電推力器羽流離子能譜測(cè)試儀設(shè)計(jì)及在軌數(shù)據(jù)分析

馬亞莉，薛玉雄，陳益鋒，王 鹢，高 欣，苗育君，田 愷

(蘭州空間技術(shù)物理研究所空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

由于電推力器具有高推力比沖等優(yōu)越性，可顯著提高航天器的性能，電推力器正越來(lái)越廣泛地被用于不同軌道航天器，尤其是大型長(zhǎng)壽命LEO、GEO和深空探測(cè)航天器上［1］。但是由于電推力器粒子噴射及擴(kuò)散，所產(chǎn)生的交換電荷等離子體羽流將對(duì)航天器表面、其他子系統(tǒng)及測(cè)試儀器產(chǎn)生物理、熱、化學(xué)及機(jī)械影響［2－3］，對(duì)航天器運(yùn)行及其壽命可能產(chǎn)生重要影響，因而必須盡可能多地獲得電推力器交換電荷等離子體羽流的信息。

目前，電推力器已用于我國(guó)低地球軌道衛(wèi)星，運(yùn)行性能穩(wěn)定。所搭載的等離子體診斷單元(包括阻滯勢(shì)分析儀RPA、朗繆爾探針LP和石英晶體微量天平QCM)獲得了大量等離子體羽流特性數(shù)據(jù)，為評(píng)價(jià)電推力器特性及對(duì)航天器的影響分析提供了重要依據(jù)。其中RPA用于獲得等離子體中離子的能譜及其束流密度。當(dāng)?shù)入x子體中離子能量大于被碰撞表面材料的濺射閾值，就會(huì)產(chǎn)生濺射腐蝕效應(yīng)，因而所獲得的離子能譜可直接評(píng)價(jià)羽流是否造成剝蝕效應(yīng)。RPA在軌測(cè)量得到數(shù)據(jù)結(jié)果還可用于仿真軟件的修正與改進(jìn)。

1 RPA測(cè)試原理

RPA探頭為平板探針結(jié)構(gòu)，由一系列電極組成，電極間由絕緣墊圈相互隔離開(kāi)來(lái)。RPA對(duì)等離子體中粒子的極性篩選及對(duì)離子能量的篩選是通過(guò)電場(chǎng)力對(duì)粒子的作用實(shí)現(xiàn)的?；镜腞PA探頭的橫截面如圖1所示。RPA探頭結(jié)構(gòu)第一層為入口柵網(wǎng)，在軌時(shí)與航天器結(jié)構(gòu)地相連，使RPA探頭內(nèi)部與外部空間隔離開(kāi)來(lái)。

圖1 RPA探頭橫截面圖

第二層為初級(jí)電子排斥柵網(wǎng)，通過(guò)給其施加相對(duì)于航天器結(jié)構(gòu)地足夠大的負(fù)電位，排斥掉來(lái)自入射等離子體中的電子。羽流等離子體中的電子和離子進(jìn)入RPA探頭后，在入口柵網(wǎng)和初級(jí)電子排斥柵網(wǎng)之間，正離子被加速而電子被減速排斥。能量小于施加負(fù)電壓的電子將被排斥并最終隨電壓源流走或離開(kāi)RPA探頭。

第三層?xùn)啪W(wǎng)為阻滯柵，該柵網(wǎng)上施加可變化正電壓，實(shí)現(xiàn)離子能量選擇。通過(guò)第二層?xùn)啪W(wǎng)后，正離子將被減速，只有能量與電荷比Ei/qi大于阻滯柵電壓的正離子才能克服電場(chǎng)力而通過(guò)該柵網(wǎng)并被收集極收集。

第四層?xùn)啪W(wǎng)為二次電子排斥柵，該柵網(wǎng)上施加負(fù)電壓，以防止進(jìn)入RPA的離子碰撞RPA內(nèi)部形成的二次電子到達(dá)收集極而產(chǎn)生測(cè)量誤差，收集極位于四層?xùn)啪W(wǎng)之后，收集極上所獲得的離子電流隨離子阻滯柵網(wǎng)電位的變化而變化，如圖2中I－V曲線所示。

