離子發(fā)動機羽流空間電位診斷

曹帥,湯海濱,張尊,章喆

北京航空航天大學宇航學院,北京100191

離子發(fā)動機羽流空間電位診斷

曹帥,湯海濱*,張尊,章喆

北京航空航天大學宇航學院,北京100191

離子發(fā)動機羽流空間電位分布不合理可能會造成一系列問題,以至于影響航天器的正常工作。試驗使用發(fā)射探針對20 cm氙離子發(fā)動機束流區(qū)等離子體空間電位進行診斷,測點選取軸向距離發(fā)動機出口平面250～900mm,徑向0～450mm,探針鎢絲直徑0.1mm,加熱電流1.5～2.5 A。發(fā)射探針診斷建立在電子熱發(fā)射基礎上,因其I-V曲線拐點較朗繆爾探針更為明顯,所以測量得到的空間電位分布更為準確。國外已經(jīng)廣泛使用發(fā)射探針測量等離子體空間電位,發(fā)射探針的試驗數(shù)據(jù)處理方法仍存在較大分歧。從發(fā)射探針工作時的物理過程著手,分析熱電子發(fā)射多少對空間電位診斷結果的影響,采用不同的探針I(yè)-V曲線處理方法并對各種方法利弊進行討論,分析偏離真實空間電位的原因,比較得到較為合理的結果,對發(fā)射探針的結構改造和加熱電流的選取提供依據(jù),為發(fā)動機性能的改善和羽流仿真模型提供參考。

離子發(fā)動機;羽流診斷;空間電位;發(fā)射探針;熱電子發(fā)射

離子發(fā)動機羽流可能會影響太陽能翼板與航天器的正常工作,是影響航天器可靠性和壽命的關鍵因素,所以對離子發(fā)動機的羽流進行診斷意義重大。

離子推力器的羽流中等離子體元素,加上其他的中性粒子圍繞在航天器周圍,組成了污染環(huán)境,這將導致下列影響[1]:

1)電位敏感表面產(chǎn)生電流;

2)太陽能電池翼、熱控表面、光學窗等分系統(tǒng)的性能下降;

3)等離子體對傳輸信號電磁波的干擾,影響星上傳感器的正常工作;

4)航天器的絕對和相對充電情況;

5)靜電、電磁干擾;

6)表面現(xiàn)象,例如航天器的輝光放電;

7)對航天器輻射性能的改變;

8)對航天器表面電、熱性能的改變。

圖1是推力器與航天器相互作用示意。兩者之間的相互作用,大部分會降低航天器的運行性能、污染航天器表面、降低航天器運行壽命。為了能夠理解和預測電推力器可能會對航天器造成的影響,對電推力器羽流等離子體參數(shù)(如:電子溫度、空間電位等)的空間分布、傳輸機制的測量和解釋顯得尤為重要。

離子發(fā)動機羽流的組成主要包括:束流離子、電子、中性原子、交換電荷離子和非推進劑粒子[2]。試驗使用集成探針測試系統(tǒng)(包括Langmuir探針(靜電探針)、發(fā)射探針、法拉第探針等)對20 cm氙離子發(fā)動機羽流進行診斷,以得到羽流等離子體的空間電位、電子和離子的溫度、密度和速度等特性參數(shù)。

圖1 電推力器羽流與航天器的相互作用示意Fig.1 Diagram of interaction between electric thruster’s plume and spacecraft

離子發(fā)動機等離子體羽流在宏觀上是呈電中性的,但是在微觀尺度上卻有電磁性,即不同空間處等離子體的電位不同,研究空間電位對理解和研究羽流等離子體數(shù)密度和電子溫度分布等具有重要參考價值[3]。本文從發(fā)射探針工作時的物理過程著手,結合試驗結果與等離子體探針測量的理論,采用不同的探針I(yè)-V曲線處理方法,探究熱電子發(fā)射對空間電位診斷結果的影響,分析偏離真實空間電位的原因,以比較得到較為合理的結果,對發(fā)射探針的設計改進和加熱電流的選取提供參考,為仿真結果和發(fā)動機結構改造提供依據(jù)。

