔn)直管。準(zhǔn)直管與中心架 采用軸孔緊配合連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：漂 移管采用不銹鋼制作，分為漂移管入口段與漂移管主體，采用軸孔配合與法蘭盤連接方式 進(jìn)行連接緊固，總長55_，漂移管入口孔徑為3_ ;漂移管主體與收集器保護(hù)套筒整體加工 形成，漂移管出口孔徑為6mm，保護(hù)套筒內(nèi)徑為22mm〇
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：探 針使用鋁制法拉第筒進(jìn)行信號收集，法拉第筒內(nèi)徑為6_，法拉第筒外套有聚四氟乙烯絕緣 套筒，在法拉第筒底部連有15mm長螺紋桿，使用雙螺母緊固法拉第筒及連接信號線。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針，其特征是：探 針殼體前端采用防濺射隔熱層包覆，防濺射隔熱層采用柔性石墨布材料，并用螺栓固定。
10. 應(yīng)用權(quán)利要求1所述的基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷EXB探針的使用方法， 其特征在于：包括以下步驟： 1) 離子推力器或霍爾推力器噴射等離子體，形成羽流； 2) 掃描電源提供0~600V的掃描電壓，在電極板間形成變化的均勾分布的電場，與垂 直方向上分布的鐵氧體永磁體形成均勻正交的電磁場； 3) 羽流離子通過準(zhǔn)直管進(jìn)入探針EXB場區(qū)，具有特定速度的離子在均勻正交的電磁 場作用下通過E X B場區(qū)進(jìn)入漂移管，最后到達(dá)法拉第筒內(nèi)； 4) 法拉第筒表面采集經(jīng)過電磁場區(qū)篩選的羽流離子，形成離子電流； 5) 防濺射隔熱層有效保護(hù)探針前端面免受羽流離子直接轟擊發(fā)生濺射及熱沉積； 6) 法拉第筒采集的離子電流由皮安表測量得到； 7) 皮安表收集到的電流信號與掃描電源輸出的電壓信號通過數(shù)據(jù)采集儀采集，從而獲 得隨掃描電壓變化的I-V曲線，通過計算獲得二價離子比例。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于法拉第筒的近場羽流質(zhì)譜診斷E×B探針，屬于等離子體質(zhì)譜診斷技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于離子推力器與霍爾推力器近場羽流測量。包括：中心架、鐵氧體永磁體、平板電極板、電極板固定座、準(zhǔn)直管、漂移管、法拉第筒、碳鋼殼體及防濺射隔熱層。連接關(guān)系為：以中心架為核心部件，鐵氧體永磁體分置于中心架上下表面，電極板固定于中心架內(nèi)部，形成均勻正交電磁場區(qū)。探針使用六塊碳鋼殼體封裝，探針殼體前端采用防濺射隔熱層包覆。不銹鋼準(zhǔn)直管與漂移管通過軸孔配合固定于中心架兩端中心。通過調(diào)節(jié)電極板間電壓篩選不同價電離子，采用鋁制法拉第筒采集一價與二價離子電流，通過分析計算得到近場羽流二價離子比例。
【IPC分類】G01N21-73
【公開號】CN104730066
【申請?zhí)枴緾N201510166343
【發(fā)明人】吳亞雄, 何青松, 王海興
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月9日