电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法

1.本发明涉及一种电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，属于空心阴极寿命预测技术领域。


背景技术：

2.电推进因其喷气速度高可以大量节省在轨卫星的燃料，因此现已被广泛应用于升轨与离轨、阻力补偿和卫星组网等空间任务，寿命需求在几千到数万小时之间，远远超过化学推进器的要求。因此，寿命长短和测试准确性一直是电推进领域的重点关注内容。
3.目前电推进的主要寿命短板是空心阴极。空心阴极的工作条件十分恶劣，是电推进所有部件中工作温度最高1300k-1900k、等离子体密度最高(1018～1020/m3)、气压也最高(几百帕至几千帕不等)的部件。它的工作原理复杂，主要是通过高温时发生的热电子发射效应，持续地为推力器维持放电提供种子电子，同时为喷出的正离子束流提供等量的中和电子，因而是电推进维持正常放电、维持卫星电位稳定的关键部件。显然，空心阴极寿命长短直接决定电推进系统、乃至整星总体的可靠性，寿命测试的准确性直接决定可靠性的置信度。
4.空心阴极一般是单独做寿命测试，目前寿命测试在设计上存在一个很大的不确定因素-阳极极板距离。该阳极极板主要模拟的是电推力器羽流的高电位环境，阳极极板与阴极的间距对阴极放电状态的影响较大。阳极极板与阴极间距较近时，放电电压较低、放电较稳定；距离较远时，放电电压较高、放电振荡较大，甚至会进入到完全不稳定的“羽流模式”，导致阴极快速腐蚀减寿。由于阴极寿命受总功耗(放电电压乘以固定放电电流)和离子溅射影响较大，阳极位置将对测试结果产生决定性影响。即便如此，阳极极板究竟应该与阴极保持多远的距离，目前仍然没有理论依据，主要靠经验制定。目前广泛采用的距离为2cm，也有部分研究人员为了某些特定的研究目的，将距离扩大到4-5cm。二者之间的放电总功率相差超过1倍，离子能量、特别是其高能尾部的能量，可以相差100ev，可以预见其寿命测试结论将有显著差异。对于航天产品可靠性评估而言，这是一个隐患。