圖2 RPA測(cè)試曲線圖

對(duì)I－V曲線進(jìn)行微分處理即可獲得羽流等離子體的離子能譜分布信息。圖2為測(cè)試I－V掃描曲線及其微分曲線，電流電壓特性曲線的導(dǎo)數(shù)(dI/dV)與離子的能量分布成比例［4］。

RPA收集電流計(jì)算見(jiàn)公式(1):

式中:Ac為探針有效電流收集面積；qi為離子所帶電荷數(shù)；ni為離子密度；umin(V)為能經(jīng)過(guò)離子掃描柵極的離子最小速度；f(ui)為羽流離子速度分布函數(shù)。

其中:

由公式(1)和公式(2)，可得:

從公式(3)可見(jiàn)，對(duì)于同一種離子，收集電流對(duì)離子掃描電壓的微分與離子電壓分布函數(shù)成正比。因?yàn)镋i/qi=V，Ei為離子的能量，qi為常數(shù)，f(V)=f(Ei/qi)即離子的電壓分布函數(shù)與能量分布函數(shù)等價(jià)。

2 RPA測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電推力器以氙氣為推進(jìn)劑工質(zhì)。預(yù)計(jì)返回到航天器的交換電荷等離子體中Xe+離子能量為0～80 eV，電子能量為 0．5～5 eV，等離子體密度為1011～1014個(gè)/m3，離 子 電 流 密 度 為 0．01 ～50 μA/cm2。由預(yù)計(jì)等離子體參數(shù)，完成了RPA測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 RPA 測(cè)試系統(tǒng)

RPA測(cè)試系統(tǒng)主要由RPA探頭和診斷線路盒兩部分組成。診斷線路盒實(shí)現(xiàn)與航天器測(cè)控系統(tǒng)的通訊，為RPA探頭柵網(wǎng)提供離子掃描電壓和偏置電壓，進(jìn)行離子阻滯柵網(wǎng)掃描電壓測(cè)量和收集極電流測(cè)量，如圖3所示。

2.2 RPA測(cè)試準(zhǔn)確性主要影響因素分析

RPA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于探頭設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)入x子體進(jìn)入RPA探頭內(nèi)部后，將產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)、靜電透鏡效應(yīng)。由于這些現(xiàn)象的存在，必須對(duì)RPA探頭進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)水平直接關(guān)系到RPA的能量分辨率，測(cè)試正確性及測(cè)試精度。

RPA為靜電型等離子體探頭，利用阻滯電場(chǎng)對(duì)正負(fù)粒子進(jìn)行分離并對(duì)不同能量粒子進(jìn)行篩選的，因而應(yīng)盡可能使得RPA探頭內(nèi)部柵網(wǎng)之間電場(chǎng)為平行電場(chǎng)；但實(shí)際上，由于柵網(wǎng)為網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)且柵網(wǎng)間帶電粒子的存在，即存在靜電透鏡效應(yīng)和空間電荷效應(yīng)而使得實(shí)際電場(chǎng)偏離平行電場(chǎng)，必須對(duì)探頭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)以使上述兩種效應(yīng)影響最小化。

圖3 RPA測(cè)試系統(tǒng)組成

2.2.1 靜電透鏡效應(yīng)分析

柵網(wǎng)網(wǎng)孔及RPA探頭內(nèi)柵網(wǎng)間距較小都將造成柵網(wǎng)網(wǎng)孔處的有效電位(柵網(wǎng)網(wǎng)孔中心電位)低于所施加電壓，存在電位的鞍形降落。在分析儀中，由于柵網(wǎng)兩側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度不同而存在靜電透鏡效應(yīng)，通常強(qiáng)場(chǎng)將穿過(guò)弱場(chǎng)區(qū)域，即等勢(shì)線在柵網(wǎng)網(wǎng)孔處凸起，形成朝向弱場(chǎng)的凸面［5］。

