離子推力器放電室等離子體診斷技術(shù)研究進(jìn)展

宋瑩瑩，顧 左，吳辰宸，王 蒙

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

離子推力器放電室等離子體診斷技術(shù)研究進(jìn)展

宋瑩瑩，顧 左，吳辰宸，王 蒙

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

離子推力器放電室等離子體診斷對研究放電室等離子體特性及放電室性能具有重要意義。為了研究離子推力器放電室等離子體放電過程，調(diào)研了國外離子推力器放電室等離子體診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了接觸式靜電探針技術(shù)和非接觸式光譜技術(shù)的工作原理、應(yīng)用范圍、實(shí)施要點(diǎn)、技術(shù)成熟性、診斷可靠性等。靜電探針技術(shù)成熟、理論較完善、成本低、操作方便，但會(huì)對等離子體產(chǎn)生干擾；光譜技術(shù)顯著降低了診斷工具對等離子體的干擾，能獲得較多精確的等離子體參數(shù)，越來越多的應(yīng)用于等離子體診斷領(lǐng)域。調(diào)研分析可以為國內(nèi)離子推力器放電室等離子體診斷技術(shù)提供參考。

離子推力器；放電室；等離子體診斷；靜電探針技術(shù)；光譜技術(shù)

0 引言

離子推力器放電室等離子體診斷對于研究放電室內(nèi)部等離子體特性及放電室性能具有重要意義，放電等離子體參數(shù)分布一方面有助于深入理解放電等離子體物理運(yùn)動(dòng)過程，另一方面可以為放電室數(shù)值模型和理論模型提供驗(yàn)證，為推力器電氣參數(shù)、放電室結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。目前由于試驗(yàn)條件限制及診斷難度大，國內(nèi)很少開展離子推力器放電室等離子體診斷工作，國外開展不同形式的離子推力器放電室等離子體診斷，研究相對比較成熟。通過對國外相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行分析，可以為國內(nèi)離子推力器放電室等離子體診斷技術(shù)提供參考。

1 離子推力器放電室等離子體診斷技術(shù)研究

等離子體診斷技術(shù)一般分為接觸式診斷和非接觸式診斷兩種，前者以靜電探針技術(shù)為主；后者以光譜技術(shù)為主。

1.1 靜電探針技術(shù)

靜電探針是利用等離子體中的靜電現(xiàn)象，通過將金屬探針插入等離子體中，并對其相對另一金屬電極施加正或負(fù)的偏置電壓以收集電子或離子電流，靜電探針主要有單探針、雙探針、發(fā)射探針等。離子推力器發(fā)展早期，一些研究者借助靜電探針技術(shù)對離子推力器放電室等離子體特性參數(shù)進(jìn)行診斷，尋求離子推力器有效設(shè)計(jì)方法。Masek[1]將測量所得離子密度和電子溫度作為輸入條件，利用一些半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行修正，建立了放電室特性參數(shù)與等離子體之間的關(guān)系，但由于測量方式比較粗略，探針精度有限，Masek模型不能有效指導(dǎo)推力器設(shè)計(jì)。Milder[2]將測量所得原初電子溫度和麥?zhǔn)想娮訙囟确植甲鳛檩斎雲(yún)?shù)，建立放電室特性計(jì)算方法，計(jì)算過程復(fù)雜，測量誤差較大，精度有限。但是早期研究通過對離子推力器放電室等離子體診斷，結(jié)合放電室特性參數(shù)的計(jì)算分析，給離子推力器放電室設(shè)計(jì)提出了實(shí)用的改進(jìn)建議，如摒棄了徑向磁場構(gòu)形，增加了陰極處擋板設(shè)計(jì)，顯著地增加了放電室等離子體的均勻性。

1.1.1 單探針技術(shù)

單探針實(shí)驗(yàn)裝置及I/V特性曲線如圖1所示，電壓掃描電源（通常電壓掃描范圍為±100 V）用于偏置探針電壓，數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備可以采用示波器、XY記錄儀、電壓表或計(jì)算機(jī)。從探針I(yè)/V特性曲線可以確定等離子體的基本參數(shù)：電子密度ne、離子密度ni、電子溫度Te、等離子體空間電位Φp、懸浮電位Φf和電子能量分布函數(shù)（EEDF）。在探針測量中，許多非理想效應(yīng)可能產(chǎn)生各種誤差，如通過探針I(yè)/V曲線的拐點(diǎn)得到等離子體電位可能會(huì)因?yàn)樘结樜廴尽⑻结樃蓴_、磁場影響等問題而不準(zhǔn)確。

