定向等离子体束离子平均速度的相关测量方法

摘要

定向等离子体束离子平均速度的相关测量方法，它涉及一种测量具有密度波动特性的定向等离子体束离子平均速度的方法，以解决现有测量方法存在的误差较大、测量过程较繁琐、不能获得微秒量级的离子平均速度变化特性的问题。本发明的方法由以下步骤组成：步骤一、启动稳态等离子体发动机并调节到稳定放电的状态；步骤二、调整正偏压电源使两个探针上加载的电压都分别处于电子电流饱和区；步骤三、启动示波器，调节并使示波器上能够显示出清晰的低频振荡信号；步骤四、记录稳态等离子体发动机在稳定工作状态下两个探针在同一时间段上的数据信号；步骤五、查找两个探针信号相关性最强时的时间差；步骤六、根据公式Vi＝L/Δτ计算定向等离子体束的离子平均速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量具有密度波动特性的定向等离子体束离子平均速度的方法。

背景技术

定向等离子体束已被广泛地应用于刻蚀加工和航天推进等领域，离子的平均喷射速度是定向等离子体的重要衡量指标之一，但其测量一直是个难题，尤其是它的动态特性。

稳态等离子体发动机(SPT)是电推进装置的一种，广泛应用于高轨卫星位姿保持、轨道转移、深空探测等领域。SPT通过电场加热电子来电离惰性气体为工质，所形成的等离子体再被电场加速喷出，形成高速定向等离子体射流，其比冲(即离子相对于装置的平均喷出速度)可达2000s以上。比冲作为推进器的一个重要指标，是必须测量的物理量。

传统的比冲测量一般有两种：其一是采用推力反推，首先测量定向等离子体束工作时所形成的推力，然后再利用下面的公式反推得到比冲：

$I=\frac{F}{\stackrel{·}{m}}$

其中F是发动机推力，是工质气体的质量流量，采用这种方法，其测量精度将严重依赖于推力F和气体质量流量的准确测量，但SPT的推力只有十几至几十毫牛，质量流量也仅几毫克，这使它们的测量都很困难，据此计算所得的比冲自然也会存在很大的误差；第二是多栅探针法，采用多栅探针可以获得离子能量分布函数，这样就可以利用积分的方法获得离子平均速度，但实际上离子能量分布函数的测量过程十分繁琐，测量精度也不是很高。更重要的是采用以上这两种方法根本不能获得微秒量级的离子平均速度的变化特性，而这种动态特性对研究SPT内部的各种物理机制起着很重要的影响。

发明内容

本发明为解决现有测量离子的平均喷射速度的方法存在的误差较大、测量过程较繁琐、精度较低、不能获得微秒量级的离子平均速度的变化特性的问题，提供一种定向等离子体束离子平均速度的相关测量方法。完成本方法采用以下结构的装置，该装置由稳态等离子体发动机1、正偏压电源2、示波器3、第一探针4-1、第二探针4-2、第一电阻5-1、第二电阻5-2和供电电源6组成，第一探针4-1和第二探针4-2分别设置在稳态等离子体发动机1的羽流区内，第一探针4-1和第二探针4-2的上端面的左右中心点都位于稳态等离子体发动机1的上下中心轴线上，第一探针4-1的输出端和第一电阻5-1的第一端都与示波器3的第一输入端相连接，第二探针4-2的输出端和第二电阻5-2的第一端都与示波器3的第二输入端相连接，第一电阻5-1的第二端、第二电阻5-2的第二端和示波器3的电源输入端都与正偏压电源2的正极端相连接，供电电源6的正极端与稳态等离子体发动机1的正极端相连接，供电电源6和正偏压电源2的负极端都与稳态等离子体发动机1的阴极补偿器1-1相连接；

本发明的方法由以下步骤实现：

步骤一、启动稳态等离子体发动机1并调节到稳定放电的工作状态；

步骤二、调整正偏压电源使第一探针4-1和第二探针4-2上加载的电压都分别处于电子电流饱和区；

步骤三、启动示波器3并调节显示比例和扫描时间，使示波器3上能够显示出清晰的低频振荡信号；

步骤四、记录并保存稳态等离子体发动机1在稳定工作状态下第一探针4-1和第二探针4-2在同一时间段上的数据信号；

步骤五、根据步骤四中保存的数据采用相关法计算第一探针4-1和第二探针4-2所采信号相关性最强时的时间差Δτ；

步骤六、根据公式Vi＝L/Δτ计算出定向等离子体束的离子平均速度，其中Vi表示定向等离子体束的离子平均速度，L表示第一探针4-1和第二探针4-2的上端面的左右中心点之间的距离，Δτ表示两个信号相关性最强时信号之间的时间差。

