[发明专利]环形探针及组合式探针

说明书

本发明提供了一种环形探针及组合式探针，涉及真空羽流参数检测技术领域，本发明提供的种环形探针包括限位机构以及均用于与电源连接的第一收集极和导电组件；导电组件套设于限位机构的外部，且导电组件具有安装通道；第一收集极位于安装通道内，且第一收集极与导电组件之间设有绝缘层，第一收集极具有用于收集流场离子的带状收集面。本发明提供的环形探针能够消除第一收集极的终端效应，确保所得数据准确。

技术领域

本发明涉及真空羽流参数检测技术领域，尤其是涉及一种环形探针及组合式探针。

背景技术

离子推力器、霍尔推力器等电推力器因其比冲高、寿命长和系统质量较小等优点而广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。准确获取电推力器真空羽流参数对于评估电推力器和航天器性能是至关重要的。为准确评价电推力器的羽流效应，必须从离子电流密度分布、等离子体基本参数、离子能量分布等方面进行全面的诊断测试。

法拉第探针因其独特的性能常被应用于束流离子特性测试，以计算束流离子电流密度、束发散角等参数。现今的法拉第探针分为多种形式，其中裸露型法拉第探针发展及应用较为成熟。作为常用的裸露型探针，平面形法拉第探针是一个暴露在等离子体流中的平面导体，在该导体上加上合适的负电位后，可使探针排斥电子并只收集到达其表面的离子流，从而计算电流密度如下：

j＝I/Ap

式中：j—收集电流密度，单位为A/m²；

I—电流，单位为A；

Ap—收集极面积，单位为m²。

羽流等离子体的基本参数有电子温度、电子密度和等离子体势。朗缪尔探针是最常用的等离子体诊断方法。该探针结构简单、易于实现，且所提供的信息量丰富，能够提供电子温度和电子数密度等基本参数信息。朗缪尔探针的形状有圆柱形、球形和平面形，其中圆柱形探针获得信息多，常用于测量电子密度；而平面形探针容易控制等离子体流速影响，收集面积固定，故常用于测量电子温度。

等离子体特性的测试也可以采用发射探针。这种探针可用于在各种条件下进行测量，且非常适合于从稳态到振荡、从扩散到稠密、从冷到热的电推进等离子体。其中，浮动发射探针可直接测量等离子体势而不需要进行电压扫描。该探针由固定于氧化铝绝缘管上的钨丝环组成，通过给钨丝加电流使其达到热电子发射点，发射电子中和探针周围鞘使得探针浮于局域等离子体势，从而可测量出等离子体基本参数。

但是现有平面形及曲面形探针存在几个突出的问题。

其一，对于朗缪尔探针，其平面形探针由于探针边缘存在鞘层扭曲和鞘层分离现象，难以进行数据处理，且有离子溅射，反射等问题，导致CEX(charge exchange，电荷交换)诊断困难；而其圆柱形探针尺寸非常小，长度很长，为了避免终端效应，长径比通常为50以上，束流离子不能迅速穿过鞘层，导致圆柱形探针收集的离子中包含大量束流离子和CEX离子，束流离子对CEX离子诊断造成干扰，因此限制了其使用条件与范围。

此外，如图1和图2所示，图1为朗缪尔探针伏安特性曲线；图2为羽流区第二次试验结果。在图1及图2中可知，由于朗缪尔探针电压越过空间电势后电流曲线继续增长，导致难以确定空间电势对应拐点，使得电子数密度测量和空间电势测量依赖于数据选取，有很大误差，需要通过理论创新和实践创新解决这个问题。

其二，对于法拉第平面形探针，其属于裸露型探针，需在收集器外侧设计防护套，而防护套与收集面之间形成会一定间隙。当探针处于束流离子电流密度较大的区域时，收集盘电流收集表面形成不均匀的等离子体鞘层，在间隙处发生凹陷，从而增大了接收面积，使得电流测量值增大，误差也随之变大。

其三，现有平面形探针及圆柱形探针均不能同时满足电子温度和电子数密度等基本参数的最优测量精度。