圖1 單探針實(shí)驗(yàn)裝置及I/V特性曲線Fig.1 Experimental setup for single Langmuir measurements and typical I-V curve

1987年Arakawa等[3]建立了環(huán)切場離子推力器放電室陽極壁面等離子體鞘層理論模型，可以用來計(jì)算離子在陽極壁上的損失，因此能相對精確地計(jì)算放電室性能參數(shù)。利用單探針測量放電室陽極壁面附近的等離子體密度，進(jìn)而得到損失在陽極壁面的離子份額，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論模型的正確性。

1989年Hayakawa等[4]利用單探針測量離子推力器放電室電子能量分布。通過對放電室內(nèi)多于20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行診斷發(fā)現(xiàn)，放電室電子能量分布并不服從麥克斯韋-玻爾茲曼定律，原初電子并不是單能電子，而且在陰極頂附近密度比麥?zhǔn)戏植几撸娮邮杆贁U(kuò)散到放電室下游，有一小部分能量很高的電子能夠到達(dá)柵極，會(huì)造成輸入電子能量的損失。因此通過測量電子能量分布可以為放電室設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考，進(jìn)一步阻止高能電子直接擴(kuò)散到放電室下游造成損失，能夠提高推力器電效率。

1997年Monterdey等[5]用單探針對Kaufman離子推力器放電室耦合等離子體進(jìn)行診斷。探針直徑為0.5 mm的圓柱形探針，假設(shè)探針鞘層為無碰撞鞘層，探針數(shù)據(jù)采用Savitzky-Golay方法平滑化處理I/V特性曲線，并獲得電子能量分布函數(shù)。通過對穩(wěn)定狀態(tài)的“點(diǎn)模式”放電和不太穩(wěn)定的“羽流模式”放電的等離子體診斷發(fā)現(xiàn)，由等離子體不穩(wěn)定引起的電子噪聲嚴(yán)重干擾探針診斷結(jié)果，使得分析不準(zhǔn)確。

2003年Ballesteros等[6]設(shè)計(jì)了完整的單探針自動(dòng)診斷系統(tǒng)，電子能量分布使用Druyvesteyn公式求解，程序基于Labview環(huán)境開發(fā)，可以適應(yīng)任何常用的平臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器。測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理時(shí)間約0.5 s，因此通過掃描可以得到EEDF的時(shí)間演變，進(jìn)而能夠用來分析等離子體的漂移。

2004年Sengupta等[7]用單探針對30 cm NSTAR型離子推力器放電室內(nèi)部較大區(qū)域徑向等離子體進(jìn)行診斷。探針安裝及移動(dòng)平臺(tái)實(shí)物圖如圖2所示，探針從陽極壁側(cè)面進(jìn)入放電室，定位在陰極頂下游1、2、3、4、6 cm的錐段區(qū)域與10 cm和14 cm處的柱段區(qū)域，使用LABVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制平移臺(tái)、電子快門、探頭電源、記錄I/V數(shù)據(jù)，探針在放電室停留時(shí)間小于1 s，使用光纖鏈路模塊傳輸信號(hào)，能在較大程度上降低誤差。探針直徑為0.10～0.15 cm的圓柱形探針，假設(shè)放電室內(nèi)電子能量具有麥克斯韋分布（對于非陰極羽流區(qū)誤差可以接受），探針鞘層使用受限軌道運(yùn)動(dòng)（OML）理論描述，將Langmuir探針I(yè)/V特性曲線指數(shù)部分使用線性擬合軟件IGOR對數(shù)化處理，直接由處理后曲線斜率可以得到電子溫度。

圖2 探針安裝及移動(dòng)平臺(tái)實(shí)物圖Fig.2 views of Langmuir probe installation and translation stage

2004年Herman等[8]對30 cm NSTAR型離子推力器放電陰極組件（DCA）附近區(qū)域進(jìn)行單探針診斷。高速探頭定位系統(tǒng)（HARP）快速而精確的將探針定位在放電室的相應(yīng)位置并能夠快速撤離，在高濃度放電羽陰極流內(nèi)的DCA下游探針的停留時(shí)間為100 ms，減小探頭對等離子體的干擾及減輕探針損壞。探針直徑為0.18 mm，在高密度放電陰極羽流區(qū)，探針直徑大于德拜長度，滿足薄鞘假設(shè)；陽極附近電子密度較小，德拜半徑超過探針直徑，通過對鞘層偏移迭代進(jìn)行修正鞘層。假設(shè)放電室中的電子是由單一能量的原初電子和具有麥克斯韋分布的二次電子組成，可以獲得放電陰極羽流區(qū)原初電子能量和密度信息。利用此診斷平臺(tái)研究了束流引出對陰極羽流區(qū)電子密度和溫度的影響，給定離子推力器相同的輸入條件，束流引出相比于未引出束流情況下，會(huì)使陰極羽流區(qū)電子密度升高，電子溫度變寬。