1 診斷方法

1.1 診斷原理

Langmuir探針測量等離子體空間電位的原理是:把探針放入等離子體中,從它測得的I-V特性曲線中電子飽和電流的拐點來確定等離子體電位,如圖2所示[4]。通常采集型Langmuir探針的I-V曲線中,采集到的離子電流幅值很小,導致空間電位的“拐點”不明顯,甚至看不到,所以會導致等離子體空間電位的結果不準確。Langmuir在提出探針理論之初就提出了兩種類型的探針,即采集探針和發(fā)射探針。其中,采集探針應用比較廣泛,而發(fā)射探針用的較少,故對發(fā)射探針的特性了解甚少,但發(fā)射探針在測量磁場中的等離子體電位及存在電子束和離子束的等離子體電位方面,明顯優(yōu)于采集探針[5]。

圖2 Langmuir靜電探針典型I-V特性曲線Fig.2 TypicalI-Vcharacteristic curve of Langmuir probe

結合發(fā)射探針的理想伏安特性曲線(即I-V曲線),如圖3所示[6-7]。曲線1為發(fā)射探針沒有發(fā)射電子時的I-V曲線,類似于一般的Langmuir采集探針的I-V曲線。此時,發(fā)射探針只收集周圍等離子體中的電子和離子而不發(fā)射電子。曲線3是純發(fā)射電流,發(fā)射探針的電位低于等離子體的空間電位時,對應CD段,探針周圍電子較多,使探針所發(fā)射出來的電子全部被勢壘排斥回探針表面,此時探針的發(fā)射電流幾乎為零;AB段相應于發(fā)射探針的電位低于等離子體的空間電位,探針周圍離子較多,從探針發(fā)射出來的電子被勢壘加速全部進入到主等離子體區(qū);BC段是過渡階段,發(fā)射探針電位稍高于主等離子體區(qū)空間電位,此時探針周圍的電子較少,只有那些能量較高足以克服勢壘的電子才能逃離探針鞘層進入等離子體中,因此BC段發(fā)射電流隨著探針電位的升高而指數(shù)衰減。從圖3中可以看到,由于發(fā)射探針能夠發(fā)射電子,在I-V曲線離子飽和區(qū)和過渡區(qū)增大了收集到的離子電流,使曲線的過渡區(qū)跨過的區(qū)域更大,拐點也更加明顯,從而使空間電位的確定更加精確[8-9]。

圖3 理想發(fā)射探針特性曲線[6-7]Fig.3 Ideal characteristic curve of emissive probe[6-7]

發(fā)射探針端部一般使用釷鎢等特殊材料,在有較大加熱電流的情況下會向外發(fā)射電子。圖4中位于中部的曲線是發(fā)射探針加熱電流較小情況下的I-V曲線,可以看出離子電流部分已經(jīng)出現(xiàn)了大幅增加;而最下面的曲線是發(fā)射探針在較大加熱電流情況下的I-V曲線,此時,曲線中的離子電流部分已經(jīng)出現(xiàn)了急劇增加,此條曲線的拐點是最明顯的?？梢钥闯?隨著發(fā)射探針加熱電流的逐漸增加,發(fā)射電子愈加劇烈,曲線過渡區(qū)的拐點逐步明顯,這就是發(fā)射探針確定空間電位的優(yōu)勢所在[10]。

圖4 不同加熱電流時的發(fā)射探針I(yè)-V特性曲線Fig.4I-Vcharacteristic curves of emissive probe with different heating currents

總的來說,發(fā)射探針工作原理基本類似Langmuir單探針原理。它不僅可以收集電子和離子,還可以發(fā)射電子。雖然Langmuir采集探針可以測量出等離子體的多個重要的參數(shù),但是在非理想條件下(比如電子、離子不滿足麥克斯韋分布),Langmuir采集探針測量出的等離子體電位的精度有很大的降低。粒子束、磁場的存在、顯著的等離子體振蕩和探針表面污染等都會導致Langmuir采集探針測量出的等離子體電位存在偏差[11]。所以,這里將采用發(fā)射探針的方法來測得等離子體的空間電位,得到羽流等離子體的空間電位分布。