技术实现要素：

5.针对如何提高空心阴极寿命测试准确性的问题，本发明提供一种电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法。
6.本发明的一种电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，应用于空心阴极寿命测试，所述方法包括：
7.复现空心阴极羽流区内的电势阶跃区，确定生成电势阶跃区所需要的固有距离，该固有距离指电势阶跃区与空心阴极的距离；
8.根据空心阴极与阳极极板的间距大于生成电势阶跃区所需要的固有距离，确定阳极极板与空心阴极之间的距离，进而得到阳极极板位置。
9.作为优选，所述阳极极板为平板型，平板型阳极极板与空心阴极的间距大于电势
阶跃区与空心阴极间距；
10.作为优选，所述阳极极板为筒状，筒状阳极极板半径大于电势阶跃区与空心阴极轴线间距。
11.作为优选，生成电势阶跃区所需要的固有距离的方法包括：
12.s1、获得空心阴极轴线不同位置处等离子体的空间电势分布曲线，确定电势阶跃位置，再结合空心阴极的安装位置得到空心阴极到电势阶跃位置的距离，记为a；
13.s2、使与空心阴极相对的阳极极板沿电流方向移动，记录移动过程中的阳极极板的放电电压读数，绘制放电电压读数-阳极极板与空心阴极距离的曲线，确定电压读数阶跃位置，再结合空心阴极的安装位置得到空心阴极到电压读数阶跃位置的距离，记为b；
14.s3、确定阳极极板摆放位置：
15.如果已知的推力器羽流与空心阴极的间距大于a且大于b，则以a和b中较大值作为生成电势阶跃区所需要的固有距离；
16.否则，以推力器羽流与空心阴极的间距作为生成电势阶跃区所需要的固有距离。
17.作为优选，s1中，采用朗缪尔探针获得空心阴极轴线不同位置处等离子体的探针伏安特性曲线，根据获得的伏安特性曲线得到空间电势分布曲线。根据探针伏安特性曲线的一阶导最大值或二阶导零点来确定空间电势值。
18.本发明的有益效果，本发明利用羽流区存在的台阶区的影响，在阴极实验中复现出台阶区，以更加逼近阴极的实际寿命，从而确定阳极板位置，提高测试准确性。
附图说明
19.图1为阳极极板距空心阴极出口2.0cm时的空心阴极羽流离子能量；
20.图2为阳极极板距空心阴极出口4.3cm时的空心阴极羽流离子能量；
21.图3为不同触持极材料、偏置电位时的空心阴极羽流电势分布，可见台阶区位置相差2cm，z表示空心阴极轴的轴向距离；
22.图4为朗缪尔探针测得电势分布与阳极极板所测电势分布的对比示意图，z表示空心阴极轴的轴向距离；
23.图5为本发明的流程示意图；
24.图6为本发明实施例的结构示意图；
25.图7为空心阴极羽流轴线上空间电势及电子温度分布。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
29.如图1和图2所示，在实验中本技术发现空心阴极外部的羽流中存在“台阶区”特殊
结构。台阶区只有几毫米薄，但是却存在较大电压(～25v)，内部存在等离子体激波和电子-电子非平衡动理学效应，目前猜测与等离子体束流不稳定性有关。该结构的存在与否对放电电压和羽流离子能量的影响很大：存在台阶区时，放电电压较高(～50v)，离子能量较高(70～200ev)；不存在台阶区时，放电电压较低(～20v)，离子能量也较低(30～150ev)。在申请人的测试中，台阶区自身的功耗可以占到总功耗的40％左右，对离子能量的影响接近1倍，对寿命测试结果会有显著影响。如果实验中未能实现台阶区，显然会高估空心阴极寿命。
30.如图3所示，台阶区的生成位置主要由空心阴极自身的材料和工况决定，相差会达到若干厘米。实验表明，台阶区位置对空心阴极外表面的材料热电子发射系数和二次电子发射系数敏感，但规律不单调。台阶区位置还会受到空心阴极工质流量、工作电流也敏感和触持极孔径的影响，其规律也不单调。因此不同的空心阴极，其台阶区位置会有较大差异，需要结合等离子体诊断来实测。
31.台阶区的生成条件是，空心阴极-阳极极板间距超过生成台阶区所需要的固有距离。这为制定阳极极板位置提供了理论依据：平板型阳极极板与空心阴极的间距应大于台阶区与空心阴极间距，筒状阳极极板半径应大于台阶区与空心阴极轴线间距。
32.综上本实施方式的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，包括：
33.复现空心阴极羽流区内的电势阶跃区，进而更加逼近空心阴极的实际寿命，确定生成电势阶跃区所需要的固有距离,该固有距离指电势阶跃区与空心阴极的距离；