2005年Herman等[9]針對40 cm NEXT型離子推力器開展了離子推力器放電室的電子能量分布函數(shù)（EEDF）的單朗繆爾探針診斷工作。朗繆爾探針外部電路如圖3所示，實(shí)驗(yàn)使用了兩種技術(shù)獲得EEDF，Druyvesteyn（或二階導(dǎo)數(shù)法）用來獲得在引出束流情況下放電室的EEDF，諧波法（或交流法）用于獲取沒有引束流情況下的EEDF。

圖3 Druyvesteyn和諧波法的外部電路Fig.3 Druyvesteyn and Harmonic methods circuit diagram

近DAC區(qū)域附近的磁場強(qiáng)度最大為幾十高斯，在靠近陽極磁極處磁場強(qiáng)度可以達(dá)到幾百個(gè)高斯，工作氣壓約為0.013 Pa，能夠達(dá)到Passoth所提出的B/P0≤1.92 T/Pa的限制要求，因此EEDF的各向異性可以忽略不計(jì)。Druyvesteyn方法假設(shè)電子在探針表面速度分布是各向同性的，則EEDF與探頭電流的二階導(dǎo)數(shù)成比例，每次求導(dǎo)后對曲線進(jìn)行平滑化處理以減小噪聲。諧波法是利用由鎖相放大器測量的探針電流的二次諧波與探針電流的二階導(dǎo)數(shù)有關(guān)，進(jìn)而可得到電子能量分布，通過對測量信號(hào)進(jìn)行平均消除噪聲。兩種技術(shù)所得的EEDF由于束流處理方式的不同而產(chǎn)生微小差異，表明放電等離子體與束流之間存在耦合關(guān)系。

2004～2009年Sengupta等[10-11]利用單平面探針測量NSTAR離子推力器的四種磁場位形下的放電室等離子體參數(shù)。平面探針直徑與厚度之比設(shè)計(jì)為100，故探針邊緣效應(yīng)可以忽略不計(jì)，實(shí)驗(yàn)采用的是理想狀態(tài)下的探針理論。由二維靜磁解算器對放電室磁場進(jìn)行仿真，并結(jié)合分析模型和實(shí)驗(yàn)測量研究磁場位形對放電室等離子體約束與等離子體均勻性的影響，并提出了用于減少放電室放電損失和改善等離子體均勻性的磁場設(shè)計(jì)與優(yōu)化建議。

1.1.2 雙探針技術(shù)

雙探針測量及典型I/V特性曲線[12]如圖4所示，如果兩探針完全相同（形狀和表面積相同），其所在的局部空間的等離子體是均勻的，且具有相同的等離子體電位，則其伏安特性曲線是正負(fù)對稱的。雙探針懸浮，整個(gè)探針系統(tǒng)流向等離子體的凈電流為0，當(dāng)V≠0時(shí)，電流在兩個(gè)探針之間流動(dòng)；當(dāng)V很大時(shí)，電位偏低的探針2基本上收集離子飽和電流，等于探針1收集的凈電子電流。雙探針系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[13]是其凈電電流值絕不會(huì)超過離子飽和電流，所以能最大限度地降低對放電等離子體的干擾；雙探針測定電子溫度與等離子空間電位無關(guān)，從而可以避免受等離子區(qū)空間電位變化的影響。但探針都只收集處于分布函數(shù)尾部的高能電子，所以無法獲得電子密度；雙探針電極之間存在間隙限制，降低了雙探針的空間分辨率。

2003年Herman等[14]使用雙探針技術(shù)研究30 cm離子推力器DCA附近區(qū)域等離子體電子溫度分布。雙探針結(jié)構(gòu)簡圖與雙探針電路圖如圖5所示，使用雙探針診斷無法將原初電子與二次電子區(qū)分開來考慮，不考慮磁場對探針測量的影響，電子溫度取決于I/V曲線斜率與離子飽和電流，因此零偏置位置的斜率和離子飽和電流兩方面的誤差會(huì)使電子溫度噪聲較明顯。實(shí)驗(yàn)討論了束流引出對放電室等離子體參數(shù)的影響，并通過降低放電陰極流率，發(fā)現(xiàn)放電陰極從點(diǎn)模式向羽流模式過渡，并且產(chǎn)生高溫度電子區(qū)域。