1.2 測試設備

(1)真空設備

試驗真空艙主體結構材料為不銹鋼,圓柱形臥式結構,總長12.8 m,最大外徑5.5 m,可為離子推力器提供一個模擬太空狀態(tài)的環(huán)境。真空艙尺寸遠大于離子推力器的尺寸,避免影響離子推力器束流形狀和羽流中的等離子體分布,同時方便在艙內(nèi)安置推力器、管路和各種類型的測量儀器,如位移機構、集成探針及工裝、推力測量裝置等。

真空泵組由干泵、羅茨泵、分子泵和低溫泵組成,真空系統(tǒng)真空泵組的開機順序及具體參數(shù)見表1。當?shù)蜏乇脤⒄婵斩瘸橹?0-4Pa量級時,可開始進行試驗。

表1 真空泵組參數(shù)Table 1 Vacuum pump group’s parameters

(2)離子推力器

本次試驗使用20 cm考夫曼型離子推力器,推力器為雙柵極系統(tǒng),柵極表面向外凸出,推進劑為氙氣。20 cm氙離子推力器的關鍵工作參數(shù)見表2。

表2 試驗離子推力器的關鍵參數(shù)Table 2 Experimental ion thruster’s critical parameters

(3)發(fā)射探針測試系統(tǒng)

探針設計時應考慮的主要問題:1)探針及其支撐尺寸盡量小,以減少對周圍等離子體的擾動;2)所選發(fā)射探針材料應當具有較低的逸出功,良好的發(fā)射電子能力,能夠使發(fā)射的電子電流遠大于采集到的離子電流;3)發(fā)射體材料還應當具有耐高溫能力,不與等離子體發(fā)生化學反應;4)加熱電流的選取應考慮探針發(fā)射體材料種類與直徑,較小直徑時過大的加熱電流可能會導致電子發(fā)射過于劇烈,探針容易燒斷。

探針材料要求具有耐高溫、較低的逸出功即良好的發(fā)射電子能力[12]。鎢材料中加入0.4%～4.2%氧化釷(Th O2)形成的鎢釷合金,降低了鎢表面的逸出功,具有很高的熱電子發(fā)射能力,還可以提高純鎢的載流能力[13]。試驗使用直徑為0.1 mm,含1%的釷鎢絲作為發(fā)射探針材料,它具有較高的電子發(fā)射能力。釷鎢絲彎折成半徑2 mm的半圓型,穿過一個內(nèi)徑2 mm外徑4 mm的雙孔陶瓷管,然后與直徑為0.5 mm的銅導線相連。在發(fā)射絲和銅導線相連的地方塞進鎢絲填充物,以保證兩者的充分連接。銅導線尾部與屏蔽同軸電纜線焊接在一起,屏蔽同軸電纜線作為信號傳輸線并包覆以多層絕緣隔熱防護材料。雙孔陶瓷管制作材料為絕緣、耐高溫氧化鋁(Al2O3)陶瓷,釷鎢絲與雙孔陶瓷管之間的縫隙采用高溫膠密封,防止羽流等離子體噴入陶瓷管內(nèi)。探針結構體積小,傳輸信號的信噪比高,耐熱性高,穩(wěn)定性好,適用于快速、準確測量多種等離子體環(huán)境下的空間電位分布。探針具體結構如圖5所示。

圖5 發(fā)射探針詳細結構Fig.5 Detailed structure of emissive probe

考慮到試驗使用集成探針測試系統(tǒng)對離子發(fā)動機羽流等離子體進行診斷,除了發(fā)射探針以外,還有RPA(阻滯能量分析儀)、Langmuir平面探針、三探針和法拉第探針等,需要統(tǒng)一工裝進行測量,所以需要對圖5中發(fā)射探針工裝部分進行改造。