34.根据空心阴极与阳极极板的间距大于生成电势阶跃区所需要的固有距离，确定阳极极板与空心阴极之间的距离，进而得到阳极极板位置。
35.对于平板型阳极极板，平板型阳极极板与空心阴极的间距大于电势阶跃区与空心阴极间距；对于筒状阳极极板，筒状阳极极板半径大于电势阶跃区与空心阴极轴线间距。
36.优选实施例中，如图5所示，本实施方式可采用以下步骤实现，具体包括：
37.步骤1、获得空心阴极轴线不同位置处等离子体的空间电势分布曲线，确定电势阶跃位置，再结合空心阴极的安装位置得到空心阴极到电势阶跃位置的距离，记为a；
38.步骤1可利用探针在空心阴极轴线上移动进行测量，再进行处理得到，本实施方式的探针可选择朗缪尔探针或发射探针，采用朗缪尔探针测量时，在在空心阴极轴线某位置处保持探针不动，扫描探针的电压，同时测量探针在不同电压下通过的电流，得到该点位置上的一条伏安特性曲线。之后将探针移动到另外一个点，重复这个过程，直到所有轴线上的点都有对应的探针伏安特性线，每条探针伏安特性线，会用来计算该位置点处的等离子体空间电势、电子温度、电子密度等信息，取其中空间电势，就可以做出一条随位置变化的空间电势曲线。其中根据探针伏安特性曲线的一阶导最大值或二阶导零点来确定空间电势值，得到空间电势分布曲线。
39.采用发射探针测量时，在在空心阴极轴线某位置处保持探针不动，扫描探针的加热电流，同时测量探针悬浮电位的变化，得到加热电流-探针悬浮电位的曲线。然后移动发热探针到下一个点，再得到一条加热电流-探针悬浮电位曲线。再根据探针加热电流-悬浮电位曲线的一阶导最大值或二阶导零点来确定空间电势值，得到空间电势分布曲线。
40.具体可利用单探针测量系统获得空心阴极轴线上等离子体的伏安特性曲线或加热电流-探针悬浮电位曲线，单探针测量系统包括探针、扫描电源、微安表和伏特计；扫描电
源用于给探针提供连续变化的偏置电压或加热电流，伏特表和微安表分别用于测量探针电流和探针电压。
41.步骤2、使与空心阴极相对的阳极极板沿电流方向移动，记录移动过程中的阳极极板的放电电压读数，绘制放电电压读数-阳极极板与空心阴极距离的曲线，确定电压读数阶跃位置，再结合空心阴极的安装位置得到空心阴极到电压读数阶跃位置的距离，记为b；
42.如图4所示的朗缪尔探针测得电势分布与阳极极板所测电势分布的对比，a为12mm，b为15mm；
43.步骤3、根据推力器羽流与空心阴极的间距、电势阶跃位置和电压读数阶跃位置，确定阳极极板摆放位置：
44.要生成台阶区，需要给阳极极板表面鞘层留出距离，所以所以需要确定a和b中谁比较大，如果已知的推力器羽流与空心阴极的间距大于a且大于b，则以a和b中较大值作为生成电势阶跃区所需要的固有距离；否则，以推力器羽流与空心阴极的间距作为生成电势阶跃区所需要的固有距离。
45.本实施方式充分重视台阶区位置的影响，采用探针，或移动阳极极板的位置，采集探针伏安特性曲线，阳极极板电位，计算获取空心阴极羽流的空间电势分布确定台阶区位置；综合推力器上的空心阴极安装位置，比较羽流-空心阴极相对间距、空间电势分布阶跃距离、阳极极板电压阶跃距离，制定空心阴极单独寿命测试的阳极极板位置；
46.实施例：实验所用空心阴极是一支额定电流为4a的lab6空心阴极，发射体内径为3mm，长10mm。节流孔板孔径为0.7mm，深1mm，放电过程中内腔气压约700pa。节流孔板与触持极孔板间距0.8mm，触持极孔径2mm。该空心阴极使用热子进行点火前的预热，建立起放电之后触持极电位处于悬浮。放电使用的阳极极板为平板电极，暂定距离空心阴极触持极端面45mm。空心阴极的结构与电路图如6所示。
47.空心阴极羽流区参数分布结果如7所示，左侧横坐标z＝0处为空心阴极节流孔板出口，z＝2～4为触持极孔道位置，z＝43mm处为阳极极板位置。图6中，空心阴极羽流区电势呈现两个电势降区域：空心阴极节流孔板出口至触持极孔道出口1mm之间，以及触持极孔道出口8mm至10mm之间。靠近空心阴极一侧的电势降为8.5v，远离空心阴极一侧的电势降为20v。两个电势降区域之间(z＝5mm至z＝12mm之间)和电势降区域与阳极极板之间(z＝14mm至z＝43mm之间)为电势平缓区域，电场强度小。而移动阳极极板得到的放电电压呈现一个电势降区，z＝14mm处。因此，根据台阶区位置可知，对于平板型阳极极板与空心阴极的间距应满足z》14mm，即大于台阶区与空心阴极间距。同理可知，筒状阳极极板半径应大于台阶区与空心阴极轴线间距。
48.而电子温度的曲线变化也证明了本技术中台阶区的存在。
49.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