本发明的有益效果是：本方法的测量过程简单，测量结果误差较小，测量时间尺度可达到微米量级，能够获得微秒量级上的离子平均速度的变化特性，使SPT内部的各种物理机制的研究更加深入。

附图说明

图1是本发明的方法所用测量电路的结构示意图；图2是本发明的方法流程图；图3是具体实施方式二的效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、图2，完成本实施方式的方法采用以下结构的装置，该装置由稳态等离子体发动机1、正偏压电源2、示波器3、第一探针4-1、第二探针4-2、第一电阻5-1、第二电阻5-2和供电电源6组成，第一探针4-1和第二探针4-2分别设置在稳态等离子体发动机1的羽流区内，第一探针4-1和第二探针4-2的上端面的左右中心点都位于稳态等离子体发动机1的上下中心轴线上，第一探针4-1的输出端和第一电阻5-1的第一端都与示波器3的第一输入端相连接，第二探针4-2的输出端和第二电阻5-2的第一端都与示波器3的第二输入端相连接，第一电阻5-1的第二端、第二电阻5-2的第二端和示波器3的电源输入端都与正偏压电源2的正极端相连接，供电电源6的正极端与稳态等离子体发动机1的正极端相连接，供电电源6和正偏压电源2的负极端都与稳态等离子体发动机1的阴极补偿器1-1相连接；所述第一探针4-1和第二探针4-2都可采用内部钨丝直径为0.3mm，外部陶瓷管直径为1mm的探针，所述第一电阻5-1和第二电阻5-2都可采用阻值为1kΩ的电阻；

本实施方式的方法由以下步骤实现：

步骤一、启动稳态等离子体发动机1并调节到稳定放电的工作状态；

步骤二、调整正偏压电源使第一探针4-1和第二探针4-2上加载的电压都分别处于电子电流饱和区；

步骤三、启动示波器3并调节显示比例和扫描时间，使示波器3上能够显示出清晰的低频振荡信号；

步骤四、记录并保存稳态等离子体发动机1在稳定工作状态下第一探针4-1和第二探针4-2在同一时间段上的数据信号；

步骤五、根据步骤四中保存的数据采用相关法计算第一探针4-1和第二探针4-2所采信号相关性最强时的时间差Δτ；

步骤六、根据公式Vi＝L/Δτ计算出定向等离子体束的离子平均速度，其中Vi表示定向等离子体束的离子平均速度，L表示第一探针4-1和第二探针4-2的上端面的左右中心点之间的距离，Δτ表示两个信号相关性最强时信号之间的时间差。

具体实施方式二：参见图3，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于由以下步骤实现：

步骤一、启动稳态等离子体发动机1并调节到放电电压Up为300V、阳极供气流量为3mg/s的稳定放电的工作状态，从此时有一定密度的等离子体充满羽流区；

步骤二、启动正偏压电源2，正偏压电源2可采用0～100V可调式直流稳压电源，调整正偏压电源2的输出值为40V，将第一探针4-1上端面的左右中心点设置在与稳态等离子体发动机1的上下中心点的距离为15cm处，将第二探针4-2上端面的左右中心点设置在与稳态等离子体发动机1的上下中心点的距离为48cm处；

步骤三、启动示波器3，示波器3可采用Textronic TPS2024型隔离示波器，将示波器3的显示比例和扫描时间调整为25μs/格，使示波器3上能够显示出清晰的低频振荡信号，此时可以观察到第一探针4-1和第二探针4-2分别探测到的等离子体密度随时间变化的图像；

步骤四、保存稳态等离子体发动机1在稳定工作状态下第一探针4-1和第二探针4-2在同一时间段上的数据信号记为图3a，图3a中的信号Φ1为第一探针4-1获得的信号，信号Φ2为第二探针4-2获得的信号；

步骤五、根据步骤四保存的数据信号图3a绘制出信号Φ1和信号Φ2在不同时间差时的相关性结果图3b，在图3b查找信号Φ1和信号Φ2相关值最大时两信号之间的时间差Δτ；

步骤六、根据公式：Vi＝L/Δτ计算出定向等离子体束的离子平均速度，在图3b上查找出Δτ为18μs，在步骤二中得到L为33cm，则Vi＝18.3km/s，图3c为根据公式Vi＝L/Δτ计算出的15μs内Vi的连续变化分布图。