圖4 雙探針測量及典型I/V特性曲線Fig.4 Experimental setup for double Langmuir measurements and typical I-V curve

圖5 雙探針結(jié)構(gòu)簡圖與雙探針電路圖Fig.5 Double probe tip design and circuit diagram

1.1.3 發(fā)射探針技術(shù)

發(fā)射探針[15]是一根能發(fā)射電子的熱金屬絲，探針頭使用高電阻率、高熔點(diǎn)的環(huán)狀導(dǎo)線，可以避免探針表面的沉積污染。在理論上[16]，當(dāng)燈絲加熱充分時(shí)，發(fā)射探針發(fā)射電子，保證探針與等離子體間的歐姆接觸，離子正電荷鞘層不能形成，使得電子溫度不影響探針與等離子體間的接觸，可以準(zhǔn)確測量等離子體電位，卻無法測量電子溫度。事實(shí)上，對于強(qiáng)發(fā)射的懸浮探針，由于空間電荷限制會(huì)產(chǎn)生雙鞘層。通常對發(fā)射探針進(jìn)行I/V特性曲線求導(dǎo)得到拐點(diǎn)，等離子體電位即為拐點(diǎn)處探針電位。

2005年Herman等[17]針對NEXT型離子推力器開展了離子推力器放電室等離子電勢發(fā)射探針診斷工作。發(fā)射探針電路如圖6所示，直流電源用來加熱燈絲，兩個(gè)AD210隔離放大器記錄發(fā)射探針電勢和跨過燈絲的電壓降，整個(gè)電路使用高壓SHV同軸電纜來降低噪聲。大磁場和密度梯度的出現(xiàn)會(huì)增加與空間電荷限制發(fā)射相關(guān)的問題，發(fā)射電子不再是自探針頭向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，增加了發(fā)射探針電勢與局部等離子體電勢的差異，Hershkowitz等[15]研究表明當(dāng)時(shí)，磁場對發(fā)射電子的影響可以忽略。發(fā)射探針燈絲直徑為0.13 mm，放電室電子溫度在2～7 eV，根據(jù)Hershkowitz方程得出當(dāng)B?0.065 T時(shí)磁場影響可忽略，因此放電室磁場對發(fā)射探針的影響可以忽略。試驗(yàn)得到了放電室等離子體電勢分布，證實(shí)了放電陰極與主要等離子體區(qū)之間存在雙層電勢結(jié)構(gòu)，由于雙層結(jié)構(gòu)與DCA附近的軸向磁場距離很近，使得放電陰極羽流變窄。

圖6 發(fā)射探針電路圖Fig.6 Floating emissive probe circuit diagram

1.2 光譜技術(shù)

光譜技術(shù)是一種主動(dòng)而無干擾的等離子體診斷的方法，時(shí)空分辨率較高，能獲得豐富的等離子體參數(shù)，如電子、離子溫度、密度以及等離子體電離程度等參數(shù)。主要的光譜技術(shù)有激光湯姆遜散射技術(shù)、發(fā)射光譜技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)等。

1.2.1 激光湯姆遜散射技術(shù)

激光湯姆遜散射技術(shù)（LTS）診斷等離子體的基本原理[18]為激光束通過等離子體時(shí)被等離子體的波散射，散射光的功率譜由不同的電子散射電場干涉疊加而成，散射光在探針光頻率附近發(fā)生共振現(xiàn)象，這個(gè)范圍的散射光譜集中了等離子體的大量信息。散射光譜反映了單個(gè)電子的多普勒運(yùn)動(dòng)，散射強(qiáng)度與電子數(shù)密度（ne） 成正比，激光差分波長的平方(? λ)2與電子能量成正比，進(jìn)而能得出等離子體電子密度、溫度、能量分布函數(shù)等參數(shù)。隨著信號(hào)積累技術(shù)的應(yīng)用，LTS測量等離子體密度的范圍已經(jīng)從 ne＞1019m-3擴(kuò)展到 ne＜1016m-3，目前 LTS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電推進(jìn)系統(tǒng)的等離子體診斷。