發(fā)射探針診斷系統(tǒng)包括探針本體、加熱電路、偏壓電路、數(shù)采電路等,圖6是掃描測量的探針診斷電路系統(tǒng)示意。為了能夠增強發(fā)射探針發(fā)射電子能力,設計加熱電路給發(fā)射探針提供加熱電流,使探針達到不同的熱狀態(tài)。為了實現(xiàn)動態(tài)掃描測量,設計偏置電壓電路,可給探針提供±100 V的鋸齒波偏置掃描電壓,同時將偏置掃描電壓接入數(shù)據(jù)采集儀中。在數(shù)據(jù)采集電路中串入一個標準電阻,并且通過測量其兩端的電壓值得到探針電流,接入數(shù)據(jù)采集儀中,探針電壓直接由數(shù)據(jù)采集儀采集得到。

圖6 發(fā)射探針測試系統(tǒng)組成及測試方法簡圖Fig.6 Components and testing method of test system for emissive probe

1.3 實際測試

實際測試時的真空系統(tǒng)及離子推力器系統(tǒng)工作狀態(tài)如表3所示。

在距離離子推力器柵極出口軸向位置0.25～0.9 m,徑向位置0～0.45 m的范圍內(nèi)使用發(fā)射探針測量離子推力器的空間電位分布,測點布置的數(shù)量規(guī)律為近場測點密,遠場測點疏。

試驗時,依次增加發(fā)射探針的加熱電流,觀察不同加熱電流條件下探針I(yè)-V曲線的異同,選擇探針I(yè)-V曲線離子飽和電流明顯增加,過渡區(qū)與電子飽和區(qū)拐點較為明顯時的加熱電流為探針正常工作時的工作電流,按照預先設定的測點布置圖表進行發(fā)射探針的數(shù)據(jù)掃描采集。

表3 試驗儀器設備狀態(tài)Table 3 Working condition of experimental instruments

2 測量結果分析

2.1 從發(fā)射探針I(yè)-V特性曲線得到空間電位

通過查閱國內(nèi)外發(fā)射探針診斷與數(shù)據(jù)處理的相關文獻,總結得到發(fā)射探針測量等離子體空間電位的幾種典型數(shù)據(jù)處理方法,這些方法的目的大多是為了準確得到探針I(yè)-V特性曲線的拐點。根據(jù)軸向位置500 mm、徑向位置0處測點數(shù)據(jù)的處理,分析典型的幾種方法。

(1)導數(shù)法

發(fā)射探針I(yè)-V特性曲線一階導數(shù)的最大值點對應的電壓值、二階導數(shù)為零點對應的電壓值可認為是等離子體空間電位,分別如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8中處理得到的空間電位值分別為14.539 5 V、13.436 2 V。這兩種尋求拐點的方法從數(shù)學角度考慮尋求I-V曲線的拐點,在曲線形狀較為理想的情況下可得到較為準確的結果,且理論上一階導數(shù)最大值與二階導數(shù)為零的點對應相同的空間電位值。但在實際測試過程中,探針測量得到的信號要受到諸多干擾(如工頻干擾等),使得I-V曲線實際上帶有很多微小的波動,這樣一階、二階導數(shù)曲線的波動非常大,需要進行平滑以尋求拐點,這樣就丟失了曲線的部分精度,造成一定的誤差,這也是兩種方法得到的空間電位值不同的原因。

圖7I-V曲線一階導數(shù)最大值點得到的空間電位Fig.7 Spatial potential by seeking the maximum value ofI-Vcurve’s first derivative

圖8I-V曲線二階導數(shù)為零的點得到空間電位Fig.8 Spatial potential by seeking the point while theI-Vcurve’s second derivative equals to zero

(2)交點法

探針不同加熱電流得到的I-V曲線開始相交的交點對應的電壓值,可認為是空間電位值,交點位于電子飽和區(qū)與過渡區(qū)的分界,可認為是拐點,如圖9所示。

圖9 不同加熱電流時的I-V曲線及得到的空間電位Fig.9 Space potential andI-Vcurves with different heating currents

