電推力器羽流離子能譜測試儀設計及在軌數據分析

馬亞莉，薛玉雄，陳益鋒，王 鹢，高 欣，苗育君，田 愷

(蘭州空間技術物理研究所空間環境材料行為及評價技術重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

由于電推力器具有高推力比沖等優越性，可顯著提高航天器的性能，電推力器正越來越廣泛地被用于不同軌道航天器，尤其是大型長壽命LEO、GEO和深空探測航天器上［1］。但是由于電推力器粒子噴射及擴散，所產生的交換電荷等離子體羽流將對航天器表面、其他子系統及測試儀器產生物理、熱、化學及機械影響［2－3］，對航天器運行及其壽命可能產生重要影響，因而必須盡可能多地獲得電推力器交換電荷等離子體羽流的信息。

目前，電推力器已用于我國低地球軌道衛星，運行性能穩定。所搭載的等離子體診斷單元(包括阻滯勢分析儀RPA、朗繆爾探針LP和石英晶體微量天平QCM)獲得了大量等離子體羽流特性數據，為評價電推力器特性及對航天器的影響分析提供了重要依據。其中RPA用于獲得等離子體中離子的能譜及其束流密度。當等離子體中離子能量大于被碰撞表面材料的濺射閾值，就會產生濺射腐蝕效應，因而所獲得的離子能譜可直接評價羽流是否造成剝蝕效應。RPA在軌測量得到數據結果還可用于仿真軟件的修正與改進。

1 RPA測試原理

RPA探頭為平板探針結構，由一系列電極組成，電極間由絕緣墊圈相互隔離開來。RPA對等離子體中粒子的極性篩選及對離子能量的篩選是通過電場力對粒子的作用實現的。基本的RPA探頭的橫截面如圖1所示。RPA探頭結構第一層為入口柵網，在軌時與航天器結構地相連，使RPA探頭內部與外部空間隔離開來。

圖1 RPA探頭橫截面圖

第二層為初級電子排斥柵網，通過給其施加相對于航天器結構地足夠大的負電位，排斥掉來自入射等離子體中的電子。羽流等離子體中的電子和離子進入RPA探頭后，在入口柵網和初級電子排斥柵網之間，正離子被加速而電子被減速排斥。能量小于施加負電壓的電子將被排斥并最終隨電壓源流走或離開RPA探頭。

第三層柵網為阻滯柵，該柵網上施加可變化正電壓，實現離子能量選擇。通過第二層柵網后，正離子將被減速，只有能量與電荷比Ei/qi大于阻滯柵電壓的正離子才能克服電場力而通過該柵網并被收集極收集。

第四層柵網為二次電子排斥柵，該柵網上施加負電壓，以防止進入RPA的離子碰撞RPA內部形成的二次電子到達收集極而產生測量誤差，收集極位于四層柵網之后，收集極上所獲得的離子電流隨離子阻滯柵網電位的變化而變化，如圖2中I－V曲線所示。

圖2 RPA測試曲線圖

對I－V曲線進行微分處理即可獲得羽流等離子體的離子能譜分布信息。圖2為測試I－V掃描曲線及其微分曲線，電流電壓特性曲線的導數(dI/dV)與離子的能量分布成比例［4］。

RPA收集電流計算見公式(1):

式中:Ac為探針有效電流收集面積；qi為離子所帶電荷數；ni為離子密度；umin(V)為能經過離子掃描柵極的離子最小速度；f(ui)為羽流離子速度分布函數。

其中:

由公式(1)和公式(2)，可得:

從公式(3)可見，對于同一種離子，收集電流對離子掃描電壓的微分與離子電壓分布函數成正比。因為Ei/qi=V，Ei為離子的能量，qi為常數，f(V)=f(Ei/qi)即離子的電壓分布函數與能量分布函數等價。

2 RPA測試系統設計

電推力器以氙氣為推進劑工質。預計返回到航天器的交換電荷等離子體中Xe+離子能量為0～80 eV，電子能量為 0．5～5 eV，等離子體密度為1011～1014個/m3，離 子 電 流 密 度 為 0．01 ～50 μA/cm2。由預計等離子體參數，完成了RPA測試系統設計。

2.1 RPA 測試系統

RPA測試系統主要由RPA探頭和診斷線路盒兩部分組成。診斷線路盒實現與航天器測控系統的通訊，為RPA探頭柵網提供離子掃描電壓和偏置電壓，進行離子阻滯柵網掃描電壓測量和收集極電流測量，如圖3所示。