2012～2016年Yamamoto等[19-20]使用LTS對30 W微型微波離子推力器等離子體電子溫度、密度、電子能量分布函數(shù)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行診斷。LTS的實(shí)驗(yàn)測量裝置如圖7所示，波長為532 nm的YAG激光器發(fā)射激光束，通過f=200 mm的聚焦透鏡進(jìn)入放電室等離子體中，來自等離子體的散射光經(jīng)過f=350 mm和f=250 mm的兩個(gè)消色差透鏡會(huì)聚到三光柵光譜儀（TGS），由光電倍增管（PMT）進(jìn)行檢測。當(dāng)激光強(qiáng)度較高時(shí)，被激發(fā)的氙原子發(fā)生光電離會(huì)對等離子體產(chǎn)生干擾；在激光強(qiáng)度低于激發(fā)態(tài)氙原子發(fā)生光電離的閾值時(shí)，對所得到的湯姆遜譜分析，得到等離子體電子溫度、密度，并表明EEDF是麥克斯韋分布。

圖7 LTS實(shí)驗(yàn)測量裝置Fig.7 Experimental setup for LTS measurements

1.2.2 發(fā)射光譜技術(shù)

發(fā)射光譜法是利用激發(fā)態(tài)的物質(zhì)躍遷到較低能態(tài)時(shí)發(fā)射光譜的原理，通過測量譜線的波長和強(qiáng)度，對等離子體中存在的各種粒子種類、等離子體溫度等參數(shù)進(jìn)行分析。發(fā)射光譜法因其靈活的適用性和非干擾特性而得到了最為廣泛的應(yīng)用，但是相應(yīng)的測量技術(shù)和理論分析方法有限，使得發(fā)射光譜的定量分析能力很受限制，提高其定量分析能力非常必要。

2004年Sengupta等[10]使用發(fā)射光譜技術(shù)用于獲取NSTAR型離子推力器放電室內(nèi)中性氙原子相對密度分布，實(shí)驗(yàn)使用光纖探頭將激發(fā)態(tài)氙原子因躍遷發(fā)射的光通過的光收集窗口傳輸?shù)娇烧{(diào)光譜儀（光譜儀調(diào)至823.1 nm），經(jīng)過增強(qiáng)型光電倍增管（PMT），將輸出信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行儲(chǔ)存、處理。PMT的輸出電壓信號(hào)與激發(fā)中性氙氣的通量成正比，由于很難對光學(xué)探針進(jìn)行絕對校準(zhǔn)，因此實(shí)驗(yàn)只獲取了離子推力器放電室氙原子的相對密度分布。

1.2.3 激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)

激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（LIF）屬于非浸入式測量技術(shù)，適合診斷小物理尺度環(huán)境和局部高密度等離子體性質(zhì)。通過調(diào)諧激光波長使得特定波長激發(fā)特定粒子，就可以得到熒光激發(fā)光譜，將這些熒光信號(hào)經(jīng)光學(xué)器件收集并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，通過分析熒光強(qiáng)度便可確定處于基態(tài)的分子、原子、離子以及亞穩(wěn)態(tài)或不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)的密度。由于發(fā)射熒光的時(shí)間遠(yuǎn)小于微秒，必須用脈沖寬度為納秒量級(jí)的激光脈沖來激發(fā)熒光。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)靈敏度很高，可以測量到譜線展寬，根據(jù)激光誘導(dǎo)熒光光譜的譜線寬度，可以通過公式直接得到等離子體中的離子溫度。根據(jù)多普勒效應(yīng)，還可以獲得等離子體中的原子和離子的速度分布函數(shù)。但是這種方法會(huì)干擾等離子體的電離過程，從而導(dǎo)致放電狀態(tài)的改變，放電電流會(huì)出現(xiàn)變化，而且所需實(shí)驗(yàn)儀器復(fù)雜而且昂貴。

2000年Williams等[21]為了研究離子推力器空心陰極附近高能離子對觸持極腐蝕機(jī)理，采用LIF測量空心陰極羽流區(qū)的高能離子能量分布。通過測量空心陰極工作在放電模式為“點(diǎn)模式”和“羽流模式”下的空心陰極羽流區(qū)軸向和徑向的氙離子的速度分布，進(jìn)而計(jì)算出離子能量分布，驗(yàn)證了產(chǎn)生高能離子的電勢阱模型的正確性。