圖9得到的空間電位值為20.032 9 V,值相對較大。當探針電位高于等離子體電位時,施加不同加熱電流的發(fā)射探針均收集電子,發(fā)射的電子被勢壘反射回探針表面,探針很快飽和,所以不同加熱電流對探針I(yè)-V特性曲線的電子飽和區(qū)影響很小,從圖9中也可以看出探針不同加熱電流的I-V曲線電子飽和區(qū)幾乎重合。而當探針電位低于等離子體電位時,且發(fā)射探針加熱電流較大時,探針鎢絲溫度較高,發(fā)射的電子較多,這樣將會降低探針表面周圍的電位,吸引更多的羽流中的離子,增大離子電流,所以從圖9中可以看出I-V曲線過渡區(qū)和離子飽和區(qū)較加熱電流較小時明顯降低,這樣得到的拐點也就更加明顯[14]。認為不同加熱電流時的I-V曲線分離的點即為探針開始收集離子電流時曲線顯著變化的點,即過渡區(qū)與電子飽和區(qū)的拐點,對應空間電位。

(3)線性擬合法

拐點兩側電子飽和區(qū)與過渡區(qū)小范圍分別線性擬合得到的兩條直線外推的交點對應的電壓值,近似為等離子體空間電位,見圖10。

圖10得到的空間電位值為18.199 5 V。這是一種近似尋找探針I(yè)-V曲線拐點的方法,發(fā)射探針電子飽和區(qū)曲線較為平滑,而實際上發(fā)射探針I(yè)-V曲線過渡區(qū)在靠近拐點處為近似線性關系,這樣通過過渡區(qū)和電子飽和區(qū)的兩條擬合直線外推得到的交點與實際拐點的橫坐標十分接近,所以對應的空間電位值也相差不大[15]。

圖10I-V曲線線性擬合外推得到空間電位Fig.10 Space potential by theI-Vcurve’s linear fitting and extrapolation

(4)懸浮電位推斷法

這種方法實際上是Langmuir探針近似得到等離子體空間電位的一種方法,這里提出是為了與發(fā)射探針的測量結果進行對比。這種方法需要先求得電子溫度,圖11是電子溫度的讀取方法,求電子溫度需要對Langmuir單探針ln(I)-V對數(shù)曲線的過渡區(qū)部分進行線性擬合,擬合結果的直線斜率的倒數(shù)即為該測點處的電子溫度Te。

圖11 Langmuir探針得到電子溫度Fig.11 Electron temperature by Langmuir probe

通過測量得到懸浮電位Vf,懸浮電位Vf即I-V特性曲線中電流為零的點對應的電壓值,如圖12所示[16]。

圖12 Langmuir探針得到的浮動電勢Fig.12 Floating potential by Langmuir probe

然后通過關系公式

式中:Vf為懸浮電位;Vp為空間電位;Te為電子溫度;k為玻爾茲曼常數(shù);e為基本電荷常數(shù);M為離子團質量;m為電子質量。也可簡化為式中:ζ為修正系數(shù),對于氙等離子體,ζ=5.77[17]。圖12得到的懸浮電位值為4.6583 V,圖11得到的電子溫度值為2.7072eV,那么根據(jù)式(2),空間電位值

Vp=4.658 V+5.77×2.707 2 V=20.278 8 V

然而這種方法不是確定等離子體空間電位的最好方法,它只是提供了與其他方法相比較為粗略的估計值。

(5)外推法

探針加熱電流與對應不同加熱電流I-V曲線得到的空間電位值進行線性擬合并外推得到零加熱電流(無熱電子發(fā)射)時對應的電壓值,認為是較準確的空間電位值,見圖13。

圖13 不同加熱電流測得的空間電位值線性擬合并外推Fig.13 Linear fitting and extrapolation for space potential values with different heating currents

圖13得到的空間電位值為17.949 V。實際測量時,由于等離子體中存在一定的背景噪聲,為此,把發(fā)射探針加熱到較高的溫度,增大發(fā)射的電子電流,可使探針I(yè)-V曲線較為平滑,同時拐點更加明確[18]。但這也同時增強了探針的空間電荷效應,將會使得空間電位的測量結果偏小,圖中實際測量結果也證明了這一點。探針加熱電流越大,電子發(fā)射越劇烈,測得空間電位越小,通過線性擬合不同加熱電流時得到的空間電位值,然后外推至零加熱電流(無熱電子發(fā)射)時對應的空間電位,即可基本消除空間電荷效應,得到較為準確的結果。

