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，目前國內尚未開(kāi)展離子推力器的等離子體參數診斷工作。應用發(fā)射探針診斷離子推力器放電等離子體的參數，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的組成。說(shuō)明了數據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診斷具有重要意義，穩態(tài)下放電室內的等離子體分布決定著(zhù)推力器性能的許多重要方面，而等離子體的運動(dòng)是在電磁場(chǎng)共同作用下的結果，因此掌握放電室內的電勢分布有助于加深對放電過(guò)程的理解，實(shí)測數據還用作數值模型的輸入，實(shí)驗診斷數據是對各種數值模型和分析模型的重要檢驗。

　　放電室等離子體參數診斷包括非接觸式測量和接觸式測量法，如LIF(激光誘導熒光)技術(shù)、靜電探針診斷技術(shù)等。國外開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗研究工作較早也較成熟，如Sengupta等為了研究不同的磁路結構對推力器性能的影響，在NSTAR樣機上開(kāi)展了一系列的實(shí)驗診斷工作，Herman 等針對NEXT型離子推力器開(kāi)展了離子推力器放電室等離子電勢發(fā)射探針診斷工作。國內尚未開(kāi)展離子推力器放電室等離子體參數診斷工作，隨著(zhù)國內電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗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發(fā)射探針診斷的原理、系統組成及數據處理和誤差分析等幾部分內容。

　　1、發(fā)射探針電勢診斷原理

　　懸浮發(fā)射探針工作原理簡(jiǎn)單，能夠對當地等離子體電勢進(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據。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，當燈絲溫度上升，電子自燈絲熱發(fā)射出來(lái)。在理論上，當燈絲加熱充分時(shí)，發(fā)射的電子基本上能夠中和探針頭周?chē)�的鞘層，從而允許探針懸浮于當地的等離子體電勢。事實(shí)上，對于強發(fā)射的懸浮探針，因為過(guò)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)射流不足以補償收集流，因為等離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據。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，當燈絲溫度上升，電子自燈絲熱發(fā)射出來(lái)。在理論上，當燈絲加熱充分時(shí)，發(fā)射的電子基本上能夠中和探針頭周?chē)�的鞘層，從而允許探針懸浮于當地的等離子體電勢。事實(shí)上，對于強發(fā)射的懸浮探針，因為過(guò)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)射流不足以補償收集流，因為等離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. 鞘層區域;2. 預鞘層區域;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(lái)自空間電荷效應。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?chē)�形成熱發(fā)射鞘層，直接影響著(zhù)診斷的準確性，探針理論上稱(chēng)之為空間電荷效應，會(huì )使診斷的電位小于當地實(shí)際等離子體電位，發(fā)射探針測量給出的誤差為T(mén)e/e 的幾分之一量級。通過(guò)降低探針發(fā)射強度外推可以減弱空間電荷的影響，從而得到更為準確的診斷結果。

　　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(guò)使用高壓SHV同軸電纜噪聲可盡可能降低，在放電室內外都是這樣。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估的漏電流結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(guò)燈絲進(jìn)行等離子體電勢的測量導致跨過(guò)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，導致相對電勢測量不受影響。

4、結論

　　對于離子推力器的研制，放電室等離子體參數診斷是一項重要的工作。目前國內還沒(méi)有開(kāi)展相關(guān)的研究。通過(guò)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進(jìn)行了較詳細的介紹。分析了磁場(chǎng)對電勢診斷的影響以及診斷誤差等。為開(kāi)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。