影響有效電位的因素包括:柵網(wǎng)厚度、柵網(wǎng)網(wǎng)孔孔徑、柵網(wǎng)間距。通過(guò)靜電分析軟件，可計(jì)算得到柵網(wǎng)間距、柵網(wǎng)厚度和柵網(wǎng)網(wǎng)孔孔徑對(duì)柵網(wǎng)上的實(shí)際電位的影響關(guān)系。各參數(shù)對(duì)實(shí)際電位的影響如下:

(1)柵網(wǎng)網(wǎng)孔越小，有效電位越接近柵網(wǎng)施加電壓；

(2)柵網(wǎng)間距越近，有效電位受到其他電極電位的影響越大，則柵網(wǎng)網(wǎng)孔處有效電位偏離施加電壓越多；柵網(wǎng)間距越大，則有效電位越接近柵網(wǎng)施加電壓；

(3)柵網(wǎng)越厚，有效電位越接近柵網(wǎng)施加電壓。

對(duì)于初級(jí)電子排斥柵網(wǎng)，由于到達(dá)該柵網(wǎng)的是等離子體，要實(shí)現(xiàn)排斥電子的作用，該柵網(wǎng)網(wǎng)孔需小于德拜長(zhǎng)度才能對(duì)等離子體產(chǎn)生電場(chǎng)作用。

從提高有效電位角度而言柵網(wǎng)越厚越好，但厚的柵網(wǎng)增加了撞擊面積從而減少了通過(guò)的離子，同時(shí)使得離子碰撞產(chǎn)生的二次電子增加。使用間隔非常近的等電位雙層?xùn)啪W(wǎng)可達(dá)到厚柵網(wǎng)相同的效果，可使有效電位與施加電位比值達(dá)到98%［6］。

柵網(wǎng)間距越大則越有利于有效電位的提高，但由于柵網(wǎng)間帶電粒子的存在，柵網(wǎng)間距不宜過(guò)大，否則將引起顯著的空間電荷效應(yīng)［7］，進(jìn)而影響測(cè)試精度。

2.2．2 空間電荷效應(yīng)分析

通過(guò)初級(jí)電子排斥柵網(wǎng)后，進(jìn)入?yún)^(qū)域II(初級(jí)電子排斥柵和離子阻滯柵網(wǎng)之間的區(qū)域)的粒子均為正離子。當(dāng)離子阻滯柵網(wǎng)電壓為某一定值時(shí)，小于該電壓對(duì)應(yīng)能量的離子將分布在區(qū)域II內(nèi)，從而產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。即由于區(qū)域II中離子電荷的存在，使得該區(qū)域內(nèi)電位高于真空時(shí)的水平。

研究結(jié)果表明，區(qū)域II內(nèi)的等離子體密度n必須小于特定值，該值與初級(jí)電子排斥柵網(wǎng)G1處的最小離子動(dòng)能E，柵網(wǎng)G1與離子阻滯柵網(wǎng)G2之間的間距L有關(guān)。空間電荷效應(yīng)顯著時(shí)，在區(qū)域II內(nèi)將形成高于離子阻滯柵網(wǎng)電位的電位峰值，那么離子將會(huì)被這個(gè)高峰值電位所排斥，從而獲得錯(cuò)誤的低離子能量測(cè)試結(jié)果。

因而，為了能實(shí)現(xiàn)特定能量離子篩選功能，必須確保區(qū)域 II中的電位不能超過(guò)離子能量所對(duì)應(yīng)的掃描電壓。進(jìn)入?yún)^(qū)域II內(nèi)的等離子體密度與最大允許間距L必須滿足確定的關(guān)系，在滿足這一關(guān)系時(shí)，可保證區(qū)域II內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)掃描電壓的高電位，這一關(guān)系表述為Green表達(dá)式［8］:

式中:E為初級(jí)電子排斥柵處的最小離子能量。初級(jí)電子排斥柵網(wǎng)所加電位可認(rèn)為是離子的最小動(dòng)能。由待測(cè)等離子體密度n及初級(jí)電子排斥柵處的最小離子能量E，可確定允許的最大間距L。