2.2 RPA測試準確性主要影響因素分析

RPA設計的關鍵在于探頭設計，當等離子體進入RPA探頭內部后，將產生空間電荷效應、靜電透鏡效應。由于這些現象的存在，必須對RPA探頭進行精細設計。設計水平直接關系到RPA的能量分辨率，測試正確性及測試精度。

RPA為靜電型等離子體探頭，利用阻滯電場對正負粒子進行分離并對不同能量粒子進行篩選的，因而應盡可能使得RPA探頭內部柵網之間電場為平行電場；但實際上，由于柵網為網孔結構且柵網間帶電粒子的存在，即存在靜電透鏡效應和空間電荷效應而使得實際電場偏離平行電場，必須對探頭結構尺寸進行設計以使上述兩種效應影響最小化。

圖3 RPA測試系統組成

2.2.1 靜電透鏡效應分析

柵網網孔及RPA探頭內柵網間距較小都將造成柵網網孔處的有效電位(柵網網孔中心電位)低于所施加電壓，存在電位的鞍形降落。在分析儀中，由于柵網兩側的電場強度不同而存在靜電透鏡效應，通常強場將穿過弱場區域，即等勢線在柵網網孔處凸起，形成朝向弱場的凸面［5］。

影響有效電位的因素包括:柵網厚度、柵網網孔孔徑、柵網間距。通過靜電分析軟件，可計算得到柵網間距、柵網厚度和柵網網孔孔徑對柵網上的實際電位的影響關系。各參數對實際電位的影響如下:

(1)柵網網孔越小，有效電位越接近柵網施加電壓；

(2)柵網間距越近，有效電位受到其他電極電位的影響越大，則柵網網孔處有效電位偏離施加電壓越多；柵網間距越大，則有效電位越接近柵網施加電壓；

(3)柵網越厚，有效電位越接近柵網施加電壓。

對于初級電子排斥柵網，由于到達該柵網的是等離子體，要實現排斥電子的作用，該柵網網孔需小于德拜長度才能對等離子體產生電場作用。

從提高有效電位角度而言柵網越厚越好，但厚的柵網增加了撞擊面積從而減少了通過的離子，同時使得離子碰撞產生的二次電子增加。使用間隔非常近的等電位雙層柵網可達到厚柵網相同的效果，可使有效電位與施加電位比值達到98%［6］。

柵網間距越大則越有利于有效電位的提高，但由于柵網間帶電粒子的存在，柵網間距不宜過大，否則將引起顯著的空間電荷效應［7］，進而影響測試精度。

2.2．2 空間電荷效應分析

通過初級電子排斥柵網后，進入區域II(初級電子排斥柵和離子阻滯柵網之間的區域)的粒子均為正離子。當離子阻滯柵網電壓為某一定值時，小于該電壓對應能量的離子將分布在區域II內，從而產生空間電荷效應。即由于區域II中離子電荷的存在，使得該區域內電位高于真空時的水平。

研究結果表明，區域II內的等離子體密度n必須小于特定值，該值與初級電子排斥柵網G1處的最小離子動能E，柵網G1與離子阻滯柵網G2之間的間距L有關。空間電荷效應顯著時，在區域II內將形成高于離子阻滯柵網電位的電位峰值，那么離子將會被這個高峰值電位所排斥，從而獲得錯誤的低離子能量測試結果。

因而，為了能實現特定能量離子篩選功能，必須確保區域 II中的電位不能超過離子能量所對應的掃描電壓。進入區域II內的等離子體密度與最大允許間距L必須滿足確定的關系，在滿足這一關系時，可保證區域II內不會出現超過掃描電壓的高電位，這一關系表述為Green表達式［8］:

式中:E為初級電子排斥柵處的最小離子能量。初級電子排斥柵網所加電位可認為是離子的最小動能。由待測等離子體密度n及初級電子排斥柵處的最小離子能量E，可確定允許的最大間距L。

綜上兩種效應分析，結合具體待測等離子體參數及軟件分析計算結果確定柵網網孔尺寸、柵網厚度及柵網間距等關鍵探頭尺寸。確定柵網網孔大小為0．3 mm(小于等離子體的德拜長度0．53 mm)，初級電子排斥柵網和二次電子排斥柵網施加－30 V的直流偏置電壓，這一負電壓足以排斥掉所有的初級電子和二次電子。確定初級電子阻擋柵網電壓后，由公式(4)計算得到柵網2和柵網3之間的最大允許間距為2.7 mm，因而將柵網間距定為2.5 mm。由于Xe+離子為一價離子，因而離子阻滯柵網施加電壓在0～80 V范圍即可覆蓋整個離子能量范圍，掃描電壓為臺階式變化電壓，電壓步階為0．5 V，實現對離子能量的精細分辨。對于特定柵網間距及柵網電壓，通過Ansys計算發現，柵網厚度為0．2 mm時，計算得到的柵網有效電壓與施加電壓比值約為98%。