2.2 離子發(fā)動機羽流軸向和徑向空間電位分布

從圖14離子發(fā)動機羽流軸向空間電位的測量結果可以看出,軸向距離柵極出口平面越遠,空間電位越低。柵極出口處離子數(shù)密度很大,距離越遠,空心陰極的電子與束流離子中和的越充分,所以空間電位越來越低,試驗結果也很好地說明了這一點?？紤]到從距離柵極出口250 mm到900 mm空間電位降低了約4 V,如果測量軸向距離足夠大,電子中和效果將會更好,空間電位將會趨于零。

圖14 離子發(fā)動機羽流軸向空間電位分布Fig.14 Axial plasma potential distribution of ion thruster’s plume

從圖15離子發(fā)動機羽流徑向空間電位的測量結果可以看出,等離子體空間電位隨徑向距離的增大整體呈現(xiàn)降低的趨勢。離子發(fā)動機束流中靠近軸線處的離子數(shù)密度最大,隨著徑向距離的增大,離子數(shù)密度越來越低,加上空心陰極電子的中和,空間電位也越來越低,試驗結果較為合理?？臻g電位隨徑向距離增大下降較快,說明空心陰極電子中和效果較好。

圖15 軸向距離500 mm處羽流徑向空間電位分布Fig.15 Radial plasma potential distribution of ion thruster’s plume while axial distance is 500 mm

2.3 發(fā)射探針熱電子發(fā)射對診斷結果的影響

發(fā)射探針實際測試時會向周圍主等離子體區(qū)發(fā)射電子,這樣發(fā)射探針表面形成的鞘層結構較普通Langmuir探針表面的鞘層結構發(fā)生了很大變化,這樣發(fā)射探針對于周圍等離子體區(qū)電子、離子收集的物理過程以及鞘層收集面積也與Langmuir探針存在較大的差別。

發(fā)射探針表面存在大量發(fā)射電子,不能被有效地輸運走,因此表面附近會形成電位低于實際陰極的虛陰極結構,虛陰極的大小和深度隨著熱發(fā)射強度的增強而變大和變深[19]。如圖16所示。因此,探針鞘層由熱發(fā)射電子、主等離子體區(qū)電子和離子3種成分共同決定。

圖16 發(fā)射探針的虛陰極結構Fig.16 Virtual cathode structure of emissive probe

當使用發(fā)射探針診斷離子發(fā)動機羽流等離子體空間電位時,通過形成虛陰極鞘層結構改變探針I(yè)-V曲線,空間電荷(熱電子發(fā)射鞘層)效應會使得診斷所得的電位小于實際等離子體空間電位,減小值近似為電子溫度大小[20-22]。偏差值與發(fā)射探針的熱電子發(fā)射強度有關,發(fā)射強度越大,產(chǎn)生的空間電荷就越多,空間電荷效應也就越明顯,偏差也就越大。通過降低探針的發(fā)射強度外推診斷電位可以減弱空間電荷效應,也就是通過不同加熱電流值得到的空間電位值線性擬合并外推至零發(fā)射電流的方法,可獲得較為準確的結果。

3 結束語

本研究設計了一種發(fā)射探針測試系統(tǒng),包括探針本體、工裝及測試電路等,對20 cm氙離子推力器的羽流等離子體空間電位進行了有效的診斷,得到了羽流部分區(qū)域的空間電位分布,為仿真結果提供對比,為發(fā)動機結構優(yōu)化提供依據(jù)。

通過對發(fā)射探針試驗數(shù)據(jù)的處理,得到如下結論:

1)不同的發(fā)射探針試驗數(shù)據(jù)處理方法實際上都是為了尋求探針I(yè)-V曲線電子飽和區(qū)與過渡區(qū)的拐點,包括從數(shù)學上以及熱電子發(fā)射、離子和電子的收集等物理本質上討論拐點的求解方法。