綜上兩種效應(yīng)分析，結(jié)合具體待測(cè)等離子體參數(shù)及軟件分析計(jì)算結(jié)果確定柵網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸、柵網(wǎng)厚度及柵網(wǎng)間距等關(guān)鍵探頭尺寸。確定柵網(wǎng)網(wǎng)孔大小為0．3 mm(小于等離子體的德拜長(zhǎng)度0．53 mm)，初級(jí)電子排斥柵網(wǎng)和二次電子排斥柵網(wǎng)施加－30 V的直流偏置電壓，這一負(fù)電壓足以排斥掉所有的初級(jí)電子和二次電子。確定初級(jí)電子阻擋柵網(wǎng)電壓后，由公式(4)計(jì)算得到柵網(wǎng)2和柵網(wǎng)3之間的最大允許間距為2.7 mm，因而將柵網(wǎng)間距定為2.5 mm。由于Xe+離子為一價(jià)離子，因而離子阻滯柵網(wǎng)施加電壓在0～80 V范圍即可覆蓋整個(gè)離子能量范圍，掃描電壓為臺(tái)階式變化電壓，電壓步階為0．5 V，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子能量的精細(xì)分辨。對(duì)于特定柵網(wǎng)間距及柵網(wǎng)電壓，通過(guò)Ansys計(jì)算發(fā)現(xiàn)，柵網(wǎng)厚度為0．2 mm時(shí)，計(jì)算得到的柵網(wǎng)有效電壓與施加電壓比值約為98%。

柵網(wǎng)均由316不銹鋼加工而成，厚度為0．2 mm。各層?xùn)啪W(wǎng)透過(guò)率均相同，約為0．5，總透過(guò)率 T"0．54=0．062 5，入口柵網(wǎng)直徑為5 cm，電流有效收集面積為0．77 cm2。收集極由Mo01制成，選擇Mo01為收集極材料是由于其具有低的二次電子發(fā)射系數(shù)。

3 在軌測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

搭載RPA已獲得了在軌100多天測(cè)試數(shù)據(jù)。在每一個(gè)掃描電壓下，測(cè)量2～3個(gè)電流值，取其平均值作為該電壓下的收集極電流值。隨機(jī)選取多組測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制出RPA的I－V測(cè)試曲線，曲線一致性較好。圖4所示為獲得的典型測(cè)試曲線。

圖4 在軌RPA的I－V測(cè)試曲線

測(cè)量得到離子最大收集電流約為473 nA，可計(jì)算得到入射離子束流密度為568 nA/cm2。

由I－V曲線，可得到dI/dV曲線，即離子能譜分布曲線，如圖5所示。

圖5 離子能譜分布圖

由dI/dV曲線，可獲得交換電荷羽流等離子體中Xe+離子能譜特點(diǎn)。離子能量集中在12～25 eV，這一能量遠(yuǎn)低于鋁的濺射閾值68 eV，因而可以認(rèn)為電推力器所產(chǎn)生的交換電荷等離子體不會(huì)引起航天器表面材料的濺射。假設(shè)離子能量為15 eV，計(jì)算得到離子密度為8．2×1012個(gè)/m3；假設(shè)離子能量為20 eV時(shí)，計(jì)算得到的離子密度為7．1×1012個(gè)/m3。

表1所列為國(guó)外獲得的在軌電推力器交換電荷等離子體參數(shù)。

表1 國(guó)外獲得的在軌電推力器交換電荷等離子體參數(shù)［9－10］

在軌電推力器交換電荷等離子體參數(shù)與國(guó)外比對(duì)可以看出，羽流等離子體密度范圍和離子能量范圍相近。

4 結(jié)論

分析了影響RPA測(cè)試準(zhǔn)確性的關(guān)鍵影響因素，設(shè)計(jì)出適合在軌電推力器能譜測(cè)試用長(zhǎng)壽命、高精度RPA系統(tǒng)。采用所設(shè)計(jì)的RPA完成了在軌數(shù)據(jù)測(cè)試，獲得了RPA所處位置處的等離子體能譜分布及等離子體密度范圍。

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