[发明专利]离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法。本发明采用偏压板代替离子推力器中的栅极组件，避免引出高能离子束流，且设置偏压板的电位相对于参考地为负电位，从而吸收偏压板内表面附近区域放电等离子体中的离子并以中性原子的形式返回离子推力器模拟器内，使得中性原子存在被重复利用的机会，进而使得能够在较小的工质流率条件下既能达到离子推力器内的中性气体密度，降低真空舱内的气载，从而能够实现在小型真空系统、简单供电系统和较小的工质流率条件下，模拟出离子推力器工作时的空心阴极放电环境，进而能够获得空心阴极与离子推力器联试时的耦合放电特性和长期服役过程中的性能演化规律。

技术领域

本发明涉及空间电推进技术、物理电子学领域，具体涉及一种离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法。

背景技术

空心阴极筛选测试是空心阴极产品质量控制的关键技术环节，其主要目的是暴露早期故障、剔除有缺陷的产品，同时筛选出符合离子推力器技术要求的空心阴极产品。空心阴极性能表现与放电环境紧密相关，现行空心阴极筛选测试方案下筛选试验是在空心阴极和平板阳极组成的简单放电环境中进行，而离子推力器联试和在轨服役时空心阴极工作在离子推力器内部复杂放电环境中，其放电性能参数以及长期服役过程中的结构溅射腐蚀形式、溅射腐蚀速率、性能演化规律与简单放电环境中相关性弱。因而根据简单放电环境筛选出的试验结果一致性较好的空心阴极安装在技术状态相同的离子推力器上，性能表现离散，空心阴极在简单放电环境中单独进行筛选试验得到的性能参数与离子推力器联试时的性能参数没有明显的相关性，现行空心阴极筛选试验方案获取到的试验数据无法全面反映空心阴极与离子推力器的匹配性。以兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推力器为例，相同工况参数条件下，其空心阴极在简单放电环境中单独测试时的放电电压在22V±4V范围，而在离子推力器复杂放电环境中联合测试时放电电压在35V±5V范围，并且多批次空心阴极试验结果表明在两种放电环境中的放电电压高低没有明显关联性。此外，国内外已开展的空心阴极寿命考核试验表明，在由空心阴极和平板阳极组成的简单放电环境中开展空心阴极寿命考核试验，空心阴极结构溅射腐蚀形式、溅射腐蚀速率、性能演化规律、失效模式等与在离子推力器寿命考核试验或长期服役过程中的规律相差较大。

离子推力器内部是由中性气体、原初电子、二次电子、一价离子、高价离子、外加电场和磁场、带电粒子的自洽场组成的复杂放电环境，直接在离子推力器中开展空心阴极性能测试试验是最能反映空心阴极产品性能的试验方案，但是这种试验需要在大型真空系统中进行，试验周期长、成本高，对试验操作人员要求高，不能满足有一定批量的空心阴极产品筛选试验要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法，能够以较低的代价获取到空心阴极产品在离子推力器内部复杂放电环境中的性能参数，并且在该试验装置中开展空心阴极寿命考核试验，能够有效预示空心阴极产品在离子推力器中的性能演化规律和失效模式。

本发明的离子推力器空心阴极性能测试及寿命考核试验装置，包括：离子推力器模拟器、空心阴极、真空舱、供电系统、贮供系统、测量系统、冷却系统和真空获得系统；

其中，离子推力器模拟器和空心阴极位于真空舱内；

离子推力器模拟器包括偏压板、阳极、永磁体和气体分配环；其中，离子推力器模拟器中阳极的形状和位置、永磁体磁场分布、气体分配环结构尺寸和位置均与真实的离子推力器一致，空心阴极在离子推力器模拟器上的安装位置和连接方式与真实的离子推力器一致；偏压板安装在阳极的下游，并与空心阴极的阴极顶相对，偏压板可绕其中心轴转动；偏压板的电位相对于参考地为负电位；

供电系统包括为阳极供电的阳极电源、为偏压板供电的偏压电源、为空心阴极的触持极供电的触持电源、为空心阴极点火提供高压点火脉冲的点火电源、为空心阴极的加热器供电的加热电源，以及参考地；

贮供系统为空心阴极和气体分配环提供氙气；