[发明专利]一种用于离子推力器测量的法拉第探针

权利要求书

1.一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于：包括钨表面、收集器、保护环、内陶瓷垫片、外陶瓷垫片和M2螺母；具体连接关系为：保护环位于法拉第探针最外环，设有凸台；保护环的内部安有收集器以及钨表面，钨表面采用钨材料加工的中心带有沉孔的圆形垫片，过盈配合套接在收集器的头部，收集器头部设有凸台由上下两个圆柱体组成，收集器头部下方连接杆部，通过内陶瓷垫片卡在收集器和保护环凸台之间进行固定；使得保护环与收集器及钨表面之间产生间隙；收集器杆部穿过保护环尾部，通过外陶瓷垫片卡于保护环之间；

法拉第探针具体安装如下：法拉第探针与探针架垂直安装；前陶瓷绝缘子与后陶瓷绝缘垫片分别位于探针架的两侧固定，并将前陶瓷绝缘子卡在保护环的凸台与探针架之间；将后陶瓷绝缘垫片卡在M8螺母与探针架之间，将法拉第探针固定于探针架上；

法拉第探针的测试电路包括法拉第探针，采样电阻、偏置电源和数据采集仪；

法拉第探针通过连接偏置电源，同时串联采样电阻形成回路；数据采集仪并联采样电阻。

2.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于：保护环与收集器及钨表面之间产生间隙的计算如下：

针对离子推力器的羽流特性，典型的离子推力器羽流等离子体环境中电子密度n_e为：n_e＝10¹⁵m³；电子温度范围为T_e：T_e＝1eV-5eV，

德拜长度计算公式：

λD=7.4×103Tene]]>

所以收集器和保护环之间的间隙l：

l＝nλ_D

其中，n为等离子体鞘层厚度中德拜长度的个数。

3.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于：偏置电源提供-30V的偏置电压，同时负极接地。

4.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于：法拉第探针的测试电路具体工作过程：收集器前端装配的钨表面排斥电子收集离子，在收集器和采样电阻到负极接地的回路中形成离子电流，并在采样电阻两端产生电压；在采样电阻两端并联数据采集仪，用来采集采样电阻两端的电压值。

5.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器测量的法拉第探针，其特征在于：钨表面、收集器、保护环、内陶瓷垫片和外陶瓷垫片同轴心。

6.应用权利要求1所述的用于离子推力器测量的法拉第探针的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)离子推力器喷射等离子体，形成羽流；

2)偏置电源提供-30V的偏置电压，钨表面和保护环在电压作用下排斥羽流中的电子；

3)钨表面采集羽流中的离子，形成离子电流；

4)保护环屏蔽非轴向的羽流中的离子，使钨表面收集面积为表面圆面；

5)钨表面采集的离子电流大小经过采样电阻后，在采样电阻两端形成电压，数据采集仪采集采样电阻的电压值；

6)计算电压值除去采样电阻的阻值得到钨表面采集的离子电流大小；

7)通过离子电流大小计算羽流的电流密度和离子数密度；

离子推力器羽流的电流密度j：

j=VRAp]]>

其中V是采样电阻两端的电压；R是采样电阻的阻值；A_p是钨表面圆的面积；

离子推力器的离子速度V_b可由栅网电压计算得到：

Vb=2eφbmi]]>

其中e为元电子电荷量，φ_b为离子推力器的栅极加速电压，m_i为氙离子质量；

离子推力器羽流的离子数密度N_i：

Ni=jeVb.]]>