放電室等離子體診斷朗繆爾探針設計分析

王 濤，張?zhí)炱剑瑥埡Ａ?/p>

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

放電室作為離子推力器的核心部組件，其性能優(yōu)劣決定著離子推力器工作性能[1]。在電推進系統(tǒng)研究中開展放電室等離子診斷研究具有重要意義，一方面放電室等離子參數(shù)分布有助于加深理解放電室內的放電過程；另一方面可以為放電室數(shù)值模型和理論模型提供驗證，為放電室磁場、推力器電氣參數(shù)、放電室結構設計與優(yōu)化提供參考。離子推力器放電室等離子體診斷實驗結果與仿真模型反復迭代修正，可以使仿真模型更加完善[2-4]。

朗繆爾探針技術是等離子診斷一種常用測量技術，與其他等離子診斷技術（如光譜診斷技術、激光誘導熒光技術[5]等）相比較，其突出的優(yōu)點是儀器結構簡單，易于操作且可獲取豐富的等離子參數(shù)。筆者以朗繆爾單探針為測量手段，設計了一種用于離子推力器放電室等離子體診斷的郎繆爾探針，并且對診斷實驗產生誤差的影響因素做了總結并提出了相應的解決方法。

1 朗繆爾探針基本原理

朗繆爾探針法是一種應用非常廣泛的等離子體診斷方法，其特點是探針作為一個插入等離子中的導電電極，其電位相對于等離子是可調的。電極末端用以收集來自等離子的電子或離子，收集到的是電子還是離子取決于探針相對于等離子體的電勢[6]。朗繆爾探針測試電路如圖1所示。假設等離子體的狀態(tài)在調節(jié)電位的過程中保持穩(wěn)定，調節(jié)掃描電源使探針的電位由負到正變化，在探針電位由負到正變化的過程中，記錄下各個電位所對應的電流值。取探針電壓為橫坐標，探針電流為縱坐標，可得到朗繆爾探針的伏安特性曲線，如圖2所示。

朗繆爾單探針得到的伏安特性曲線，可以分為A、B、C三個區(qū)域，分別為離子飽和區(qū)、過渡區(qū)和電子飽和區(qū)，從伏安特性曲線可以得到等離子體的懸浮電位和空間電位，再由式（1）～式（3）求出電子溫度，離子（電子）密度等物理參數(shù)[7]。

圖1 郎繆爾探針診斷電路圖Fig.1 The diagnostic circuit of Langmuir probe

圖2 朗繆爾探針V-I特性曲線Fig.2 The V-I characteristic curve of Langmuir probe

式中：Vp為探針采集到的電壓值；Ip為修正后的電流值（采集到的電流減去離子飽和電流）；kTe為等離子電子溫度；Ap為探針的表面積；k為玻爾茲曼常數(shù)；Ie為電子飽和電流；ne為等離子的電子數(shù)密度。由等離子體的電中性可知，等離子的離子數(shù)密度與電子數(shù)密度相等，故可得離子數(shù)密度。

2 朗繆爾探針的設計

根據(jù)朗繆爾單探針的工作原理，由此知道探針理論是在一定的假設條件下提出的，而實際上探針和等離子體之間是有相互作用的，探針的幾何形狀、尺寸、溫度、表面狀況都會引起探針伏安特性曲線的變化。探針的幾何形狀有球形、圓柱形和平面形，因為文章診斷對象是離子推力器放電室等離子體，放電室內部空間小且等離子密度大，所以應采用圓柱形探針。下面介紹探針材料與尺寸的選擇。

2.1 朗繆爾探針材料的選取

常用制作探針的材料有不銹鋼絲、鎢絲、鉭絲、銅絲等。其中鎢絲比較容易獲得，加上其本身又是熔點很高的金屬，所以常被作為朗繆爾探針首選材料。但是鎢絲也存在著一些缺點：如高溫下容易被氧化，材料脆性較強（不容易彎折成各種形狀），和其他材料的焊接性能不好，這給連接導線帶來許多不便。銅絲這種材料則非常容易得到，延展性和焊接性能都比較好，作為對低溫低密度等離子體的測量是可行的探針材料，其缺點就是熔點較低，在實驗裝置中存在尖端放電的可能性及對探針表面進行放電清洗的時候容易損壞，其化學性質也比較活潑，容易與某些等離子體成分發(fā)生反應。

另一個問題是探針表面升溫，因為探針在離子推力器放電室測量等離子體參數(shù)時，受粒子轟擊和電磁波輻射，使其本身溫度升高，甚至可能使探針熔化，所以應選擇溫度值高的材料作為探針材料，即熔點高的材料，如上面提到的鎢。另外為了減少二次電子發(fā)射，就需要采用功函數(shù)高、二次發(fā)射系數(shù)低的材料做探針材料。表1中給出了幾種常用探針材料的物理性質。

表1 中列出的濺射率是用電流密度為1 A/cm2、能量為1 keV的汞離子轟擊材料時所測得的實驗值。常用來制作朗繆爾探針的材料是鉬、鎢、鉑[8]等，而探針的絕緣材料一般是用玻璃、石英和高純的氧化鋁陶瓷等。通過分析，朗繆爾探針選用鎢絲，探針絕緣材料選用氧化鋁陶瓷。