柵網均由316不銹鋼加工而成，厚度為0．2 mm。各層柵網透過率均相同，約為0．5，總透過率 T"0．54=0．062 5，入口柵網直徑為5 cm，電流有效收集面積為0．77 cm2。收集極由Mo01制成，選擇Mo01為收集極材料是由于其具有低的二次電子發射系數。

3 在軌測試數據及分析

搭載RPA已獲得了在軌100多天測試數據。在每一個掃描電壓下，測量2～3個電流值，取其平均值作為該電壓下的收集極電流值。隨機選取多組測試數據，繪制出RPA的I－V測試曲線，曲線一致性較好。圖4所示為獲得的典型測試曲線。

圖4 在軌RPA的I－V測試曲線

測量得到離子最大收集電流約為473 nA，可計算得到入射離子束流密度為568 nA/cm2。

由I－V曲線，可得到dI/dV曲線，即離子能譜分布曲線，如圖5所示。

圖5 離子能譜分布圖

由dI/dV曲線，可獲得交換電荷羽流等離子體中Xe+離子能譜特點。離子能量集中在12～25 eV，這一能量遠低于鋁的濺射閾值68 eV，因而可以認為電推力器所產生的交換電荷等離子體不會引起航天器表面材料的濺射。假設離子能量為15 eV，計算得到離子密度為8．2×1012個/m3；假設離子能量為20 eV時，計算得到的離子密度為7．1×1012個/m3。

表1所列為國外獲得的在軌電推力器交換電荷等離子體參數。

表1 國外獲得的在軌電推力器交換電荷等離子體參數［9－10］

在軌電推力器交換電荷等離子體參數與國外比對可以看出，羽流等離子體密度范圍和離子能量范圍相近。

4 結論

分析了影響RPA測試準確性的關鍵影響因素，設計出適合在軌電推力器能譜測試用長壽命、高精度RPA系統。采用所設計的RPA完成了在軌數據測試，獲得了RPA所處位置處的等離子體能譜分布及等離子體密度范圍。

［1］Capacci M，Matticari G，Noci anda A G，et al．An Electric Propulsion Diagnostic Package for the Characterization of the Plasma ThrusterlSpacecraft Interactions on Stentor Satellite［R］．AIAA，1999－2277．

［2］Perdu M，Borie D，Sainct F，et al．In Orbit Experimental Package For Electric Propulsion Interaction［C］//1995 46th International Astronautical Congress，1995．

［3］唐福俊，張天平．離子推力器羽流測試ExB探針設計及誤差分析［J］．真空與低溫，2007，13(2):77－88．

［4］Lyon Bradley King，Thesis P D．Transport－property and Mass Spectral Measurements in the Plasma exhaust Plume of a Hall－Effect Space Propulsion system ［D］．University of Michigan:Department of Aerospace Engineering，1998．

［5］Christian bonhm，Jerome Perrin．Retarding－field analyzer for measurements of ion energy distributions and secondary electron emission coefficients in low－pressure radio frequency discharges［J］．Rev Sci Instrum，1993，64(1):31－44．

［6］Marrese C M，Majumdar N，Haas J，et al．Development of a single－orifice retarding potential analyzer for Hall thruster plume characterization［C］//25th International Electric Propulsion Conference．IEPC－97－066；Cleveland，OH．1997:397－404．

［7］Timothy Glover，Thesis P D．Measurement of Plasma Parameters in the Exhaust of a Magnetoplasma Rocket by Gridded Energy Analyzer and Emissive Langmuir Probe［D］．Rice unjversity，2002．

［8］Green T S．Space charge effects in plasma particle analyzers［J］．Plasma Physics，1970，12(11):877．

［9］Brinza D E，Michael D H．Ion Propulsion Subsystem EnvironmentalEffects on Deep Space 1:Initial Resultsfrom the IPS Diagnostic SubsystemDS1 at Braille［J］ Geophysical Research Letters，2001，28(10):1913－1916．

［10］Tajmar M，Meissl W．Charge－Exchange Plasma Contamination on SMART－1:First Measurements and Model Verification［R］．AIAA 2004－3437:1－12．