離子推力器放電室等離子體電勢(shì)診斷方案研究
放電室是離子推力器核心部件,目前國(guó)內(nèi)尚未開展離子推力器的等離子體參數(shù)診斷工作。應(yīng)用發(fā)射探針診斷離子推力器放電等離子體的參數(shù),介紹了發(fā)射探針診斷等離子體電勢(shì)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(tǒng)的組成。說明了數(shù)據(jù)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(shù)診斷具有重要意義,穩(wěn)態(tài)下放電室內(nèi)的等離子體分布決定著推力器性能的許多重要方面,而等離子體的運(yùn)動(dòng)是在電磁場(chǎng)共同作用下的結(jié)果,因此掌握放電室內(nèi)的電勢(shì)分布有助于加深對(duì)放電過程的理解,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還用作數(shù)值模型的輸入,實(shí)驗(yàn)診斷數(shù)據(jù)是對(duì)各種數(shù)值模型和分析模型的重要檢驗(yàn)。
放電室等離子體參數(shù)診斷包括非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量法,如LIF(激光誘導(dǎo)熒光)技術(shù)、靜電探針診斷技術(shù)等。國(guó)外開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究工作較早也較成熟,如Sengupta等為了研究不同的磁路結(jié)構(gòu)對(duì)推力器性能的影響,在NSTAR樣機(jī)上開展了一系列的實(shí)驗(yàn)診斷工作,Herman 等針對(duì)NEXT型離子推力器開展了離子推力器放電室等離子電勢(shì)發(fā)射探針診斷工作。國(guó)內(nèi)尚未開展離子推力器放電室等離子體參數(shù)診斷工作,隨著國(guó)內(nèi)電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)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(shù)發(fā)射探針診斷的原理、系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理和誤差分析等幾部分內(nèi)容。
1、發(fā)射探針電勢(shì)診斷原理
懸浮發(fā)射探針工作原理簡(jiǎn)單,能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)氐入x子體電勢(shì)進(jìn)行直接測(cè)量,而不需要進(jìn)行偏置電壓掃描或者分析大量數(shù)據(jù)。懸浮發(fā)射探針相關(guān)理論相對(duì)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(dāng)燈絲溫度上升,電子自燈絲熱發(fā)射出來。在理論上,當(dāng)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圍的鞘層,從而允許探針懸浮于當(dāng)?shù)氐牡入x子體電勢(shì)。事實(shí)上,對(duì)于強(qiáng)發(fā)射的懸浮探針,因?yàn)檫^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(dá)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(bǔ)償收集流,因?yàn)榈入x子體電子具有高得多的速度。
子體電勢(shì)進(jìn)行直接測(cè)量,而不需要進(jìn)行偏置電壓掃描或者分析大量數(shù)據(jù)。懸浮發(fā)射探針相關(guān)理論相對(duì)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(dāng)燈絲溫度上升,電子自燈絲熱發(fā)射出來。在理論上,當(dāng)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圍的鞘層,從而允許探針懸浮于當(dāng)?shù)氐牡入x子體電勢(shì)。事實(shí)上,對(duì)于強(qiáng)發(fā)射的懸浮探針,因?yàn)檫^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(dá)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(bǔ)償收集流,因?yàn)榈入x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(shì)分布示意圖
1. 鞘層區(qū)域;2. 預(yù)鞘層區(qū)域;3. 等離子體電子勢(shì)壘~Te/e;4. 發(fā)射電子勢(shì)壘
3.3、懸浮探針誤差分析
3.3.1、模型誤差
模型誤差主要來自空間電荷效應(yīng)。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)在探針周圍形成熱發(fā)射鞘層,直接影響著診斷的準(zhǔn)確性,探針理論上稱之為空間電荷效應(yīng),會(huì)使診斷的電位小于當(dāng)?shù)貙?shí)際等離子體電位,發(fā)射探針測(cè)量給出的誤差為Te/e 的幾分之一量級(jí)。通過降低探針發(fā)射強(qiáng)度外推可以減弱空間電荷的影響,從而得到更為準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。
3.3.2、電子誤差
電子誤差包含電路噪聲。對(duì)于整個(gè)電路,通過使用高壓SHV同軸電纜噪聲可盡可能降低,在放電室內(nèi)外都是這樣。隔離的輸入端對(duì)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(dāng)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(píng)估的漏電流結(jié)果是探針懸浮于小于真實(shí)的等離子體電勢(shì)。
另外,利用加熱電流通過燈絲進(jìn)行等離子體電勢(shì)的測(cè)量導(dǎo)致跨過燈絲的電壓下降。該電壓降落增加了測(cè)量值的不確定度。漏電流和電壓降對(duì)總的等離子體電勢(shì)測(cè)量的絕對(duì)大小的移動(dòng)有貢獻(xiàn),導(dǎo)致相對(duì)電勢(shì)測(cè)量不受影響。
4、結(jié)論
對(duì)于離子推力器的研制,放電室等離子體參數(shù)診斷是一項(xiàng)重要的工作。目前國(guó)內(nèi)還沒有開展相關(guān)的研究。通過離子推力器放電室等離子體電勢(shì)診斷方案,介紹了發(fā)射探針診斷等離子體電勢(shì)的原理,對(duì)于診斷必須采用的高速探針診斷系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。分析了磁場(chǎng)對(duì)電勢(shì)診斷的影響以及診斷誤差等。為開展離子推力器的等離子體電勢(shì)診斷提供參考,對(duì)于離子推力器的研制以及性能的改進(jìn)具有一定的意義。