表1 常用探針材料的物理性質Table1 The physical properties of commonly probe materials

2.2 朗繆爾探針尺寸的選取

根據(jù)朗繆爾探針的適用條件可知，探針的尺寸應該滿足基本條件：

式中：λL為等離子體的拉莫爾半徑，離子推力器放電室等離子的拉莫爾半徑遠大于推力器的特征長度，一般為米級[9]；λD為德拜長度；r為朗繆爾探針的半徑。在此范圍內，應該選用盡可能小的探針尺寸，以減少對等離子的干擾，提高探針的空間分辨能力，消除空間電荷效應等不良影響。其中德拜長度計算為式（5）。

式中：ne為等離子體中電子的密度，cm-3；TeV為電子溫度，eV，計算得出的德拜長度單位為厘米。

根據(jù)國外離子推力器放電室等離子體診斷實驗結果[10]以及蘭州空間技術物理研究所的數(shù)值仿真結果[11]，離子推力器放電室中電子密度最小值為1010cm-3，電子溫度最大值為15 eV。由式（5）計算得出離子推力器放電室等離子體德拜長度最大值為0.3 mm。為了保證朗繆爾探針的空間分辨率，探針直徑確定為1 mm，探針長度為10 mm。朗繆爾探針長徑比大于等于10，可以有效的消除探針的端部效應，探針外部包裹的氧化鋁陶瓷直徑為3 mm，結構如圖3所示。

圖3 朗繆爾探針結構示意圖Fig.3 The structure diagram of Langmuir probe

3 朗繆爾探針診斷影響因素分析

因為朗繆爾探針是在許多假設前提條件下應用的，所以影響朗繆爾探針診斷實驗的因素有很多，如二次電子發(fā)射、磁場、離子溫度、探針幾何尺寸和形狀、探針污染、探針發(fā)射、等離子體空間電位等。其中很多影響因素可以通過修改相應的分析理論來進行修正，另外一些則需要設計相應的外圍設備來減小診斷實驗的誤差。由于文章的目的是設計一種用于離子推力器放電室等離子診斷的朗繆爾探針裝置，所以只討論通過設計外圍設備可以消除或減小的影響因素。

3.1 探針污染的影響

探針污染是指探針表面形成了一層雜質薄膜，如氧化物、氮化物或碳化物等。受雜質薄膜層的影響，探針與等離子體的接觸面積變大，同時自身電阻也變大，這使得測得的電子溫度偏高，污染嚴重時，會導致探針無法使用[12]。減小探針污染的方法主要有：（1）探針使用之前首先只用砂紙進行打磨，將探針表面的氧化層去掉，然后使用酒精對探針表面進行清洗，使探針表面保持清潔；（2）實驗過程中，設計探針的清洗電路，主要是對探針加一個較大的清洗電壓，如500 V，利用電子對探針表面的轟擊作用達到清洗目的。

3.2 探針發(fā)熱的影響

因為等離子體內部是熱的，即等離子體中的粒子都是具有較大動能的。當探針浸入到等離子體內部收集粒子時，不可避免地要受到帶電粒子的轟擊，導致探針表面溫度上升。尤其是探針處于較高的正偏壓作用時，探針收集電子電流，由于電子的加速很快，在短時間內到達探針表面時已經(jīng)具有很高的速度，所以高速電子對探針的轟擊加熱作用更大，探針采集到的電流更大，導致探針溫度過高、探針電阻增加，對測量結果帶來嚴重誤差，甚至燒毀探針。所以探針不宜長時間工作于較高的正偏壓條件下，探針在高偏壓條件下工作一段時間之后，應該將探針偏壓降低，以達到冷卻探針的目的。如果等離子體環(huán)境較熱，那么工作時將探針移動至等離子體中，待采集完成后，應立即將探針移動到等離子外部，待其充分冷卻之后，再進行下一個循環(huán)的實驗工作。

3.3 等離子空間電位擾動的影響

朗繆爾探針伸入等離子體中時周圍會形成一層由空間電荷組成的鞘層，鞘層的厚度由等離子體空間電位與探針的掃描電壓決定。當空間電位變化時，鞘層厚度也會隨之變化，并且要經(jīng)過一定的時間后才能穩(wěn)定到新的平衡值，因此探針收集到的離子電流也是逐漸趨向穩(wěn)定的[13]。所以，可以通過采用快速掃描法來減小等離子空間電位擾動帶來的影響（如NASA用朗繆爾探針診斷離子推力器放電室等離子體參數(shù)的實驗中，探針掃描時間小于100 ms[14]），在等離子空間電位還未來得及變化時完成測量。

4 結論

朗繆爾探針作為一種傳統(tǒng)的等離子診斷方法，該探針結構簡單、易于實現(xiàn)，所含的信息量豐富，能夠獲得電子溫度、等離子體電勢和等離子密度等參數(shù)信息，應用最為廣泛。介紹了朗繆爾探針診斷的基本原理，并結合離子推力器放電室等離子體的參數(shù)，設計了一種用于離子推力器放電室等離子體診斷的朗繆爾探針，并分析了朗繆爾探針測量產生誤差的影響因素并提出了相應的處理方法，該朗繆爾探針能夠滿足推力器放電室等離子體診斷實驗要求。在實際的診斷實驗進行驗證，并根據(jù)實際情況和診斷實驗需要進一步改進探針的設計。