2)研究認為探針熱電子發(fā)射會使測得的電位值低于實際的等離子體空間電位,差值約為一個電子溫度大小,對于本次診斷試驗,約為2～3 V。探針加熱電流越大,熱電子發(fā)射越劇烈,測得的空間電位值越小,如表4所示。但加熱電流較低時,又難以凸顯I-V曲線的拐點,發(fā)揮不了發(fā)射探針相對于朗繆爾探針測量空間電位的優(yōu)勢,所以這也是發(fā)射探針實際使用時應該考慮的問題。

表4 發(fā)射探針不同加熱電流時測得的羽流空間電位Table 4 Plume’s plasma potential values of emissive probe with different heating currents

3)研究認為最準確的數(shù)據(jù)處理方法為:通過探針不同加熱電流測得的空間電位值線性擬合并外推到零發(fā)射電流時的電壓值作為實際測得的空間電位,其值約為17.949 V。即通過降低探針發(fā)射強度外推可以減弱空間電荷效應的影響,從而得到更為準確的診斷結果。

4)試驗測得的羽流空間電位值在13～18 V左右,空間電位隨軸向和徑向距離的增大而減小,這與空心陰極發(fā)射電子中和離子束流的實際情況相符合。

References)

[1] MILLIGAN D J,GABRIEL S B.Investigation of the baffle annulus region of the UK25 ion thruster[C]∥Los Angeles:35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit,1999:2440.

[2] ROY S.Numerical simulation of ion thruster plume backflow for spacecraft contamination assessment[D]. Massachuseets:MIT,1995.

[3] SELLEN J M,BERNSTEIN W,KEMP R F.Generation and diagnosis of synthesized plasma streams[J].Review of Scientific Instruments,1965,36(3):316-322.

[4] MONTERDEY M P,HAINESY M G,DANGORY A E,et al.Kaufman-type xenon ion thruster coupling plasma:Langmuir probe measurements[J].Journal of Physics D-Applied Physics,1997,30:842-855.

[5] HAAS J M.Low-perturbation interrogation of the internal and near-field plasma structure of a Hall thruster using a high-speed probe positioning system[D].Michigan:The University of Michigan,2001.

[6] CHEN F F.In plasma diagnostic techniques[M]. New York:Academic Press,1956.

[7] GUTHRIE A.The characteristics of electrical discharge in magnetic fields[M].New York:Academic Press, 1949.

[8] 王文清,易忠.用發(fā)射探針確定等離子體空間電位的實驗研究[J].空間科學學報,1995,15(2):126-130. WANG W Q,YI Z.An experiment research on the emissive probe to measure the plasma space potential[J]. Chinese Journal of Space Science,1995,15(2):126-130 (in Chinese).

[9] LIEBERMAN M A,LICHTENBERG A J.Principles of plasma discharges and materials processing[M].2nd ed. New Jersey:John Wiley&Sons,2005:195-203.

[10] HERSHKOWITZ N,CHO M H.Measurement of plasma potential using collecting and emitting probes[J]. Journal of Vacuum Science&Technology,1988,6(3): 2054-2059.

[11] LINNELL J A.An evaluation of krypton propellant in Hall thrusters[D].Michigan:The University of Michigan,2007.

[12] WANG X,HOWES C T,HORANYI M,et al. Effect of filament supports on emissive probe measurements[J].Review of Scientific Instruments, 2013,84(1):013506-3.

[13] Siebenforcher A,SCHRITTWIESER R.A new simple emissive probe[J].Review of Scientific Instruments,1996,67(3):849-850.

[14] SHASTRY R,GALLIMORE A D.Near-wall plasma properties and EEDF measurements of a 6-kW Hall thruster:AIAA-2009-5356[R].Reston:AIAA, 2009.

[15] HOFER,R R.Development and characterization of high-efficiency,high-specific impulse xenon Hall thrusters[D].Michigan:The University of Michigan, 2004.