2000年Williams等[22]使用LIF確認(rèn)30 cm離子推力器放電陰極的相關(guān)腐蝕速率和碰撞粒子產(chǎn)生機(jī)制，主要針對Mo和W的腐蝕產(chǎn)物與氙原子和一價(jià)氙離子進(jìn)行測量，離子速度分布確定了在腐蝕區(qū)域附近的返流離子能量足夠產(chǎn)生可直接觀察程度的腐蝕，同時(shí)觀察到陰極下游存在勢阱，并且離子進(jìn)入電勢阱后獲得電勢能產(chǎn)生高能離子腐蝕觸持極。

2 結(jié)論

分析了幾種常用離子推力器放電室等離子體診斷技術(shù)的主要特點(diǎn)，并結(jié)合應(yīng)用中需要考慮的因素，對相關(guān)診斷技術(shù)進(jìn)行了對比分析，得到結(jié)論：

（1）接觸式診斷技術(shù)與非接觸式技術(shù)的比較

接觸式診斷技術(shù)與非接觸式診斷技術(shù)相比，技術(shù)相對成熟，精確快速定位技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和各種降噪技術(shù)能最大限度的保證獲取相對精確的診斷數(shù)據(jù)；接觸式技術(shù)操作簡單，儀器容易制造，成本相對較低，目前應(yīng)用廣泛。但是接觸式不可避免的會(huì)對等離子體產(chǎn)生干擾，且探針理論基于一系列假設(shè)，數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜；非接觸式技術(shù)能最大限度地降低診斷工具對等離子體的干擾，對等離子體環(huán)境的要求較低，而且能夠較為精確地獲取更多的等離子體參數(shù)，隨著技術(shù)與理論的發(fā)展與完善，非接觸式診斷越來越多的應(yīng)用于等離子體診斷領(lǐng)域。

（2）探針技術(shù)的比較

單探針與其他類型的靜電探針相比，空間分辨率高，單探針理論發(fā)展較為完善，通過分析其I/V特性曲線能夠獲得較多等離子體參數(shù)，應(yīng)用最為廣泛；雙探針對等離子體的干擾最小，但空間分辨率相對較低，且無法獲得電子密度，電子溫度噪聲較為明顯；發(fā)射探針理論發(fā)展較為成熟，電子發(fā)射能有效避免探針污染，對等離子體電位診斷較為準(zhǔn)確，應(yīng)用也越來越多。

（3）光譜技術(shù)的比較

激光湯姆遜散射技術(shù)（LTS）能夠較精確的獲得電子密度、溫度、能量分布函數(shù)等參數(shù)，技術(shù)相對成熟，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電推進(jìn)系統(tǒng)的等離子體診斷。發(fā)射光譜技術(shù)是最常用、簡單的測量方法，但是由于光學(xué)探針的絕對校準(zhǔn)較為困難，通常用于獲得原子相對密度分布；激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)發(fā)展較為成熟，能有效控制激發(fā)光子的能量和數(shù)量，因此比發(fā)射光譜更好的定量，由于其靈敏度高，能有效獲得原子速度分布、離子溫度分布、離子能量分布等，目前主要用于研究離子推力器空心陰極附近高能離子對觸持極腐蝕機(jī)理，但是這種方法會(huì)干擾等離子體的電離過程，從而可能改變放電狀態(tài)。

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REVIEW ON PLASMA DIAGNOSTIC TECHNOLOGY OF ION THRUSTER DISCHARGE CHAMBER

SONG Ying-ying，GU Zuo，WU Chen-chen，WANG Meng
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The plasma diagnosis of the ion thruster discharge chamber is of great significance to study the plasma characteristics in the discharge chamber and the performance of the discharge chamber.In order to study the plasma diagnosis technology in the discharge chamber of ion thruster，development status abroad was investigated.The working principle，application scope，implementation points，technology maturity and diagnostic reliability of contact electrostatic probe technology and non-contact spectrum technology were analyzed.Electrostatic probe technology is mature，the theory is perfect，the cost is low and the operation is easy，but it will interfere with the plasma.Spectrum technology can significantly reduce the interference of the diagnostic tool to the plasma，obtain more precise plasma parameters，and is increasingly used in the field of plasma diagnosis.The research and analysis can provide a reference for the domestic plasma diagnosis technology of ion thruster discharge chamber.

ion thruster；discharge chamber；plasma diagnosis；electrostatic probe technology；spectrum technology

V439+.1

A

1006-7086（2017）05-0259-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.003

2017-06-28

宋瑩瑩（1992-），女，河南人，碩士研究生，主要從事空間電推進(jìn)技術(shù)與工程。E-mail:songyzly@163.com。