技术特征：
1.电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，应用于空心阴极寿命测试，其特征在于，所述方法包括：复现空心阴极羽流区内的电势阶跃区，确定生成电势阶跃区所需要的固有距离，该固有距离指电势阶跃区与空心阴极的距离；根据空心阴极与阳极极板的间距大于生成电势阶跃区所需要的固有距离，确定阳极极板与空心阴极之间的距离，进而得到阳极极板位置。2.根据权利要求1所述的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，其特征在于，所述阳极极板为平板型，平板型阳极极板与空心阴极的间距大于电势阶跃区与空心阴极间距。3.根据权利要求1所述的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，其特征在于，所述阳极极板为筒状，筒状阳极极板半径大于电势阶跃区与空心阴极轴线间距。4.根据权利要求1所述的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，其特征在于，生成电势阶跃区所需要的固有距离的方法包括：s1、获得空心阴极轴线不同位置处等离子体的空间电势分布曲线，确定电势阶跃位置，再结合空心阴极的安装位置得到空心阴极到电势阶跃位置的距离，记为a；s2、使与空心阴极相对的阳极极板沿电流方向移动，记录移动过程中的阳极极板的放电电压读数，绘制放电电压读数-阳极极板与空心阴极距离的曲线，确定电压读数阶跃位置，再结合空心阴极的安装位置得到空心阴极到电压读数阶跃位置的距离，记为b；s3、确定阳极极板摆放位置：如果已知的推力器羽流与空心阴极的间距大于a且大于b，则以a和b中较大值作为生成电势阶跃区所需要的固有距离；否则，以推力器羽流与空心阴极的间距作为生成电势阶跃区所需要的固有距离。5.根据权利要求4所述的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，其特征在于，s1中，采用朗缪尔探针获得空心阴极轴线不同位置处等离子体的探针伏安特性曲线，根据获得的伏安特性曲线得到空间电势分布曲线。6.根据权利要求5所述的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，其特征在于，s1中，根据探针伏安特性曲线的一阶导最大值或二阶导零点来确定空间电势值。7.根据权利要求4所述的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，其特征在于，s1中，采用发热探针获得空心阴极轴线不同位置处等离子体的探针加热电流-悬浮电位曲线，根据获得的探针加热电流-悬浮电位曲线得到空间电势分布曲线。8.根据权利要求7所述的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，其特征在于，s1中，根据探针加热电流-悬浮电位曲线的一阶导最大值或二阶导零点来确定空间电势值。9.根据权利要求5或7所述的电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，其特征在于，s1中，利用单探针测量系统获得空心阴极轴线上等离子体的伏安特性曲线，单探针测量系统包括探针、扫描电源、微安表和伏特计；扫描电源用于给探针提供连续变化的偏置电压或加热电流，伏特表和微安表分别用于测量探针电流和探针电压。

技术总结
电推进空心阴极实验的阳极极板位置确定方法，解决了如何提高空心阴极寿命测试准确性的问题，属于空心阴极寿命预测技术领域。本发明包括：复现空心阴极羽流区内的电势阶跃区，确定生成电势阶跃区所需要的固有距离，该固有距离指电势阶跃区与空心阴极的距离；根据空心阴极与阳极极板的间距大于生成电势阶跃区所需要的固有距离，确定阳极极板与空心阴极之间的距离，进而得到阳极极板位置。本发明利用羽流区存在的台阶区的影响，在阴极实验中复现出台阶区，以更加逼近阴极的实际寿命，从而确定阳极板位置，提高测试准确性。提高测试准确性。提高测试准确性。


技术研发人员：孟天航 王佰胜 宁中喜 于达仁
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/7/11