[16] HERSHKOWITZ N.How Langmuir probes work[J] Plasma Diagnostics:Discharge Parameters and Chemistry,1989:113-181.

[17] 葉超,寧兆元,江美福.低氣壓低溫等離子體診斷原理與技術[M].北京:科學出版社,2009:67-68. YE C,NING Z Y,JIANG M F.Principle and technology of low pressure and low temperature plasma diagnosis[M].Beijing:Science Press, 2009:67-68(in Chinese).

[18] SHEEHAN J P,HERSHKOWITZ N,RAITSES Y,et al.A comparison of emissive probe techniques for electric potential measurements in a complex plasma[J].Physics of Plasmas,2011,18(7):1.

[19] 王道泳.等離子體中熱陰極鞘層結構及發(fā)射探針發(fā)射強度對診斷結果的影響[D].合肥:中國科學技術大學,2009. WANG D Y.Effects of thermal cathode sheath structure and emission intensity of emissive probe on diagnosis results in plasma[D].Hefei:University of Science and Technology of China,2009(in Chinese).

[20] HERMAN D A.The use of electrostatic probes to characterize the discharge plasma structure and identify discharge cathode erosion mechanisms in ring-cusp ion thrusters[D].Michigan:The University of Michigan, 2005.

[21] XIE K,MARTINEZ R A,WILLIAMS J D. Current-voltage characteristics of a cathodic plasma contactor with discharge chamber for application in electrodynamic tether propulsion[J].Journal of Physics D Applied Physics,2014,47(15):494-500.

[22] YE M Y,TAKAMURA S.Effect of space-charge limited emission on measurements of plasma potential using emissive probes[J].Physics of Plasmas,2000,7(8):3457-3463.

(編輯:高珍)

Space potential diagnostic study of ion thruster's plume

CAO Shuai,TANG Haibin*,ZHANG Zun,ZHANG Zhe
School of Astronautics,Beihang University,Beijing 100191,China

The plume plasma potential distribution of ion thruster could deeply affect the normal work of the whole spacecraft and cause some extremely serious problems.In our experiments an emissive probe was used to measure the beam plasma potential of a 20 cm-ion thruster using Xe as propellants.Experiments were performed at axial distances from 250 mm to 900 mm downstream of the thruster's exit plane and radial locations ranging from 0 to 450 mm. The emissive probe based on thermionic electron emission was made of 0.1 mm-diameter tungsten filament with its heat current from 1.5 A to 2.5 A.The knee point of the emissive probe'sI-Vcurve is clearer than that of the Langmuir probe,so the space potential distribution of ourmeasurement results is more accurate.Emissive probe has been broadly used to diagnose plasma potential abroad,but lots of literatures indicate that there are still some divergences in the probe's data processing methods.The probe's working physical process of the probe was studied,and the effects of the emissive thermionic electron quantity on plasma potential diagnosis results were analyzed.Different processing methods of the probe'sI-Vcurve were adopted and the advantages and disadvantages of each method were discussed.The reasons why measurement results deviate from the true plasma potential distribution were analyzed,which not only provide references for the structural reform of Emissive probe and the selection of heating current,but also give some suggestions for the plume simulation model and the improvement of thruster performance.

ion thruster;plume diagnostic;space potential;emissive probe;thermionic emission

V43

:A

10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0017

2015-11-12;

:2016-01-08;錄用日期:2016-01-18;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

時間:2016-02-24 13:43:23

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1343.016.html

國家自然科學基金(51276006);北航2015基本科研業(yè)務費

曹帥(1991-),男,碩士研究生,caoshuai@buaa.edu.cn

*通訊作者:湯海濱(1970-),男,教授,thb@buaa.edu.cn,主要研究方向為空間等離子體電推進

曹帥,湯海濱,張尊,等.離子發(fā)動機羽流空間電位診斷[J].中國空間科學技術,2016,36(1):103-112.

CAO S,TANG H B,ZHANG Z,et al.Space potential diagnostic study of ion thruster′s plume[J].Chinese Space Science and Technology,2016,36(1):103-112(in Chinese).

http:∥zgkj.cast.cn